微帶天線的小型化技術

覃鳳

摘 要 微帶天線因其體積小、重量輕、易加工等優點而備受國內外學者關注。隨著信息社會的發展，移動終端的便攜化已成必然趨勢，對終端天線的小型化需求也更加迫切。因此，小型化微帶天線的研究對減小無線通信設備的體積意義重大。本文對近年來國內外關于小型化微帶天線的主要研究成果作了總結，分析了實現微帶天線小型化的主要方法。

【關鍵詞】微帶天線 小型化 發展現狀 研究方法

天線作為無線通信終端設備中非常重要的前端部件，其性能直接影響整個通信系統的質量。而隨著自動化技術的進步，已成功將高精度天線跟蹤系統與變頻器調速結合應用于衛星通信中。另一方面，隨著電路集成度的不斷提高，無線通信設備終端天線的小型化已成為必然趨勢；同時，自第一批微帶天線被研制以來，其在理論和實際應用方面都有了極大的發展。因此，微帶天線的小型化研究對減小無線通信設備的體積有非常重要的意義。

本文對近年來國內外關于小型化微帶天線的主要研究成果進行了總結，分析了實現微帶天線小型化的主要方法。

1 小型化微帶天線的研究現狀

天線小型化的實質在于采用更小尺寸的天線收發電磁波，從而節省天線所占面積。常用的小型化技術有使用加載、分形結構，采用新型材料或結構、增加介電常數等。

1.1 使用加載

使用加載，即在天線的輻射單元上加入額外元件以改變輻射單元上的電流分布。如Richard H. Chen等人通過在天線的半波槽中加載一對C形環的方法實現天線的小型化。通過加載，天線的諧振頻率顯著降低，尺寸縮減約50%。但隨著小型化程度的加深，天線增益會隨之變差，這對于要求高增益、寬頻帶天線的應用是極為不利的。

1.2 應用分形結構

分形結構的空間填充性使得在不增加天線尺寸的同時增長電流路徑、減小諧振頻率，實現天線的小型化。目前，多種分形結構已被廣泛用于設計小型化微帶天線。如文獻[3]采用Minkowski分形結構，有效降低了天線的諧振頻率，使天線尺寸減小了約33.6%。文章還對天線的輻射、增益等性能作了詳細分析，并得出結論：在尺寸減小的同時較好地保持了天線其他方面的性能。

1.3 采用新型材料或結構

近年來，超材料的發現為電磁理論的研究開辟了全新的方向，具有廣闊的應用前景。超材料在天線領域的應用也獲得了極大的關注。Dalia M. Elsheakh等人就曾運用電磁人工材料代替傳統微帶天線的地平面，使得天線的尺寸縮減了約80%，同時較好地保證了天線各方面的優良特性。

2 微帶天線的小型化技術

以微帶貼片天線為例，常采用的小型化技術手段包括增加介電常數，采用加載、曲流結構等。

2.1 增加介電常數

對于采用薄介質基板（h<<λg）的矩形微帶天線而言，其諧振頻率公式可近似表示為：

其中，f為微帶天線的中心頻率，c為真空中光速，L表示矩形貼片的長度，εr是介質基板的相對介電常數。可見，天線的尺寸與介質基板相對介電常數的平方根成反比。因此使用高介電常數的介質基板可有效減小微帶天線的尺寸。

但增加介電常數并不是無限的，基板的介電常數越高，天線的效率和增益越低；且成本增高，不適合大批量地投入生產應用。

2.2 使用加載

加載包括開路加載和短路加載兩種。以短路加載為例，其減小天線尺寸的基本原理是：半波結構的微帶天線諧振時，天線中的電流在兩個開路端中間存在一個零電位線。若在此處將天線對地短接，將形成開路到短路端的駐波結構，原來的半波天線變成?波長天線，因此天線的尺寸便可縮減一半。

2.3 曲流技術

曲流技術包括在天線貼片上或地板上開槽。如對一個矩形貼片采用曲流技術，開槽前后貼片表面電流分布如圖1。可見通過開槽，電流路徑增長了，若對于固定的工作頻率，則天線尺寸減小。但采用曲流技術的天線電流分布較復雜，交叉極化特性較差，且增益會隨天線輻射面積的減小而降低。

3 結論

本文在對近年來國內外關于小型化微帶天線的主要研究成果進行總結的基礎上，重點分析了實現微帶天線小型化的主要技術方法。

參考文獻

[1]鄭仕兵.變頻器在國產大型轉動天線中的應用[J].電腦知識與技術，2015（02）.

[2]Richard H.Chenand Yi-Cheng Lin， Miniaturized design of microstrip-fed slot antennas loaded with C-shaped rings [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，Vol.10：203-206.

[3]Mustafa K.Taher Al-Nuaimi， Design of New Miniaturized Fractal Microstrip Line Fed Printed Slot Antenna[J].2011 Baltic Congress on Future Internet and Communications，pp 148-152.

[4]D.M.Elsheakh and E.A.Abdallah， Compactmultibandprinted-IFA onelectromagnetic band-gap structures ground plane [J].Microwave and Optical Technology Letters，2012，Vol.55（07）：1670-1676.