433MHz小型微带天线的研究

宁波理工学院毕业论文（设计）开题报告题 目 433MHz 小型微带天线的研究姓 名学 号专业班级指导教师学 院开题日期第1章文献综述433MHz小型微带天线的研究1.1 引言随着无线通信技术的不断进步，无线通信设备开始朝着小型化、宽频段方向发展，具有轻、薄、短、小等特性的宽带无线产品将成为今后的主流。

天线作为无线通信系统的门户，将对无线通信系统的性能产生最直接的影响。

传统的偶极子天线尽管具有较好的传输特性，但其尺寸规格已无法适应小型化的发展趋势。

微带天线体积小、质量轻、成本低、容易制造并且可以直接和射频微波电路集成，具有很大的实际应用价值，己成为天线研究中的热门主题之一。

1.2 国内外研究现状1887 年著名物理学家赫兹设计并制造出第一对天线，从那以后在缩小天线的几何尺寸上，人们有着持续而浓厚的兴趣。

在第二次世界大战期间，由于战争的需要，降低高度和约束尺寸的天线得到了发展。

自那时以来，对缩小天线的尺寸提出了越来越高的要求。

上世纪60 年代，在工程应用中，对天线提出的要求有：1) 飞机天线——较低的空气阻力；2) 车辆天线——隐蔽性和机动性；3) 雷达天线——减小平台的反射；以上的要求都与缩小天线的尺寸有关，于是各式各样的专用小辐射器应运而生。

上世纪70 年代，由于集成半导体技术的迅速发展，各种电子设备趋于小型化，此时天线便成为了无线通信系统中最笨重的部件。

于是，匹配技术和自谐振技术得到了发展，这两种技术不但缩小了天线的尺寸，而且不影响天线的带宽和效率。

值得一提的是，缩小了天线的尺寸，会引起天线的某种或某些性能的下降。

所以在设计过程中，要充分结合天线具体的工作情况，不能一味地追求小型化，而忽略了天线其他重要的性能。

上世纪80 年代，将天线合成到无线通信设备内部成为了一个很有吸引力的建议，并且在一些无线接收设备中得以实现。

上世纪90 年代至今，无线通信技术和电子技术得到了迅猛发展，传统的天线已经跟不上无线电子设备的小型化的步伐。

微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种新型天线。

和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，制造简单，成本低；电气上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于和微带线路集成，易于实现线极化或圆极化。

相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。

因此微带天线得到愈来愈广泛的重视。

微带天线分为三大类：微带帖片天线，微带缝天线，微带行波天线。

此外，微带贴片天线是指谐振式微带贴片天线。

这种天线最大的特点是效率高，但阻抗频带较窄。

微带缝天线的带宽比微带贴片天线要宽，特别是宽矩形缝。

但此天线在要求单方向辐射时，厚度比贴片天线要大。

另外，分析和设计这种天线要比贴片式天线困难些，限制了其应用范围。

微带行波天线可以获得比较大的带宽，但这种天线的效率较低，并且在分析方法上还不很成熟，因此其应用范围不很广泛。

微带贴片天线以其相对效率高，分析方法成熟而得到广泛的应用。

但由于这种天线的带宽较窄，使其应用受到限制。

目前，微带天线小型化技术的理论水平和技术条件还有待提高，在一定程度上制约了微带天线的发展。

微带天线尺寸的减小通常引起天线性能的下降。

比如天线的带宽会减小，天线的表面波会增加，天线的增益会降低等等。

在微带天线设计的仿真领域中，开法了很多商业电磁仿真软件，比如HFSS，ADS，CST等等。

这些软件应其友好的图形界面、丰富的参数转换和图表输出功能，极大地提高了天线设计的效率，缩减了天线开发的周期。

在微带天线的实际应用中，小型化微带天线已经广泛地应用在个人通讯系统(PCS)、无线局域网络(WLAN)、全球定位系统(GPS)和射频识别系统(RFID)等领域中。

1.3宽带微带天线天线的各项电参数，包括：输入阻抗、天线方向图、天线增益、极化特性和波束宽度等，都与频率有关，是针对某一工作频率而设计的。

当天线的工作频率偏离设计频率时，天线的各项电参数会产生相应的变化，如：输入阻抗和极化特性变差，主瓣宽度增大，旁瓣电平增高，增益系数降低等。

在实际应用中，天线并非工作在一个固定的频率点，而是有一定的频率范围。

当工作频率发生变化时，天线的相关电参数不超过规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称天线的带宽。

天线带宽的定义有两类：绝对带宽和相对带宽。

绝对带宽的定义为：（1.1）其中，和分别为-10dB点的最高和最低截止频率。

相对带宽有多种表示方法，在通信领域常用的相对带宽指系统绝对带宽与中频之比。

中频表示系统的工作频段，它是高、低截止频率的算术平均值，即：（1.2）相对带宽定义为: （1.3）这一定义常用在窄带通信和雷达系统中。

另外一种常用的相对带宽表示方法为高低端频率比，即：（1.4）这一表示方法常用于宽带通信领域中。

一般而言，相对带宽<1％的为窄带；1％<相对带宽<20％的称为宽带；相对带宽>20％的称为超宽带。

宽带天线作为天线家族的一个重要分支，正越来越受到人们的重视，通信系统对宽带天线的需求也迅速增加。

经典的宽带天线类型有多种，包括频率无关天线(螺旋天线、对数周期天线)、双锥天线、V锥天线、TEM喇叭天线、波纹喇叭天线等。

尽管上述这些天线能提供足够大的带宽，但是受其重量和体积结构等方面的限制，较难实现小型化。

微带天线经过几十年的发展，已经在很多领域内广泛使用。

根据其辐射元类型不同主要分为微带缝隙天线和微带贴片天线两大类。

宽带微带天线除了能提供系统足够大的通信带宽之外，还具有以下优点：(1)剖面低微带天线的介质基片可以做得很薄，厚度一般在0．5—2ram之间。

天线可以很容易地安装在飞机、火箭、卫星等空间飞行器的表面，既不会妨碍外部的空气动力学和力学设计，也节省了飞行器内部的空间。

因此，这种类型的天线非常适合于空间飞行器使用。

(2)尺寸小、重量轻由于微带天线的剖面低，在相应工作频率下的尺寸规格约为自由空间的(为介质基片的介电常数)[4]，而且介质基片的比重较小，馈电网络、滤波网络、开关网络等微波器件都可以集成在天线基片上。

因此和其他类型天线相比，它的尺寸较小、重量轻。

(3)易于安装、成本低微带天线的馈电位置可以在基片的侧面，也可以在基片的底部。

因此，当其安装在设备表面时，只需在表面开一个小洞，引出馈线即可，这给安装带来了极大的方便。

微带天线采用的介质基片一般为聚四氟乙烯(FR41，采用的制作工艺为日趋成熟的微波集成技术，同其他类型的天线相比，显然要经济的多。

(4)设计灵活、多样化微带天线结构简单，容易集成的特点，使微带天线的设计非常灵活、多样化。

从方向图特性来看，单个微带天线产生类似末端开口波导天线的方向图，如果将微带天线单元组阵缠绕于飞行器表面时，就可以得到作为遥测天线经常需要的全向辐射方向图。

从工作频段来看，改变矩形微带贴片天线馈线所在的边，就可以做成双频天线。

从极化方式来看，只需通过简单的馈电网络设计，就可以使正方形、圆形微带天线产生圆极化波。

从阵列角度看，将一定数量的辐射单元组阵，配合同一介质基片上的功分器、移相器及相应的数控元件，就可以实现电扫描微带相控阵列天线。

1.4 微带贴片天线研究微带贴片天线具有微带天线的一系列优点，但它的主要缺陷是频带宽度较窄，一般而言，微带天线是窄带天线，因此许多学者、工程师一直致力于扩展微带天线频带宽度的研究。

经过多年的努力，它的缺陷正在被逐步克服。

采用新的材料、新的制造工艺、新的结构、新的分析软件等技术，使微带天线的频带宽度得到了很大的提高和扩展。

微带贴片天线是一种谐振式天线，它可以等效为一个高品质因素的谐振电路，其带宽计算公式为（1.5）其中，为品质因素，形R为电压驻波比，可以用反射系数来表示：（1.6）由公式可见，微带天线的窄带特性是由值较高造成的，即存储于天线中的能量比向外辐射的能量和损耗的能量要大的多。

因此，展宽微带贴片天线带宽的基本途径是降低等效谐振电路的值。

具体方法包括：(1)改变贴片形状将传统的矩形、圆形贴片天线的贴片分别改为矩形环、圆环，通过贴片形状的变化，使得天线等效谐振电路的Q值降低，贴片和地面之间储存的能量减少，向外辐射的能量增加，从而使天线获得更大的带宽。

(2)贴片开槽在矩形贴片中挖去一个U型槽孔，使天线上的电流分布不同于常规的矩形贴片天线。

电流路径长度的增加，使天线产生一个比常规矩形贴片谐振频率较低的谐振点，从而扩展了天线的带宽。

通过这种方法，可以将天线的带宽(VSWR≤2)提高至40％，在圆形贴片和三角形贴片中挖去槽孔也有同样的效果。

(3)阻抗匹配法改善天线阻抗带宽的最直接方法是在天线输入端引入匹配网络。

一般的微带天线使用微带或探针馈电，当介质基片较厚时，输入阻抗的电感性增加，为了抵消输入电感，可以在馈电电路中串入电容性元件。

通过匹配网络法可以得到近30％的带宽提升。

(4)增加寄生单元通过引入寄生贴片单元增加谐振点，利用类似交错调谐的方法，使其位于原先的谐振频率附近，以此拓宽天线的工作频带。

常用的寄生贴片单元为2—5个，每一个贴片的大小尺寸不同因而其谐振频率也不同，通常只有中心的贴片单元是直接馈电，其他的贴片则通过不同的耦合方式实现馈电，如：辐射边耦合、非辐射边耦合、四边耦合等。

这种增加寄生单元的方法，可以将微带天线的相对带宽拓展至25％以上，是目前改善微带天线阻抗带宽最常用的方法。

这种方法的缺点是使天线的面积增加，在具体应用上会有较大限制，此外由于增加的寄生贴片在结构上往往不对称，导致天线工作频带内的辐射方向图稳定性较差。

(5)多层耦合馈电为了使微带天线在拓展频带的同时，保持其原先的大小，提出了多层耦合馈电的方法。

多层耦合馈电的方式有两种，第一种结构通过多层贴片间的耦合提高带宽，天线底层为接地面，接地面上层为同轴馈电的有源贴片，有源贴片上面为寄生贴片，相邻两层金属贴片之问为介质基片，这种方法可获得30％以上的相对带宽。

另一种结构采用孔径(缝隙)耦合的方式，微带线通过孔径，将能量耦合给另外一面的贴片。

通过调整孔径两侧介质基片的介电常数和优化孔径的大小来获得最佳的带宽，最高可达70％以上。

多层耦合馈电的微带天线，不增加天线的面积，且具有比较稳定的辐射方向图，缺点是增加了天线的厚度。

1.5结束语通过对一些中国文献的阅读以及在对外国文献进行翻译后的阅读，我了解了天线整个家族的发展历史，以及现代社会对设计天线的不断创新的同时，也在不断的提出新的要求。

微带天线的研究，近几年越来越显得火热，而且现在已有多种在一定频率，有好的增益的条件下减小天线尺寸的方法，为我的研究提供了许多的思路。

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