微带天线的报告.doc

微带天线的综述卢宁摘要：移动通信技术的迅速发展和应用，有力地推动了现代通信天线向小型化、多功能(多频段、多极化和多用途)的方向发展，设计小型化多功能天线已成为当前天线界研究的重点。微带天线以其体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，易于制造，成本低，易于与有源器件和电路集成为单一的模件，便于实现圆极化、双极化和双频段等优点得到日益广泛的关注和应用。本文详细介绍了关于微带天线的基础知识。1 微带天线的辐射机理微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。以图1.1所示的矩形微带贴片天线为例，可以简单说明其辐射机理。图1.1 微带天线辐射机理示意图矩形微带贴片天线由介质基片、在基片上面的矩形导电贴片(辐射器)和基片下面的接地板构成。假定电场沿微带贴片的宽度与厚度方向没有变化，则辐射贴片上的电场仅沿贴片长度(/2)方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为/2，所以，法向分量反相，由它们产生的远场区在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以，贴片可表示为相距/2、同相激励并向接地板以上半空间辐射的两个缝隙。微带天线的辐射场是由各种假定的电流及其沿天线结构的分布得来的。为了求解微带天线辐射场中的远场值(方向图等)，必须知道贴片表面精确的电流分布。如果介质材料各向同性、均匀且无损耗，微带导体和地板导体的电导率为无限大，则面电流和面磁流可以分别用切向电场和切向磁场表示为:式中:-面法向单位矢量图1.2就是微带天线辐射边沿的场态和电流密度分布(侧面图)。由图中可以清晰地看出，微带天线的向外辐射是由边缘缝隙实现的。实际应用中，为简单起见，可以认为贴片单元上、下表面的面电流和面磁流相同。然后，就可以使用位函数由面电流和面磁流求解辐射场。图1.2 微带天线辐射边沿场态和电流密度(侧面图)假定只有电流存在，则微带天线外部任意点的电场和磁场为:式中： -介质的介电常数，F/m -磁导率，H/m -角频率，rad/s上标e表示由电流产生的场，磁矢量位函数:式中:-自由空间波数，-距离原点为日的点上的面电流密度，同理，使用电矢量位函数F，磁流产生的场为:上标m表示磁流产生的场，电矢量位函数F为:式中:-距离原点为的点上的面磁流密度，为简单起见，所有场和电流的时间因子均略去。总场为:电矢量位函数F和磁矢量位函数A都是下列波动方程的解:在远场中，有意义的场分量只是相对于传播方向的横向分量。只考虑电流时，式可以写为:而在自由空间中只考虑磁流时，式可以写为:式中:-自由空间波阻抗，2 微带天线分类微带天线的特征之一就是相对于普通的微波天线有更多的物理参数，可以有任意的几何形状和尺寸。微带天线可以分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。2.1微带贴片天线微带贴片天线 (Microstrip paste Antenna，MPA)由介质基片、在基片一面上形状任意的导电金属贴片和基片另一面的接地板构成。实际上，能计算辐射特性的贴片图形是有限的(仅限于矩形、三角形、圆形和五角形等几种图形)。而另外几种可能的形状如图2.1所示。图2.1微带贴片天线其它可能几何图形2.2微带行波天线微带行波天线 (MicrostriP Traveling-wave Antenna，MTA)由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片另一面上的接地板组成。原则上，任何一个TEM波传输体都可以改造成一个行波天线。对微带线而言，TEM波传输线天线分为两种:微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。通常驻波天线为边射，而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。因此，当波瓣指向边射方向时，行波天线就成为驻波天线。微带行波天线一般为周期性结构，可预先计算其辐射特性。同其它行波天线一样，可以用频率来控制主辐射方向。图2.2 微带行波天线2.3微带缝隙天线微带缝隙天线 (Microstrip Slot Antenna，MSA)由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。其概念是由带状线缝隙天线发展而来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。带状线缝隙天线的研究和应用都已比较成熟，但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。图2.3 微带缝隙天线MSA的优点是能产生双向或者单向方向图。在微带天线的设计中，采用贴片和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。沿着微带馈线一边排列的导带和缝隙的组合可以产生圆极化辐射场。微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。3微带天线的激励方法大多数微带天线在介质基片的一面上有辐射贴片，因此多采用微带馈电或同轴线馈电。因为天线输入阻抗通常不等于50传输线阻抗，所以需要匹配。匹配需要恰当选择馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。图3.1 馈电模拟3.1微带馈电微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电。馈电点的位置将决定激励出哪种模式。如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹配。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之改变，进而使馈线和天线之间的藕合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变，可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。对于微带馈电，如图3.1（a）所示，利用惠更斯原理可以把馈源模拟成贴在磁壁上沿特定方向的电流带。在薄的微带线中，除了馈线的极邻近区域外，在贴片边界上的任何地方，这个电流都很小。在理想情况下，可视馈源是一定电流的均匀电流带，以此来为天线提供激励。3.2同轴线馈电一般情况下，同轴线的外表插座安装在接地板(印刷电路板)的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定的天线模式，同轴馈电点的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。如图3.1（b）示，根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。如果忽略磁流的贡献，并假定电流在圆柱上是均匀的，则可进一步简化。简化到最理想的情况是，取出电流圆柱，用一电流带代替，类似微带馈电的情况。该带可认为是圆柱的中心轴，沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带，对于给定馈电点和场模式，等效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹由经验确定。4矩形微带天线的分析方法毫无疑问，最简单的微带贴片结构是矩形微带天线。其基本天线元是薄介质层上的矩形金属贴片，介质层背面是接地板。由于这种天线结构简单，因而成为大量研究论文的课题，并且多方努力预计和计算矩形微带天线的辐射特性参数(如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带宽度等)，这样就可以大大提高天线研制的质量和效率，降低研制成本。目前己经出现了许多分析微带天线的方法，如传输线法、腔模理论、格林函数法和数值计算法等。这些方法互相补充、各有长短，不同形状、不同配置的矩形微带天线都可以找到适当的方法进行理论分析，对于微带天线的设计和分析十分有利。进行微带天线分析，就是对已经由设计指标设计得到的天线模型进行预测，预测它的辐射特性、各项参数是否满足要求，近、远场特性如何，通过分析，改进设计中的不足，减少边做边试的循环次数，因为矩形微带天线的自由度比较多，很多参数互相影响限制，盲目地、毫无根据地“乱试”只会造成时间、精力和财力上的大量耗费。必须弄清各种分析方法的优、缺点和局限性，在研究传统分析方法的基础上，不断了解最新的设计分析方法、改进方法以及各种新的天线机构，方能事半功倍。4.1矢量位法考虑矩形微带天线辐射的严格解。可用Sommerfeld提出的波传播模理论来确定水平电偶极子产生的场，并用数值法求解天线的特性。如图4.1所示的微带天线，基片的相对介电常数是，厚度为h，微带上的电偶极子产生的场可用矢量位A来确定。图4.1 矢量位法坐标系为了满足空气介质分界面上的边界条件，A必须有x和z分量，这些分量满足非奇次亥姆霍兹方程:式中:-狄拉克占函数由式解出A后，可以求出电磁场:因此只要找到矢量位A，就可以得到电磁场的解。由于A的严格解是从方程中解出来的严格解，写不出显明的表达式，分析结果并不令人满意，而且也很难对所得结果做出清楚的物理解释。4.2并矢格林函数法众所周知，知道并矢格林函数，任意源分布的场可由重积分求出。Alexopoulos等人研究了印制在带地板的基片赫兹偶极子的并矢格林函数:式中：在一定假设下，贴片天线可认为是二维传输线。应用边界条件、麦克斯韦方程和连续性方程可求出电流密度分量和。但和矢量位法的情况一样，这种方法在数学上的计算也很麻烦，不易于分析。4.3导线网模型Agarwal和Bailey将微带辐射结构模拟成细导线构成的导线网，应用Richmond反作用定理求得导线段上的电流，就可以得到天线的全部特性。虽然当线网够细时，此法可以得到很好的结果，但计算需要相当大的计算机存储量，提高了设计成本。传输线模型上述所有模型在预测微带天线辐射特性方面都不够完美，且计算量较大。Munson和Derneryd提出的传输线模型可以得出适合大多数工程应用的结果，并且需要的计算量不大。如图4所示此法的物理模型。假设:(1)微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，波的传输方向决定于馈电点。线段长度，为准TEM波的波长。场在传输方向上是驻波分布，而在其垂直方向(图中的宽度方向)上是常数。(2)传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝，长为L，宽为W，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带贴片两端的延伸面上，即将开口面向上折转，而开口场强也随之折转。由上述两条基本假设可以看出，当时，两个缝隙上的切向电场均为x方向，且等幅同相，等效为磁流。由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上半空间辐射，缝上等效磁流密度为:式中:V-传输线开口端电压，V4.2 传输线法物理模型由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按照自由空间处理，这正是该法的方便之处。图4.3微带天线等效电路图4.3是按照传输线法建立的微带天线等效电路。图(a)为微带馈电方式，为缝隙辐射导纳，为微带贴片特性导纳;图(b)为同轴馈电方式，探针从接地板穿孔引出(称为“底馈”)，该等效电路与图(a)的不同之处在于:(l)它在微带贴片开口端馈电，激励源离始端距离。(2)探针本身要引入感抗，用表示。利用上述等效电路可以求出缝隙的辐射导纳，然后利用传输线公式变换得到输入导纳。当变换后的阻抗为实数时，表明天线发生了谐振，即可求得天线的谐振频率。对于图4.3（a）的微带馈电方式，输入导纳为: B用等效伸长表示:式中:-传输线的等效介电常数，F/m谐振时，在式中令总电纳等于零，即可得到: 由上式便可求出丸或谐振频率。传输线法简明、物理直观性强。但仍由于一些缺陷使其应用范围受到很大限制。(1)传输线模型限制它只能用于矩形微带天线及微带振子。(2)除了谐振点外，输入阻抗(导纳)随频率变化的曲线不准确。(3)缝导纳计算不准确，它的电纳部分通常按准静法计算，所得到的等效伸长在高频条件下不够准确。4.4腔体模型腔体模型分析是在微带谐振腔分析的基础上发展而来的。实际上，谐振式微带天线的形状和微带谐振腔并无显著区别。分析微带谐振腔的一般方法是:规定腔体的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频率、品质因数和输入阻抗等。把这种方法移植到微带天线中来，称为“单模理论”。但是这种简单的方法也如传输线法一样，在一些情况下难以得到满意的结果。作为此法的改进，发展了“多模理论”。它把腔内场用无限正交模表示，因而可以比较准确的代表腔内场。该理论假设微带天线，在贴片的内层区将微带贴片与接地板之间的空间看作四周是磁壁和上、下两面为电壁的腔体。天线中的场可假定为腔体的场，从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电点在任何位置的输入导纳。腔体模型是对传输线法的发展，尤其是应用于计算介质厚度不超过介质波长的百分之几的微带天线。腔体模型分析法可用于多种形状的贴片天线的理论分析，得到比较满意的结果，计算也不很复杂，因而为工程界广泛采用。4.5积分方程法传输线法和腔体模型，都没有考虑场在贴片垂直方向上的变化，对于大多数“薄”微带天线来说，这种简化不致引入较大的误差，但是对于“厚”微带天线，即介质层厚度与波长可比拟时，这种简化就不准确了。此外，上述方法对微带贴片的形状有要求，不符合规定形状就得不到解。与之相比，积分方程法除了不受这些限制外，还有如下特性:(l)准确性:积分方程法可以给出阻抗和辐射特性最精确的结果。(2)完整性:积分方程法对大多数效应的分析是完整的，包括介质、导体损耗、空间波辐射、表面波效应和单元间的互祸现象等。(3)通用性:积分方程法可用于分析任意形状的微带天线单元和阵列，各种类型的馈电技术，多层几何图形。(4)计算复杂性:积分方程法需要极大的计算量。因此此法虽然发展较晚，仍以其严格性和灵活性得到了国内外众多研究者的关注。积分方程法通常先求出在特定边界条件下单位点源所产生的场，即源函数或格林函数，然后应用叠加原理，求得源函数和源分布的乘积，最后在源所在区域进行积分而得出总场。因为源通常未知，因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程，在解出源分布后再由积分算式来求出场。积分方程法的解是严格的解析解，可以借助计算机进行大量复杂繁琐的推导。直接以数值的、程序的形式代替微分或积分方程等解析形式，通常以差分代替微分，用有限求和代替积分，从而将问题化为求解差分方程或代数方程，利用数值结果解决问题。目前此法己经发展成为电磁领域独立的一门新型学科-一计算电磁学。当前在计算电磁学中使用较多的方法主要有两大类，一类是以积分方程为基础的数值方法，如矩量法系列;另一类是以微分方程为基础的数值方法，如有限元系列。需要指出，积分方程和微分方程对同一天线问题的描述是可以互相转换的，并且，将两者混合用于同一问题的求解，可以发挥各自优势，效果很好。下面就介绍几种最普及的数值分析法。4.5.1矩量法矩量法(MoM)是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，此法对于求解微分方程和积分方程均适用。矩量法就是先将需要求解的微分方程或积分方程写成带有微分或积分算符的算子方程;再将待求函数表示为某一组选用的基函数的线性组合并代入算子方程;最后用一组选定的权函数对所得的方程取矩量，就可以得到一个矩阵方程或代数方程组。接下来就是利用计算机进行大量的数值计算，包括矩阵的反演和数值积分等。使用矩量法作为内核的商用电磁软件主要有Zeland的IE3D和Agilent的ADS Momentum。4.5.2有限元法有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。它把整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。对于二维问题，可选取三角形、矩形等作为单元，其中以三角形适应性最广;对于三维问题，可选取四面体、六面体作为单元，可视具体问题灵活规定。这些基函数在各自的单元内解析，在其它区域内为零。通过规定每个单元中合适的基函数，就可在每个顶点得到一个基函数，分片解析函数通过这些单元间的公共顶点连接起来，拼成一个整体，代替全域解析函数，最后通过相应的代数等价化为代数方程求解。有限元法具有强大的生命力和广阔的应用前景，主要因为:(1)有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、激励的广泛适应性。(2)有限元法基于变分原理，将数理方程求解变成代数方程组的求解，因此非常简易。(3)有限元法采用矩阵形式和单元组装方法，其各环节易于标准化，程序通用性强，有较高的计算精度，便于编制程序和维护，适宜制成商业软件。(4)国际学术界对有限元法的理论、计算技术以及各方面的应用做了大量的工作，许多问题均有现成的程序，可用的商业软件资源相对较多。在有限元发展初期，其灵活性和通用性的优点及解题能力广受欢迎，取得了巨大进展，可以说这一方法在包括天线分析在内的电磁领域及其它场科学中都得到了一定应用与发展。但随着对有限元法的研究，特别是工程上实际应用的深入，一些问题随之暴露:(l)所解问题的复杂性和经费、时间以及计算机能力有限之间存在矛盾。有限元深入到诸如三维、组合、复合、瞬态、祸合、波动、无限域、非线性等领域，所需单元数、内存与计算工作量浩大惊人，造成理论上有限元都能解决，实际上由于经费、计算机条件所限，在工程应用上又难以实现的状态。(2)此法属于区域性解法，因此分割的元素和节点数较多，导致所需要的初始数据复杂、繁多，使用不便。(3)有限元法产生的代数矩阵方程的条件数，随着网格细分，单元尺寸h变小，条件数变坏，最终导致计算结果很差。(4)对于无限区域中的求解问题，由于其边界条件难以妥善处理，即使求得结果，其误差也较大。使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件主要有Ansoft的HFSS和安世亚太的ANSYS。4.5.3时域有限差分法时域有限差分法 (FDTD)是求解电磁问题的一种数值技术，是在1966年由K.5.Yee第一次提出的。FDTD法直接将有限差分式代替麦克斯韦(Maxwell)旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，用具有相同电参量的空间网格去模拟被研究体，选取合适的场初值和计算空间的边界条件，进行求解。具体地讲，该方法在空间和时间上采用间隔半个步长的一种网格，通过跳跃式的步骤用前一时刻的电场或磁场值得到当前时刻的电场或磁场值，在一个时间步上用此过程计算整个空域，然后再进行下一个时间步的所有空域网格计算，进而得到整个空域随时间变化的电磁场值，通过傅立叶变换可得到三维空间的谱域解。时域有限差分法使电磁领域的理论与计算从处理稳态问题发展到瞬态问题，从处理标量场问题发展到直接处理矢量场问题，这在电磁领域是个极有意义的重大发展。它简单直观，容易掌握，因此正在微带天线的分析和设计领域崭露头角。首先它从麦克斯韦方程出发，不需任何导出方程，避免了使多的数学工具，是电磁场计算方法中最简单的一种;其次它基于概括电磁场普遍规律的麦克斯韦方程，实质上是在计算机所能提供的离散数值时空中仿真再现电磁现象的物理过程，非常直观工。使用时域有限差分法作为内核的商用电磁仿真软件主要有RECOM的CST。5微带天线的小型化技术近年来，移动通信业务发展迅速，手机、蓝牙等终端对天线的小型化和紧凑性都提出了较高的要求工，天线小型化技术得到了较快的发展。天线的最大带宽和增益都取决于天线的尺寸，尺寸一旦减小，会使天线的效率下降，带宽变窄。通常的做法是使天线与馈线阻抗匹配，满足输入端驻波比的要求。但是这种做法需要匹配电路，不适合手机这种对天线尺寸、重量都有一定限制的设备。因此手机终端天线一般采用自谐振系统，即不需要阻抗匹配电路，使天线在谐振频率上输入阻抗呈纯电阻性，直接与馈线匹配。天线的小型化是指减小微带天线的尺寸而保持其工作频率不发生变化。随着研究的不断深入和拓展，针对不同的小型天线(如线天线、平面倒F型天线、介质振荡器天线、缝隙天线、螺旋天线以及印刷微带天线等)都提出了多种不同的小型化方法。5.1天线加载对于一般的矩形微带天线，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存在一条零电位线。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，形成谐振，这样天线的尺寸就可以减小一半。基于这样的思想，就可以用加载的方法实现这种对地的短接。微带天线加载方法主要有短路加载和电阻加载两种。对于短路加载，通常有两种方法:加载短路壁和加载短路销钉。图5.1（a）所示是加载短路壁的微带天线。视短路壁的宽度，可以分为加载短路面(长度等于辐射贴片侧面宽度)和加载短路片(长度小于辐射贴片侧面宽度)两种，可根据具体情况予以选择。这种结构的天线是结构的微带天线，相对于半波结构的矩形微带天线，加载短路壁会使矩形微带天线的长度减少一半，达到了小型化的目的。图5.1微带天线短路加载示意图在微带天线上加载短路销钉，通过与馈点接近的短路销钉在谐振空腔中引入祸合电容以实现小型化，典型结构如图5.1（b）所示。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置，天线尺寸可缩减50%以上。其主要缺点是:(l)阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的距离，在制造公差上要求极高。(2)带宽较窄，不利于实现宽频。(3)H面交叉极化电平相对较高。电阻加载就是将短路壁替换为低阻抗的切片电阻，在进一步降低谐振频率的同时还可以增加带宽。随加载电阻增大，天线总品质因数降低，带宽展宽，制造公差降低，但这些性能的提高是以牺牲增益为代价的。一般，加载1切片电阻，增益下降约1.5dB。加载切片电容也可以有效降低谐振频率，减小天线尺寸。5.2采用高介电常数材料介质层微带天线是一个半波辐射结构。矩形微带天线通常采用比较薄的介质基片(h)，其谐振频率由下式近似给出:可知，天线谐振频率与成反比，因此对于固定的工作频率，可以采用较大的高介电常数基片来降低，从而减小天线尺寸。图5.2是用于GPS的接收机的圆极化切角微带天线图。图(a)和(b)采用不同介电常数的基片材料，天线工作频率同样是1575MHz。图(a)采用的是普通微波介质材料=3，h=1.524mm;图(b)所示天线采用的是陶瓷材料=28.2，h=4.75mm。天线(b)采用比天线(a)更厚的介质层是为了保证有足、够的圆极化轴比带宽。图5.2采用不同介电常数介质层的天线尺寸对比可见，天线(b)的面积只有天线(a)的10%，这和式(3-l)计算的结果是一致的。因此，采用=28.2的陶瓷材料代替=3的普通微波材料，在固定的工作频率上，天线的尺寸可以缩小90%。这类高介质天线的主要缺点是:(1)激励出较强的表面波，表面损耗较大，使天线的增益减小，效率降低。(2)天线带宽较窄，为提高增益，常在天线表面覆盖介质。如图5.3所示，天线下层是高介电常数介质，上层覆盖了介质，在实现小型化的同时得到了较高增益。图5.3表面覆盖介质层图 图5.4表面开槽5.3表面开槽微带天线表面开槽技术，又称“曲流技术”，是通过表面开槽改变电流路径从而实现天线小型化的一种行之有效的方法，目前在微带天线小型化及圆极化中的应用最为广泛。微带天线表面开槽分为“辐射贴片开槽”和“接地板开槽”两种形式。贴片开槽技术简单来讲，就是在贴片表面开不同形式的槽或细缝，这些细缝切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可以模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽形及开槽位置，就可以降低天线的谐振频率，从而等效减小了天线的尺寸，实现小型化。如图5.4所示，在贴片表面开了四个L形槽，降低了天线的谐振频率，天线尺寸比开槽之前减小了20%。以矩形微带贴片天线为例，如图5.5所示为矩形贴片的非辐射边插入一U形细缝后的贴片表面电流分布。可以看出，天线表面电流被有效的弯曲，固定尺寸的矩形贴片上电流路径的有效长度大大增加，天线谐振频率显著下降，天线尺寸大大减小。图5.5贴片开槽后表面电流分布“开槽”后天线的辐射机理可以参考微带缝隙天线来分析。不同的是，贴片天线的缝隙开在贴片上，而缝隙天线的缝隙是开在接地板上。缝隙天线的辐射场可以用电矢量位法计算，当缝宽比真空波长小很多时，可由推导出的公式求出E面和H面上的方向图。式中：接地板开槽技术形式与贴片开槽无异，也是利用细缝改变电流路径，保持贴片形状不变，在接地板上开槽，可以引导贴片中的电流发生弯曲，增加电流路径的有效长度，降低谐振频率。同时，接地板开槽使微带天线的Q值有所降低，相应的带宽也会增加，本文将加载技术与表面开槽技术结合在一起使用，有效地实现了微带天线的小型化。将贴片表面适当开槽，同时加载适当长度的短路壁，得到了比较理想的谐振频率以及带宽，而且天线尺寸较小，满足实际需要。5.4附加有源网络缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网给的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性:(l)工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，可以使天线带宽高低端频比达到2030。(2)增益高，方向性好。(3)便于实现阻抗匹配。(4)方便实现天线有关性能参数的电控(包括方向图、主波方向和前后辐射比等)。(5)有源天线阵具有单元间弱互藕的潜在性能，而且有源天线还无需考虑噪声及非线性失真等问题。6微带天线的多频技术目前移动终端手机天线的多频技术的研究热点就是三频或多频手机天线。从实现双频或多频段工作的贴片结构以及基片等物理结构上来分类，实现多频工作可采用单片或双片两种方式。采用单贴片:(l)利用几种不同的自然模式(矩形贴片如模和模)。（2）通过加载或开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰。这两种方法都可以实现双频或多频工作。采用多贴片:(1)单层介质。利用谐振频率不同的贴片形成双谐振，或采用各个辐射单元构成多频点谐振。(2)利用多层重叠贴片结构形成多个谐振器，从而产生多频段工作特性;采用多层贴片重叠、各自馈电的贴片结构，形成双频段工作特性。多贴片结构比较复杂，近来微带天线的发展方向是小型化，易集成。单贴片方法中，通过销钉加载或开槽改变贴片自然模场分布的方式，具有原理简单、易于实现的特点，应用极广。实际设计的天线在实现多频的同时，一般都要综合采用其它技术来实现别的性能指标(如极化等)，但结构比较复杂。本文从实现双频的角度，介绍两种常见的多频天线的实现方法。6.1开槽加载通过在贴片表面加载细而小的裂缝来改变电流分布，从而改变天线谐振的自然模，实现双频的目的。不同的贴片形状、不同的槽的形状(L形，U形，十字形，T形等等)使得多频技术具有极大的发展空间。如图6.1是一矩形微带天线结构图。主要参数如下（单位：mm）:介质层相对介电常数:=2.65，高度h=1.6；方形贴片边长a=50；外围槽=103.4,宽度=1；中间槽=103.4，宽度=0.5。图6.1开槽加载结构图图 图6.2 谐振时回波损耗在贴片上开了五个十字槽，其中外围的四个实现双频谐振，中间的十字槽用来实现圆极化，采取同轴馈电。图6.2给出谐振时的回波损耗，通过改变外围四个十字槽的长度，可以对频率和带宽进行调节。6.2销钉加载销钉加载也是比较常见的一种实现双频的方法。它占用面积小，实现方便，还能在一定程度上改善频带的宽度。如图6.3是一结构比较简单的平面倒F天线。主要参数如下(单位:mm):辐射贴片LW=4825，高度h=10；细槽=120;短路壁宽度w=2;同轴探针及短路销钉位置分别为(，)=(-20，10.5)，(，)=(20，10.5)；接地板8060。销钉和馈电圆柱对称分布，为了得到足够的频率衰减和拓宽频带，在天线的一边上加载了短路壁，并且在表面加载了一条细槽来降低谐振频率。如图6.4可见，由于销钉的作用，天线实现了双频工作。图6.3销钉加载结构图 图6.4 谐振时回波损耗7微带天线宽频实现微带天线频带的定义可以对应于不同的含义，总的来说，其要求是以某项给定的技术指标不超过给定范围所对应的频率范围。其中输入阻抗随频率的变化是最敏感的，也就是说如果输入阻抗满足频率要求时，其他的指标满足要求是确保的。因此，通常以天线输入端的电压驻波系数值小于某一给定值所对应的频率范围作为该天线的频带。微带贴片天线的窄频特性是由其高Q值的谐振本性决定的。也就是说贮存于天线结构中的能量比辐射和其他耗散能量大得多。这就意味着，当谐振时实现了匹配，而当频率偏离谐振时电抗分量急剧变动，使之失配。因此展宽频带的方法可以由降低g值的各个方面去探求，也可以考虑用附加的匹配措施来实现。天线的总的品质因数G可表示成:式中:- 辐射Q值 - 介质Q值 - 导体损耗Q值常用的方法可以采用厚介质基片、较小或占较大(有耗)的介质基片，附加阻抗匹配网络，采用楔形或梯形介质基片，采用非线性介质材料，采用非线性调整元件，采用多层结构和在贴片或接地板“开窗”等四。其中，附加阻抗和贴片或接地板开槽等方法已在圆极化微带天线展宽频带上得到了很好的应用。7.1采用厚介质基片从物理意义上讲，增大介质基片厚度，辐射电导随之增大，使辐射对应的品质因数及总的品质因数下降，进而使频带加宽。在一些空气动力性能及重量不苛刻的场合，这种方法行之有效。7.2采用介电常数较小或有耗的介质基片当减小时，介质对场的“束缚”减小，易于辐射，且天线的贮能也因的减小而变小，这样将辐射对应的下降，从而使频带变宽。的增加使介质损耗加大，下降，也使频带展宽。但的变小将使所需的基片尺寸加大，而的增加会使天线的效率降低，设计中应根据实际需要选用不同的的基片。7.3附加阻抗匹配网络工作于主模的矩形微带贴片天线，其等效电路可以用一个甩C并联谐振电路来描述。馈电探针的电感作用与上述并联谐振电路形成天线的输入阻抗，为了使这个阻抗与50Q的馈线在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合。简单讲就是串联一个电容，使天线在工作频率上这个电容能与馈电探针等效电感大致构成串联谐振。串并联谐振电路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化，从而展宽了频带。7.4采用楔形或阶梯形基片采用楔形或阶梯形基片是展宽微带天线频带简单而有效的方法。这两种基片形状的变化导致频带展宽的物理原因是:两辐射端口处基片厚度不同的两个谐振器经阶梯电容祸合产生双回路现象，从而形成多点谐振。7.5采用非线性基片材料在各种典型的微带贴片天线中，其贴片的线性尺寸都与工作波长相比拟。频率低时对应的天线尺寸大，这就使得在饥王F波段的低端以一下采用微带天线十分困难。对于一定的贴片尺寸及介质性能，这些天线都呈现窄频特性，因此提出了用“铁氧体”作为基片材料。铁氧体的电磁特性可以显著地缩小天线尺寸，它具有非线性的色散特性，其有效磁导率随频率的升高而降低，使得在几个倍频程内用一个铁氧体可以得到接近理想的色散特性，即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，这不能不说是一种理想的展宽频带的方法。7.6采用多层结构由电路理论可知，当采用参差调制的紧藕合回路时，频带将会展宽，根据类似的原理研制了多层贴片微带天线。馈电采用电磁藕合方式。这在圆极化微带天线的实现中得到了极其广泛的应用。最下面一层用陶瓷基片，采用微带馈电来对上层辐射贴片进行激励，同时在陶瓷基片上的馈电微带可以与其它元器件共同集成。上部各