微带天线小型化方法

​ 所谓微带天线的小型化，就是在保持天线谐振频率不变的前提下，减小天线的尺寸；等价地，也可以认为是，在保证天线总体尺寸不变的情况下，降低天线的谐振频率。天线的性能与其在自由空间的波长是密切相关的，因此天线尺寸的减小，势必会影响天线的其他性能，比如说带宽、增益、方向性的恶化等等。因此，目前微带天线小型化的研究重点主要在减小天线尺寸的基础上，尽量不改变天线其他一些重要性能。目前，根据相关的文献介绍以及最新的发展动态，实现微带天线小型化的途径主要有以下几条：

1.增加介质基板的介电常数

​ 根据腔模理论，矩形微带天线的谐振频率可用下列数学公式近似表示：
$$f=\frac{c}{2\sqrt{(}{\epsilon }_r{\mu }_r)}\sqrt{(}(\frac{m}{L}{)}^2+(\frac{n}{W}{)}^2)$$
​ 其中，c是真空中的光速，L是矩形贴片长度，W为矩形贴片宽度，${\epsilon }_r$和${\mu }_r$分别为介质基底的相对介电常数和磁导率。由上式可知，谐振频率与介质材料的介电常数成反比，故而采用较高介电常数（如陶瓷材料、石英等）或者较高磁导率（如磁性材料）的基板可以有效降低天线的谐振频率，从而实现天线的小型化设计。

​ 但是，介质基板较高的介电常数会激励较强的表面波，这样会使得表面损耗增大，也会使得基板消耗过多的能量，因而天线的增益减小，效率减低，等效品质因数变大，阻抗带宽明显变小。为提高增益，常在天线表面覆盖介质（superstrate）（如下图）。

2.表面开槽（曲流技术）

我们知道增加天线的有效长度可以降低天线的谐振频率。曲流技术就是我们常说的表面开槽技术，它的实质就是增加了天线的有效长度，从而达到天线小型化的目的。

​ 上图为表面开槽后的辐射贴片电流路径分布。从图中我们可以看出辐射贴片的电流路径在开槽处发生弯曲，有效地延长了电流路径，相当于天线的有效长度变大了。从而在不改变天线几何尺寸的情况下，降低了天线的谐振频率。
​ 微带天线的辐射贴片表面上，各个共振模式的电流分布均不相同。如果在相同的共振模式下开槽，就会改变原有的共振模式的电流路径，延长电流路径,使得天线的共振波长变大。所所开凹槽的长度会影响天线的谐振频率，凹槽越长则天线的谐振频率越低。不过，所开凹槽的宽度不宜过大，太大会降低天线的辐射性能。
​ 跟采用高介质常数基底的方法一样，辐射贴片表面开槽也有其弊端。表面开槽后天线会.产生垂直于主激发面的额外电流，从而增加了天线的交叉极化，使得天线的辐射效率降低。除此之外，开槽后天线的相对辐射面积就减小了，从而影响到天线的增益。

3.接地板开槽

​ 接地板上开槽也可以增加天线的电流路径。从上图可以看到，虽然天线辐射贴片的形状没有改变，但在接地板开槽后，辐射贴片中的电流受接地板表面电流的影响也发生了弯曲。这就相当于增加了天线的有效长度，从而降低了天线的谐振频率。

​ 此外，接地板开槽后，天线的品质因数Q值会降低，由下式：
$$BW=\frac{VSWR-1}{Q\sqrt{(}VSWR)}$$
可知，Q值下降可以增加天线的带宽，而且天线的增益也会随着Q值的降低而提高。所以在接地板上开槽不仅可以缩小天线的尺寸，还可以提高天线的增益，增加天线的带宽。

4.短路加载

​ 对于半波结构的矩形微带天线，基本谐振模式为$T{M}_0$，电路在一个开路端和另一个开路端之间形成驻波，也就是两个开路端之间是一条零电位线。倘若在零电位线处对地短接，就会形成开路到短路的驻波分布，这样天线的尺寸就会减小一半。

​ 短路加载微带天线的方法有很多，包括短路面加载，短路片加载和短路探针加载。短路加载的数量，每个短路加载的面积以及天线的高度决定了短路加载的效果。

​ 在微带天线上加载短路探针，通过与馈电点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容实现小型化，典型结构如下：

​ 天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置，,天线尺寸可缩减50%以上。其缺点是：

​ （1）阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离，往往需要馈电的精确定位和十分微小的误差。

​ （2）带宽窄。

​ （3）H面的交叉极化电平相对较高。

5.附加有源网络

​ 由于天线的辐射电阻会随着天线尺寸的减小而减小，所以天线尺寸的减小会降低天线的效率。除此之外，天线的带宽也常常因为天线尺寸的减小而降低。而天线性能的恶化会影响整个无线收发系统的性能，甚至使系统无法正常工作。

​ 利用有源网络的放大作用以及阻抗匹配技术就可以弥补天线效率下降等问题。这种方法会牺牲天线的互易性，但是却能够提高工作频带宽与增益，便于实现阻抗匹配与调整天线方向图，并可以实现天线小型化。

​ 有源天线具有以下优点:
​ (1)频带宽;
​ (2)高增益;
​ (3)容易实现阻抗匹配;.
​ (4)但是有源网络会影响天线的互易性。

6.采用电磁带隙结构

​ 电磁带隙结构(Electromagnetic B and-Gap)是周期结构的统称，包括光子带隙(Photonic Band Gap, PB)、频率选择表面(Frequency Select Surface, FS)以 及光子晶体(photonic Crystal,PC)等周期结构。电磁波与周期结构互相作用的时候，会出现–些如频率禁带、通带以及频率间隙等特性。
​ 电磁带隙结构是微带辐射贴片的下方及周围、天线的基片内钻出或刻蚀出一系列间隔非常近的小孔(≤h/10)，通过改变孔间距和孔的大小来改变有效介电常数。EBG 是人造的周期性结构，在此种结构中，一-定范围内的电磁波无法传播。将电磁带隙结构附加在天线辐射贴片的背面，可以抑制天线的表面波，从而实现天线小型化的目的。
​ 目前，比较常见的电磁带隙结构有:
​ (1)基底打孔型;
​ (2)高阻抗表面型;
​ (3)地面腐蚀型;
​ (4)夹层式结构;
​ (5)共面紧凑型。

7.采用特殊形状的辐射贴片

​ 这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形（bow-tie）（如下图）、倒 F 型（PIFA-planar inverted-Fantenna（如下图所示）、L 形、E 形、Y 形、双 C 形、层叠短路贴片（stacked shorted patch）等等。

8.采用左手介质

​ 所谓左手介质，是一种具有周期结构的新型人工电磁介质，同时还具有负介电常数以及负磁导率，能够实现类似后向波效应、负折射效应等一系列超常规的电磁特性[34-41]的材料。右手介质中引入左手介质，电磁波中的 E、H、k 三者满足左手螺旋关系，由于相位相反，左手介质对右手介质相位补偿，对微带天线小型化有重要的理论意义。同时，左手材料体积大损耗高，限制了毫米波领域的应用，这就需要求助一种叫做复合左右手 CRLH 传输线的结构，它可以采用传输线结构在非谐振状态下实现左手性质。

*（对应实例待补充）