用于现代通信系统的宽带堆叠式贴片天线

在现代通信系统中，宽带堆叠式贴片天线的设计与应用一直是通信领域研究的热点话题。本文介绍了一种宽带堆叠式贴片天线，这种天线具有较宽的带宽特性，适用于目前和未来移动通信系统中对小体积、低剖面和低成本天线的需求。 贴片天线（Microstrip Patch Antennas，MPAs）因其结构简单、体积小巧、便于集成和低剖面等优点，已被广泛应用于移动通信系统中。然而，贴片天线的一个显著限制是其阻抗带宽较窄。为了克服这一问题，很多研究工作致力于实现宽带阻抗匹配。 实现宽带阻抗带宽的一个常见方法是使用较厚的空气层基板。但是，在厚基板的情况下，需要较长的探针馈电，这会引入额外的电感，导致在较宽的频率范围内难以实现良好的阻抗匹配。为了补偿厚基板中长探针引入的大量电感，需要对探针馈电进行一些修改。例如，通过引入三维过渡馈电的宽带贴片天线、使用L形探针和修改同轴连接器来抑制探针本身引入的电感，以及通过电容耦合馈电来实现宽带圆极化天线等。但是，对探针馈电的改变会使得天线的制造变得较为困难。 另一方面，堆叠贴片天线已被证明是实现宽带阻抗带宽的有效方式。当两个层叠的贴片设计在相同的频率和极化下工作时，可以得到较宽的带宽。例如，堆叠式圆极化（CP）贴片天线就是通过双电容耦合馈电来实现的。但是，这种天线的结构较为复杂，制造起来同样存在难度。 文章中提出的宽带堆叠式贴片天线采用堆叠结构，并在天线有限接地平面下方设置矩形外壳。通过精心安排上下两层基板的相对介电常数，实现了91.7%的宽带宽度。该天线非常适合用于现代通信系统。 该天线的设计过程体现了以下几点关键知识： 1. 贴片天线的原理：MPAs利用导体贴片与地平面之间形成的谐振腔来辐射电磁波。其辐射特性、阻抗特性和方向图均与贴片的尺寸和形状、基板的介电常数以及贴片到地平面的距离等因素有关。 2. 阻抗带宽的扩展方法：通过增加基板的厚度，使用特别设计的探针馈电，或者利用堆叠式结构来增加天线的阻抗带宽。 3. 天线馈电技术：实现天线馈电的方式有很多种，包括微带线馈电、探针馈电、同轴馈电和电容耦合馈电等。不同的馈电方式对天线的性能有不同的影响。 4. 天线制造的考虑因素：在设计天线时，必须考虑其制造的可行性和成本。过于复杂的设计不仅会增加制造成本，也可能降低天线的可靠性。 5. 天线在通信系统中的应用：在现代移动通信系统中，天线需要具有小型化、低成本和低剖面的特点。同时，天线的性能必须满足通信系统对频率覆盖、增益、极化和带宽等的要求。 6. 频率范围和天线尺寸的关系：天线的工作频率决定了天线的物理尺寸。一般来说，工作频率越高，天线尺寸越小。但这也受到基板材料介电常数的影响。 7. 多层基板设计：通过设计具有不同介电常数的多层基板，可以调整天线的电场分布，进而影响天线的阻抗特性和带宽。 8. 三维结构设计：利用三维过渡结构，可以为天线馈电提供更宽的阻抗带宽，同时也有助于改善天线的辐射性能。 本文所介绍的宽带堆叠式贴片天线展示了在紧凑尺寸内实现宽带特性的一种有效方法，为现代移动通信系统中天线设计提供了新的思路。通过对天线结构的精心设计和材料的适当选择，可以显著提高天线的性能，满足通信系统的高性能要求。