微帶天線的幾種小型化技術(shù)及分析

黃羅生

【摘要】 為適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展需要，微帶天線小型化研究成為天線研究領(lǐng)域的一個(gè)重要熱點(diǎn)，本文概述了微帶天線小型化研究的意義，重點(diǎn)剖析了幾種小型化技術(shù)及特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 微帶天線 小型化

微帶天線具有易于共形、體積小、饋電靈活和剖面低等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中得到越來(lái)越多運(yùn)用。然而，當(dāng)微帶天線在較低頻段工作時(shí)，由于體較積大，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今無(wú)線通信系統(tǒng)向小型化和集成化發(fā)展的需要。為了更好滿足無(wú)線通信系統(tǒng)的需要，小型化微帶天線便成為一個(gè)迫切的研究課題。微帶天線的小型化是指：當(dāng)天線工作在固定頻率時(shí)，減小體積尺寸；或者天線尺寸大小不變的情況下，可以工作在更低的頻率范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)持續(xù)多年的研究發(fā)展，小型化的技術(shù)主要有以下幾種：

1.表面開(kāi)槽。

天線的貼片因?yàn)楸砻嬗辛瞬刍蚣?xì)縫后，使得貼片表面的電流路徑被切斷，電流只能繞槽或細(xì)縫的邊緣曲折流過(guò)，這樣就延長(zhǎng)了電流路徑。它的人優(yōu)點(diǎn)是：具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，易于加工制造，天線造價(jià)成本也較低。其缺點(diǎn)是：利用這種技術(shù)縮減天線的尺寸也不是無(wú)限度的，當(dāng)天線的尺寸減小到一定程度后，天線的帶寬、增益和其它方面性能也會(huì)呈現(xiàn)明顯劣化態(tài)勢(shì)。

2.采用特殊形狀的輻射貼片或折疊輻射貼片。

天線尺寸雖然沒(méi)有變化，但是因?yàn)檩椛潆娏鞯穆窂降玫搅嗽黾?，從而天線帶寬得以展寬，工作在較低頻率，因此這也是較為容易實(shí)現(xiàn)的一種小型化技術(shù)。

3.短路加載。

通過(guò)加載短路探針和短路墻等方式，使得微帶天線與接地板部分短路，各個(gè)諧振頻率通過(guò)進(jìn)一步短路調(diào)諧，能夠?qū)崿F(xiàn)諧振點(diǎn)間的相互接近，使得天線可以在更低的頻率工作，天線小型化也得以實(shí)現(xiàn)。

4.采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板。

由于天線的諧振頻率與相對(duì)介電常數(shù)是反比關(guān)系。因此采用陶瓷、石英和聚乙烯等高介電常數(shù)，或者是鎳、鐵等高磁導(dǎo)率磁性材料的介質(zhì)基板，都可以極大縮減天線的體積尺寸。但是實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用這種方法時(shí)，較強(qiáng)的表面波會(huì)被激勵(lì)出，從而造成表面損耗增大。

5.采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用于微波毫米波的電磁帶隙EBG（Electromagnetic Band-Gap）結(jié)構(gòu)，具備帶隙特性，可以達(dá)到在電磁帶隙內(nèi)阻止電磁波傳播。EBG結(jié)構(gòu)根據(jù)材料不同，主要分為三種：一是介質(zhì)型EBG，二是金屬型EBG，三是金屬-介質(zhì)型EBG，前面兩種雖然帶隙特性好，但是由于體積較大，在實(shí)際使用中并不適合。其中一種金屬-介質(zhì)型EBG是高阻抗表面結(jié)構(gòu)HIS（High Impedance Surface），它的優(yōu)點(diǎn)是：可以在一定的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同相反射，體積小，具有帶隙特性，經(jīng)常被用于天線的反射板代替金屬導(dǎo)電體，這樣就使得反射器的天線高度降低，進(jìn)而縮減天線尺寸。

6.采用人工磁導(dǎo)體。

美國(guó)年輕學(xué)者D.Sievenpiper在1999年提出了人工磁導(dǎo)體AMC（artificial magnetic conductors） 又稱為高阻抗表面的新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗哂欣硐氪艑?dǎo)體對(duì)平面波同相位反射的特性和阻帶帶隙的特性。它的優(yōu)點(diǎn)是：剖面低且重量輕，采用AMC可以使天線小型化得到極大提升，因此一出現(xiàn)就引起學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。

7.采用RIS表面。

RIS表面可以有效減小天線與阻抗表面之間的耦合，這是因?yàn)樗请娍剐员砻?，這樣就可以使天線的輻射效率和阻抗帶寬下降問(wèn)題得到解決。對(duì)于阻性表面（如PEC、PMC），其產(chǎn)生的鏡像電流主要在與原電流位置對(duì)稱的鏡像點(diǎn)上，這樣就會(huì)大大提升兩者之間的互耦合度。如果是采用RIS這樣的純電抗表面，它的鏡像電流卻是呈現(xiàn)出分布狀態(tài)，這會(huì)可以顯著減小阻抗表面與天線之間的耦合作用。

8.采用左手介質(zhì)。

引入左手介質(zhì)后，微帶天線的增益和帶寬等性能將得到極大提升，這對(duì)天線的小型化研究具有十分重要的貢獻(xiàn)和意義，同時(shí)對(duì)后續(xù)研究影響深遠(yuǎn)。初期使用的左手介質(zhì)材料存在的缺陷是：天線帶寬窄、體積大、損耗高，這樣就不利于該種材料在微波毫米波天線的運(yùn)用。后來(lái)出現(xiàn)了復(fù)合左右手CRLH傳輸線（composite right/left handed），也就是負(fù)折射率傳輸線，這種左手材料實(shí)現(xiàn)方式更加符合現(xiàn)實(shí)需要，這種方式主要是利用在非諧振狀態(tài)下的傳輸線結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)左手性質(zhì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐善駕，朱旗.復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)成的異向介質(zhì)及其應(yīng)用.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38（7）：711-724.

[2]丁敏.小型化寬帶天線的研究.上海交通大，2010.

[3]韓日霞，熊君瑞，岳滿枝.寬頻化與小型化微帶天線的研究與設(shè)計(jì).電子科技，2013.

[4]藍(lán)橋龍.毫米波微帶天線的研究，電子科技大學(xué)，2006

[5]呂洪光，鄧騰彬，肖馬輝.一種適用于RFID的小型圓極化天線.電子元件與材料，2011.