（无线电物理专业论文）小型化宽带化微带天线.pdf

摘要 摘要 电滋频谱是人类所具有的最重要自然资源之，天线鲻是充分利用它的工具。 它的功能是辐射或者接收电磁波，换句话说，它把传输线的导波转换为自由空间 的无线电波，从而，信息可以在不同位置进行传播。通信技术的快速发展，要求 把多个通信系统集中在单一的小型模块里，这就意味着未来通信终端天线岿须足 够小且能够覆盖多个频段以满足通信要求。传统微带天线具有重量轻，低剖面， 能与载体( 如飞行器、移动通信终端) 共形等优点，但频带过窄是其一个很显著的 缺点，如何在微带天线小型化的基础上，同时实现微带天线的宽带化是近年来研 究的一个热点。 本论文研究的主簧内容是小型化宽带化微带天线的设计与实现。本论文的切 入点是超宽带螺旋微带天线，我们正是通过这一思路进行小型化宽带化微带天线 的设计。通过采用理论分析、数值模拟和实验验证等方法，对本文提出的薪型小 型化螺旋天线及其构成的单向辐射微带天线进行了比较深入的研究。 本论文第一章简单介绍了描述天线性能的几个重要参数，以及微带天线的分 析方法等内容，并简要介绍了本论文的主要工作。 第二章主要讲述了近年来有关微带天线小型纯与宽频带技术的研究进展，并 分析了各自技术的优缺点。 第三章首先总结了超宽带螺旋微带天线的发展过程及其优势。然后介绍了我 们设计的一种新型缝隙加载小型化螺旋天线。阚传统阿基米德螺旋天线相比，薪 型缝隙加载螺旋天线能在无增益损失的情况下，用很简单方法缩小天线3 0 n , 6 以上 的面积；我们知道天线小型化之后，对天线的低频段工作特性有一些影响，尤其 是对低频段轴比的影响较大，但新型小型化天线非但没有恶化，反面有了不错的 改善；新型天线的方肉圈与传统阿基米德螺旋天线基本一致。接着研究了将新型 天线构造为螺旋微带天线的性能，结果表明作为螺旋微带天线，新型天线能够在 增益无损耗的情况下缩小面积3 0 。最后总结并提出了两种构造超宽带微带天线的 愚路：将传统超宽带天线构造成超宽带微带天线；增强徽带天线电场横向分量， 抑制谐振腔模式。 关键谓：微带天线，超宽荣微带天线，超宽带螺旋微带天线，缝隙加载技术 a b s i r a o i o n eo fh u m a n k i n d s 鳓t e s tn a t u r 舔r e s o h 期o e si st h ed e e t r o m a g n e t i e 靶t r u m a n d 眭i e 锄t e n n ah a sb e e ni n s t r u m 铋t a li nh a m e s s m gt h i sr i 暌淞岫r i 七a na n t e n n ai sa d e v i c et h a tp r 0 v i d 髂a 垃a n s i f i o nf r o mag u i d e dw a v eo n 黩t r a n s m i s s i o ni r a e1 【oa “敷黔s p a c e ，w f l v c ( a n dv i v e r s a 洫t h er e c e i v i n ge a s e ) t h u s , r e f o r m a t i o nc a l lb o l r a n s f e r r e db e t w e e nd i f i 衙锄tl o c a t i o n s n er a p i dp r o 黟e 姆i l le o m m u r t i c a f i o n t e e h n o l o g i 器d e m a n d st h em t e 蓼a t i o no fm o r em 觚o n ee o m m t m i c a f i o ns y s t e m si n t oa s 主魏西ec o m p a 蕊m o d u l e t h i s 迅d 主镛鹳t h a tt h ef u t u r ec a 豳越戚c 刁隧强t e r m i n a la n t e n n a s m u s tb ec 0 i n p a c ta n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm d f i - b 勰do fw i d e ；b a n dt o 鳓缳c i 髓吐y o o v 甜t h ep o s s i b l eo p e r a t i n gb a 删重s np o s s e s s e st h e 敏i v 鲫妇雩黟o ft h el o ww e i g 地t h e l o w - 猡o f i l e , a n dt h ee o n f o r m a b f l i t y h o w e v 嚣i t 鼹f f e r sf r o m 饿ed i s a d v a n t a g eo ft h e n l t l t o wb a n d w i d t h 弧et e c h n o l o g yo f 褥t e n n am i n i a t t n i z a t i o n 遮磕ec o n d i t i o no f m 瑚e a s i n g 也eb a n d w i d 廿lo f t l l em i e r o s 仃i p 锄t e n n ai s 觚i n t e f e ：s t i l l gr c s 韶础 t h em a i nc o n t e n to ft h i sm 燃i si sc o m p a c tw i d e b 雒dm i e r o s t r i p 勰t e n n & a n dt h e p o i n to fp e n e t r a t i o ni sd t r aw i d e b a n d 蹭i r a lm i 镄o s t r i p 越搀峨w 毯矗氧t h ep r i n c 主p l e w ec a r r yo nt h ed e s i g no ft h ec 0 檄p a c tw i d e ；b a n dm i e r o s t r i pa n t c n n 玉an o v e lc o m p a c t s p i r a l 粕t e n n aa n dt h ec h a r a c t c ro ft l l e n o v c ls p i r a l 锄t e r m 嬲m es p i r a l - m o d e m i e r o s t i r p 翘t e n n ai sd i s e u s s e d 遗如峨b ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sl l l e s i si sa t t a c h e dm o r e 缅翠翻翻鞠g co i ls e v e r a lp a r a m 毹e r s t od e s c r i b et h er , e r f o r m a n c co fa n t e n n 嬲，t h em a i n 砌y t i e a lm e t h o d so fm em i e r o s t r i p a n t e n n 氖ab r i c f i n t r o d u c eo f t l l em a i nw o r ko f t h i sp 孵w a sa l s o 嘶l a y t h em a i nc o n t e n to fe h a p t 嚣鬏d e s e n b e st h em i 镄o s t r i pi m t c l l n a $ m i n i a t u r i z a t i o n a n d 翻阗l l i 即掣b a n d w i d t l le x t e n s i o nt e c h n o l o g y a n dt l l e i r m e r i ta n dd e m e r i tf i l e d e s 谢b e d 融e h a p t e f 珏l a 蠡e fd e s c r i b i n gt h ed e v e l o p m e n ta n d 划砌i 姆o ft h eu l t r a w i d e b 躲ds p i r a lm i e r o s t r i p 龃t e n n a , t h ed e s i g no fan o v e lc c 髓p 蔽s p i r a l 鞠t e n n a 弼氇 g a p 1 0 m i n gi sp r e s e n t e d c o m p 射e d 谢t ht h et r a d i f i o n a la r c h i m e d e a ns p 砌a n t e n n a t h ea o ft 量l en o v e le o m p a c ts p i r a la l l t e n n ac a l lb er 甜u e e db ym o r e 也a n3 0 w i t h o u t g a i n m p 谶i 跳t h ea r ( a x i a l 蒯砖矗翻避蘸蕊co ft h em i m a t u r i z e dn o v e l 币i r a l a n t e n n aa tt h el o wo p e r a t i o n f r e q u e n c y i s n td e t e r i o r a t e d , i n s t e a do fag o o d i m p r o v e m e n t a n dt h er a d i a t i o np a t t e r no ft h en o v e lc o m p a c ts p i r a la n t e n n ai sa l m o s t t h es a m ew i t ht h et r a d i t i o n a la r c h i m e d e a ns p i r a la n t e n n a w ea l s os t u d i e dt h ec h a r a c t e r o ft h en o v e ls p i r a la n t e n n aa st h es p i r a l - m o d em i c r o s t i r pa n t e n n a , a n dt h er e s u l t ss h o w t h a tt h ea l o ao ft h ep r o p o s e ds p i r a l - m o d em i c r o s t r i pa n t e n n a 啪b er e d u c e db ym o r e t h a n3 0 w i t h o u tg a i nc o m p r o m i s e f i n a l l y , t w om e t h o d so fd e s i g n i n g1 l l 虹aw i d e b a n d m i c r o s t r i pa n t e n n aa l ep r e s e n t e d o n ei st h et r a d i t i o n a lu l t r aw i d e b a n da n t e n n a 鹧t h e f o u n d a t i o n o ft h eu l t r aw i d e b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a , t h eo t h e ri si n c r e a s i n gt h e h o r i z o n t a lc o m p o n e n to f t h ee l e c t r i cf i e l d k e yw o r d s ：m i c r o s t r i pa n t e n n a , u l t r aw i d e b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a , u l t r aw i d e b a n d s p k a lm i c r o s t r i pa n t e n n a , g a p - l o a d i n g h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 够年西月必匿 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：昝言耋芋一o b 0 7 5e l 舞期：省年月 第一章引言 1 1 微带天线简介 第一章引言 天线是任何无线电系统必不可少的组件。它的功能是辐射或接收无线电波。 换句话说，它把由传输线传输的导行波转化为自由空间的无线电波( 在接收系统 中，做相反转化) 。从而，实现信息在任意位置间传播。 最早对于天线的实验研究可能起始于1 8 4 2 年。有线电报的发明者粤瑟夫亨 利( j o s e p hh e n r y ) 在普林斯顿大学进行了第一次辐射实验。亨利还发现可以用放置 在屋顶的垂直电线检测到闪电，这可能是最早的线天线。 1 8 8 5 年，托玛斯爱德生申请了一套通讯系统的专利，它使用了顶部加载垂 直天线。 1 8 6 4 年，詹姆斯克拉克麦可斯韦发表了麦可斯韦方程组，它将电场和磁 场归纳于统一的电磁理论，仅由数学考虑，他就提出了电磁波传播的假说，并指 出光也是电磁波，光和电磁扰动具有同样的速度。麦可斯韦方程组是天线研究的 理论基础，所有电磁理论的应用，包括无线电、电视、雷达，它们的存在都归功 于麦可斯韦的理论工作。 亨瑞克赫兹( h e i n r i c hh e r t z ) 在1 8 8 7 年至1 8 9 1 年期间做了一系列实验，这些 实验完全证实了麦可斯韦所发表的理论。在这些实验中，赫兹使用的天线类似于 电容器极板偶极子天线，后来称为“赫兹偶极子 。赫兹还使用了回路天线。为了 改善天线的方向性，他还发明了反射天线。 无线电的先驱古利莫马可尼( g u g l i e h n om a r c o n i ) 在1 9 0 1 年进行了首次跨大 西洋无线通信。发射天线是由5 0 根导线组成的4 8 m 高的扇型单极子天线，发射源为 7 0 l ( h z 火花式发射机。 早期的天线发展主要受制于信号源。直至1 j 1 9 2 0 年，d of o r e s t _ _ ：_ 极管的使用才 使得信号的频率上升至1 m h z ，这样谐振式天线( 比如：半波长偶极子) 才有了实 现的可能。二次世界大战前，微波( 大约l g h z ) 速调管和磁控管信号发生器随着 空心波导的使用而发展起来，随即促进了波导天线的发展。1 9 3 4 年，世界上首个 商业微波无线电话系统在英格兰与法国之间搭建起来，使用频率为1 8 g h z 。二次 世界大战对雷达的需求产生了大量的“现代 天线，比如大型反射天线，透镜天 电子科技大学硕士学位论文 线和波导缝隙阵列天线等【l l 。 在过去5 0 多年来，微带天线的技术已成为天线领域中发展最快速的一门。早 在1 9 5 3 年，ga d e c a m p s 教授就提出利用微带线的辐射效应来制成微带微波天线。 但在随后的2 0 年里，对此只有一些零星的研究。到了七十年代，由于单片微波集 成电路麓发震与各种微波低耗介质材料的出瑰，使得微带天线广泛的吸孳 着全球 学术界、工业界与政府相关部门的重视。1 9 7 9 年，在美国新墨西哥州大学举行了 微带天线的专题国际会议，1 9 8 1 年i e e e 天线和传播会刊在1 月号上刊载了微带天 线专辑。至此，微带天线已形成天线领域的一个独立分支，微带天线相关专著也 相应如舨。结果，在广大不同的微波系统应用领域中，微带天线已快速的蠢学术 上新奇事物演变成商业上真实产品。可见，上个世纪7 0 年代是微带天线取得突破 性进展的时期，在8 0 年代中，微带天线无论在理论与应用的广度和深度上都获得 了进一步的发展 2 1 。懿今，微带天线已被广泛遮瘦用在个入通讯系统( v c s ) 、全球 定位系统( g p s ) 、直播卫星( d b s ) 、无线局域网络( w u s ) 和智慧型高速公路交 通系统( h s ) 等市场。 1 2 微带天线性能参数 辐蹇| 方向图反0 ，零) ：在特定频率点上，天线酶远区辐射场可以表示为 口一步 e ( r ，秽，咖= r f ( 矽，二一 ( 1 1 ) ， 其中灭最彩为天线的方向性涵数，用图形表示出来即天线方向图。令方向性 丞数的最大值为重，醺蹬的天线方向图为归一纯方向图。 天线可通过设计具有不同的波束形式，定向的单波束或者多波束用于点对点 通信或者一点对多点通信；全向( 在一个指定平面内有均匀辐射特性) 波束用于 广播电视等场合；赋彤主波束用于翌星通信和电视覆盖特定区域的情瑟。 方向性d ：为了定量地描述天线的方向性，并便于不同天线之间的比较，定 义了天线的方向性系数d 。在同样距离和相同辐射功率条件下，天线方向图上最大 功率密度与全向天线( 点源) 的辐射功率密度之比定义为天线方向性系数。 p| f| 2 d 端血= | 捌( 1 - 2 ) 巳时i l 增益g ；在同样距离和相同输入功率下，天线方向图上最大功率密度和理想 2 第一章引言 全向天线( 效率为1 0 溅) 的辐射功率密度之比定义为天线的增益。 g 嚣争嚣| 甜( 1 - 3 ) j 乙耐i i 入功宰相同卜e 二耐i - 入功弗橱同 图1 1 辐射方向图f ( e ，由) 和方向性肌s 和墨分别是同距离处 实际功率密度窝各向辩缝功率密度 考虑天线的损耗，增益g 等予天线方向图系数乘以天线效率。天线效率是天 线辐射功率和输入功率之比。如果计入馈线损耗，这时的天线增益称为实际增益。 极化；一个发射天线辐射时，在其最大辐射方向上，随着时闻的变化电场矢 量( 端点) 在空闻中描出的轨迹。天线的极化方式分为线极化、圜极化和椭圆极 化三种。线极化和圆极化为椭圆极化的特殊形式。圆极化又分为正交的左旋和右 旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。两中正交极化的电磁 场可以在穗同频率下传输不同的信息( 极讫分集) 。接收天线的极纯和来波稳同称 为极化瞪配。 输入阻抗：天线馈电端电压和电流之比称为天线输入阻抗。 p矿 z | 魏篇专 = 匠拳毪+ j k ( 重一4 ) | 屯l j 擒 设计天线的一个很重要的工作就是使天线的输入阻抗和馈线的特性阻抗匹 配。天线的输入阻抗取决于天线的工作原理、结构尺寸、周围介质、工作环境以 及工作频率。一般情况下，天线的输入阻抗包括输入电阻和输入电抗。输入电阻 又包括辐射电阻和损耗电阻。为了实现天线匹配，第一步要消去天线的输入电抗。 带宽：天线总是在一定频率范围内工作，在此频率范围内，一个或者组选 定的天线参数的变化不超过可以接受的容许值。天线有多釉形式的带宽，方向图 带宽、增益带宽、输入阻抗带宽等，用得较多的是输入阻抗带宽。其定义有多种 形式，常见的有以下几种： i 绝对带宽鲈：其定义为式( 1 - 5 ) 3 电子科技大学硕士学位论文 4 f = 五一石 ( 卜5 ) 其中以为考察频带的最高频率，石为考察频带的最低频率。绝对带宽常用于 电磁频谱的划分，有时也用于描述天线的实际工作频率。 i i 相对带宽：广义的讲，相对带宽有几种不同的定义。在通信领域常用的相 对带宽指系统绝对带宽与中频之比。 昕警观糕 0 - 6 ) 这一定义常用在现有的频带比较窄的通信和雷达系统中。实际上，由定义可 知相对带宽取值范围为0 2 。有的文献称之为分数带宽。随着通信系统带宽的扩 展其相对带宽已经超过1 或1 0 0 。如i e e e8 0 2 1 6 a ( 2 - 1 1 g h z ) 标准其相对带宽为 1 3 8 或1 3 8 。 天线效率：天线辐射功率总是比输入到天线的功率小一些，也就是说天线有损 耗。天线效率定义为： 刀2 已p r _ pp + , 瓦 ( 1 - 7 ) 其中p ，兄，最分别是天线的辐射功率、损耗功率和输入功率。天线损耗包括 导体损耗、介质损耗和加载电路中的损耗。 1 3 微带天线结构及辐射原理 早在1 9 5 3 年ga d e c a m p s 教授就己提出利用微带线的辐射来制成微带天线 的概念。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线， 它利用微带线或同轴线等馈电，典型的微带天线结构如图1 - 2 所示。这是一片矩 形微带帖片天线，它由三层构成：最上层的是一片长l ，宽w 的矩形金属片；金属 片下面是基板，由绝缘介质构成，厚度为h ，相对介电常数为；最下层的是无限 大的导体接地板： 图1 _ 2 微带天线基本物理结构 4 第一章引言 微带天线的辐射是：在导体贴片与接地板之间激励起电磁场，并通过贴片四 周与接地板之间的缝隙向外辐射，辐射场是贴片边沿与接地板之间的缝隙场产生 的。因此微带天线可以看成是一种缝隙天线。微带天线可根据其辐射单元形式大 致分为4 类：微带贴片天线、微带振子天线、微带行波天线和微带缝隙天线。 使用各种不同微带天线分析方法，可以对其辐射原理作出不同解释。下面以 矩形微带天线为例，用传输线法讨论以下它的辐射机理。如图1 - 2 所示，辐射源 的长为l ，宽为w ，介质基片厚度为h 。可以将辐射源，介质基片和接地板看作是 一段长为l 的低阻抗微带传输线，在传输线的两端形成开路。根据微带传输线理 论，由于基片厚度h a o ( 丸是工作波长) ，场沿厚度方向不变化。贴片作为平行 板微带传输线的五2 ( 丸为微带传输线的波导长) 谐振结构，在两开路端的电场可 分解成相对于接地板的垂直分量和平行分量，两垂直分量电场方向相反，平行分 量电场方向相同，两水平分量电场产生的远场同相叠加，形成最大辐射方向。因 此两开路端的水平分量电场可以看作是无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝隙 宽度为h ，长度为w ，两缝隙间距为五2 ，缝的切向电场沿w 均匀分布，电场方 向垂直于w 。 1 4 微带天线特性及其应用 微带天线一般工作在1 0 0 m h z 1 0 0 g h z ，特殊的微带天线可以用在几十t h z 频段。与常用的微波天线相比，微带天线具有如下优点圆： ( 1 ) 体积小，重量轻，低剖面，能与载体( 如飞行器、移动通信终端) 共形： ( 2 ) 制造成本低，易于批量生产，可以用简单馈电实现线极化和圆极化： ( 3 ) 散射截面小，易于制作双频、双极化天线： ( 4 ) 能方便地与有源器件和微波电路集成，馈线和匹配网络可以与天线结构一 起制造等。 不过，与常规微波天线相比，微带天线也有一些局限性： ( 1 ) 频带窄，增益低，多数微带天线只能向半空间辐射能量o ( 2 ) 阵列馈电结构中的欧姆损耗较大： ( 3 ) 高性能阵列需要复杂的馈电结构，极化纯度难以实现，来自馈源和结合处 的额外辐射，功率容量较低： ( 4 ) 在高介电常数基片上制造的微带天线虽易于和m m c i 射频前端电路集成， 但采用高介电常数基片会导致交叉极化和较窄的带宽等。 5 电子科技大学硕士学位论文 在无线电技术领域，对于信息的传输，天线的作用是不可或缺的。微带天线 由于其低剖面、低成本：并可制成多功能、可共形的天线：可集成到无线电设备内 部：尺寸也可大可小等明显优势，己经广泛应用于空间技术、可移动卫星通信、导 弹测控设备、环境测控设备、共形相控阵以及手持通信设备等，由于微带天线便 于集成化，它在毫米波段的优势是明显的。 1 5 微带天线分析方法 天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后， 进而得到天线的方向图、增益和输入阻抗等指标。分析微带天线的基本理论大致 分为三类，最早出现也最简单的是传输线模型( t l m - t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 理 论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型( c m - c a v i t ym o d e l ) 理论，可 用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。最严格而计算最 复杂的是积分方程法( i e m i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) 即全波( f w - f d lw a v e ) 理论。 从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算 模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一中理论把微带天线的分析简化 为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理 论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时的多。 1 5 1 传输线模型理论 传输线模型是一种最简单而又适合某些工程应用的模型。该模型将矩形微带 天线看成是沿横向没有变化的传输线谐振器。场沿纵向呈驻波变化，辐射主要由 开路端的边缘场产生。 传输线模型理论的优点是方法简明、计算量小、物理直观性强。但其也有缺 点： a 只能用于矩形微带天线及其微带振子，对圆形及其他形式的微带天线则不 适用。 b 传输线模型一般是一维的，因此当馈电点位置在波垂直变化的方向变化时 阻抗不变；在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称的，用圆图便是的阻抗曲线 对称于实轴，这些都与实验不符。这种计算和实测的差异，源于传输线模型本质 的缺陷。因为微带天线并非只存在最低阶的传输线模式，还有其他高次模式的场 存在，在失谐时这些模式将显示主要作用。一般说来，传输线较适合与在辐射边 6 第一章引言 附件馈电，并且馈电点位于该边的对称轴上。 针对传输线的这些缺陷，人们也提出了一些改进的方法，如对微带线开口端 导纳的改进分析方法和部分波分析法等等。 1 5 2 空腔模型理论 空腔模型理论由是yt l o 等人1 9 7 9 年提出，在微带谐振腔分析的基础上发 展起来的。该理论基于薄微带天线的假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成 是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得 出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。空腔模型理论特别是 多模理论是对传输线法的发展。它能应用于范围更广泛的微带天线，并且由于计 及了高次模，因此算得得阻抗曲线更精确，且计算量也不是太大，比较适合工程 实际的需要。但是，基本的空腔模型理论同样要经过修正，才能得到较准确的结 构。特别值得注意的是边界导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题， 理论上是严格的，只是边界导纳确定比较困难，使计算只能是近似的。在腔模理 论中，认为腔内场是二维函数，这在薄基片时是合理的，对于厚基片将引入误差。 由于应用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在大多数情况下是可行的，但 在毫米波段就需要另行考虑了。 1 5 3 全波理论 无论是传输线理论还是腔模理论，都没有考虑场在与片垂直方向上的变化， 对于大多数“薄的微带天线来说，这种简化不会引入太大的误差，但当微带天 线的厚度达到一定值，该模型就不准确了。全波理论与前两种模型的基本立足点 不同，它讨论的是开放的空间，以开放空间的格林函数为基础，因此基本方程是 严格的。相对于以上两种理论而言，全波理论可以概括为具有如下几个特性：准 确性、完整性、通用性和复杂性。准确性是指全波理论能够提供最准确的结果； 完整性是指全波理论包括了表面波效应、空间波辐射、单元间的互祸现象；通用 性是指全波理论可以用来分析任意形状、任意结构、任意馈电方式的微带天线单 元和阵列；计算复杂性指全波方法是数值密集型的，需要进行大量的计算。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 6 论文主要内容及结构安排 本论文的主要研究内容是小型化宽带化微带天线，切入点是超宽带螺旋微带 天线。其后各章的安排如下： 第二章主要讲述了近年来有关微带天线小型化与竟频带技术的研究进展，并 分析了各自技术的优缺点。 第三章首先介绍了超宽带螺旋微带天线的发展过程及其优势。然后介绍了我 们设计的一种新型缝隙加载小型化螺旋天线。丽传统阿基米德螺旋天线相比，新 型缝隙加载螺旋天线舷在无增益损失的情况下，用很简单方法缩小天线3 溅以上 的面积；小型化之后的新型天线在低频段的轴比特性非但没有恶化，反而有了不 错的改甍；新型天线的方向图与传统阿基米德螺旋天线基本一致。接着研究了将 薪型天线构造为螺旋微带天线的性裁，结果表裙作为螺旋微带天线，薪型天线麓 够在增益无损耗的情况下缩小面积3 0 。最后总结并提出了两种构造超宽带微带天 线的思路。 第四章是对论文、课题工作的总结，并对以焉的工作和学习进行了展望。 第二章小型化宽频带微带天线 第二章小型化宽频带微带天线 电子器件小型化、微型化的发展，以及超宽带( u w b ) 通信的应用，对通信 设备的宽带化、小型化提出更高的要求。在这种背景下，天线的宽带化和小型化 就成为天线研究领域的一个重要课题。为了适应空气动力学的要求，天线不仅应 具有宽带化和小型化的特点还应具有低轮廓、与载体共形的优点。 2 1 微带天线小型化技术 天线的性能与自由空间的工作波长有着密切的关系，因此从理论上讲，天线 的工作频率越低，波长越长，天线高度也必须相应地增加。从这种意义上理解， 要求天线的小型化是难以实现的，也就是说，天线尺寸的减小必然导致天线性能 在某些方面恶化，结果使弱信号区的接收效果变差。但是，通过改变天线的外形 结构，通过加载技术、通过优化处理方法、通过添加外部匹配网络等都可以有效 地改善小天线的电属性，而且在很多情况下，也可以适当牺牲天线的在某些方面 的性能指标来获得较小的尺寸。 2 1 1 增加介电常数 通常的微带天线是一个半波辐射结构，基本的工作模式是t m o ，或t m ! o 。对于 采用薄基板的矩形微带天线，其谐振频率可由下式近似得出 f = - 赤 沿。 式中c 是真空中光速，l 是矩形贴片的长度，s 是基板材料的相对介电常数。 由式( 2 - 1 ) 可以看出，天线谐振频率厂与l 成正比，因此对于一个固定 的工作频率，采用高介电常数基板可以有效降低天线的尺寸。 图3 - 1 是文献 3 报道的用于g p s 接收机的圆极化切角微带天线，a ，b 采用 了不同介电常数的基板材料，天线工作频率同样是1 5 7 5 m h z 。a 采用的是普通微 波介质材料= 3 0 ，h = 1 5 2 4 m m ；b 采用的是陶瓷材料= 2 8 2 ，h = 4 7 5 m m 。天 线b 采用了比天线a 更厚的材料是为了保证天线有足够的圆极化带宽。 9 电子科技大学硕士学位论文 4 t 呸 卜一弘毒潮一 卜一l & 4 ”至圈 9 ，p ) 圈2 _ l 采用不同分瞧常数基板的g p s 天线尺寸对魄 从图2 - 重中天线的尺寸可以看出，天线b 的面积只有天线a 的l 端，这和式 ( 2 1 ) 计算的结果是一致的。因此可以说采用= 2 8 2 的陶瓷材料基板代替鬈= 3 o 的普通微波材料基板，在固定的工作频率上，天线的尺寸可以缩小9 0 。 由此可觅，采用离分电常数基板是一静有效鲶天线小型化方法。僮是，介电 常数越离天线带宽越窄；且激励出较强的表面波，而导致天线增益和交叉极化水 平的恶化，阵列单元阀耦合系数也随之增加。从而限制了高介电常数材料的应用 范围。 2 1 2 加载微带天线技术 近年来，加载微带天线是热点，通过加载可以有效的减小天线的尺寸。对于 通常半波结构的矩形微带天线，天线中的电流在一个开路端和另一个开路端之间 形成驻波，因此两个开路端之间有一条零电位线。如果在零电位线处对地短接， 就可以形成开路到短路的驻波结构，这样天线的尺寸就可以减少一半。 主要的微带天线热载方法有：短路加载、电阻加载。 对予短路加载，通常有三种方法：加载短路面( s h o r t i n g - w a l l ) ，加载短路片 ( s h o r t i n g - p l a t e ) ，加载短路销钉( s h o r t i n g - p i n ) 。图2 - 2 是分别采用三种加载方法的 矩形微带天线结构图。 图2 - 2 ( a ) 是加载短路面的徽带天线，这是一种四分之一波长结构静微带天线。 相对于半波结构矩形微带天线，加载短路面天线的矩形微带天线长度缩小了一半。 图2 - 2 ( b ) 是加载短路片的微带天线，图2 - 3 ( c ) 是加载短路销钉的微带天线，这两 种结构比较类似，不同的是短路结构的宽度。 文献【4 】【5 】中介绍的加载短销钉的圆微带天线和矩形微带天线谐振频率是未 加载结构的近l 3 ，或者说对于固定的频率工作，天线的尺寸缩小了8 9 。文献【6 】 中介绍的加载短路销钉的等边三角形微带天线尺寸缩小了9 4 ，这是因为等边三 1 0 第二章小型化宽频带微带天线 角形微带天线贴片中的零电位点靠近底边，到底边的距离为到底边对应顶点距离 的一半，因此当在顶点加载短路销钉时，造成天线零电位点的偏移相对于圆贴片 天线和矩形贴片天线更大，从而导致了更低的谐振频率。 0 r - 殂 r h l ” i c 图2 _ 2 三种短路加载的矩形微带天线结构 通过加载电阻的方法同样可以减小天线的尺寸。由于天线在谐振频率以 下呈现感性，因此在同轴馈电点附近加载负载电阻时，等效于加了电容，从而 使谐振频率降低，也就减少天线的尺寸。 其中比较典型的加载微带天线如：平面倒f 天线( p l a n a ri n v e r t la n t e n n a ) 和平面倒l 天线( p l a n a ri n v e r t - l a n t e n n a ) 7 - 9 。 平面倒l 天线( p l a n a ri n v e r t - la n t e n n a ) ，简称p i l a ，是微带天线的一种 变形。其辐射贴片与接地面平行，一般采用空气作为介质，利用微带馈电；其 得名是源于其贴片的一端有一块垂直于贴片平面的短路带，将辐射贴片与馈电 微带线联接起来，如图2 3 所示，其侧视图形如倒放的大写字母l ，故而得名。 5 ) i q f e e d l o i i l l d 图2 - 3 平囱倒l 大线 l l 电子科技大学硕士学位论文 如图所示，p i l a 的贴片等效长度为l + h ，图中垂直短路带上两条长l 的切缝 可以构造出天线的第二个谐振频率，在不考虑此切缝的情况下，p i l a 是作为一种 四分之波长天线工作的，即天线的工作频率用下式计算： r 缸=布蔬(2-2) 其工作原理可以大略的解释为：普通的微带天线是二分之波长天线，即当以 空气为介质时，g 近似等于1 时，天线的工作频率是用下式来计算的： ， z = 暑 ( 2 3 ) 厶b 将式( 2 - 2 ) 与式( 2 - 3 ) 相比较，可以看出p i l a 对天线尺寸的缩减作用：在相 同的工作频率下，p i l a 的长度l p 姒比普通微带天线的长度l 要缩减一半以上。 平面倒f 天线( p l a n a ri n v e r t - fa n t e n n a ) ，筒称p i f a ，是另一种小型化平面天 线；与p i l a 相类儆，p i f a 也是徽带天线酶一种交型，同样也具有垂直方向的短 路带。从外型上看，p i f a 与p i l a 的区别主要在：p i f a 采用同轴馈电；p i f a 的垂 直方向的短路带将贴片与接地面相联接，构成一种短路( s h 结构，如图2 q 所示，天线侧视图形如倒放的大写字母“f 捧，故丽得名。 l r q f f i , 。o m m j 图2 q 平面倒f 天线 平面倒f 天线与短路探针加载毽式有很多类似之处，事实上二者有部分重叠， 也常常使用短路探针代替短路带( s h o r t i n g - w a l l ) 来实现加载功能。p i f a 也是一种四 分之波长天线，其短路带起到了缩减贴片尺寸的作用。 作为一种实用的p i f a ，设其长度( x - 轴方向) 为l ，宽度( r 轴方向) 失w 。垂 1 2 第二章小型化宽频带微带天线 直方向短路带宽度( r 辘方蠢) 为s ，燹漠谐振频率可以震下式计算： 然二- 一 ( 2 q ) ，7 4 ( l + w 2 一s 1 2 ) 由式( 2 - 4 ) 与式( 2 - 2 ) 相比较，可见p i f a 所采用的徉不完全接地方式可以使 褥天线尺寸进一步减小。天线尺寸缩减最大的情况出现在短路结构位于贴嚣酶一 兔，且s o ，即探针型式短路的情况下。类似的，此时天线的谐振频率可! 1 2 盂用式 ( 2 - 5 ) 计算： 篇_ 二一( 扣s ) 驴 一 此时天线的电长度得到最大程度的缩减。 2 。l 。3 曲流技术 鼗流技术包括群槽技术和折叠贴片技术, t 3 1 。 1 开槽技术 歼槽技术可分为贴冀开槽技术和接造板开耩技术。 在式蛰重计算矩形檄带天线谐振频率靛公式串，l 荛荑占片懿等效长度。可以 看出，增大l 可以降低天线谐振频率。微带天线的表面电流分布直接依赖予贴片 的几何结构，通过在贴片表面开槽或改变贴片边缘的形状引入的扰动使电流曲折 绕行，丽有效路径交长、贴冀谐振频率降低，只要槽戆链菱楚予电流分布适当处。 由于槽徽窄，可以被模拟为在贴片中插入的一个无限薄横向磁壁。在保证贴片实 际尺寸不变的情况下增大有效长度，进行开槽或开缝是一种比较有效的方法。但 是这种类型斡天线与维构有很大蛉关系，阻抗匹配与调试匿难。 嚣2 所示戆是矩形黠冀徽带天线蕊鳇流方法。 绀w 图2 - 5 矩形微带天线的曲流方法 图2 - 5 ( a ) 是在矩形煲占片的非辐射边插入一些绷缝，由圈对以看出，天线表露 1 3 电子科技大学硕士学位论文 电流被有效的弯曲，从而使固定尺寸的矩形贴片上电流路径的有效长度大大的增 加，天线的谐振频率会显著下降。对于固定斡频率，天线的尺寸可以有效地得到 缩小。 图2 - 5 ( b ) 是另一种矩形贴片曲流的方法，从矩形天线的两条非辐射边上切去 一对三角彤的槽，贴嚣中激励电流的路径褥样得舞了有效的延长。这类似予一种 蝶形微带天线，固定的谐振频率下，天线的尺寸比通常的矩形微带天线有所缩小。 将加载技术与曲流技术灵活地应用在一起，可以实现更理想的天线小型化的 效果。文献 1 0 】介绍在圜形微带贴片同时采蔫开槽翻加载短路销钉的办法可以大 大减小天线的尺寸，此天线的尺寸是同频率下普通圆形微带天线尺寸的9 。天线 的结构如图2 - 6 所示。 9 。x 琴 立 ”。： 一 黝 h d kl ， k 。，一l 了k ，罗i 一 ”一1l 甏霆t 1 | 弋一，夕 髓幽d 脯一 圈2 6 弱对采用加载积曲流方法的天线 接地板睦流技术指的是通过在接地板上开槽实现电流路径改变的小型化天线 技术。在接地板上槽可以达到和贴片上开槽同样的曲流效果。保持天线贴片的形 状不变，在地板上开槽，可以引导贴片中的电流发生弯曲，从而增加电流路径的 有效长度，降低谐振频率。同时，由于地扳开槽造成了微带天线q 值的降低，天 线的带宽也会有相应的增加。天线结构如图2 7 所示。 2 。贴片折叠技术 图2 - 7 采用接地板开槽技术的天线 1 4 第二章小型化宽频带微带天线 通过增加表面电流的路径长度而达到缩小天线尺寸的方法，还可以通过折叠 辐射贴片来实现。图2 8 分别给出了倒置u 型贴片，折叠贴片，双折叠贴片方法。 由于通过折叠实现了增加电流长度，所以不会产生侧向电流，因此这种方法同在 贴片开槽的方法比可以在带宽内有很好的交叉极化度。 2 1 4 左手材料 c 图2 8 三种贴片折叠的微带天线结构 左手材料( l e f t - h a n d e dm e t a m a t e r i a l s ，u i m s ) 是一种介电常数占和磁导率同 时为负的人工周期结构材料，电场分量、磁场分量与波矢满足左手定则，在其中 传播电磁波的群速度与相速度方向相反，从而呈现出许多反常的物理光学现象， 如负折射效应、反常多普勒效应、完美透镜效应、反常c h e r e n k o v 辐射等。 文献 1 1 给出了一种基于传输线模式的组合左右手材料( c o m p o s i t er i g h t l e f t h a n dt r a n s m i s s i o nl i n e ) 在微带天线的应用。图2 - 9 给出了工作频率4 8 8 g h z 的一般微 带天线和基于c r l ht l s 的零阶谐振天线( z o r ) 。由于零阶谐振天线的谐振特性独 立于其物理尺寸，所以天线的面积可以减小至小于1 2 波长。图2 9 ( a ) z o r 的长度 为1 0 m m ，而一般微带天线大小则为2 0 6 m m 。图2 - 1 0 给出了4 单f r 。z o r 的辐射方向 图。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 。! 誊乏：i 氍o j ! w ，一一嚣+ 篓蠹蓦! 黛i 譬：曼_ | ；= = 。善、誊酬、：；，嚣：蓦一i 心j 薯曩。：臻= 蝌_ = x 叠_ 召 、 c 昌 r d ( a j f b ) 图2 - 9 天线比较：( a ) 4 单元z o r 天线，( b ) 一般微带天线 忒 剁 厶、；? 号莎； 惑二x 羧斗 一自c 舻霸m 毒n 涮( c c