1、第 1 章绪论1、绪论1.1 课题的研究背景及意义自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统具有的传输频带宽，容量大，损耗低，串扰小，抗干扰能力强等特点，已成为城市最可靠的数字电视和数据传输的链路，也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送方式。随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的现代通信
2、技术引起了人们的极大关注，我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力，我国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。目前，电力系统光纤通信网已成为我国规模较大，发展较为完善的专用通信网，其数据、语音，宽带等业务及电力生产专业业务都是由光纤通信承载，电力系统的生产生活，显然，已离不开光纤通信网。无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属，无线通信技术了。无线通信技术包括了移动通信技术和无线局域网（WLAN）技术等两大主要方面。移动通信就目前来讲是 3G 时代，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段。无线局域网可以弥补以光纤通信为主的
3、有线网络的不足，适用于无固定场所，或有线局域网架设受限制的场合，当然，同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。WLAN ，目前广泛应用 IEEE802.11 系列标准。其中，工作于 2.4GHZ 频段的 820.11 可支持 11Mbps 的共享接入速率；而 802.11a 采用 5GHZ 频段，速率高达 54Mbps，它比 802.11b 快上五倍，并和 820.11b 兼容。给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。在整个无线通信系统中，用来辐射或接收无线电波的装置成为天线，而通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的，均需要有无线电波的辐射和接收，因此，同发射
4、机和接收机一样，天线也是无线电技术设备的一个重要组成部分，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动
5、终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。因此，一副实用且性能良好的天线既要满足系统易于集成化的要求，同时也要满足各个系统的兼容性、可靠性要求，即为对天线小型化、宽频带、多频带的设计要求，因此本文主要对现代无线通信系统的多频带、宽带、超宽带天线进行研究和设计。1.2 微带天线的发展概述早在 1953 年 G. A. DcDhamps 教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下
6、来的近 20 年里，对此只有一些零星的研究。直到 1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(REMunson)和豪威尔(JQHowell)等研究者制成了第一批实用的微带天线1。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979 年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981 年 IEEE 天线与传播会刊在 1 月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世。80 年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。微带天线具
7、有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻等优点，得到广泛的应用。1.3 小型化、多频带/宽频带天线的研究现状1.3.1 天线小型化、宽频带研究现状天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于 3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制
8、的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。1.3.2 多频带天线的研究现状多频天线主要有多频振子天线 2、多频缝隙天线 3和多频微带天线 4，多频振子天线主要通过添加不同长度的谐振振子来实现多频带，多频缝隙天线主要通过在辐射单元以及辐射地结构上进行开缝改变电流流向来实现多频化，多频微带天线则主要通过调节微带线的长度、宽度以及不同微带线之间的距离来实现多频化。随着1.4 论文的主要研究内容第 2 章微带天线理论（参看宝儿书）第 3 章多频带天线设计3.1 天线多频化实现技术3.2 基于分形结构的多频微带天线设计3.1.1三、微带天
9、线的小型化技术天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于 3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。3.1 天线加载在
10、微带天线上加载短路探针 4 ，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，典型结构如图3.1 所示。其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的，这给制造公差提出了苛刻要求。(2) 带宽窄。(3) H 面的交叉极化电平相对较高。将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor) ，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。图3.1 加载短路探针的微带天线3.2 采用特殊材料基片从天线谐振频率关系式可以知道，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
11、降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是: (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(如图3.2 所示) 。图 3.2 采用高 的多层介质微带天线r3.3 表面开槽（slot） 5当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3 所示) ，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3.4 为表面开槽的
12、口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。图 3.3 表面开槽的小型化微带天线 图 3.4 小型口径耦合圆极化微带这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1 %) 与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。3.4 附加有源网络缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可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。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
13、抗，天线带宽高低端频比可达2030 。(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，包括主波方向、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。3.5 采用特殊形式这些方法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，如蝶形(bow2tie) (如图3.5所示) 、倒F 型( PIFA ，planar inverted2F antenna)(如图3.6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(sta
14、cked shorted patch) 等等。图 3.5 双频带蝶型微带天线 图 3.6 电容加载的倒 F 型微带天线（PIFA）四、结束语微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的一个研究热点。如何设计出具有小型化的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。第 2 章1.课题的研究背景及意义从马可尼横跨大西洋的无线电通信创举，到今天千百万用户随时随地畅通无阻的漫游，从现代高科技战争中
15、战略和战术武器使用，到日常生活中便携式通信设备普及，射频无线通信技术取得了举世瞩目的成就，并且越来越紧密的影响和改变着我们的生活。刚刚过去的十年无疑是无线通信爆炸式发展和普及的十年，射频电子技术已经成为现代无线通信快速发展的基础。通过近十年的发展来看，无线电通信技术变得更加实用，随着通信事业的飞速发展，射频前端电路的集成度越来越高，宽带化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量轻等设计要求越来越苛刻，因此射频前端电路与系统宽带化设计显得十分必要，具有巨大的经济效益和社会意义。0天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波 1，通信系统中的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁
16、波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展,基于分形结构的多频微带天线设计1 分形天线结构多频天线主要有多频振子天线 2、多频 缝隙天线 3和多频微带天线 4，这些多频天线辐射结构之间相互独立，没有特定变化规律，而分形几何结构独有空间填充性和自相似性的特点，在多频微带天线的设计中可实现天线多频化、小型化的目的 4。目前采用分形结构来实现多频工作的有 Sierpinski 三角形分形 5、寄生分形 6、方形分形 7、树状分形 8结构等，它们通过改变分形次数而不引入有耗加载量，具有的规律性结构使得小型化天线设计得到了简化天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波 1，通信系统中
17、的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展,小型化、多功能成为人们对各种手持设备的不断追求，这就需要一个终端设备能够同时在多个频段工作。2G 通话频段（GSM1800）、世界公开使用的无线频段（ISM2.4GHz）和用于无线通信的城域网频段（WiMAX）是小型多功能手持设备工作的重要频段，因此设计出能覆盖上述频段的天线具有实际意义.本文拟采用 Sierpinski 分形结构，利用加载谐振和匹配枝节的办法，设计一款应用于GSM1800（1710MHz1850MHz ）、ISM（2.4GHz ）和 WiMAX (3.3GHz3.6GHz)的全向辐射微带天线。1
18、 设计原理Sierpinski 分形有 Sierpinski 三角和 Sierpinski 毯两种，其中 Sierpinski 三角的形式多样，应用较为广泛 9。Sierpinski 三角形天线进行分形之前 ,其初始元会在低频处产生一个谐振点,随着天线分形结构迭代次数的不断增加,天线的生成元不断减小,而天线将保持原有的谐振点不变并在高频处增加新的谐振点,谐振点的个数与分形的迭代次数相等,并且在各谐振频点天线都具有相似的辐射性能。Sierpinski 三角形分形单元如图 1 所示。 h图 1 Sierpinski 三角形分形单元Sierpinski 三角形分形结构具有多频特性，且各个谐振频点成比
19、例。比例系数可通过改变垫片的形状来调节，但不能无限次分形，其存在的截断效应将导致第一谐振点与其它谐振点不满足谐振频率 9（1）nnhcf26.0比例关系。其中， 为空气中的光速， 为迭代前三角形的高度， 为天线的缩放因子。h若通过加载枝节的方法进行调节，则可以解决仅采用 Sierpinski 三角形分形结构时频点位置难以调节和不能无限次分形实现多频化的问题。加载的微带枝节长度 和宽度 的LW表示式分别为 10(2)Lfce2(3)21)(rfW其中， 为相对介电常数， 为有效介电常数，其计算式为 10re（4）21)(21whrre为等效长度 ，由式（5）计算 10L（5 ）)8.0(2564
20、341.0hwhLe2 天线设计2.1 天线模型设计该天线基于 Sierpinski 分形结构，采用两次三角形分形分别产生 1.7GHz 和 3.5GHz两个谐振点，加入短谐振枝节产生 2.4GHz 的谐振点，加入长匹配枝节调节低频 1.7GHz 谐振点后移至 1.8GHz 处，克服了低频谐振点因加入短谐振枝节以及耦合的影响出现前移的问题，背面采用 2.3mm 宽的反射参考地结构，保证天线各处辐射大小相等，实现全向辐射。设计天线模型如图 2 所示。(a) 正面(b) 背面图 2 天线模型2.2 模型参数设计采用聚四氟乙烯材料为介质基板，介电常数（ ）为 3.5，基板尺寸为 53.6mm*r46
21、.7mm*1mm。由式（1）可以计算求得 Sierpinski 三角形分形辐射贴片的尺寸如下。初始 Sierpinski 分形单元高度： =antH46.7mm初始 Sierpinski 分形单元宽度：W ant=53.6mm第两次分形后分形单元的长度：L 1=17.1mm，L 2=16.1mm, L3=25.7mm，L 4=12mm第两次分形后分形单元的宽度：W 1=28.6mm，W 2=12.5mm由微带贴片理论公式（2）、（ 3）计算加入短谐振枝节的尺寸如下。短谐振枝节长度：L 5=24.9mm短谐振枝节宽度：W 4=1mm通过 1/4 波长阻抗转换，加入长匹配枝节的长度为：L 6=34
22、.6mm。由于受介质均匀性、软件本身存在的仿真误差等影响，实际优化长度与理想计算长度会稍有偏差，最终设计天线以实际优化长度为主。 3 仿真优化与结果分析利用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）对天线结构、参数和辐射方向性进行仿真分析，仿真结果分别如图 3、图 4 图 5 和图 6 所示。图 3 为只有分形结构和在分形结构上分别加载短谐振枝节、长匹配枝节时天线谐振点和回波损耗的对比。图 3 加入不同枝节的天线回波损耗由图 3 可知，当仅采用 Sierpinski 分形结构时，产生低频 1.7GHz 和高频 3.5GHz 两个谐振点；加入短谐振枝节，可产生 1.65GHz、2.4GH
23、z 、3.5GHz 3 个谐振点，与未加枝节时相比，低频 1.7GHz 谐振点的位置发生前移，但产生了新的谐振点；加入长匹配枝节，产生1.8GHz、3.5GHz 两个谐振点，与加入短枝节相比，低频谐振点则向后移动，频点位置有所改善，但并没有产生更多的谐振点，因此，综合考虑加入短谐振枝节和长匹配枝节对频点位置的影响，若同时加入长短枝节则可以实现该天线多频化、小型化的设计。图 4 为不同的耦合距离对天线谐振点和回波损耗的影响对比图。 图 4 耦合间距的优化由图 4 看出，耦合距离的变化对天线谐振频率点位置的影响较小，但对回波损耗的大小影响较大，综合考虑 3 个频段的回波损耗，当耦合距离 S=0.6mm 时，回波损耗在 3 个谐振点处均达到-25dB 以下，达到最优。图 5 为设计天线同时加入长短枝天线的谐振频点和回波损耗的变化图。
