微带天线的微型化和宽频化设计研究_超宽频微带天线设计

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微带天线的微型化和宽频化设计研究

摘 要：介绍了微带天线的涵义与特点，阐述了微带天线的分析方法，在此基础上进行了微带天线的微型化和宽频化优化设计，并探讨了微带无线的参数影响。

关键词：微带天线；微型化；宽频化前言

我国通讯行业在经济发展的过程中得到了高速的发展，而在与之相关的无线设备中，天线以其重要的地位与作用得到我们逐渐的重视。当天线用于接收装置时，其能够有效地获取空间里相应的电磁波能量，同时把这些能量通过一定的装置转换成时变电流。而当天线用于发射装置时，其能够把时变电流又转换成电磁波，进而向空间发射。所以，天线对于通讯系统来说，发挥着极为关键的作用。现阶段，各个领域内均开始逐步的应用无线通讯技术，而且不同领域所涉及的相关标准也存在一定的差异，使天线装置对于自身性能的要求不断提升，应可以进行多频段的通讯，并满足多类型的标准要求。微带天线的涵义

所谓的微带天线指的是将导体薄片置于相应的介质基片之上，同时基片应包含有相应的导体接地板。微带天线是通过微带线构造来完成馈电作业。相应的电磁波信号能够在贴片以及接电板间形成相应的电磁场，然后经由贴片和接地板之间所存在的空隙完成对外的信号辐射。所以，我们有时也将其看成是缝隙型馈电模式。同时，基片一般情况下其厚度远小于其所发射的波长值，所以微带天线被归类为一维小型的天线类型。微带天线的特点和不足

微带天线目前在我国的多个行业中均已被大量的使用，尤其是我国的飞行器制造与便携装置领域里。和一般的微波天线比较，其自身具有相对多的参数，并且能够被设计成各种的外观与大小。

但是，微带天线也存在一定的不足，其表现如下：

（1）自身的带宽有限，目前也研究了很多的修订技术。

（2）具有相对大的损耗，导致自身的工作效率不高，尤其是行波微带天线，其存在着相对大的损耗问题。

（3）单独的微带天线不具备较大的功率。

（4）微带天线所采用的基片材料会对其性能有很大的作用，受到相关技术以及工艺的约束，在大批的基片制造过程中，其不能保持很好的均匀性以及一致性，从而制约了微带天线的性能充分发挥。微带天线的分析方法

4.1 传输线模型

传输线模型相对来说非常的简便，同时也较为适用于工程领域中。在此模型中，把贴片微带天线当作沿着横向排列的、无差异性的传输线谐振器，而且信号的辐射主要通过开路端位置处的边缘场来完成。在此模型中所涉及的相关方法相对简便，也无需太大的计算量，同时具有很好的直观性。

不过采用这种模型其自身依然存在一些缺点：

（1）仅可使用在矩形微带天线中，如果换做其他的形状就无法正常的应用。

（2）由于此模型属一维构造，所以，如果馈电所在的点位于波垂直改变的方位时，其阻抗是一定的。

基于以上的不足，相关人员也进行不断的优化，例如引进了部分波分析的理论等，以对其进行进一步的完善。

4.2 空腔模型

在上世纪的八十年代初期，学者Y.T.Lo等人构建了空腔模型，并得到了逐步的发展。此模型是在薄微带天线的相关设想基础之上，把贴片以及接地板所形成的空隙当成为周围是磁壁，而上部和下部是电壁的一种谐振空腔。这种模型拥有更为广阔的使用前景，同时将高次膜引入其中，使得计算出的阻抗线也变得更加的准确，还在一定程度上缩减了计算工作量，更加符合工程应用的实际要求。不过，此模型依然要做一定的修订，才可以获取相对精准的数据与架构。在此模型中，我们将腔的内场看成二维的构造，如果所采取的基片相对较薄时，此模型还是适宜的。不过要是采取的基片相对较厚时，就会有较大的误差存在。此模型在大多的条件下是能够使用的，不过如果涉及到毫米的波段则应当按照实际情况再做分析。

4.3 全波模型

不管传输线模型或者空腔模型均未将和基片垂直方位中所发生的一些变化纳入其中，如果说使用的基片相对厚度不大，那么所采用的简化模带来的相对误差就较小。不过，如果其厚度到某一程度之后，那么简化模型所呈现的结果相对误差就会较大，而全波模型则和上上述的模型所采用的理论依据有所差异，其研究相对开放的空间结构。所以，所涉及的基础依据较为精准与严格。全波模型具有更加精准、整体以及适用面广的特点。但是，全波模型所涉及的技算量相对较大，也较为复杂。微带天线的微型化和宽频化优化设计

5.1 结构以及仿真结果分析

以以往的方形微带贴片作为基础，在其相应的非辐射边上进行相应的开缝处理，让其TM11以及TM02这两种模式所拥有的谐振频率逐步的一致，使得其自身的宽带得以有效地扩展。并且，在其接地板的位置设置相应的“十字缝”，让电流经由此原件时的路径有所延伸，进而提高了元件的等效电长度，达到节约微带天线空间占有量的目的。其改造之后的示意图如图1所示。

其中基片的型号为FR-4，尺寸大小为La=35.0mm，厚度大小为X=1.6mm，贴片的尺寸是L=24.0mm，所涉及到缝宽度值为S=0.53mm，长度值为d=21.30mm，相应的馈电点分别是X=4.3mm以及Y=9.0mm。在对优化之后的微的微带无线进行仿真模拟，可得出其SII图，如图2所示。

在上图中我们能得到，此微带天线具有的中心频率是2.2GHz，所具有的绝对带宽只是150MHz，相对带宽值是6.8%。并且，对优化后的微带无线天线进行增益频率的测试，发现其所涉及的增益相对要低。之所以会出现这样的效果，在很大程度上受益于所使用的基片为损耗性质的。将优化之后的微带天线与优化之前的微带天线进行仿真对比，可以发现：传统微带天线所采用的贴片尺寸大小为L=31.3mm，其相对带宽是2.1%。就占用空间来说，其尺寸面积就节约了41%以上的空间，而且带宽也较之前的扩大了3倍以上。

5.2 微带无线的参数影响分析

5.2.1 缝长参数的影响分析

在仿真的过程中，采取不同的缝长进行模拟实验。经过实验得出：再开缝程度不断减小过程中，其谐振频率均向高频化的趋势偏移。在进行多个缝长的模拟之后，得出大缝长为21.30mm时，所得到的效果较好。

5.2.2 馈电点位置的影响分析

在假定馈电点位置坐标Y值固定的前提下，对其对应X值进行仿真模拟。得出：馈电点在不同的位置处，会对天线产生非常大的作用。并得出当X值为4.3mm时，其频率可以得到最佳的匹配效果。结语

目前，无线通讯技术得到迅猛的发展。而在其进行数据输送的过程中，天线发挥着非常关键的作用。由于微带天线具有相对小的成本投入，同时拥有丰富的功能性，也能够和电路集成生产。因此，被逐步的应用在卫星通讯、空间科学等多个领域。对微带无线进行微型化及宽频华的优化研究，可以更大程度上改善其具有的功能及实用性，也定会使其获得更加广泛的应用。