（电磁场与微波技术专业论文）基于缺陷地结构的平面倒f天线的设计与研究.pdf

基于缺陷地结构的平面倒f 天线的设计与研究 捅姜 近年来随着移动通信技术的飞速发展和集成电路的高度集成化，有力地推动了现代 通信天线向小型化、宽频化、多频段化及内置智能化的方向发展，而同时对作为移动设 备终端的平面倒f 天线也提出了更高的要求，因此设计出小型化、宽频带及多频化的微 带天线已成为了当前天线研究的重要课题之一。 微带天线以其特有的低剖面、可共形、体积小、重量轻的特点，成为了内置天线的 最佳选择。但同时其自身带宽窄、自身增益低的缺点在一定程度上也限制了其应用。微 波光子晶体作为一种新型的人工电磁材料具有独特的性能( 如频率带隙等) ，目前已广 泛用于微波电路、天线设计中，并且已经取得了很多令人振奋的研究成果。利用光子晶 体结构设计天线，可以显著改善天线的指标，甚至发展新的天线设计思想。 本文首先介绍了微带天线的基本理论( 如基本结构、辐射原理、分类、激励方法及 相关参数) 、并对微带天线常见的小型化、宽带化、多频化进行了归纳和介绍。 文章重点研究了利用电磁带隙结构的缺陷特性来构造平面倒f 天线，这种方法和传 统的方法是不同的。缺陷地结构是在微带传输线的接地面上人为地刻蚀单个或者少量的 单元结构，利用这种人为地在接地平面上蚀刻的缺陷图案，破坏了电磁带隙的完整性， 在带隙内引入了缺陷模式，那么在和缺陷模式相对应的频率上则表现为电磁波能够传 播。大量的理论和实验研究已经证明了这种特性，我们将这种特性应用到平面倒f 天线 的设计中，设计了一种新型的三频段的平面倒f 天线，该天线制作简单、结构紧凑，满 足了移动终端在g s m 9 0 0 m h z d c s l8 0 0 m h z u m t s 2 0 0 0 m h z 三个频段的使用要求，实现了天 线的多频化、小型化和宽带化。 关键词：平面倒f 天线；缺陷地结构；电磁带隙；多频 基于缺陷地结构的平面倒f 天线的设计与研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h eh i g hi n t e g r a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，i ts t r o n g l yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fm o d e m c o m m u n i c a t i o n sa n t e n n at ot h em i n i a t u r i z a t i o n ，b r o a d b a n d ，m u l t i - b a n d ，a n db u i l t - i n i n t e l l i g e n td i r e c t i o n ，w h i l ea tt h es a m et i m ei tp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r t h ep l a n a r i n v e r t e dfa n t e n n a ，a st h em o b i l ed e v i c et e r m i n a l t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fm i n i a t u r i z a t i o n ， b r o a d b a n da n dm u l t i - f r e q u e n c yo ft h em i c r o s t r i pa n t e n n ah a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n t s u b j e c t so ft h ec u r r e n ta n t e n n ar e s e a r c h m i c r o s t r i pa n t e n n ah a sb e c o m et h eb e s tc h o i c eo fb u i l t i na n t e n n a ，w i t hi t su n i q u el o w p r o f i l e ，c o n f o r m a l ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t b u ta tt h es a m et i m e ，t h ed i s a d v a n t a g eo fi t so w n n a r r o wb a n d w i d t ha n dl o wg a i n ，r e s t r i c ti t sa p p l i c a t i o nt oac e r t a i ne x t e n t m i c r o w a v e p h o t o n i cc r y s t a l sa san e wt y p eo fa r t i f i c i a le l e c t r o m a g n e t i cm a t e r i a l sw i t hu n i q u ep r o p e r t i e s ( f r e q u e n c yb a n dg a p ) ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nm i c r o w a v ec i r c u i t s ，a n t e n n ad e s i g n ，a n dh a s m a d eal o to fe x c i t i n gr e s e a r c h t h ed e s i g no fa n t e n n a su s i n gp h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r a lc a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ei n d i c a t o r so ft h ea n t e n n a ，a n de v e nd e v e l o p t h en e wa n t e n n ad e s i g n i d e a s a tt h ef i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ft h em i c r o s t r i pa n t e n n a ( s u c ha st h e b a s i cs t r u c t u r e ，t h er a d i a t i o n t h e o r y ，c l a s s i f i c a t i o n ，m o t i v a t i o n m e t h o d sa n dr e l a t e d p a r a m e t e r s ) ，a n d t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h es m a l l ，b r o a d b a n da n dm u l t i - f r e q u e n c y t e c h n o l o g yo ft h em i c r o s t r i pa n t e n n a t h ep a p e rf o c u s e so nt h eu s eo fd e f e c tc h a r a c t e r i s t i c so fe b gt oc o n s t r u c tp l a n a r i n v e r t e dfa n t e n n a ，t h i sm e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s d e f e c t e dg r o u n d s t r u c t u r ei nt h eg r o u n dp l a n eo ft h em i c r o s t r i pt r a n s m i s s i o nl i n ea r t i f i c i a l l ye t c h e ds i n g l eo ra s m a l ln u m b e ro fc e l ls t r u c t u r e u s i n gt h ea r t i f i c i a ld e f e c tp a t t e m se t c h e do nt h eg r o u n dp l a n e ， i tu n d e r m i n e st h ei n t e g r i t yo ft h ee b g ，i n t r o d u c et h ed e f e c tm o d ei nt h eb a n dg a p ，s ot h e e l e c t r o m a g n e t i cw a v ec a nb es p r e a di nt h ec o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c yb a n d al a r g en u m b e ro f t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v ep r o v e dt h i sf e a t u r e ，a n dt h i sf e a t u r ei sa p p l i e dt ot h e d e s i g no fp l a n a ri n v e r t e dfa n t e n n a t h i sp a p e rd e s i g n e san e wt y p eo ft r i p l e 。b a n dp l a n a r i n v e r t e dfa n t e n n a t h ea n t e n n ac r e a t e sas i m p l e ，c o m p a c ts t r u c t u r et om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fm o b i l et e r m i n a l si nt h et h r e eb a n d so fg s m 9 0 0 m h z d c s18 0 0 m h z u m t s 2 0 0 0 m h z 哈尔滨： = 程大学硕士学位论文 a n da c h i e v e st h em u l t i - f r e q u e n c y ，m i n i a t u r i z a t i o na n db r o a d b a n do fa n t e n n a k e y w o r d s ：p l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a ；d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ；e l e c t r o m a g n e t i cb a n d - g a p ； m u l t i f r e q u e n c y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 从第二次世界大战开始，人们越来越重视微波技术，无线通信技术也得到了迅猛的 发展。微波收发前端电路一直是无线系统设计的难点之一，微波前端器件性能的好坏， 直接影响到整个无线通信系统质量的优劣，因此设计研究出一个性能优良的前端器件， 对于提高整个通信系统的工作效率以及保证系统的通信质量，有着重要意义。 随着3 g 移动通信的普及，无线市场展示了极具潜力的发展前景，世界上各个微波系 统生产厂商都投入了巨大的人力物力来研发新型和高性能微波通信产品。研究微波前端 电路既是国防建设的需要也是发展我国国民经济的需要。 在当今无线市场中，微带天线以其能够同时满足天线的小型化、宽带化、多频化以 及可内置的优势占据着重要地位，与此同时，在对其具体的应用中，微带天线也因为具 有结构简单、整体较轻、成本低廉以及能够轻易实现与其载体共形的特性而获得越来越 多的重视n 1 。微带天线作为接收和发射电磁波的射频前端器件的重要一部分，天线的研 究和实践应用对现代通信行业的发展起着举足轻重的地位，所以微带天线的分析和研制 对整个通讯行业的迅猛发展具有重大的意义。 平面倒f 天线是在微带天线的基础上发展而来的，有着微带天线的特性，并在现代 通讯终端设备( 如手机) 中被大量使用瞳3 。而现代精密终端设备的发展也对平面倒f 天 线提出了更高的要求，因此对平面n f 天线的分析、设计、改进以及仿真等诸多研究在 天线的发展中仍然是势在必行。 1 2 国内外发展现状 近几十年来，移动通信事业正在飞速发展，也快速的推动了移动终端设备的更新速 度，而微带天线作为接收和发射电磁波的重要前端设备也面临着日益严峻的挑战。平面 倒f 天线作为微带天线的一种，在射频前端发挥着巨大作用。现代科技的发展，不仅在 结构上来讲要求平面倒f 天线具有尺寸较小、重量较轻的优点，同时在性能上也要求能 够满足小型化、多频化、宽带化以及能够实现内置化的高要求口3 。 现代社会对天线的研究方向主要可以分为两种：一种方向主要是针对天线的各个性 能指标进行理论上和实践中的研究和设计，这些性能参数如天线的辐射方向图、天线的 效率、天线的回波损耗等等，当然也包含周围环境对天线性能的影响以及天线辐射对人 体的损害程度h3 ；另一种方向主要是针对天线的改进和对新型天线的研发，现代技术的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发展以及天线设备对天线的逐步的高要求，造成了许多改进过的微带天线的出现，如分 集天线等等瞄1 ，同时也促成了许多新型天线的研究，如在本文中涉及到的电磁带隙结构， 缺陷能够在电磁带隙结构的带隙中激励起缺陷模式，在阻带中丌辟一个通带，这种性质 被用来设计先进的天线哺1 。因此本文以接地板上缺陷地结构为基础而设计的平面倒f 天 线是一种新型天线，该天线结构简单，尺寸较小，并完全满足现代设备对天线的要求。 光子晶体的概念最早是在光学领域内提出来的，在自然界中存在的光子晶体是少量 的，其中绝大多数光子晶体都是经过人工设计制作出来的，但是光学波段的尺度很小， 而要求的加工工艺非常高，所以在光频段实现制造光子晶体也是相当困难的h 。因为微 波波段和光学波段均在电磁波谱的范围内并且共同遵从m a x w e l l 方程组，因此这种周期 性通过缩比关系扩展到微波领域依旧能够应用禁带的原理嘲。由于光子晶体在微波频段 的制作工艺简并且单容易实现，所以光子带隙结构最先反而是在微波领域得到实际应 用，并为光子晶体应用研究提供了条件。在微波领域的研究中取得了大量的的成就，其 中的e b g 相关理论以及应用已经成为了光子晶体研究的一个重要方向。本文正是电磁 带隙结构在天线领域的一个重要应用。 现代制作工艺的不断改进与外置天线的本身所无法克制的缺点，内置天线得到了重 点研制，并已达到了实际的应用，体现了其优越性。其中被看好具有前景的几种内置天 线就包括了微带天线和平面倒f 天线等阿3 。多频化也是天线研究的热点，比如使用哪种 方式能够实现多频，实现多频时对天线其他参数性能会产生什么样的影响等等都是天线 的研制中不可避免的问题和难题陋1 ；终端设备的越来越精密的程度也对天线的结构尺寸 提出了更高的要求，小型化必然成为了现代天线设计中的一个趋势93 。当然平面倒f 天 线也有其自身天线的局限性，如窄频带、低效率、较大损耗等等，这使得研制该天线更 具有重要意义。如何能够协调天线各个参数性能之间的影响是天线的整体呈现最佳的性 能已经成为了天线设计中的重要方向n 0 | 。 本论文主要研究分析了实现平面倒f 天线多频化的技术，通过对微带天线贴片进行 开槽设计和对接地板的缺陷地结构的设计来实现平面倒f 天线的能够三个频段达到现 代频段的要求。另一方面本文也对缺陷地结构进行了理论上的分析，并给出了其在电磁 软件中中仿真结构，讲这种技术应用到天线中，并体现出谐振的特性从而实现传播电磁 波的目的。 1 3 论文安排 本论文首先介绍了微带天线的基本理论知识( 包含其结构、辐射原理、分类等) ， 以及实现微带天线特性( 如微带天线的小型化、宽带化、多频化等) 的技术方法，然后 第1 章绪论 本文对电磁带隙结构进行了重点研究和设计，利用电磁软件对典型的哑铃型缺陷地结构 进行了仿真分析，并进行了其等效电路参数的提取，通过a d s 软件对其进行了仿真验 证，证明提取方法的正确性。然后对基于缺陷地结构的平面倒f 天线进行研究和设计， 包括缺陷地结构和平面倒f 天线的理论与设计，重点介绍基于缺陷地结构的平面倒f 天 线的设计与研究。 第一章首先简介了本课题的研究背景及意义，并对微带天线的国内外发展现状进行 了简要介绍。 第二章介绍了微带天线的基本原理，这其中主要是介绍了微带天线的基本结构，并 以微带矩形贴片天线为例分析了微带天线的辐射原理，对常见的微带天线进行了分类， 对通常用到的馈电方式进行了简介，最后简介了微带天线中的基本参数。 第三章介绍了微带天线的小型化、宽带化与多频化技术，对如何实现微带天线的这 三种技术进行了介绍，这也是本文设计平面倒f 天线的理论基础。 第四章介绍了缺陷地结构的基本原理。本文中涉及到的是基于电磁带隙结构的新型 天线。通过利用在阻带中开辟通带来进行设计天线。对缺陷地结构进行了模型分析以及 能够产生谐振给出了理论分析，并提取了等效电路，通过a d s 软件进行了仿真证明。 并利用电磁软件仿真，分析了缺陷地结构各个参数( 如缺陷地结构的方形大小，缝隙的 宽度、长度) 变化对其特性的影响。 第五章介绍了基于缺陷地结构的三个频段的平面倒f 天线的设计与原理。本节首先 介绍了平面倒f 天线的基本结构和原理，根据相关原理设计了微带天线的基本模型，利 用开槽技术在贴片上开出l 槽缝隙实现了二频设计分析，并结合缺陷地结构特点，实现 了平面倒f 天线的三频段设计，给出了其理论分析结果。 结论部分对本论文的主要工作进行了总结，指出论文的创新与不足以及需要进一步 完善的地方，最后提出了对于进行该课题进一步研究的个人见解。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章微带天线的基本理论 2 1 微带天线的基本结构 微带天线是在微带传输线的结构基础上衍生而来的一种天线，其基本结构如图2 1 所示，从结构图中可以看出微带辐射贴片、介质基片与接地板三部分组成了微带天线的 基本结构n 。微带天线是一种在接地板上印制金属辐射贴片而形成的天线。辐射贴片的 形状可以是任意的，但在本文中涉及的辐射贴片为矩形贴片。在理论分析和实际设计中 比较常见的辐射贴片的形状是规则的，如方形、圆形等规则几何形状。 图2 1 微一r h 大线的基本结卡匀i 到 在选取辐射贴片和接地面的材料时，一般采用铜或其他金属，可以通过设计不用形 状来满足不用的要求n2 | 。通常选择相对介电常数较小的介质基片，一般不超过1 0 ，常 取e ， 2 5 ，这样通过增强天线贴片的边缘效应来提高天线的辐射能力，从而提高天线 的性能。但考虑其他的性能则要求使用介电常数大于5 的介质基片材料。当基底材料具 有相对适中的相对介电常数以及较低的介质损耗时，可以提供较高的天线辐射效率和阻 抗带宽3 。目前，在实际应用中可以根据要求选择使用各种类型的介电常数范围较大和 损耗角正切低的介质基片。介质基片的厚度h 远小于其工作波长，非常薄，一般在 0 0 0 1 , x o 1 允之间。 2 2 微带天线的辐射原理 本小节以图2 2 为例简单说明微带天线的辐射机理的根本原理为微带天线的金属导 体边沿和接地板之间的边缘场所产生的n4 | 。如果假设辐射贴片单元近似为半个波长长， 贴片单元的宽度为w ，并同时假设基片的厚为h ，那么把微带天线辐射贴片单元、接地 面与介质基片能够等效看做成具有一定长度的两端开路的传输线，该等效微带传输线长 度为允2 且具备低阻抗特性。在微带天线中基片的厚度能够满足h 九，所以电磁场沿 介质厚度方向是均匀分布的。为简化分析同时假设，场沿贴片单元宽度w 方向也是均 第2 章微带天线的基本理论 分布，那么天线在主模式工作下，其等效传输线的场结构可以用图2 2 ( b ) 来表示。辐 射基本上可以看做是由辐射元开路边的边缘场引起的n5 。以接地面方向作为参考方向对 辐射元两开路端的电场进行分解，能够等效分解成垂直和水平两个方向的分量，并且垂 直分量的电场是反向的，水平分量电场的方向是相同的n6 。所以，微带天线的开路端在 水平分量的方向上的电场能够近似看作成两个开槽的缝隙，该缝隙同相激励并且向接地 板以上半空间进行辐射，同时缝隙的长度为w ，宽度l 与介质基片大约相等，两缝隙之 间距离等效成半个波长的长度，缝隙的电场沿辐射贴片单元宽度的方向是无变化的，电 场方向垂直于贴片单元宽度w 方向，如图2 2 ( c ) 所示。 地板贴片辐射器 图2 2 ( a ) 矩形微带贴片天线 图2 2 ( b ) 侧视图 图2 2 ( c ) 顶视图 上面原理分析中，分析的是在薄基片的场沿基片厚度h 和辐射元宽度方向均为均匀 i h i 上 哈尔滨工程大学硕士学位论文 变化的情况，假如在微带天线介质基片中的场并不是上面考虑的最简单的情况而是在天 线贴片的宽度和长度方向都是变化的，此刻的辐射情况可以用四个缝隙来进行等效分析 的辐射问题口7 1 。 微带天线辐射场的分析是依据微带天线中的假定电流及其分布而推导出来的，因此 在分析和求解天线的远场值时，需要把该电流分布精确的表示出来n 。在分析时微带天 线贴片导体和接地板导体的电导率均为无限大，并且介质材料为各向同性、均匀且无损 耗，则微带天线辐射贴片的面电流和面磁流就能够表示为： k = h x h ( 2 1 ) m = e x 而 ( 2 2 ) 上式中：h 为面法向单位矢量 如下，图2 3 给出了微带天线贴片上的电流密度分布和辐射时边沿的场态情况的侧 面图n9 | 。由图可知该天线是由其边缘缝隙向外来进行辐射电磁波的。为了使情况简单化， 可假定微带天线贴片单上的面电磁流是相同的，然后分析和求解天线辐射场的各种值。 曩 接地板 图2 - 3 微带天线电流密度分布和辐射边缘场态( 侧面图) 在进行分析时为了使问题简化，只假定了电流存在，那么可以得出微带天线外一点 p ( r ，目，妒) 处电磁场为心0 。： f ( ，) = - jv ( v 爿) 一j 0 3 a ( 2 3 ) h e p ) ：l v 。a ( 2 4 ) 式中：介质的介电常数，其参数的单位为：f m 磁导率，其参数的单位为：h m 角频率，其参数的单位为：r a d s 上式中上标p 均表示由电流而引起的电磁场量，经过推导可知磁矢量的位函数可以 用下式来表示： 爿= 鲁脚) 篙凼。 5 第2 章微带天线的基本理论 式中：一自由空间波数，其参数的单位可表示为锄。 k ( r ) 在距离原点为，的某一点处的面电流密度的大小，其参数的单位可表 示为a i m 2 根据相同的理论进行分析可知，当考虑电矢量的位函数f 时，可以得出磁流产生的 电磁场表示为： e ( ，) = - i v x f( 2 6 ) h 一( ，) ：- jv ( v f ) 一j c o f ( 2 - 7 ) 上式中上标m 表示磁流产生的电磁场，电矢量的位函数f 表达式为： 一，卜- ，j 肚寺嘶。) 啬d s 。( 2 - 8 ) 式中：吖( r 。) 在距离原点为，。的某一点处的亩磁流密度，其单位为h m 2 在分析中为了使情况更加简单，所有电磁场和电流的时间因子e 刖可以全部忽 略。则可以得到总的电磁场为： ( r ) ：e c + e 一：- jv ( v 彳) 一- ，m 彳一i v f ( 2 9 ) n 删5 日( ，) ：h + h ”：- jv ( v f ) 一j o j f 一土v 爿( 2 1 0 ) 电矢量的位函数f 和磁矢量的位函数a 均可以由下面波动方程求解而得到其表达 式： v 2 a + c 0 2 刎= 0 ( 2 1l a ) v 2 f + 2 z a 5 2 0 ( 2 - ll b ) 在只有考虑存在电流的情况时，式( 2 9 ) 电场可以表示为： e ( r ) = 一j r a a ( 2 1 2 ) 而在自由空间中 h ( ) 2 ( 7 ) 7 砺 ( 2 - 1 3 ) 同理在只考虑磁流情况的时候，式( 2 9 ) 磁场可以表示为： h ( ，) = 一j w f ( 2 1 4 ) e ( ，) 2 h ( ，) ( 2 1 5 ) 式中：自由空间波阻抗，q 2 3 微带天线的分类 微带天线可以根据应用需求将微带天线的辐射贴片和接地板设计成各种各样的尺 寸和形状，但针对微带天线的整体来考虑，可以将其分成微带的贴片、行波与缝隙天线。 微带贴片天线： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微带贴片天线简称m p a ( m i c r o s t r i pp a s t ea n t e n n a ) 由介质基片、任意形状的导电 金属贴片以及接地板三部分组成妇“。但是，常见的并且可以用于理论分析计算天线辐射 特性的贴片的形状是有限的，比如矩形贴片、正方形贴片、三角形贴片、圆形贴片、五 角形贴片、环形贴片等。该论文中所研究和设计的平面倒f 形天线即在矩形微带贴片天 线的范围内，并且在下面章节中有介绍。 微带行波天线： 微带行波天线简称m t a ( m i c r o s t r i pt r a v e l i n g w a v ea n t e n n a ) 由介质基片、链型周 期结构或t e m 波传输线结构的辐射贴片以及接地板三部分构成。在理论分析中，任意 一种t e m 波的传输系统通过改造都能够制成一个行波天线的结构。对于微带线来讲， t e m 波传输线结构的天线可以归纳为两种类型：一种为在微带线的终端接入匹配负载 时的行波天线，另一种类型为在微带线的终端设置成开路或者短路情况的驻波天线。一 般情况下驻波天线为边射情况，而当微带天线保持在行波状态的情况下，在设计天线的 结构时可以使天线的主波束实现从后射到端射的任意一个方向上乜2 | 。因此，当波瓣指向 边射方向时，符合了实现驻波天线的要求，也即将行波天线转变成了驻波天线。微带行 波天线的结构通常情况下为周期性的，因此可以在理论分析时提前计算分析行波天线的 辐射特性。类似于其他行波天线，微带行波天线也可以用频率来实现对其主辐射方向的 控制和掌握。 微带缝隙天线： 微带缝隙天线简称m s a ( m i c r o s t r i ps l o ta n t e n n a ) 由微带馈线以及在天线接地板上 的缝隙两部分构成的。 常见的微带缝隙天线的缝隙形状有矩形，圆形或者环形等，其 中当缝隙为矩形时，又可以根据所开的缝隙宽度的不同分为宽缝天线或者窄缝天线。微 带缝隙天线是在带状线缝隙天线的基础上发展过来的，更精确的讲，是依据三板传输线 衍变而出现的的一种天线。这种天线的优点是可以产生双向或者单向的方向图，在实际 应用设计中，可以通过采用该结构来实现增加一个额外自由度的目的乜引。当在微带馈线 一边排列的导带和在接地板开的缝隙进行组合时能够实现天线的圆极化辐射场。但在应 用微带缝隙天线的时候，应注意抑制在开缝隙的接地板和外导体之间产生电位差的模， 这些模式是应该极力避免出现的。 2 4 微带天线的激励方法 在一般情况下馈电方式有微带线馈电、同轴线馈电、耦合馈电和缝隙馈电四种方式。 但是在实际应用中天线输入阻抗与传输线阻抗总存在着一定的差值，因此匹配也是天线 第2 章微带天线的基本理论 设计中必不可少的一部分。选择不同的馈电位置同样会影响天线的辐射特性，匹配时则 要求选择恰当的馈电位置瞳4 | 。 微带馈电：这种馈电方式是将作为馈电网络的微带线与天线的辐射贴片连接在同一 个表面上，并且依据微带线馈电位置的不同分为中心微带馈电和偏心微带馈电两种方 式。馈电激励出哪种模式的电磁波取决于选择哪个馈电点的位置口引。假如场在微带贴片 的宽度方向进行改变的前提下，那么与此同时馈线也随贴片宽度变化的话，将会造成馈 线和天线之间耦合变化，从而引起谐振频率的偏移，但辐射方向图并不会发生变化，这 种情况下通过稍加改变贴片或者天线的尺寸来补偿前面耦合所造成的漂移谐振频率。对 于微带传输线的馈电方式，在微带天线元的尺寸确定的前提下，可以通过下面的办法来 进行阻抗匹配：首先把天线的辐射贴片与一个5 0 n 馈线来进行光刻，然后测量出这两部 分光刻后输入阻抗的值同时分析在这种情况下的阻抗匹配变换器，最后在分析完成后在 辐射贴片和馈线中间加入该阻抗匹配变换器，再次设计成天线来实现匹配的目的。 针对微带馈电而言，其结构示意图如图2 4 ( a ) 所示，以惠更斯原理为依据来进行 分析考虑可以将馈源等效成一个具有一定方向性的电流带瞳引。在厚度较薄的微带线上， 贴片边界上的任何一个地方这个电流都是非常小的，当然除了在距离馈电的极邻近的区 域情况外。所以在较理想情况下，可以将馈源看做为给天线提供激励的恒定均匀电流带。 同时微带馈电方式在结构上易于实现，制作工艺简单，在实际应用中也易于和微波电路 进行集成。 同轴线馈电：一般情况下在实际的应用中，将其安装到电路板背面，并且将同轴线 的外导体与天线的接地板进行连接，而最为馈电部分的同轴线内导体则穿过天线接地板 及介质基片与天线的辐射贴片来进行连接。 对于同轴馈电来讲，其馈电模拟图如图2 4 ( b ) 所示，以惠更斯原理为依据来进行 分析考虑可以等效为一个电流圆柱带，该圆柱带是由其底面流向顶面的瞳引。在只考虑电 路作用时，可以简化理想情况是同轴馈电的圆柱上的电流等效为均匀电流的电流带，这 里的分析与微带馈电情况分析相似。当微带天线的馈电点和场模式为确定的情况时，等 效电流带的宽度就能够在计算和测量所得到的阻抗轨迹的基础上通过积累的经验来进 行准确的分析和确定。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 介质基片接地板 2 4 ( a ) 微带馈电模拟 励，缓缎 2 4 ( b ) 同轴馈电模拟 2 5微带天线的基本参数 在通常情况下天线的电参数可分为电路特性参数和辐射特性参数两种基本类型，辐 射特性参数则主要是从天线的方向图、增益和极化等方面来概括的，而电路特性参数主 要是从天线的输入阻抗、带宽、效率以及匹配程度的等角度来进行分析和考虑，而瞳引。 2 5 1 天线的输入阻抗 天线输入阻抗的表达式定义为天线在输入端的电压值与电流值之比，也即天线在输 入端所呈现的阻抗。通常是一个复数，且是频率的函数，即由实部与虚部组成： 乙2 r + ( 2 1 6 ) 输入阻抗是一个依托功率关系发展而来的电压与电流比值的量，从天线等效阻抗角 度来讲由其损耗电阻与辐射电阻两个方面来构成的。从损耗功率的角度来讲，天线系统 1 0 第2 章微带天线的基本理论 中损耗的所有损耗功率总和就是通过天线的损耗电阻表现出来的。而天线系统发射或者 结构电磁能力则是通过天线的辐射阻抗表现出来的。上式中的参数尼反映的是在天线系 统中所储存能量的能力。天线的馈线把天线本身和发射机或接收机连接在一起形成发射 或者接受电磁波的系统。天线的阻抗特性与系统匹配情况密切相关，选择一个效果好的 阻抗匹配对整个系统的性能指标、功率的传输效率以及系统的稳定性发挥着重要作用， 因此阻抗匹配在天线设计中是一个必须考虑到的因素瞳9 。 而反射系数r 或电压驻波比v s w r 则是用来反映天线与传输线阻抗匹配特性的参数。 反射系数r 定义为： r-zz。口-+zozo(2-17)z 。+ z q 其中：z o 表示为馈线系统中的特性阻抗，电压驻波比用反射系数可表示为： 晒隙2 矧1i r l ( 2 1 8 ) 一 k 二l o 当驻波比为1 ( 即反射系数为0 ) 时，表示系统实现了完全匹配：反之，当驻波比为无 穷大时，则表示系统完全失配。在移动系统的实际应用中，基站天线对电压驻波比具有 一定的范围要求，一般情况下要求v s w r 1 5 。在电磁软件进行理论分析时，将天线看作 是一个单端口的器件，所以其网络系数s 即反射系数r 。因此有电压驻波比： v s w r = 铡 ( 2 - 在天线制作与应用过程中，通常情况下将s ，与v s w r 作为反映天线与传输线之间阻抗匹配 程度大小的重要参数。这两个参数越小，所对应系统的匹配程度也就越好。 2 5 2 天线的带宽 天线的频率特性表示的是天线电参量随着频率变化而变化的情况，而频率特性则可 用其带宽来进行表示，当其电参数满足一定的频率范围要求时的频率范围即为天线的带 宽。通常情况下天线带宽又归纳为阻抗、增益和极化三种类型的带宽m 1 。 微带天线的输入阻抗对于频率的变化相当敏感，从而在一定程度上限制了天线单元 与其馈线相匹配时的频率范围，因此一般选取阻抗带宽来定义天线的带宽。同时，微带 天线多是线极化天线，而阻抗带宽对线极化天线具有很大的影响。阻抗带宽的物理含义 即是用来表达天线和传输线的匹配程度的。在阻抗带宽内，回波损耗s 或者电压驻波比 v s w r 通常要满足一定的范围要求，比如s t - 1 0 d b 或者v s w r 2 。微带天线的阻抗带宽可以 表示成： 占矽= 型三! ( 2 - 2 0 ) o 4 v s w r 式中：q 为天线系统的总品质因数，对于微带传输线而言，则有： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t a n = 西1 = 虿i + 西1 + 西1 + 瓦1 ( 2 - 2 1 ) 式中：胁勤表示微带线的有效损耗角正切；o r 、伤、q w 、q c 分别表示辐射损耗、 介质损耗表面波损耗以及导体损耗所引起的品质因素。 谐振器的q 值可以通过谐振器存储能量与损耗的功率之间的比值来进行理解。而 对微带贴片天线来讲，高q 的谐振本性决定着其窄频特性，高的q 值说明在天线谐振 器中存储的能量要比其辐射和损耗的能量大得多。一般地，采用无损耗的薄基底时，q c 、 q 和q w 的数值远大于q r ，所以这种情况下天线的品质因数近似于其辐射品质因数q 。 2 5 3 天线的方向系数 在辐射功率一定的前提下，某一具体天线最大方向上的辐射功率与无方向性相同辐 射功率天线的功率之比n 。也就是在离天线一段距离的某一点处，天线在该点最大辐射 方向上的辐射功率流密度，与在相同的辐射功率下，理想的无方向性天线同样在该 点处的辐射功率流密度品之比： 肚乏_ | 惫l ( 2 - 2 2 )i 巴l 2 5 4 天线的增益 相同输入功率下，天线和理想无方向性天线在离天线某一段距离处，两天线在该处 的最大辐射功率流密度趾与墨之间的比值，即定义为天线的增益。 g ：生：i 鱼i ( 2 - 2 3 ) 天线在某一个方向上的增益和方蔷性箬霾磐如下的关系： g 2 归 r 2 2 4 ) ，7 表示的含义为天线效率。天线效率能够理解成输出端的辐射功率与其总功率两 个功率值的比例： ，7 2 焘( i - - i s l - 1 ) ( 2 - 2 5 ) 辐射效率仉表示的含义可以理解成天线系统的辐射功率和接收功率两者之间的比 值： 研= 彘 ( 2 - 2 6 ) 由上式可知，天线的效率和辐射效率在数值上是永远不会大于1 的。 这里应当注意区分方向性系数和增益的表达式与物理意义之间的差异。方向性系数 d 是两种天线在辐射功率一定的前提下计算得到的，而增益g 则是两种天线在相同输入 功率前提下计算出来的n2 | 。在表达式上，天线的方向性系数乘以天线效率所得的值就是 第2 苹微带天线的基本理论 由上式可知，天线的效率和辐射效率在数值上是永远不会大于1 的。 这里应当注意区分方向性系数和增益的表达式与物理意义之间的差异。方向性系数 d 是两种天线在辐射功率一定的前提下计算得到的，而增益g 则是两种天线在相同输入 功率前提下计算出来的陋2 i 。在表达式上，天线的方向性系数乘以天线效率所得的值就是 天线的增益。天线效率的含义表示天线能量的转换能力，方向性系数的含义表达了天线 辐射电磁能量的集束程度，因此天线增益的意义是标称天线辐射能量的集束程度和能量 转换效率的总效益。 2 5 5 天线的极化 针对发射天线来讲，天线在某一特定方向上的极化是天线在该方向辐射电磁波的极 化，或者对于接收天线来讲，则是在该方向所接收的最大接收功率( 极化匹配) 时的入 射平面波的极化。一般情况下所指的天线极化是其最大辐射方向或者最大接收方向上的 极化，极化与讨论的空间方向是有关系的。可以通过电磁波在空间某一点处的电场来定 义其极化，电场的指向即为该电磁波的极化方向。随着时间的变化，电场矢量的指向不 变的电磁波称为线极化波，而电场矢量轨迹为一个圆或者椭圆的电磁波称为圆极化波或 者椭圆极化波。而圆极化波和椭圆极化波又可以根据旋向的不同分为左旋极化波和右旋 极化波，分别满足左右手关系。若将地面作为参考平面，按照电场方向与地面为水平和 垂直的关系，可以将线极化分为水平极化和垂直极化两种极化方式。 在实际工程的应用中，并不存在理论上非常理想的圆极化天线，但可以认为是椭圆 极化天线。在无线通信系统中，为防止发生严重的极化失配，必须对发射天线和接收天 线进行极化方式必要的匹配。随着天线分集技术的研究和应用，基站天线能够实现双极 化特性，以便于极化分集。而对移动终端设备来讲，由于电磁场传输空间环境复杂性以 及设备在接收时极化特性时的不定性，所以说终端设备针对天线极化的方式不是固定的 某一种。 天线能够实现线极化波、圆极化波或双极化波的辐射。通常对于单点馈线的微带天 线来讲，采用常规贴片时主要辐射线极化波。具有圆极化特性的天线能够接收任意极化 方式的电磁波，它所发射出去的电磁波也可以被每一种极化方式的天线接收，因此军事 和极化分集等方面中经常被考虑到。利用单端口实现馈电的圆极化天线不需要对其提供 额外的附加电路，只要对辐射贴片的形状和尺寸分析设计一定程度的变化，便能够实现 模式分开，但其圆极化的带宽非常窄。相比较而言，采用多端口进行馈电的圆极化天线 能够解决其带宽窄的缺点，但会带来额外的附加电路，造成天线系统体积增大，这与其 哈尔滨工程大学硕士学位论文 小型化相矛盾。能够实现微带天线在两个极化间转化的双极化天线已经在实际工程中得 到了广泛的研究和应用。 2 6 本章小节 本章主要对微带天线的基本理论知识作了简要分析和介绍，其主要内容包括了微带 天线的基本结构、辐射原理、分类、激励方法及其基本参数五个方面。 首先介绍了微带天线的基本结构及其辐射原理，这是了解和学习微带天线的基础， 也是对微带天线进行设计分析的理论基础，因此进行了简要的介绍。 对微带天线不同类型的介绍，可以更进一步了解微带天线之间不同结构和原理的差 异。本文所涉及的平面倒f 天线就是以微带天线的结构为基础发展而来的，后面章节也 将会对平面倒f 天线进行结构和理论的介绍分析。 微带天线的激励方法( 即馈电方式) 对天线性能也发挥着重要影响。对于大多数的 微带天线而言更多的微带天线采用的是微带馈电和同轴线馈电。选择微带馈电或者同轴 线馈电，无论是在天线设计还是在天线的软件仿真中，都应该根据实际情况而定。 最后一节介绍了微带天线相关的参数，其中包括天线的输入阻抗、带宽、方向系数、 增益和极化等。了解天线的指标参数，有助于我们在对天线的设计中更加准确的分析问 题。 第3 章微带天线的小型化、宽带化及多频技术 第3 章微带天线的小型化、宽带化及多频技术 3 1 微带天线的小型化技术 天线的尺寸决定了天线的增益和最大带宽，但如果减小微带天线的尺寸又使天线性 能变差，比如天线的效率降低，天线的带宽变窄等。在设计小型化天线时，为了能够在 实际工程中应用该天线，天线和其负载之间的匹配是必须要分析和考虑的。而这种匹配 可以通过天线的自谐振来实现。在能够将微带天线的输入阻抗等效成纯电阻的前提下， 微带天线就十分方便地匹配到呈现纯阻性的负载上( 如5 0 0 的系统) ，而不需要天线系 统额外附加的共轭匹配电路部分。当应用共轭匹配电路时，电路中存在的容性或感性部 分就会存储定的能量，从而造成电路的损耗，并在一定程度上会降低天线的效率。给 天线构造匹配电路的这种方法，会造成天线系统尺寸增大、重量增加，与移动通信终端 设备对天线系统小型化要求相悖。 个人通讯系统的快速发展，用于通信终端天线的需求也在不断增加，与此同时，通 信终端对天线的小型化和紧凑性的要求也越来越苛刻，因此，研究小尺寸的天线是时代 发展的必然结果。 一般情况下，针对小型天线而言能够归纳成四种类型：第一类型为电小天线、第二 类型为物理受限小天线、第三类型为物理小天线以及第四类型为功f i l d 天线。电小天线 的定义为天线尺寸比其工作波长短的天线，一般该类型天线的最大尺寸均是小于2 2 的， 如下面章节介绍的平面倒f 天线等。 3 1 1 高介电常数技术 微带天线属于半波辐射结构的情况，它的基本工作模式可分为为t m o 或者m 。两种。 对于一个基底厚度很薄的矩形微带天线来说，它的谐振频率的关系式可以近似表示出： 厂2 赤 o 。1 式中，l 表示为矩形辐射贴片的长度，c 表示为光速，表示为所选取的基片材料 的相对介电常数。在上式中可以看出f 与是呈现反比例的关系。根据这种反比例关系 得到提高能够实现降低f 的目的，并达到了减小微带天线尺寸的要求m 1 。 虽然采用高的介电常数的材料能够用来实现天线的小型化，但采取这种方法的天线 同样具有缺点，比如造成天线的阻抗匹配具有一定的难度、造成天线效率降低增益减小、 造成天线的高q 窄频特性以及会增加天线的成本。基于这些缺点，使用高的介电常数 材料的方法在现实中的使用价值不大。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 2 加载技术 加载技术目前已经广泛用于无线通信终端。从总体上讲，其加载技术主要是通过短 路加载和电阻加载两个方式来实现的引。短路加载一般情况下利用短路壁或者短路销钉 将天线的零势面与地面进行连接加载。短路壁