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宽带微带天线,宽带天线的概述,天线有磁场天线和电场天线磁场天线的测量频段为25HZ-30MHZ,而电场天线的测量频段则在10KHZ-40GHZ范围根据用途的不同，天线又分有源和无源两类电磁兼容测量中多使用宽带天线 宽带天线指的是有较宽带宽的天线，如：圆锥天线、V 锥天线、TEM喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、波纹喇叭天线、微带天线、新型天线以及电小天线,微带天线简述,微带天线是七十年代初期研制成功的一种新型天线和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，制造简单，成本低；电器上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于和微带线路集成，易于实现线极化或圆极化相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽因此微带天线得到愈来愈广泛的重视微带天线分类,微带天线分为三大类：微带贴片天线，微带缝天线，微带行波天线此处，微带贴片天线是指谐振式微带贴片天线这种天线最大的特点是效率高，但阻抗频带较窄微带缝天线的宽带比微带贴片天线要宽，特别是宽矩形缝，但此天线在要求当方向辐射时，厚度比贴片天线要大另外，分析和设计这种天线要比贴片式天线困难些，限制了其应用范围。

微带行波天线可以获得比较大的带宽，但这种天线的效率较低并且在分析方法上还不很成熟，因此其应用范围还不很广泛微带贴片天线以其相对效率高、分析方法成熟而得到广泛的应用，但由于这种天线的带宽较窄使其应用领域受到了限制微带贴片天线除应用于军事方面外，还可以应用于移动通信系统、卫星通信系统、全球定位系统和远程遥感系统若应用于移动通信系统，可以作为天线与机身共型，从而解决了鞭状天线的功率低、不易于携带和电磁辐射对人脑的影响的问题近年来，人们在展宽微带天线频带方面做了大量的研究微带天线的宽频带技术,微带贴片天线的窄频特性是由其高Q的谐振特性决定的，这意味着，当谐振时实现了匹配，而当频率偏离谐振时，电抗分量急剧变动，使之失配故展宽频带的方法可以由降低Q值的各个方面去探求，也可以考虑附加的匹配措施来实现常用的方法有，采用厚基板，采用 较小 或tanδ较大（有耗）的基板，附加阻抗匹配网络，采用楔形或阶梯型基板，采用非线性基板材料，非线性调整原件，采用多层结构，在贴片或接地板“开窗”等其中，附加阻抗以展宽频带及在贴片切缝展以展宽频带等方面已应用到圆极化微带天线上δ,增大基板厚度,增大基板厚度之所以能使频带加宽是由于厚度增加辐射电导也随之增大，使辐射对应的品质因数Qr及总的品质因数Qr值下降。

但基板厚度太大会引起贴片表面波，故带宽的增大是有限的在安装条件允许的情况下这种方法比较易于实现采用较小的εr或tanδ较大的基板,当εr减小时，介质对场的”束缚“减小，易于辐射：且天线的贮能也因εr的减小而变小，这样将使辐射对应的Qr下降，使频带变宽tanδ的增加使介质损耗加大，Qr下降，也使频带展宽但εr的变小将使所需的基板尺寸加大：而tanδ的增加必然使天线的效率降低附加阻抗匹配网络,工作于主模的矩形或者圆形微带贴片天线，其等效电路可以用一个RLC并联谐振回路来描述在背馈的情况下，馈电探针的电感作用应予以考虑由其当基板厚度h大于等于0.1λg时，馈电探针的作用更为显著若h小于0.25λg，其作用等效于一个电感，这个电感与上述并联谐振回路相串联，形成天线的输入阻抗为了使这个阻抗与50Ω的馈线在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合可以用计算机辅,助设计方法实现最优设计对于圆形微带贴片天线，发现上述最优设计结果的主要匹配元件是一个串联电容在天线工作频率上，这个电容与馈电探针等效电感大致构成串联谐振串联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化，从而展宽了频带。

采用楔形或阶梯型基板,采用楔形或阶梯型基板是展宽微带天线频带简单而有效地方法这两种基板形状的变化导致频带展宽的物理意义可解释为是由于两辐射端口处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容耦合产生双回路现象早成的采用阶梯型基板的谐振器，VSWR小于2时的频带可达25%；采用楔形的基板的谐振器，VSWR小于2时的频带可达28%而一个厚度相当的矩形微带天线的频带为13%采用非线性基板材料,在各种经典的微带贴片天线中，其贴片的线性尺寸比例于工作波长频率低时对应的尺寸大，这就使UHF波段的低端以下采用微带天线较为困难对一定的贴片尺寸及介质性能这些天线都呈现窄频特性于是有人提议采用铁氧体作为基板材料它的电磁特性可以显著地缩小天线尺寸同时，铁氧体具有非线性的色散特性，其有效磁导率是随频率的升高而降低的由试验知，铁氧体微带天线具有多谐特性，故,若能得到接近理想的色散特性就有可能在几个倍频程内用一个铁氧体天线，即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，这当然是较理想的采用非线性调整元件,在用传输线法分析矩形微带天线时曾有这样的概念，即其两个辐射端的边缘效应可以看成是各并联一个电容，这个电容可看做是传输线的等效伸长，从而时实际的谐振频率低于以谐振长度算得的理论值。

因此，如果在上述辐射端各并联一个变容管，控制加到变容管的电压就可以控制天线的工作频率，从而加大天线的工作频率范围当然，采用这种方法并不增加天线的瞬时阻抗带宽即使这样， 折中方案的实现对于频率跳变装置或多频工作的收发系统都有实际意义采用多层结构,在高频电路理论中，当采用参差调谐的紧耦合回路时，频带将会展宽，根据类似的原理已经研制成了多层贴片构成的微带天线这种天线馈电采用电磁耦合方式，最下面一层采用陶瓷基板，其0.5λg的贴片用微带馈电，用以对上层贴片的激励，同时在陶瓷基板可以与其他元件共同集成上部各层用εr较低的介质基板若第一层用谐振基片，由于耦合加强，比用50Ω开路线频带展宽采用三层结构比采用二层结,构频带也有展宽适当调整各层贴片的尺寸，这种多层结构可以从宽频带天线变成多频天线，对于三层贴片，当顶层单元谐振并辐射时，第二层贴片作为它的接地面；而当第二层谐振并辐射时，则顶层天线作为一个电感性的耦合元件以此类推，一层叠一层，实现宽频带或者多频工作这些性能的获得是以增加天线厚度为代价的采用在贴片或接地板“开窗”的办法,在微带贴片上的不同位置开不同形状的“窗口”，可等效成引入阻抗匹配元件，在接地板的适当位置处“开窗”可改变微带天线的辐射条件和阻抗特性，这些都可能展宽频带。

在实际应用中，往往是综合应用以上所属的展宽频带的方法但微带天线的展宽常常伴随着天线尺寸的增大，这限制了微带天线的应用范围我们期望得到小型化宽带微带天线，因此研究减小微带天线尺寸的方法也相当重要：采用短路杆能大大减小天线尺寸，若在微带天线的表面覆盖一,层介质也可以减小天线尺寸若介质采用陶瓷材料可将天线尺寸减小三分之一以上，若采用二氧化钽则能减小五分之一另一方面，增大微带天线的带宽也应考虑到不应使天线过于复杂，否则将增大天线制造和分析难度另外，在实际应用中往往需要双频工作的天线如果我们能实现双频工作，并且每个频段都可以得到较大的带宽，这种微带天线将得到更为广泛的应用若仅基于展宽频带这一点考虑，可以在上下两层贴片中配以恰当数量的电控短路元件，则有可能是两个频段衔接起来，从而获得符合双频带微带天线，使频带展宽具有空穴结构的宽带微带贴片天线,采用低εr的介质板是展宽频频带常用的方法，但增大了天线尺寸，降低了天线效率为了解决这个矛盾，可以采用一种新的方法这种方法仍然用高εr的介质板，在介质板上开一个矩形空气穴贴片天线与矩形空气穴的相互作用使εr部分降低并改变了介质板的模式例如εr=9.7的介质板，通过这种方法可以在部分区域获得2.8的等效介电常数，这样就在不降低天线效率的前提下展宽了频带，并且天线的尺寸也不会增大。

文献①中的微带天线采用了此方法在结构上用晶体硅片做成两层介质板，在第二次层介质板上开一个矩形空气穴硅晶片具有较高的介质率，但微带贴片,天线与空气穴相互作用部分降低了有效介质率，从而产生了较宽的频带这种天线的尺寸很小，面积为5mm*7mm，厚度只有508μm，在制作中采用了微加工技术，制造过程与标准的半导体加工过程类似计算和实验结果表明，相同厚度波长比和贴片大小相同的情况下， εr=2.2的一般微带贴片天线，回波损耗—10dB带宽为4.4%，εr=10时的回波损耗—10dB带宽为2%，而这种结构的微带天线—10dB带宽可达12.5%这种新颖的微带天线工作在较高频段（10GHz-20GHz），是一种高频的微带宽带天线它可期望工作在更高频段，如亚毫米波，可应用于雷达和短程通信系统 ① M• zheng et al broadband microstrip patch antenna on micrmatchined silicon substrates.Electron.lett.,,具有U形缝隙结构的宽带微带贴片天线,这种微带贴片天线在结构上采用具有U 形缝隙的矩形贴片，贴片与接地板之间用空气或泡沫填充。

其在结构上的特点是非常简单，可以获得较小的天线尺寸这种结构的微带天线由于贴片具有U形缝隙，缝隙边缘电流引入了附加谐振，同时，缝隙也引入了阻抗，与探针的感抗相抵消，从而展宽了频带实验表明，这种天线的谐振频率为990MHz，厚度为1.06＂时，可获得47%的阻抗带宽（VSWR≤2）；在谐振频,率为990MHz，厚度为0.53＂时，可获得12.4%的阻抗带宽（VSWR≤2）两种情况下都获得较一般矩形贴片天线大的带宽这种新颖的微带天线最大的特点是只采用单层介质板、一个贴片，结构非常简单，充分体现了微带贴片天线的优势但由于采用探针馈电，物理加工工艺比较复杂，不利于天线阵列的设计后来又提出一种改进方法，用具有Π型短线结构的微带线馈电代替探针馈电，不但可以与U型缝隙获得很好的耦合，而且有利于频带的展宽实验表明，这种结构的微带天线在4.3GHz下的带宽可达20%（VSWR≤2），平均增益7.5dBCPW馈电缝隙耦合宽带微带贴片天线,共面波导馈电缝隙耦合微带天线（CPWFA）同微带馈电缝隙耦合微带天线（MLFA）一样可获得较大的带宽，两种天线具有相同的物理优势，微带贴片与缝隙的耦合作用可以展宽天线的频带。

但CPWFA还具有另外两个技术优势：（1）由于采用了CPW馈电，容易实现与有源或无源器件的串联或并联；（2）用金属板同时作为线的传导板和微带天线的辐射板，使天线的结构更为紧凑这种天线为单层结构，贴片与缝隙分别位于介质板的两面，缝隙所在的一面,为金属面贴片与缝隙之间为空气泡沫通过在CPW线的末端附加CPW短线和改变空气介质的厚度可以进一步展宽带宽实验仿真表明，采用这种方法，谐振频率为3.4GHz时，可获得大于30%的带宽和9dB的天线增益由于CPW短线没有将CPW线与接地板连接起来，因此这种结构更适用于有源微带天线附加销钉电阻的宽带微带贴片天线,微带天线的频带宽度随着谐振频率的降低将进一步降低目前移动所使用的频段为700MHz~900MHz，属于较低的频段，这就限制了微带天线在移动系统中的应用而一种新颖的贴片天线就是应用了附加销钉电阻的方法在较低的谐振频率下获得了较大的带宽这种矩形微带贴片用探针或插入的微带天线馈电，在贴片与接地板之间附加了一个销钉电阻作为短路元件由于销钉的加入，不但可以展宽频,带，而且还大大减小了天线的尺寸文献②中的探针馈电结构的天线谐振频率为710MHz，其阻抗宽带为9.3%，而一个相同尺寸的普通微带贴片天线谐振频率为1900MHz，其阻抗带宽为1.9%。

前者宽带是后者的4.9倍这种谐振频率的微带天线适用于移动通信系统微带线馈电结构的天线谐振频率为739MHz时，带宽为9.8%其工作频率较探针馈电结构的高这是由于矩形贴片天线的槽口降低了被激励贴片的表面电流的有效长度，槽口越大，频率越高因此这种结构的微带天线可应用在较高的频段但这种微带天线工作在1500MHz的谐振频率下时，可获得7.8%的较大带宽 ②Kin-Lu Wong et alsmall broadband rectangular microstrip antenna with chip-resist or loading.Electron.lett,。