1、第一章緒論一、緒論小到一次社會交際中的簡單對話；大到進可以毫不保留地說， 離開了通信技術，我 應用范圍越來越廣。 在廣播電以光纖網絡為基礎的網絡建設的格局已經形成。1.1課題的研究背景及意義 自古至今，通信無時無刻不在影響著人們的生活， 行太空探索時，人造探測器與地球間的信息交換。 們的生活將會黯然失色。 近年來，隨著光纖技術越來越成熟， 視領域，光纖作為廣播電視信號傳輸的媒體，光纖傳輸系統具有的傳輸頻帶寬，容量大，損耗低，串擾小，抗干擾能力強等特點，已成為 城市最可靠的數字電視和數據傳輸的鏈路，也是實現直播或兩地傳送最經常使用的電視傳送方式。隨著全球通信業務的迅速發展，作為未來個人通信主要手

2、段的現代通信技 術引起了人們的極大關注，我國在移動通信技術方面投入了巨大的人力物力，我 國很多地區的電力通信專用網也基本完成了從主干線向光纖過度的過程。目前，電力系統光纖通信網已成為我國規模較大，發展較為完善的專用通信網，其數據、語音，寬帶等業務及電力生產專業業務都是由光纖通信承載，電力系統的生產生活， 顯然，已離不開光纖通信網。無線通信現狀另一非常活躍的通信技術當屬，無線通信技術了。無線通信技術包括了移動通信技術和無線局域網 （WLAN ）技術等兩大主要方面。 移動通信就目前來講是 3G時代， 數字化和網絡化已成為不可逆轉的趨勢。目前，移動通信已從模擬通信發展到了數字移動通信階段。無線局域網

3、可以彌補以光纖通信為主的有線網絡的不足，適用于無固定場所，或有線局域網架設受限制的場合，當然，同樣也可以作為有線局域網的備用網絡系統。WLAN，目前廣泛應用IEEE802.11 系列標準。其中，工作于2.4GHZ 頻段的820.11可支持11Mbps 的共享接入速率；而 802.11a采用5GHZ頻段，速率高達 54Mbps，它比802.11b快上五 倍，并和820.11b兼容。給人們的生活工作帶來了很大的方便與快捷。在整個無線通信系統中，用來輻射或接收無線電波的裝置成為天線，而通信、 雷達、導航、廣播、電視等無線電技術設備都是通過無線電波來傳遞信息的，均 需要有無線電波的輻射和接收，因此，同

4、發射機和接收機一樣，天線也是無線電 技術設備的一個重要組成部分，其性能的優良對無線通信工程的成敗起到重要作 用。天線的作用首先在于輻射和接收無線電波，但是能輻射或接收電磁波的東西但是任意一個高頻 要能夠有效地輻 快速發展的移動通 高性能的天線。微多功能（多頻段、多極化）、經過近幾十年的發展，已經取得了可喜的進步，不但可以減小天線對于人體的輻射，還可使手 設不一定都能作為天線。任何高頻電路，只要不被完全屏蔽，都可以向周圍空間或 多或少地輻射電磁波，或從周圍空間或多或少地接收電磁波， 電路并不一定能用作天線，因為它的輻射或接收效率可能很低， 射或接收電磁波，天線在結構和形式上必須滿足一定的要求。

5、信系統需要的是小型化、寬頻帶、 帶天線作為天線家祖的重要一員， 在移動終端中采用內置微帶天線， 機的外形設計多樣化，因此內置微帶天線將是未來天線技術的發展方向之一， 計出具有小型化的微帶天線不但具有一定的理論價值而且具有重要的應用價值， 這也成為當前國際天線界研究的熱點之一。因此，一副實用且性能良好的天線既要滿足系統易于集成化的要求，同時也要滿足各個系統的兼容性、可靠性要求，即為對天線小型化、寬頻帶、多頻帶的 設計要求，因此本文主要對現代無線通信系統的多頻帶、寬帶、超寬帶天線進行 研究和設計。1.2微帶天線的發展概述 早在1953年G. A. DcDhamps教授就提出利用微帶線的輻射來制成微

6、帶微波天線 的概念。但是，在接下來的近 20年里，對此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術的發展和空間技術對低剖面天線的迫切需求，芒森(R. E. Mun so n)和豪威爾(J. Q. Howell)等研究者制成了第一批實用的微帶天線 。 隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。1979年在美國新墨西哥州大學舉行了微帶天線的專題目際會議，1981年IEEE天線與傳播會刊在1月號上 刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領域中的一個專門分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世。80年代中，微帶天線無論在理論與應用的深度上 和廣度上都獲得了進一步的發展； 今天，這一新型天線

7、已趨于成熟，其應用正在 與日俱增。微帶天線具有結構緊湊、外觀優美、體積小重量輕等優點，得到廣泛 的應用。1.3小型化、多頻帶/寬頻帶天線的研究現狀1.3.1天線小型化、寬頻帶研究現狀天線作為無線收發系統的一部分，其性能的優劣對整個系統的性能有著重要 的影響。微帶天線帶寬相對較窄，通常低于3%,而無線通信技術的發展，特別是高速數據傳輸系統以及軍用寬帶無線系統的發展，要求天線具有更高的帶寬。 同時在隨著電路集成度的提高，系統對天線的體積有著更高的要求，尤其是一些 軍用和民用的領域，如導彈制導系統和手機等等，物理空間的限制成為系統設計 必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會顯著降低，

8、帶寬也 會隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設計出寬帶小型化的微帶天線是近年出現的一個熱門課題。當然優化微帶天線設計方法的探討有著重 要的意義。1.3.2多頻帶天線的研究現狀多頻天線主要有多頻振子天線 2、多頻縫隙天線3和多頻微帶天線4，多頻振子天線主 要通過添加不同長度的諧振振子來實現多頻帶，多頻縫隙天線主要通過在輻射單元以及輻射地結構上進行開縫改變電流流向來實現多頻化，多頻微帶天線則主要通過調節微帶線的長 度、寬度以及不同微帶線之間的距離來實現多頻化。隨著1.4論文的主要研究內容第二章微帶天線理論(參看寶兒書) 第三章多頻帶天線設計3.1天線多頻化實現技術 3.2基于分形結

9、構的多頻微帶天線設計3.1.1三、微帶天線的小型化技術天線作為無線收發系統的一部分，其性能的優劣對整個系統的性能有著重要 的影響。微帶天線帶寬相對較窄，通常低于3%,而無線通信技術的發展，特別是高速數據傳輸系統以及軍用寬帶無線系統的發展，要求天線具有更高的帶寬。 同時在隨著電路集成度的提高，系統對天線的體積有著更高的要求，尤其是一些 軍用和民用的領域，如導彈制導系統和手機等等，物理空間的限制成為系統設計 必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會顯著降低，帶寬也 會隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設計出寬帶小型化的微帶天線是近年出現的一個熱門課題。當然優化微帶天線

10、設計方法的探討有著重 要的意義。3.1天線加載在微帶天線上加載短路探針，通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中 引入耦合電容以實現小型化，典型結構如圖3.1所示。其缺點是：(1)阻抗匹配極 大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離,往往需要饋電點的精確定位和十分微小的,這給制造公差提出了苛刻要求。(2)帶寬窄。(3) H面的交叉極 化電平相對較高。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻(chip resistor),在進一步 降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。圖3.1加載短路探針的微帶天線3.2采用特殊材料基片從天線諧振頻率關系式可以知道，諧振頻率與介質參數成反比，因此采用高 介電常數(如陶瓷材料)或

11、高磁導率(如磁性材料)的基片可降低諧振頻率，從而 減小天線尺寸。這類高介質天線的主要缺陷是：(a)激勵出較強的表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。（b）帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋 介質（如圖3.2所示）。（xt；YrI h鬲圖3.2采用高r的多層介質微帶天線1C11圖3.4小型口徑耦合圓極化微帶3.3表面開槽（slot）5當在貼片表面開不同形式的槽或細縫時（如圖3.3所示），切斷了原先的表面 電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當于引入了 級聯電感。由于槽很窄，它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。選擇適當的槽從而控制貼片表面電流以激勵相位差 90

12、。的極化簡并模，還可形成圓極化 輻射，以及實現雙頻工作。圖3.4為表面開槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片 天線。圖3.3表面開槽的小型化微帶天線這類天線結構簡單，成本低廉，加工方便，其特點是：隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬（一般約為1 %）與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶 寬這兩個限制，開發實用化、易調諧的此類天線尚待深入研究。3.4附加有源網絡縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低。可利用有源網絡的 放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降。 有源天線具有 以下良好特性：（1）工作頻帶

13、寬。利用有源網絡的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達2030。 增益高（可達10dB以上），方向性好。（3）便 于實現阻抗匹配。（4）易實施天線方向圖，包括主波方向、寬度、前后輻射比等 的電控。（5）有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲 及非線性失真問題。3.5采用特殊形式的。示）形、這些方法總的思路是使貼片的等效長度大于其物理長度，以實現小型化目 近年來由于無線通信的需求，有大量方案提出，如蝶形 （bow2tie）（如圖3.5所 、倒F 型（PIFA，planar inverted2F antenna）（如圖3.6 所示）、L 形、E 形、丫 雙C形、層疊短

14、路貼片（stacked shorted patch）等等。四、圖3.5雙頻帶蝶型微帶天線結束語Side Viewer1圖3.6電容加載的倒F型微帶天線（PIFA）易與飛行器共形、易于加工、微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、因而自其誕生以來就得到社會易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優點，各界的廣泛研究與應用。通訊產品越來越小型化，物理空間的限制成為系統設計 必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設計的一個研究熱點。如何設計出具有小型化的微帶天線是當前微帶天線設計的難點與重點。第二章1.課題的研究背景及意義從馬可尼橫跨大西洋的無線電通信創舉，到今天千百萬用戶隨時隨地暢通無阻的漫游

15、，從現代高科技戰爭中戰略和戰術武器使用，到日常生活中便攜式通信設備普及，射頻無線通信技術取得了舉世矚目的成就， 并且越來越緊密的影響和改變著我們的生活。剛剛過去的十年無疑是無線通信爆炸式發展和普及的十年，射頻電子技術已經成為現代無線通信快速發展的基礎。通過近十年的發展來看，無線電通信技術變得更加實用，隨著通信事業的飛速發展，射頻前端電路的集成度越來越高，寬帶化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量輕等 設計要求越來越苛刻， 因此射頻前端電路與系統寬帶化設計顯得十分必要，具有巨大的經濟效益和社會意義。0天線是無線電系統中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波，通信系統中的雷達、導航、廣

16、播、電視等都是通過電磁波來傳遞信息的。隨著現代通信技術的快速發展，基于分形結構的多頻微帶天線設計1分形天線結構多頻天線主要有多頻振子天線2、多頻 縫隙天線3和多頻微帶天線,這些多頻天線輻射結構之間相互獨立，沒有特定變化規律，而分形幾何結構獨有空間填充性和自相似性的特 點，在多頻微帶天線的設計中可實現天線多頻化、小型化的目的4。目前采用分形結構來實現多頻工作的有 Sierpinski三角形分形冋、寄生分形冋、方形分形、樹狀分形問結構等，它 們通過改變分形次數而不引入有耗加載量，具有的規律性結構使得小型化天線設計得到了簡化天線是無線電系統中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波，通信系統中的

17、雷達、導航、廣播、電視等都是通過電磁波來傳遞信息的。隨著現代通信技術的快速發展,小型化、多功能成為人們對各種手持設備的不斷追求，這就需要一個終端設備能夠同時在多個頻段工作。2G通話頻段(GSM1800)、世界公開使用的無線頻段(ISM2.4GHZ)和用于無線通信的城域網頻段( WiMAX)是小型多功能手持設備工作的重要頻段，因此設計出能覆 蓋上述頻段的天線具有實際意義 本文擬采用 Sierpinski分形結構，利用加載諧振和匹配枝節的辦法，設計一款應用于 GSM1800 (1710MHz1850MHz )、ISM ( 2.4GHz)和 WiMAX (3.3GHz3.6GHz )的全向輻 射微帶

18、天線。1設計原理Sierpinski分形有Sierpinski三角和Sierpinski 毯兩種，其中Sierpinski三角的形式多樣, 應用較為廣泛隨著天線分形結構迭代次數的不斷增加點不變并在高頻處增加新的諧振點9 O Sierpinski三角形天線進行分形之前，其初始元會在低頻處產生一個諧振點,天線的生成元不斷減小,而天線將保持原有的諧振,諧振點的個數與分形的迭代次數相等，并且在各諧振頻Sierpi nski三角形分形單元如圖1所示。點天線都具有相似的輻射性能。圖1 Sierpinski三角形分形單元Sierp in ski三角形分形結構具有多頻特性，且各個諧振頻點成比例。比例系數可通過

19、改 變墊片的形狀來調節，但不能無限次分形，其存在的截斷效應將導致第一諧振點與其它諧振 點不滿足諧振頻率9fn 0.26h n(1)其中，r為相對介電常數,e為有效介電常數，其計算式為10L為等效長度，由式(5)計算10為天線的縮放因子。三角形分形結構時頻點L和寬度W的表比例關系。其中，c為空氣中的光速，h為迭代前三角形的高度，若通過加載枝節的方法進行調節，則可以解決僅采用Sierpi nski位置難以調節和不能無限次分形實現多頻化的問題。加載的微帶枝節長度 示式分別為10I0. 264)(a)正面L0.412h(e 0.3)(Wh(e 0. 258)( wh0. 8)2天線設計2.1天線模型設

20、計采用兩次三角形分形分別產生1.7GHz 和 3.5GHz 兩該天線基于Sierp in ski 分形結構，個諧振點，加入短諧振枝節產生2.4 GHz的諧振點，加入長匹配枝節調節低頻1.7GHz諧振點后移至1.8GHz處，克服了低頻諧振點因加入短諧振枝節以及耦合的影響出現前移的問題， 背面采用2.3mm寬的反射參考地結構，保證天線各處輻射大小相等，實現全向輻射。設計 天線模型如圖2所示。(b)背面圖2天線模型2.2模型參數設計采用聚四氟乙烯材料為介質基板，介電常數（r ）為3.5，基板尺寸為53.6mm*Sierpinski三角形分形輻射貼片的尺寸如下。初始S ier P i n Ski 分形

21、單元咼 度46.7mm初始S ie rp i n s ki分形單元寬度：53.6mm第 兩次分形后分形單元的長度17.1mm， L2=16.1mm, L3=25.7mm，L4=12mm第 兩次分形后 分形單元的寬度。由式（1）可以計算求得46.7mm*1mmWW2=12.5mm28.6mm，由微帶貼片理論公式（短諧振枝節長度：短諧振枝節寬度： 通過1/4波長阻抗轉換，由于受介質均勻性、2）、（ 3）計算加入短諧振枝節的尺寸如下。L5=24.9mmW4=1mm加入長匹配枝節的長度為：L6=34.6mm。軟件本身存在的仿真誤差等影響，實際優化長度與理想計算長度會稍有偏差，最終設計天線以實際優化長度

22、為主。3仿真優化與結果分析利用三維電磁仿真軟件（An soft HFSS15.0 ）對天線結構、參數和輻射方向性進行仿真 分析，仿真結果分別如圖3、圖4圖5和圖6所示。長匹配枝節時天線諧振點和圖3為只有分形結構和在分形結構上分別加載短諧振枝節、 回波損耗的對比。加目if臚書1聲in幵口呂蕓一三三圖3加入不同枝節的天線回波損耗由圖3可知，當僅采用 Sierpinski分形結構時，產生低頻1.7GHz和高頻3.5GHz兩個諧 振點；加入短諧振枝節，可產生 1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3個諧振點，與未加枝節時相 比，低頻1.7GHz諧振點的位置發生前移，但產生了新的諧振點；加入長匹配

23、枝節，產生 1.8GHz、3.5GHz兩個諧振點，與加入短枝節相比，低頻諧振點則向后移動，頻點位置有所 改善，但并沒有產生更多的諧振點，因此，綜合考慮加入短諧振枝節和長匹配枝節對頻點位置的影響，若同時加入長短枝節則可以實現該天線多頻化、小型化的設計。圖4為不同的耦合距離對天線諧振點和回波損耗的影響對比圖。*7s=0.4mRis=0.9mmH率(Grtr)圖4耦合間距的優化由圖4看出，耦合距離的變化對天線諧振頻率點位置的影響較小，但對回波損耗的大小影響較大，綜合考慮 3個頻段的回波損耗，當耦合距離S=0.6mm時，回波損耗在3個諧振點處均達到-25dB以下，達到最優。圖5為設計天線同時加入長短枝天線的諧振頻點和回波損耗的變化圖。圖5有無似對稱枝節的天線結構仿真回波損耗對比由圖5可以看出，同時加入長短枝節以及耦合后，既增加了2.4GHz諧振頻率，也改善了低頻1.7GHz的頻點位置和高頻諧振處的帶寬。圖6為天線在1.8 GHz、2.4 GHz和3.5 GHz 3個諧振點的E面、H面輻射方向。(a) 1.8GHz(b) 2.4GHz(c) 3.5GHz圖6天線的E面、H面方向圖6中，該天線具有良好的全向遠場輻射特性, 線保證了天線