小型化微带天线的研究电子版本.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。小型化微带天线的研究-摘要近年来，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化和宽频带的要求。而微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻.等优点，得到广泛的应用。但是，低增益、窄带宽的缺陷也限制了微带天线的使用。因此本文对微带天线最基本的小型化技术、宽频带技术进行了探讨、分析和归纳。在设计过程中，采用ANSOFT公司的电磁仿真软件AnsoftHFSS，结合宽频带的设计方法，提出了一些简单的微带天线结构。关键词：微带天线宽频带小型化AbstractInrecentyears，the

2、demandformminiaturization，multibandandbroadbandhasbeenpresentedwithrapiddevelopmentofmobilecommunications.Therefore，thesizeoftheantennaisrequiredtobeassmallaspossible.Microstripantennashaveseveraladvantagesoverconventionalmonopole-likeantennaformobilehandsets.Theyarelesspronetodamage，compactintotals

3、izeandaestheticfromtheappearancepointofview.Unfortunately，someshortcomingsofMicrostripantennassuchaslowgain，smallbandwidth，etc，makethemunfitforpracticalapplication.Thereforethispaper，thebasicmicrostripantennaminiaturizationtechnologies，broadbandtechnologiesarediscussed，analyzedandsummarized.Duringth

4、edesignprocess，TheuseofelectromagneticsimulationsoftwareofANSOFTcompanyAnsoftHFSS，Madeanumberofsimplemicrostripantennastructurecombinationofbroad-banddesignmethod.Keywords:Microstripantenna，Broadband，Smaller目录第一章绪论11.1微带天线简介11.2国内外研究微带天线的宽频带技术21.3微带天线小型化方法31.4本文主要内容3第二章微带天线基本理论及分析方法52.1微带天线简介52.2微带天

5、线的优缺点与应用62.3微带天线的结构和分析方法82.4微带天线的结构82.4.1微带天线的辐射结构82.4.2微带天线的馈电结构112.5微带天线的分析方法142.5.1解析方法142.5.2数值方法15第三章微带天线的小型化及宽频带技术173.1微带天线的小型化技术173.1.1概述173.1.2微带天线小型化方法183.1.3微带天线的小型化设计与分析213.2微带天线宽频带技术263.2.1概述263.2.2选择合适的介质基片与贴片273.2.3阻抗匹配技术283.2.4电阻性加载技术293.2.5多模技术303.2.6在贴片或接地板上“开窗”的办法31第四章微带天线的宽频带设计33第

6、五章结束语37致谢39参考文献41第一章绪论随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性(常规微带天线约为2%左右)在很

7、多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。本论文的主要工作就是提出这类天线的一些简单设计方法。1.1微带天线简介早在1953年箔尚(GADcDhamps)教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972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需求，芒森(REMunson)和豪威尔(JQHowell)等研究者制成了第一批实用的微带天线。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥

8、州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。1.2国内外研究微带天线的宽频带技术微带天线的固有缺点就是阻抗频带窄，展宽频带是最困难也是最富有挑战性的技术之一，随着移动通信系统、全球定位系统(GPS)、卫星通信系统的发展，宽频带微带贴片天线的研究己成为了非常热门的课题，同时宽带微带

9、贴片天线将逐渐向着小型化，简单化同时具有多功能、多用途的方向发展。近年来，人们在微带贴片天线展宽频带方面做了大量的研究微带天线的宽频带技术主要采用以下几种方法实现。A.有空穴结构的宽带微带贴片天线。B.采用多层介质基片微带天线的结构，将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基片上，这样可以获得宽频带的驻波比特性。图3.1电磁耦合的双层微带天线图3.2附加调协枝节的微带天线C.U形缝隙结构的宽带微带贴片天线结构图如下：图4-1俯视图图4-2侧面图1.3微带天线小型化方法随着无线通信事业的飞速发展，微带天线的尺寸与其它通信器件相比尺寸越来越大，显得越来越不相适应，因此要求进一步缩小微带天线的尺寸，经

10、过许多学者的研究，发展了各种各样的缩小微带天线的新方法，本节简单介绍如下。A.加载短路探针通过与馈电接近的短路探针在谐振中引入耦合电容实现小型化B.采用高介电常数的材料基片从天线谐振频率关系式可以看出谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料)基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。C.表面开槽23-25当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时，切断了原来的表面电流途径，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究，但是其中还是存在了很多问题，其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制，必须权衡利弊。1.4本文主要内容本论文主要

11、针对如何实现微带天线宽频带、小型化展开了比较全面的分析研究，同时提出了几种新型结构的微带天线设计，全文共分为以下几个方面：第一章为绪论部分，主要是简单的介绍了当前微带天线的是宽频带、小型化研究状况以及存在的问题，在此调研的基础上提出了自己的研究方向。第二章简单介绍微带天线的基本理论以及分析方法第三章讨论微带天线小型化、宽频带的各种方法，并具体提出了一种小型化方法并附有设计与分析。第四章主要提出了一种新型宽频带。通过理论分析以及仿真软件辅助设计，特别是应用AnsoftHFSS全真分析软件，对于天线的重要参数以及这些参数对增加天线带宽的影响都给出了具体定量的分析，最后得到了比较理想的结果。第五章结

12、束语，主要是对本论文的工作进行总结和展望，希望本论文的工作对于以后相关研究能提供一点借鉴和启示。第二章微带天线基本理论及分析方法本章主要介绍了微带天线的各种结构形式和基本分析方法，2.1微带天线简介微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般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，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结构如图2.1所示（a）微带贴片天线（b）微带振子天线（c）微带行波天线（d）微带缝隙天线图2.1微带天线的典型结构通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属

13、于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线，如图1-3(a)、（b)所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称之为微带线型天线，如图1-3(c)所示，这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如带状线)对其馈电，称之为微带行波天线，如图1-3(d)

14、所示。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。2.2微带天线的优缺点与应用与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：(1)体积小，重量经；(2)平面结构，并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构；(3)馈电网络可与天线结构一起集成，适合于用印刷电路技术进行大批量生产；(4)能与有源器件和电路集成为单一的配件；(5)便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；(6)没有作大的变动，天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。(7)天线的散射截面较小；(8)稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)。(9)微带天线适合于组合式设计(固体器件，如

15、振荡器、放大器、混频器、功分器、移相器、可变衰减器、调制器、开关等可以直接加到天线基片上)；(10)馈线和匹配网络可以和天线结构同时设计和加工。但是与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：1)频带窄；2)有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；3)功率容量较小，适用于中、小功率场合；4)性能受基片材料影响大；5)馈线与辐射元之间的隔离差；尽管如此，有一些方法可以用来减小某些缺点。例如，采用一些宽频带技术可以有效地展宽频带；在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。在许多实际设计中，微带天线的优点远超过它的缺点。甚至在仍被认为是微带天线发展幼年时期的80年代

16、时，微带天线已有多种成功的应用。随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用需求，可以预料，对于大多数的应用，它将最终取代常规的天线。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：卫星通讯；多普勒及其它雷达，无线电测高计，指挥和控制系统导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收天线；生物医学辐射器；等等。相信随着对微带天线应用可能性认识的提高，以及各种电路系统对天线的小型化集成化要求的提高，微带天线的优点日益凸显，其应用场合将会继续增多。2.3微带天线的结构和分析方法在对微带天线有了一个初步的了解之后，接下来我们将对微带天线的结构和分析方法做一个简单的介绍。其中

17、结构包括天线的辐射结构和馈电结构，而分析方法分为解析方法和数值方法两大类。对不同的微带天线的机构和分析方法的理解和运用将对我们进行微带天线单元的设计起到很重要的指导作用。2.4微带天线的结构2.4.1微带天线的辐射结构微带天线根据结构的不同而大体上可以分为四类：微带贴片天线、微带振子天线、微带线型天线和微带缝隙天线。它们具有不同的特点和使用范围，其中贴片天线由于其分析和设计方便且具有很多优良的电特性而在实际中应用最广。2.4.1.1微带贴片天线微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地板，其典型结构如图1-3（a）所示。它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周与地板之

18、间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。微带贴片天线具有很多优点：分析和设计简单，可以实现各种极化形式，可以多频段工作，制作方便，等等。故一般的微带天线多是这种形式，我们将在第三节对它进行详细的介绍。2.4.1.2微带振子天线对于微带贴片天线，当贴片的宽度变窄时，其输入阻抗随之增加。因此当贴片的宽度接近微带馈线的宽度时，贴片天线则难于匹配使得天线的辐射特性变得很差。而微带振子天线则利用耦合馈线很好地解决了这一问题。图2-1给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线，微带振子的长度约为半个波长，宽度与微带馈线的宽度相同。微带振子与其下方的微带馈线有一部分相互交叠从而耦合能量，调整此交叠部分的面

19、积从而改变馈线与微带振子的耦合量便可以调整天线谐振时的输入阻抗。对于此微带振子天线，我们也可以将馈线变化为槽线。此外，还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。当微带振子很窄且基片厚度远小于介质波长或微带振子的长度等于谐振长度时，我们可以假设微带振子上的电流满足余弦分布，从而得到其辐射特性。对于更一般的情况，则可以采用矩量法得出关于微带振子和地板上更准确的电流分布从而计算天线的辐射场。图2-1电磁耦合馈电的微带振子天线2.4.1.3微带行波天线（a）三角线（b）弯角线（c）链式线（d）城墙线图2-2几种常见的微带线型天线形式微带线型天线是利用微带线的形变（如弯曲、拐角等），由微

20、带线的不连续点或弯曲点来形成辐射。它们一般都端接匹配负载，沿线传输行波，故又被称为微带行波天线，其波瓣可以指向从端射到边射的任一方向。图2-2给出了几种常见的微带线型天线结构。与行波天线相对应的是微带驻波天线，其终端一般为开路或短路，波瓣一般指向边射方向。微带行波天线可等效为一种沿微带线延伸方向一边传输能量一边辐射能量的传输线段，用一个复传播常数来表征，其中实部给出了导行波的相位信息而虚部则给出了沿线辐射所等效的衰减。采用等效磁流法来进行近似分析。此时微带线上不连续点或弯曲点的辐射用微带线两侧的磁流来等效，且一般对于微带线型天线，其微带线的宽度远小于波长，因此直微带线上的寄生辐射可以忽略，且不

21、连续点或弯曲点处微带线两侧磁流的辐射可用位于中心线的单个磁流来等效。因此微带行波天线也可以视为一个串联馈电的阵列，其辐射单元便是各个不连续点或弯曲点。利用矢位法可计算出辐射场进而得到其它的天线电参数。更严格的方法可以采用数值方法，如基于积分方程的矩量法等，由天线结构建立电流积分方程，解算出电流分布便可计算出辐射场。2.4.1.4微带缝隙天线在1.2小节微带天线简介中，图1-3示出了一种典型的微带缝隙天线结构。它是利用在微带结构的地板上刻蚀的缝隙来辐射能量。对于窄缝（缝宽比缝长小很多）结构，可以看作与微带振子天线互补。与微带贴片天线相比，其优点是交叉极化电平低。但由于缝隙本身电抗的影响，其驻波带

22、宽一般比较窄，且是双向辐射的，不过这可以通过在介质基片的另一侧增加地板来消除背向辐射。微带缝隙天线的分析可以由等效磁流利用矢位法来计算辐射场，进而得到其它的天线电参数。现在已经出现了各种不同形式的微带缝隙天线结构，如图2-3所示。图（a）为附加了地板的微带缝隙天线，消除了背向辐射，采用带状线就可以方便地实现馈电。图（b）可以视为矩形排列的四元缝隙阵列，利用共面波导线来馈电。图（c）为微带线馈电的微带缝隙天线，其终端的开路枝节用于改善天线的匹配。图（d）是用槽线馈电的宽缝，其频带较宽但交叉极化较大。图（e）可视为共轴排列的微带缝隙天线，利用共面波导线来馈电。图（f）为微带线馈电的圆环缝隙，若缝隙

23、改为长短轴相近的椭圆环，并合理设置馈电位置，还可以实现在边射方向上的圆极化辐射。图2-3微带缝隙天线结构图2.4.2微带天线的馈电结构微带天线的馈电会影响到其输入阻抗进而影响天线的其它性能，因而它对微带天线的设计至关重要。微带天线的馈电方法有很多种，我们从贴片与馈线是否有金属导体接触的角度出发将其分为直接馈电和间接馈电两大类。其中直接馈电包括同轴探针馈电和微带线馈电，这两种方法因为设计简单而在实际微带天线的设计中使用最多。而间接馈电则包括电磁耦合馈电、孔径耦合馈电和共面波导传输线馈电。下面我们就分别对这几种馈电形式的结构和特点进行介绍，并在图2-4分别给出了各种馈电形式的结构图。同轴馈电（b）

24、微带线馈电（c）电磁耦合馈电（d）孔径耦合馈电（e）共面波导馈电图2-4微带天线的馈电形式2.4.2.1直接馈电a.同轴馈电同轴馈电也称为探针馈电，它是将同轴线的外导体与天线的地板相接，而内导体直接与贴片连接。其优点是同轴线可以根据天线输入阻抗的匹配需求而放置在贴片下面的基片中的任何位置。其缺点是需要在介质基片中钻孔以满足内导体的连接需求，同时该馈电形式需要一个向地板外面突出的连接器，这就有碍于微带天线的集成一体化设计，天线整体结构的非对称性会使得交叉极化相对较大。此外，对于基片比较厚的贴片天线，探针长度的增加会使得探针的阻抗呈现比较大的感抗，从而给天线与馈线的匹配带来困难；此外对于相对介电常

25、数大的基片，厚度增加还可能导致表面波的激励，从而降低了天线的辐射效率。不过这可以通过一些变形的探针馈电形式加以弥补，如探针馈电等，通过探针顶部连接的金属片对贴片进行电容耦合馈电，从而降低了探针的长度要求，改善了天线的匹配，提高了辐射效率。b.微带线馈电微带线馈电利用集成电路制造技术而将微带馈线与贴片刻蚀在一起，因而结构简单，易于制作。其缺陷是直接与贴片相连接的馈线会产生一部分辐射。随着天线工作频率的升高，当馈线尺寸变得可以与贴片尺寸相比拟时，馈线的干扰辐射将进一步加剧，由此会导致性能的恶化。2.4.2.2间接馈电通常为了展宽微带天线的频带会使用比较厚的介质基片，这就会给以上两种直接馈电方法带来

26、问题。对于同轴馈电的情形，探针长度的增加会使得输入阻抗呈现出更大的感性，这将给天线的匹配带来问题。而对于微带线馈电，由于特性阻抗的制约，基片厚度的增加会导致微带线上金属导带宽度的增加，这将加剧馈线产生的干扰辐射。下面介绍的这几种间接馈电方法可以解决这些问题。a.电磁耦合馈电电磁耦合馈电形式将馈线放置在地板和贴片之间，中间分别填充两种介质。这种馈电结构消除了馈电网络的干扰辐射，又因天线介质基片的总体厚度的增加而展宽了天线的带宽。此外，还可以分别调节两种填充介质的参数以优化馈线和贴片各自的性能。其主要缺点是天线的性能对贴片和馈线的位置敏感。b.孔径耦合馈电电磁耦合馈电结构中，馈线和贴片位于地板的同

27、一侧，而对于孔径耦合馈电，二者分居地板两侧。电磁场通过在地板上切割的电长度较小的孔径或槽从微带馈线耦合到辐射贴片上。孔径通常位于贴片的正下方，以利用结构的对称性来抑制交叉极化电平。耦合孔径的形状、尺寸和位置决定了电磁场由馈线到贴片的耦合度。槽型耦合孔径的尺寸可以是谐振的，也可以是非谐振的。对于谐振尺寸的槽型耦合孔径，它可以为天线提供另外一个谐振频率从而有效展宽了天线的频带，但是这要以增加天线的背向辐射为代价。因此非谐振尺寸的槽型耦合孔径应用比较多。这种馈电形式对于馈线和贴片位置误差的敏感度相对比较低，而且天线的带宽比较宽。与电磁耦合馈电相似，也可以分别选择两层介质基片的参数来优化各自的性能。c

28、.共面波导线馈电共面波导线馈电的形式如图2-4（e）所示。在这种结构中，共面波导线刻蚀在天线的地板上，由同轴探针激励，终止处是一个槽。这种馈电方法的主要缺点是相当长的槽会产生比较强的辐射，从而导致天线的前后辐射比很差。其前后辐射比可以通过减小槽的尺寸和改变槽的形状来加以改善。2.5微带天线的分析方法微带天线的分析方法有很多，但是大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。第一类方法基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，包括传输线模型（Thetransmissionlinemodel）、腔体模型（Thecavitymodel）、多端网络模型（MultiportNetworkModel）等。而第

29、二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量法（methodofmoments）、有限元法（finite-elementmethod）和时域有限差分法（finite-differenceintimedomain）等。2.5.1解析方法天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得

30、了广泛的应用。a.传输线模型传输线模型很简单，并且有助于理解微带天线的基本特性，因此首先介绍这种模型方法。在这种模型中，微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。b.腔体模型如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在一维下近似的话，那么腔体模型就可以称为二维

31、近似。因为腔体模型基于一维电小的基本假设（即介质基片的厚度远小于波长），将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是电壁而四周是磁壁的谐振空腔。在腔体中，场沿基片厚度方向保持不变，并且它是该等效的二维谐振器中所有谐振模式之和。天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔四周的等效磁流来得到。c.多端网络模型多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展，在这种模型中，贴片被等效为一个具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。通过二维格林函数可以计算出该网络的多端阻抗矩阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和辐射场联系起来，然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵，由贴片四周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效

32、磁流计算出辐射场。利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片天线中获得应用。2.5.2数值方法虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义，但是它们不能用来分析任意形状的微带天线，同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方法提出了考验。然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路，即依据微带天线的电磁场边值问题，将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代数方程。由此也产生了多种数值方法，它们各具有一些优缺点和适用性，这里我们仅介绍几种典型的分析方法。矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板上的表面电流的积分方程，然后利用函数展开法将此

33、积分方程转化为矩阵方程，利用计算机便可得出近似解。矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高的精度。b.有限元法有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元（如在二维结构中选取三角形单元，在三维结构中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电磁场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的插值，根据变分原理或迦略金方法便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程，利用计算机便可方便求解该代数方程。有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点，但是其求解精度要受求解区域剖分精细程度的影响。c.时域有限差分法时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦

34、方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件，便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间的频域解。时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带范围内特性。但是其数值解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。第三章微带天线的小型化及宽频带技术3.1微带天线的小型化技术3.1.1概述现代电磁学历经三百多年的发展，日臻成熟完善。天线作为实现无线电应用的关键设备，顺应通信、广播、雷达、制导等

35、无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展。今昔对比，天线在功能、设计及制造工艺上都发生巨大变化。然而微电子技术与大规模集成电路迅猛发展，使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题日渐突出，因而对能与设备大小协调且具有有效电性能的小天线的需求愈加迫切。以移动通信和个人通信为例，目前广泛应用于移动通信设备的单极天线和螺旋天线有许多缺点:(1)不能集成到设备外壳上，尺寸大，易损坏；(2)辐射效率低，难于屏蔽，人体对天线的性能影响较大；(3)天线对人体尤其是脑部有较大幅射，局部峰值甚至超出ANSI/IEEEC95.121992标准规定的限制；(4)仅有一种极化特性，电气性能较差；(5)需要匹配电路，损耗

36、大，成本高。而若采用微带天线，则拥有以下颇具特色的优点:(1)便于与机身共形，集成到设备的印制电路板或外壳上，制成内置式，不易损坏，不额外增加设备尺寸；(2)可采用高水平的屏蔽技术来屏蔽天线，使天线几乎不受人体的影响，同时大大削减天线辐射对人体的危害；(3)馈电方方式多样化，易获得阻抗匹配，不需匹配电路或平衡转换器，不存在天线与射频电路之间的物理限制；(4)易设计出移动电话使用的双频或多频天线。此外，小型化微带天线还可用于PCMCIA通信卡和无线调制解调器中，为笔记本电脑等便携设备提供通信能力。然而遗憾的是，在较低频段(VHF/UHF)，传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。这样，实用化小型微带天

37、线的研制，特别是用作第三代移动通信(3G)系统、蓝牙(Bluetooth)系统及无线定位系统的天线，成为国内外研究热点。与普通微波天线相比，微带天线实现了一维小型化，具有低轮廓、可共形、易集成，以及便于获得圆极化，实现双频段、双极化工作等多项优点。然而任何事件都具有两面性。小天线的Q值极高，因此辐射效率低、频带窄。微带天线是一维小天线，必须经恰当设计才能获得良好性能。3.1.2微带天线小型化方法目前，微带天线小型化方法主要有以下几种:1天线加载在微带天线上加载短路探针(shortingpost)，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，典型结构如图1所示。天线的谐振频率主

38、要取决于短路探针的粗细和位置，天线尺寸可缩减50%以上。其缺点是:(1)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，这给制造公差提出了苛刻要求。(2)带宽窄。(3)H面的交叉极化电平相对较高。图1加载短路探针的微带天线将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chipre2sistor)，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。随加载电阻增大，天线品质因素降低，带宽展宽，制造公差降低，但这些性能的提高以牺牲增益为代价。一般地，若加载1切片电阻，增益下降约1.5dB。此外，加载切片电容(chipcapacitor)也可有效降低谐振频率，减小天线尺寸，但带宽

39、有所减小。2采用特殊材料基片从天线谐振频率关系式可以知道，谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料)或高磁导率(如磁性材料)的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是:(a)激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。(b)带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖介质(superstrate)(如图2所示)。图2采用高r的多层介质微带天线采用铁氧体材料制成的微带天线实现小型化的同时，且在较宽频带范围内频率可调(可达40%)，但铁氧体在微波频段损耗很大。有机高分子磁性材料在宽温度范围内电感和磁性能稳定，由其设计成的微带天线可显著减小尺寸，但损耗大，

40、增益低。高温超导材料HTS(hightemperaturesuperconductor)基片以及“光电子带阵”PGB(photonicband2gap)基片有极低的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，兼奏提高天线增益，减弱阵元间互耦之效。3表面开槽（slot）当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3所示)，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，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图4为表面

41、开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。图3表面开槽的小型化微带天线图4小型口径耦合圆极化微带这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1%)与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。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。可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性:(1)工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线带宽高低端频比可达

42、2030。(2)增益高(可达10dB以上)，方向性好。(3)便于实现阻抗匹配。(4)易实施天线方向图，包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。(5)有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。5.采用特殊形式这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie)(如图5所示)、倒F型(PIFA，planarinverted2Fantenna)(如图6所示)、L形、E形、Y形、双C形、层叠短路贴片(stackedshortedpatch)等等图5双频带蝶型微带天线图6电容加载的倒F型微

43、带天线（PIFA）除以上小型化技术外，还有一些方法提出。为改善天线性能，常综合采用多种方法。3.1.3微带天线的小型化设计与分析1.天线设计基本思想微带天线是谐振式天线，微带贴片的长度大约为介质波长的1/2.如果用f表示天线辐射的中心频率，L表示微带贴片的长度，则谐振频率（1）式(1)中为等效介电常数，l为考虑边缘效应的校正长度.用w表示微带的宽度，h表示微带的厚度，哈默斯塔德给出l的经验公式为（2）如果假定辐射频率为1.15GHz，基片的介电常数为4.5，可以估算出微带的长度为61.0mm.如果地板大小取微带大小的1.5倍计算，可以估算出在频率为1.15GHz时常规微带天线地板的长度大概为9

44、1.4mm.可以设想把图1所示的微带天线进行折叠(如图1所示)，微带天线的面积将减少到原来的1/2.实际上，由于微带天线常采用正方形结构，因此天线面积减小远不止1/2.折叠后天线的辐射性能是我们关心的主要问题，按照上述思想我们设计了折叠式微带天线并进行了仿真验证.图1折叠微带天线示意图天线结构如图2所示.与通常寄生贴片天线不同，上表面(surface)与下表面(Ground)通过侧面(Joint)连为一体，三个面形成一种半封闭结构.天线为三层印刷板，板材选用RogersTMM4作为介质基片，相对介电常数为4.5.上下表面均为正方形的敷铜面，中间为微带天线贴片(patch).同轴馈电，馈电探针与

45、中间层相连.本设计中，上下两层基片介质相同，厚度也相同=2mm，总厚度4mm.当然也可以选用厚度不同、材料不同的基片.中间贴片(patch)为正方形结构，尺度为28mm28mm，地板的尺度为32mm32mm，上表面的大小与地板相同.同轴线的外径为2.3mm，探针半径为1mm，特征阻抗为50.馈电点与贴片中心点的距离为y=-10.53图2折叠式微带天线几何结构2.天线仿真AnsoftHFSS是Ansoft公司开发的基于有限元的电磁仿真软件，在微波电路设计中有着非常广泛的应用.下面各图给出了仿真结果.必须指出，仿真设置为天线的地平面与吸收界面相重合，如果不做如此设置，则天线为双向辐射，仿真增益会有

46、所下降.图3为天线的回波损耗.在发射中心频率点f=1.155GHz，天线的回波损耗达28.52dB.图4为天线的驻波比随微波频率的变化，中心频率驻波比为1.08，VSWR2的频带宽度为8MHz，相对带宽0.7%.显然，天线频带较窄，Q值较高，不太适合对频带要求较宽的场合.如何降低天线的Q值、拓宽频带，尚需进行进一步研究。图3折叠式微带天线的回波损耗图4折叠式微带天线的驻波比和带宽图5和图6分别为折叠式天线2个不同平面的方向图.由微带天线理论可知，当天线工作在主模时，微带天线的辐射外电场方向与贴片所在的平面平行，因此这里把与贴片平面平行的平面称为E面.与普通微带天线的方向图类似，微带所在平面的辐

47、射图(E面=90)具有良好的全向性；H面（=90）方向图则呈现出前向辐射特性.天线增益4.05dBi，3dB波束宽度达100左右.由于仿真过程中天线的地表面与背景的吸收界面重合，多次仿真结果表明天线无旁瓣存在。图5天线的E面方向图图6天线的H面方向图定性分析与讨论按照腔模理论，普通矩形微带天线工作在TM模，其缝隙激励的远场取决于等效磁流的大小.需要注意，折叠天线不是双缝辐射而是单缝辐射，因此其增益要小一些.激励源初始相位为零、频率为1.15GHz时，微带天线内场的矢量图如图7.我们知道，常规天线的内场为半波式分布:电场矢量从正最大值(峰值)逐渐变化到负最大值.而文中仿真结果与常规的微带不同之处在于:整个微带内场的方向相同(均向上)，而电场的数值大小从左到右逐渐增大.抛开最初的设计思想，仅从天线的实际结构来看，天线的地平面(Ground)与上表面(surface)通过(joint)连接在一起，其效果可以与加载梢钉短路的微带天线相类比.由于加载梢钉微带天线的谐振频率大约为/4，因此，有理由认为折叠天线的谐振频率对应于/4介质波长，严格的计算要考虑边缘效应引起的缩短长度的影响.需要说明的是，如果认为辐射元为上表面(surface