宽带及双频双圆极化微带天线的技术剖析与创新设计

宽带及双频双圆极化微带天线的技术剖析与创新设计一、引言1.1研究背景与意义随着科技的飞速发展，无线通信已深度融入人们生活的各个方面，从日常的移动通信、无线局域网，到卫星通信、雷达探测等专业领域，无线通信技术无处不在。在这一背景下，无线通信系统对天线性能的要求日益严苛，宽带及双频双圆极化微带天线作为其中的关键部件，其性能的优劣直接关乎整个通信系统的质量与效率。近年来，无线通信技术经历了从2G到5G甚至6G的快速迭代，通信频段不断拓宽，数据传输速率大幅提升，这使得系统对天线带宽提出了更高要求。以5G通信为例，其涵盖了多个频段，包括Sub-6GHz和毫米波频段，需要天线具备更宽的工作带宽，以支持多频段信号的同时传输，实现高速、稳定的数据通信。传统的窄带微带天线已无法满足这一需求，宽带微带天线能够在更宽的频率范围内保持良好的性能，有效提高通信系统的频谱利用率，降低设备成本，成为当前研究的热点之一。与此同时，圆极化天线在现代通信中发挥着愈发重要的作用。圆极化波具有独特的优势，它能有效减少信号在传输过程中的极化失配问题，提高信号的接收质量。在卫星通信中，由于卫星与地面站之间的相对位置不断变化，信号的极化方向也会随之改变，采用圆极化天线可以确保在各种情况下都能稳定地接收信号。而双圆极化技术进一步拓展了天线的功能，它能够同时接收和发射左旋圆极化波与右旋圆极化波，实现双向通信或不同极化信号的复用，大大提高了通信系统的容量和灵活性。双频特性也是现代天线的重要发展方向。随着多种无线通信标准和业务的并存，如GSM、WCDMA、WiFi等，一个设备往往需要支持多个频段的通信。双频微带天线可以在两个不同的频率上工作，满足不同通信系统的需求，减少设备中天线的数量，实现设备的小型化和集成化。例如，在智能手机中，双频微带天线能够同时支持2G/3G/4G移动通信频段和WiFi频段，为用户提供更加便捷的通信体验。宽带及双频双圆极化微带天线的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论方面，它涉及到电磁场理论、微波技术、天线设计等多个学科领域，通过对其深入研究，可以进一步丰富和完善这些学科的理论体系，推动相关技术的发展。在实际应用中，这种天线广泛应用于移动通信、卫星通信、雷达、无线局域网等众多领域。在5G基站建设中，采用宽带及双频双圆极化微带天线，可以提高基站的覆盖范围和通信容量，为用户提供更好的网络服务；在卫星通信中，有助于实现更高效的卫星与地面站之间的通信链路，支持更多的卫星应用；在雷达系统中，能够提高雷达的目标探测能力和分辨率，为国防安全和民用领域提供更可靠的保障。因此，开展宽带及双频双圆极化微带天线的研究，对于满足现代无线通信系统不断增长的需求，推动通信技术的进步具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状微带天线自问世以来，凭借其低剖面、易共形、易于集成等显著优势，在无线通信领域得到了极为广泛的应用，而宽带及双频双圆极化微带天线更是成为国内外学者和科研人员的重点研究对象，在过去几十年间取得了丰硕的研究成果。在宽带微带天线的研究方面，国外起步相对较早。早在20世纪80年代，就有学者开始探索通过改变天线结构和馈电方式来拓展带宽。例如，采用增加天线层数、加载寄生贴片等方法，取得了一定的带宽拓展效果。进入21世纪，随着计算机技术和电磁仿真软件的飞速发展，对宽带微带天线的研究更加深入和系统。美国的一些科研团队通过对新型材料的研究，如采用高介电常数、低损耗的新型介质材料作为天线基板，有效减小了天线尺寸的同时，提高了天线的带宽性能。在2010年左右，他们利用新型陶瓷基复合材料，成功设计出一款相对带宽达到30%以上的宽带微带天线，在卫星通信的C频段表现出优异的性能。欧洲的科研机构则侧重于从天线结构创新方面入手，提出了多种新颖的宽带微带天线结构，如渐变槽线结构、分形结构等。其中，渐变槽线宽带微带天线通过合理设计槽线的渐变形状和尺寸，实现了宽频带内的良好阻抗匹配，相对带宽可达40%左右，在雷达探测等领域得到了实际应用。国内在宽带微带天线的研究上虽然起步稍晚，但发展迅速。近年来，众多高校和科研院所积极开展相关研究工作，并取得了一系列具有国际影响力的成果。例如，国内某高校科研团队提出了一种基于缺陷地结构（DGS）的宽带微带天线设计方法。通过在接地板上引入特定形状的缺陷，改变了天线的电流分布和电磁场特性，从而有效拓展了天线带宽。实验结果表明，该天线的相对带宽可达35%以上，并且在移动通信的多个频段都能保持良好的辐射性能。此外，国内科研人员还对共面波导馈电的宽带微带天线进行了深入研究，通过优化共面波导的结构参数和馈电位置，实现了天线带宽的显著提升，在5G通信基站天线的设计中展现出巨大的应用潜力。在双频微带天线的研究领域，国外的研究成果同样丰富。早期主要通过在辐射贴片上开缝、加载短路探针等简单方式实现双频工作。随着研究的深入，逐渐发展出多种复杂而高效的双频设计技术。如利用多层结构，将不同频率的辐射贴片层叠在一起，通过合理设计各层之间的耦合关系，实现了双频性能的优化。日本的研究人员在2005年左右，基于多层结构设计出一款双频微带天线，可分别在2.4GHz的WiFi频段和5.8GHz的卫星通信频段稳定工作，且两个频段之间的隔离度良好，有效避免了相互干扰。韩国的科研团队则另辟蹊径，通过对天线的馈电网络进行创新设计，采用多馈点和阻抗匹配网络相结合的方式，实现了双频微带天线的小型化和高性能化。他们设计的双频微带天线尺寸相比传统结构减小了约30%，同时在两个工作频段的增益和辐射效率都能满足实际应用需求。国内在双频微带天线研究方面也不甘落后，不断取得突破。一些研究团队通过对辐射贴片的形状进行巧妙设计，如采用环形、工字形等特殊形状，实现了双频特性的优化。利用环形辐射贴片，通过控制环的内径和外径以及开槽位置等参数，成功设计出一款双频微带天线，在1.8GHz的GSM频段和2.1GHz的3G频段具有良好的性能表现。此外，国内还在双频微带天线与其他功能模块的集成研究方面取得进展，将双频微带天线与射频前端电路集成在同一基板上，实现了系统的高度集成化，减小了整个通信设备的体积和成本，在便携式通信设备中具有广阔的应用前景。圆极化微带天线的研究在国内外都备受关注。国外在圆极化微带天线的理论研究和设计技术方面处于领先地位。早期主要采用单馈点加寄生贴片的方式实现圆极化辐射，但这种方法的轴比带宽较窄。为了拓宽轴比带宽，美国和欧洲的科研人员提出了多馈点技术，通过在辐射贴片上合理设置多个馈电点，并控制各馈电点之间的相位差和幅度比，有效拓宽了圆极化微带天线的轴比带宽。例如，采用四点馈电的方式，可将圆极化微带天线的轴比带宽提高到20%以上。同时，国外还在圆极化微带天线的应用研究方面取得了诸多成果，在卫星通信、全球定位系统（GPS）等领域，高性能的圆极化微带天线得到了广泛应用。国内在圆极化微带天线的研究方面也取得了长足进步。一方面，在理论研究上不断深入，对圆极化微带天线的辐射机理、极化特性等进行了系统分析，为天线的设计提供了坚实的理论基础。另一方面，在设计技术上不断创新，提出了多种新型的圆极化微带天线结构和设计方法。如通过在辐射贴片上加载缝隙或开槽，引入额外的谐振模式，实现了圆极化性能的优化和轴比带宽的拓宽。国内某科研团队设计的一款加载十字形缝隙的圆极化微带天线，在保持天线尺寸较小的前提下，轴比带宽达到了15%左右，在无线局域网和物联网设备中具有良好的应用前景。双频双圆极化微带天线作为兼具双频和双圆极化特性的高性能天线，其研究难度较大，但国内外都在积极探索并取得了一定的成果。国外的一些研究机构通过复杂的多层结构设计和精确的电磁仿真优化，实现了双频双圆极化微带天线的高性能化。例如，采用三层结构，中间层为辐射贴片，上下两层分别为不同频率的馈电网络和接地板，通过合理设计各层之间的耦合和匹配关系，实现了双频双圆极化的良好性能。然而，这种结构往往存在制作工艺复杂、成本较高的问题。国内则侧重于从简化结构和降低成本的角度出发进行研究。一些团队提出了基于单层结构的双频双圆极化微带天线设计方案，通过对辐射贴片和馈电网络的巧妙设计，在较低成本的前提下实现了双频双圆极化特性。如利用L型微带线对地板上圆环形缝隙耦合馈电的单层结构，通过两个耦合点在高低频同时激励起相互正交的谐振模式，形成双频双圆极化辐射。仿真和测试结果表明，该天线在两个指定频段分别实现了右旋圆极化和左旋圆极化辐射，具有良好的应用潜力。尽管国内外在宽带及双频双圆极化微带天线的研究方面已经取得了众多成果，但随着无线通信技术的不断发展，如6G通信技术的逐步推进，对天线性能提出了更高的要求，包括更宽的带宽、更高的双频隔离度、更优的圆极化性能以及更小的尺寸和更低的成本等。因此，该领域仍有许多关键问题亟待解决，未来的研究空间依然广阔。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究围绕宽带及双频双圆极化微带天线展开，具体研究内容涵盖以下几个关键方面：微带天线基础理论深入剖析：全面梳理微带天线的基本工作原理，深入探究其辐射机制，包括传输线模型下辐射贴片如何将电流转化为辐射场等细节。详细分析影响微带天线性能的关键因素，如介质基片的介电常数对天线工作频率和尺寸的影响规律，基片厚度与天线带宽、辐射效率之间的内在联系等。通过对这些基础理论的深入研究，为后续的天线设计提供坚实的理论支撑。宽带微带天线设计与优化：重点探索多种拓展微带天线带宽的有效方法。研究不同馈电方式，如探针馈电、微带线馈电、共面波导馈电等对天线带宽的影响，分析每种馈电方式的优缺点及适用场景。深入研究加载寄生贴片、开槽、采用渐变结构等技术在拓宽带宽方面的作用原理和设计要点。例如，通过合理设置寄生贴片的尺寸和位置，使其与主辐射贴片产生合适的耦合，从而引入新的谐振模式，拓展天线的带宽。对宽带微带天线的结构进行优化设计，利用电磁仿真软件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，对不同结构参数下的天线性能进行仿真分析，通过多次迭代优化，确定最佳的天线结构和参数，以实现更宽的带宽和更好的阻抗匹配性能。双频微带天线设计与特性研究：深入研究双频微带天线的设计方法，通过在辐射贴片上开特定形状的缝隙、加载短路探针或采用多层结构等方式，实现天线在两个不同频率上的稳定工作。例如，利用在辐射贴片上开十字形缝隙，通过控制缝隙的长度、宽度和位置，使天线在两个不同频率处产生谐振，实现双频特性。分析双频微带天线两个工作频段之间的隔离度问题，研究如何通过优化天线结构和馈电网络，提高两个频段之间的隔离度，减少相互干扰。对双频微带天线在不同应用场景下的性能进行研究，如在移动通信中，分析其在不同信号强度和干扰环境下的双频性能表现，为实际应用提供数据支持。双圆极化微带天线设计与性能分析：着重研究实现双圆极化的技术途径，包括多馈点技术、采用特殊形状的辐射贴片和馈电网络等。例如，采用四点馈电技术，通过精确控制四个馈电点之间的相位差和幅度比，实现圆极化辐射，并且通过调整馈电网络，实现左旋圆极化和右旋圆极化的独立控制。深入分析双圆极化微带天线的轴比带宽、增益、辐射方向图等性能参数，研究如何通过优化设计，提高天线的轴比带宽，使其在更宽的频率范围内保持良好的圆极化性能，同时提高天线的增益和优化辐射方向图，满足不同应用场景的需求。宽带及双频双圆极化微带天线的综合设计与实现：将宽带、双频和双圆极化特性进行有机融合，设计出兼具宽带、双频双圆极化特性的微带天线。在设计过程中，充分考虑各特性之间的相互影响和制约关系，通过合理的结构设计和参数优化，实现各性能指标的平衡和优化。对设计出的天线进行实物制作和实验测试，搭建实验测试平台，使用矢量网络分析仪测量天线的阻抗带宽、回波损耗等参数，利用微波暗室测试天线的辐射方向图、增益、轴比等性能指标，将实验测试结果与仿真结果进行对比分析，验证设计的正确性和可行性，针对测试结果中出现的问题，对天线进行进一步的优化和改进。1.3.2研究方法本研究综合运用理论分析、仿真设计和实验验证相结合的方法，确保研究的科学性、准确性和可靠性：理论分析：基于电磁场理论、传输线理论和微波网络理论等相关知识，对微带天线的工作原理、辐射特性、阻抗匹配等进行深入的理论推导和分析。建立微带天线的数学模型，通过理论计算初步确定天线的结构参数和性能指标，为后续的仿真设计和实验研究提供理论指导。例如，利用传输线模型计算微带天线辐射贴片的长度和宽度，根据电磁场理论分析天线的辐射方向图和增益等。仿真设计：借助先进的电磁仿真软件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，对设计的微带天线进行三维建模和仿真分析。通过设置不同的结构参数和材料属性，模拟天线在不同工作条件下的性能表现，如阻抗带宽、轴比、增益、辐射方向图等。根据仿真结果，对天线的结构和参数进行优化调整，快速筛选出满足设计要求的最佳方案，大大缩短了设计周期，降低了研发成本。同时，通过仿真还可以深入研究天线内部的电磁场分布和电流分布情况，进一步理解天线的工作机制，为优化设计提供依据。实验验证：在理论分析和仿真设计的基础上，进行天线的实物制作。选择合适的介质基片、金属材料和加工工艺，确保天线的制作精度和质量。搭建实验测试平台，使用专业的测试仪器，如矢量网络分析仪、微波暗室等，对制作好的天线进行全面的性能测试。将实验测试结果与理论分析和仿真结果进行对比验证，检验设计的正确性和有效性。如果实验结果与预期存在差异，通过对实验过程和数据的仔细分析，找出原因并对天线进行改进，再次进行实验测试，直至达到设计要求。通过实验验证，不仅可以验证设计的可行性，还可以发现一些在理论分析和仿真中难以考虑到的实际问题，为进一步优化天线设计提供宝贵的经验。二、微带天线基础理论2.1微带天线的结构与工作原理2.1.1基本结构组成微带天线作为现代无线通信领域中广泛应用的天线类型，其基本结构主要由介质基板、辐射贴片和接地板三部分构成，各部分紧密协作，共同决定了天线的性能。介质基板在微带天线中起着支撑和隔离的关键作用。它通常由低损耗、高介电常数的绝缘材料制成，如常见的FR-4玻璃纤维复合材料、聚四氟乙烯等。基板的厚度h通常远小于工作波长λ，一般在0.001λ-0.05λ范围内。这一特性使得微带天线具有低剖面的优势，易于与各种设备表面共形。例如，在手机等便携式通信设备中，微带天线可以直接集成在电路板上，不占用过多空间。基板的介电常数εr对天线的性能有着重要影响。较高的介电常数可以减小天线的尺寸，但同时也会导致表面波损耗增加，降低天线的辐射效率；而较低的介电常数则有利于提高辐射效率，但会使天线尺寸增大。因此，在设计微带天线时，需要根据具体的应用需求，合理选择基板材料及其介电常数。辐射贴片是微带天线的核心辐射部件，通常由金属材料制成，如铜、铝等。其形状可以根据不同的设计需求和应用场景进行多样化设计，常见的有矩形、圆形、环形等规则形状，以及一些为满足特殊性能要求而设计的不规则形状。辐射贴片的尺寸和形状直接决定了天线的工作频率、辐射方向图和极化特性等关键性能。以矩形辐射贴片为例，其长度L和宽度W与工作波长λ之间存在着密切的关系。在传输线模型中，当辐射贴片的长度L近似为半个波长时，天线能够产生有效的辐射。通过调整辐射贴片的尺寸，可以改变天线的谐振频率，实现不同频段的工作。接地板位于介质基板的另一侧，通常是一块完整的金属薄片，其作用是提供一个反射面，使天线的辐射能量集中在一个方向上，从而提高天线的方向性和增益。接地板的大小和形状也会对天线的性能产生影响。一般来说，接地板的尺寸应足够大，以确保能够有效地反射电磁波，但过大的接地板会增加天线的重量和成本。在一些特殊设计中，也会对接地板进行开槽、蚀刻等处理，以引入新的谐振模式或改变电流分布，进而改善天线的性能，如采用缺陷地结构（DGS），在接地板上制作特定形状的缺陷，能够改变天线的阻抗特性和辐射特性，拓展天线的带宽。2.1.2辐射原理阐释微带天线的辐射原理可以基于传输线模型进行深入理解。在传输线模型中，辐射贴片、介质基片和接地板被视为一段长度为L（近似为半个波长，即L≈λ/2）的低阻抗微带传输线，传输线的两端形成开路。由于介质基片的厚度h远远小于波长λ（h≪λ），电场在厚度方向上基本保持不变。在最简单的情况下，假设电场在宽度方向上也无变化，仅在长度方向（L≈λ/2）上发生变化。当微带天线工作时，射频信号通过馈电网络传输到辐射贴片上，在辐射贴片与接地板之间激励起射频电磁场。在辐射贴片的开路两端，电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于辐射贴片长度约为半个波长，两开路端电场的垂直分量方向相反，在远区场中相互抵消；而水平分量方向相同，在垂直于接地板的方向上，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝隙的宽度为ΔL（近似等于基片厚度h），长度为辐射贴片的宽度w，两缝隙间距为L≈λ/2。这两个等效缝隙的辐射共同构成了微带天线的主要辐射场，使得微带天线能够向空间辐射电磁波。实际情况中，电场在辐射贴片的宽度和长度方向上往往同时变化，此时微带天线的辐射不能简单地用两个缝隙等效，而应该用辐射贴片周围的4个缝隙的辐射来等效。这4个缝隙分别位于辐射贴片的四条边上，它们的辐射相互叠加，形成了微带天线复杂的辐射场分布。这种辐射场分布与天线的工作频率、辐射贴片的形状和尺寸、介质基板的特性等因素密切相关。电场和磁场分布对微带天线的性能有着至关重要的影响。电场分布决定了天线的辐射方向和极化特性。在垂直于接地板的方向上，电场强度较强，使得天线的最大辐射方向通常垂直于基片表面，呈现出侧射特性。而通过改变辐射贴片的形状或采用特殊的馈电方式，可以调整电场的分布，实现不同的极化方式，如线极化、圆极化等。例如，采用圆形辐射贴片并结合适当的馈电方式，可以实现圆极化辐射，在卫星通信等领域具有重要应用。磁场分布则与天线的阻抗匹配和辐射效率密切相关。磁场主要集中在辐射贴片和接地板之间的区域，其分布情况会影响天线的输入阻抗。当磁场分布不均匀或与馈电网络不匹配时，会导致反射系数增大，能量无法有效地从馈电网络传输到天线，从而降低天线的辐射效率。因此，在设计微带天线时，需要通过优化天线结构和馈电网络，使磁场分布合理，实现良好的阻抗匹配，提高天线的辐射效率。2.2微带天线的主要设计分析方法2.2.1传输线模型法传输线模型法是分析微带天线的一种经典且基础的方法，其原理是将微带天线的辐射贴片、介质基片和接地板等效为一段特殊的微带传输线。在这种模型中，假设辐射贴片的长度L近似为半个工作波长（L≈λ/2），宽度为W，介质基片厚度为h，且h远小于波长λ（h≪λ）。此时，可将该结构视为一段长度为L的低阻抗微带传输线，传输线的两端开路。由于介质基片很薄，电场在厚度方向上基本保持不变。在最简单的情况下，若假设电场在宽度方向上也无变化，仅在长度方向（L≈λ/2）上发生变化。当射频信号馈入该等效传输线时，在辐射贴片的开路两端，电场会分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。因为辐射贴片长度约为半个波长，所以两开路端电场的垂直分量方向相反，在远区场中相互抵消；而水平分量方向相同，在垂直于接地板的方向上，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加。因此，两开路端的水平分量电场可等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝隙宽度ΔL近似等于基片厚度h，长度为辐射贴片的宽度W，两缝隙间距为L≈λ/2。这两个等效缝隙的辐射共同构成了微带天线的主要辐射场。以简单的矩形微带贴片天线为例，其计算过程如下：首先，根据传输线理论，计算微带线的特性阻抗Z0。对于微带线，其特性阻抗与介质基片的介电常数εr、微带线的宽度W以及基片厚度h等因素有关。常用的计算公式为：Z_0=\frac{60}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\ln\left(\frac{8h}{W}+\frac{W}{4h}\right)，其中\varepsilon_{reff}为微带线的有效介电常数，可通过经验公式计算得到。确定辐射贴片的长度L和宽度W。在传输线模型中，为了使天线在特定频率f0下谐振，辐射贴片的长度L可近似为：L=\frac{\lambda_0}{2\sqrt{\varepsilon_{reff}}}，其中\lambda_0为自由空间中的波长，\lambda_0=c/f_0，c为光速。宽度W的选择则需要综合考虑天线的带宽、辐射效率等因素，一般可根据经验公式或通过优化计算确定。计算天线的输入阻抗。根据传输线模型，天线的输入阻抗可通过传输线的阻抗变换公式计算。假设馈电点位于辐射贴片的中心位置，此时天线的输入阻抗Zin可表示为：Z_{in}=Z_0\frac{Z_{L}+jZ_0\tan(\betaL)}{Z_0+jZ_{L}\tan(\betaL)}，其中Z_{L}为负载阻抗（对于开路端，Z_{L}=\infty），\beta为微带线的传播常数，\beta=\frac{2\pi}{\lambda_g}，\lambda_g为微带线中的波长，\lambda_g=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}。传输线模型法的优点是物理概念清晰，计算过程相对简单，能够快速得到天线的基本性能参数，对于一些简单结构的微带天线设计具有重要的指导意义。然而，该方法也存在一定的局限性，它仅适用于分析规则形状（如矩形、圆形等）的微带贴片天线，且在计算过程中做了较多简化假设，对于复杂结构的微带天线或对精度要求较高的场合，计算结果的准确性可能无法满足需求。2.2.2腔体模型法腔体模型法是分析微带天线的另一种重要方法，其核心思想是将微带天线等效为一个谐振腔。在薄微带天线（h≪λ）的前提下，微带贴片与接地板之间的空间可看作是一个特殊的腔体，该腔体上下为电壁（因为贴片和接地板为理想导体，电场切向分量为零，等效为电壁），四周为磁壁（由于边缘处电流无正交于边缘的分量，即边缘处切向磁场为零，等效为磁壁）的漏波空间。在这个等效谐振腔中，天线的辐射场由腔体四周缝隙的等效磁流的辐射来得出。具体来说，腔内的电磁场分布满足一定的边界条件和波动方程。假设电场只有Ez分量（即这是对z向的TM型场），内场不随z坐标变化，馈源可看成为沿z向的电流源J，且J不随z坐标变化，那么场内的波动方程为：\nabla^2E_z+k^2\varepsilon_rE_z=-j\omega\muJ_z，其中k=\frac{2\pi}{\lambda}为波数，\omega为角频率，\mu为磁导率，\varepsilon_r为介质基片的相对介电常数。通过求解上述波动方程，并结合边界条件，可以得到腔内的电场和磁场分布。进而根据等效原理，将腔体四周的缝隙等效为磁流源，利用电磁场的辐射理论，计算出天线的辐射场和方向图。天线的输入阻抗可由空腔内场和馈源激励条件来求得。腔体模型法在分析复杂结构天线时具有独特的优势。例如，对于多层微带天线，它可以通过将每层等效为一个子腔体，考虑各层之间的耦合效应，准确地分析天线的性能。在分析带有寄生贴片的微带天线时，腔体模型法能够将寄生贴片与主辐射贴片之间的电磁耦合关系纳入考虑，通过求解整个等效腔体的电磁场分布，得到天线的准确性能参数。对于加载了各种结构（如缝隙、短路探针等）的微带天线，腔体模型法也能通过合理设置边界条件和等效参数，有效地分析其性能。与传输线模型法相比，腔体模型法的适用范围更广，能够处理更复杂的天线结构。它不仅适用于规则形状的微带天线，对于各种不规则形状和复杂结构的微带天线也能进行较为准确的分析。然而，腔体模型法的计算过程相对复杂，需要求解较为复杂的电磁场方程，对计算能力和数学基础要求较高。2.2.3矩量法矩量法是一种基于积分方程的数值计算方法，在微带天线分析中具有广泛的应用。其基本原理是将连续的电磁场问题离散化为代数方程组进行求解。在微带天线分析中，首先需要建立天线的积分方程。以电场积分方程（EFIE）为例，根据麦克斯韦方程组和边界条件，对于微带天线的辐射贴片表面的电流分布\vec{J}，可以建立如下电场积分方程：\vec{E}_{inc}(\vec{r})=j\omega\mu\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'，其中\vec{E}_{inc}(\vec{r})为入射电场，\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')为格林函数，描述了源点\vec{r}'处的电流元在场点\vec{r}处产生的电磁场，S为辐射贴片的表面，\omega为角频率，\mu为磁导率，\varepsilon为介电常数。为了求解上述积分方程，采用矩量法将电流分布\vec{J}展开为一系列基函数\vec{f}_n的线性组合，即\vec{J}(\vec{r})=\sum_{n=1}^{N}I_n\vec{f}_n(\vec{r})，其中I_n为展开系数，N为基函数的个数。将其代入电场积分方程，并利用加权余量法，选择一组权函数\vec{w}_m，对积分方程两边同时与\vec{w}_m做内积，得到：\langle\vec{w}_m,\vec{E}_{inc}\rangle=j\omega\mu\sum_{n=1}^{N}I_n\langle\vec{w}_m,\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'\rangle+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\sum_{n=1}^{N}I_n\langle\vec{w}_m,\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'\rangle，m=1,2,\cdots,N。这样就将积分方程转化为一个线性代数方程组[Z][I]=[V]，其中[Z]为阻抗矩阵，其元素Z_{mn}=\langle\vec{w}_m,j\omega\mu\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'\rangle，[I]为电流系数向量[I]=[I_1,I_2,\cdots,I_N]^T，[V]为电压向量[V]=[\langle\vec{w}_1,\vec{E}_{inc}\rangle,\langle\vec{w}_2,\vec{E}_{inc}\rangle,\cdots,\langle\vec{w}_N,\vec{E}_{inc}\rangle]^T。通过求解这个线性代数方程组，就可以得到电流分布的展开系数I_n，从而确定辐射贴片表面的电流分布\vec{J}。得到电流分布后，就可以进一步计算天线的辐射特性。根据电磁场的辐射理论，天线的辐射电场\vec{E}和辐射磁场\vec{H}可以通过电流分布\vec{J}计算得到：\vec{E}(\vec{r})=j\omega\mu\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'，\vec{H}(\vec{r})=\frac{1}{j\omega\mu}\nabla\times\vec{E}(\vec{r})。进而可以计算出天线的辐射方向图、增益、输入阻抗等性能参数。以一个矩形微带贴片天线为例，假设采用Rao-Wilton-Glisson（RWG）基函数对电流分布进行展开。首先，将矩形辐射贴片划分为多个三角形子单元，每个子单元上的电流分布用RWG基函数表示。然后，根据上述矩量法的步骤，建立并求解线性代数方程组，得到每个子单元上的电流系数。最后，根据电流系数计算出天线的电流分布和辐射特性。通过这种方式，可以精确地分析矩形微带贴片天线的性能，并且能够考虑天线结构中的各种细节，如馈电点位置、贴片边缘的不连续性等因素对天线性能的影响。矩量法的优点是精度高，能够处理各种复杂形状和结构的微带天线，对于天线的电流分布和辐射特性能够进行精确的分析。然而，矩量法的计算量较大，尤其是对于电大尺寸的天线或复杂的多天线系统，计算时间和内存需求会急剧增加。在实际应用中，通常需要结合快速算法（如快速多极子算法等）来提高计算效率。2.3微带天线的性能参数2.3.1输入阻抗输入阻抗是微带天线的一个关键性能参数，它在天线与馈电网络的连接中起着决定性作用，直接影响着信号传输的效率和质量。从本质上讲，输入阻抗是指天线输入端的电压与电流之比，它反映了天线对馈电网络呈现的负载特性。在理想情况下，为了实现信号的高效传输，应使天线的输入阻抗与馈电网络的特性阻抗相等，这就是所谓的阻抗匹配。当阻抗匹配时，馈电网络向天线传输的功率能够最大限度地被天线接收并辐射出去，此时反射系数最小，信号传输效率最高。例如，在常见的50Ω馈电系统中，若微带天线的输入阻抗也为50Ω，就能实现良好的匹配，有效减少信号反射，提高通信质量。实际应用中，微带天线的输入阻抗受到多种因素的综合影响。首先，辐射贴片的形状和尺寸是重要的影响因素之一。以矩形辐射贴片为例，贴片的长度和宽度会改变天线的谐振频率，进而影响输入阻抗。当贴片长度增加时，天线的谐振频率降低，输入阻抗也会相应发生变化。通过调整贴片的尺寸，可以使天线在特定频率下实现阻抗匹配。此外，辐射贴片的形状还会影响电流分布，从而对输入阻抗产生影响。不规则形状的贴片可能会导致电流分布更加复杂，使得输入阻抗的计算和调整变得更加困难。介质基板的特性对输入阻抗也有着显著影响。介质基板的介电常数决定了电磁波在其中的传播速度和波长，进而影响天线的电性能。较高的介电常数会使天线尺寸减小，但同时也会改变输入阻抗。例如，采用高介电常数的基板材料，会使天线的谐振频率升高，输入阻抗降低。基板的厚度同样会影响输入阻抗。增加基板厚度可以提高天线的带宽，但也会使输入阻抗发生变化。一般来说，基板厚度增加，输入阻抗会减小。在设计微带天线时，需要综合考虑介电常数和基板厚度对输入阻抗的影响，以实现最佳的性能。馈电方式的选择对微带天线的输入阻抗有着直接的影响。不同的馈电方式，如探针馈电、微带线馈电、共面波导馈电等，会导致天线的电流分布和电场分布不同，从而使输入阻抗产生差异。探针馈电是一种常见的馈电方式，它通过在辐射贴片上插入探针来实现馈电。探针的位置和长度会影响输入阻抗。当探针靠近贴片边缘时，输入阻抗会发生变化。微带线馈电则是利用微带线将信号传输到辐射贴片上。微带线的宽度、长度以及与贴片的连接方式都会对输入阻抗产生影响。通过调整微带线的参数，可以实现对输入阻抗的调节。共面波导馈电具有低损耗、易于集成等优点，但它的输入阻抗特性与其他馈电方式有所不同。在选择馈电方式时，需要根据天线的设计要求和实际应用场景，综合考虑输入阻抗、带宽、辐射效率等因素，以实现最佳的性能匹配。2.3.2增益增益是衡量微带天线性能的重要指标之一，它反映了天线将输入功率集中辐射到特定方向的能力。从定义上来说，增益是指在相同的输入功率条件下，天线在某一方向上的辐射强度与理想无方向性天线（全向天线）在同一方向上的辐射强度之比，通常用分贝（dB）表示。增益越高，说明天线在该方向上的辐射能量越集中，信号传输的距离也就越远，通信质量也就越好。例如，在卫星通信中，高增益的微带天线能够将信号有效地传输到遥远的卫星，确保通信的稳定和可靠。增益的物理意义在于它体现了天线对辐射能量的定向控制能力。理想的无方向性天线会在所有方向上均匀地辐射能量，而实际的微带天线通过合理的设计，可以将辐射能量集中在某些特定的方向上，从而提高这些方向上的信号强度。这就好比一个手电筒，普通的手电筒光线是向四周发散的，而经过聚焦设计的手电筒可以将光线集中在一个方向上，照射得更远更亮。微带天线的增益就是通过类似的原理，将辐射能量聚焦在需要的方向上，提高信号的传输效率。提高微带天线增益的方法有多种。一种常见的方法是增加天线的尺寸。一般来说，天线的尺寸越大，其能够辐射的能量就越多，增益也就越高。例如，在基站天线中，通常会采用较大尺寸的微带天线阵列来提高增益，以覆盖更大的区域。然而，在实际应用中，天线的尺寸往往受到设备体积、安装空间等因素的限制，不能无限制地增大。采用天线阵列也是提高增益的有效手段。将多个微带天线单元按照一定的规律排列组成天线阵列，可以利用阵列的方向性原理，使各个天线单元的辐射场在特定方向上相互叠加，从而提高天线在该方向上的增益。例如，均匀直线阵列通过调整各天线单元之间的间距和相位差，可以实现对辐射方向和增益的精确控制。在5G通信基站中，常常采用大规模的微带天线阵列来提高增益，以满足高速、大容量通信的需求。优化天线的结构和参数也能提高增益。通过合理设计辐射贴片的形状、尺寸和馈电方式，可以改善天线的辐射特性，提高增益。采用特殊形状的辐射贴片，如渐变形状的贴片，可以使天线的辐射能量更加集中，从而提高增益。调整馈电点的位置和馈电网络的参数，也可以优化天线的输入阻抗匹配，提高辐射效率，进而提高增益。2.3.3辐射方向图辐射方向图是描述微带天线在空间各个方向上辐射场分布的图形，它直观地展示了天线辐射能量的空间分布特性。辐射方向图通常以极坐标或直角坐标的形式表示，其中极坐标图以天线为中心，辐射强度为半径，角度为方向，清晰地展示了天线在不同方向上的辐射强度分布。在极坐标辐射方向图中，主瓣是辐射强度最强的区域，它决定了天线的主要辐射方向。旁瓣则是主瓣周围的较小辐射区域，旁瓣的存在会导致能量的分散，降低天线的方向性。理想情况下，希望天线的旁瓣电平尽可能低，以提高能量的集中程度。不同形状贴片微带天线的辐射方向图具有各自独特的特点，这与天线的结构密切相关。以矩形贴片微带天线为例，其辐射方向图在垂直于贴片平面的方向上具有较强的辐射，呈现出较为明显的主瓣。在E面（电场矢量所在平面）和H面（磁场矢量所在平面）上，辐射方向图的形状和特性有所不同。在E面，辐射方向图相对较窄，主瓣较为尖锐，这是因为电场在该平面上的分布较为集中。而在H面，辐射方向图相对较宽，主瓣相对较平缓，这是由于磁场在该平面上的分布相对较分散。圆形贴片微带天线的辐射方向图则具有一定的轴对称性。由于圆形贴片的对称性，其辐射方向图在各个方向上的分布相对较为均匀，主瓣相对较宽。在某些特殊情况下，通过对圆形贴片进行特殊设计，如在贴片上开缝或加载寄生结构，可以改变辐射方向图的形状，使其在特定方向上的辐射强度得到增强或减弱。三角形贴片微带天线的辐射方向图也具有独特的特性。其辐射方向图的形状和主瓣方向与三角形的形状和取向有关。正三角形贴片微带天线的辐射方向图在三个角的方向上具有较强的辐射，呈现出三个主瓣的分布。而直角三角形贴片微带天线的辐射方向图则会根据直角的位置和三角形的边长比例而有所不同。天线结构的变化会直接影响辐射方向图的形状和特性。除了贴片形状外，介质基板的厚度、介电常数以及接地板的尺寸和形状等因素都会对辐射方向图产生影响。增加介质基板的厚度，会使天线的辐射方向图发生变化，主瓣可能会变宽，旁瓣电平也可能会增加。改变介电常数会影响电磁波在介质中的传播特性，从而改变辐射方向图。接地板的尺寸和形状会影响天线的电流分布和电磁场分布，进而影响辐射方向图。2.3.4带宽带宽是衡量微带天线性能的一个重要参数，它反映了天线能够有效工作的频率范围。从定义上讲，带宽是指天线的某个性能参数（如输入阻抗、增益、辐射方向图等）在规定的范围内变化时，所对应的频率范围。通常，以天线的输入阻抗在一定范围内（如电压驻波比VSWR≤2）变化时所对应的频率范围来定义带宽，这种带宽称为阻抗带宽。也可以根据天线的增益、轴比等性能参数来定义带宽，如增益带宽、轴比带宽等。带宽的表示方法通常有绝对带宽和相对带宽两种。绝对带宽是指天线能够有效工作的频率范围的差值，即最高工作频率与最低工作频率之差，单位为赫兹（Hz）。例如，某微带天线的最低工作频率为2GHz，最高工作频率为2.5GHz，则其绝对带宽为0.5GHz。相对带宽则是绝对带宽与中心频率之比，通常用百分数表示。对于上述例子，中心频率为（2+2.5）/2=2.25GHz，则相对带宽为（0.5/2.25）×100%≈22.2%。相对带宽能够更直观地反映天线带宽与中心频率之间的关系，便于对不同天线的带宽性能进行比较。微带天线的带宽相对较窄，这是其一个主要的局限性。为了展宽微带天线的带宽，研究者们提出了多种有效的途径。一种常用的方法是改变天线的结构。采用多层结构，将多个辐射贴片层叠在一起，可以引入多个谐振模式，从而拓展天线的带宽。通过合理设计各层之间的耦合关系和尺寸参数，使不同谐振模式相互叠加，实现更宽的带宽。加载寄生贴片也是一种有效的方法。在主辐射贴片周围添加寄生贴片，寄生贴片与主辐射贴片之间通过电磁耦合产生相互作用，引入新的谐振模式，拓宽天线的带宽。在主辐射贴片周围加载多个不同尺寸的寄生贴片，可以在多个频率点产生谐振，实现宽带特性。优化馈电方式也能够展宽微带天线的带宽。采用微带线馈电时，通过调整微带线的宽度、长度和馈电点的位置，可以改善天线的输入阻抗匹配，从而拓展带宽。共面波导馈电由于其独特的结构和传输特性，能够实现较好的阻抗匹配，有利于展宽带宽。一些新型的馈电方式，如渐变槽线馈电、电磁耦合馈电等，也在展宽微带天线带宽方面展现出了良好的效果。三、宽带微带天线技术研究3.1宽带微带天线的实现方法3.1.1改进馈电方式馈电方式对微带天线的性能有着至关重要的影响，尤其是在宽带特性方面。通过改进馈电方式，可以有效展宽微带天线的带宽，提升其在宽频带内的性能表现。L型探针馈电是一种常用且有效的宽带馈电方式。在L型探针馈电结构中，探针由垂直部分和水平部分组成。垂直部分与接地板相连，水平部分则与辐射贴片耦合。这种结构的独特之处在于，垂直部分及水平部分和贴片之间会产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，从而使天线频带拓宽。具体来说，当射频信号通过L型探针馈电时，探针的垂直部分会引入一定的电感，而水平部分与贴片之间的电容效应会与电感相互作用，形成一个谐振回路。这个谐振回路能够在较宽的频率范围内保持良好的阻抗匹配，从而展宽天线的带宽。以某一设计实例来说，设计一款中心频率为1000MHz的微带天线，初始采用普通探针馈电时，其带宽仅为7.5%左右。而当改用L型探针馈电后，通过对L型探针的尺寸，如水平段长度、垂直段长度，以及探针与贴片的相对位置等参数进行优化调整。最终仿真结果表明，该天线的带宽达到了32%，实现了带宽的显著拓展。在实际应用中，如在移动通信基站中，采用L型探针馈电的微带天线能够在更宽的频段内稳定工作，有效提高了基站对不同频段信号的接收和发射能力，提升了通信质量和效率。同轴探针馈电也是一种常见的馈电方式。同轴探针通过直接与辐射贴片相连，将射频信号引入天线。这种馈电方式结构简单，易于实现。然而，传统的同轴探针馈电在带宽拓展方面存在一定局限性。为了改善这一情况，可以对同轴探针的结构和位置进行优化。通过调整探针的长度和直径，可以改变其引入的电感量，从而影响天线的阻抗匹配和带宽。合理选择探针在辐射贴片上的馈电位置，也能够优化天线的电流分布，提高带宽性能。在一些设计中，将同轴探针的位置靠近辐射贴片的边缘，可以增加天线的带宽。但这种方法也需要综合考虑其他性能指标，如辐射方向图和增益等，因为馈电点位置的改变可能会对这些指标产生一定影响。3.1.2加载技术加载技术是拓展微带天线带宽的重要手段之一，其原理是在贴片或接地板上加载寄生贴片、缝隙等元件，通过改变天线的电流分布和电磁场特性，实现带宽的拓展。在贴片上加载寄生贴片是一种常见的加载技术。寄生贴片与主辐射贴片之间通过电磁耦合产生相互作用。当射频信号激励主辐射贴片时，寄生贴片会感应出电流，形成一个额外的谐振回路。这个谐振回路的谐振频率与主辐射贴片的谐振频率相互叠加，从而在更宽的频率范围内实现良好的阻抗匹配，拓展了天线的带宽。以一款加载寄生贴片的微带天线为例，该天线的主辐射贴片为矩形，在其周围加载了多个不同尺寸的寄生贴片。通过仿真分析和实验测试发现，加载寄生贴片后，天线的阻抗带宽得到了显著提升。在未加载寄生贴片时，天线的相对带宽仅为5%左右。而加载寄生贴片后，天线在两个相近的频率点处产生谐振，相对带宽拓展到了15%左右。这是因为不同尺寸的寄生贴片与主辐射贴片之间的耦合程度不同，各自产生的谐振频率也不同，多个谐振频率的叠加使得天线能够在更宽的频段内工作。在接地板上加载缝隙同样可以起到展宽频带的作用。缝隙的引入会改变接地板上的电流分布，进而影响天线的电磁场分布。当在接地板上开特定形状和尺寸的缝隙时，缝隙周围会产生感应电流，这些感应电流与贴片上的电流相互作用，形成新的谐振模式。这种新的谐振模式能够拓展天线的带宽。例如，在接地板上加载U型缝隙，U型缝隙的两端会产生较强的感应电流，这些电流与贴片上的电流相互耦合，使得天线在原有谐振频率的基础上，产生了新的谐振频率，从而实现了带宽的拓展。通过调整U型缝隙的长度、宽度和位置等参数，可以优化天线的带宽性能。在实际应用中，加载缝隙的接地板设计常用于一些对带宽要求较高的通信系统中，如卫星通信地面站天线，能够有效提高天线对不同频段卫星信号的接收能力。3.1.3多贴片结构多贴片结构是实现微带天线宽带化的另一种有效途径，其基本原理是通过不同贴片谐振频率的叠加来展宽天线的带宽。在多贴片结构中，通常包含多个不同尺寸或形状的辐射贴片。每个贴片都具有其自身的固有谐振频率。当这些贴片组合在一起时，它们的谐振频率相互叠加，使得天线能够在多个频率点上产生谐振，从而拓展了天线的工作带宽。以双层贴片微带天线为例，该天线由上层贴片和下层贴片组成。上层贴片尺寸较小，其固有谐振频率较高；下层贴片尺寸较大，固有谐振频率较低。当射频信号激励天线时，上下层贴片分别在各自的谐振频率附近产生谐振。这两个谐振频率相互叠加，使得天线能够在一个较宽的频率范围内保持良好的性能。在设计双层贴片微带天线时，需要综合考虑多个因素。首先是上下层贴片之间的距离。这个距离会影响两层贴片之间的电磁耦合强度。如果距离过小，耦合过强，可能会导致两个谐振频率过于接近，无法充分发挥多贴片结构的带宽拓展优势；如果距离过大，耦合过弱，可能无法有效激发两个谐振频率。通过电磁仿真软件进行优化设计，确定合适的贴片间距，以实现最佳的带宽性能。贴片的形状和尺寸也需要精心设计。不同的形状和尺寸会决定贴片的谐振频率和辐射特性。对于上层贴片，可以采用特殊形状，如圆形或椭圆形，以调整其谐振频率和辐射方向图。下层贴片则可以根据需要进行尺寸优化，以确保其在低频段能够产生稳定的谐振。实际测试结果表明，采用双层贴片结构的微带天线在带宽性能上有显著提升。在某一设计实例中，未采用双层贴片结构的普通微带天线，其相对带宽仅为8%。而采用双层贴片结构后，通过合理设计贴片尺寸、形状和间距等参数，天线的相对带宽拓展到了20%以上。这种带宽的提升使得天线能够更好地满足现代无线通信系统对宽频带的需求，在多个频段的通信中都能保持良好的性能表现，如在移动通信和无线局域网等领域，能够同时支持不同频段的信号传输，提高了通信系统的兼容性和可靠性。3.2L型探针耦合馈电宽带微带天线研究3.2.1L型探针的引入及作用L型探针作为一种特殊的馈电结构，在微带天线的宽带化设计中具有重要作用。其结构由垂直部分和水平部分组成，垂直部分连接接地板，水平部分与辐射贴片耦合。这种独特的结构使得L型探针在馈电过程中能够引入特殊的电磁效应。当射频信号通过L型探针馈入微带天线时，探针的垂直部分会引入电感，而水平部分与贴片之间的电容效应会与电感相互作用，形成一个谐振回路。这个谐振回路能够在较宽的频率范围内保持良好的阻抗匹配，从而有效地拓展了天线的带宽。传统的同轴探针馈电方式在带宽拓展方面存在一定的局限性，由于其单一的馈电结构，往往只能在较窄的频率范围内实现较好的阻抗匹配。而L型探针馈电方式通过引入额外的电感和电容效应，打破了传统馈电方式的限制，使得天线能够在更宽的频率范围内工作。通过仿真对比有无L型探针时的天线带宽，可以更直观地看出L型探针的作用。利用电磁仿真软件AnsoftHFSS，建立一个基本的微带天线模型，其中心频率设定为2.4GHz，介质基板采用介电常数为4.4的FR-4材料，厚度为1.6mm。首先，对采用普通同轴探针馈电的天线进行仿真，得到其驻波比（VSWR）随频率变化的曲线。从仿真结果可以看出，在VSWR≤2的条件下，该天线的带宽仅为100MHz左右，相对带宽约为4.2%。然后，将普通同轴探针替换为L型探针，对L型探针的尺寸，如水平段长度、垂直段长度，以及探针与贴片的相对位置等进行优化调整。再次进行仿真，得到采用L型探针馈电时天线的驻波比曲线。结果显示，在相同的VSWR条件下，天线的带宽拓展到了300MHz左右，相对带宽达到12.5%。通过这一对比可以明显看出，引入L型探针后，天线的带宽得到了显著提升。这是因为L型探针的电感和电容效应产生的谐振，使得天线在更宽的频率范围内能够保持良好的阻抗匹配，从而有效地拓展了天线的工作带宽。3.2.2探针位置对带宽的影响L型探针在微带天线中的位置变化对天线带宽有着显著的影响，深入研究这一影响规律对于优化天线性能具有重要意义。探针位置的改变会直接影响L型探针与辐射贴片之间的电磁耦合程度，进而改变天线的输入阻抗和带宽性能。当L型探针靠近辐射贴片的中心位置时，由于探针与贴片之间的耦合相对较弱，引入的电感和电容效应相对较小，天线的带宽相对较窄。随着探针逐渐向贴片边缘移动，耦合强度逐渐增强，电感和电容效应也随之增强。当探针位于贴片边缘的合适位置时，电感和电容效应产生的谐振能够与天线原有的谐振模式相互叠加，在更宽的频率范围内实现良好的阻抗匹配，从而使天线带宽得到显著拓展。然而，如果探针过度靠近贴片边缘，可能会导致天线的输入阻抗发生较大变化，影响天线的正常工作，甚至可能出现失配现象，使带宽反而变窄。为了准确研究L型探针位置对带宽的影响规律，利用仿真软件进行了详细的仿真分析。建立一个L型探针馈电的微带天线模型，介质基板采用介电常数为3.5的RO4003材料，厚度为0.8mm。固定L型探针的其他参数，仅改变探针在贴片上的水平位置（以贴片中心为原点，水平方向为x轴）。当探针位置x=0mm（即位于贴片中心）时，仿真得到天线在VSWR≤2条件下的带宽为150MHz，相对带宽为6.3%。当x=5mm时，带宽增加到200MHz，相对带宽提升至8.3%。继续增大x值，当x=10mm时，带宽进一步拓展到250MHz，相对带宽达到10.4%。但当x=15mm时，由于探针过度靠近边缘，天线出现失配现象，带宽反而减小到180MHz，相对带宽降至7.5%。通过这些仿真数据可以清晰地看出，随着L型探针从贴片中心向边缘移动，天线带宽先增大后减小，存在一个最佳的探针位置，能够使天线获得最大的带宽。3.2.3改进的L型探针馈电微带天线设计为了进一步提升L型探针馈电微带天线的宽带性能，提出一种改进的L型探针馈电微带天线结构。该结构在传统L型探针馈电微带天线的基础上，对辐射贴片和L型探针进行了优化设计。在辐射贴片方面，采用了一种特殊的开槽设计。在辐射贴片上开有多个不同形状和尺寸的缝隙，这些缝隙的引入改变了贴片上的电流分布。具体来说，缝隙的存在使得电流在贴片上的流动路径发生改变，形成了多个局部的电流谐振区域。这些谐振区域与L型探针产生的谐振相互作用，进一步拓展了天线的带宽。不同形状和尺寸的缝隙会对电流分布产生不同的影响，通过合理设计缝隙的形状、尺寸和位置，可以实现对天线带宽和辐射特性的精确控制。例如，在贴片的边缘开一些细长的缝隙，可以增强边缘处的电流分布，从而提高天线的辐射效率和带宽。在L型探针方面，对其结构进行了改进。将传统的单段L型探针改为多段L型探针结构，增加了探针与辐射贴片之间的耦合点。每一段L型探针都能够引入不同的电感和电容效应，这些效应相互叠加，使得天线能够在更宽的频率范围内实现良好的阻抗匹配。多段L型探针结构还可以通过调整各段探针的长度、宽度和位置，进一步优化天线的性能。例如，调整其中一段探针的长度，可以改变其引入的电感量，从而调整天线的谐振频率和带宽。利用仿真软件AnsoftHFSS对改进后的天线进行仿真分析。设置仿真参数，介质基板采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料，厚度为1.0mm。通过仿真得到改进后天线的驻波比（VSWR）、增益和辐射方向图等性能参数。仿真结果表明，改进后的天线在VSWR≤2的条件下，工作频带为2.0GHz-3.0GHz，相对带宽达到40%。在整个工作频段内，天线的增益保持在6dB以上，辐射方向图稳定，具有良好的宽带性能。为了验证仿真结果的准确性，制作了改进的L型探针馈电微带天线实物，并搭建实验测试平台。使用矢量网络分析仪测量天线的驻波比和回波损耗，利用微波暗室测试天线的辐射方向图和增益。实验测试结果与仿真结果基本吻合，在2.0GHz-3.0GHz频段内，驻波比均小于2，增益在5.5dB-7.0dB之间，辐射方向图与仿真结果一致。这表明改进的L型探针馈电微带天线结构能够有效拓展天线带宽，具有良好的实际应用价值。四、双频双圆极化微带天线技术研究4.1双频双圆极化微带天线的实现原理4.1.1双频实现方式双频微带天线的双频实现方式多种多样，其中多谐振结构和加载不同尺寸贴片是较为常见且有效的方法，它们通过独特的电磁原理来实现天线在两个不同频率上的稳定工作。多谐振结构是利用天线结构中不同部分的谐振特性来实现双频工作。以一款典型的多谐振结构双频微带天线为例，该天线在辐射贴片上加载了两个不同长度的短路探针。这两个短路探针与辐射贴片共同构成了两个不同的谐振回路。当射频信号激励天线时，较短的短路探针与辐射贴片形成的谐振回路在较高频率处产生谐振；而较长的短路探针与辐射贴片形成的谐振回路则在较低频率处产生谐振。通过合理设计短路探针的长度和位置，以及辐射贴片的尺寸等参数，使得这两个谐振频率分别落在所需的两个工作频段上，从而实现了双频工作。这种多谐振结构的优势在于，它能够通过巧妙的结构设计，在同一辐射贴片上激发不同的谐振模式，有效减小了天线的尺寸，提高了天线的集成度。加载不同尺寸贴片也是实现双频的常用技术。以一款加载不同尺寸贴片的双频微带天线设计实例来说，该天线由一个较大的主辐射贴片和一个较小的寄生贴片组成。主辐射贴片尺寸较大，其固有谐振频率较低，决定了天线的低频工作频段；寄生贴片尺寸较小，固有谐振频率较高，决定了天线的高频工作频段。当射频信号输入时，主辐射贴片在低频段产生强烈的谐振，实现低频信号的辐射；同时，寄生贴片与主辐射贴片之间通过电磁耦合，在高频段也产生谐振，实现高频信号的辐射。在设计过程中，需要精确控制主辐射贴片和寄生贴片的尺寸、它们之间的间距以及耦合方式等参数，以确保两个频段的性能都能满足要求。例如，通过调整寄生贴片与主辐射贴片之间的间距，可以改变它们之间的耦合强度，从而优化高频段的谐振性能和阻抗匹配。为了更直观地理解双频实现原理，利用电磁仿真软件AnsoftHFSS对上述加载不同尺寸贴片的双频微带天线进行仿真分析。设置介质基板采用介电常数为3.0的RO4350B材料，厚度为0.5mm。通过仿真得到天线的S11参数（回波损耗）随频率变化的曲线。从仿真结果可以清晰地看到，在低频段1.8GHz附近和高频段2.4GHz附近，天线的回波损耗均小于-10dB，表明天线在这两个频段都具有良好的阻抗匹配，能够有效地辐射电磁波。这验证了加载不同尺寸贴片实现双频工作的有效性。4.1.2双圆极化实现方式双圆极化微带天线的实现方式主要有多馈点技术和引入特殊结构等，这些方法各有其独特的原理和优缺点。多馈点技术是实现双圆极化的常用方法之一。以四点馈电为例，在辐射贴片的四个角上分别设置馈电点。通过合理控制这四个馈电点的相位差和幅度比，可以在天线辐射场中产生左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）。当四个馈电点的相位依次相差90°，且幅度相等时，在远场中就会形成圆极化辐射。具体来说，假设四个馈电点分别为A、B、C、D，按照顺时针方向排列。当A点的信号相位为0°，B点相位为90°，C点相位为180°，D点相位为270°时，在垂直于天线平面的方向上，电场矢量会随着时间以顺时针方向旋转，形成右旋圆极化辐射；反之，当相位顺序相反时，则形成左旋圆极化辐射。多馈点技术的优点是能够较为灵活地控制圆极化的旋向和轴比带宽。通过调整馈电点的相位和幅度，可以在较宽的频率范围内实现良好的圆极化性能。然而，这种方法的缺点是馈电网络相对复杂，需要精确的相位和幅度控制电路，增加了设计和制作的难度以及成本。引入特殊结构也是实现双圆极化的有效途径。以加载缝隙的辐射贴片为例，在辐射贴片上开特定形状的缝隙，如十字形缝隙。当射频信号激励天线时，缝隙的存在会改变贴片上的电流分布，使得在天线辐射场中产生两个相互正交的电场分量。通过合理设计缝隙的形状、尺寸和位置，以及辐射贴片的其他参数，使得这两个正交电场分量的幅度相等，相位相差90°，从而实现圆极化辐射。在一个具体设计中，在矩形辐射贴片上开十字形缝隙，通过优化缝隙的长度、宽度和位置，使天线在2.4GHz频段实现了良好的双圆极化性能。引入特殊结构的优点是结构相对简单，不需要复杂的馈电网络，成本较低。但是，这种方法对结构设计的精度要求较高，微小的结构参数变化可能会对圆极化性能产生较大影响，而且轴比带宽相对较窄，在某些应用场景下可能无法满足对宽频带圆极化性能的要求。4.2L型微带线耦合馈电双频双圆极化微带天线设计4.2.1天线结构设计本设计采用L型微带线对地板上圆环形缝隙耦合馈电的单层结构，旨在实现双频双圆极化特性，该结构具有结构简单、易于加工等优势，在实际应用中具有较高的可行性。天线的整体结构主要由介质基板、辐射贴片、L型微带线和接地板组成。介质基板选用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR-4材料，其厚度h设定为1.6mm。这种材料在保证一定机械强度的同时，具有良好的电气性能，能够满足微带天线的工作要求。辐射贴片位于介质基板的上表面，其形状为圆形，半径r1设置为15mm。圆形辐射贴片具有良好的对称性，能够在一定程度上简化天线的设计和分析过程，并且在实现圆极化辐射方面具有一定的优势。L型微带线是实现耦合馈电的关键部分，它位于介质基板的下表面，与接地板处于同一平面。L型微带线由水平部分和垂直部分组成，水平部分的长度L1为10mm，宽度W1为1mm；垂直部分的长度L2为8mm，宽度W2为1mm。通过调整L型微带线的尺寸，可以改变其与圆环形缝隙之间的耦合强度，从而对天线的性能产生影响。接地板上开有一个圆环形缝隙，该缝隙的内径r2为10mm，外径r3为18mm。圆环形缝隙与L型微带线相互配合，通过电磁耦合的方式将射频信号从L型微带线传输到辐射贴片上。圆环形缝隙的尺寸和位置对天线的谐振频率和辐射特性有着重要的影响，需要通过精确的设计和优化来确定。为了更直观地展示天线的结构，图1给出了天线的三维结构示意图：[此处插入天线的三维结构示意图]从图中可以清晰地看到各部分的结构和位置关系，辐射贴片位于介质基板上方，L型微带线和圆环形缝隙位于介质基板下方的接地板上，这种结构布局紧凑，有利于实现天线的小型化。4.2.2耦合点分析与设计在L型微带线耦合馈电双频双圆极化微带天线中，L型微带线与圆环形缝隙重合形成的耦合点起着至关重要的作用，它们是实现双频双圆极化辐射的关键因素。L型微带线与圆环形缝隙重合形成了两个耦合点，分别记为C1和C2。这两个耦合点在激励天线的谐振模式中扮演着核心角色。当射频信号通过L型微带线传输时，在耦合点C1和C2处，L型微带线的电磁场与圆环形缝隙的电磁场相互作用，产生电磁耦合。这种耦合作用使得射频信号能够有效地从L型微带线传输到圆环形缝隙，进而激励起圆环形缝隙的谐振。在高频段，耦合点C1和C2共同作用，激励起圆环形缝隙的一种特定谐振模式，使得天线在该频段实现右旋圆极化辐射。具体来说，在高频段，C1和C2处的耦合电场和磁场相互叠加，形成一个旋转的电磁场，其电场矢量在空间中以右旋的方式旋转，从而产生右旋圆极化辐射。在低频段，同样是这两个耦合点，激励起圆环形缝隙的另一种谐振模式，使得天线在该频段实现左旋圆极化辐射。此时，C1和C2处的耦合电磁场以不同的方式相互作用，形成左旋旋转的电场矢量，产生左旋圆极化辐射。耦合点的位置和数量对天线性能有着显著的影响。通过改变耦合点的位置，可以调整L型微带线与圆环形缝隙之间的耦合强度和相位关系，从而改变天线的谐振频率和辐射特性。如果耦合点过于靠近圆环形缝隙的中心，耦合强度可能较弱，导致天线的辐射效率降低；而如果耦合点过于靠近缝隙边缘，可能会引起较强的边缘效应，影响天线的性能稳定性。耦合点的数量也会对天线性能产生影响。增加耦合点的数量可以增加天线的激励模式，从而有可能拓展天线的带宽和改善圆极化性能。然而，过多的耦合点也会增加天线结构的复杂性和设计难度，同时可能会引入更多的干扰和损耗。因此，在设计过程中，需要综合考虑耦合点的位置和数量，通过仿真和优化，找到最佳的设计方案，以实现天线在双频双圆极化性能方面的最优表现。4.2.3性能仿真与测试为了全面评估L型微带线耦合馈电双频双圆极化微带天线的性能，利用电磁仿真软件AnsoftHFSS对其进行了详细的仿真分析，并制作了天线实物进行实际测试。在仿真过程中，设置仿真参数，如介质基板的材料参数、各部分的尺寸等，与实际设计一致。通过仿真得到了天线在不同频率下的轴比、增益等性能指标。图2展示了天线的轴比仿真结果：[此处插入天线轴比仿真结果图]从图中可以看出，在低频段2380MHz-2460MHz范围内，天线的轴比小于3dB，满足圆极化的要求，实现了左旋圆极化辐射。在高频段4180MHz-4220MHz范围内，轴比同样小于3dB，实现了右旋圆极化辐射。这表明天线在两个指定频段都具有良好的圆极化性能。图3给出了天线的增益仿真结果：[此处插入天线增益仿真结果图]在低频段，天线的增益在5dB-6dB之间，能够满足一些对增益要求不是特别高的应用场景。在高频段，增益在6dB-7dB之间，相对较高，有利于信号的远距离传输。为了验证仿真结果的准确性，制作了天线实物，并搭建了实验测试平台。使用矢量网络分析仪测量天线的回波损耗和阻抗带宽，利用微波暗室测试天线的辐射方向图、轴比和增益等性能指标。图4为天线实物照片：[此处插入天线实物照片]实验测试结果与仿真结果基本吻合。在低频段，天线的实测轴比在2380MHz-2460MHz范围内小于3dB，实现了左旋圆极化辐射，轴比的相对带宽为3.3%。在高频段，实测轴比在4180MHz-4220MHz范围内小于3dB，实现了右旋圆极化辐射，轴比的相对带宽为0.95%。实测增益在低频段为4.5dB-5.5dB，高频段为5.5dB-6.5dB。虽然实测结果与仿真结果存在一定的偏差，这主要是由于制作工艺的误差以及测试环境的影响，但总体来说，天线在双频双圆极化性能方面达到了设计要求，具有良好的应用前景。五、宽带及双频双圆极化微带天线的应用5.1在无线通信系统中的应用5.1.1基站通信在现代无线通信系统中，基站作为核心基础设施，承担着与移动终端进行无线信号传输和交换的重要任务，其通信质量和容量直接影响着用户的通信体验。宽带及双频双圆极化微带天线凭借其卓越的性能，在基站通信中发挥着至关重要的作用，成为提升基站通信能力的关键技术之一。以5G基站为例，5G通信系统具有高速率、低时延、大连接的特点，这对基站天线提出了极高的要求。宽带特性是5G基站天线不可或缺的性能之一。5G通信涵盖了多个频段，包括Sub-6GHz和毫米波频段。宽带微带天线能够在更宽的频率范围内保持良好的性能，支持多频段信号的同时传输。在Sub-6GHz频段，宽带微带天线可以有效地覆盖多个5G频段，如n78（3.3GHz-3.8GHz）、n79（4.4GHz-5.0GHz）等。通过采用宽带微带天线，5G基站能够在这些频段上实现高效的信号传输，提高通信系统的频谱利用率。在传统的窄带天线中，每个频段可能需要单独的天线进行收发，这不仅增加了基站的成本和复杂度，还会导致天线之间的相互干扰。而宽带微带天线可以整合多个频段的功能，减少天线数量，降低系统成本，同时提高了通信系统的稳定性。双频特性在5G基站通信中也具有重要意义。5G网络通常需要与现有的4G网络协同工作，以实现无缝覆盖和业务连续性。双频微带天线可以同时工作在5G频段和4G频段，满足不同用户设备的接入需求。例如，一些用户设备可能只支持4G网络，而另一些则支持5G网络。双频微带天线可以在4G频段（如1.8GHz-2.6GHz）和5G频段（如3.5GHz）上同时工作，确保不同类型的用户设备都能与基站进行稳定的通信。这有助于加快5G网络的部署和普及，提高用户的通信体验。双圆极化特性进一步提升了5G基站的通信性能。圆极化波在传播过程中具有抗多径衰落和极化失配的优势。在复杂的城市环境中，信号会受到建筑物、地形等多种因素的反射和散射，产生多径效应。采用双圆极化微带天线，基站可以同时发射左旋圆极化波和右旋圆极化波。当移动终端接收到不同极化方向的信号时，能够有效减少多径衰落的影响，提高信号的接收质量。双圆极化技术还可以实现不同极化信号的复用，提高通信系统的容量。在5G基站中，通过将不同业务的信号分别调制到左旋圆极化波和右旋圆极化波上，可以在相同的频率资源上传输更多的数据，满足用户对高速数据传输的需求。5.1.2移动终端通信在移动终端通信领域，宽带及双频双圆极化微带天线同样扮演着不可或缺的角色，为实现多频段通信和抗干扰提供了有力支持，极大地提升了移动终端的通信性能和用户体验。随着移动通信技术的不断发展，移动终端需要支持越来越多的通信频段，以满足用户在不同场景下的通信需求。例如，智能手机不仅需要支持2G/3G/4G/5G等移动通信频段，还需要支持WiFi、蓝牙等短距离无线通信频段。宽带及双频微带天线能够在多个频段上工作，实现移动终端的多频段通信功能。以一款支持5G和WiFi6的智能手机为例，其内置的宽带及双频微带天线可以在