微帶天線的小型化技術(shù)

覃鳳

摘 要 微帶天線因其體積小、重量輕、易加工等優(yōu)點而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。隨著信息社會的發(fā)展，移動終端的便攜化已成必然趨勢，對終端天線的小型化需求也更加迫切。因此，小型化微帶天線的研究對減小無線通信設(shè)備的體積意義重大。本文對近年來國內(nèi)外關(guān)于小型化微帶天線的主要研究成果作了總結(jié)，分析了實現(xiàn)微帶天線小型化的主要方法。

【關(guān)鍵詞】微帶天線 小型化 發(fā)展現(xiàn)狀 研究方法

天線作為無線通信終端設(shè)備中非常重要的前端部件，其性能直接影響整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量。而隨著自動化技術(shù)的進(jìn)步，已成功將高精度天線跟蹤系統(tǒng)與變頻器調(diào)速結(jié)合應(yīng)用于衛(wèi)星通信中。另一方面，隨著電路集成度的不斷提高，無線通信設(shè)備終端天線的小型化已成為必然趨勢；同時，自第一批微帶天線被研制以來，其在理論和實際應(yīng)用方面都有了極大的發(fā)展。因此，微帶天線的小型化研究對減小無線通信設(shè)備的體積有非常重要的意義。

本文對近年來國內(nèi)外關(guān)于小型化微帶天線的主要研究成果進(jìn)行了總結(jié)，分析了實現(xiàn)微帶天線小型化的主要方法。

1 小型化微帶天線的研究現(xiàn)狀

天線小型化的實質(zhì)在于采用更小尺寸的天線收發(fā)電磁波，從而節(jié)省天線所占面積。常用的小型化技術(shù)有使用加載、分形結(jié)構(gòu)，采用新型材料或結(jié)構(gòu)、增加介電常數(shù)等。

1.1 使用加載

使用加載，即在天線的輻射單元上加入額外元件以改變輻射單元上的電流分布。如Richard H. Chen等人通過在天線的半波槽中加載一對C形環(huán)的方法實現(xiàn)天線的小型化。通過加載，天線的諧振頻率顯著降低，尺寸縮減約50%。但隨著小型化程度的加深，天線增益會隨之變差，這對于要求高增益、寬頻帶天線的應(yīng)用是極為不利的。

1.2 應(yīng)用分形結(jié)構(gòu)

分形結(jié)構(gòu)的空間填充性使得在不增加天線尺寸的同時增長電流路徑、減小諧振頻率，實現(xiàn)天線的小型化。目前，多種分形結(jié)構(gòu)已被廣泛用于設(shè)計小型化微帶天線。如文獻(xiàn)[3]采用Minkowski分形結(jié)構(gòu)，有效降低了天線的諧振頻率，使天線尺寸減小了約33.6%。文章還對天線的輻射、增益等性能作了詳細(xì)分析，并得出結(jié)論：在尺寸減小的同時較好地保持了天線其他方面的性能。

1.3 采用新型材料或結(jié)構(gòu)

近年來，超材料的發(fā)現(xiàn)為電磁理論的研究開辟了全新的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。超材料在天線領(lǐng)域的應(yīng)用也獲得了極大的關(guān)注。Dalia M. Elsheakh等人就曾運用電磁人工材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)微帶天線的地平面，使得天線的尺寸縮減了約80%，同時較好地保證了天線各方面的優(yōu)良特性。

2 微帶天線的小型化技術(shù)

以微帶貼片天線為例，常采用的小型化技術(shù)手段包括增加介電常數(shù)，采用加載、曲流結(jié)構(gòu)等。

2.1 增加介電常數(shù)

對于采用薄介質(zhì)基板（h<<λg）的矩形微帶天線而言，其諧振頻率公式可近似表示為：

其中，f為微帶天線的中心頻率，c為真空中光速，L表示矩形貼片的長度，εr是介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。可見，天線的尺寸與介質(zhì)基板相對介電常數(shù)的平方根成反比。因此使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板可有效減小微帶天線的尺寸。

但增加介電常數(shù)并不是無限的，基板的介電常數(shù)越高，天線的效率和增益越低；且成本增高，不適合大批量地投入生產(chǎn)應(yīng)用。

2.2 使用加載

加載包括開路加載和短路加載兩種。以短路加載為例，其減小天線尺寸的基本原理是：半波結(jié)構(gòu)的微帶天線諧振時，天線中的電流在兩個開路端中間存在一個零電位線。若在此處將天線對地短接，將形成開路到短路端的駐波結(jié)構(gòu)，原來的半波天線變成?波長天線，因此天線的尺寸便可縮減一半。

2.3 曲流技術(shù)

曲流技術(shù)包括在天線貼片上或地板上開槽。如對一個矩形貼片采用曲流技術(shù)，開槽前后貼片表面電流分布如圖1?？梢娡ㄟ^開槽，電流路徑增長了，若對于固定的工作頻率，則天線尺寸減小。但采用曲流技術(shù)的天線電流分布較復(fù)雜，交叉極化特性較差，且增益會隨天線輻射面積的減小而降低。

3 結(jié)論

本文在對近年來國內(nèi)外關(guān)于小型化微帶天線的主要研究成果進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點分析了實現(xiàn)微帶天線小型化的主要技術(shù)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭仕兵.變頻器在國產(chǎn)大型轉(zhuǎn)動天線中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2015（02）.

[2]Richard H.Chenand Yi-Cheng Lin， Miniaturized design of microstrip-fed slot antennas loaded with C-shaped rings [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，Vol.10：203-206.

[3]Mustafa K.Taher Al-Nuaimi， Design of New Miniaturized Fractal Microstrip Line Fed Printed Slot Antenna[J].2011 Baltic Congress on Future Internet and Communications，pp 148-152.

[4]D.M.Elsheakh and E.A.Abdallah， Compactmultibandprinted-IFA onelectromagnetic band-gap structures ground plane [J].Microwave and Optical Technology Letters，2012，Vol.55（07）：1670-1676.