小型化微带天线的研究.docx
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小型化微带天线的研究
摘要
近年来，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化和宽频带的要求。
而微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻.等优点，得到广泛的应用。
但是，低增益、窄带宽的缺陷也限制了微带天线的使用。
因此本文对微带天线最基本的小型化技术、宽频带技术进行了探讨、分析和归纳。
在设计过程中，采用ANSOFT公司的电磁仿真软件——AnsoftHFSS，结合宽频带的设计方法，提出了一些简单的微带天线结构。
关键词：
微带天线宽频带小型化
Abstract
Inrecentyears，thedemandformminiaturization，multibandandbroadbandhasbeenpresentedwithrapiddevelopmentofmobilecommunications.Therefore，thesizeoftheantennaisrequiredtobeassmallaspossible.Microstripantennashaveseveraladvantagesoverconventionalmonopole-likeantennaformobilehandsets.Theyarelesspronetodamage，compactintotalsizeandaestheticfromtheappearancepointofview.Unfortunately，someshortcomingsofMicrostripantennassuchaslowgain，smallbandwidth，etc，makethemunfitforpracticalapplication.Thereforethispaper，thebasicmicrostripantennaminiaturizationtechnologies，broadbandtechnologiesarediscussed，analyzedandsummarized.Duringthedesignprocess，TheuseofelectromagneticsimulationsoftwareofANSOFTcompany—AnsoftHFSS，Madeanumberofsimplemicrostripantennastructurecombinationofbroad-banddesignmethod.
Keywords:
Microstripantenna，Broadband，Smaller
第一章绪论
随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。
快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能（多频段、多极化）、高性能的天线。
微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性（常规微带天线约为2%左右）在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。
本论文的主要工作就是提出这类天线的一些简单设计方法。
1.1微带天线简介
早在1953年箔尚（G．A．DcDhamps）教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。
但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。
直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森（R．E．Munson）和豪威尔（J．Q．Howell）等研究者制成了第一批实用的微带天线。
随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。
1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。
至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。
可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。
1.2国内外研究微带天线的宽频带技术
微带天线的固有缺点就是阻抗频带窄，展宽频带是最困难也是最富有挑战性的技术之一，随着移动通信系统、全球定位系统（GPS）、卫星通信系统的发展，宽频带微带贴片天线的研究己成为了非常热门的课题，同时宽带微带贴片天线将逐渐向着小型化，简单化同时具有多功能、多用途的方向发展。
近年来，人们在微带贴片天线展宽频带方面做了大量的研究微带天线的宽频带技术主要采用以下几种方法实现。
A.有空穴结构的宽带微带贴片天线。
B.采用多层介质基片微带天线的结构，将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基片上，这样可以获得宽频带的驻波比特性。
图3.1电磁耦合的双层微带天线
图3.2附加调协枝节的微带天线
C.U形缝隙结构的宽带微带贴片天线结构图如下：
图4-1俯视图
图4-2侧面图
1.3微带天线小型化方法
随着无线通信事业的飞速发展，微带天线的尺寸与其它通信器件相比尺寸越来越大，显得越来越不相适应，因此要求进一步缩小微带天线的尺寸，经过许多学者的研究，发展了各种各样的缩小微带天线的新方法，本节简单介绍如下。
A.加载短路探针
通过与馈电接近的短路探针在谐振中引入耦合电容实现小型化
B.采用高介电常数的材料基片从天线谐振频率关系式可以看出谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数（如陶瓷材料）基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。
C.表面开槽[23-25]
当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时，切断了原来的表面电流途径，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。
虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究，但是其中还是存在了很多问题，其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制，必须权衡利弊。
1.4本文主要内容
本论文主要针对如何实现微带天线宽频带、小型化展开了比较全面的分析研究，同时提出了几种新型结构的微带天线设计，全文共分为以下几个方面：
第一章为绪论部分，主要是简单的介绍了当前微带天线的是宽频带、小型化研究状况以及存在的问题，在此调研的基础上提出了自己的研究方向。
第二章简单介绍微带天线的基本理论以及分析方法
第三章讨论微带天线小型化、宽频带的各种方法，并具体提出了一种小型化方法并附有设计与分析。
第四章主要提出了一种新型宽频带。
通过理论分析以及仿真软件辅助设计，特别是应用AnsoftHFSS全真分析软件，对于天线的重要参数以及这些参数对增加天线带宽的影响都给出了具体定量的分析，最后得到了比较理想的结果。
第五章结束语，主要是对本论文的工作进行总结和展望，希望本论文的工作
对于以后相关研究能提供一点借鉴和启示。
第二章微带天线基本理论及分析方法
本章主要介绍了微带天线的各种结构形式和基本分析方法，
2.1微带天线简介
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。
它一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。
其典型结构如图2.1所示
（a）微带贴片天线（b）微带振子天线
（c）微带行波天线（d）微带缝隙天线
图2.1微带天线的典型结构
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。
另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。
导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子（偶极子）。
由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线，如图1-3（a）、（b）所示。
微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射，称之为微带线型天线，如图1-3（c）所示，这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。
微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如带状线）对其馈电，称之为微带行波天线，如图1-3（d）所示。
由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。
2.2微带天线的优缺点与应用
与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：
（1）体积小，重量经；
（2）平面结构，并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构；
（3）馈电网络可与天线结构一起集成，适合于用印刷电路技术进行大批量生产；
（4）能与有源器件和电路集成为单一的配件；
（5）便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；
（6）没有作大的变动，天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。
（7）天线的散射截面较小；
（8）稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）。
（9）微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、混频器、功分器、移相器、可变衰减器、调制器、开关等可以直接加到天线基片上）；
（10）馈线和匹配网络可以和天线结构同时设计和加工。
但是与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：
1）频带窄；
2）有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；
3）功率容量较小，适用于中、小功率场合；
4）性能受基片材料影响大；
5）馈线与辐射元之间的隔离差；
尽管如此，有一些方法可以用来减小某些缺点。
例如，采用一些宽频带技术可以有效地展宽频带；在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。
在许多实际设计中，微带天线的优点远超过它的缺点。
甚至在仍被认为是微带天线发展幼年时期的80年代时，微带天线已有多种成功的应用。
随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用需求，可以预料，对于大多数的应用，它将最终取代常规的天线。
在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：
卫星通讯；
多普勒及其它雷达，
无线电测高计，
指挥和控制系统
导弹遥测；
武器信管；
便携装置；
环境检测仪表；
复杂天线中的馈电单元；
卫星导航接收天线；
生物医学辐射器；
等等。
相信随着对微带天线应用可能性认识的提高，以及各种电路系统对天线的小型化集成化要求的提高，微带天线的优点日益凸显，其应用场合将会继续增多。
2.3微带天线的结构和分析方法
在对微带天线有了一个初步的了解之后，接下来我们将对微带天线的结构和分析方法做一个简单的介绍。
其中结构包括天线的辐射结构和馈电结构，而分析方法分为解析方法和数值方法两大类。
对不同的微带天线的机构和分析方法的理解和运用将对我们进行微带天线单元的设计起到很重要的指导作用。
2.4微带天线的结构
2.4.1微带天线的辐射结构
微带天线根据结构的不同而大体上可以分为四类：
微带贴片天线、微带振子天线、微带线型天线和微带缝隙天线。
它们具有不同的特点和使用范围，其中贴片天线由于其分析和设计方便且具有很多优良的电特性而在实际中应用最广。
2.4.1.1微带贴片天线
微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地板，其典型结构如图1-3（a）所示。
它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周与地板之间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。
微带贴片天线具有很多优点：
分析和设计简单，可以实现各种极化形式，可以多频段工作，制作方便，等等。
故一般的微带天线多是这种形式，我们将在第三节对它进行详细的介绍。
2.4.1.2微带振子天线
对于微带贴片天线，当贴片的宽度变窄时，其输入阻抗随之增加。
因此当贴片的宽度接近微带馈线的宽度时，贴片天线则难于匹配使得天线的辐射特性变得很差。
而微带振子天线则利用耦合馈线很好地解决了这一问题。
图2-1给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线，微带振子的长度约为半个波长，宽度与微带馈线的宽度相同。
微带振子与其下方的微带馈线有一部分相互交叠从而耦合能量，调整此交叠部分的面积从而改变馈线与微带振子的耦合量便可以调整天线谐振时的输入阻抗。
对于此微带振子天线，我们也可以将馈线变化为槽线。
此外，还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。
当微带振子很窄且基片厚度远小于介质波长或微带振子的长度等于谐振长度时，我们可以假设微带振子上的电流满足余弦分布，从而得到其辐射特性。
对于更一般的情况，则可以采用矩量法得出关于微带振子和地板上更准确的电流分布从而计算天线的辐射场。
图2-1电磁耦合馈电的微带振子天线
2.4.1.3微带行波天线
（a）三角线（b）弯角线
（c）链式线（d）城墙线
图2-2几种常见的微带线型天线形式
微带线型天线是利用微带线的形变（如弯曲、拐角等），由微带线的不连续点或弯曲点来形成辐射。
它们一般都端接匹配负载，沿线传输行波，故又被称为微带行波天线，其波瓣可以指向从端射到边射的任一方向。
图2-2给出了几种常见的微带线型天线结构。
与行波天线相对应的是微带驻波天线，其终端一般为开路或短路，波瓣一般指向边射方向。
微带行波天线可等效为一种沿微带线延伸方向一边传输能量一边辐射能量的传输线段，用一个复传播常数
来表征，其中实部
给出了导行波的相位信息而虚部
则给出了沿线辐射所等效的衰减。
采用等效磁流法来进行近似分析。
此时微带线上不连续点或弯曲点的辐射用微带线两侧的磁流来等效，且一般对于微带线型天线，其微带线的宽度
远小于波长，因此直微带线上的寄生辐射可以忽略，且不连续点或弯曲点处微带线两侧磁流的辐射可用位于中心线的单个磁流来等效。
因此微带行波天线也可以视为一个串联馈电的阵列，其辐射单元便是各个不连续点或弯曲点。
利用矢位法可计算出辐射场进而得到其它的天线电参数。
更严格的方法可以采用数值方法，如基于积分方程的矩量法等，由天线结构建立电流积分方程，解算出电流分布便可计算出辐射场。
2.4.1.4微带缝隙天线
在1.2小节微带天线简介中，图1-3示出了一种典型的微带缝隙天线结构。
它是利用在微带结构的地板上刻蚀的缝隙来辐射能量。
对于窄缝（缝宽比缝长小很多）结构，可以看作与微带振子天线互补。
与微带贴片天线相比，其优点是交叉极化电平低。
但由于缝隙本身电抗的影响，其驻波带宽一般比较窄，且是双向辐射的，不过这可以通过在介质基片的另一侧增加地板来消除背向辐射。
微带缝隙天线的分析可以由等效磁流利用矢位法来计算辐射场，进而得到其它的天线电参数。
现在已经出现了各种不同形式的微带缝隙天线结构，如图2-3所示。
图（a）为附加了地板的微带缝隙天线，消除了背向辐射，采用带状线就可以方便地实现馈电。
图（b）可以视为矩形排列的四元缝隙阵列，利用共面波导线来馈电。
图（c）为微带线馈电的微带缝隙天线，其终端的开路枝节用于改善天线的匹配。
图（d）是用槽线馈电的宽缝，其频带较宽但交叉极化较大。
图（e）可视为共轴排列的微带缝隙天线，利用共面波导线来馈电。
图（f）为微带线馈电的圆环缝隙，若缝隙改为长短轴相近的椭圆环，并合理设置馈电位置，还可以实现在边射方向上的圆极化辐射。
图2-3微带缝隙天线结构图
2.4.2微带天线的馈电结构
微带天线的馈电会影响到其输入阻抗进而影响天线的其它性能，因而它对微带天线的设计至关重要。
微带天线的馈电方法有很多种，我们从贴片与馈线是否有金属导体接触的角度出发将其分为直接馈电和间接馈电两大类。
其中直接馈电包括同轴探针馈电和微带线馈电，这两种方法因为设计简单而在实际微带天线的设计中使用最多。
而间接馈电则包括电磁耦合馈电、孔径耦合馈电和共面波导传输线馈电。
下面我们就分别对这几种馈电形式的结构和特点进行介绍，并在图2-4分别给出了各种馈电形式的结构图。
（a）同轴馈电（b）微带线馈电
（c）电磁耦合馈电（d）孔径耦合馈电
（e）共面波导馈电
图2-4微带天线的馈电形式
2.4.2.1直接馈电
a.同轴馈电
同轴馈电也称为探针馈电，它是将同轴线的外导体与天线的地板相接，而内导体直接与贴片连接。
其优点是同轴线可以根据天线输入阻抗的匹配需求而放置在贴片下面的基片中的任何位置。
其缺点是需要在介质基片中钻孔以满足内导体的连接需求，同时该馈电形式需要一个向地板外面突出的连接器，这就有碍于微带天线的集成一体化设计，天线整体结构的非对称性会使得交叉极化相对较大。
此外，对于基片比较厚的贴片天线，探针长度的增加会使得探针的阻抗呈现比较大的感抗，从而给天线与馈线的匹配带来困难；此外对于相对介电常数大的基片，厚度增加还可能导致表面波的激励，从而降低了天线的辐射效率。
不过这可以通过一些变形的探针馈电形式加以弥补，如
探针馈电等，通过探针顶部连接的金属片对贴片进行电容耦合馈电，从而降低了探针的长度要求，改善了天线的匹配，提高了辐射效率。
b.微带线馈电
微带线馈电利用集成电路制造技术而将微带馈线与贴片刻蚀在一起，因而结构简单，易于制作。
其缺陷是直接与贴片相连接的馈线会产生一部分辐射。
随着天线工作频率的升高，当馈线尺寸变得可以与贴片尺寸相比拟时，馈线的干扰辐射将进一步加剧，由此会导致性能的恶化。
2.4.2.2间接馈电
通常为了展宽微带天线的频带会使用比较厚的介质基片，这就会给以上两种直接馈电方法带来问题。
对于同轴馈电的情形，探针长度的增加会使得输入阻抗呈现出更大的感性，这将给天线的匹配带来问题。
而对于微带线馈电，由于特性阻抗的制约，基片厚度的增加会导致微带线上金属导带宽度的增加，这将加剧馈线产生的干扰辐射。
下面介绍的这几种间接馈电方法可以解决这些问题。
a.电磁耦合馈电
电磁耦合馈电形式将馈线放置在地板和贴片之间，中间分别填充两种介质。
这种馈电结构消除了馈电网络的干扰辐射，又因天线介质基片的总体厚度的增加而展宽了天线的带宽。
此外，还可以分别调节两种填充介质的参数以优化馈线和贴片各自的性能。
其主要缺点是天线的性能对贴片和馈线的位置敏感。
b.孔径耦合馈电
电磁耦合馈电结构中，馈线和贴片位于地板的同一侧，而对于孔径耦合馈电，二者分居地板两侧。
电磁场通过在地板上切割的电长度较小的孔径或槽从微带馈线耦合到辐射贴片上。
孔径通常位于贴片的正下方，以利用结构的对称性来抑制交叉极化电平。
耦合孔径的形状、尺寸和位置决定了电磁场由馈线到贴片的耦合度。
槽型耦合孔径的尺寸可以是谐振的，也可以是非谐振的。
对于谐振尺寸的槽型耦合孔径，它可以为天线提供另外一个谐振频率从而有效展宽了天线的频带，但是这要以增加天线的背向辐射为代价。
因此非谐振尺寸的槽型耦合孔径应用比较多。
这种馈电形式对于馈线和贴片位置误差的敏感度相对比较低，而且天线的带宽比较宽。
与电磁耦合馈电相似，也可以分别选择两层介质基片的参数来优化各自的性能。
c.共面波导线馈电
共面波导线馈电的形式如图2-4（e）所示。
在这种结构中，共面波导线刻蚀在天线的地板上，由同轴探针激励，终止处是一个槽。
这种馈电方法的主要缺点是相当长的槽会产生比较强的辐射，从而导致天线的前后辐射比很差。
其前后辐射比可以通过减小槽的尺寸和改变槽的形状来加以改善。
2.5微带天线的分析方法
微带天线的分析方法有很多，但是大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。
第一类方法基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，包括传输线模型（Thetransmissionlinemodel）、腔体模型（Thecavitymodel）、多端网络模型（MultiportNetworkModel）等。
而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量法（methodofmoments）、有限元法（finite-elementmethod）和时域有限差分法（finite-differenceintimedomain）等。
2.5.1解析方法
天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。
因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。
由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应用。
a.传输线模型
传输线模型很简单，并且有助于理解微带天线的基本特性，因此首先介绍这种模型方法。
在这种模型中，微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。
天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙，其上分布有面磁流。
利用矢量位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。
尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。
b.腔体模型
如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在一维下近似的话，那么腔体模型就可以称为二维近似。
因为腔体模型基于一维电小的基本假设（即介质基片的厚度远小于波长），将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是电壁而四周是磁壁的谐振空腔。
在腔体中，场沿基片厚度方向保持不变，并且它是该等效的二维谐振器中所有谐振模式之和。
天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔四周的等效磁流来得到。
c.多端网络模型
多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展，在这种模型中，贴片被等效为一个具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。
通过二维格林函数可以计算出该网络的多端阻抗矩阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和辐射场联系起来，然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵，由贴片四周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效磁流计算出辐射场。
利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片天线中获得应用。
2.5.2数值方法
虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义，但是它们不能用来分析任意形状的微带天线，同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方法提出了考验。
然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路，即依据微带天线的电磁场边值问题，将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代数方程。
由此也产生了多种数值方法，它们各具有一些优缺点和适用性，这里我们仅介绍几种典型的分析方法。
矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板上的表面电流的积分方程，然后利用函数展开法将此积分方程转化为矩阵方程，利用计算机便可得出近似解。
矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高的精度。
b.有限元法
有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元（如在二维结构中选取三角形单元，在三维结构中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电磁场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的插值，根据变分原理或迦略金方法便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程，利用计算机便可方便求解该代数方程。
有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点，但是其求解精度要受求解区域剖分精细程度的影响。
c.时
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