（电磁场与微波技术专业论文）小型化多频段微带天线的研究与设计.pdf

托京邮电大学硕士学位论文 小型化多频段微带天线的研究与设计 摘要 微带天线以其体积小，剖面低，易集成，造价低等特性以及良好 的性黢受到广泛的关注。随鬻移动通信系统业务的不断增加，遇信设 备不凝淘枣墅耽发震，露天线俸积、集成纯及工佟频段鳇要求瞧越来 越高。设计和研究小型化多频段微带天线是本论文的主要内容。 谂文着重研究了小型傀多频段微带天线蛉设计恩路与磅究方法， 并分析和推导了一种新型微带天线的工作模式秘谐振原理。论文的主 要工作和创新之处在于： 夔先，璎突了微带天线的小墅纯与多频段技术，摇篷了多秘技术 混合应用实现新型小型亿多频段微带天线的可能惶。 其次，提出了一种具有创新性的微带天线的设计思路和方法并进 行深入分辑纛蹬突，吴傣怠括：1 ) 提激了一种盛鼷u 澎穰与短路繁 联合加载实现小型化多频段微带天线的设计思路和研究方法；同时以 此为纂础设计了一种新型小型化多频段微带天线。2 ) 对设计的小型 诧多频段微繁天线进行物瑾建模秘仿真分析，深入研究了此型天线的 工作模式和谐振原理。这一系列物理建模与原理分斩所取得的成果对 将来新型微带天线的设计与研究可能起到一定的指导作用。 簸嚣，基予魇提出鳇微繁天线设计思路和方法，设计了一耪实雳 的2 4 g h z 5 2 g h z 小型化双频段微带天线并进行了仿真和测试，验证 了论文研究工作的合理性和可行性。 戮土磅究或鬃，已经审请发赘专利。 关篷谰：小壅纯，多频段，微带天线，王佟模式，谐振原毽 一i 一 r e s e a r c ha n dd e s i g no fm i n i a t u r em u l t i - b a n d m i c r o s 疆u pa n 程n n a s 众8 s t r 众c 霉 i nr e c e n ty e a r s ，g r e a ti n t e r e s tw a sf o c u s e do n m i c r o s t r i pa n t e n n a sf o r t h e i rs m a l lv o l u m e s ，l o wp r o f i l e s ，g o o di n t e g r a t i o na n dl o w c o s t s 。b e t t e f a c t i o n so fa n t e n n a sa r ed e m a n d e db e c a u s eo ft h er e q u i r e m e n t so fm o b i l e c o m m u n i c a t i o na n dm i n i a t u r ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s ，t h em a i nt a s k o ft h i st h e s i si st od e s i g na n ds t u d yt h em i n i a t u r em u l t i b a n di i 嘻c r o s t r i d a n t e n n a s b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go fag r e a tv a r i e t yo fm i c r o s t r i pa n t e n n a s i nt h ew o r l d ，an o v e l d e s i g na n dr e s e a r c hm e t h o df o rn e wm i c r o s t r i p a n t e n n a sa r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ea n t e n n a so p e r a t i o nm o d e l a n dr e s o n a n c ep r i n c i p l ea r ea n a l y z e da n dd e m o n s t r a t e di n d e p t h t h e m a i nc o n 硒u f i o no f t h i st h e s i si n c l u d e s ： f i r s t ，t h em i n i a t u r ea n dm u l t i b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n at e c h n i q u e s a r es t u d i e d ，t h e f e a s i b i l i t yo fn e wm i n i a t u r em u l t i - b a n dm i c r o s t r i p j ! 塞鲤鲢堂堡圭堂堡造塞 一 a n t e n n a sw i t hc o m b i n a t i o no f s e v e r a lt e c h n i q u e si s , p r o p o s e d s e c o n d ，an o v e ld e s i g nm e t h o df o rn e w - m i e r o s t r i pa n t e n n a s i s p r o p o s e da n dr e s e a r c h e d t h es t u d yi n c l u d e s ：1 ) a ni n n o v a t i v ed e s i g n a n dr e s e a r c hm e t h o df o rm i n i a t u r em u l t i b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a sw i t h c o m b i n a t i o no fu s l o ta n ds h o r t i n g - w a l ll o a d i n gi sp r o p o s e d 2 ) p h y s i c a l m o d e l sa n ds i m u l a t i o no ft h en o v e lm i n i a t u r em u l t i - b a n dm i c r o s t r i p a 珏绝娃魏aa r ea c h i e v e d ；t h ea n t e n n a so p e r a t i o np r i n c i p l e sa r ea n a l y z e da n d i n v e s t i g a t e di nd e p t h t h ea c h i e v e m e n t so fp h y s i c a lm o d e l sa n dp r i n c i p l e a n a l y s i sc a l lb ea p p l i e d 主珏d e s i g na n dr e s e a r c ho f n e w m i c r o s t r i pa n t e n n a s i nt h ef i a t t i r e f i n a l l y , ap r a c t i c a l2 4 g h z 5 2 g h zm i n i a t u r em u l t i - b a n dm i c r o s t r i p a n t e n n ai sd e s i g n e d ，s i m u l a t e da n dt e s t e d ；t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d t e s tv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo fw o r ki nt h et h e w s ap a t e n th a sb e e na p p l i e df o rt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sm e n t i o n e d i nt h et h e s i s k e yw o r d s ：m i n i a t u r e ，m u l t i - b a n d , m i c r o s t r i p a n t e n n a ， o p e r a t i o nm o d e l ，r e s o n a n c ep r i n c i p l e 薹塑嫩叁堡鳖釜受隧匹一一。一。 。 第一章绪论 徽带天线是一种普遍应用手频率离手, i 0 0 m h zc 隔之3 m ) 的夺足谁缩褥通常 由一带肖导体接地板的介质基片生贴加导体薄片组成，现酰卢泛白q 应用予无线电 设备尤其是各季恻、溅化移动终黼中。 在遮一部分中，论文首先回顾微带天线技术发展的历史，微带天线的理论与 模型，褥总结一下现代微带天线小型化和多频段技术的研巍现状，最后引出本论 文豹磷嶷愚路彝主凝内容。 1 1 微带天线历史 晕在1 9 5 3 年德澎f ga ，d e s c h a m p ) 教授裁纛经提出弱禳皴带线静辐射寒裁残 微带微波天线的概念。但是在随厝的近2 0 年照，对此只有些零星的研究。直到 1 9 7 2 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浠要，芒 森r e + m u n s o n ) - 秘凝维尔g q h o w e l l ) 等研究黉剩或了第一批实矮的徽带天线。 随后灏黼上展开了对微带天线的广泛研究和斑沼。1 9 7 9 零在美国豹耨掇强哥艇 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 月母上刊载 了微带天线专辑。鬣此，微带汞线已形成天线领域中的一个专门分支，两本微带 天线专藩龟耱继运熬。可冕，7 8 每健是裳繁天线竣褥突破溪避袋翡瓣熬。在8 e 年代中，微带天线觅论是在理论与应用的深艘和广度上都弑得了进一步的发展。 基于徽带天线舶许多优点，例安睡体积小，重最轻，剖面低，j 溻麸形，易熊成以及 甄戎本簿，镦带天线褥到了广泛熬邋溪，并爨在微波天线这令广阕戆领域墼，构 成了一门具有自己将色的新研究领域。今天遮一新型天线醴经趋于成熟，其应用 也正在与日俱增。 逐年寒，蘧羲移凌逶信鲎务瓣飞速发震，邋着集藏电爨熬衰度集成纯，特副 是通傣专用芯片的出现，通信系绕正逐渐向小氆化发展。- ：辐比之下，o 作为无线通 信必不可少的部件之一的天线却难以做得更小。另外，传统的手机天线多为鞭状 天线，它具有辐射效率抵、不易予携带及电磁辐射对夫盛露较大影镝等缺点，尤 萁在当今手枫s a r 、标准严格的蓊况下_ ，霰磷黼墨新型的天线兼改进箕髂能。徽 带天线可以方便地与移动终端机舟共型，并鼠由于具有单向辐射，可大大减小对 人体头部方向的辐射，因此微带天线在取代许多传统的无线通信天线方蕊引起了 天弱较大夔兴趣。 1 2 微带天线模型与应用 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线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场， 井通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。因此徽带天线也可以作为一种 缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因此它实现了一维小型化， 属于电小天线的一种。 最简单的微带天线型式由在介质基片一面的一块辐射贴片组成，基片的另一 面具有接地平面，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 ：微带天线外形 微带天线最初作为火箭和导弹上的共型全向天线获得了应用。现已应用于大 约1 0 0 m h z - - 1 0 0 g h z 的宽广频域上的大量无线电设备中。特别是在飞行器上和 地面便携设备中。微带天线的特征是比通常的微波天线有更多的物理参数，它们 可以具有任意的几何形状和尺寸。 和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点： 1 体积小，重量轻，低剖面便于与载体共形，并且除了在馈电点处要开 出引线孔之外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。 2 性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可 ：上从边射到端射范 围内调整；易于得到各种极化；特殊设计的微带元还可以在双频或多频 工作。 3 能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了 整机的制作和调试，大大降低了成本。 l 索瓣毫丈学硬圭学靛论文 年口麒他天线相比，它也有一：嘿缺点： 1 程怼带窕鞍窄，主要是潜缀微带天线，装在已经蠢些改进方滚。 2 损耗较大，隧此效率较低，这类似于微带电路，特别时行波徽带天线， 在匹配负载上有较大的损耗。 3 ，擎个徽荣天线粒功率容爨较小。 4 介质基片对性能影响丈。亩于工艺条件的限制，徽麓生产的介藤基片的 均匀性和一歌性还有缺陷。 。3 缴带天线夺燮纯瘸多籁段技术研究瑷状 派年来微带天线技术迅速发媵，微带天线设计上的多样性有可能超过了其他 任蔼一秘天线型式。邀予簧绞豹徽爱天线往锭必套吾势之死熬工接蒂宽，缝褥其 在宽带使用上受到缎大限制。在过去超过2 0 年的时间里，研究者已经发展了数 种用于增加贴片天线带宽的方法。 1 3 。1 爨鬻檄带天线技零 为满足带宽要求，近来有多种微带天线带宽扩展技术和宽带微带天线技术已 经褥到实瑗。一释带突扩展技术锼建l 型探镑续宅实瑗宽频带微带天线，这秘天 线能够得裔3 0 酌鞠对带宽 1 1 1 2 1 ，而传统的探针馈电微带天线仅有不足l o 的 相对带宽【3 】。在缝隙加载的情况下，相对阻抗带宽可以达到对应的传统微带天 线带宽秘2 3 倍【4 】。通过设计微带天线的外部优化匹配网络，带宽也可以得到扩 展。躐，l 、擞荣天线瓣菇覆霾数逡楚增大天线隰抗带宽夔一秘鸯效方法。袋熊蓊述 各种加载手段，探针馈电的厚介质微带天线能够得到超过3 0 3 的相对带宽 5 】。 1 3 。2 徽豢天线多毅段技术 除宽带天线显示出的重要憷之外，近年来对多频段天线的需求也程不断增 长。程理想的3 g 系统普遍建立之前，多频段天线需要具有应需要在2 g 和3 g 瓣终之鬻切换豹麓力。因蘧，羲癸设诗篷覆盏现有弱瑟未来熬蜂窝逶绩频段懿多 频段天线；同时，备种制式的通信设备要求能够覆盖非蜂窝通信频段的必线。内 置式微带天线已经w 以工作在a m p s 8 0 0 ( 8 2 4 - 8 9 4 m h z ) ，g s m 9 0 0 ( 8 8 0 - 9 6 0 m h z ) ， 帮g s m l 9 0 0 ( 1 8 5 0 - 1 9 9 0 m h z ) 戆多个频段上【6 】。瑰有多频段徽穆天线链够实理双 频比终为2 8 2 - 2 2 3 鹃双频段工作 7 】；上邀纪9 0 年代，平蕊缁f 天线0 n 。a ) e 经 北京邮电大学硕士学靛论文 能够程g s m 和d c s l 8 0 0 系统上实现双频段工作【8 】。 1 3 3 微带天线小型化技术 7 0 年代，微带天线的出现，将天线的传统三维结构变成了二维结构，实现 了一维小型化，这可以看作是天线小型化的一个新突破、新发展。无线通信设备 黟，l 、型化趋势要求邀一步绩蠢、微带天线靛只寸，徽带天线静奎型凭硬究逡灏残先 为国鞴上研究的一个新热点。采厢电阻加载酶小型纯微带天线尺寸不超过6 0 m m 9 0 r a m 9 】；短路探针加载技术可以使微带天线尺寸缩减到2 0 m m 3 0 m m 1 0 】， 接地瑟上开槽( 缝) 的圆形贴片天线直径可缩城为2 0 m i n e l l l 。 1 4 论文主要研究内容 狂禁些逶信场合，嚣震懿频段缀繇，爨热低于1 g h z ，畜嚣豢系只毒 4 0 0 5 0 0 m h z ，此时传统的半波长微带天线尺寸偏大。为此必须采用一定措施进 一步减小微带天线的尺寸。现代移动通信要求天线能具有多频段( 或宽频带) 工 作的能力。设计出实用躲小型化、多频度微带天线已经成为一个追切的凝求。研 究窥设计注麓往良戆小垂讫多籁羧徽带天线楚本论文酶圭瑟王于# 。 论文主体部分包括3 个部分，第一部分包括论文的第二二章。这部分猩介绍了 微带天线基本理论模型的基礁上，讨论了微繁天线瓣分楞方法。 论文第二部分由第三章和第四章组成。这部分主要讨论和研究小型化多频段 微带天线。这部分在讨沦现有的微带天线的小测化、多频段以及带宽展宽技术的 目辩，装重磅究了彀撬热载襄缝羧热载型式实域双菝段徽天线夔技术，提出了 以多种技术综合实掰实现小型化多频段微带天线的研究思路。 论文第三部分包括第五章秘第六章。在这部分中，论文提出了一种具有创耨 蛙赘徽磐天线懿竣谤患路嚣方法，荠班建隽蘩稿设诗了一静颜鍪，l 、壅强多频段鬣 带天线；建立了此型无线的物理模型并对其进行了综合性的仿真优化和分析，推 导和验证了此型天线的谐振原理；最终通过设计了一种实用的2 4 g h z 5 2 g h z 小型化被频段微带天线进行仿真秘测试，磅究霉鲑验涯了赝掇滋豹具有刨毅性匏设 计思路的可行性帮合理性。 第七章对全文避行了总结，归纳了本论文的主要贡献，提出了论文的不足指 出，并对，j 、型纯多频段镦蒂天线鹣溪究俘了送一步懿震望。 4 第二章微带天线研究背景 2 。l 擞带天线寨义与搂壁 结构最简单的微带天线是内贴在带有金属接地板的介质基片上的辐射贴片 所构成的，贴片导体通常是铜城众，它可以取任意形状。德是，通常可以使用常 囊懿形状滋楚诬势掇襄羲蘩其豫巍。徽豢天线荜元或徽磐必绫阵列其缭梅逶豢罄 比较简单，但是其电磁场的分析却很复杂。一方面，徽带哭线的品质鞠毅很高， 使得较难得到精确的阻抗特性；并且，介质的各向异性、加载、损耗、袭面波效 斑等影嫡也较严熏。贯一方瑟，徽带天线的a 俺缝掬也楚多释多样，魁撬不圃缒 鼯笄形狭、後电方法、潋及寄擞荜元或层叠孳苑豹应用，熬蔼馈电网络与有源线 路的熊成等。 嚣2 1 艨忝蔻一耱典型熬镦黎憝片天线耱筏图。 2 1 1常见微带天线型式 玛2 - l ：一种葵委酶教带船片天残 徽带天线褶姥传统微波天线精大量的物溅参数来表糍。基车主所有船微带天 线都能够被分为四种基本类型；微带贴片天线，微带偶极予天线，印刷缝隙天线， 微带弦波天线。 1 微带贴片夭线：微带贴片天线由一块位于背面有接地平面的介质基片正 面的任意平丽结构贴片所构成。事实上有无数种可以计算其辐射特性韵 贴嚣型式可以采餍。 j 寰郏呶太学疆土学链谂文 2 ，徽带偶极子天线i “微磺爨援毛天线燕凡惯转形上区别乎矩形微豢然冀天 线的地方是其长宽比。偶极子的宽度一般小于0 0 5 。微带偶极子适合于 羹蠢懿频率应愆，因为其胃渡使臻簿贫联蓥霖霉读漱赛；| ；黼岁，争 3 微带缝隙天线：微带缝隙天线包括一条由微带线馈电的接地面上的缝隙 缀成。缝隙可戳采用矩形( 宽或者窄) ，蕊形或者环形。 4 _ 徽带行波天线：截带褥波天线一般由链状周期性结鞫的导体或者普通的 t e m 传输线构成，此类由微带结构的传输线实际上也支持t e 模的存在。 敷巍黄埝线瓣寒溃接匹配受蔽鞋避免波豹疫惑在天线上形成驻波：缀豢 行波天线能够设计产生从边射到端射的各种辐射方向图。 2 2 微带天线的分析方法 天线分板蛉基本阉题是求解天线在熙圈空闻建立鲍泡磁场，求怒电磁场后， 进而得出奠方向图、增益和输入阻抗等特设指标。分析微带天线的基本理论大致 可滋分荛三类。最早凄褒戆氆是最麓擎豹怒传辕线模型( t l m - - t r a n s m i s s i o nl i n e m o d e l ) 理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空胶模型( c m - - c a v i t ym o d e l ) 理论，可弼予各种窥噩f j 嚣告片，但是蒸奉上限于天线厚度遁远，j 、于渡长翡情况。最 严格而计算最复杂的是全波( f w f u l lw a v e ) 理论，全波分析中常常需要使用到 各种数值方法。从原理上来说，全波理论可用于各种结构、任意厚度的微带天线， 然露要受到 算模型嬲精度秘投对豹限制。鼓数攀处理上看，第一静理论援徽豢 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二维边值的问题的求 解；第三耱理论又述了一步，可敬蠢久三缭魏交纯，不适计算氇费霹豹多。巍然， 这三种理论仍在不断的在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。 基予对全液理论中积分方程法的简化，产生了格稀函数法( g f a - - - g r e e n f u n c t i o n a p p r o a c h ) ；两出空腔模型的扩展，媸现了多端魁络法( m n a m u l t i p o f tn e t w o r k a p p r o a c h ) ，等。 2 2 + 1传输线模型理论 这是一种最简单而又适合某些工程应用的模型。该模型将矩形贴片微带天线 看成为场浴横淘没有变化的传输线谮振器。场沿级商莹驻波交往，籀薨芎= 主羹菩异 路端处的边缘场产生。传输线模型理论的优点是方法简明，计算量少，物理直观 性礅。但其也有缺点： 1 只能用于矩形徽带天线及徽带振子，对其它形式的微带天线则不适用。 魏索郯魄大学矮女学位i 仑文 2 ，传输线模型一般是一维鹃，两实验寝鞠，阻抗蔻线与馈电点瀚= 缀位置 谢关，当馈电点由边缘向中心移动时，黻抗的不对称逐渐显装，并向电 感医收缩。这释计算镯实溺酌差异，源予话输线本葳鹃缺陷。 2 2 2空胶模型理论 空脏模型。罗远菠( y t l o ) 等在1 9 7 9 年提出了空腔模型理论a 该理论基于 薄徽带天线懿骰设，稀将锾带羹占片与羧遗羧之鬻酶空阕餐袋麓滔竭淹磁餐，上下 为电礁的谐振空胶。天线辐射场由窳腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可 裰撼肉场弱帮竣源边器条俘采求褥。菠模毽论慧辩祷输线法熊发震，它龌旋罐予 范邈更广懿徽带天线，著显出予诗及了赢次摸，趿_ l 毙算褥鲶嫩蔽基线较壤，虽计 算量不大，比较适合工程设计的需蕊。尽管如此，这种方法也有其缺点： 1 在腔模遂论中，认为空验肉场是二维醋数，这猩薄熬片是合瑷瀚，对于 簿基嚣瓣将葶 入误差。 2 + 赫本的腔模理论同样隳经过修正，刁能得到较为精确的结果，特别是边 爨导纳懿g 入，把麓巍钤瓣瞧磁瘸遐分器成独立豹懑怒，理论上跫严格， 傻边界导纳豹确定较为围鼹，计算只能近似。 2 2 3垒波理论 金没方法是粳黯予准静态方法寒说兹，氏楚琢理上不 絮遥钕鳇毫磁璐分毫蜃方 法都可称为全波方法。全波分析可以简单地理解为全波数值分析，其中主嚣属于 频域技术的鸯眼元法、矩量法等；鼹予对域技术豹鼓域有限慧分法、传筑线矩薛 法帮时域积分方程法棼；以及羼予离频技术筑几傅绕射瑷论聋日复射线法等；一般 称为电磁场静数氇方法。 2 。3 本意夺缮 本章讨论了徽带天线的模烈及常见的微带天线型式，并总结了现有的微带天 线分辑方法。瑗今露爝麓徽警天线一般都楚囊遮整露见徽豢天线型式发鼹嚣| i 来； 而论文在接下来的工佟中也将采用上述的一些徽带天线的分橱方法对徽带天线 技术避行深入研究。 l 豪郏彀大学硬士学位论文 第三章徽带天线的小型化与多频段及带宽展宽技术研究 现代无线通信技术的发袋方商怼通信系统的| j 趋小蹩纯筹辩高度集成讫。天线 作为收发终端的必备部 牛，希望能以尽可能小的尺寸来达到同样的王作性能。事 实上，通过各种德径缩减贴片所占面积以成为实现微带天线小型化酌目标，也是 近黻国疼夕 器突关注盼蕤浍。现莰移凑逶绥要求设餐能够工佟在秀令或覆拿鞋上 的频段，以微带天线实现多频段工作，对于设备尤其是手持终端有着非常重要的 意义。露辩，魂代移动通信对天线带宽的要求越来越大，宽带、超宽带( 糯园) 天线已经成为天线研究的热点。低剖面的多频段宽频带微带天线己缀成为发展， 3 1 微带天线小型化技术 镞豢天线小挺鬟：技术主要包撂李孝糕_ 摹羹缝穆上豹藜登技术。 3 。1 1 采掰毫奔毫麓熬 喾辩熬鏊枣| 一般矩形徽带天线熊谐搬频率可以莆下式来表示： ，：七 h 2 l s e ( 3 1 ) 式中c 为光遮，三为楚冀瓣等效长度，疋为有效奔奄豢鼗。天线涎谐掇频率 固怒时，尺寸与成反比，介电常数变大，天线的尺寸将减小。基于此原理，天线 足寸可戳簿虱缩减。毽是，鸯予，余逛常数越齑天线带窝越窄，盈激励出较强的 表面波，袭面损耗增大使天线增益随e 的增大而减小，从而限制了高介电常数材 科的应用范围。研究发现，通过覆盖适当厚度的更高介电常数材料或者采尉寄生 贴片可提窝天线增益，但这又会增大体积翻造馀。 3 1 2 采用短路探喾 如载天线 孚杰8 0 年代裙秘，短路搽嚣裁被溪采诿潢天线；蓦缀菝率。涯凡每疆究发瑗， 采用同轴探针馈电时，蒋附加短路探针并靠近馈电探针时，可以在很大程度上减 小惩片尺寸。其繇疆是翻甭短路探释和同鞠馈毫探锌之闷形成强藕合，等效于一 个电容加载，进行阻抗补偿，使得在低于谐振频率位置达到阻抗匹配。但是这样 做有一个很大的缺点，就是短路探针和馈电探针之间距离很近，对输入阻抗的特 8 一 性影响j # 常敏感，不荔箱工襄调试；另外j ，遮秘必线懿黻抗带宽非常窄，髓币传 统的矩形微带贴持天线，在许多场并不使用。增大阻抗带宽的一种途径魑将短 路探针替换成电阻热载或电容拥载，或者结合两种黼载努式；图3 - 1 掰示为常觅 羲您嵇避辍热载徽喾天线。这榉镟溪黉显壤夫带赛，毽溺辩x 港丈了欧姆援耗， 降低了天线效率。 蓐3 - 1 ：誉风她电融加戏微母天线擞武；8 ) 矩彤站麓：f b ) 鳗彤髂嚣；e ，三攒移站冀( i 自参考2 碱1 1 2 1 ) 3 , 1 3 歼糟( 开缝) 微带胃占片天线 在式f 3 ，1 ) 诗葵矩形微带天线谐振频率憋公式中；。z 必贴片麴等效长度。可以 看出，增大三可戳降低天线谐振频率。徽带天线酌表面嘏流分布直接依赖鼍毫贻片 的几何结槐，通过谯贴肟表露拜槽或改变贴片边缘的形状引入的扰动键电流曲折 绕稳丽肖效路径炎长，蕊占片谐振频察降低，只蘩槽静位嚣处予电流分稚滔潞处。 蠢予稽缓搴，可叛被搂羧烫茬戆冀中援天懿。凳辍薄横爨磁麓。在豫诞麓筲实嚣 尺寸不变的情况下增犬有效长艘，进行开槽威开缝是一种e e 鞍有效的方法。但是 这晕争类型的天线与结稳骞缀丈麴关系，阻揍珏熬与调试潮难。藜3 - 2 掰示为一蘩 双鬏微謦然片天线，熬篾表藿鹣平露缝蒎蜜瑗天线戆套整纯及多频段工佟。 o 5 i n m 躅3 - 2 ；一种开稽微带黠片天绒 j 自参考文献f 1 3 】) 3 1 4 有滚加载徽谮贴片天线 有源加载微带贴片天线通过在天线输入端口加载有源器糌实现低频端阻抗 延栽，露懿其毒敖丈珐鼹。一般寒谈，缩夺无源天线豹足寸一龛导致辐射毫隧残 小，效率降低。有源加载天线可以利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补 峦予天线必寸缩藏雩l 起瀚增益指标下降。有源天线其有豹良好特性表现在： 1 王作频带宽。利瑗有滚霹络的商输瀣阻抗，低输入阻抗，天线带竞蹭大； 2 增蓣高( 珂达l o d b 以上) ； 3 便于实现阻抗隧配； 4 易蜜整天线方如图，惫援主波募方起，波瓣宽发，蘸瑟辐射魄懿耄控 s 具有单元间弱耦合的潜在性熊。 但是有源天线需要另加供电电路和有源器件，且需要考虑噪声及非线性失真 舞髦。 i 享蘸蛩擘】学j ：_ ：秽亨雾翘零擞学譬糁譬 蠹译电黪警蓼：5 哆擞誊譬与无 褥必线相醛接，免毒了用于阻婊匹配髀四分之波靛尊输咎! 遇警有褥加挚! 天线 在中心频奉1 7 6 0 酒z 附近祷韵1 6 4 奴h z 爵阻抗静宽：( 拔惩 苔捧欲s 2 定义) 。 p o r t2 璃3 - 3 ：骞港加蔽微帮黠片天践；( 8 ) 天残， 型；b ) 加簸电路搪构载鸯拳考更靛瑟越) 3 2 微带天线的多频段技术 本论文对徽带天线多频段技术的研究生骚集中在微带天线豹双频段技术上， 由于其他多频段技术可以视作双频段技术的一种推广，故双频段技术w 以作为多 频段技术碍 究的熬础帮出发点。本节将集书讨论几静常耀匏微嫠天线鼹额段技 来。 3 0 1在单一贴片上实瑗多榭多凝z 作 ：以矩形菇笄徽带关线为侧，使微带天线生作手双频段最筒单的方式趸利用矩 形贴蛉两个正交方向卜的级低阶谐振揍工作，1 m 瑚和t m 。这种情况的双频 比大教饕于贴片纵横蕊边鲍比例。这种方式的躯显局限是鼹令不同频攀土激励起 酶是两个正交的极化。 浚童瞻方浚播述静楚黢模必线孛豹类菠突模式载猿辩籍天我，其特薤是嚣 ? 熙嚣令极纯正交熬谶攘摸。这可叛攘广至强意黩冀形获，哭鼗这秽形状黥提供嚣 个交叉檄化的谐振模藏。这类天线的一个令人感兴趣的特性题它能l ! ；l 单一韵馈电 结构同时匹配鼹个谐振频率下的输入阻挠，结槐较其毽诸摇艇载或誊多屡缝擒较 为简单，在工艺土秘造价上煎有键势。 为实现微带贴片灭线上的芷交模式，一般多在天线馈电结构上作调整，改变 夭线表嚣懿毫溅分鸯，麸覆激发鼹突戆i 骞缀搂式，常瑙瓣方法富委嚣下； l 。绱置熬鬻轴镄电；这一镄泡结稳麓雳擎个嚣麓馕魄突现，弱轴线馕点置 于氨占片的两条阻抗践配轴纳交点。如文献【1 5 1 中证明，这种镄电方式下 麓性能簌嚣醚程发释带爨上都死警等溜予两一黏嚣肇独澄两条菠交静莲 鼯圭轴馕电黪媾嚣。这榉爵剩爆熟鳆羽搽壤馈泡设诗公式。般浓说摇 同极化的双频结构柱匹配糨度上要比芷定极化的双频结构差。图3 4 是 一秘典型麴慕矮偏鬟囊皴後邀实珑燕交模式或颡王馋的矩形徽繁然冀天 线：当阍轴馈电位于a 点对，仅激发t m ，。模；当两轴馈电健于b 点时， 仅激发t m 。；甭弱糨馈魄位置移韵至c 点是，t m ，。与弧。麓时褥戮 激发，实现双频工作。 璃3 - 4 ：采两镶篮爨耱绩电斡难受攒菇赋藩鳐移徽带鼯舞天线 引鸯参考建献l l 翻) 2 。缝隙藕合馕敷：。擎缓嚷双甄配可眭囊缝敷藕合塞_ 鬻_ 剿，一藕合疆攘瓣予微 带馈线倾斜角度。所需的穰长釉顿斜嬉可褥檎分舅b 投影戮蕊个鞭交方 |fwi上 向上近似求得。两个投影可以看作怒激励两个不阿极化的两条等效槽。 槽的倾斜角度可根据对暇配段引入的误差补偿来加以调整，匹配段是只 对一个频攀设诗静四分乏一波长匹配传输线。 3 双绩电：藏交髓模式胃戳蘑不司静单独激励产生。一令典型的矩形站黄 能通过两个同轴馈电端阳激励起两个模式。基予拣样的设计，两个正交 端口能够获褥交大的掰离度。 3 2 2 采用电抗加载方式实现双颧王作 电抗趣载徽带必线由单一骢辐射单元磁梭成，热我方炎可以采鹰将阏轴短路 或微带短路接予皴持的辐射透缘豹结梅来实瑗双频段王 乍特性，遣可我翼占与箍射 的边缘上按入延伸躐者在贴片上开槽，缝实现双频特性；嬲外采用多层照叠结构 也能嶷飘性能优良的双频微带贴片天线。 1 短路结构鬟现t 在赔嚣郛接地面间翔入短路探针寐改变孙直i 。躐高孜模 的谐振频率。在各种形状的微带贴片天线上加载短路探针。榷高次模的 电流分布照现最小值皴趣短路针，熊弓 起该模式潢振频率的强烈扰动， 琵孙毛。模乎保持不受影璃【l 爨。这样，璜翔短路锌鹣鼗垂，磷戳获褥较 大的双频比。其缺点魑赡扰后的高次模的辐射方向图被假侧瓣所影响。 同时由于嘏抗性加载使得微带天线q 值增大，造成天线阻抗带宽降低。 隽菇弱耄抗瞧秀羹载对天线王终豢宽懿影嫡，基予瓣鼹终竣器黧设计窭了 一系列加载型式，如锌彤二极管、小型电阻( 阻德般低于l f l ) 被用来 取代短路探钟，则能够获得较大的阻抗带宽：在贴片与接地面之何引入 集总参数嘏容也能够获褥较大的阻挠带宽，同时巍够获得较大灼双频比。 1 w 划| 1“了p 1 d p n r i i q _ ? 卜l l i ：p r o b e f e e d 、 、- i j 、 ，h 矗 1 3 。 ( b ) 为3 - 5 a ) 短路探钎而载矩髫微带黠片天践it b ) 天绒回波强耗躅；引囱参考文献l 绚) 2 + 贴片辐射边沿接入延伸妓开槽缝实现：获得双频性能最简单的搜米是在 魏冀兹一条辐嚣透主臻延 宰豪，这样襁当于孳l 入了激黎第二令谤羲藏 率薪薷的话振长羞l 勇二辑方基是在菇片上翔稽7 疆，描建的墒栽弓j 起了 矩形贴片谐振模式的强烈改变，从丽激发另。个谐辗狮率。图3 - 6 为一 h 耱跛数条平褥攫隧热载实瑗双频芏佟鹣徽豢黏隽哭线。 图3 - 6 ：缝隙加栽的双频微带贴片天践( i l 白参考交献【l 刀) 3 。采矮多豢豢叠菇冀实甏多装段工俘；瑶淤震强影，臻形，矩形耱三建影 等各种形状的贴片。多鼷重叠贴片微带天线的馈电方式一般有两种；第 一种方式魑下层贴片适用传统方式馈电，上层贴片通过与下层贴片的耦 会馈电。必避受上层继麓谐振熬溪炎，嚣令筵冀必专鍪矮接逡，强蘧只 一 ，1wl 能获得近予l 的双频比。第二种方式是采用对上艨贴片直接采用同轴线 馈电。这种情况下，间轴线穿过下艨贴片上开的个孔。再连接到上层 赔冀。这秘结梅在设计涎个频率熬爨佳匹配对撼供了又一自巍发( 魏簸 半径) ，转整裙对于上黏片电磁藕含静那种结稳胃有更大的戏凝毙范磊。 与两个相飘独立的贴片的谐振频翠相比，上层贴片( 小) 的谐振频率升 高，面下鼷i i 占片( 大) 的谐振额翠降低。文献f l s 】提出了一种屡叠结构 豹毫交搬健双频镞繁麓麓天线各瑟瓣详缨结稳。 圈3 - 7 ：腰叠结构双频段圆极化微带站j 天线 估髯； 2 瓦i ( 4 - 3 ) 通过以上式( 4 3 ) 与式( 4 2 ) 的比较可以报明显的看到瓶路带对天线尺寸的缩 减作嬲：礁露上工作瘊奉z 下，典型p i f a 的泡长度毛赢比普通矩形贴隽微带夭 线秘电长度互缩减5 0 跖。 作为一种实用的p i f a ：, 如图4 - 2 所示，= 1 设其长度( x - 轴方向) 为五，宽度 ( y 一辘方寇) 为妒，垂壹方是激鼹带宽度( y 一辕方囊) 必s ，粼其谴摄频率霹 戳角下式计算； z2 砸高赢( 4 4 ) 由式( 4 4 ) 与式( 4 ，2 ) 相比较，可见图4 - 2 所示p i f a 饼采用的“不完众接地” 方式可以使得天线尺寸进一步减小。天线尺寸镳减最大的惨凝出现在短路结构位 子站片静一角，娶s 寸0 ，邵撵钟垄式短鼹鹣情况下。依据对蟊| 辱。5 及翻4 能 分析，淡似的，此时天线的谐振频率可以用式( 4 5 ) 计算； 0 ：，2 4 ( l + i v ) 此时天线的电长度褥劐最大程度的缀减。 4 2u 形槽( u - s l o t ) 加载舞现徽带天线双频段正作的研究 秘5 ) 缝熬熬蓑茬第三章露第霆拳窜帮寿挺及。苓溺类鍪憝缝歉翻载嚣浚蜜臻镦鬻 一2 4 天线的小型化、双频段工作或者宽频带工体 本节中主要讨论使用u 形槽( u - s l o t ) 加载实现微带天线淑频段工作的方法，同时利用到u 形槽对微带天线带宽的展 竟 乍惩。 4 2 1 利用u 形糟爽现天线多绷段z 作 u 澎疆撩载蠢缀痰戈实瑗徽豢天线多羧毅王终夔耋饔孚段之一，文献瞄】黠 u 澎槽加载豹徽带必线各种特性作了详细的研究，主警钟对的是u 澎稽加载实 现多频段工作( 在龋一天线上构造出4 个谐搬频率) 和展宽工作频带的研究。其 中所采爆的v 形檬热载微带贴砖天线郯匿4 - 7 赝零： 嚣 尊：u 移疆如裁斡多频段援肇黯麓天残f 瓤巍参考文簸珏4 】 图4 7 所示天线的四个谐振频率如式( 4 ，6 ) ( 4 9 ) ； _ 习疆西丽 c ( 4 6 ) 砖鼍话万蔷丽 h 乃 东38 可荪丽两： c 磐譬 如4 面历露硪毒高两i ( 4 9 ) 可以明显的看劐，式( 4 6 ) 寝示豹是由u 形稽弓 入鹩 冁频率，郄沿u 澎槽流 动的电流产生的谐振频率；武( 4 7 ) 表零的是鼹二分之波长贴片的谐振频率在 加入u 澎槽后受到影响的绒果。遮两个谐振频率的来源比较明显，所形成的工 终频段也摆对巍害有鬟鳋夔搿谡整性。 豹0 砖耱瑟形猿魏载徽豢熬驽天线麓交璧 1 半u 形稽徽带援鑫片天线：魏嶷天线稻当予麸u 形稽对称辅将天线一分为 二，使用一半尺寸的天线，面其性能与来分割浆的整个天线类似。如睡 4 - 8 所永； 躅4 - 8 ：辛u 彤籍徽带髂片天线 莉自参考* t 陵1 2 5 ) 2 双u 形稽锾带貉嚣天线：魏类天线采霜掰条对称鲍u 形稽辩菇片进行麴 载。商轴馈电位置在蕊条u 形槽之间的贴片对称轴上。如嘲4 - 9 ； 4 3 本章小节 圈4 姆：敝 j 形槽微带站片天践( 引自参考文献1 2 6 1 ) 本肇讨论襄研究了嚣秘徽带天线上豢趸熬趣载方式：短路带据载帮u 形接 加蔑。 短路带加载的典溅型式是四分之波长天线，其长度可以削减为普通微带天线 震予= 分之滚长天线) 豹一半。出箕镄毫秀蔽夔蚕嚣可戳势为p i l a 释p i f a 两种燮溅。 u 形槽加载型式w 以实现微捞天线的多频段工作 f 司时根据第三章3 2 2 小 繁，u 形稽翔载事炙主也是一耱徽带天线荣爨涎宽技寒。教存在使溪u 形槽妻拜 载手段嶷现多频段宽频带微带天线的可能。 短路港加载与u 澎槽热载是黼秘处于两个置糕垂直的乎疆土静加载技术， 这样藏褥供了一释可辘性；两种禳虢方式可敬滋合使瘸鞋安糯小墼豫多叛段徽带 天线。 第五章使用u 形槽与短路带联合加载实现小型化双频段 微带贴片天线的研究 论文第四章中讨论了u 形檎与短路带两种加载方式溆现微带天线小型化或 多频段工作的各种情况，在本章中将试图将两种方法结合起来实现一类小型化微 荣贻片天线。 5 1u 形槽与短路带( 短路探针) 联台加载技术在微带天线上的应用 u 形穰与短辫渗( 短路搽针) 两秘秀瑟载技本都已经袋为徽带天线绷竣静重要 ”|，一 技术，将这两种手段结合使用的不乏先例。文献 2 7 1 5 i ju 形槽与短路带加载技术 的结合进行了全面的研究，提出了数种实用的天线型式。 5 1 。1 u 形槽与短黯探针联合如载 短路探针加载在带有u 形檬的微带赔片天线上的位鼹主要有两种：一种是 位予u 形穰瓣中轴线上，( 翔鹜6 ，l 掰示) ；努一秘是霞予矩形魏片懿一强。 这里需要特别提出的是：文献【2 7 】指出，当短路探针与馈电点同处于u 形槽 鲍中轴线上时，两氍必须分居予u 形槽横向溜分的两边，并处于矩形贴片中辘 线麓辨边，否鄹天线不麓正霉互彳乍。类议静可疆攀产到键愆其德建予u 形稽对 称轴上的短路结构( s h o r t i n g s t r u c t u r e ) 加载的情形。这一法则在现有绝大多数u 形槽与短路带( 短路探针) 技术联合加载的微带贴片天线中部受到采纳。 强5 - 1 所示为种同时实爝u 形禧与短路探钎技术龆载的微带辩冀天线。如 前所谶，短路探针与馈电点分居于u 形槽横向部分的两边，并处于矩形贴片中 轴线的两边。 困5 - l ：u 形槽与短路探针联合加载的微带贴片天线( 引自文献【2 7 】) 5 1 2u 形槽与短路带联合加载 短路带加载应用于u 形槽微带贴片天线上的位置一般是贴片天线的两条辐 射边沿中的一条。文献 2 7 】提出并分析了u 形槽与短路带联合加载的微带贴片天 线型式，其加载位置遵循上一小节提到过的原文献中提出的法则。如图5 - 2 所示。 事实上短路带的长度并非限定与天线的宽度形相等；可以使用长度较短的 短路带结构，构成不完全短路结构，可以进一步缩减天线尺寸。 s h or t i n gw a l l 图5 - 2 ：u 形槽与短路带联合加我的微带贴片天线( 引由文献1 2 7 】) s 。2 对0 形横与鬣鼯带( 短路探针) 联念热载技术浚避墅酶设计 前节挺蓟文献 2 7 】指出s h o r t i n g - s t r u c t u r e 加戢在u 形槽徽带黏片天线时其加 ： 载位置需要遵缀的趣则；本繁壤对这一规则的适爆性 乍探讨秘研究，并提出一种 不遵循这种规则的u 形槽与短路带( 短路探针) + 联合加载技术改进型。 s 0 1改进型天线的基本型 本小节将通过对一种改进型天线的研究来撵讨前述s h o r t i n g - s t r u c t u r e 加载规 翔豹适用经。改进整天线掰彩翔黉5 3 掰示： ( 矗) b ) ( c ) 图5 3 ：改进型天线外形图：( a ) 上视图；( b ) 前视图；( c ) 侧视图 改进型u 形槽与短路带( 短路探针) 联合加载微带贴片天线如图5 - 3 所示。 图中1 所示结构为贴片，一般使用印制电路版技术制成；2 所示结构为接地面； 3 所示结构为常规u 形槽；4 所示结构为垂直方向的短路带，以金属导体片为材 料，厚度很薄，其上下两端分别与贴片、接地面相联接；5 所示为同轴馈电点 ( f e e d ) ；5 1 ，5 2 分别为馈电用同轴接头或同轴电缆的内导体和外导体，内导体 穿过接地面及介质基片与贴片相联接，外导体与接地面相联接i6 l 为介质基片， 通常厚度不超过0 5 r a m ；6 2 为空气介质，是作为此型微带天线介质的主要部分； 7 为绝缘填充物，填充于同轴接头电缆内导体与接地面之间起到绝缘作用。 贴片长度为三，宽度矽，短路带宽度为m ，u 形槽与短路带位于贴片的长 轴中线上，且均以此中线为对称轴呈左右对称。u 形槽横向部分宽巩，缝宽j ； 纵向部分长丘，缝宽，；s l o t 纵向部分末端与贴片底端的垂直距离为也。同轴馈 电点( f e e d ) 位茕位于矩形贴片长轴中线上，位置为( 以，艺) ，一般以馈电点至 贴片底端的垂直距离办表征其位置。 可以看出，图5 3 所示的改进型u 形槽与短路带( 短路探针) 联合加载微带 贴片天线在加载结构上并末遵循文献【2 7 】提出的规则，其短路带与馈电点位于u 形槽横向部分的同侧，并且同时位于以横向中线为划分的贴片下半部分。 嘉藏辩逛大学壤学爱埝文 s ，2 2改进型天线翡设计思路 基予前述微带天线的辐射原理，改进型天线的设计弼的怒设计一类小型化双 频段微带天线，频率比大于2 ：1 ，。疑两谐振频率上辐射正交。 1 天线小型化的实现：天线约，j 、型他主要囊匿5 - 3 中终梅4 ( 短路带) 实现。 由第三章3 1 节3 1 2 小节中提出的微带天线小型化理论，在微带天线贴 靖与谈缝嚣之阕麓鼗短路绦橡