摘要：在无线通信系统中，天线是一个不可或缺的组件，它能有效辐射和接收自由空间的电磁波。在发射系统中，天线将发射机送来的高频电流变换为自由空间的电磁波，而在接收系统中天线则可将自由空间传来的电磁波转变为电流信号传送给接收机。因此，作为无线通信系统的重要前端器件，天线性能的好坏将直接影响到整个系统的通信质量。本文主要针对小型化、高集成度微带天线的研究现状和发展作了简单的综述，并对微带天线在日后生活中的应用提出了展望和希冀。 关键词：无线通信微带天线小型化高集成度
一．研究背景及意义
随着无线通信技术的迅猛发展，日趋小型化和高度集成化的无线通信系统要求通信设备具有多功能、小体积、高速率的特点，以往传统的通信设备的性能已经达不到系统的要求。为适应无线通信系统的发展，通信设备必须向小型化、多功能的方向发展，而终端天线的体积成为通信设备体积缩减的“瓶颈”。并且减小天线的尺寸又会影响到天线的带宽、增益等特性，如何设计出在天线尺寸减小的同时又能兼顾其他性能指标的小型多功能天线是一项极其富有挑战性的工作。微带天线介质基片的厚度往往远小于波
长，因此它本身就实现了一维小型化，属于电小天线。与普通的微波天线相比，微带天线的剖面薄，体积小，重量轻；并且具有平面结构，可以制成和导弹、卫星等载体表面共形的结构；同时它的馈电网络可以和天线结构一起制成，便于印刷电路技术大批量生产；另外它能与有源器件和电路集成为单一的模件；而且便于获得线极化、圆极化，易实现双极化、多频段等多功能工作。微带天线的上述优点使其得到了广泛的应用。在军事方面的应用有卫星通信、导弹遥测、火箭、雷达等；在民用方面蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(WLAN)、短距离无线网络(Zigbee)、超宽带通信(UWB)等诸多无线通信系统也都有微带天线的应用。伴随微波集成技术的发展和各种微波高性能介质材料的不断出现，小型化微带天线设计已成为现阶段无线通信领域研究的热点。因此，本文对小型化微带天线的研究和设计，具有很好的应用前景和实用价值。
二．简介、分类及特点
在1953年，美国的G.A.Deschamps教授提出了利用微带线的辐射效应来制作2天线。在接下来的二十年里，科学界对微带天线只有很少的研究。直到1972为了适应微波集成技术的快速发展并满足空间技术对低剖面天线的需求，Munson 和J.Q.Howell等才研究并制作出了第一批可供实际应用的微带天线。微带天线就在全球范围内得到了非常广泛的研究和应用。1979年，首次微带专题国际会议在New Mexico State University成功举办，1981年IEEE在天线播会刊上刊载了微带天线专辑，这标志着微带天线已从天线领域中独立出随后微带天线的相关著作也相应出版。到上世纪80年代中，在理论和应用
度与深度上，微带天线都获得了进一步的发展。现在，微带天线技术已经成广泛应用于空间技术、生物医学、移动通信卫星等各种无线通信系统中。
按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫，和常用微波天线相比，有如下优点： (1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形
(2)电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化
仿形切割机(3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。
三．微带天线发展现状
微带天线由于其体积小，低剖面，易共形，制作简单，易于实现双频段、多频段、双极化、圆极化等优点得到了越来越广泛的研究和应用[4-8]。为了适应无线通信系统的发展，国内外学者对微带天线进行了大量研究，主要集中在以下几个方面：
1)小型化：伴随着大规模集成电路技术与空间技术的飞速发展，电子设备小型化和微型化的发展趋势日益明显，而作为无线通信设备终端器件，天线的小型化已是迫在眉睫。特别是在移动通信、卫星通信等通信系统中，由于物理空间的限制，都需要小尺寸的天线。目前，微带天线小型化技术主要有：采用特殊基板、短路加载技术、曲流技术、有源加载技术、采用特殊贴片结构、采用左手材料和电磁带隙结构等。
2)多频段：在无线通信领域中，多频技术的应用越来越广泛，对多频天线
的要求也越来越高。如兼容900MHz和1800MHz的手机天线、移动电台的
共用天线以及跳频工作的合成孔径雷达天线等，都需要天线能够双频工作，
无线局域网(WLAN)和全球定位系统(GPS)等通信系统中的无线设备也都要
线能够实现双频或多频工作。国内外已有大量文献讨论了实现多频段的微带
技术。
3)宽频带：微带天线的带宽一般都比较窄，普通微带贴片天线的频带仅为
%~3%。研究发现通过选取恰当的介电常数和磁导率的介质基板，改变天线的
尺寸和形状，以及采用相应的阻抗匹配和馈电方法，可以有效展宽天线的频度。
4）多极化：多极化特性在雷达、抗干扰和目标识别等方面有很广泛的应用。针对单个天线单元如何实现双极化、圆极化和多极化等天线极化技术这一研究方向，国内外已有大量文章发表。
5)高增益：在实现天线小型化的同时，天线的增益也会相应降低，要想在
实现天线多功能工作的同时使天线的增益保持在一个较高的水平，也是天线设计的一个热点。
四．分析与设计方法
4.1.微带天线阵
微带天线阵由于其独特优势，在雷达、医疗、精确制导、遥测等各个领域得到广泛应用微带天线阵的种类很多，中等增益线极化微带天线阵常用的形式主要有：梳齿阵与贴片阵，梳齿阵一般串联馈电，贴片阵一般并联馈电，如图1所示。这两种阵的增益小梳齿阵并馈贴片阵于24dB时，性能都可以，只是梳齿阵比贴片阵能充分利用给定的面积，而贴片阵的频带较宽。当天线增益大于24dB时，对梳齿阵来说由于天线尺寸加大，当频率变化时，最边缘的辐射元的相位变化也
加大，特别是其E面在结构上不对称，当工作频率偏离中心频率时，天线的E 面方向图迅速变坏，因此天线频带很窄，这对于有一定频带要求的应用场合是不行的，并且即使点频应用，由于其频带很窄，在研制时要把频率调到所要求的频率上也非易事。并馈贴片天线，其辐射元的数目一般是2，其设计尺寸有一定限制，在给定尺寸的条件下，不一定能充分利用其面积，而且天线阵较大时，由于馈线加长，馈线的损耗相应增加，使天线的效率降低.并联馈电的馈电网络比较复杂，这给加工时精度保证带来一定的困难。而本文所介绍的这种谐振式串馈贴片阵能较好的解决上些问题。虽然串馈贴片阵与梳齿阵都是串馈天线阵，但由于前者E面结构上对称性比后者好，因此E面的方向图频带比梳齿阵宽，这样，整个天线的工作频带比同样大小的梳齿阵宽。此种天线阵的尺寸可自由选择，能充分利用给定的面积，另外，它的结构简单，易于加工制作。
4.2.原理
数字调谐器贴片阵的形式如图2所示，它由串馈的微带线阵组成，每个线阵由谐振的矩形贴片元和半波长微带线串接而成，即一个贴片加上与之串接的一段微带线构成一节，贴片的谐振长度为半波长，这样相邻节之间的相位差为2二，从而保证各贴片是同相辐射，由于馈线和贴片连接处有截面跳变，存在不连续性，因此实际尺寸要适当修正，线阵的馈电位置位于线阵的中部，由于馈电点两边的电流是相反的，为保证两边的贴片元同相馈电，馈电点两侧是不等长的，一端比另一端长半波长，这样可保证馈电点两侧的贴片同相辐射。用若干个相同的线阵排成矩形面阵，用一根总的微带线把各线阵的馈电点串接起来。用同轴微带接头在总微带线的中部进行馈电，使得天线阵的各个贴片元在中心频率上保持同相，从而得到最大的轴向增益。
一般的串馈阵在天线阵的一侧馈电，由于其馈线尺寸对频率敏感气当工作频率偏离中心频率时，相邻贴片元和相邻的线阵不能保证同相，因此方同图的最允辐射方向有偏斜的趋势。但中心馈电的串馈阵，
模拟大夫在中心两侧的阵元辐射方向偏移的趋势相反、合成波束最大方向能在软宽的频带范围内保持不变，增益降低较少方向图较对称。
五．总结与展望
5.1总结
微带天线由于其体积小，剖面低，易共形，制作简单，易于实现双频段、多频段、双极化、圆极化等优点得到了越来越广泛的研究和应用。但微带天线的带宽一般较窄，又在一定意义上限制它的应用。同时，为适应日趋小型化和高度集成化的无线通信系统的发展要求，通信天线必须向小型化、多功能的方向发展。而在减小天线的尺寸同时又会影响到天线的性能。如何设计出小尺寸且具有良好性能的微带天线是国内外天线界研究的热点。
5.2展望
无线通信技术的发展日新月异，势必会给通信天线的设计提出更高的要求，许多微带天线新技术已经逐步被人们所利用，对于微带天线的发展，可预见的是：
1)将电磁带隙结构引入到微带天线中，可以提高天线的效率和增益，改善天线的方向图，降低天线的交叉极化电平，但这种电磁带隙结构的尺寸却成了其应用的一个瓶颈，因此，带有电磁带隙结构的微
带天线的小型化是值得研究的一个课题。
2)由于左手材料能够实现后向波效应，把它应用在微带天线中，可以设计出小于半波长的谐振腔结构，突破传统微带天线半波辐射的限制，从而达到天线小型化的目的，同时避免了因减小物理尺寸而带来的天线性能下降的问题。目前，很多学者和科研人员都在进行这方面的研究。
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3)计算机辅助设计和制造技术在一定程度上关系到天线的设计周期。便捷、精度高，又占用较少计算机资源的计算方法和程序，必将受到天线工程师的青睐。
六．参考文献双面电路板
[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.
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[3]林昌禄.近代天线设计[M].北京：人民邮电出版社，1990.
[4]李鑫，丁军，吕晓德.一种用于WLAN的U形槽加载的双频贴片微带天线[J].
刻字笔中国科学院研究生院学报，2007,24(3):380-383.
[5]薛睿峰，钟顺时.微带天线小型化技术[J].电子技术，2002(3):62-64.
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