微带天线综述 (2)

微带天线综述

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。因此本文除了对微带天线做了基本介绍外，还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。

关键词：微带天线小型化宽频带

一、引言

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。

二、微带天线

2.1微带天线[2]的发展史及种类

早在1953年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[1]。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。

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[5,6]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微带振子天线，如图2.1(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2.1(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，称之为微带缝隙天线，如图 2.1(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。

2.1.1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2.1(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。

2.1.2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2-2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2-2 电磁耦合馈电的微带振子天线

2.1.3微带行波天线

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2-3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j γβα=-来表征，

其中实部β给出了导行波的相位信息而虚部α则给出了沿线辐射所等效的衰减。

图2-3给出了几种常见的微带线型天线结构[5,6] 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w 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。

2.1.4微带缝隙天线

在2.1小节微带天线简介中，图2.1(d)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2-4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。

（a ）三角线 （b ）弯角线

（c ）链式线 （d ）城墙线