【正文】 頻率 ， 從而減小天線第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 19 尺寸。一般地 ， 若加載 1Ω 切片電阻 ， 增益下降約 1. 5dB。 圖 1 加載短路探針的微帶天線 將短路探針替換為低阻抗的切片電阻 (chip re2sistor) ， 在進(jìn)一步降低諧振頻率的同時(shí)還可增加帶寬。 (2) 帶寬窄。天線的諧 振頻率主要取決于短路探針的粗細(xì)和位置 ， 天線尺寸可縮減 50 %以上。微帶天線是小型機(jī)載天線的研究 18 一維小天線 ， 必須經(jīng)恰當(dāng)設(shè)計(jì)才能獲得良好性能。然而任 何事件都具有兩面性。這樣 ， 實(shí)用化小型微帶天線的研制 ， 特別是用作第三代移動(dòng)通信 (3G) 系統(tǒng)、藍(lán)牙(Bluetooth) 系統(tǒng)及無線定位系統(tǒng)的天線 ， 成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。此外 ， 小型化微帶天線還可用于 PCMCIA 通信卡和無線調(diào)制解調(diào)器中 ， 為筆記本電腦等便攜設(shè)備提供通信能力。 以移動(dòng)通信 和個(gè)人通信為例 ， 目前廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信設(shè)備的單極天線和螺旋天線有許多缺點(diǎn) :(1) 不能集成到設(shè)備外殼上 ， 尺寸大 ， 易損壞 ； (2)輻射效率低 ， 難于屏蔽 ， 人體對(duì)天線的性能影響較大 ； (3) 天線對(duì)人體尤其是腦部有較大幅射 ， 局部峰值甚至超出 ANSI/ IEEE C95. 121992 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制 ； (4) 僅有一種極化特性 ， 電氣性能較差 ； (5) 需要匹配電路 ， 損耗大 ， 成本高。今昔對(duì)比 ， 天線在功能、設(shè)計(jì)及制造工藝上都發(fā)生巨大變化。 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 17 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 微帶天線的小型化技術(shù) 概述 現(xiàn)代電磁學(xué)歷經(jīng)三百多年的發(fā)展 ， 日臻成熟完善。時(shí)域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是其離散比較簡(jiǎn)單（空間網(wǎng)格大小一致、時(shí)間步長(zhǎng)恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶范圍內(nèi)特性。 時(shí)域有限差分法的基本思想是把求解空間進(jìn)行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場(chǎng)量進(jìn)行時(shí)間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于電磁場(chǎng)量的時(shí)域差分方程。 有限元法的原理是先將整個(gè)連續(xù)求解區(qū)域劃分為很多小的離散單元（如在二維結(jié)構(gòu)中選取三角形單元，在三維結(jié)構(gòu)中選取四面體單元等），在子域中將未知函數(shù)（如電磁場(chǎng)量、位函數(shù)或電流等）表示為子域基函數(shù)的插值，根據(jù)變分原理或迦略金方法小型機(jī)載天線的研究 16 便可建立一個(gè)關(guān)于未知函數(shù)展開系數(shù)的矩陣方程，利用計(jì)算機(jī)便可方便求解該代數(shù)方程。 矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數(shù)建立關(guān)于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數(shù)展開 法將此積分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，利用計(jì)算機(jī)便可得出近似解。然而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給微帶天線的分析帶來了新的思路，即依據(jù)微帶天線的電磁場(chǎng)邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化為利用計(jì)算機(jī)來求解矩陣代數(shù)方程。利用等高線積分技術(shù)可以使其在不規(guī)則形狀的貼片天線中獲得應(yīng)用。 多端網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)際上是腔體模型的一種拓展，在這種模型中，貼片被等效為一個(gè)具有多個(gè)端口分布在貼片四周的二維平面網(wǎng)絡(luò)。在腔體中，場(chǎng)沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的 二維諧振器中所有諧振模式之和。 如果說傳輸線模型因?yàn)橛袌?chǎng)沿傳輸線橫向無變化的限制而只是微帶天線在一維第二章 微帶天線基本理論及分析方法 15 下近似的話，那么腔體模型就可以稱為二維近似。利用矢量位函數(shù)便可由磁流計(jì)算出天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射和其它的電參數(shù)。在這種模型中，微帶貼片天線被視為場(chǎng)沿著橫向沒有變化而沿著傳輸線的延伸方向呈駐波分布的一個(gè)傳輸線諧振器。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡(jiǎn)單實(shí)用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。 解析方法 天線問題的嚴(yán)格分析是一個(gè)電磁場(chǎng)邊值型問題，需要根據(jù)其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計(jì)算輻射場(chǎng)，包括傳輸線模型（ The transmission line model）、腔體模 型（ The cavity model）、多端網(wǎng)絡(luò)模型（ Multiport Network Model）等。其前后輻射比可以通過小型機(jī)載天線的研究 14 減小槽的尺寸和改變槽的形狀來加以改善。在這種結(jié)構(gòu)中，共面波導(dǎo)線刻蝕在天線的地板上，由同軸探針激勵(lì)，終止處是一個(gè)槽。與電磁耦合饋電相似，也可以分別選擇兩層介質(zhì)基片的參數(shù)來優(yōu)化各自的性能。因此非諧振尺寸的槽型耦合孔徑應(yīng)用比較多。槽型耦合孔徑的尺寸可以是諧振的，也可以是非諧振的?？讖酵ǔＮ挥谫N片的正下方，以利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性來抑制交叉極化電平。 電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)中，饋線和貼片位于地板的同一側(cè)，而對(duì)于孔徑耦合饋電，二者分居地板兩側(cè)。此外，還可以分別調(diào)節(jié)兩種填充介質(zhì)的參數(shù)以優(yōu)化饋線和貼片各自的性能。 電磁耦合饋電形式將饋線放置在地板和貼片之間，中間分別填充兩種介質(zhì)。而對(duì)于微帶線饋電，由于特性阻抗的制約，基片厚度的增加會(huì)導(dǎo)致微帶線上金屬導(dǎo)帶寬度的增加， 這將加劇饋線產(chǎn)生的干擾輻射。 間接饋電 通常為了展寬微帶天線的頻帶會(huì)使用比較厚的介質(zhì)基片，這就會(huì)給以上兩種直接饋電方法帶來問題。其缺陷是直接與貼片相連接的饋線會(huì)產(chǎn)生一部分輻射。不過這可以通過一些變形的探針饋電形式加以彌補(bǔ)，如 L 探針饋電等，通過探針頂部連接的金屬片對(duì)貼片進(jìn)行電容耦合饋電，從而降低了探針的長(zhǎng)度要求，改善了天線的匹配，提高了輻射效率。其缺點(diǎn)是需要在介質(zhì)基片中鉆孔以滿足內(nèi)導(dǎo)體的連接需求，同時(shí)該饋電形式需要一個(gè)向地板外面突出的連接器，這就有礙于微帶天線的集成一體化設(shè)計(jì) ，天線整體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性會(huì)使得交叉極化相對(duì)較大。 (a) 同軸饋電 （ b）微帶線饋電 小型機(jī)載天線的研究 12 （ c）電磁耦合饋電 （ d）孔徑耦合饋電 （ e）共面波導(dǎo)饋電 圖 24 微帶天線的饋電形式 直接饋電 同軸饋電也稱為探針饋電，它是將同軸線的外導(dǎo)體與天線的地板相接，而內(nèi)導(dǎo)體直接與貼片連接。而間接饋電則包括電磁耦合饋電、孔徑耦合饋電和共面波導(dǎo)傳輸線饋電。 微帶天線的饋電方法有很多種，我們從貼片與饋線是否有金屬導(dǎo)體接觸的角度出發(fā)將其分為直接饋電和間接饋電兩大類。圖（ f）為微帶線饋電的圓環(huán)縫隙，若縫隙改為長(zhǎng)短軸相近的橢圓環(huán)，并合理設(shè)置饋電位置，還可以實(shí)現(xiàn)在邊射方向上的圓極化輻射。圖（ d）是用槽線饋電的寬縫，其頻帶較寬但交叉極化較大。圖（ b）可以視為矩形排列的四元縫隙陣列，利用共面波導(dǎo)線來饋電。 現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了各種不同形式的微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)，如圖 23 所示。但由于縫隙本身電抗的影響，其駐波帶寬一般比較窄，且是雙向輻射的，不過這可以通過在介質(zhì)基片的另一側(cè)增加地板來消除背向輻射。對(duì)于窄縫（縫寬比縫長(zhǎng)小很多）結(jié)構(gòu)，可以看作與微帶振子天線互補(bǔ)。 微帶縫隙天線 在 小節(jié) 微帶天線簡(jiǎn)介中，圖 13 示出了一種典型的微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)。利用矢位法可計(jì)算出輻射場(chǎng)進(jìn)而得到其它的天線電參數(shù)。此時(shí)微帶線上不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)的輻射用微帶線兩側(cè)的 磁流來等效，且一般對(duì)于微帶線型天線，其微帶線的寬度 w 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) ， 因此直微帶線上的寄生輻射可以忽略，且不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)處微帶線兩側(cè)磁流的輻射可用位于中心線的單個(gè)磁流來等效。微帶行波天線可等效為一種沿微帶線延伸方向一邊傳輸能量一邊輻射能量的傳輸線段，用一個(gè)復(fù)傳播常數(shù) j? ? ??? 來表征，其中實(shí)部 ? 給出了導(dǎo)行波的相位信息而虛部 ? 則給出了沿線輻射所等效的衰減。圖 22 給出了幾種常見的 微帶線型天線結(jié)構(gòu)。 微帶行波天線 微帶線型天線是利用微帶線的形變（如彎曲、拐角等），由微帶線的不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)來形成輻射。 當(dāng)微帶振子很窄且基片厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)波長(zhǎng)或微帶振子的長(zhǎng)度等于諧振長(zhǎng)度時(shí)，我們可以假設(shè)微帶振子上的電流滿足余弦分布，從而得到其輻射特性。對(duì)于此微帶振子天線，我們也可以將饋線變化為槽第二章 微帶天線基本理論及分析方法 9 線。 圖 21 給出了一種利用微帶線來進(jìn)行耦合饋電的微帶振子天線，微帶振子的長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)，寬度與微帶饋線的寬度相同。因此當(dāng)貼片的寬度接近微帶饋線的寬度時(shí)，貼片天線則難于匹配使得天線的輻射特性變得很差。故一般的微帶天線多是這種形式，我們將在第三節(jié)對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)的介紹。它通過貼片和地板上的電流或等效為貼片四周與地板之間的縫隙上分布的等效磁流來輻射能量。它們具有不同的特點(diǎn)和使用范圍，其中貼片天線由 于其分析和設(shè)計(jì)方便且具有很多優(yōu)良的電特性而在實(shí)際中應(yīng)用最廣。對(duì)不同的微帶天線的機(jī)構(gòu)和分析方法的理解和運(yùn)用將對(duì)我們進(jìn)行微帶天線單元的設(shè)計(jì)起到很重要的指導(dǎo)作用。 小型機(jī)載天線的研究 8 微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法 在對(duì)微帶天線有了一個(gè)初步的了解之后，接下來我們將對(duì)微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有： 衛(wèi)星通訊； 多普勒及其它雷達(dá)， 無線電測(cè)高計(jì)， 指揮和控制系統(tǒng) 導(dǎo)彈遙測(cè)； 武器信管； 便攜裝置； 環(huán)境檢測(cè)儀表； 復(fù)雜天線中的饋電單元； 衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線； 生物醫(yī)學(xué)輻射器； 等等。甚至在仍被認(rèn)為是微帶天線發(fā)展幼年時(shí)期的 80 年代時(shí)，微帶天線已有多種成功的應(yīng)用。例如，采用一些寬頻帶技術(shù)可以有效地展寬頻帶；在設(shè)計(jì)和制造過程中特別注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。 (9) 微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì) (固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調(diào)制器、開關(guān)等可以直接加到天線基片上 )； (10)饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)和加工。 微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用 與普通微波天線相比，微帶天線有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)體積小，重量經(jīng)； (2)平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等表面相共形的結(jié)構(gòu)； (3)饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起集成，適合于用印刷電路技術(shù)進(jìn)行大批量生產(chǎn)； (4)能與有源器件和電路集成為單一的配件； (5)便于獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作； (6)沒有作大的變動(dòng)，天線既能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其它饋線 (如帶狀線 )對(duì)其饋電，稱之為微帶行 波天線，如圖 13(d)所示。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和條帶振子天線，如圖 13(a)、（ b)所示。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許多手機(jī)天線都是采用曲折線型的 微帶天線實(shí)現(xiàn)了手機(jī)天線的小型化。因此，微帶天線也可看作是一種縫隙天線。 第二章 微帶天線基本理論及分析方法 5 第二章 微帶天線基本理論及分析方法 本章 主要 介 紹了微帶天線的各種結(jié)構(gòu)形式和基本分析方法， 微帶天線簡(jiǎn)介 微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼導(dǎo)體薄片而形成的天線。通過理論分析以及仿真軟件輔助設(shè)計(jì)，特別是應(yīng)用 Ansoft HFSS 全真分析軟件，對(duì)于天線的重要參數(shù)以及這些參數(shù)對(duì)增加天線帶寬 的 影響都給出了具體定量的分析，最后得到了比較理想的結(jié)果。 第二章簡(jiǎn)單介紹微帶天線的基本理 論以及分析方法 第三章討論微帶天線小型化、寬頻帶的各種方法 ， 并具體提出了一種小型化方法并附有設(shè)計(jì)與分析。 雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)上述微帶天線小型化技術(shù)展開了大量的研究，但是其中還是存在了很多問題，其中天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，必須權(quán)衡利弊。 通過與饋電接近的短路探針在諧振中引入 耦合 電容實(shí)現(xiàn)小型化 參數(shù)成反比，因此采用高介電常數(shù) (如陶瓷材料 )基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。 ， 將饋電網(wǎng)絡(luò)與天線貼片分別置于不同的介質(zhì)基片上，這樣可以獲得寬頻帶的駐波比特性。近年來，人們?cè)?微帶貼片天線展寬頻帶方面做了大量的研究 微帶天線的寬頻帶技術(shù)主要采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)?？梢姡?70 年代是微帶天線取得突破性進(jìn)展的時(shí)期；在80 年代中，微帶天線無論在理論與應(yīng)用的深度上和廣度上都獲得了進(jìn)一步的發(fā)展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應(yīng)用正在與日俱增。 1979 年在美國(guó)新墨西哥州大學(xué)舉行了微帶天線的專題目際會(huì)議， 1981 年 IEEE 天線與傳播會(huì)刊在 1 月號(hào)上刊載了微帶天線專輯。直到 1972年，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對(duì)低剖面天線的迫切需求，芒森(R． E． Munson)和豪威爾 (J． Q． Howell)等研究者制成了第一批實(shí)用的微帶天線。 微帶天線簡(jiǎn)介 早在 1953 年箔尚 (G． A． DcDhamps )教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。微帶天線作為天線家祖的重要一員，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)步，在移動(dòng)終端中采用內(nèi)置微帶天線，不但可以減小天線對(duì)于人體的輻射，還可使手機(jī)的外形設(shè)計(jì)多樣化，因此內(nèi)置微帶