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2010-03-05
摘要：本文首先简单介绍了天线的基本概念及功能。接着又讨论了目前天线技术的发展现状与趋势，主要是向着小型化、超宽带、多频段、智能化方向发展，并对目前国内外实现天线的小型化与宽频化所采用的技术进行了详细的讨论分析。最后，根据国际和国内的发展现状讨论了天线更加广阔的应用前景，如应用于无线传感网络、物联网中。 关键词：天线 小型化 宽带化 智能化
一、引言
天线是无线通信系统中非常重要的一个组成部分，它在无线电设备中的主要两个功能是能量转换功能和定向辐射或接收功能[1]。它把被导电磁波转变为自由空间的无线电波(发射系统中)，或者做相反的变换(接收系统中)，从而在任意两点之间实现电磁信号的传递。发射机末 级回路的高频电流经过馈线送到发射天线，发射天线的作用是将高频电流变换成电磁波，并向规定的方向辐射出去。反之，接收天线的作用是将来自一定方向的无线电波还原为高频电流，经过馈线送入接收机的输入回路。由此可见，天线的作用是将高频电流转换成电磁波(用于发射)或将电磁波转换成高频电流(用于接收)。
天线广泛应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统中。天线通常在空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。总而言之，在无线通信中天线是必不可少的部分，所有的通信数据都要经过天线接收和辐射电磁波来传输，所以天线性能的好坏直接影响整个无线通信系统的性能。
随着手机的普及、射频识别系统(RFID,Radio Frequency Identification)应用于生产和生活的各个方面、无线传感网络(WSN, Wireless Sensor Network)概念的提出与研究以及物联网(The Internet of Things折叠麻将桌)概念的提出，对推动天线技术的不断发展，起着决定性的作用。
二、天线的国内外研究现状
随着信息科技的发展，以现代无线通信、卫星通信、舰船通信以及雷达隐身为代表的各种
军用以及民用电子设备都在朝着小型化、微型化方向发展，各种无线传递方式对电子技术的应用提出了越来越高的要求。尤其是在一些军用特殊领域，如引信、制导系统，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。天线作为通信设备中的前端部件，对通信质量起着至关重要的作用。随着超大规模集成电路(VLSI，very large scale integrated circuits)以及甚大规模集成电路(ULSI，ultra-large scale integrated circuits)技术的发展，传统的天线形式和功能在一定程度上不能跟上电子器件小型化及高集成度发展的需求，所以现代无线通信系统要求天线向小尺寸、宽频带(超宽带)、多频段工作等方向不断发展。例如，在飞行器隐身应用领域，当飞行体本身的雷达散射截面减小后，具有小型化、高效率和低RCS特性的天线设计将日益成为飞行器电磁隐身技术研究和开发中备受关注的对象。
(1)天线的宽频带研究现状
在上个世纪五十年代以前，天线的带宽一般还不超过2:1，而五十年代后，特别是Rumsey于1957年提出所谓频率无关天线的概念，以及随后的平面等角螺旋和对数周期结构天线的出现，把天线的带扩展到了40:1或更宽。以上的分析是假定了当频率变化时，耦合网络（变压器，巴伦等）或者天线尺寸是不会有任何的变化。所以，当频率变化时，如果可以
适当调整天线尺寸或耦合网络，那么，增加窄带天线的带宽是可能的。对于宽频带天线而言，目前实现宽带化的主要技术手段有以下几个方面：
1)采用厚基板[3][4]
从物理意义上讲，增大基板厚度之所以能使频带加宽是由于厚度增加辐射电导也随之增大，辐射对应的品质因数，以及总的品质因数值下降。在一些空气动力性能及重量不苛刻的场合，这种方法还是行之有效的。该方法虽然容易实现，但是受到客观条件的限制，加大基片的厚度可增加频带宽度，但作用有限。而基片过厚会导致基片厚度与波长之比过大，引起表面波激励，同时基片厚度增加，重量随之增加，所占的空间也加大。在一些空气动力性能及重量不甚苛刻的场合，这种方法还是行之有效的。当采用同轴馈电时，厚度的增加会增加探针的电抗，导致天线的效率下降[2]。
2)采用较小或较大的基板
当减小时，介质对场的“束缚”减小，易于辐射，且天线的贮能也因防静电推车减小而变小，这样将使辐射对应的下降，从而使频带变宽。但其潜力也是有限的，其最小值为1，即采用空气介质的情况。低可减小表面波的影响，但天线的馈线(微带馈电)和贴片单元的宽度都较宽，需抑制的辐射损耗加大，且天线尺寸增大。 的增加使介质损耗变大，下降，也使频带展宽。但的变小将使所需的基板尺寸加大，而的增加必然使天线的效率降低。
3) 采用楔形或阶梯形基板
采用楔形或阶梯形基板[5]，是展宽微带天线频带简单而有效的方法。这两种基板形状的变化导致频带展宽可以解释为由于两辐射端口处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容祸合产生双回路现象造成的。从参考文献[6]可知，采用阶梯基板的谐振器，VSWR<2时的频带可达25%；采用楔形基板谐振器，VSWR<2的频带可达28%，而一个厚度相当一般矩形微带天线的频带为13%[6]。
4)贴片或接地板开槽技术
在辐射贴片上开槽，我们知道天线的电长度与频率成反比，电长度越长，频率就会相应地降低，若是通过此种方法延长了电流长度，那么谐振频率就降低了，使得实际的天线工作于更低的频率。从而大大地减小了天线的尺寸。同时通过开槽，可以使电流的流向发生改变，使天线的电流发生实质性地改变。电流流向发生改变就可能使天线工作于不同的频段，若是频段之间隔得不是太远，那么几个相近的频段重合在一起，就相应地增加了带宽。
在文献[7]中，通过在矩形贴片开U型槽，如图1所示，使得在驻波系数在小于2的情况下带宽达到40%。在圆形和三角形贴片中开U型槽也可得到类似结果[8,9]。通过辐射贴片开槽，改变了贴片上的电流流向，同时也增加了电长度，既实现了天线小型化的目的，同时也有效地展宽了阻抗宽带，但是请注意，若是相互之间的工作频率隔得足够远。则相应地就成多频段了。所以贴片开槽既可以实现天线的小型化，也可以拓展带宽，甚至还可以实现天线多频段。
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图1 采用U型槽贴片微带天线
5) 多谐振贴片
一个天线顶部贴片平面具有多个不同的辐射贴片，而每一个辐射贴片的工作频率不一样，所以大小也不一样。即每个辐射贴片可以工作于相应的频段。辐射贴片之间大都是通过相互耦合馈电，那么当各个辐射贴片之间的工作频率靠得很近时，带宽就被拓展了，这就相当于一个贴片天线具有多个贴片天线的功能。多谐振贴片结构如图二所示。
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图2 具有多层贴片的微带天线
另一种展宽频带的有效办法是：采用多层重叠的贴片，即把辐射贴片一层一层地堆叠起来。
因为每一个辐射贴片的工作频率不一样，所以大小也不一样。上一层辐射贴片是通过下一层贴片电磁偶合而馈电，并且相互之间工作频率亦可以靠得很近，这同样就相当于一个贴片天线具有多个贴片天线的功能，从而有效地展宽了微带天线的阻抗带宽。但这种层叠式天线的厚度却明显变大了。也不再是传统意义上的小型化天线。而且非常不适合对空间体积有严格限制的通信终端。
6) 阻抗匹配技术[11]
阻抗匹配技术实际上这并不是天线本身的问题，而是馈线的匹配问题。由于线极化微带天线的工作频带主要受到其阻抗带宽的限制，因此采用馈线匹配技术就可以使其工作于较宽的频域。影响阻抗的一种最常见最直接的技术就是在微带天线的馈电部分使用阻抗匹配网络，为此，可使用调谐短线和1/4波长的变换器。匹配网络应该安装在距离辐射单元尽可能近的地方，以便获得较高的总功率和带宽。不过，匹配网络的不连续点也会辐射，从而使得天线的交叉极化特性变差。匹配网络的复杂性和损耗限制了天线带宽只能达到10%-12%的带宽，Paschen用类似的技术实现了25%以上的带宽。
工作于主模的矩形或者圆形微带贴片天线，其等效电路可以用一个RLC谐振回路来描述。在背馈的情况下，馈电探针的电抗作用应予考虑，当基板厚度时，馈电探针的作用更为显著。若，其作用等效于一个电感，这个电感与谐振回路相串联，形成天线的输入阻抗。为了使这个阻抗与馈线(如的馈线)在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合，可以用计算机辅助设计方法实施最优设计。对于圆形微带贴片天线，主要匹配元件是一个串联电容。在天线工作频率上这个电容与馈电探针等效电感大致构成串联谐振。串联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化而展宽了频带。
7) 电阻性加载技术
引入天线损耗是提高天线阻抗带宽的一种方法。实践证明，通过加载片状电阻、在贴片上开L形槽以及在接地板上开槽等都可以实现天线的带宽展宽，这在文献[12]中都有详细的论述以及设计实例。通常的加载微带天线是通过加载电阻的方法引入欧姆损耗，降低天线的品质因素，从而有效地增加天线的带宽。
一般来说，加载电阻微带天线是由加载短路销钉的微带天线演化而来的。将加载的短路销钉换成一个低阻值(如1)的贴片电阻，这时天线的谐振频率和加载销钉时的谐振频率相比几乎不变，而天线的带宽则有显著的提高。同时，由于加载微带天线引入欧姆损耗，天线的效率和增益相对于常规微带天线有所降低。
8)采用非线性材料基板[13,14]
采用非线性基板材料也是展宽微带天线带宽简单而有效的方法之一。例如，采用铁氧体作为基板材料，其有效磁导率是随频率的升高而降低的。由实验知铁氧体基板微带天线具有多些特性。故若能得到接近理想的散特性就有可能在几个倍频程内用一个铁氧体天线，即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，从而实现展宽微带天线的带宽。同时，采用铁氧体作为基板还可以减小天线尺寸，以实现天线的小型化。但是采用铁氧体由于其损耗较大，效率较低。
9)采用特殊形式
近年来，由于无线通信的发展需求，各种形状的微带贴片，例如蝶形、倒F形[15]、三角形
、L形等，都被用来拓展天线频带。此外，采用一些特殊的馈电形式也可以展宽天线带宽。例如采用L形探针馈电的结构形式可以明显提高微带天线的相对带宽。
手机ic(2)天线的小型化研究现状
由于个人通信系统的发展，各种通信终端天线的需求持续增加。手机、蓝牙、无线局域网等终端对天线的小型化和紧凑性有很高的要求，在这些应用中，小尺寸的天线是十分必要的。
对于天线的“小型化”，同样没有严格的定义。一般地讲，线天线的小型化设计问题是十分困难的。这是因为一方面当频率一定时，自由空间的波长不变，另一方面天线作为与自由空间实现能量耦合的元件，其电性能直接受到几何尺寸（电尺寸）的限制，结果是天线的方向性系数、效率、带宽和几何尺寸等构成矛盾的关系。如何协调和折衷上述关系以获得最佳天线结构，则成为宽带小型化天线设计的核心问题。正因为如此，近年来有关宽带小型化设计方法的研究成为了天线研究领域中的热门课题。
1) 高介电常数基板法[16,21,22,23]
通常的微带天线是一个半波辐射结构，基本的工作模式是或。对于采用薄基片()的矩形微带天线，其谐振频率可由下式近似得出:
式中，是真空中光速，L为矩形贴片的长度，是基板材料的相对介电常数。
折弯机上模
由上式可以看出，天线谐振频率与成正比，因此，对于一个固定的工作
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