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结课作业
宽频带小型化天线的研究
专业：电子信息工程 年级：2012级
班级：电子1班 姓名：王振杰 学号：20122450131
2015年12月23日 宽频带小型化天线的研究
摘要：无线通信技术的迅速发展和应用，推动着通信设备及其电子器件制造向小型化、多用途的方向发展。天线作为任何无线通信系统前端收发 信号的部件，对通信质量起着至关重要的作用，也往往是制约无线通信系统小型化发展的主要障碍。设计与现代信息传递相适应的小尺寸、宽频带、高效率、大容量、易安装、多功能的天线已成为当今天线研究领域中一个很重要的课题。
由于微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于与有源器件和微波电路集成的特点，目前广泛应用于雷达、卫星通信、移动无线通信、以及各种通信设备当中。但微带天线本身具有高品质因数、窄频带、低效率等缺点，大大限制了它们的应用。本论文在总结前人研究的基础上，主要针对微带天线的宽频带和小型化技术展开了研究分析。具体内容阐述如下: 1.一种基于皮亚诺分形结构工作在 X 波段的高增益、宽频带微带阵列天线。该天线由64个分形辐射单元组成辐射阵列来获得较高的增益，同时增加了寄生层形成F-P谐振腔，有效地提高了天线的带宽。在 10GHz处天线的增益为24.1dBi，小于-10dB的相对阻抗带宽达到了12.6%，同时天线的口径效率为89.4%。相对于传统的矩形结构，减小了天线的尺寸，实现了天线的小型化。
2.一种新的小型化宽频带多频微带天线。可以适用于蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网。该微带天线主要由一个矩形环、一个开口六边形环、三条矩形带以及缺陷地组成,可同时工作在蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网的通信频段上。天线谐振频率分别为2.47GHz、3.48GHz和5.5 GHz，相应带宽为0.11GHz(2.38~2.49 GHz)、0.86GHz（3.19~4.05 GHz）和1.11GHz（4.95~6.06GHz）,增益最高达到5.75dBi。
3.一种小型化双极化宽频带微带缝隙天线。采用十字缝隙耦合、多层积叠贴片和双层馈电等技术,并选择双偏置微带线作为馈电。这些技术的采用拓宽了天线带宽,实现了良好的阻抗匹配。双层馈电技术减小了天线尺寸,并使天线的两个端口具有良好的隔离度。通过样品测量,驻波比小于1.5的端口相对带宽分别达40%和38.5%,工作频带内两端口隔离度(S21)大于25dB,增益 最大值达9.1 dB。该天线具有良好的性能并且工作在1710~2170 MHz频段,可制作成天线阵应用于移动通信中。4.一种基于腔膜理论工作于2.45GHz的RFID标签天线。采用锯齿形边缘替代直线形边缘实现天线的小型化，然后采用圆弧形边缘代替锯齿形边缘对天线进行优化。
关键词：微带天线，宽频带，小型化天线，皮亚诺分形，多频，微带缝隙天线，十字缝隙耦合，多层积叠贴片，射频识别，圆弧形边缘
目录
摘要......................................................................................................................................1 第一章：绪论.......................................................................................................................4
第一部分：天线的小型化技术.......................................................................................4
1.1加载技术..........................................................................................................4 1.2采用特殊材料基片............................................................................................6 1.3采用特殊形式,优化天线的外彩结构.................................................................7 第二部分：天线的宽频带技术.......................................................................................9
2.1缝隙以及耦合技术............................................................................................9 2.2利用宽带匹配网络实现天线小型化和宽频带特性..........................................10 第二章：天线的研究..........................................................................................................11 第一部分：基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线.......................................................11 摘要.....................................................................................................................11 1天线的结构........................................................................................................11 第二部分：新型宽频带多频微带天线设计..................................................................13 摘要.....................................................................................................................13 1天线的结构：....................................................................................................14 第三部分：双极化宽频带微带缝隙天线......................................................................16 摘要.....................................................................................................................16 1天线的结构：....................................................................................................17 第四部分：RFID标签天线..........................................................................................19 摘要.....................................................................................................................19 1天线结构...........................................................................................................19 第三章：总结与展望..........................................................................................................22 参考文献.............................................................................................................................24
第一章：绪论
第一部分：天线的小型化技术
1.1加载技术
用包括导体在内的集总元件、高介电常数材料对天线加载，以及采用接地平板和利用天线周围的环境等是实现天线小型化设计的主要手段，这些技术己在天线工程特别在移动通信领域中得到了广泛应用。其中最为感兴趣的问题可能是将这 些技术结合在一起用于天线的设计。
1)无源集总元件的加载是最为直接和最为简单的加载技术，也是工程中最为普遍采用的方法。可通过在天线的适当位置接入电阻、电抗或导体来构建。由于 天线长度远小于半波长时将呈现出很强的电抗性输入阻抗，加载可以对其进行补偿，改善天线中的电流分布。从而达到改变天线的谐振频率或者在同样的工作频 率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。但如果加载的元器件是有耗的，则将使天线的辐射效率降低。图1.1采用的电容和电感共同加载的平 面倒“F”天线(PIFA)，由于加载电容和加载电感可使PIFA的谐振电长度分别具有加长和缩短的效应，通过加载、短路技术以及通过调整天线的参数和LC参数。该天线可工作在双频段。
2)利用短路技术来减小天线尺寸非常常见。在微带天线上加载短路探针，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。图1.2是采用短路针技术的小型化微带天线，这种情况类似折叠单极子的特性，谐振电长度得到了缩减。
3)用不同的材料对天线进行加载同样可以达到减小天线尺寸的目的。当天线置于高介电常数的材料中时，由于波长在介质中变短，因而天线所需要的谐振长度变短。长度缩减的程度取决于介质的形状和介电常数的大小。但是介质加载将会导致频率带宽的减小，这是由于电场能量更多地集中在介质内部而难以辐射出去，使Q值增加的缘故。而且高的介质常数往往伴有高的介质损耗，这会降低天线 的效率。另外用介质涂敷天线也是降低天线高度的一条有效途径，这方面有相当的 理论与实验的研究。图1.3是采用高介电常数的小型化微带天线。
5)在低频段，比如短波天线，由于工作的频率很低，所需要正常工作的天线长度势必很大，因此天线尺寸缩减问题的研究显得尤为迫切。这时通过加载技术是实 现天线高度的最有效的途径。采用阻抗、电容混合加载、电容、电感混合加载或者 阻抗、电容、电感混合加载得到了一定的研究，特别是采用分段式加载技术，可使天线高度缩小到相当可观的程度。
1.2采用特殊材料基片
这种方法主要是针对微带、印刷天线的小型化进行设计的。微带、印刷天线由于其自身的优点而广泛应用于无线通信终端中，但是带宽窄限制了其应用。一般微带天线带宽只有百分之几，但在实际应用中，往往急需带宽大于10%或15%的小天线。所以，研究体积小。频带宽(大于10%)的天线将必然成为天线领域中的一个很重要的课题。微带天线介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它本身就实现了一维小型化，属于电小天线一类。天线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。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很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，增益低。高温超导材料(HTS-high temperature superconductor)基片以及“光子带隙阵”(PBG-photonic bandgap)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，具有提高天线增益，减弱阵元间互耦之功效。
1.3采用特殊形式,优化天线的外彩结构
实现小型化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，如层叠短路贴片(stacked shorted patch)，蝶形、倒F型、L形、E型等等。近年来，用分形曲线来构建天线是特别热门的小型化技术。
第二部分：天线的宽频带技术
2.1缝隙以及耦合技术
实现宽频带和多频带的思路是在贴片或者接地板上开一些缝隙，以降低天线的品质因数，从而提高天线的阻抗带宽。多频天线的最大优点就在于在一个辐射单元上实线多个天线的工作性能，这就大大简化了收发终端辐射系统的设计，在小型化无线通信设备中，这一点尤其显得重要。通常采用的方法是采用在贴片上刻蚀缝隙以及使用通过改进耦合馈电。如在各种形状的贴片上刻蚀成对的缝隙就获得了较好的双频、双极化的工作性能。另外在贴片的中心线上适当位置增加短路针，并且在中线上选取适当的馈电位置，也可以获得双频工作性能。对于使用厚空气层介质的天线。由于使用同轴馈电而引入较大的同轴感抗效应。从而影响 天线的带宽。针对这个问题，又出现了很多的解决办法。诸如U型缝隙技术，改进的同轴馈电技术(L探针技术和L状微带线馈电，缝隙耦合馈电等等。运用以上这些技术。天线的带宽可以得到一定的增加。
2.2利用宽带匹配网络实现天线小型化和宽频带特性
无线通信设备的天线系统，一般都包括天线和馈电线两个部分，称之为天馈系统。天馈系统的宽频带性能既取决于天线自身的性能也取决于馈电系统，以及天线与馈电系统之间的耦合与匹配状况。因此，在研究天线的宽频带特性时，必须同时考虑宽频带的匹配技术。天馈系统通常包含两方面内容，一是完成不对称馈线(如同轴线)对对称天线的馈电，以保证系统的平衡性。二是阻抗变换，使馈线与天线有良好的阻抗匹配。宽带匹配所要解决的是一个系统中的功率传输问题，要求信号源与负载之间尽可能地匹配，使信号源传给负载的功率在给定的频带内保持相对稳定，并且尽可能达到箍大。天馈系统中常用的是集总参数匹配厢络，主要是无源的。由电抗元件组成T形、L形、π形网络等。这种匹配网络的主要优点是体积小、设计灵活、使用方便等。当无源天线的尺寸缩小后，会导致辐射电阻减小．效率降低。为此，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，在天线小型化和宽带技术上有重要的意义。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20-30；(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，包括主波束方向、波束宽度、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。
第二章：天线的研究
第一部分：基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线
摘要：一种基于皮亚诺分形结构工作在 X 波段的高增益、宽频带微带阵列天线。该天线由64个分形辐射单元组成辐射阵列来获得较高的增益，同时增加了寄生层形成F-P谐振腔，有效地提高了天线的带宽。在 10GHz处天线的增益为24.1dBi，小于-10dB的相对阻抗带宽达到了12.6%，同时天线的口径效率为89.4%。相对于传统的矩形结构，减小了天线的尺寸，实现了天线的小型化
1天线的结构
分形结构具有很多特性，例如自相似性和空间填充性。将分形技术应用于天线的辐射单元，有利于减小天 线的尺寸和获得多个谐振点。所以，分形结构常用来改善阵列天线的性能，如皮亚诺分形结构。
皮亚诺分形曲线如图1所示。定义皮亚诺分形比 为n= f2/f1，将图中所示的f1进行三等分后弯折得到皮亚诺分形结构。如果将该分形结构应用于矩形贴片的每一边，得到如图2所示的皮亚诺分形贴片结构。因为该结构将增加电流的流动路径，并可能激发多个谐振，所以可提高天线的带宽。组阵主要是提高天线的增益，而采用双层结构的形式能有效地提高天线的带宽。单层的 8×8阵列天线，天线的每个单元均采用如图2所示的皮亚诺分形结构，采用相对介电常数为2.65，厚度为0.5 mm的介质板。天线采用 1分 64的功率 分配网络进行馈电，天线结构图如图3所示。
该天线在工作频点10GHz处的增益达到了23.0dBi，回波损耗小于-10dB的 相对带宽约为1.5%，说明采用单层的阵列结构就能够得到很高的增益，但是带宽相对很窄。
图5给出了天线结构的侧视图。该天线分为上下两层，上层为寄生层，下层为辐射层，两层所用介质基板的介电常数同为er，厚度为h。上下两层之间为空气层，空气层厚度为hz。天线采用特性阻抗为50欧姆的同轴进行馈电，馈电口位于下层辐射层，同轴内导体与微带功率分配器中心相连。
上层寄生层和下层辐射层的俯视图和分形单元的俯视图如图6所示。为了在工作频段10GHz的增益大于24dBi的增益，同时使得 |S|
第二部分：新型宽频带多频微带天线设计
摘要：一种新的小型化宽频带多频微带天线。可以适用于蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网。该微带天线主要由一个矩形环、一个开口六边形环、三条矩形带以及缺陷地组成，可同时工作在蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网的通信频段上。天线谐振频率分别为2.47GHz、3.48GHz和5.5GHz，相应带宽为0.11GHz(2.38~2.49GHz)、0.86GHz（3.19~4.05 GHz）和1.11GHz（4.95~6.06GHz）,增益最高达到5.75dBi。1天线的结构：
图2是宽频带多频微带天线的具体设计结构。印刷在介质基板上的天线的主要辐射单元是一个矩形辐射环,两条连着矩形环的竖矩形辐射带,一个开口六边形辐射环。天线矩形辐射环的分段长度L1=1.0mm、L2=20.4 mm和L3=0.7 mm,宽度W2=19.0mm。辐射环内左右两条竖矩形辐射带长度均为L6=8.2mm,夹在两条微带线中间的矩形谐振条长度L4=7.4 mm、宽度W7=1.0mm。
该天线被印制在相对介电常数ε=4.4、介质损耗为0.02、厚度1.6mm的FR4的介质板上,采用50欧姆微带线馈电,微带线的长宽分别是Lf=9.4 mm、Wf=3.9 mm,介质板的尺寸为34.0 mm×23.0 mm。天线经过优化后，实际制作出的实物图如图3所示。
第三部分：双极化宽频带微带缝隙天线
摘要：一种小型化双极化宽频带微带缝隙天线。采用十字缝隙耦合、多层积叠贴片和双层馈电等技术,并选择双偏置微带线作为馈电。这些技术的采用拓宽了天线带宽,实现了良好的阻抗匹配。双层馈电技术减小了天线尺寸,并使天线的两个端口具有良好的隔离度。通过样品测量,驻波比小于1.5的端口相对带宽分别达40%和38.5%,工作频带内两端口隔离度(S21)大于25dB,增益 最大值达9.1 dB。该天线具有良好的性能并且工作在1710~2170 MHz频段,可制作成天线阵应用于移动通信中。1天线的结构：
天线可分为馈源端、引向端和反射端三个部分。具体尺寸结构示意图如图1所示(单位为mm)。天线的馈源由两层介质基片、接地板和馈电网络组成。上层基片上端覆盖着刻有十字形缝隙的接地板,上下层基片之间是端口1的馈电网络,下层基片下端则是端口2的馈电网络。缝隙的长度和宽度在保证天线带宽和满足阻抗匹配的情况下越小越好,这样可以减小由缝隙引起的背向辐射。为了使天线实现45度正交极化,两层馈线方向与接地板的对角线分别平行,而十字形缝隙处于接 地板中心,四臂与接地板对角线方向一致。引向端是两层圆形辐射贴片,为了增加带宽,贴片与贴片之间,贴片与接地板之间均不采用任何介质。反射端为与接地板尺寸相同的铝型材反射板,位于馈源下侧距馈源h1处。
为提高天线的阻抗带宽,天线采用双层寄生贴片结构和双偏置微带线馈电,同时这种馈电结构又能实现两个馈电端口的高隔离度并提高阻抗匹配。馈电网络通过接地板上的十字形缝隙与寄生贴片耦合,向外辐射能量。微带贴片天线下层的反射板可以提高天线的增益,减小天线的背向辐射。为提高缝隙耦合度,馈电层应采用介电常数较高的基片,结合成本因素,文中设计天线选择的是Taconic RF-35(tm)基片,其介电常数为3.5。
两层基片厚度分别为t1、t2,接地板与下层贴片的距离为t3,上下层贴片的距离为t4。馈电网络由两条100欧姆的微带线通过简单的功分器与50欧姆的微 带线连接构成。
本天线为双极化天线(±45°正交极化),其工作频段位于1710~2170MHz。采用微带线作为馈线,两端口的馈电网络处于不同的馈电层,并通过同一十字形缝隙与贴片层耦合,向外辐射能量。这种设计可减小天线的尺寸,同时多层贴片结 构及反射板的应用也避免天线出现高剖面弊端,可在不影响天线大体性能的前提下实现天线的小型化。
文中设计的天线的馈线采用叉子(Fork)形的双 偏置微带线,如图1(b)所示,微带线两臂与接地板 上的缝隙耦合,可以看作两个对称的不平衡天线振子。由于不平衡振子两条振子臂的电流分布不平衡,形成不对称电流分布,电流I可以分解为偶模(Io)和奇模(Ie)分量,如图2所示,电流的不同分量形成不同谐振,通过调整天线的尺寸,使两个谐振频率适当接近,进而展宽天线的频带。天线的辐射机 理类似于八木天线,馈源端相当于引向天线的有源振子,引向端类似于引向天线的引向振子,反射板则可以看作反射振子。天线通过反射板和引向作用的辐射片向外辐射能量。调整辐射贴片单元能够调节天线的电压驻波比,使天线达到一定的带宽。这里采用双层馈电在一定程度上提高了天线带宽,并且由于贴片的引向作用,天线的增益也会有所增加.由于缝隙上不同位置其阻抗不同,可选择缝隙上100欧姆位置处输入激励, 可使100欧姆馈线并联后与50欧姆主馈线匹配,此馈电方式有利于宽带工作,还 可使辐射场对称性更好。此外由于天线采用双层馈电结构,若馈线采用矩形微带线,两条不同馈电层的馈线在水平面的投影呈交叉状,馈电网络之间必然 相互影响,其隔离度不高。采用叉子状的双偏置微带线馈电能够提高两个端口的隔离度,减小交叉极化,提高天线的性能。
第四部分：RFID标签天线
摘要：一种基于腔膜理论工作于2.45GHz的RFID标签天线。采用锯齿形边缘替代直线形边缘实现天线的小型化，然后采用圆弧形边缘代替锯齿形边缘对天线进行优化。
1天线结构：
根据腔模理论可得边长为 a的等腰直角三角形贴片天线（见图 １）的谐振波数的计算公式为
其中：
由（1）式可得天线工作在 Tmn模时的谐振频率为
对于等腰直角三角形贴片天线而言，其主要工作模式是最低阶谐振模TM10和TM01，其谐振频率为
介质板选用电路中常用的材料FR‐４（介电常数εr为4.4，板厚为1.6mm），天线直角边 a的尺寸为41.23mm，但该天线尺寸过大，需小型化处理。图2为天线的基本结构．可以采用如图2a所示锯齿形边缘替代直线形边缘,以保持电流流经路径长度不变，进而实现天线的小型化。
再使用 ADS 对天线进行初步优化，得到的天线版图如图3所示。
根据上述分析，若采用相切的圆弧形边缘代替锯齿形边缘，可有效减小电流在贴片边缘拐弯处的突变，从而改善天线的性能。进一步优化后的天线版图如图6所示。进而仿真得到优化后的s11曲线如图7所示。与图4相比，天线中心频率2.495GHz处的反射损耗由-24.386dB 减小到-34.478dB，-10dB时的绝对带宽由251MHz增加到301MHz（2342~2643MHz）、相对带宽由10.24%提高到12.29%。
图8为优化后的天线的增益随角度变化的关系曲线，由图8可见优化后的天线获得了较好的增益。
第三章：总结与展望
随着电子器件制造技术特别是集成电路技术快速地朝着小型化和便携式方向的发展对通信系统以及设备的小型化和宽频带提出了越来越高的要求。小型化要求通信系统移动方便、占用空间小；宽频带则要求通信系统具有高质量的通信能力。天线作为任何无线通信系统的前端收发信号的部件，往往是制约无线通信系统小型化发展的关键部件。
天线的性能对物理尺寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线频带变窄，效 率降低。如何在保证天线性能的前提下努力减小天线的尺寸、扩展频带是当今天线研究领域中的热点问题。小天线的概念具有相对性，一种是宏观意义上的小，主要针对易于携带和放置，相对于工作频带内的波长可能并不小。另一种是 电小，指天线尺寸相对于波长很小。微带天线属于电小天线，现在已经大量运用在无线设备中，特别是在飞行器上和地面便携式设备中。
本文在阅读前人文献的基础上，概括总结了以上4项微带天线的较新研究，同时附加了一款工作在2.45GHz的射频识别天线。这些结构的微带天线应用前景广泛，因此宽频带小型化天线的研究具有重要的意义。
参考文献
[1]张泽奎 陈星基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线设计《现代电子技术》-2015年15期
[2]潘勇 熊江 李潘一种新型宽频带多频微带天线设计《电讯技术》-2015年4期
[3]林滨 汤炜 葛悦禾一种小型化宽频带天线单元的设计与研究 《通信技术》-2014年5期
[4]赵祺 廖同庆 吴昇 一款工作在2.45GHz的小型化RFID标签天线《安徽大学学报》-2015年5月 第39卷 第3期
