关键词：小型多频段；宽频带；微带天线；
引言：无线电波的辐射和接收主要依靠天线来完成，通过天线由信源到信宿上的转变实现信息的传递，并且非信号电磁能量的传递也将由天线来完成。随着通讯技术的发展，使得天线技术再一次发生了重大转变，天线的种类得到多样化发展，应用的范围也逐渐扩大，微带天线的产生能够使天线设计变得更加平面化与集成化，小型多频段和宽频带天线的设计受到广泛关注。
1.小型多频段微带天线设计
1.1微带天线小型化技术
随着无线通信技术的不断更新和完善，电子技术的变革也逐渐符合用户对通信设备的需求，使各类通信终端开始逐渐向小型化的方向转变。现阶段，微带天线小型技术主要包括介电常数法和加载法。
1.1.1介电常数法
从微带天线中构造较为简单的矩形贴片来说，经过相关公式计算后得出，介电常数平方根与天线物理大小之间呈现出负相关关系，一旦介电常数值增加则会导致天线的物理大小减少，并且这种关系适用于所有微带天线当中。但是，此种方式的使用也存在一定的缺陷，主要体现在天线辐射效率降低导致其工作宽带狭窄问题，由于微带天线自身为谐振型，宽带自身较窄，再将介电常数较大的高介电应用其中，将导致介质材料带宽进一步缩减[1]。
1.1.2加载法
对于微带天线进行设计的另一种方式为加载法，通常情况下，此种方式主要是将线路划分为两种类型，一种为阻抗加载，另一种为短路加载。在短路加载中，可以采用缩小尺寸的方式，利用四分之一的波长辐射完成天线的小型化，将辐射边与地面距离较近的两点连接在一起，使短路面能够在镜像的作用下使辐射导体与半波长尺寸相同。但是此种方式的应用也存在一定的缺陷，主要体现在两个方面，一是天线工作带宽的缩短，很可能产生交叉极化反射，二是天线的尺寸缩短不够明显。
1.2多频段微带天线设计
本文所设计天线的大小为40mm×35mm×2mm，所使用的介质板材主要为Rogers RO4003，损耗角的正切值tanθ为0.0027，相对介电常数ε为3.38，利用微带线和WLAN高频的方式使天线尺寸得到有效的控制。主要设计目的为适应WLAN的高低频在四分之一波长折叠中单极辐射导体。由于单极子辐射单元的长度均为1/4，经过折叠以后导体的尺寸将变得更小，因此设计天线的实际长度也应处于自由空间和介质波长之间，具体尺寸的计算方式为：
式中，C代表的是真空环境下的光速；代表的是介质中的波长；代表的是介质参数；代表的是工作频率。因此，在2.45GHz频率之下1/4波长中在H2和L2之间16.5-31.5mm的范围内，其工作频率也就是H1和L1之和为16.5-31.5mm的范围之间。天线长度与工作频率息息相关，通过仿真设计的方式能够做出正确的判断，将最为合适的结果选择出来。同时，在地板中进行开缝设计，得出能够在WiMAX3.5GHz频率中将适应的范围，对缝隙的大小进行掉正，寻找到适当的缝隙参数以此来实现该设计的最终目标[2]。
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2.小型宽频段微带天线设计
2.1微带天线宽频化技术
由于目前无线频谱资源量稀少，而无线通信设备类型和数量不断增加，为了提升对频谱资源的使用效率，通常一条天线中需要带动多个工程应用，由此可见，扩大天线带宽显得十分重要。
2.1.1多谐振点技术
对于微带天线来说，通常情况下多谐振点可以划分为两种类型，一种为单层结构，另一种为多层结构。其中，单层结构主要采用提升谐振片的方式，使带宽得到有效的增强，将距离较近的几个谐振点进行耦合，实现天线中带宽扩展的目的。而在多层结构当中，主要是在单层基础上，使介质基底的辐射贴片增加，以此来扩展阻抗带宽。将上述两种扩展带宽的方式进行对比能够得出，多层结构与物理尺寸之间的相似度较高，可以对90%的带宽进行优化。
2.1.2电容补偿馈电技术
电容补偿馈点技术主要是对以往探针馈电技术进行优化升级，将探针的底部加入特定的贴片，使其减少探针在加载过程中产生的电感，进而实现扩大阻抗带宽的目的。例如，L型探针，其在与辐射贴片之间进行耦合的过程中，可能会产生较大的电容，致使天线中的电感变小，进而提升天线的阻抗带宽。
2.1.3电磁耦合馈电技术
此项技术属于非接触型馈电的一种，主要利用电磁耦合的方式实现辐射提馈电目标。在耦合机理方面属于电容性，而在直接接触型馈电方面属于电感性，因此二者相比来看，后者比前者更容易提升天线电路容性，使天线中的Q值降低，带宽提升。
2.2宽频带微带天线设计
本文所设计天线的大小为40mm×35mm×1.5mm，所使用的介质板材主要为Rogers RO4003，损耗角的正切值tanθ为0.0027，相对介电常数ε为3.38。首先对原始天线中的极子天线进行设计，天线倍频带宽度没有超过2，因此需要通过多谐振方式来扩展其带宽。利用L型极子进行替换，实现两个辐射提之间的耦合，最终实现宽频化的效果。H1代表天线短枝节极子长度，数值为8mm，L型极子枝节L2的长度为2mm，H2的长度为10mm，利用谐振辐射体对天线的辐射性能进行转变，使其阻抗带宽得到有效的扩张，将L1长度进行转变后提升天线的阻抗特性[3]。
通过相关数据计算和图形分析能够得出，当L1的长度超过12mm时，天线的高低频段都将产生小频段，使得S11的数值超过-10dB，使天线的带宽缩短。当L1的数值由14mm降低到12mm时，天线中的阻抗带宽数值为3.5-8.8GHz，由此可见，带宽得到了有效的扩展。H代表的是调节天线的介质板厚度，其能够对天线的Q值发生改变，进而对天线的阻抗带宽进行调节。介质板厚度的原始数值为2mm，经过转变之后，H将由以往的1mm转变到2.5mm，并且每次转变的大小为0.5mm。随着H数值发生改变，天线谐振点的位置也开始发生移动，从起点开始向左侧方向移动，并且在H数值为1.5mm时达到顶峰，高频段的S11数值与-10dB相比较大，进而缩短了天线的带宽。当H的数值为1mm时，频段中产生两个超过S11的频段，当H的数值超过1.5mm时，天线的带宽达到最大状态，数值为3.35GHz，这时天线的带宽集合能够将所有的民用UWB频带全部覆盖其中。
结束语：综上所述，随着科学技术的不断发展，天线的种类逐渐多样，应用的范围逐渐扩展，使其在功能、体积、性能等多个方面能够逐渐与人们的需求相符合。社会对无线设备的便携式需求使其发展趋势逐渐向着小型化靠拢，不但能够使无线频谱资源短缺问题得到有效的弥补，而且还能够使通信质量和效率得到显著的提升。因此，在未来的发展中应进一步加强对小型多频段和宽频带微型电线的研究，使其功能得到进一步的拓展和延伸。
参考文献：
[1]许德成. 面向穿戴式无线通信系统的柔性天线设计及实现方法研究[D].吉林大学,2017.
[2]孙超. 卫星导航自适应抗干扰阵列天线及短波天线调谐器研究[D].西安电子科技大学,2016.
[3]杨琬琛. 新型人工磁导体结构特性研究及其在高性能天线中的应用[D].南京理工大学,2016.
论文作者:陈超,,黄先知,
论文发表刊物:《科技中国》2018年3期
论文发表时间:2018/8/6
标签：天线论文; 微带论文; 带宽论文; 频段论文; 谐振论文; 阻抗论文; 方式论文; 《科技中国》2018年3期论文;