微带天线的小型化技术

覃凤

摘 要 微带天线因其体积小、重量轻、易加工等优点而备受国内外学者关注。随着信息社会的发展，移动终端的便携化已成必然趋势，对终端天线的小型化需求也更加迫切。因此，小型化微带天线的研究对减小无线通信设备的体积意义重大。本文对近年来国内外关于小型化微带天线的主要研究成果作了总结，分析了实现微带天线小型化的主要方法。

【关键词】微带天线 小型化 发展现状 研究方法

天线作为无线通信终端设备中非常重要的前端部件，其性能直接影响整个通信系统的质量。而随着自动化技术的进步，已成功将高精度天线跟踪系统与变频器调速结合应用于卫星通信中。另一方面，随着电路集成度的不断提高，无线通信设备终端天线的小型化已成为必然趋势；同时，自第一批微带天线被研制以来，其在理论和实际应用方面都有了极大的发展。因此，微带天线的小型化研究对减小无线通信设备的体积有非常重要的意义。

本文对近年来国内外关于小型化微带天线的主要研究成果进行了总结，分析了实现微带天线小型化的主要方法。

1 小型化微带天线的研究现状

天线小型化的实质在于采用更小尺寸的天线收发电磁波，从而节省天线所占面积。常用的小型化技术有使用加载、分形结构，采用新型材料或结构、增加介电常数等。

1.1 使用加载

使用加载，即在天线的辐射单元上加入额外元件以改变辐射单元上的电流分布。如Richard H. Chen等人通过在天线的半波槽中加载一对C形环的方法实现天线的小型化。通过加载，天线的谐振频率显著降低，尺寸缩减约50%。但随着小型化程度的加深，天线增益会随之变差，这对于要求高增益、宽频带天线的应用是极为不利的。

1.2 应用分形结构

分形结构的空间填充性使得在不增加天线尺寸的同时增长电流路径、减小谐振频率，实现天线的小型化。目前，多种分形结构已被广泛用于设计小型化微带天线。如文献[3]采用Minkowski分形结构，有效降低了天线的谐振频率，使天线尺寸减小了约33.6%。文章还对天线的辐射、增益等性能作了详细分析，并得出结论：在尺寸减小的同时较好地保持了天线其他方面的性能。

1.3 采用新型材料或结构

近年来，超材料的发现为电磁理论的研究开辟了全新的方向，具有广阔的应用前景。超材料在天线领域的应用也获得了极大的关注。Dalia M. Elsheakh等人就曾运用电磁人工材料代替传统微带天线的地平面，使得天线的尺寸缩减了约80%，同时较好地保证了天线各方面的优良特性。

2 微带天线的小型化技术

以微带贴片天线为例，常采用的小型化技术手段包括增加介电常数，采用加载、曲流结构等。

2.1 增加介电常数

对于采用薄介质基板（h<<λg）的矩形微带天线而言，其谐振频率公式可近似表示为：

其中，f为微带天线的中心频率，c为真空中光速，L表示矩形贴片的长度，εr是介质基板的相对介电常数。可见，天线的尺寸与介质基板相对介电常数的平方根成反比。因此使用高介电常数的介质基板可有效减小微带天线的尺寸。

但增加介电常数并不是无限的，基板的介电常数越高，天线的效率和增益越低；且成本增高，不适合大批量地投入生产应用。

2.2 使用加载

加载包括开路加载和短路加载两种。以短路加载为例，其减小天线尺寸的基本原理是：半波结构的微带天线谐振时，天线中的电流在两个开路端中间存在一个零电位线。若在此处将天线对地短接，将形成开路到短路端的驻波结构，原来的半波天线变成?波长天线，因此天线的尺寸便可缩减一半。

2.3 曲流技术

曲流技术包括在天线贴片上或地板上开槽。如对一个矩形贴片采用曲流技术，开槽前后贴片表面电流分布如图1。可见通过开槽，电流路径增长了，若对于固定的工作频率，则天线尺寸减小。但采用曲流技术的天线电流分布较复杂，交叉极化特性较差，且增益会随天线辐射面积的减小而降低。

3 结论

本文在对近年来国内外关于小型化微帶天线的主要研究成果进行总结的基础上，重点分析了实现微带天线小型化的主要技术方法。

参考文献

[1]郑仕兵.变频器在国产大型转动天线中的应用[J].电脑知识与技术，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.