摘要 隨著現(xiàn)代移動通信技術的發(fā)展和軍事上的需求，通信天線正向著小型化、多功能(多頻段、多極化和多用途)的方向發(fā)展。而微帶天線以其剖面薄體積小成本低等優(yōu)點而被廣泛應用于無線通信系統(tǒng)。本文剖析了當代微帶天線研究的情況，對其發(fā)展過程做了回顧，提出了有待發(fā)展的方面，總結(jié)了現(xiàn)在國內(nèi)外比較流行的幾種微帶天線小型化的集中方法，并分析了每一種的優(yōu)缺點。

關鍵詞微帶天線;小型化

中圖分類號TN82文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2009)111-0028-02

微帶天線的概念早在1953年就由Deschamps提出。從70年代起，微帶天線隨著應用領域的快速擴展而開始被廣泛的研究和使用。

當代，隨著移動通信系統(tǒng)業(yè)務的不斷增加，通信設備不斷向小型化發(fā)展，對天線體積，集成化及工作頻段的要求也越來越高。在某些通信場合，所用的頻段很低，例如低于1GHz，有時甚至只400-500MHz，此時傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸偏大。為此必須采用一定措施進一步減小微帶天線的尺寸?，F(xiàn)代移動通信要求天線能具有多頻段(或?qū)掝l帶)工作的能力。設計出實用的小型化，多頻度微帶天線己經(jīng)成為一個迫切的要求。研究和設計性能優(yōu)良的小型化多頻段微帶天線是本論文的主要工作。在必須考慮大小、重量、價格、特性要求、易安裝以及符合氣體動力外觀等因素的高性能飛機，衛(wèi)星以及全球定位系統(tǒng)，移動通訊和無線通訊等諸多高度發(fā)展的應用中都需要具有低剖面，能平貼于任何平面或曲面的外觀特性，易制作，而且易與微波集成電路集成等優(yōu)點的微帶天線。而微帶天線本質(zhì)上所具有的高品質(zhì)因數(shù)，窄頻帶，低效率等缺點也大大限制了它們的應用。因此，越來越多的研究投入放在如何改善它們的缺點，充分利用它們的優(yōu)點，使它們更適合于實際的應用上。

早期發(fā)展的結(jié)構為堆疊式與共平面式的結(jié)構，之后隨著頻率比，極化要求以及整體天線體積上的要求，并配合不同的饋入方式而有各種不同設計結(jié)構出現(xiàn)。例如有使用多個寄生元件或兩個獨立輻射元件的結(jié)構，有利用單一饋源或同時使用兩個獨立饋源在不同位置的設計，也有利用植入電抗性負載的設計，這些電抗性負載廣義而言包括短路同軸微帶，嵌入的微帶線，短路棒，變?nèi)荻O管，槽孔等等。在解決微帶天線窄頻帶特性的問題上，各種設計不斷推陳出新，所利用的方法也不斷被開發(fā)并互相結(jié)合。例如有使用低介電常數(shù)的厚介質(zhì)基底的設計，植入貼片電阻等損耗性元件的設計，植入集成式電抗性負載的設計，在饋入端設計匹配網(wǎng)絡，堆疊結(jié)構的設計，寄生元件的設計，植入槽孔以及利用槽孔耦合饋電的方式等等。

但是上述方法也存在不足，有時會影響天線其它性能指標。例如，使用短路探針加載，在縮減天線尺寸的同時，也帶來一些缺點，一方面使阻抗匹配依賴于短路探針的位置及其饋電點的距離，給制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是帶寬縮減，如若使用電抗性元件加載同樣會造成帶寬縮減，如若使用電阻性器件，雖然有助于展開頻帶，但是電阻性元件對能量的消耗將降低天線的效率。因此 ， 如果采用新的技術在實現(xiàn)小型化微帶天線多頻段，寬頻帶工作性能的同時，兼顧其它天線性能指標，如效率，增益，極化等，成為研究的熱點和難點。

1 微帶天線小型化的方法

1.1采用特殊材料基片

增大基片厚度，降低基片的介電常數(shù)，可以有效的展寬帶寬。從天線諧振頻率關系式可以知道，諧振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比，因此采用高介電常數(shù)(如陶瓷材料)或高磁導率(如磁性材料)的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。這類高介質(zhì)天線的主要缺陷是:(1)激勵出較強的表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。(2)帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋介質(zhì)如圖1所示。

采用鐵氧體材料制成的微帶天線實現(xiàn)小型化的同時，且在較寬頻帶范圍內(nèi)頻率可調(diào)(可達40%)，但鐵氧體在微波頻段損耗很大。有機高分子磁性材料在寬溫度范圍內(nèi)電感和磁性能穩(wěn)定，由其設計成的微帶天線可顯著減小尺寸，但損耗大，增益低。

1.2 天線加載

在微帶天線上加載短路探針，可以提高諧振頻率以調(diào)諧天線。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻，在進一步降低諧振頻率的同時還可以增加帶寬。通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現(xiàn)小型化，典型結(jié)構如圖2所示。天線的諧振頻率主要取決于短路探針的粗細和位置 ，天線尺寸可縮減 50%以上。其缺點是: (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ，往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。(2)帶寬窄。(3)H 面的交叉極化電平相對較高。

將短路探針替換為低阻抗的切片電阻，在進一步降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。隨加載電阻增大，天線品質(zhì)因素降低，帶寬展寬，制造公差降低，但這些性能的提高以犧牲增益為代價。一般地，若加載1Ω切片電阻，增益下降約1.5dB。此外，加載切片電容也可有效降低諧振頻率，減小天線尺寸，但帶寬有所減小。

1.3 表面開槽

當在貼片表明開不同形式的槽或者細縫時(如圖3所示)，切斷了原先的表面電流路徑，是電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當于引入了級聯(lián)電感。由于槽很窄，它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。選擇是黨的槽從而控制貼片表面電流以激勵相位差90°的極化簡并模，還可形成圓極化輻射，以及實現(xiàn)雙頻工作。圖4為表面開槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線。

這類天線結(jié)構簡單，成本低廉，加工方便，其特點是:隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減少，但尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬(一般約為1%)與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶寬這兩個限制，開發(fā)實用化、易調(diào)諧的此類天線尚待深入研究。

1.4 附加有源網(wǎng)絡

縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低。在微帶天線中加入有源網(wǎng)絡，使微帶天線的相對帶寬達到50%，并且在寬頻帶內(nèi)微帶天線的輸入阻抗都得到了很好的匹配。可利用有源網(wǎng)絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降。有源天線具有以下良好特性:⑴工作頻帶寬。利用有源網(wǎng)絡的高輸出阻抗，低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達20~30。⑵增益高(可達10dB以上)，方向性好。⑶便于實現(xiàn)阻抗匹配。⑷易實施天線方向圖，包括主播方向、寬度、前后輻射比等的電控。⑸有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。

1.5 采用特殊形式

一些形狀的微帶貼片天線可以拓展頻帶和實現(xiàn)天線的小型化。例如蝶形，倒F形，倒三角形，L形，E形，雙C形等等。

2總結(jié)

總的來說，各種方法都存在缺陷，所以一般為了改善天線的性能，常綜合采用多種方法。天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，相輔相成，必須在這幾項指標之中尋求適應特定需要的最佳平衡點，來適應實際的需要。隨著科技的發(fā)展，更加精巧的微帶天線將在科研工作者的奮斗中誕生，功能將日趨完善應用也更加廣泛。

參考文獻

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作者簡介:

袁小燕(1983- )，女，蒙古族，江蘇南京人， 南京信息職業(yè)技術學院助教，學士，主要研究方向:微波通信。