寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線的技術(shù)剖析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，無線通信已深度融入人們生活的各個方面，從日常的移動通信、無線局域網(wǎng)，到衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測等專業(yè)領(lǐng)域，無線通信技術(shù)無處不在。在這一背景下，無線通信系統(tǒng)對天線性能的要求日益嚴(yán)苛，寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線作為其中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量與效率。近年來，無線通信技術(shù)經(jīng)歷了從2G到5G甚至6G的快速迭代，通信頻段不斷拓寬，數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提升，這使得系統(tǒng)對天線帶寬提出了更高要求。以5G通信為例，其涵蓋了多個頻段，包括Sub-6GHz和毫米波頻段，需要天線具備更寬的工作帶寬，以支持多頻段信號的同時傳輸，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信。傳統(tǒng)的窄帶微帶天線已無法滿足這一需求，寬帶微帶天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能，有效提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率，降低設(shè)備成本，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。與此同時，圓極化天線在現(xiàn)代通信中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。圓極化波具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它能有效減少信號在傳輸過程中的極化失配問題，提高信號的接收質(zhì)量。在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星與地面站之間的相對位置不斷變化，信號的極化方向也會隨之改變，采用圓極化天線可以確保在各種情況下都能穩(wěn)定地接收信號。而雙圓極化技術(shù)進(jìn)一步拓展了天線的功能，它能夠同時接收和發(fā)射左旋圓極化波與右旋圓極化波，實(shí)現(xiàn)雙向通信或不同極化信號的復(fù)用，大大提高了通信系統(tǒng)的容量和靈活性。雙頻特性也是現(xiàn)代天線的重要發(fā)展方向。隨著多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)的并存，如GSM、WCDMA、WiFi等，一個設(shè)備往往需要支持多個頻段的通信。雙頻微帶天線可以在兩個不同的頻率上工作，滿足不同通信系統(tǒng)的需求，減少設(shè)備中天線的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和集成化。例如，在智能手機(jī)中，雙頻微帶天線能夠同時支持2G/3G/4G移動通信頻段和WiFi頻段，為用戶提供更加便捷的通信體驗(yàn)。寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，它涉及到電磁場理論、微波技術(shù)、天線設(shè)計(jì)等多個學(xué)科領(lǐng)域，通過對其深入研究，可以進(jìn)一步豐富和完善這些學(xué)科的理論體系，推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，這種天線廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、無線局域網(wǎng)等眾多領(lǐng)域。在5G基站建設(shè)中，采用寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線，可以提高基站的覆蓋范圍和通信容量，為用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；在衛(wèi)星通信中，有助于實(shí)現(xiàn)更高效的衛(wèi)星與地面站之間的通信鏈路，支持更多的衛(wèi)星應(yīng)用；在雷達(dá)系統(tǒng)中，能夠提高雷達(dá)的目標(biāo)探測能力和分辨率，為國防安全和民用領(lǐng)域提供更可靠的保障。因此，開展寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線的研究，對于滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)不斷增長的需求，推動通信技術(shù)的進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀微帶天線自問世以來，憑借其低剖面、易共形、易于集成等顯著優(yōu)勢，在無線通信領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，而寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線更是成為國內(nèi)外學(xué)者和科研人員的重點(diǎn)研究對象，在過去幾十年間取得了豐碩的研究成果。在寬帶微帶天線的研究方面，國外起步相對較早。早在20世紀(jì)80年代，就有學(xué)者開始探索通過改變天線結(jié)構(gòu)和饋電方式來拓展帶寬。例如，采用增加天線層數(shù)、加載寄生貼片等方法，取得了一定的帶寬拓展效果。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電磁仿真軟件的飛速發(fā)展，對寬帶微帶天線的研究更加深入和系統(tǒng)。美國的一些科研團(tuán)隊(duì)通過對新型材料的研究，如采用高介電常數(shù)、低損耗的新型介質(zhì)材料作為天線基板，有效減小了天線尺寸的同時，提高了天線的帶寬性能。在2010年左右，他們利用新型陶瓷基復(fù)合材料，成功設(shè)計(jì)出一款相對帶寬達(dá)到30%以上的寬帶微帶天線，在衛(wèi)星通信的C頻段表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。歐洲的科研機(jī)構(gòu)則側(cè)重于從天線結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面入手，提出了多種新穎的寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)，如漸變槽線結(jié)構(gòu)、分形結(jié)構(gòu)等。其中，漸變槽線寬帶微帶天線通過合理設(shè)計(jì)槽線的漸變形狀和尺寸，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶內(nèi)的良好阻抗匹配，相對帶寬可達(dá)40%左右，在雷達(dá)探測等領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)在寬帶微帶天線的研究上雖然起步稍晚，但發(fā)展迅速。近年來，眾多高校和科研院所積極開展相關(guān)研究工作，并取得了一系列具有國際影響力的成果。例如，國內(nèi)某高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)提出了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）的寬帶微帶天線設(shè)計(jì)方法。通過在接地板上引入特定形狀的缺陷，改變了天線的電流分布和電磁場特性，從而有效拓展了天線帶寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線的相對帶寬可達(dá)35%以上，并且在移動通信的多個頻段都能保持良好的輻射性能。此外，國內(nèi)科研人員還對共面波導(dǎo)饋電的寬帶微帶天線進(jìn)行了深入研究，通過優(yōu)化共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和饋電位置，實(shí)現(xiàn)了天線帶寬的顯著提升，在5G通信基站天線的設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在雙頻微帶天線的研究領(lǐng)域，國外的研究成果同樣豐富。早期主要通過在輻射貼片上開縫、加載短路探針等簡單方式實(shí)現(xiàn)雙頻工作。隨著研究的深入，逐漸發(fā)展出多種復(fù)雜而高效的雙頻設(shè)計(jì)技術(shù)。如利用多層結(jié)構(gòu)，將不同頻率的輻射貼片層疊在一起，通過合理設(shè)計(jì)各層之間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了雙頻性能的優(yōu)化。日本的研究人員在2005年左右，基于多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一款雙頻微帶天線，可分別在2.4GHz的WiFi頻段和5.8GHz的衛(wèi)星通信頻段穩(wěn)定工作，且兩個頻段之間的隔離度良好，有效避免了相互干擾。韓國的科研團(tuán)隊(duì)則另辟蹊徑，通過對天線的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用多饋點(diǎn)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了雙頻微帶天線的小型化和高性能化。他們設(shè)計(jì)的雙頻微帶天線尺寸相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減小了約30%，同時在兩個工作頻段的增益和輻射效率都能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。國內(nèi)在雙頻微帶天線研究方面也不甘落后，不斷取得突破。一些研究團(tuán)隊(duì)通過對輻射貼片的形狀進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)，如采用環(huán)形、工字形等特殊形狀，實(shí)現(xiàn)了雙頻特性的優(yōu)化。利用環(huán)形輻射貼片，通過控制環(huán)的內(nèi)徑和外徑以及開槽位置等參數(shù)，成功設(shè)計(jì)出一款雙頻微帶天線，在1.8GHz的GSM頻段和2.1GHz的3G頻段具有良好的性能表現(xiàn)。此外，國內(nèi)還在雙頻微帶天線與其他功能模塊的集成研究方面取得進(jìn)展，將雙頻微帶天線與射頻前端電路集成在同一基板上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成化，減小了整個通信設(shè)備的體積和成本，在便攜式通信設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。圓極化微帶天線的研究在國內(nèi)外都備受關(guān)注。國外在圓極化微帶天線的理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。早期主要采用單饋點(diǎn)加寄生貼片的方式實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，但這種方法的軸比帶寬較窄。為了拓寬軸比帶寬，美國和歐洲的科研人員提出了多饋點(diǎn)技術(shù)，通過在輻射貼片上合理設(shè)置多個饋電點(diǎn)，并控制各饋電點(diǎn)之間的相位差和幅度比，有效拓寬了圓極化微帶天線的軸比帶寬。例如，采用四點(diǎn)饋電的方式，可將圓極化微帶天線的軸比帶寬提高到20%以上。同時，國外還在圓極化微帶天線的應(yīng)用研究方面取得了諸多成果，在衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)（GPS）等領(lǐng)域，高性能的圓極化微帶天線得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)在圓極化微帶天線的研究方面也取得了長足進(jìn)步。一方面，在理論研究上不斷深入，對圓極化微帶天線的輻射機(jī)理、極化特性等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為天線的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。另一方面，在設(shè)計(jì)技術(shù)上不斷創(chuàng)新，提出了多種新型的圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。如通過在輻射貼片上加載縫隙或開槽，引入額外的諧振模式，實(shí)現(xiàn)了圓極化性能的優(yōu)化和軸比帶寬的拓寬。國內(nèi)某科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一款加載十字形縫隙的圓極化微帶天線，在保持天線尺寸較小的前提下，軸比帶寬達(dá)到了15%左右，在無線局域網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景。雙頻雙圓極化微帶天線作為兼具雙頻和雙圓極化特性的高性能天線，其研究難度較大，但國內(nèi)外都在積極探索并取得了一定的成果。國外的一些研究機(jī)構(gòu)通過復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精確的電磁仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了雙頻雙圓極化微帶天線的高性能化。例如，采用三層結(jié)構(gòu)，中間層為輻射貼片，上下兩層分別為不同頻率的饋電網(wǎng)絡(luò)和接地板，通過合理設(shè)計(jì)各層之間的耦合和匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了雙頻雙圓極化的良好性能。然而，這種結(jié)構(gòu)往往存在制作工藝復(fù)雜、成本較高的問題。國內(nèi)則側(cè)重于從簡化結(jié)構(gòu)和降低成本的角度出發(fā)進(jìn)行研究。一些團(tuán)隊(duì)提出了基于單層結(jié)構(gòu)的雙頻雙圓極化微帶天線設(shè)計(jì)方案，通過對輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)的巧妙設(shè)計(jì)，在較低成本的前提下實(shí)現(xiàn)了雙頻雙圓極化特性。如利用L型微帶線對地板上圓環(huán)形縫隙耦合饋電的單層結(jié)構(gòu)，通過兩個耦合點(diǎn)在高低頻同時激勵起相互正交的諧振模式，形成雙頻雙圓極化輻射。仿真和測試結(jié)果表明，該天線在兩個指定頻段分別實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化和左旋圓極化輻射，具有良好的應(yīng)用潛力。盡管國內(nèi)外在寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線的研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，但隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，如6G通信技術(shù)的逐步推進(jìn)，對天線性能提出了更高的要求，包括更寬的帶寬、更高的雙頻隔離度、更優(yōu)的圓極化性能以及更小的尺寸和更低的成本等。因此，該領(lǐng)域仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決，未來的研究空間依然廣闊。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線展開，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：微帶天線基礎(chǔ)理論深入剖析：全面梳理微帶天線的基本工作原理，深入探究其輻射機(jī)制，包括傳輸線模型下輻射貼片如何將電流轉(zhuǎn)化為輻射場等細(xì)節(jié)。詳細(xì)分析影響微帶天線性能的關(guān)鍵因素，如介質(zhì)基片的介電常數(shù)對天線工作頻率和尺寸的影響規(guī)律，基片厚度與天線帶寬、輻射效率之間的內(nèi)在聯(lián)系等。通過對這些基礎(chǔ)理論的深入研究，為后續(xù)的天線設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐。寬帶微帶天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化：重點(diǎn)探索多種拓展微帶天線帶寬的有效方法。研究不同饋電方式，如探針饋電、微帶線饋電、共面波導(dǎo)饋電等對天線帶寬的影響，分析每種饋電方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景。深入研究加載寄生貼片、開槽、采用漸變結(jié)構(gòu)等技術(shù)在拓寬帶寬方面的作用原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。例如，通過合理設(shè)置寄生貼片的尺寸和位置，使其與主輻射貼片產(chǎn)生合適的耦合，從而引入新的諧振模式，拓展天線的帶寬。對寬帶微帶天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用電磁仿真軟件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的天線性能進(jìn)行仿真分析，通過多次迭代優(yōu)化，確定最佳的天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬和更好的阻抗匹配性能。雙頻微帶天線設(shè)計(jì)與特性研究：深入研究雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)方法，通過在輻射貼片上開特定形狀的縫隙、加載短路探針或采用多層結(jié)構(gòu)等方式，實(shí)現(xiàn)天線在兩個不同頻率上的穩(wěn)定工作。例如，利用在輻射貼片上開十字形縫隙，通過控制縫隙的長度、寬度和位置，使天線在兩個不同頻率處產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)雙頻特性。分析雙頻微帶天線兩個工作頻段之間的隔離度問題，研究如何通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)，提高兩個頻段之間的隔離度，減少相互干擾。對雙頻微帶天線在不同應(yīng)用場景下的性能進(jìn)行研究，如在移動通信中，分析其在不同信號強(qiáng)度和干擾環(huán)境下的雙頻性能表現(xiàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。雙圓極化微帶天線設(shè)計(jì)與性能分析：著重研究實(shí)現(xiàn)雙圓極化的技術(shù)途徑，包括多饋點(diǎn)技術(shù)、采用特殊形狀的輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)等。例如，采用四點(diǎn)饋電技術(shù)，通過精確控制四個饋電點(diǎn)之間的相位差和幅度比，實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，并且通過調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)左旋圓極化和右旋圓極化的獨(dú)立控制。深入分析雙圓極化微帶天線的軸比帶寬、增益、輻射方向圖等性能參數(shù)，研究如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高天線的軸比帶寬，使其在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的圓極化性能，同時提高天線的增益和優(yōu)化輻射方向圖，滿足不同應(yīng)用場景的需求。寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線的綜合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：將寬帶、雙頻和雙圓極化特性進(jìn)行有機(jī)融合，設(shè)計(jì)出兼具寬帶、雙頻雙圓極化特性的微帶天線。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮各特性之間的相互影響和制約關(guān)系，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各性能指標(biāo)的平衡和優(yōu)化。對設(shè)計(jì)出的天線進(jìn)行實(shí)物制作和實(shí)驗(yàn)測試，搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的阻抗帶寬、回波損耗等參數(shù)，利用微波暗室測試天線的輻射方向圖、增益、軸比等性能指標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性，針對測試結(jié)果中出現(xiàn)的問題，對天線進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，確保研究的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性：理論分析：基于電磁場理論、傳輸線理論和微波網(wǎng)絡(luò)理論等相關(guān)知識，對微帶天線的工作原理、輻射特性、阻抗匹配等進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析。建立微帶天線的數(shù)學(xué)模型，通過理論計(jì)算初步確定天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)，為后續(xù)的仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。例如，利用傳輸線模型計(jì)算微帶天線輻射貼片的長度和寬度，根據(jù)電磁場理論分析天線的輻射方向圖和增益等。仿真設(shè)計(jì)：借助先進(jìn)的電磁仿真軟件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，對設(shè)計(jì)的微帶天線進(jìn)行三維建模和仿真分析。通過設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，模擬天線在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，如阻抗帶寬、軸比、增益、輻射方向圖等。根據(jù)仿真結(jié)果，對天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，快速篩選出滿足設(shè)計(jì)要求的最佳方案，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了研發(fā)成本。同時，通過仿真還可以深入研究天線內(nèi)部的電磁場分布和電流分布情況，進(jìn)一步理解天線的工作機(jī)制，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在理論分析和仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行天線的實(shí)物制作。選擇合適的介質(zhì)基片、金屬材料和加工工藝，確保天線的制作精度和質(zhì)量。搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，使用專業(yè)的測試儀器，如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波暗室等，對制作好的天線進(jìn)行全面的性能測試。將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期存在差異，通過對實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)的仔細(xì)分析，找出原因并對天線進(jìn)行改進(jìn)，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，還可以發(fā)現(xiàn)一些在理論分析和仿真中難以考慮到的實(shí)際問題，為進(jìn)一步優(yōu)化天線設(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。二、微帶天線基礎(chǔ)理論2.1微帶天線的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1.1基本結(jié)構(gòu)組成微帶天線作為現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的天線類型，其基本結(jié)構(gòu)主要由介質(zhì)基板、輻射貼片和接地板三部分構(gòu)成，各部分緊密協(xié)作，共同決定了天線的性能。介質(zhì)基板在微帶天線中起著支撐和隔離的關(guān)鍵作用。它通常由低損耗、高介電常數(shù)的絕緣材料制成，如常見的FR-4玻璃纖維復(fù)合材料、聚四氟乙烯等?；宓暮穸萮通常遠(yuǎn)小于工作波長λ，一般在0.001λ-0.05λ范圍內(nèi)。這一特性使得微帶天線具有低剖面的優(yōu)勢，易于與各種設(shè)備表面共形。例如，在手機(jī)等便攜式通信設(shè)備中，微帶天線可以直接集成在電路板上，不占用過多空間。基板的介電常數(shù)εr對天線的性能有著重要影響。較高的介電常數(shù)可以減小天線的尺寸，但同時也會導(dǎo)致表面波損耗增加，降低天線的輻射效率；而較低的介電常數(shù)則有利于提高輻射效率，但會使天線尺寸增大。因此，在設(shè)計(jì)微帶天線時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇基板材料及其介電常數(shù)。輻射貼片是微帶天線的核心輻射部件，通常由金屬材料制成，如銅、鋁等。其形狀可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求和應(yīng)用場景進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)，常見的有矩形、圓形、環(huán)形等規(guī)則形狀，以及一些為滿足特殊性能要求而設(shè)計(jì)的不規(guī)則形狀。輻射貼片的尺寸和形狀直接決定了天線的工作頻率、輻射方向圖和極化特性等關(guān)鍵性能。以矩形輻射貼片為例，其長度L和寬度W與工作波長λ之間存在著密切的關(guān)系。在傳輸線模型中，當(dāng)輻射貼片的長度L近似為半個波長時，天線能夠產(chǎn)生有效的輻射。通過調(diào)整輻射貼片的尺寸，可以改變天線的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)不同頻段的工作。接地板位于介質(zhì)基板的另一側(cè)，通常是一塊完整的金屬薄片，其作用是提供一個反射面，使天線的輻射能量集中在一個方向上，從而提高天線的方向性和增益。接地板的大小和形狀也會對天線的性能產(chǎn)生影響。一般來說，接地板的尺寸應(yīng)足夠大，以確保能夠有效地反射電磁波，但過大的接地板會增加天線的重量和成本。在一些特殊設(shè)計(jì)中，也會對接地板進(jìn)行開槽、蝕刻等處理，以引入新的諧振模式或改變電流分布，進(jìn)而改善天線的性能，如采用缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS），在接地板上制作特定形狀的缺陷，能夠改變天線的阻抗特性和輻射特性，拓展天線的帶寬。2.1.2輻射原理闡釋微帶天線的輻射原理可以基于傳輸線模型進(jìn)行深入理解。在傳輸線模型中，輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板被視為一段長度為L（近似為半個波長，即L≈λ/2）的低阻抗微帶傳輸線，傳輸線的兩端形成開路。由于介質(zhì)基片的厚度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長λ（h?λ），電場在厚度方向上基本保持不變。在最簡單的情況下，假設(shè)電場在寬度方向上也無變化，僅在長度方向（L≈λ/2）上發(fā)生變化。當(dāng)微帶天線工作時，射頻信號通過饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捷椛滟N片上，在輻射貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場。在輻射貼片的開路兩端，電場可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量。由于輻射貼片長度約為半個波長，兩開路端電場的垂直分量方向相反，在遠(yuǎn)區(qū)場中相互抵消；而水平分量方向相同，在垂直于接地板的方向上，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同向疊加。因此，兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫隙的寬度為ΔL（近似等于基片厚度h），長度為輻射貼片的寬度w，兩縫隙間距為L≈λ/2。這兩個等效縫隙的輻射共同構(gòu)成了微帶天線的主要輻射場，使得微帶天線能夠向空間輻射電磁波。實(shí)際情況中，電場在輻射貼片的寬度和長度方向上往往同時變化，此時微帶天線的輻射不能簡單地用兩個縫隙等效，而應(yīng)該用輻射貼片周圍的4個縫隙的輻射來等效。這4個縫隙分別位于輻射貼片的四條邊上，它們的輻射相互疊加，形成了微帶天線復(fù)雜的輻射場分布。這種輻射場分布與天線的工作頻率、輻射貼片的形狀和尺寸、介質(zhì)基板的特性等因素密切相關(guān)。電場和磁場分布對微帶天線的性能有著至關(guān)重要的影響。電場分布決定了天線的輻射方向和極化特性。在垂直于接地板的方向上，電場強(qiáng)度較強(qiáng)，使得天線的最大輻射方向通常垂直于基片表面，呈現(xiàn)出側(cè)射特性。而通過改變輻射貼片的形狀或采用特殊的饋電方式，可以調(diào)整電場的分布，實(shí)現(xiàn)不同的極化方式，如線極化、圓極化等。例如，采用圓形輻射貼片并結(jié)合適當(dāng)?shù)酿侂姺绞剑梢詫?shí)現(xiàn)圓極化輻射，在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。磁場分布則與天線的阻抗匹配和輻射效率密切相關(guān)。磁場主要集中在輻射貼片和接地板之間的區(qū)域，其分布情況會影響天線的輸入阻抗。當(dāng)磁場分布不均勻或與饋電網(wǎng)絡(luò)不匹配時，會導(dǎo)致反射系數(shù)增大，能量無法有效地從饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教炀€，從而降低天線的輻射效率。因此，在設(shè)計(jì)微帶天線時，需要通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)，使磁場分布合理，實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，提高天線的輻射效率。2.2微帶天線的主要設(shè)計(jì)分析方法2.2.1傳輸線模型法傳輸線模型法是分析微帶天線的一種經(jīng)典且基礎(chǔ)的方法，其原理是將微帶天線的輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板等效為一段特殊的微帶傳輸線。在這種模型中，假設(shè)輻射貼片的長度L近似為半個工作波長（L≈λ/2），寬度為W，介質(zhì)基片厚度為h，且h遠(yuǎn)小于波長λ（h?λ）。此時，可將該結(jié)構(gòu)視為一段長度為L的低阻抗微帶傳輸線，傳輸線的兩端開路。由于介質(zhì)基片很薄，電場在厚度方向上基本保持不變。在最簡單的情況下，若假設(shè)電場在寬度方向上也無變化，僅在長度方向（L≈λ/2）上發(fā)生變化。當(dāng)射頻信號饋入該等效傳輸線時，在輻射貼片的開路兩端，電場會分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量。因?yàn)檩椛滟N片長度約為半個波長，所以兩開路端電場的垂直分量方向相反，在遠(yuǎn)區(qū)場中相互抵消；而水平分量方向相同，在垂直于接地板的方向上，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同向疊加。因此，兩開路端的水平分量電場可等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫隙寬度ΔL近似等于基片厚度h，長度為輻射貼片的寬度W，兩縫隙間距為L≈λ/2。這兩個等效縫隙的輻射共同構(gòu)成了微帶天線的主要輻射場。以簡單的矩形微帶貼片天線為例，其計(jì)算過程如下：首先，根據(jù)傳輸線理論，計(jì)算微帶線的特性阻抗Z0。對于微帶線，其特性阻抗與介質(zhì)基片的介電常數(shù)εr、微帶線的寬度W以及基片厚度h等因素有關(guān)。常用的計(jì)算公式為：Z_0=\frac{60}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\ln\left(\frac{8h}{W}+\frac{W}{4h}\right)，其中\(zhòng)varepsilon_{reff}為微帶線的有效介電常數(shù)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。確定輻射貼片的長度L和寬度W。在傳輸線模型中，為了使天線在特定頻率f0下諧振，輻射貼片的長度L可近似為：L=\frac{\lambda_0}{2\sqrt{\varepsilon_{reff}}}，其中\(zhòng)lambda_0為自由空間中的波長，\lambda_0=c/f_0，c為光速。寬度W的選擇則需要綜合考慮天線的帶寬、輻射效率等因素，一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或通過優(yōu)化計(jì)算確定。計(jì)算天線的輸入阻抗。根據(jù)傳輸線模型，天線的輸入阻抗可通過傳輸線的阻抗變換公式計(jì)算。假設(shè)饋電點(diǎn)位于輻射貼片的中心位置，此時天線的輸入阻抗Zin可表示為：Z_{in}=Z_0\frac{Z_{L}+jZ_0\tan(\betaL)}{Z_0+jZ_{L}\tan(\betaL)}，其中Z_{L}為負(fù)載阻抗（對于開路端，Z_{L}=\infty），\beta為微帶線的傳播常數(shù)，\beta=\frac{2\pi}{\lambda_g}，\lambda_g為微帶線中的波長，\lambda_g=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}。傳輸線模型法的優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，計(jì)算過程相對簡單，能夠快速得到天線的基本性能參數(shù)，對于一些簡單結(jié)構(gòu)的微帶天線設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。然而，該方法也存在一定的局限性，它僅適用于分析規(guī)則形狀（如矩形、圓形等）的微帶貼片天線，且在計(jì)算過程中做了較多簡化假設(shè)，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微帶天線或?qū)纫筝^高的場合，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性可能無法滿足需求。2.2.2腔體模型法腔體模型法是分析微帶天線的另一種重要方法，其核心思想是將微帶天線等效為一個諧振腔。在薄微帶天線（h?λ）的前提下，微帶貼片與接地板之間的空間可看作是一個特殊的腔體，該腔體上下為電壁（因?yàn)橘N片和接地板為理想導(dǎo)體，電場切向分量為零，等效為電壁），四周為磁壁（由于邊緣處電流無正交于邊緣的分量，即邊緣處切向磁場為零，等效為磁壁）的漏波空間。在這個等效諧振腔中，天線的輻射場由腔體四周縫隙的等效磁流的輻射來得出。具體來說，腔內(nèi)的電磁場分布滿足一定的邊界條件和波動方程。假設(shè)電場只有Ez分量（即這是對z向的TM型場），內(nèi)場不隨z坐標(biāo)變化，饋源可看成為沿z向的電流源J，且J不隨z坐標(biāo)變化，那么場內(nèi)的波動方程為：\nabla^2E_z+k^2\varepsilon_rE_z=-j\omega\muJ_z，其中k=\frac{2\pi}{\lambda}為波數(shù)，\omega為角頻率，\mu為磁導(dǎo)率，\varepsilon_r為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)。通過求解上述波動方程，并結(jié)合邊界條件，可以得到腔內(nèi)的電場和磁場分布。進(jìn)而根據(jù)等效原理，將腔體四周的縫隙等效為磁流源，利用電磁場的輻射理論，計(jì)算出天線的輻射場和方向圖。天線的輸入阻抗可由空腔內(nèi)場和饋源激勵條件來求得。腔體模型法在分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)天線時具有獨(dú)特的優(yōu)勢。例如，對于多層微帶天線，它可以通過將每層等效為一個子腔體，考慮各層之間的耦合效應(yīng)，準(zhǔn)確地分析天線的性能。在分析帶有寄生貼片的微帶天線時，腔體模型法能夠?qū)⒓纳N片與主輻射貼片之間的電磁耦合關(guān)系納入考慮，通過求解整個等效腔體的電磁場分布，得到天線的準(zhǔn)確性能參數(shù)。對于加載了各種結(jié)構(gòu)（如縫隙、短路探針等）的微帶天線，腔體模型法也能通過合理設(shè)置邊界條件和等效參數(shù)，有效地分析其性能。與傳輸線模型法相比，腔體模型法的適用范圍更廣，能夠處理更復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)。它不僅適用于規(guī)則形狀的微帶天線，對于各種不規(guī)則形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微帶天線也能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析。然而，腔體模型法的計(jì)算過程相對復(fù)雜，需要求解較為復(fù)雜的電磁場方程，對計(jì)算能力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。2.2.3矩量法矩量法是一種基于積分方程的數(shù)值計(jì)算方法，在微帶天線分析中具有廣泛的應(yīng)用。其基本原理是將連續(xù)的電磁場問題離散化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解。在微帶天線分析中，首先需要建立天線的積分方程。以電場積分方程（EFIE）為例，根據(jù)麥克斯韋方程組和邊界條件，對于微帶天線的輻射貼片表面的電流分布\vec{J}，可以建立如下電場積分方程：\vec{E}_{inc}(\vec{r})=j\omega\mu\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'，其中\(zhòng)vec{E}_{inc}(\vec{r})為入射電場，\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')為格林函數(shù)，描述了源點(diǎn)\vec{r}'處的電流元在場點(diǎn)\vec{r}處產(chǎn)生的電磁場，S為輻射貼片的表面，\omega為角頻率，\mu為磁導(dǎo)率，\varepsilon為介電常數(shù)。為了求解上述積分方程，采用矩量法將電流分布\vec{J}展開為一系列基函數(shù)\vec{f}_n的線性組合，即\vec{J}(\vec{r})=\sum_{n=1}^{N}I_n\vec{f}_n(\vec{r})，其中I_n為展開系數(shù)，N為基函數(shù)的個數(shù)。將其代入電場積分方程，并利用加權(quán)余量法，選擇一組權(quán)函數(shù)\vec{w}_m，對積分方程兩邊同時與\vec{w}_m做內(nèi)積，得到：\langle\vec{w}_m,\vec{E}_{inc}\rangle=j\omega\mu\sum_{n=1}^{N}I_n\langle\vec{w}_m,\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'\rangle+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\sum_{n=1}^{N}I_n\langle\vec{w}_m,\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'\rangle，m=1,2,\cdots,N。這樣就將積分方程轉(zhuǎn)化為一個線性代數(shù)方程組[Z][I]=[V]，其中[Z]為阻抗矩陣，其元素Z_{mn}=\langle\vec{w}_m,j\omega\mu\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{f}_n(\vec{r}')dS'\rangle，[I]為電流系數(shù)向量[I]=[I_1,I_2,\cdots,I_N]^T，[V]為電壓向量[V]=[\langle\vec{w}_1,\vec{E}_{inc}\rangle,\langle\vec{w}_2,\vec{E}_{inc}\rangle,\cdots,\langle\vec{w}_N,\vec{E}_{inc}\rangle]^T。通過求解這個線性代數(shù)方程組，就可以得到電流分布的展開系數(shù)I_n，從而確定輻射貼片表面的電流分布\vec{J}。得到電流分布后，就可以進(jìn)一步計(jì)算天線的輻射特性。根據(jù)電磁場的輻射理論，天線的輻射電場\vec{E}和輻射磁場\vec{H}可以通過電流分布\vec{J}計(jì)算得到：\vec{E}(\vec{r})=j\omega\mu\int_{S}\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'+\frac{1}{j\omega\varepsilon}\nabla\int_{S}\nabla'\cdot\vec{G}(\vec{r},\vec{r}')\vec{J}(\vec{r}')dS'，\vec{H}(\vec{r})=\frac{1}{j\omega\mu}\nabla\times\vec{E}(\vec{r})。進(jìn)而可以計(jì)算出天線的輻射方向圖、增益、輸入阻抗等性能參數(shù)。以一個矩形微帶貼片天線為例，假設(shè)采用Rao-Wilton-Glisson（RWG）基函數(shù)對電流分布進(jìn)行展開。首先，將矩形輻射貼片劃分為多個三角形子單元，每個子單元上的電流分布用RWG基函數(shù)表示。然后，根據(jù)上述矩量法的步驟，建立并求解線性代數(shù)方程組，得到每個子單元上的電流系數(shù)。最后，根據(jù)電流系數(shù)計(jì)算出天線的電流分布和輻射特性。通過這種方式，可以精確地分析矩形微帶貼片天線的性能，并且能夠考慮天線結(jié)構(gòu)中的各種細(xì)節(jié)，如饋電點(diǎn)位置、貼片邊緣的不連續(xù)性等因素對天線性能的影響。矩量法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，能夠處理各種復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的微帶天線，對于天線的電流分布和輻射特性能夠進(jìn)行精確的分析。然而，矩量法的計(jì)算量較大，尤其是對于電大尺寸的天線或復(fù)雜的多天線系統(tǒng)，計(jì)算時間和內(nèi)存需求會急劇增加。在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要結(jié)合快速算法（如快速多極子算法等）來提高計(jì)算效率。2.3微帶天線的性能參數(shù)2.3.1輸入阻抗輸入阻抗是微帶天線的一個關(guān)鍵性能參數(shù)，它在天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的連接中起著決定性作用，直接影響著信號傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。從本質(zhì)上講，輸入阻抗是指天線輸入端的電壓與電流之比，它反映了天線對饋電網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的負(fù)載特性。在理想情況下，為了實(shí)現(xiàn)信號的高效傳輸，應(yīng)使天線的輸入阻抗與饋電網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗相等，這就是所謂的阻抗匹配。當(dāng)阻抗匹配時，饋電網(wǎng)絡(luò)向天線傳輸?shù)墓β誓軌蜃畲笙薅鹊乇惶炀€接收并輻射出去，此時反射系數(shù)最小，信號傳輸效率最高。例如，在常見的50Ω饋電系統(tǒng)中，若微帶天線的輸入阻抗也為50Ω，就能實(shí)現(xiàn)良好的匹配，有效減少信號反射，提高通信質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，微帶天線的輸入阻抗受到多種因素的綜合影響。首先，輻射貼片的形狀和尺寸是重要的影響因素之一。以矩形輻射貼片為例，貼片的長度和寬度會改變天線的諧振頻率，進(jìn)而影響輸入阻抗。當(dāng)貼片長度增加時，天線的諧振頻率降低，輸入阻抗也會相應(yīng)發(fā)生變化。通過調(diào)整貼片的尺寸，可以使天線在特定頻率下實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。此外，輻射貼片的形狀還會影響電流分布，從而對輸入阻抗產(chǎn)生影響。不規(guī)則形狀的貼片可能會導(dǎo)致電流分布更加復(fù)雜，使得輸入阻抗的計(jì)算和調(diào)整變得更加困難。介質(zhì)基板的特性對輸入阻抗也有著顯著影響。介質(zhì)基板的介電常數(shù)決定了電磁波在其中的傳播速度和波長，進(jìn)而影響天線的電性能。較高的介電常數(shù)會使天線尺寸減小，但同時也會改變輸入阻抗。例如，采用高介電常數(shù)的基板材料，會使天線的諧振頻率升高，輸入阻抗降低?；宓暮穸韧瑯訒绊戄斎胱杩埂Ｔ黾踊搴穸瓤梢蕴岣咛炀€的帶寬，但也會使輸入阻抗發(fā)生變化。一般來說，基板厚度增加，輸入阻抗會減小。在設(shè)計(jì)微帶天線時，需要綜合考慮介電常數(shù)和基板厚度對輸入阻抗的影響，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。饋電方式的選擇對微帶天線的輸入阻抗有著直接的影響。不同的饋電方式，如探針饋電、微帶線饋電、共面波導(dǎo)饋電等，會導(dǎo)致天線的電流分布和電場分布不同，從而使輸入阻抗產(chǎn)生差異。探針饋電是一種常見的饋電方式，它通過在輻射貼片上插入探針來實(shí)現(xiàn)饋電。探針的位置和長度會影響輸入阻抗。當(dāng)探針靠近貼片邊緣時，輸入阻抗會發(fā)生變化。微帶線饋電則是利用微帶線將信號傳輸?shù)捷椛滟N片上。微帶線的寬度、長度以及與貼片的連接方式都會對輸入阻抗產(chǎn)生影響。通過調(diào)整微帶線的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對輸入阻抗的調(diào)節(jié)。共面波導(dǎo)饋電具有低損耗、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，但它的輸入阻抗特性與其他饋電方式有所不同。在選擇饋電方式時，需要根據(jù)天線的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用場景，綜合考慮輸入阻抗、帶寬、輻射效率等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能匹配。2.3.2增益增益是衡量微帶天線性能的重要指標(biāo)之一，它反映了天線將輸入功率集中輻射到特定方向的能力。從定義上來說，增益是指在相同的輸入功率條件下，天線在某一方向上的輻射強(qiáng)度與理想無方向性天線（全向天線）在同一方向上的輻射強(qiáng)度之比，通常用分貝（dB）表示。增益越高，說明天線在該方向上的輻射能量越集中，信號傳輸?shù)木嚯x也就越遠(yuǎn)，通信質(zhì)量也就越好。例如，在衛(wèi)星通信中，高增益的微帶天線能夠?qū)⑿盘栍行У貍鬏數(shù)竭b遠(yuǎn)的衛(wèi)星，確保通信的穩(wěn)定和可靠。增益的物理意義在于它體現(xiàn)了天線對輻射能量的定向控制能力。理想的無方向性天線會在所有方向上均勻地輻射能量，而實(shí)際的微帶天線通過合理的設(shè)計(jì)，可以將輻射能量集中在某些特定的方向上，從而提高這些方向上的信號強(qiáng)度。這就好比一個手電筒，普通的手電筒光線是向四周發(fā)散的，而經(jīng)過聚焦設(shè)計(jì)的手電筒可以將光線集中在一個方向上，照射得更遠(yuǎn)更亮。微帶天線的增益就是通過類似的原理，將輻射能量聚焦在需要的方向上，提高信號的傳輸效率。提高微帶天線增益的方法有多種。一種常見的方法是增加天線的尺寸。一般來說，天線的尺寸越大，其能夠輻射的能量就越多，增益也就越高。例如，在基站天線中，通常會采用較大尺寸的微帶天線陣列來提高增益，以覆蓋更大的區(qū)域。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，天線的尺寸往往受到設(shè)備體積、安裝空間等因素的限制，不能無限制地增大。采用天線陣列也是提高增益的有效手段。將多個微帶天線單元按照一定的規(guī)律排列組成天線陣列，可以利用陣列的方向性原理，使各個天線單元的輻射場在特定方向上相互疊加，從而提高天線在該方向上的增益。例如，均勻直線陣列通過調(diào)整各天線單元之間的間距和相位差，可以實(shí)現(xiàn)對輻射方向和增益的精確控制。在5G通信基站中，常常采用大規(guī)模的微帶天線陣列來提高增益，以滿足高速、大容量通信的需求。優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也能提高增益。通過合理設(shè)計(jì)輻射貼片的形狀、尺寸和饋電方式，可以改善天線的輻射特性，提高增益。采用特殊形狀的輻射貼片，如漸變形狀的貼片，可以使天線的輻射能量更加集中，從而提高增益。調(diào)整饋電點(diǎn)的位置和饋電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，也可以優(yōu)化天線的輸入阻抗匹配，提高輻射效率，進(jìn)而提高增益。2.3.3輻射方向圖輻射方向圖是描述微帶天線在空間各個方向上輻射場分布的圖形，它直觀地展示了天線輻射能量的空間分布特性。輻射方向圖通常以極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)的形式表示，其中極坐標(biāo)圖以天線為中心，輻射強(qiáng)度為半徑，角度為方向，清晰地展示了天線在不同方向上的輻射強(qiáng)度分布。在極坐標(biāo)輻射方向圖中，主瓣是輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的區(qū)域，它決定了天線的主要輻射方向。旁瓣則是主瓣周圍的較小輻射區(qū)域，旁瓣的存在會導(dǎo)致能量的分散，降低天線的方向性。理想情況下，希望天線的旁瓣電平盡可能低，以提高能量的集中程度。不同形狀貼片微帶天線的輻射方向圖具有各自獨(dú)特的特點(diǎn)，這與天線的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。以矩形貼片微帶天線為例，其輻射方向圖在垂直于貼片平面的方向上具有較強(qiáng)的輻射，呈現(xiàn)出較為明顯的主瓣。在E面（電場矢量所在平面）和H面（磁場矢量所在平面）上，輻射方向圖的形狀和特性有所不同。在E面，輻射方向圖相對較窄，主瓣較為尖銳，這是因?yàn)殡妶鲈谠撈矫嫔系姆植驾^為集中。而在H面，輻射方向圖相對較寬，主瓣相對較平緩，這是由于磁場在該平面上的分布相對較分散。圓形貼片微帶天線的輻射方向圖則具有一定的軸對稱性。由于圓形貼片的對稱性，其輻射方向圖在各個方向上的分布相對較為均勻，主瓣相對較寬。在某些特殊情況下，通過對圓形貼片進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，如在貼片上開縫或加載寄生結(jié)構(gòu)，可以改變輻射方向圖的形狀，使其在特定方向上的輻射強(qiáng)度得到增強(qiáng)或減弱。三角形貼片微帶天線的輻射方向圖也具有獨(dú)特的特性。其輻射方向圖的形狀和主瓣方向與三角形的形狀和取向有關(guān)。正三角形貼片微帶天線的輻射方向圖在三個角的方向上具有較強(qiáng)的輻射，呈現(xiàn)出三個主瓣的分布。而直角三角形貼片微帶天線的輻射方向圖則會根據(jù)直角的位置和三角形的邊長比例而有所不同。天線結(jié)構(gòu)的變化會直接影響輻射方向圖的形狀和特性。除了貼片形狀外，介質(zhì)基板的厚度、介電常數(shù)以及接地板的尺寸和形狀等因素都會對輻射方向圖產(chǎn)生影響。增加介質(zhì)基板的厚度，會使天線的輻射方向圖發(fā)生變化，主瓣可能會變寬，旁瓣電平也可能會增加。改變介電常數(shù)會影響電磁波在介質(zhì)中的傳播特性，從而改變輻射方向圖。接地板的尺寸和形狀會影響天線的電流分布和電磁場分布，進(jìn)而影響輻射方向圖。2.3.4帶寬帶寬是衡量微帶天線性能的一個重要參數(shù)，它反映了天線能夠有效工作的頻率范圍。從定義上講，帶寬是指天線的某個性能參數(shù)（如輸入阻抗、增益、輻射方向圖等）在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，所對應(yīng)的頻率范圍。通常，以天線的輸入阻抗在一定范圍內(nèi)（如電壓駐波比VSWR≤2）變化時所對應(yīng)的頻率范圍來定義帶寬，這種帶寬稱為阻抗帶寬。也可以根據(jù)天線的增益、軸比等性能參數(shù)來定義帶寬，如增益帶寬、軸比帶寬等。帶寬的表示方法通常有絕對帶寬和相對帶寬兩種。絕對帶寬是指天線能夠有效工作的頻率范圍的差值，即最高工作頻率與最低工作頻率之差，單位為赫茲（Hz）。例如，某微帶天線的最低工作頻率為2GHz，最高工作頻率為2.5GHz，則其絕對帶寬為0.5GHz。相對帶寬則是絕對帶寬與中心頻率之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。對于上述例子，中心頻率為（2+2.5）/2=2.25GHz，則相對帶寬為（0.5/2.25）×100%≈22.2%。相對帶寬能夠更直觀地反映天線帶寬與中心頻率之間的關(guān)系，便于對不同天線的帶寬性能進(jìn)行比較。微帶天線的帶寬相對較窄，這是其一個主要的局限性。為了展寬微帶天線的帶寬，研究者們提出了多種有效的途徑。一種常用的方法是改變天線的結(jié)構(gòu)。采用多層結(jié)構(gòu)，將多個輻射貼片層疊在一起，可以引入多個諧振模式，從而拓展天線的帶寬。通過合理設(shè)計(jì)各層之間的耦合關(guān)系和尺寸參數(shù)，使不同諧振模式相互疊加，實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬。加載寄生貼片也是一種有效的方法。在主輻射貼片周圍添加寄生貼片，寄生貼片與主輻射貼片之間通過電磁耦合產(chǎn)生相互作用，引入新的諧振模式，拓寬天線的帶寬。在主輻射貼片周圍加載多個不同尺寸的寄生貼片，可以在多個頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)寬帶特性。優(yōu)化饋電方式也能夠展寬微帶天線的帶寬。采用微帶線饋電時，通過調(diào)整微帶線的寬度、長度和饋電點(diǎn)的位置，可以改善天線的輸入阻抗匹配，從而拓展帶寬。共面波導(dǎo)饋電由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和傳輸特性，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的阻抗匹配，有利于展寬帶寬。一些新型的饋電方式，如漸變槽線饋電、電磁耦合饋電等，也在展寬微帶天線帶寬方面展現(xiàn)出了良好的效果。三、寬帶微帶天線技術(shù)研究3.1寬帶微帶天線的實(shí)現(xiàn)方法3.1.1改進(jìn)饋電方式饋電方式對微帶天線的性能有著至關(guān)重要的影響，尤其是在寬帶特性方面。通過改進(jìn)饋電方式，可以有效展寬微帶天線的帶寬，提升其在寬頻帶內(nèi)的性能表現(xiàn)。L型探針饋電是一種常用且有效的寬帶饋電方式。在L型探針饋電結(jié)構(gòu)中，探針由垂直部分和水平部分組成。垂直部分與接地板相連，水平部分則與輻射貼片耦合。這種結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于，垂直部分及水平部分和貼片之間會產(chǎn)生感抗和容抗，兩者相互作用產(chǎn)生諧振，從而使天線頻帶拓寬。具體來說，當(dāng)射頻信號通過L型探針饋電時，探針的垂直部分會引入一定的電感，而水平部分與貼片之間的電容效應(yīng)會與電感相互作用，形成一個諧振回路。這個諧振回路能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的阻抗匹配，從而展寬天線的帶寬。以某一設(shè)計(jì)實(shí)例來說，設(shè)計(jì)一款中心頻率為1000MHz的微帶天線，初始采用普通探針饋電時，其帶寬僅為7.5%左右。而當(dāng)改用L型探針饋電后，通過對L型探針的尺寸，如水平段長度、垂直段長度，以及探針與貼片的相對位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。最終仿真結(jié)果表明，該天線的帶寬達(dá)到了32%，實(shí)現(xiàn)了帶寬的顯著拓展。在實(shí)際應(yīng)用中，如在移動通信基站中，采用L型探針饋電的微帶天線能夠在更寬的頻段內(nèi)穩(wěn)定工作，有效提高了基站對不同頻段信號的接收和發(fā)射能力，提升了通信質(zhì)量和效率。同軸探針饋電也是一種常見的饋電方式。同軸探針通過直接與輻射貼片相連，將射頻信號引入天線。這種饋電方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的同軸探針饋電在帶寬拓展方面存在一定局限性。為了改善這一情況，可以對同軸探針的結(jié)構(gòu)和位置進(jìn)行優(yōu)化。通過調(diào)整探針的長度和直徑，可以改變其引入的電感量，從而影響天線的阻抗匹配和帶寬。合理選擇探針在輻射貼片上的饋電位置，也能夠優(yōu)化天線的電流分布，提高帶寬性能。在一些設(shè)計(jì)中，將同軸探針的位置靠近輻射貼片的邊緣，可以增加天線的帶寬。但這種方法也需要綜合考慮其他性能指標(biāo)，如輻射方向圖和增益等，因?yàn)轲侂婞c(diǎn)位置的改變可能會對這些指標(biāo)產(chǎn)生一定影響。3.1.2加載技術(shù)加載技術(shù)是拓展微帶天線帶寬的重要手段之一，其原理是在貼片或接地板上加載寄生貼片、縫隙等元件，通過改變天線的電流分布和電磁場特性，實(shí)現(xiàn)帶寬的拓展。在貼片上加載寄生貼片是一種常見的加載技術(shù)。寄生貼片與主輻射貼片之間通過電磁耦合產(chǎn)生相互作用。當(dāng)射頻信號激勵主輻射貼片時，寄生貼片會感應(yīng)出電流，形成一個額外的諧振回路。這個諧振回路的諧振頻率與主輻射貼片的諧振頻率相互疊加，從而在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，拓展了天線的帶寬。以一款加載寄生貼片的微帶天線為例，該天線的主輻射貼片為矩形，在其周圍加載了多個不同尺寸的寄生貼片。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，加載寄生貼片后，天線的阻抗帶寬得到了顯著提升。在未加載寄生貼片時，天線的相對帶寬僅為5%左右。而加載寄生貼片后，天線在兩個相近的頻率點(diǎn)處產(chǎn)生諧振，相對帶寬拓展到了15%左右。這是因?yàn)椴煌叽绲募纳N片與主輻射貼片之間的耦合程度不同，各自產(chǎn)生的諧振頻率也不同，多個諧振頻率的疊加使得天線能夠在更寬的頻段內(nèi)工作。在接地板上加載縫隙同樣可以起到展寬頻帶的作用。縫隙的引入會改變接地板上的電流分布，進(jìn)而影響天線的電磁場分布。當(dāng)在接地板上開特定形狀和尺寸的縫隙時，縫隙周圍會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這些感應(yīng)電流與貼片上的電流相互作用，形成新的諧振模式。這種新的諧振模式能夠拓展天線的帶寬。例如，在接地板上加載U型縫隙，U型縫隙的兩端會產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電流，這些電流與貼片上的電流相互耦合，使得天線在原有諧振頻率的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了新的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)了帶寬的拓展。通過調(diào)整U型縫隙的長度、寬度和位置等參數(shù)，可以優(yōu)化天線的帶寬性能。在實(shí)際應(yīng)用中，加載縫隙的接地板設(shè)計(jì)常用于一些對帶寬要求較高的通信系統(tǒng)中，如衛(wèi)星通信地面站天線，能夠有效提高天線對不同頻段衛(wèi)星信號的接收能力。3.1.3多貼片結(jié)構(gòu)多貼片結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)微帶天線寬帶化的另一種有效途徑，其基本原理是通過不同貼片諧振頻率的疊加來展寬天線的帶寬。在多貼片結(jié)構(gòu)中，通常包含多個不同尺寸或形狀的輻射貼片。每個貼片都具有其自身的固有諧振頻率。當(dāng)這些貼片組合在一起時，它們的諧振頻率相互疊加，使得天線能夠在多個頻率點(diǎn)上產(chǎn)生諧振，從而拓展了天線的工作帶寬。以雙層貼片微帶天線為例，該天線由上層貼片和下層貼片組成。上層貼片尺寸較小，其固有諧振頻率較高；下層貼片尺寸較大，固有諧振頻率較低。當(dāng)射頻信號激勵天線時，上下層貼片分別在各自的諧振頻率附近產(chǎn)生諧振。這兩個諧振頻率相互疊加，使得天線能夠在一個較寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能。在設(shè)計(jì)雙層貼片微帶天線時，需要綜合考慮多個因素。首先是上下層貼片之間的距離。這個距離會影響兩層貼片之間的電磁耦合強(qiáng)度。如果距離過小，耦合過強(qiáng)，可能會導(dǎo)致兩個諧振頻率過于接近，無法充分發(fā)揮多貼片結(jié)構(gòu)的帶寬拓展優(yōu)勢；如果距離過大，耦合過弱，可能無法有效激發(fā)兩個諧振頻率。通過電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定合適的貼片間距，以實(shí)現(xiàn)最佳的帶寬性能。貼片的形狀和尺寸也需要精心設(shè)計(jì)。不同的形狀和尺寸會決定貼片的諧振頻率和輻射特性。對于上層貼片，可以采用特殊形狀，如圓形或橢圓形，以調(diào)整其諧振頻率和輻射方向圖。下層貼片則可以根據(jù)需要進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以確保其在低頻段能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振。實(shí)際測試結(jié)果表明，采用雙層貼片結(jié)構(gòu)的微帶天線在帶寬性能上有顯著提升。在某一設(shè)計(jì)實(shí)例中，未采用雙層貼片結(jié)構(gòu)的普通微帶天線，其相對帶寬僅為8%。而采用雙層貼片結(jié)構(gòu)后，通過合理設(shè)計(jì)貼片尺寸、形狀和間距等參數(shù)，天線的相對帶寬拓展到了20%以上。這種帶寬的提升使得天線能夠更好地滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對寬頻帶的需求，在多個頻段的通信中都能保持良好的性能表現(xiàn)，如在移動通信和無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域，能夠同時支持不同頻段的信號傳輸，提高了通信系統(tǒng)的兼容性和可靠性。3.2L型探針耦合饋電寬帶微帶天線研究3.2.1L型探針的引入及作用L型探針作為一種特殊的饋電結(jié)構(gòu)，在微帶天線的寬帶化設(shè)計(jì)中具有重要作用。其結(jié)構(gòu)由垂直部分和水平部分組成，垂直部分連接接地板，水平部分與輻射貼片耦合。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得L型探針在饋電過程中能夠引入特殊的電磁效應(yīng)。當(dāng)射頻信號通過L型探針饋入微帶天線時，探針的垂直部分會引入電感，而水平部分與貼片之間的電容效應(yīng)會與電感相互作用，形成一個諧振回路。這個諧振回路能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的阻抗匹配，從而有效地拓展了天線的帶寬。傳統(tǒng)的同軸探針饋電方式在帶寬拓展方面存在一定的局限性，由于其單一的饋電結(jié)構(gòu)，往往只能在較窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配。而L型探針饋電方式通過引入額外的電感和電容效應(yīng)，打破了傳統(tǒng)饋電方式的限制，使得天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。通過仿真對比有無L型探針時的天線帶寬，可以更直觀地看出L型探針的作用。利用電磁仿真軟件AnsoftHFSS，建立一個基本的微帶天線模型，其中心頻率設(shè)定為2.4GHz，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為4.4的FR-4材料，厚度為1.6mm。首先，對采用普通同軸探針饋電的天線進(jìn)行仿真，得到其駐波比（VSWR）隨頻率變化的曲線。從仿真結(jié)果可以看出，在VSWR≤2的條件下，該天線的帶寬僅為100MHz左右，相對帶寬約為4.2%。然后，將普通同軸探針替換為L型探針，對L型探針的尺寸，如水平段長度、垂直段長度，以及探針與貼片的相對位置等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。再次進(jìn)行仿真，得到采用L型探針饋電時天線的駐波比曲線。結(jié)果顯示，在相同的VSWR條件下，天線的帶寬拓展到了300MHz左右，相對帶寬達(dá)到12.5%。通過這一對比可以明顯看出，引入L型探針后，天線的帶寬得到了顯著提升。這是因?yàn)長型探針的電感和電容效應(yīng)產(chǎn)生的諧振，使得天線在更寬的頻率范圍內(nèi)能夠保持良好的阻抗匹配，從而有效地拓展了天線的工作帶寬。3.2.2探針位置對帶寬的影響L型探針在微帶天線中的位置變化對天線帶寬有著顯著的影響，深入研究這一影響規(guī)律對于優(yōu)化天線性能具有重要意義。探針位置的改變會直接影響L型探針與輻射貼片之間的電磁耦合程度，進(jìn)而改變天線的輸入阻抗和帶寬性能。當(dāng)L型探針靠近輻射貼片的中心位置時，由于探針與貼片之間的耦合相對較弱，引入的電感和電容效應(yīng)相對較小，天線的帶寬相對較窄。隨著探針逐漸向貼片邊緣移動，耦合強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，電感和電容效應(yīng)也隨之增強(qiáng)。當(dāng)探針位于貼片邊緣的合適位置時，電感和電容效應(yīng)產(chǎn)生的諧振能夠與天線原有的諧振模式相互疊加，在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，從而使天線帶寬得到顯著拓展。然而，如果探針過度靠近貼片邊緣，可能會導(dǎo)致天線的輸入阻抗發(fā)生較大變化，影響天線的正常工作，甚至可能出現(xiàn)失配現(xiàn)象，使帶寬反而變窄。為了準(zhǔn)確研究L型探針位置對帶寬的影響規(guī)律，利用仿真軟件進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。建立一個L型探針饋電的微帶天線模型，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為3.5的RO4003材料，厚度為0.8mm。固定L型探針的其他參數(shù)，僅改變探針在貼片上的水平位置（以貼片中心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸）。當(dāng)探針位置x=0mm（即位于貼片中心）時，仿真得到天線在VSWR≤2條件下的帶寬為150MHz，相對帶寬為6.3%。當(dāng)x=5mm時，帶寬增加到200MHz，相對帶寬提升至8.3%。繼續(xù)增大x值，當(dāng)x=10mm時，帶寬進(jìn)一步拓展到250MHz，相對帶寬達(dá)到10.4%。但當(dāng)x=15mm時，由于探針過度靠近邊緣，天線出現(xiàn)失配現(xiàn)象，帶寬反而減小到180MHz，相對帶寬降至7.5%。通過這些仿真數(shù)據(jù)可以清晰地看出，隨著L型探針從貼片中心向邊緣移動，天線帶寬先增大后減小，存在一個最佳的探針位置，能夠使天線獲得最大的帶寬。3.2.3改進(jìn)的L型探針饋電微帶天線設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步提升L型探針饋電微帶天線的寬帶性能，提出一種改進(jìn)的L型探針饋電微帶天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)L型探針饋電微帶天線的基礎(chǔ)上，對輻射貼片和L型探針進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在輻射貼片方面，采用了一種特殊的開槽設(shè)計(jì)。在輻射貼片上開有多個不同形狀和尺寸的縫隙，這些縫隙的引入改變了貼片上的電流分布。具體來說，縫隙的存在使得電流在貼片上的流動路徑發(fā)生改變，形成了多個局部的電流諧振區(qū)域。這些諧振區(qū)域與L型探針產(chǎn)生的諧振相互作用，進(jìn)一步拓展了天線的帶寬。不同形狀和尺寸的縫隙會對電流分布產(chǎn)生不同的影響，通過合理設(shè)計(jì)縫隙的形狀、尺寸和位置，可以實(shí)現(xiàn)對天線帶寬和輻射特性的精確控制。例如，在貼片的邊緣開一些細(xì)長的縫隙，可以增強(qiáng)邊緣處的電流分布，從而提高天線的輻射效率和帶寬。在L型探針方面，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。將傳統(tǒng)的單段L型探針改為多段L型探針結(jié)構(gòu)，增加了探針與輻射貼片之間的耦合點(diǎn)。每一段L型探針都能夠引入不同的電感和電容效應(yīng)，這些效應(yīng)相互疊加，使得天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。多段L型探針結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)整各段探針的長度、寬度和位置，進(jìn)一步優(yōu)化天線的性能。例如，調(diào)整其中一段探針的長度，可以改變其引入的電感量，從而調(diào)整天線的諧振頻率和帶寬。利用仿真軟件AnsoftHFSS對改進(jìn)后的天線進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真參數(shù)，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯材料，厚度為1.0mm。通過仿真得到改進(jìn)后天線的駐波比（VSWR）、增益和輻射方向圖等性能參數(shù)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的天線在VSWR≤2的條件下，工作頻帶為2.0GHz-3.0GHz，相對帶寬達(dá)到40%。在整個工作頻段內(nèi)，天線的增益保持在6dB以上，輻射方向圖穩(wěn)定，具有良好的寬帶性能。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，制作了改進(jìn)的L型探針饋電微帶天線實(shí)物，并搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的駐波比和回波損耗，利用微波暗室測試天線的輻射方向圖和增益。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，在2.0GHz-3.0GHz頻段內(nèi)，駐波比均小于2，增益在5.5dB-7.0dB之間，輻射方向圖與仿真結(jié)果一致。這表明改進(jìn)的L型探針饋電微帶天線結(jié)構(gòu)能夠有效拓展天線帶寬，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。四、雙頻雙圓極化微帶天線技術(shù)研究4.1雙頻雙圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)原理4.1.1雙頻實(shí)現(xiàn)方式雙頻微帶天線的雙頻實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，其中多諧振結(jié)構(gòu)和加載不同尺寸貼片是較為常見且有效的方法，它們通過獨(dú)特的電磁原理來實(shí)現(xiàn)天線在兩個不同頻率上的穩(wěn)定工作。多諧振結(jié)構(gòu)是利用天線結(jié)構(gòu)中不同部分的諧振特性來實(shí)現(xiàn)雙頻工作。以一款典型的多諧振結(jié)構(gòu)雙頻微帶天線為例，該天線在輻射貼片上加載了兩個不同長度的短路探針。這兩個短路探針與輻射貼片共同構(gòu)成了兩個不同的諧振回路。當(dāng)射頻信號激勵天線時，較短的短路探針與輻射貼片形成的諧振回路在較高頻率處產(chǎn)生諧振；而較長的短路探針與輻射貼片形成的諧振回路則在較低頻率處產(chǎn)生諧振。通過合理設(shè)計(jì)短路探針的長度和位置，以及輻射貼片的尺寸等參數(shù)，使得這兩個諧振頻率分別落在所需的兩個工作頻段上，從而實(shí)現(xiàn)了雙頻工作。這種多諧振結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，它能夠通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在同一輻射貼片上激發(fā)不同的諧振模式，有效減小了天線的尺寸，提高了天線的集成度。加載不同尺寸貼片也是實(shí)現(xiàn)雙頻的常用技術(shù)。以一款加載不同尺寸貼片的雙頻微帶天線設(shè)計(jì)實(shí)例來說，該天線由一個較大的主輻射貼片和一個較小的寄生貼片組成。主輻射貼片尺寸較大，其固有諧振頻率較低，決定了天線的低頻工作頻段；寄生貼片尺寸較小，固有諧振頻率較高，決定了天線的高頻工作頻段。當(dāng)射頻信號輸入時，主輻射貼片在低頻段產(chǎn)生強(qiáng)烈的諧振，實(shí)現(xiàn)低頻信號的輻射；同時，寄生貼片與主輻射貼片之間通過電磁耦合，在高頻段也產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)高頻信號的輻射。在設(shè)計(jì)過程中，需要精確控制主輻射貼片和寄生貼片的尺寸、它們之間的間距以及耦合方式等參數(shù)，以確保兩個頻段的性能都能滿足要求。例如，通過調(diào)整寄生貼片與主輻射貼片之間的間距，可以改變它們之間的耦合強(qiáng)度，從而優(yōu)化高頻段的諧振性能和阻抗匹配。為了更直觀地理解雙頻實(shí)現(xiàn)原理，利用電磁仿真軟件AnsoftHFSS對上述加載不同尺寸貼片的雙頻微帶天線進(jìn)行仿真分析。設(shè)置介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為3.0的RO4350B材料，厚度為0.5mm。通過仿真得到天線的S11參數(shù)（回波損耗）隨頻率變化的曲線。從仿真結(jié)果可以清晰地看到，在低頻段1.8GHz附近和高頻段2.4GHz附近，天線的回波損耗均小于-10dB，表明天線在這兩個頻段都具有良好的阻抗匹配，能夠有效地輻射電磁波。這驗(yàn)證了加載不同尺寸貼片實(shí)現(xiàn)雙頻工作的有效性。4.1.2雙圓極化實(shí)現(xiàn)方式雙圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)方式主要有多饋點(diǎn)技術(shù)和引入特殊結(jié)構(gòu)等，這些方法各有其獨(dú)特的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。多饋點(diǎn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)雙圓極化的常用方法之一。以四點(diǎn)饋電為例，在輻射貼片的四個角上分別設(shè)置饋電點(diǎn)。通過合理控制這四個饋電點(diǎn)的相位差和幅度比，可以在天線輻射場中產(chǎn)生左旋圓極化（LHCP）和右旋圓極化（RHCP）。當(dāng)四個饋電點(diǎn)的相位依次相差90°，且幅度相等時，在遠(yuǎn)場中就會形成圓極化輻射。具體來說，假設(shè)四個饋電點(diǎn)分別為A、B、C、D，按照順時針方向排列。當(dāng)A點(diǎn)的信號相位為0°，B點(diǎn)相位為90°，C點(diǎn)相位為180°，D點(diǎn)相位為270°時，在垂直于天線平面的方向上，電場矢量會隨著時間以順時針方向旋轉(zhuǎn)，形成右旋圓極化輻射；反之，當(dāng)相位順序相反時，則形成左旋圓極化輻射。多饋點(diǎn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠較為靈活地控制圓極化的旋向和軸比帶寬。通過調(diào)整饋電點(diǎn)的相位和幅度，可以在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的圓極化性能。然而，這種方法的缺點(diǎn)是饋電網(wǎng)絡(luò)相對復(fù)雜，需要精確的相位和幅度控制電路，增加了設(shè)計(jì)和制作的難度以及成本。引入特殊結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)雙圓極化的有效途徑。以加載縫隙的輻射貼片為例，在輻射貼片上開特定形狀的縫隙，如十字形縫隙。當(dāng)射頻信號激勵天線時，縫隙的存在會改變貼片上的電流分布，使得在天線輻射場中產(chǎn)生兩個相互正交的電場分量。通過合理設(shè)計(jì)縫隙的形狀、尺寸和位置，以及輻射貼片的其他參數(shù)，使得這兩個正交電場分量的幅度相等，相位相差90°，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。在一個具體設(shè)計(jì)中，在矩形輻射貼片上開十字形縫隙，通過優(yōu)化縫隙的長度、寬度和位置，使天線在2.4GHz頻段實(shí)現(xiàn)了良好的雙圓極化性能。引入特殊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，成本較低。但是，這種方法對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度要求較高，微小的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化可能會對圓極化性能產(chǎn)生較大影響，而且軸比帶寬相對較窄，在某些應(yīng)用場景下可能無法滿足對寬頻帶圓極化性能的要求。4.2L型微帶線耦合饋電雙頻雙圓極化微帶天線設(shè)計(jì)4.2.1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用L型微帶線對地板上圓環(huán)形縫隙耦合饋電的單層結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化特性，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可行性。天線的整體結(jié)構(gòu)主要由介質(zhì)基板、輻射貼片、L型微帶線和接地板組成。介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02的FR-4材料，其厚度h設(shè)定為1.6mm。這種材料在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的同時，具有良好的電氣性能，能夠滿足微帶天線的工作要求。輻射貼片位于介質(zhì)基板的上表面，其形狀為圓形，半徑r1設(shè)置為15mm。圓形輻射貼片具有良好的對稱性，能夠在一定程度上簡化天線的設(shè)計(jì)和分析過程，并且在實(shí)現(xiàn)圓極化輻射方面具有一定的優(yōu)勢。L型微帶線是實(shí)現(xiàn)耦合饋電的關(guān)鍵部分，它位于介質(zhì)基板的下表面，與接地板處于同一平面。L型微帶線由水平部分和垂直部分組成，水平部分的長度L1為10mm，寬度W1為1mm；垂直部分的長度L2為8mm，寬度W2為1mm。通過調(diào)整L型微帶線的尺寸，可以改變其與圓環(huán)形縫隙之間的耦合強(qiáng)度，從而對天線的性能產(chǎn)生影響。接地板上開有一個圓環(huán)形縫隙，該縫隙的內(nèi)徑r2為10mm，外徑r3為18mm。圓環(huán)形縫隙與L型微帶線相互配合，通過電磁耦合的方式將射頻信號從L型微帶線傳輸?shù)捷椛滟N片上。圓環(huán)形縫隙的尺寸和位置對天線的諧振頻率和輻射特性有著重要的影響，需要通過精確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化來確定。為了更直觀地展示天線的結(jié)構(gòu)，圖1給出了天線的三維結(jié)構(gòu)示意圖：[此處插入天線的三維結(jié)構(gòu)示意圖]從圖中可以清晰地看到各部分的結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，輻射貼片位于介質(zhì)基板上方，L型微帶線和圓環(huán)形縫隙位于介質(zhì)基板下方的接地板上，這種結(jié)構(gòu)布局緊湊，有利于實(shí)現(xiàn)天線的小型化。4.2.2耦合點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)在L型微帶線耦合饋電雙頻雙圓極化微帶天線中，L型微帶線與圓環(huán)形縫隙重合形成的耦合點(diǎn)起著至關(guān)重要的作用，它們是實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化輻射的關(guān)鍵因素。L型微帶線與圓環(huán)形縫隙重合形成了兩個耦合點(diǎn)，分別記為C1和C2。這兩個耦合點(diǎn)在激勵天線的諧振模式中扮演著核心角色。當(dāng)射頻信號通過L型微帶線傳輸時，在耦合點(diǎn)C1和C2處，L型微帶線的電磁場與圓環(huán)形縫隙的電磁場相互作用，產(chǎn)生電磁耦合。這種耦合作用使得射頻信號能夠有效地從L型微帶線傳輸?shù)綀A環(huán)形縫隙，進(jìn)而激勵起圓環(huán)形縫隙的諧振。在高頻段，耦合點(diǎn)C1和C2共同作用，激勵起圓環(huán)形縫隙的一種特定諧振模式，使得天線在該頻段實(shí)現(xiàn)右旋圓極化輻射。具體來說，在高頻段，C1和C2處的耦合電場和磁場相互疊加，形成一個旋轉(zhuǎn)的電磁場，其電場矢量在空間中以右旋的方式旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生右旋圓極化輻射。在低頻段，同樣是這兩個耦合點(diǎn)，激勵起圓環(huán)形縫隙的另一種諧振模式，使得天線在該頻段實(shí)現(xiàn)左旋圓極化輻射。此時，C1和C2處的耦合電磁場以不同的方式相互作用，形成左旋旋轉(zhuǎn)的電場矢量，產(chǎn)生左旋圓極化輻射。耦合點(diǎn)的位置和數(shù)量對天線性能有著顯著的影響。通過改變耦合點(diǎn)的位置，可以調(diào)整L型微帶線與圓環(huán)形縫隙之間的耦合強(qiáng)度和相位關(guān)系，從而改變天線的諧振頻率和輻射特性。如果耦合點(diǎn)過于靠近圓環(huán)形縫隙的中心，耦合強(qiáng)度可能較弱，導(dǎo)致天線的輻射效率降低；而如果耦合點(diǎn)過于靠近縫隙邊緣，可能會引起較強(qiáng)的邊緣效應(yīng)，影響天線的性能穩(wěn)定性。耦合點(diǎn)的數(shù)量也會對天線性能產(chǎn)生影響。增加耦合點(diǎn)的數(shù)量可以增加天線的激勵模式，從而有可能拓展天線的帶寬和改善圓極化性能。然而，過多的耦合點(diǎn)也會增加天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度，同時可能會引入更多的干擾和損耗。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮耦合點(diǎn)的位置和數(shù)量，通過仿真和優(yōu)化，找到最佳的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)天線在雙頻雙圓極化性能方面的最優(yōu)表現(xiàn)。4.2.3性能仿真與測試為了全面評估L型微帶線耦合饋電雙頻雙圓極化微帶天線的性能，利用電磁仿真軟件AnsoftHFSS對其進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，并制作了天線實(shí)物進(jìn)行實(shí)際測試。在仿真過程中，設(shè)置仿真參數(shù)，如介質(zhì)基板的材料參數(shù)、各部分的尺寸等，與實(shí)際設(shè)計(jì)一致。通過仿真得到了天線在不同頻率下的軸比、增益等性能指標(biāo)。圖2展示了天線的軸比仿真結(jié)果：[此處插入天線軸比仿真結(jié)果圖]從圖中可以看出，在低頻段2380MHz-2460MHz范圍內(nèi)，天線的軸比小于3dB，滿足圓極化的要求，實(shí)現(xiàn)了左旋圓極化輻射。在高頻段4180MHz-4220MHz范圍內(nèi)，軸比同樣小于3dB，實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化輻射。這表明天線在兩個指定頻段都具有良好的圓極化性能。圖3給出了天線的增益仿真結(jié)果：[此處插入天線增益仿真結(jié)果圖]在低頻段，天線的增益在5dB-6dB之間，能夠滿足一些對增益要求不是特別高的應(yīng)用場景。在高頻段，增益在6dB-7dB之間，相對較高，有利于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，制作了天線實(shí)物，并搭建了實(shí)驗(yàn)測試平臺。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的回波損耗和阻抗帶寬，利用微波暗室測試天線的輻射方向圖、軸比和增益等性能指標(biāo)。圖4為天線實(shí)物照片：[此處插入天線實(shí)物照片]實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。在低頻段，天線的實(shí)測軸比在2380MHz-2460MHz范圍內(nèi)小于3dB，實(shí)現(xiàn)了左旋圓極化輻射，軸比的相對帶寬為3.3%。在高頻段，實(shí)測軸比在4180MHz-4220MHz范圍內(nèi)小于3dB，實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化輻射，軸比的相對帶寬為0.95%。實(shí)測增益在低頻段為4.5dB-5.5dB，高頻段為5.5dB-6.5dB。雖然實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的偏差，這主要是由于制作工藝的誤差以及測試環(huán)境的影響，但總體來說，天線在雙頻雙圓極化性能方面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有良好的應(yīng)用前景。五、寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線的應(yīng)用5.1在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用5.1.1基站通信在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，基站作為核心基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著與移動終端進(jìn)行無線信號傳輸和交換的重要任務(wù)，其通信質(zhì)量和容量直接影響著用戶的通信體驗(yàn)。寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線憑借其卓越的性能，在基站通信中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，成為提升基站通信能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。以5G基站為例，5G通信系統(tǒng)具有高速率、低時延、大連接的特點(diǎn)，這對基站天線提出了極高的要求。寬帶特性是5G基站天線不可或缺的性能之一。5G通信涵蓋了多個頻段，包括Sub-6GHz和毫米波頻段。寬帶微帶天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能，支持多頻段信號的同時傳輸。在Sub-6GHz頻段，寬帶微帶天線可以有效地覆蓋多個5G頻段，如n78（3.3GHz-3.8GHz）、n79（4.4GHz-5.0GHz）等。通過采用寬帶微帶天線，5G基站能夠在這些頻段上實(shí)現(xiàn)高效的信號傳輸，提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率。在傳統(tǒng)的窄帶天線中，每個頻段可能需要單獨(dú)的天線進(jìn)行收發(fā)，這不僅增加了基站的成本和復(fù)雜度，還會導(dǎo)致天線之間的相互干擾。而寬帶微帶天線可以整合多個頻段的功能，減少天線數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，同時提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雙頻特性在5G基站通信中也具有重要意義。5G網(wǎng)絡(luò)通常需要與現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋和業(yè)務(wù)連續(xù)性。雙頻微帶天線可以同時工作在5G頻段和4G頻段，滿足不同用戶設(shè)備的接入需求。例如，一些用戶設(shè)備可能只支持4G網(wǎng)絡(luò)，而另一些則支持5G網(wǎng)絡(luò)。雙頻微帶天線可以在4G頻段（如1.8GHz-2.6GHz）和5G頻段（如3.5GHz）上同時工作，確保不同類型的用戶設(shè)備都能與基站進(jìn)行穩(wěn)定的通信。這有助于加快5G網(wǎng)絡(luò)的部署和普及，提高用戶的通信體驗(yàn)。雙圓極化特性進(jìn)一步提升了5G基站的通信性能。圓極化波在傳播過程中具有抗多徑衰落和極化失配的優(yōu)勢。在復(fù)雜的城市環(huán)境中，信號會受到建筑物、地形等多種因素的反射和散射，產(chǎn)生多徑效應(yīng)。采用雙圓極化微帶天線，基站可以同時發(fā)射左旋圓極化波和右旋圓極化波。當(dāng)移動終端接收到不同極化方向的信號時，能夠有效減少多徑衰落的影響，提高信號的接收質(zhì)量。雙圓極化技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)不同極化信號的復(fù)用，提高通信系統(tǒng)的容量。在5G基站中，通過將不同業(yè)務(wù)的信號分別調(diào)制到左旋圓極化波和右旋圓極化波上，可以在相同的頻率資源上傳輸更多的數(shù)據(jù)，滿足用戶對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?.1.2移動終端通信在移動終端通信領(lǐng)域，寬帶及雙頻雙圓極化微帶天線同樣扮演著不可或缺的角色，為實(shí)現(xiàn)多頻段通信和抗干擾提供了有力支持，極大地提升了移動終端的通信性能和用戶體驗(yàn)。隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動終端需要支持越來越多的通信頻段，以滿足用戶在不同場景下的通信需求。例如，智能手機(jī)不僅需要支持2G/3G/4G/5G等移動通信頻段，還需要支持WiFi、藍(lán)牙等短距離無線通信頻段。寬帶及雙頻微帶天線能夠在多個頻段上工作，實(shí)現(xiàn)移動終端的多頻段通信功能。以一款支持5G和WiFi6的智能手機(jī)為例，其內(nèi)置的寬帶及雙頻微帶天線可以在