微带天线的几种小型化技术及分析

黄罗生

【摘要】 为适应无线通信系统向小型化、集成化方向发展需要，微带天线小型化研究成为天线研究领域的一个重要热点，本文概述了微带天线小型化研究的意义，重点剖析了几种小型化技术及特点。

【关键词】 微带天线 小型化

微带天线具有易于共形、体积小、馈电灵活和剖面低等优点，因而在现代通信系统中得到越来越多运用。然而，当微带天线在较低频段工作时，由于体较积大，无法适应当今无线通信系统向小型化和集成化发展的需要。为了更好满足无线通信系统的需要，小型化微带天线便成为一个迫切的研究课题。微带天线的小型化是指：当天线工作在固定频率时，减小体积尺寸；或者天线尺寸大小不变的情况下，可以工作在更低的频率范围内。经过持续多年的研究发展，小型化的技术主要有以下几种：

1.表面开槽。

天线的贴片因为表面有了槽或细缝后，使得贴片表面的电流路径被切断，电流只能绕槽或细缝的边缘曲折流过，这样就延长了电流路径。它的人优点是：具有简单的结构，易于加工制造，天线造价成本也较低。其缺点是：利用这种技术缩减天线的尺寸也不是无限度的，当天线的尺寸减小到一定程度后，天线的带宽、增益和其它方面性能也会呈现明显劣化态势。

2.采用特殊形状的辐射贴片或折叠辐射贴片。

天线尺寸虽然没有变化，但是因为辐射电流的路径得到了增加，从而天线带宽得以展宽，工作在较低频率，因此这也是较为容易实现的一种小型化技术。

3.短路加载。

通过加载短路探针和短路墙等方式，使得微带天线与接地板部分短路，各个谐振频率通过进一步短路调谐，能够实现谐振点间的相互接近，使得天线可以在更低的频率工作，天线小型化也得以实现。

4.采用高介电常数的介质基板。

由于天线的谐振频率与相对介电常数是反比关系。因此采用陶瓷、石英和聚乙烯等高介电常数，或者是镍、铁等高磁导率磁性材料的介质基板，都可以极大缩减天线的体积尺寸。但是实验也发现，当采用这种方法时，较强的表面波会被激励出，从而造成表面损耗增大。

5.采用电磁带隙结构。

应用于微波毫米波的电磁带隙EBG（Electromagnetic Band-Gap）結构，具备带隙特性，可以达到在电磁带隙内阻止电磁波传播。EBG结构根据材料不同，主要分为三种：一是介质型EBG，二是金属型EBG，三是金属-介质型EBG，前面两种虽然带隙特性好，但是由于体积较大，在实际使用中并不适合。其中一种金属-介质型EBG是高阻抗表面结构HIS（High Impedance Surface），它的优点是：可以在一定的频带范围内实现同相反射，体积小，具有带隙特性，经常被用于天线的反射板代替金属导电体，这样就使得反射器的天线高度降低，进而缩减天线尺寸。

6.采用人工磁导体。

美国年轻学者D.Sievenpiper在1999年提出了人工磁导体AMC（artificial magnetic conductors） 又称为高阻抗表面的新型电磁带隙结构，因为它具有理想磁导体对平面波同相位反射的特性和阻带带隙的特性。它的优点是：剖面低且重量轻，采用AMC可以使天线小型化得到极大提升，因此一出现就引起学术界的普遍关注。

7.采用RIS表面。

RIS表面可以有效减小天线与阻抗表面之间的耦合，这是因为它是电抗性表面，这样就可以使天线的辐射效率和阻抗带宽下降问题得到解决。对于阻性表面（如PEC、PMC），其产生的镜像电流主要在与原电流位置对称的镜像点上，这样就会大大提升两者之间的互耦合度。如果是采用RIS这样的纯电抗表面，它的镜像电流却是呈现出分布状态，这会可以显著减小阻抗表面与天线之间的耦合作用。

8.采用左手介质。

引入左手介质后，微带天线的增益和带宽等性能将得到极大提升，这对天线的小型化研究具有十分重要的贡献和意义，同时对后续研究影响深远。初期使用的左手介质材料存在的缺陷是：天线带宽窄、体积大、损耗高，这样就不利于该种材料在微波毫米波天线的运用。后来出现了复合左右手CRLH传输线（composite right/left handed），也就是负折射率传输线，这种左手材料实现方式更加符合现实需要，这种方式主要是利用在非谐振状态下的传输线结构从而实现左手性质。

参 考 文 献

[1]徐善驾，朱旗.复合左右手传输线构成的异向介质及其应用.中国科学技术大学学报，2008，38（7）：711-724.

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