PAGE6-基于小型化和雙頻帶技術(shù)的雙頻帶WLAN天線設(shè)計(jì)研究摘要隨著近些年來無線通訊產(chǎn)業(yè)的迅猛成長,現(xiàn)代無線通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用。無線通訊設(shè)備普及到了每家每戶，在寬帶流量提速降費(fèi)的態(tài)勢下，為了適應(yīng)用戶的迅猛增長和實(shí)際應(yīng)用需要,滿足越來越高的無線局域網(wǎng)通信技術(shù)要求,小型化WLAN微帶天線的技術(shù)被人們不斷探索研究,微帶天線的小型化、寬頻帶、多頻帶等技術(shù)成為人們研究的重要課題。關(guān)鍵詞：1前言1.1研究背景及意義二十一世紀(jì)是現(xiàn)代通信技術(shù)革新的時(shí)代,人們能夠感受到無處不在的信息化,日常生活中,各項(xiàng)智能設(shè)備包括家電，智能手機(jī)，電動(dòng)汽車都通過電磁信號(hào)來完成彼此的連接，不僅如此，各行各業(yè)對(duì)信息傳播效率的要求也越來越高。現(xiàn)在,幾乎所有的無線信息都是通過電磁波來傳遞的,麥克斯韋于十九世紀(jì)六十年代率先提出電磁波的概念,而后德國物理學(xué)家赫茲于十九世紀(jì)八十年代在實(shí)驗(yàn)中證明了電磁波的存在。麥克斯韋推導(dǎo)出電磁波方程，一種波動(dòng)方程，這清楚地顯示出電場和磁場的波動(dòng)本質(zhì)。因?yàn)殡姶挪ǚ匠填A(yù)測的電磁波速度與光速的測量值相等，麥克斯韋推論出光波也是電磁波。無線電波被赫茲在第一個(gè)刻意產(chǎn)生，使用電路計(jì)算出比可見光低得多的頻率上產(chǎn)生振蕩，隨之產(chǎn)生了由麥克斯韋方程所建議的振蕩電荷和電流。而且赫茲還開發(fā)檢測這些電波的方法，并產(chǎn)生和特征化，這些后來被稱為無線電波和微波。在無線通信技術(shù)中,信息都是以電磁波的形式發(fā)送到智能設(shè)備上,天線被定義為一種附有導(dǎo)行波與自由空間波互相轉(zhuǎn)換區(qū)域的結(jié)構(gòu)。天線被用來作為有效輻射和接收電磁波的裝置。發(fā)射和接收天線分別將射頻電路中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波和傳播過來的電磁波再次轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)傳遞給射頻電路,這樣一來，就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代無線通訊中最為廣泛應(yīng)用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信。天線也可以被看作成為一種變換器,它不斷將線路傳播過程中的導(dǎo)行波,變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者是反過來將電磁波轉(zhuǎn)換成無界媒介。在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、諸多工程系統(tǒng),可以憑借到電磁波工作的都需要依靠天線完成。應(yīng)用無線通信技術(shù)將計(jì)算機(jī)設(shè)備互聯(lián)起來的技術(shù)是無線局域網(wǎng)(WLAN),構(gòu)成可以互相通信和實(shí)現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。無線局域網(wǎng)本質(zhì)的特點(diǎn)是不再使用通信電纜將計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接起來,而是通過無線的方式連接,從而使網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和終端的移動(dòng)更加靈活利用無線技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、音視頻信號(hào)。信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展起來之后,無線局域網(wǎng)(WLAN)極大的便利了人們的生活?？梢哉f現(xiàn)代社會(huì)離不開無線網(wǎng)的存在。無線網(wǎng)擁有方便,可移動(dòng)性,構(gòu)建簡單,有條理的優(yōu)點(diǎn),只要能搜到無線信號(hào)即可輕松上網(wǎng)。當(dāng)前Wi-Fi6與前幾代相比,核心技術(shù)得到提升,超高速帶寬達(dá)到9.6Gbit/s,網(wǎng)絡(luò)接入容量是Wi-Fi5的四倍,且允許更多的STA(站點(diǎn))接入總線程網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到了物聯(lián)網(wǎng)終端低功耗需求。1.2小型化雙頻微帶天線的研究現(xiàn)狀1.2.1微帶天線的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀雖然德國科學(xué)家赫茲在十九世紀(jì)八十年代就使用天線成功地接受到了電磁波,但一直受限制于其他技術(shù)的發(fā)展，沒能夠得到研究和重視，直到二十世紀(jì)七十年代,受益于微波集成技術(shù)的發(fā)展，以及材料科學(xué)的進(jìn)步，各種低耗介質(zhì)材料的出現(xiàn),以及對(duì)天線技術(shù)存在一定的需求,人們才嘗試并成功研制出微帶天線,由于其優(yōu)秀的性能,引起了當(dāng)時(shí)公眾的極大關(guān)注,研究者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究,取得了很大的進(jìn)展。隨后,應(yīng)用天線的通信技術(shù)走上了快車道，發(fā)展的越來越成熟。微帶天線是由薄的介質(zhì)板在一側(cè)加上某類金屬層作為接地板,并在另一面使用蝕刻的方法按需求將天線板制成相應(yīng)的形狀,又利用微帶線饋電或同軸線饋電等方式進(jìn)行供電的天線形式。當(dāng)前,各種智能化設(shè)備層出不窮等,而信息化時(shí)代下,萬物互聯(lián)成為新時(shí)期研究者們的共同主題,這就對(duì)天線研究提出了新的課題,接收和發(fā)射信號(hào)的天線被應(yīng)用于各個(gè)智能設(shè)備之間,要保證其所具有的無線通信功能要不受干擾的將它們連接到一起又要在兼顧智能設(shè)備性能的同時(shí)要盡可能的追求其輕薄的外型,因此,要實(shí)現(xiàn)其最佳性能,還要在其狹小的空間內(nèi)確保天線的正常工作,這要對(duì)天線提出更高的要求,由此,體積小,更加智能方便操作的內(nèi)嵌式天線收到廣泛關(guān)注。微帶天線同其他天線相比具有以下特點(diǎn):微帶天線的優(yōu)點(diǎn)在于:一,剖面低,由此微帶天線制造的很薄,可以在衛(wèi)星及飛行器上應(yīng)用。二,體積小、重量輕,不需要大體積部件,可以做到很輕薄。三,天線性能穩(wěn)定，不需要多大變動(dòng)就能安裝在各類精密儀器上。四,安裝簡單,可以方便的選擇微帶天線的饋電方式，既可在基片的側(cè)面和底部選擇進(jìn)行,因此可以靈活地安裝。但是,微帶天線也有著固有的局限性,需要人們來解決,例如頻帶窄，有損耗，因而增益較低;大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射;最大增益實(shí)際上是受到限制的;饋線與輻射元之間的隔離差;端射性能差;可能存在表面波;功率容量較低等。研究者在設(shè)計(jì)和制造過程更加注意就可抑制或消除表面波。隨著電子科技的迅猛進(jìn)步，對(duì)通信技術(shù)的要求和需求都更加嚴(yán)苛，微帶天線在眾多天線結(jié)構(gòu)中脫穎而出，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和多樣化的性能（體積小、重量輕、成本低、集成化、整合性強(qiáng)），受到人們的青睞，并廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星等對(duì)天線有著嚴(yán)格要求的設(shè)備上。同時(shí)，隨著電子技術(shù)和材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的不斷創(chuàng)新，天線作為無線電通信系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著最基本的發(fā)射和接收電磁波信號(hào)的作用。小型化天線是大勢所趨，由于降低內(nèi)部空間的要求，對(duì)天線尺寸的要求更加嚴(yán)格，天線的小型化是必然趨勢，目前國內(nèi)外人們更加關(guān)注天線小型化的實(shí)現(xiàn)并且采用了許多創(chuàng)新的方法和技術(shù)，由于介質(zhì)基板對(duì)天線的影響很大，在介電常數(shù)高的情況下可以減小介質(zhì)基板中的通過電磁波波長的變化可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化，通常是。但應(yīng)用介電常數(shù)過高的介質(zhì)基板，會(huì)激發(fā)一定的表面波，造成較大的介電損耗，短路探頭也可帶電，可激發(fā)所需工作頻率的四分之一電磁波的波長，但這種方法也有缺陷。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中短路探頭和同軸探頭的距離很近，對(duì)生產(chǎn)工藝的要求會(huì)更高，增加加工難度；這種方法也會(huì)使帶寬變窄；另一種方法是使用雕刻金屬輻射條來彎曲功率分配路徑，這也會(huì)減小天線的整體尺寸，實(shí)現(xiàn)天線的小型化。1.3本文的主要工作和內(nèi)容安排本文以雙頻帶天線的基礎(chǔ)理論為參考,通過查閱資料等手段了解設(shè)計(jì)方法，采用合適的方法完成將天線縮小和實(shí)現(xiàn)多頻帶天線的目標(biāo),最終得到小型化的雙頻帶WLAN天線,并對(duì)其不斷優(yōu)化以使其達(dá)到最佳性能,本文的主要內(nèi)容為:第一章:前言。簡要概括研究天線的目的和意義,以及小型化多頻帶微帶天線的發(fā)展前景,現(xiàn)階段微帶陣列天線的結(jié)構(gòu),性能指標(biāo)以及存在的一系列問題,根據(jù)問題提出自己的設(shè)計(jì)方案。第二章:天線基本理論。介紹了天線的方向圖，輻射強(qiáng)度，方向性系數(shù)，效率，增益，輸入阻抗和天線的極化等基礎(chǔ)理論。詳細(xì)的介紹了當(dāng)前天線的幾種主要饋電方式。第三章:雙頻帶WLAN天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的由兩個(gè)天線單元組成的天線陣列,該被應(yīng)用于無線局域網(wǎng)WLAN(2.4GHz,5.8GHz)的雙頻帶天線經(jīng)過改變介質(zhì)常數(shù)和相應(yīng)尺寸變換后,有著良好的性能指標(biāo)。第四章:總結(jié)。概括介紹了自己所做的工作以及完成的成果,提出本論文的創(chuàng)新點(diǎn)以及還需改進(jìn)的地方。2天線基礎(chǔ)理論2.1天線的性能參數(shù)2.1.1方向圖根據(jù)球坐標(biāo)系的角坐標(biāo)（0,θ）的分布，在一定范圍內(nèi)根據(jù)天線的輻射場的某個(gè)距離分布得到的圖形叫做輻射波瓣圖，也稱作輻射方向圖，通常簡稱為方向圖。方向圖表示的就是空間坐標(biāo)間同天線輻射特性的相關(guān)性，表示輻射場強(qiáng)的方向圖稱作是場強(qiáng)方向圖，與之對(duì)應(yīng)的還有由輻射功率密度表示的功率方向圖和用相位關(guān)系來表示的相位圖。方向圖采用極坐標(biāo)繪制，角度表示方向，矢徑長度表示場強(qiáng)值或功率密度值。通過歸一化可以對(duì)天線的交叉極化性能進(jìn)行細(xì)致的觀察。天線方向圖天線的方向性系數(shù)D是指在遠(yuǎn)區(qū)場的某一球面上天線的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比，即方向性系數(shù)率表示的是天線輻射方向密集程度，當(dāng)方向性系數(shù)為0dB時(shí)，代表天線的輻射強(qiáng)度在它輻射的所有方向上的幅度是一樣的，此關(guān)系表達(dá)式中、某方向上的空間輻射強(qiáng)度用U(θ,Φ)表示，天線的平均輻射強(qiáng)度表示為4/PA。2.1.2天線的效率和增益在實(shí)際情況下，天線輻射到空間內(nèi)的電磁波功率要比發(fā)射機(jī)輸送到天線的功率小。這是由于其固有的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗造成的，是固有的不可控?fù)p耗量。天線效率就是將天線將輸入高頻能量轉(zhuǎn)換為無線電波能量的有效程度，效率越高則損耗越低。天線效率公式為：Pin代表的是天線的輸入功率，Prad代表是輻射功率，天線效率定義為天線輻射功率和輸入功率的比值。為了更加準(zhǔn)確的將天線特性表示出來，從天線的輸入功率出發(fā)，表示將天線的輸入功率轉(zhuǎn)化為無線電波能力的強(qiáng)度也就是天線將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的效率，我們定義了天線的增益G。天線增益的公式為：它表示在同等輸入功率、一定距離的條件下，天線的最大輻射方向上的功率密度同沒有方向性的天線在該方向上的輻射功率密度的比值。我們用相對(duì)增益來表示天線將輸入功率轉(zhuǎn)化為指定方向的無線電波能力的能力。我們?cè)谛⌒突炀€的同時(shí)要確保天線的性能不受影響，較好性能的天線增益甚至?xí)?10dB以下。2.1.3天線的輸入阻抗天線通常情況下的連接是由饋線和發(fā)射機(jī)完成的，它們的連接處稱為天線的饋電點(diǎn)也被稱為輸入端，由天線輸入端表現(xiàn)出的阻抗值為天線的輸入阻抗，它表現(xiàn)為天線在饋電點(diǎn)處的的阻抗特性。天線可以看作是發(fā)射機(jī)的負(fù)載，發(fā)射機(jī)的功率經(jīng)過天線輻射到空間。由此會(huì)產(chǎn)生天線與饋線阻抗匹配的矛盾，功率傳輸?shù)某潭纫脖蛔杩蛊ヅ涞男仕绊?。因此在射頻微波的相關(guān)頻段上，我們通常在其饋線上使用50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗。在天線的設(shè)計(jì)時(shí)，就要將天線的輸入阻抗控制在在50Ω以內(nèi)，從而使駐波比在保證工作的頻段內(nèi)確保盡可能的小。天線的輸入阻抗受到多方面的影響，通常與天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率和周圍環(huán)境有關(guān)，基本上不能夠用理論嚴(yán)格計(jì)算。因此在實(shí)際應(yīng)用中通常為近似測量。2.1.4天線的帶寬天線的帶寬就是它的頻率之間的關(guān)系，指的是在一定的條件下天線的性能參數(shù)的頻率范圍，相對(duì)于微帶天線而言，我們通常用阻抗帶寬來表示天線帶寬。我們將天線帶寬分為絕對(duì)帶寬（ABW）ABW=fh-fl和相對(duì)帶寬（FBW）FBW=(fh-fl）/f0其中，用fh、fl、f0表示天線工作帶寬內(nèi)的參數(shù)，fh為最高頻率、fl為最低頻率、f0為中心頻率。2.1.5天線的品質(zhì)因數(shù)根據(jù)天線的各項(xiàng)參數(shù)可將其品質(zhì)因數(shù)(Q)的定義為: 其中W0是天線的諧振角頻率，WE和WM表示天線在平均時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存的磁能和電能。PA是天線的接收功率，而Prad表示天線的輻射功率。2.1.6天線的極化我們把天線輻射的電磁波在電場的方向叫做天線的極化，描述時(shí)變電場矢量端點(diǎn)的參數(shù)有運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀、取向以及它的旋轉(zhuǎn)方向。由不同的電場矢量端點(diǎn)軌跡的形狀，可以將其分為直線、橢圓和圓形，天線極化可分為線極化、橢圓極化和圓極化，描述天線的極化有兩個(gè)重要表量：(1)旋向相對(duì)于圓極化和橢圓極化的天線來說，我們把當(dāng)電場矢量的方向沿著時(shí)間旋轉(zhuǎn)的方向與波的傳播方向存在左手螺旋關(guān)系時(shí)，叫做左旋極化；而當(dāng)旋轉(zhuǎn)的方向與波的傳播方向有著右手螺旋關(guān)系時(shí)將其稱為右旋極化。(2)軸比天線電場矢量端點(diǎn)劃出的橢圓形軌跡的長軸和短軸之比叫做軸比。對(duì)于橢圓極化和圓極化而言，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向的不同可分為左旋極化和右旋極化兩種類型,如下圖所示：天線的極化 2.2天線陣列基礎(chǔ)理論2.2.1天線陣列的概念由至少兩個(gè)天線單元規(guī)則或不規(guī)則排列并通過適合的激勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線稱作陣列天線，天線陣的獨(dú)立單元被稱為陣元或天線單元。為了獲取不同的，特定的輻射方向性，通過將電源，電場等輻射源或者對(duì)稱振子等等按照直線某些固定或不固定的形式，由天線饋電的電流，間距，電長度等等不同的參數(shù)選擇性地對(duì)其進(jìn)行排列，從而獲取不同的，具有特定輻射方向性的天線陣列。陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各單元輻射場的總和（矢量和）。由于各單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨(dú)立調(diào)整，這就使陣列天線具有各種不同的功能，這些功能是單個(gè)天線無法實(shí)現(xiàn)的。2.2.2天線陣列的分類通過單元的排列將天線陣列分為線陣和面陣。直線陣是經(jīng)常能夠見到的天線陣列，它是各個(gè)單元的中心按照一定的距離在同一條直線上分布形成的天線陣列。但是天線陣列的各個(gè)單元也可以按照不同的距離分布，其中心同樣能不排列在一條直線上，例如在曲面上分布。多個(gè)直線陣在平面上若是按照一定的間隔分布開來的就是平面陣，當(dāng)各個(gè)天線單元的中心分布在球面上就組成球面陣。由輻射圖形的指向可以將天線陣列分為側(cè)射天線陣、端射天線陣和既非側(cè)射又非端射的天線陣。當(dāng)最大輻射的方向指向陣軸或陣面垂直方向時(shí)構(gòu)成的天線陣是側(cè)射天線陣，當(dāng)最大輻射的方向指向陣軸方向的天線陣為端射天線陣。若是最大輻射方向指向其他方向，則天線陣是既非側(cè)射又非端射的天線陣。按照功能可分為同相水平天線、頻率掃描天線、相控陣天線、多波束天線、信號(hào)處理天線、自適應(yīng)天線等。這種對(duì)應(yīng)不同功能的陣列都是由同向水平的陣列所改進(jìn)和發(fā)展而得到的。相對(duì)于單個(gè)天線來說，天線陣列也存在著重要的表示參數(shù)，陣列方向圖是對(duì)于單個(gè)單元但沒有方向性的多元天線陣，該天線的方向圖等于子陣的方向圖與以子陣為單元天線陣的方向圖，相對(duì)于排列具有規(guī)律性同時(shí)自身并不均勻的輻射方向圖來說，該陣列天線的總方向圖可由單元方向圖乘以陣的方向圖得到。還有陣列天線由于電磁耦合產(chǎn)生陣元間隔離度。在相對(duì)理想狀態(tài)下，陣列天線的增益可以相應(yīng)的進(jìn)行計(jì)算:G=10lg（logN）G表示為陣列增益，N是指陣列天線中陣源的個(gè)數(shù)。容易看出天線陣列之間，天線陣列的陣元數(shù)越多時(shí)，該增益中會(huì)更大程度上受到陣列增益的影響。2.2天線的饋電微帶天線的饋電方式有多種，可以用不同的方式將微帶天線的饋電方式分類，例如微帶天線的饋電方法可以根據(jù)不同模式的激勵(lì)方式區(qū)分為直接饋電法和間接饋電法。直接饋電法是指饋電結(jié)構(gòu)與輻射單元直接連接的饋電方法，包括同軸線饋電、微帶線饋電和共面波導(dǎo)饋電等。間接饋電法包含縫隙耦合饋電等方法。根據(jù)饋電結(jié)構(gòu)的形式及位置的區(qū)別，不同的饋電結(jié)構(gòu)及位置的變化會(huì)使得整個(gè)天線的性能出現(xiàn)比較大的變化，所以合理選擇饋電結(jié)構(gòu)和位置是在微帶天線設(shè)計(jì)中所需要仔細(xì)考慮的部分。微帶線饋電方式又稱為側(cè)饋，其是直接將微帶線與輻射單元相連接的饋電方法。用與微帶輻射貼片集成在一起的微帶傳輸線經(jīng)行饋電。由于在這種方法中，微帶線與輻射單元共面，在一定程度上電磁波會(huì)向外輻射，對(duì)天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖和增益造成干擾，因而影響了天線的整體輻射性能。為此，通常要求微帶饋線的寬度不能過寬。另一方面，由于增大介質(zhì)板的介電常數(shù)E,，可以提高天線的輻射效率，因此在設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)，要權(quán)衡各方面因素，選擇合適的饋線寬度和介電常數(shù)Er。同軸線饋電是指直接將同軸探針直接與微帶天線相連的饋電方法。此饋電結(jié)構(gòu)中，輻射單元與饋電結(jié)構(gòu)分別處于介質(zhì)基片的兩邊，饋線對(duì)輻射單元的影響可忽略。同時(shí)，可以根據(jù)需要將饋電點(diǎn)置于輻射單元的任意位置，以此來實(shí)現(xiàn)匹配。然而，采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電時(shí)，需要進(jìn)行精確加工制作，不便于大規(guī)模集成設(shè)計(jì)。共面波導(dǎo)饋電是將饋線刻蝕在金屬地板上,通過饋線和地板之間的縫隙來實(shí)現(xiàn)耦合的饋電方法。由于饋線與地板處于同一層，天線的介質(zhì)板層數(shù)變小，可以降低天線的加工成本。同時(shí),采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來饋電的天線往往結(jié)構(gòu)較為緊湊，容易串聯(lián)或并聯(lián)在無源或有源器件中，在電路設(shè)計(jì)上更加便捷。但是這種饋電結(jié)構(gòu)的饋線存在寄生輻射的缺點(diǎn)?？p隙耦合饋電是將微帶饋線排列在金屬地板一側(cè)，把輻射單元置于金屬板另一側(cè)在兩側(cè)進(jìn)行饋電的方法，通過金屬地板的輸入間隙使得電磁能量從饋線與輻射單元相連。這種饋電結(jié)構(gòu)的天線由多層介質(zhì)板組成，可以通過更改金屬地板上間隙的大小來達(dá)到預(yù)期的目的，這種饋電方式取得的匹配效果比較好。而且因?yàn)橛薪饘俚匕澹w上因?yàn)轲伨€的改變對(duì)天線的輻射性能的作用較輕，從而可以使天線頻帶拓寬。但是由于縫隙耦合饋電制造工藝較高，缺乏大批量制作的優(yōu)勢。3雙頻帶WLAN天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化3.1設(shè)計(jì)小型化雙頻帶WLAN天線3.1.1微帶天線的小型化技術(shù)隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子通信設(shè)備又迎來了新一輪發(fā)展高潮,對(duì)于一般的微帶天線,已經(jīng)無法滿足當(dāng)前市場對(duì)其性能的要求,在新型智能化設(shè)備領(lǐng)域,通信設(shè)備正不斷向智能化、小型化等方向發(fā)展,輕巧成為滿足公眾需要的首要條件,而天線作為發(fā)射和接收電磁波信號(hào)的關(guān)鍵部件,小型化的發(fā)展趨勢是不可避免的,而要實(shí)現(xiàn)天線小型化,就要求在天線工作頻率不變的情況下減小它的整體尺寸。由于天線帶寬和增益與天線的尺寸有直接關(guān)系,如果僅僅是減小天線尺寸,一定會(huì)對(duì)天線的增益與帶寬產(chǎn)生不利影響,在一定程度上降低天線性能。而且,天線的尺寸與天線工作波長存在正相關(guān)關(guān)系,若天線工作在較低的頻率時(shí),此時(shí)的天線工作波長較長,天線的尺寸則需要增大,這樣則會(huì)與其小型化要求沖突。所以,在考慮應(yīng)用天線小型化技術(shù)的同時(shí),對(duì)天線的其它性能也要兼顧。本雙頻帶WLAN天線設(shè)計(jì),對(duì)影響天線性能的各因素考慮之后,應(yīng)用增加介質(zhì)板的介電常數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)天線小型化。增加介質(zhì)板的介電常數(shù)通常情況下微帶天線的工作模式在TM01和TM10在這里通過矩形微帶貼片天線為例子進(jìn)行說明,它的諧振頻率可表示為式中,c表示電磁波的傳播速度,而c等于光速,L和r分別對(duì)應(yīng)著矩形貼片的長度與介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)?？梢钥闯鰜淼氖?當(dāng)天線的諧振頻率f一定時(shí),天線的尺寸L和相對(duì)介電常數(shù)r的平方根成反比關(guān)系,但是其理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)其它結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的微帶天線來說,這個(gè)關(guān)系同樣是成立的。所以,當(dāng)天線工作在固定頻率時(shí),選取介質(zhì)基板時(shí),可以通過考慮選擇高介電常數(shù)的介質(zhì)基板,以此來實(shí)現(xiàn)天線小型化目的。但是,增加介質(zhì)基板的介電常數(shù)也會(huì)產(chǎn)生一系列其它問題,比如較高的損耗和更低的增益等,由于介電常數(shù)的過高,則會(huì)激勵(lì)出一定的表面波,大大大增加了介質(zhì)損耗,天線的輻射功率將會(huì)減少,輻射效率從而極大的降低輻射效率。相對(duì)應(yīng)地,天線的增益也因?yàn)樘炀€輻射效率的降低而降低。為解決上述問題,當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)使用高溫超導(dǎo)材料和電場帶隙結(jié)構(gòu)作為介質(zhì)基片的方法。因?yàn)檫@兩種材料的表面電阻也非常小,所以在一定程度上可以抑制表面波,使得損耗減小、增益增加。而且,在介質(zhì)基板介電常數(shù)較高時(shí),通常會(huì)隨著天線帶寬變窄的情況出現(xiàn),通過微帶天線的帶寬計(jì)算公式：可以得出,增加介電常數(shù)r,e的值也會(huì)變大,Qr的值又與e的平方根成正比,而QT與Qr成正比的關(guān)系,因此QT的值也增大,微帶天線的帶寬BW同QT成反比關(guān)系,BW的值相應(yīng)的減小。因此,選用更大介電常數(shù)的介質(zhì)基板,也會(huì)使得頻帶的帶寬變窄。所以,綜合來講,可以使用提高介質(zhì)基板的常數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)天線的小型化,,但又同時(shí)必須考慮天線增益和帶寬等其它性能和參數(shù),因此選用介質(zhì)基板的介電常數(shù)也不宜過高。3.1.2微帶天線的多頻帶技術(shù)當(dāng)前,多頻帶的天線在各行各業(yè)中變得越來越重要。軍事上,小到電臺(tái)大到航空母艦,下到潛水艇上到通訊衛(wèi)星,在其工作時(shí)都需要同時(shí)發(fā)射或者接收不同的頻段電磁波,然而,天線的增多必然會(huì)相互干擾,影響戰(zhàn)略通信,對(duì)信息有高度要求的軍事而言,確保通信不受干擾是絕對(duì)重要的。尤其是對(duì)精度和空間有著極其重要要求的通訊設(shè)施而言,只有在同一天線上實(shí)現(xiàn)雙頻帶或者多頻帶,才能減小天線數(shù)量,從而解決這一題。生活中,各類智能設(shè)備不斷更新?lián)Q代,不僅需要使用WLAN信號(hào)還有4G,5G信號(hào)等,在滿足消費(fèi)者對(duì)智能設(shè)備輕薄的要求下,不可能其愈發(fā)狹小的空間里安裝多副天線,因?yàn)椴坏渲袥]有多余空間條件,而且,它們之間的干擾會(huì)嚴(yán)重影響天線的整體性能,將不會(huì)有絲毫的競爭優(yōu)勢。所以,現(xiàn)在所有的智能設(shè)備上天線幾乎都是雙頻帶甚至更多頻帶。因此，使微帶天線實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻帶應(yīng)用的技術(shù),是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),也是未來的必然趨勢。本設(shè)計(jì)采用增加多個(gè)貼片的方法實(shí)現(xiàn)天線的多頻帶。增加多個(gè)貼片由于天線的諧振頻率和貼片諧振長度相對(duì)應(yīng),那么通過這個(gè)原理,多個(gè)貼片結(jié)構(gòu)通常便可對(duì)應(yīng)多個(gè)諧振頻率。這種方法簡單實(shí)用,但天線多頻帶的產(chǎn)生并非簡單地增加貼片結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn),首先要考慮的是天線的阻抗匹配,而且,增加貼片結(jié)構(gòu),多個(gè)貼片相互之間必然會(huì)存在干擾,這寫干擾很難通過精確的理論分析計(jì)算得到,但在實(shí)際中是存在的,而且不能忽視。目前,主要使用的增加天線頻帶的技術(shù)方法有兩種，一種是實(shí)現(xiàn)共面結(jié)構(gòu)，另一種是形成層疊結(jié)構(gòu)。通過將輻射貼片放在同一平面上來實(shí)現(xiàn)共面結(jié)構(gòu),不同的天線貼片對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率,可以通過改變貼片的結(jié)構(gòu),減小各個(gè)天線貼片之間的相互影響,這樣可以通過改變不同的貼片尺寸來調(diào)整相應(yīng)的諧振頻率。本次設(shè)計(jì)的雙頻帶天線回波損耗,低頻在-10dB對(duì)應(yīng)頻帶2.4GHz,高頻在-10dB對(duì)應(yīng)頻帶5.8GHz,充分滿足了應(yīng)用于WLAN的頻帶要求。3.1.3微帶天線的寬頻帶技術(shù)天線頻帶是指在其性能指標(biāo)要求下,在諧振頻率點(diǎn)附近形成的有效的頻率范圍。相比于其它的天線形式,微帶天線的相對(duì)阻抗帶寬是其最大的缺陷之一，在某些情況下甚至能低于2%,。究其原因，因?yàn)槲炀€也是一類諧振式天線,它的品質(zhì)因數(shù)Q值過高,導(dǎo)致了它的窄頻帶特性。所以,要使得微帶天線的頻帶拓寬必須要考慮到品質(zhì)因數(shù)Q的值。目前,對(duì)于微帶天線的寬頻帶技術(shù),國內(nèi)外已經(jīng)研究出了一些成熟的技術(shù)和方法,下面將對(duì)其進(jìn)行介紹。采用合適的介質(zhì)基板和輻射貼片對(duì)微帶天線的頻帶存在很大關(guān)系的是品質(zhì)因數(shù)Q的值,將品質(zhì)因數(shù)Q的值適當(dāng)?shù)母淖儗?huì)對(duì)微帶天線的頻帶擴(kuò)寬產(chǎn)生影響。查閱資料可知,Q與介質(zhì)基板的厚度h有下列關(guān)系。此公式得出了,Q值隨h的增加而減小的規(guī)律。增大h的值,就相當(dāng)于將輻射電導(dǎo)增大,則天線中輻射出的能量相應(yīng)增加,Q值隨之下降，由這個(gè)結(jié)論可以得出使頻帶寬度變寬可以用增加介質(zhì)基板厚度的方法。但是在這種方法作用下，貼片表面會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)基板厚度的增加產(chǎn)生更多的表面波,從而使天線的方向性改變。而厚度的增加,天線的體積又隨之增大,又會(huì)與天線所要求的小型化產(chǎn)生沖突。當(dāng)介質(zhì)基板的介電常數(shù)小并且損耗也比較多時(shí)。由品質(zhì)因數(shù)Q的公式可以看出,Q值的大小同r呈正比,與0m和0n呈反比。因此,要想降低品質(zhì)因數(shù)Q的值可以使用基板損耗較大的介質(zhì)，同時(shí)使天線的阻抗帶寬拓寬,不過這會(huì)在一定程度上對(duì)天線的效率出現(xiàn)不利的影響。但是采用r值較低的介質(zhì)基板,就能使天線中儲(chǔ)存的能量變少,Q值會(huì)變小,但r的最大值是1,因此,這種方法也只是在一定范圍內(nèi)有效。此外,非線性的介質(zhì)基板也經(jīng)常被使用。例如鐵氧體的介質(zhì)基板,由于它的磁導(dǎo)率與頻率有關(guān),其磁導(dǎo)率在當(dāng)頻率升高時(shí)會(huì)相應(yīng)的降低,使用鐵氧體材料,不同頻率的微帶天線就能夠與一個(gè)貼片尺寸相對(duì)應(yīng),并且在該材料同時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率時(shí),天線可以實(shí)現(xiàn)小型化,因此,這種方法被廣泛應(yīng)用在低頻段微帶天線中?？梢缘贸龊侠硎褂胔值較大的、r值較小或者tan值較大的非線性介質(zhì)基板,可以使微帶天線的尺寸有效減小。同時(shí),又通過對(duì)輻射貼片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布局,也可使得頻帶拓寬。輻射貼片的結(jié)構(gòu)在發(fā)生改變時(shí),其Q值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,因此,調(diào)整輻射貼片的結(jié)構(gòu)和降低品質(zhì)因數(shù)Q的值,能夠?qū)崿F(xiàn)將天線小型化的目的。由上文得出的雙頻帶WLAN天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖一所示,天線水平置于x—Y平面。根據(jù)下文闡述的小型化,多頻帶的方法按要求要得到了完全覆蓋2.4/5.8GHz雙頻工作的WLAN天線,在保證天線性能的同時(shí),降低了天線尺寸,完成了將天線小型化的目標(biāo)。天線結(jié)構(gòu)如下圖所示:天線結(jié)構(gòu)圖3.2天線仿真結(jié)果及優(yōu)化經(jīng)過仿真軟件的仿真與優(yōu)化，我們可以得到如下的優(yōu)化參數(shù)天線的反射系數(shù)天線工作在2.4GHZ時(shí)的輻射方向圖如下面所示，與理想狀態(tài)下的輻射方向圖基本一致，基本達(dá)到了全向輻射，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果。