微帶天線的幾種小型化技術及分析

黃羅生

【摘要】 為適應無線通信系統向小型化、集成化方向發展需要，微帶天線小型化研究成為天線研究領域的一個重要熱點，本文概述了微帶天線小型化研究的意義，重點剖析了幾種小型化技術及特點。

【關鍵詞】 微帶天線 小型化

微帶天線具有易于共形、體積小、饋電靈活和剖面低等優點，因而在現代通信系統中得到越來越多運用。然而，當微帶天線在較低頻段工作時，由于體較積大，無法適應當今無線通信系統向小型化和集成化發展的需要。為了更好滿足無線通信系統的需要，小型化微帶天線便成為一個迫切的研究課題。微帶天線的小型化是指：當天線工作在固定頻率時，減小體積尺寸；或者天線尺寸大小不變的情況下，可以工作在更低的頻率范圍內。經過持續多年的研究發展，小型化的技術主要有以下幾種：

1.表面開槽。

天線的貼片因為表面有了槽或細縫后，使得貼片表面的電流路徑被切斷，電流只能繞槽或細縫的邊緣曲折流過，這樣就延長了電流路徑。它的人優點是：具有簡單的結構，易于加工制造，天線造價成本也較低。其缺點是：利用這種技術縮減天線的尺寸也不是無限度的，當天線的尺寸減小到一定程度后，天線的帶寬、增益和其它方面性能也會呈現明顯劣化態勢。

2.采用特殊形狀的輻射貼片或折疊輻射貼片。

天線尺寸雖然沒有變化，但是因為輻射電流的路徑得到了增加，從而天線帶寬得以展寬，工作在較低頻率，因此這也是較為容易實現的一種小型化技術。

3.短路加載。

通過加載短路探針和短路墻等方式，使得微帶天線與接地板部分短路，各個諧振頻率通過進一步短路調諧，能夠實現諧振點間的相互接近，使得天線可以在更低的頻率工作，天線小型化也得以實現。

4.采用高介電常數的介質基板。

由于天線的諧振頻率與相對介電常數是反比關系。因此采用陶瓷、石英和聚乙烯等高介電常數，或者是鎳、鐵等高磁導率磁性材料的介質基板，都可以極大縮減天線的體積尺寸。但是實驗也發現，當采用這種方法時，較強的表面波會被激勵出，從而造成表面損耗增大。

5.采用電磁帶隙結構。

應用于微波毫米波的電磁帶隙EBG（Electromagnetic Band-Gap）結構，具備帶隙特性，可以達到在電磁帶隙內阻止電磁波傳播。EBG結構根據材料不同，主要分為三種：一是介質型EBG，二是金屬型EBG，三是金屬-介質型EBG，前面兩種雖然帶隙特性好，但是由于體積較大，在實際使用中并不適合。其中一種金屬-介質型EBG是高阻抗表面結構HIS（High Impedance Surface），它的優點是：可以在一定的頻帶范圍內實現同相反射，體積小，具有帶隙特性，經常被用于天線的反射板代替金屬導電體，這樣就使得反射器的天線高度降低，進而縮減天線尺寸。

6.采用人工磁導體。

美國年輕學者D.Sievenpiper在1999年提出了人工磁導體AMC（artificial magnetic conductors） 又稱為高阻抗表面的新型電磁帶隙結構，因為它具有理想磁導體對平面波同相位反射的特性和阻帶帶隙的特性。它的優點是：剖面低且重量輕，采用AMC可以使天線小型化得到極大提升，因此一出現就引起學術界的普遍關注。

7.采用RIS表面。

RIS表面可以有效減小天線與阻抗表面之間的耦合，這是因為它是電抗性表面，這樣就可以使天線的輻射效率和阻抗帶寬下降問題得到解決。對于阻性表面（如PEC、PMC），其產生的鏡像電流主要在與原電流位置對稱的鏡像點上，這樣就會大大提升兩者之間的互耦合度。如果是采用RIS這樣的純電抗表面，它的鏡像電流卻是呈現出分布狀態，這會可以顯著減小阻抗表面與天線之間的耦合作用。

8.采用左手介質。

引入左手介質后，微帶天線的增益和帶寬等性能將得到極大提升，這對天線的小型化研究具有十分重要的貢獻和意義，同時對后續研究影響深遠。初期使用的左手介質材料存在的缺陷是：天線帶寬窄、體積大、損耗高，這樣就不利于該種材料在微波毫米波天線的運用。后來出現了復合左右手CRLH傳輸線（composite right/left handed），也就是負折射率傳輸線，這種左手材料實現方式更加符合現實需要，這種方式主要是利用在非諧振狀態下的傳輸線結構從而實現左手性質。

參 考 文 獻

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