天线与电波结课作业

第一篇：天线与电波结课作业

1.Ae=(λ/4π)G 将G=20dB=100，λ=1m代入，则可得 Ae=(1/4π)*100=7.96㎡.2.答案：（1）蝙蝠翼天线由水平对称振子天线排列组成，朝空间辐射水平极化波，以满足电视广播信号的要求；（2）两幅蝙蝠翼在空间正交布置，构成旋转场天线，以获得在水平平面的全向特性；（3）各振子沿传输线两侧水平放置，中间馈电处振子较短，而两侧短路端振子较长，以获得宽频带阻抗特性，满足电视信号发射的带宽要求。3.螺旋天线工作原理

阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀地增加： r=r0+αφ

一式中, r0是起始半径, a 是螺旋增长率, φ是角度(弧度)。但是不可能像非频变天线要求的那样按式中使其结构缩比到无限小。因此,对高端频率有所限制。但是,若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电,那么馈电点附近,由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区互相抵消,在螺旋的周长接近一个波长时有最大辐射。周长为λ的圆环上的行波电流将辐射圆极化波,因此,在周长为一个波长附近的区域,形成平面螺旋的主要辐射区。当频率变化时,主要辐射区随之变动,方向图基本不变。因此,天线具有宽频带工作特性。对应最低频率天线要有1.25λmax ,对最高频率,由馈电点间隔尺寸决定,其间隔必须小于λmin/4。为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射,通常在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料。这样螺旋线上是行波电流,它产生的是圆极化波。如果存在从末端反射回馈电点的电流,它辐射的是反相圆极化波。平衡馈电的巴仑可放在反射腔内,这样可避免方向图倾斜并可以用同轴线馈电。

4.答案：理想缝隙天线和与之互补的电对称振子的辐射场之间的异同有：（1）极化不同，它们的E面和H面是互换的;(2)它们有相同的方向性，有共同的方向函数。

5.电波在传播时，能量是通过以发射、接收两点为焦点的一系列椭球区域来传播的，这些区域称为菲涅尔区。其中第一菲涅尔区对电波传播起主要作用，因此将第一菲涅尔区称为电波传播的主要通道。如果第一菲涅尔区内有障碍物，则接收点的信号强度将受到影响。6.大地对地波能量吸收的大小与下列因素有关：

(1)地面的导电性能越好，吸收越小，则电波传播的损耗越小。因为电导率越大，地电阻越小，故电波沿地面传播的损耗越小。因此，电波在海洋上的传播损耗最小，湿土和江河湖泊上的损耗次之，干土和岩石上的损耗最大。

（2）电波的频率越低，损耗越小。因为地电阻与电波频率有关，所以频率越高，感应电流更趋于表面流动，趋肤效应使流过电流的有效面积减小，损耗增大。因此，利用地波传播的频率使用范围一般在1．5～5MHz。

（3）垂直极化波较水平极化波衰减小。这是因为水平极化波的电场与地面平行，导致地面的感生电流增大，故产生较大的衰减。7.①电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。譬如在收话时，声音一会儿强，一会儿弱，这就是衰落现象。②现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。慢衰落产生的原因：（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因。（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。（3）天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。快衰落原因（1）多径效应。

1、时延扩展：多径效应（同一信号的不同分量到达的时间不同）引起的接受信号脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展。时延扩展（多径信号最快和最慢的时间差）小于码元周期可以避免码间串扰，超过一个码元周期（WCDMA中一个码片）需要用分集接受，均衡算法来接受。

2、相关带宽：相关带宽内各频率分量的衰落时一致的也叫相关的，不会失真。载波宽度大于相关带宽就会引起频率选择性衰了使接收信号失真。（2）多普勒效应。f频移 = V相对速度/（C光速/f电磁波频率）*cosa（入射电磁波与移动方向夹角）。多普勒效应引起时间选择性衰落，我的理解是由于相对速度的变化引起频移度也随之变化这是即使没有多径信号，接受到的同一路信号的载频范围随时间不断变化引起时间选择性衰落。交织编码可以克服时间选择性衰落。时间选择性衰落用T相关时间来表示=1/相关频率。例如某移动台速度为540公里/小时那么它的最大频移为1KH相关时间就是1毫秒想要克服这样速度的快衰落就要有1.5倍于衰落变化频率的功控即1500Hz快速功控。③克服衰落的方法主要根据形成衰落的原因而确定。例如,在对流层视距电波传播中,为克服由于地面反射引起的干涉型衰落，可通过选择粗糙的反射面、用刃型屏蔽体阻挡反射波、加大收发天线的高差等方法，减少或消除由多径产生的衰落。此外，分集接收技术是克服多径衰落的最有效的方法。有时，也用提高发射功率、采用强方向性天线、抗衰落天线、自适应接收技术和留足够衰落余额等方法克服衰落的影响。

8.① 大气折射就是光在密度不均匀的大气中传播时路径发生曲折的现象。②四种：对流层折射、平流层折射、电离层折射和磁层折射。9.（1）引入建筑物密度修正因子。（2）扩展Hata公式的使用距离。（3）公式Lb（市区）=69.55+26.16㏒10f-13.82㏒10hb-α（hm）+(44.9-6.55㏒10hb)㏒10dγ-S(α)dB中α(hm)取α（hm）=(1.1㏒10f-0.7)hm-1.56㏒10f+0.8(中小城市)中确定的中、小城市的值。（4）改变山地和丘陵路径的基本传输损耗中值的计算方法。（5）建议林区路径的基本传输路径损耗中值按市区公式计算。

第二篇：天线与电波论文

电波传播与天线考试试题

1.简述天线的功能及接收天线的接收物理过程。（分数：5）

答：（1）天线的任务：是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。（2）接收的物理过程为：接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激起感应电流，在天线的 输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。

2.为什么引向天线的有源振子常用折合振子，引向天线的引向器和反射器怎么区分？（分数：10）

答：（1）原因：由于振子间的相互影响，引向天线的输入阻抗往往比半波振子的降低较多，很难于同轴线直接匹配。加之同轴线是非对称馈线，给对称振子馈电时需要增加平衡变换器，而平衡变换器又具有阻抗变换作用，进一步将天线输入阻抗变小，这样就更难实现阻抗匹配。实验证明，有源振子的结构与类型对引向天线的方向图影响较小，因此可以主要从阻抗特性上来选择合适的有源振子的尺寸与结构，工程上常常采用折合振子，因为它的输入阻抗可以变为普通半波振子的K倍（k>1）。其中反射器稍长于有源振子，引向器稍短于有源振子。

（2）引向天线的引向器和反射器的区分：在该天线中，其反射能量作用的稍长于有源振子的无源振子称为反射器；其引导能量作用的较有源振子稍短的无源振子叫引向器。即当振子“2”的电流相位领先与振子“1”90度时，即I2 = I1ej90 时，振子“2”的作用好像把振子“1”朝它方向辐射的能量“反射”回去，故振子“2”称为反射振子（或反射器）。如果振子“2”的馈电电流可以调节，使其相位滞后于振子“1”90度时 即I2 = I1ej90，则其结果与上面相反，此时振子“2”的作用好像把振子“1”向空间辐射的能量引导过来，则振子“2”称为引向振子（或引向器）。

3.简述行波天线和驻波天线的差别和优缺点。（分数：5）

答：（1）驻波天线上的电流按驻波分布，或称谐振天线，其输入阻抗具有明显的谐振特性，因此天线的工作频带较窄，但增益较高。（2）行波天线上的电流按行波分布，由于行波天线工作于行波状态，频率变化时，输入阻抗近似不变，方向图随频率的变化也较缓慢，因此频带较宽。但是行波天线的宽频带特性是用牺牲增益来换取的。

4.什么是缝隙天线？基本缝隙天线的场辐射特点是什么？（分数：5）

答：（1）缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的电线城为缝隙天线。（2）基本缝隙天线的场辐射特点：最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的。由电磁场理论，对TE10波而言，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分量，横向分量的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零，纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大；而波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。如果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中断的电流线将以位移电流的形式延续，缝隙因此得到激励，波导内传输功率通过缝隙向外辐射，当缝隙与电流线平行时不能在缝隙区内建立激励磁场，不能产生激励而得到辐射。

5.简述电波传播研究内容及对象和几种主要的电波传播的特点。（分数：5）

答：（1）研究内容：电波传播研究是为了开拓利用电磁波频谱。它研究的是３０Ｈｚ－３０００ＧＨｚ．研究对象：它是对无线电波传播媒质特性的研究，研究媒质电特性对电波传播的影响。（2）a.地面波传播：传播的信号质量好，但是频率越高，地面对电波的吸收越严重。b.天波传播：传播损耗小，从而能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。c.视距传播：要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度，传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地面反射波之间的干涉。d.散射传播：距离远，抗毁性好，保密性强。

6.当发射天线为辐射垂直极化的鞭状天线，在地面上和地面下接收时，各自应采用何种天线比较合适，解释其原因？（分数：5）

答：当采用垂直极化的鞭状天线作为发射天线时，根据波前倾斜现象 的原理，在地面上和地面下均可以接收信号。在地面上接收时，由于电场的垂直分量于水平分量，所以宜采用直立天线来接收； 在地面下接收时，则电场的水平分量远大于垂直分量，所以宜采 用水平埋地天线接收。7.简述天波传播中的反射条件和电离层吸收特点。（分数：5）答：（1）天波传播中的反射条件：电离层反射点播的能力与电波频率有关，在入射角。一定时，电波频率越低，越易反射。在电波频率一定时，入射角越大，越易反射。（2）电离层吸收特点：电离层的碰撞速率越大或者电子密度越大，电离层对电波的吸收就越大。电波频率越低，吸收越大。8.为什么存在地面有效反射区？在其他条件都相同的情况下，有效反射区的大小和频率关系如何？（分数：5）

答：a.反射波射线有天线的镜像点发出，根据电波传播的菲涅尔区概念，反射波的主要空间通道是第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地面相交的区域为一个椭圆，这就是有效反射区。反射面上只有有效反射区内的电流元对反射波起主要的贡献。b.频率越大，反射区越小。9.简述地面移动通信中电波传播特点及其研究方法？（分数：5）答：（1）地面移动通信中电波传播特点： a.主要传播方式为视距传播； b.基站较高，移动台较低，且收发天线的空间相对位置一般是事变的； c.存在快、中等速度、慢衰落现象。

（2）研究方法： a.建立在实验基础上的方法：Okumura方法、Lee方法； b.实验和理论相结合的方法：GB/T14617.1-93

天 线 与 电 波 传 播 结 课 论 文

院系：电气信息工程 专业及班级：电信12-02 姓名：黄爽

学号：541201030216

微 带 天 线

摘 要

随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性(常规微带天线约为2%左右)在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重 要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

关键词：微带天线 宽频带 小型化

目 录

摘 要

第一章 微带天线在现代通信系统的应用特点

第二章

第三章

微带天线在现代通信系统的发展趋势

微带天线在现代通信系统的研究方向 第一章 微带天线在现代通信系统的应用特点

早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps)教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。微带天线的固有缺点就是阻抗频带窄，展宽频带是最困难也是最富有挑战性的技术之一，随着移动通信系统、全球定位系统(GPS)、卫星通信系统的发展，宽频带微带贴片天线的研究己成为了非常热门的课题，同时宽带微带贴片天线将逐渐向着小型化，简单化同时具有多功能、多用途的方向发展。近年来，人们在微带贴片天线展宽频带方面做了大量的研究微带天线的宽频带技术主要采用以下几种方法实现。

A.有空穴结构的宽带微带贴片天线。

B.采用多层介质基片微带天线的结构，将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基片上，这样可以获得宽频带的驻波比特性。

C.U形缝隙结构的宽带微带贴片天线。

当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时，切断了原来的表面电流途径，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。

虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究，但是其中还是存在了很多问题，其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制，必须权衡利弊。随着无线通信事业的飞速发展，微带天线的尺寸与其它通信器件相比尺寸越来越大，显得越来越不相适应，因此要求进一步缩小微带天线的尺寸，经过许多学者的研究，发展了各种各样的缩小微带天线的新方法，本节简单介绍如下。

A.加载短路探针

通过与馈电接近的短路探针在谐振中引入耦合电容实现小型化

B.采用高介电常数的材料基片从天线谐振频率关系式可以看出谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料)基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。

C.表面开槽。当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时，切断了原来的表面电流途径，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究，但是其中还是存在了很多问题，其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制，必须权衡利弊。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称之为微带线型天线，种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如带状线)对其馈电，称之为微带行波天线，由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。

微带天线的分析方法有很多，但是大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。第一类方法基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，包括传输线模型（The transmission line model）、腔体模型（The cavity model）、多端网络模型（Multiport Network Model）等。而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量法（method of moments）、有限元法（finite-element method）和时域有限差分法（finite-difference in time domain）等。

天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应用。

解析方法

a.传输线模型

传输线模型很简单，并且有助于理解微带天线的基本特性，因此首先介绍这种模型方法。在这种模型中，微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。

b.腔体模型

如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在一维下近似的话，那么腔体模型就可以称为二维近似。因为腔体模型基于一维电小的基本假设（即介质基片的厚度远小于波长），将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是电壁而四周是磁壁的谐振空腔。在腔体中，场沿基片厚度方向保持不变，并且它是该等效的二维谐振器中所有谐振模式之和。天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔四周的等效磁流来得到。

c.多端网络模型

多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展，在这种模型中，贴片被等效为一个具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。通过二维格林函数可以计算出该网络的多端阻抗矩阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和辐射场联系起来，然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵，由贴片四周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效磁流计算出辐射场。利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片天线中获得应用。

数值方法

虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义，但是它们不能用来分析任意形状的微带天线，同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方法提出了考验。然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路，即依据微带天线的电磁场边值问题，将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代数方程。由此也产生了多种数值方法，它们各具有一些优缺点和适用性，这里我们仅介绍几种典型的分析方法。

a.矩量法

矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板上的表面电流的积分方程，然后利用函数展开法将此积分方程转化为矩阵方程，利用计算机便可得出近似解。矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高的精度。

b.有限元法

有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元（如在二维结构中选取三角形单元，在三维结构中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电磁场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的插值，根据变分原理或迦略金方法便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程，利用计算机便可方便求解该代数方程。有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点，但是其求解精度要受求解区域剖分精细程度的影响。

c.时域有限差分法

时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件，便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间的频域解。时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带范围内特性。但是其数值解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。第二章

微带天线在现代通信系统的发展趋势

与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：

(1)体积小，重量经；

(2)平面结构，并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构；

(3)馈电网络可与天线结构一起集成，适合于用印刷电路技术进行大批量生产；(4)能与有源器件和电路集成为单一的配件；

(5)便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；(6)没有作大的变动，天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。(7)天线的散射截面较小；

(8)稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)。

(9)微带天线适合于组合式设计(固体器件，如振荡器、放大器、混频器、功分器、移相器、可变衰减器、调制器、开关等可以直接加到天线基片上)；

(10)馈线和匹配网络可以和天线结构同时设计和加工。

但是与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点： 1)频带窄；

2)有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低； 3)功率容量较小，适用于中、小功率场合； 4)性能受基片材料影响大； 5)馈线与辐射元之间的隔离差；

尽管如此，有一些方法可以用来减小某些缺点。例如，采用一些宽频带技术可以有效地展宽频带；在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。

第三章

微带天线在现代通信系统的研究方向

在许多实际设计中，微带天线的优点远超过它的缺点。甚至在仍被认为是微带天线发展幼年时期的80年代时，微带天线已有多种成功的应用。随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用需求，可以预料，对于大多数的应用，它将最终取代常规的天线。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：卫星通讯；多普勒及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收天线；生物医学辐射器等等。

相信随着对微带天线应用可能性认识的提高，以及各种电路系统对天线的小型化集成化要求的提高，微带天线的优点日益凸显，其应用场合将会继续增多。

参考文献

【1】谢泽会、王玉琴、郝双洋、赵红梅《小型宽带微带天线的设计研究》2011 【2】宋铮、张建华、黄冶《天线与电波传播》2011 【3】倪洋、叶明、王晓静《应用于ISM频段的小型双频微带天线》2014 【4】《一种用于“ 北斗" 卫星导航系统的小型化微带贴片天线》2012 【5】陈雅娟 龙云亮，小型宽带微带天线的研究进展，系统工程与电子技术 2009 【6】卢晓鹏、张玉梅、李昂《非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线》2011 【7】付强、曹少珺、余孝安、乔飞《弹丸头锥上对称配置的S波段微带天线阵》2011 【8】张钧，刘克诚等，微带天线理论与工程，国防工业出版社，2010 【9】 顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，2009 【10】肖宪东、信美华、刘 伟《微带天线的设计与应用》2013

第三篇：电波天线考试

电波传播与天线结课作业

系别：xxxx工程学院 专业：电子信息工程 班级：xx级xx班 学号：xxxxxxxxxx 姓名：XXX 1

电波传播与天线考试试题

1.简述天线的功能及接收天线的接收物理过程。（分数：5）

答：天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。

接收的物理过程为：接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激起感应电流，在天线的输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。

2.为什么引向天线的有源振子常用折合振子，引向天线的引向器和反射器怎么区分？（分数：10）

答：引向天线是一个紧耦合的寄生振子端射阵，通常由一个（有时由两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近似为半波振子，主要作用是提供辐射能量；无源振子的作用是使辐射能量集中到天线的端向，折合振子为半波振子，提供的能量能保证天线的辐射要求。在该天线中，其反射能量作用的稍长于有源振子的无源振子称为反射器；其引导能量作用的较有源振子稍短的无源振子叫引向器。

3.简述行波天线和驻波天线的差别和优缺点。（分数：5）

答：用天线上的电流分布作为区分行波天线和驻波天线的依据：把天线上的电流按行波分布的天线叫行波天线，按驻波分布的天线叫驻波天线。驻波天线又称为谐振天线，它的输入阻抗具有明显的谐振特性，天线的工作频带较宽，相对带宽约几分之几到百分之几；行波天线工作于行波状态，频率变化时输入阻抗近似不变，方向图随频率的变化也较缓慢，所以带宽较宽，绝对带宽可达（2~3）:1，是宽频带天线。但是，行波天线得宽频带特性使用牺牲效益（或增益）来换取的，因为有部分能量被负载吸收，所以分行波天线效率低于驻波天线的效率。

4.什么是缝隙天线？基本缝隙天线的场辐射特点是什么？（分数：5）

答：在波导或空腔谐振器开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线称为缝隙天线。

特点：有横向分布电场激励；结构牢固；馈电方便。

5.简述电波传播研究内容及对象和几种主要的电波传播的特点。（分数：5）答：研究内容：无线电波传播媒质特性的研究；几种传播方式的传播机制，传输特性的研究；对于新开拓频段的电波传播问题的研究。

地面波传播：信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。天波传播：长，中，短波都可以利用天波进行远距离通信。视距传播：收，发天线离地面高度远大于波长。

对流层散射传播：主要用于超短波和微博远距离通信。

6.当发射天线为辐射垂直极化的鞭状天线，在地面上和地面下接收时，各自应采用何种天线比较合适，解释其原因？（分数：5）

答：当采用垂直极化的鞭状天线作为发射天线时，根据波前倾斜现象的原理，在地面上和地面下均可以接收信号。在地面上接收时，由于电场的垂直分量远大于水平分量，所以宜采用直立天线来接收，接收天线附近的地面宜选择湿地。如果受条件限制，不能采用直立天线来接收，也可以采用低架或水平铺设的天线来接收，此时地面宜选择干地。

7.简述天波传播中的反射条件和电离层吸收特点。（分数：5）

答：反射条件：sinηmax

0

=√ε=√（1-80.8N/f²

n

n

max

n

max）

f=√80.8N/cos²η

式中N是反射点的电子密度。

吸收特点:电离层的碰撞频率越大或者电子密度越大，电离层对电波的吸收就越

大；电波频率越低，吸收越大。

8.为什么存在地面有效反射区？在其他条件都相同的情况下，有效反射区的大小和频率关系如何？（分数：5）

答：由于地面的性质、地貌、地面建筑等都会影响电波转播，所以传到地面的电磁波不会完全被利用，即存在地面有效反射区。

频率越高，有效反射区越大。

9.简述地面移动通信中电波传播特点及其研究方法？（分数：5）

答：对地面移动通讯所采用的VHF和UHF频段而言，地面波衰减得很快，可以忽略不计，其主要的传播方式仍为视距传播，即直接波与地面波的合成。在地面移动通讯中，接收信号不仅有时间上的衰落，而且还有地点上的衰落，是一种时间和地点上的随机信号，对于所覆盖的大面积地区，一般很难获得准确的地形数据，不可能对各个移动台所在的位置进行准确的场强估算。

10.研究方法：基于实验基础上的预测方法，Okumura方法，Lee方法；此外还有实验和理论相结合的方法，如我国的GB/T 14617.1-93方法等。论述微带天线在现代通信系统的应用特点及其发展趋势，研究方向。（要求论文字数不少于3000字，有标题，摘要，参考文献，参考文献不少于10篇，且为近3年内发表的文章）

（分数：50）

微带天线的发展及未来

摘要

现代电子技术向通讯、广播、可视电话、卫星导航、雷达等都离不开电磁学的发展。一直以来电磁学这门课程一直都是通讯技术发展的重点。微带天线在其中更是一个不可或缺的部分。天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。辐射和接受电磁能量的装置称为天线。在现代的社会，天线是人人不能缺少的东西。在这里介绍的微带天线则就是其中的精髓。它主要应用于高科技领域，微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。

关键字 ：微带天线，电磁场与电磁波，通信，天线

1.微带天线的发展情况

微带辐射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出来的。最早的实际的微带天线是Howellt和Munson在1972年研制成的（当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后）。

随着无线电技术的发展，微带天线在各个领域得到越来越广泛的应用：无线通讯技术，包括手机、蓝牙（BlueTooth）、无线局域网（WLAN）等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；无线电测高仪；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机；生物医学辐射器等）。当今对于微带天线技术的研究热点高增益、低副瓣设计小型化、宽带设计多极化、多频段设计超宽带天线设计光子带隙PBG技术应用于微带天线设计。

2.微带天线的定义

微带天线，英文名称microstrip antenna，是在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。主要应用于航空科技（一级学科）；航空电子与机载计算机系统（二级学科）。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线(光刻、腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片)。它采用微带线或同轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线可以看成是一种缝隙天线。由于介质基片的厚度往往远小于波长，故它实现了一维小型化，属于电小天线。

3.微带天线的分类

微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的导电贴片和另一面的地平面构成。常见实际使用的基本结构如图(a)，其中矩形和圆形贴片天线应用最广。典型的贴片天线的增益为5-7dB，3dB波束宽度在70゜-90゜范围内。

微带行波天线（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由链形周期性导体或足够宽度以支持TE模式的一个长微带线构成。它沿线传输行波，天线的另一端是一个匹配电阻性负载，用来避免天线上的驻波。可以将行波微带天线设计成使得主波束位于从侧面到端射的任何一个方向。

微带缝隙天线（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如槽线）对其馈电的天线。裂缝实际上可以是任何形状，但通常只对一些基本的微带裂缝的形状进行研究，如矩形裂缝，环形裂缝，矩形环裂缝和锥形裂缝。裂缝天线在它们裂缝的两侧辐射，因此可称之为双向辐射器。利用裂缝的一个侧面上的反射器板，就可以获得单向辐射器。

4.微带天线的工作原理

贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h。微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取b，为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）：。

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为。沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。

沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。

矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 的正镜像。由于，因此它只相当于将 加倍，辐射图形基本不变。

微带缝隙天线

最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmission Line Model)理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Green’s Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。5.微带天线的优缺点

和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：

⑴ 体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如火箭、卫星飞行器等）共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。

⑵ 性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式下工作。

⑶ 可加性强。能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。

和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：

⑴ 相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线。

⑵ 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。

⑶ 单个微带天线的功率容量较小。

⑷ 介质基片对性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。

6.微带天线的应用

微带天线具有小型化、易集成、方向性好、可加性强等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信、卫星通讯、多普勒雷达及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。

参考文献

[1]天线的发展现状及趋势，htp:// [2]钟顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991 [3]LIU Xue-Guan，GUO Hui-Ping.Microstrip Technology antennas[M].Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University(刘学观，郭辉萍.微波技术与天线，西安:电子科技大学出版社)2001.[4] 薛睿峰，钟顺时.微带天线小型化技术.电子技术.2002 [5] 施华，舒琳，王均宏.手机天线的研究进展.移动通信.2002 [6] 樊明延，张雪霞，冯正和.移动通信中小天线技术新进展.通信市场.2003 [7] 吕文俊，程勇，程崇虎，朱洪波.一种新型多频缝隙微带天线的设计.电波科学学报.2006 [8]王军礼.电磁场与电磁波（第三版）.西安电子科技大学出版社，2009 [9]王军礼.《电磁场与电磁波（第三版）》学习指导.西安电子科技大学出版社，2011

第四篇：电波与天线期末复习

1.静电力常量：k≈9×109Nm2／C2 真空中介电常数：ε0≈8.9×10-12C2／m2N k=1／4πε0 电场强度（场强）：E=F／q 2.电场线：用曲线来大致描述电场曲线上每点的切线方向与该点的场强方向相同，曲线的疏密度表示场强的大小。3.导体处于静电平衡状态时，其内部各点的场强为零。4.紧靠导体表面的场强方向与导体表面垂直。

5.静电屏蔽：封闭导体壳（不论接地与否）内部电场不受壳外电荷的影响；接地封闭金属壳外部电场不受壳内电荷的影响。

6.静电屏蔽的应用：高压电力设备安装接发金属栅网，电子仪器的整体或部分用接电金属外壳。7.电位移矢量：D=εE 8.矢量的数量级、向量积。

9.磁场中的“高斯定理”：在稳恒电流的磁场中，通过任意闭合曲面S的磁通量恒等于零。10.磁感应强度：B 11.磁介质可按其磁特性分为三类：顺磁质、抗磁质、铁磁质。12.磁介质的绝对磁导率：μ 真空的绝对磁导率：μ0

磁介质的相对磁导率：μr=μ／μ0 13.感应电流的磁通量总是试图阻碍引起感应电流的磁通量的变化。14.当线圈不动而磁场变化时，穿过线圈的磁通量也会发生变化，由此而引起的感应电动势叫做感生电动势。

15.横电磁波（TEM）：电磁波中的电场矢量E和磁场矢量H互相垂直，并与传播方向垂直。16.D=εE

B=μH

J=σE 17.定义E与H的比值为空间的本质阻抗（波阻抗）。η=E／H=（μ／ε）1/2 18.HFSS是三维电磁仿真软件。

19.视距传播：又称直接波传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。20.视距传播主要用于超短波及微波通信。21.电离层传播主要用在短波频段。

22.地面传播是指电磁波沿着地球表面传播的情况。电波是紧靠着地面传播的，地面的性质、地貌、地物等情况都会影响电波的传播。在长、中波波段和短波的低频段（103Hz～106Hz）均可用这种传播方式。短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领就很差了。

23.趋肤效应：在高频工作下，电磁波在导体内受到极大的衰减，电流只能集中在导体的表层流动。频率越高，趋肤效应越显著。24.传输线是传输电磁能的一种装置。

25.在电力工程中，即使长度为1000m的传输线，对于频率为50Hz（即波长为6000Km）的交流电来说，仍远小于波长，应视为短波。26.当传输线的负载阻抗等于特性阻抗时，处于行波状态；当传输线终端短路、开路或接电抗负载时，处于驻波状态。

27.传输线的反射系数（Г（z））：均匀无耗传输线上某处的反射波电压与入射波电压之比。0≤|Г（z）|≤1

28.传输线的驻波系数（VSWR）：电压（或电流）驻波比定义为电压（或电流）最大值与最小值之比。1≤|VSWR|≤∞ 29.波导中的模式是指电磁场在波导中的分布模型。

30.TEmn中，m表示场强沿宽边（x方向）变化时出现的最大值数目（半波数）。下标n表示场强沿窄边（y方向）变化时出现的最大值个数（半波数）。主模（基本模）指TE10波。

31.波导中存在的波的基本条件：其场结构必须满足波导的边界条件；传输信号的工作频率须高于该模式的截止频率。32.P67 例3-1 33.天线：可以接收或发射电磁波的装置。

34.电基本振子的远场区是一个沿着半径方向向外传播的横电磁波。35.波阻抗：辐射场的电场强度与磁场强度之比是一常数，它具有阻抗的量纲。

36.辐射场的强度与距离成反比，即随着距离的增大，辐射场减小。37.E面方向图是通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面内辐射方向图；H面方向图是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面内辐射方向图。

38.主瓣宽度：是主瓣最大辐射方向两侧、半功率点之间的夹角，即辐射功率密度降至最大辐射方向上功率密度一半时的两个辐射方向间的夹角，以2θ0.5表示。主瓣宽度越窄，天线的方向性就越强。39.增益：在输入功率相等的条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率密集度和理想的无方向性天线在同一点处的功率密度（或场强振幅的平方值）之比。

40.天线效率：天线辐射功率PΣ与输入到天线的总功率Pі之比，记为ηA。

41.天线方向系数和效率越高，增益系数越高。

42.天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗时天线效率最高，此时天线获得最大功率。

43.线极化：电场矢量只是大小随时间变化而取向不变，其端点的轨迹为一直线。

44.圆极化：电场振幅为常量而电场矢量以角速度ω围绕传播方向旋转，其端点的轨迹为一圆。

45.天线的频带宽度：中心频率两侧，天线的特性下降到还能接受的最低限时两频率间的差值。

46.根据互易定理可以得出：同一个天线既可以用作发射，又可以用作接收。对同一天线不论用作发射或用作接收，性能都是相同的，即天线的特性参数不变，如方向特性、阻抗特性、极化特性、通频带特性、等效长度、增益等都相同。

47.天线阵:将若干个相同的天线按一定规律排列起来组成的天线阵列系统。

48.天线阵的作用就是用来增强天线的方向性，提高天线的增益系数，或者为了得到所需要的方向特性。

49.方向性乘积定理：由相同天线单元构成的天线阵的总方向性函数（或方向图）与阵因子（方向图）的乘积。只有各天线单元方向性函数相同时才能应用该定理。

50.引向天线的最大辐射方向在垂直于各振子方向上，且由有源振子指向引向器，所以，它是一种端射式天线阵。

51.由于工业干扰大多是垂直极化波，因此我国的电视发射信号采用水平极化，即天线及其辐射电场平行于地面。

52.若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化，就可以称该天线为宽频带天线。53.宽频带天线的条件：

a.角度条件：天线的形状仅取决于角度，而与其他尺寸无关。换句话说，当工作频率变化时，天线的形状、尺寸与波长之间的相应关系不变。

b.终端效应弱：当天线为有限长时，如果天线上的电流衰减很快，则天线辐射特性主要由载有较大电流的那部分决定，而其余部分作用较小，若将其截去，对天线的电性能影响也不大，这样的有限长天线就具有近似无限长天线的电性能。

54.理想缝隙天线的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为λ/2.55.如果波导壁上所开缝隙能切割波导内壁的表面电流线，则波导内壁电流的一部分将以位移电流的形式通过缝隙，因而缝隙被激励，并将波导内的功率通过缝隙向空间辐射电磁波，这种缝隙称为辐射缝隙。当缝隙轴向方向与电流线平行时，不能在缝隙区建立切向电场，因此缝隙未被激励，不能向外辐射功率，这种缝隙称为非辐射缝隙。56.根据波导内传输波的形式又可将缝隙天线分为谐振式缝隙天线阵和非谐振式缝隙天线阵。谐振式缝隙天线阵波导终端通常接短路活塞，波导内传输波的形式是驻波；非谐振式缝隙天线阵波导终端通常接匹配负载，波导内传输波的形式是行波。

57.微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质片）和覆盖在它的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一面称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一面称为辐射元。

58微带天线的馈电方式分为两种：一种是用微带传输线馈电，称为侧面馈电；另一种是用同轴线馈电，又称底馈。

59.面天线：主体是尺寸远大于工作波长的金属面状结构。面天线用在无线电频谱的最高端，特别是微波波段，其最重要的特点是具有强方向性。

60.面天线有两部分组成：一个是初级辐射器;另一个是使天线形成所要求的方向特征得辐射口面。

第五篇：天线结课论文(免费)

<天线与电波传播>结课作业

宽频带小型化天线的研究

专业：电子信息工程 年级：2012级

班级：电子1班 姓名：王振杰 学号：20122450131

2015年12月23日 宽频带小型化天线的研究

摘要：无线通信技术的迅速发展和应用，推动着通信设备及其电子器件制造向小型化、多用途的方向发展。天线作为任何无线通信系统前端收发 信号的部件，对通信质量起着至关重要的作用，也往往是制约无线通信系统小型化发展的主要障碍。设计与现代信息传递相适应的小尺寸、宽频带、高效率、大容量、易安装、多功能的天线已成为当今天线研究领域中一个很重要的课题。

由于微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于与有源器件和微波电路集成的特点，目前广泛应用于雷达、卫星通信、移动无线通信、以及各种通信设备当中。但微带天线本身具有高品质因数、窄频带、低效率等缺点，大大限制了它们的应用。本论文在总结前人研究的基础上，主要针对微带天线的宽频带和小型化技术展开了研究分析。具体内容阐述如下: 1.一种基于皮亚诺分形结构工作在 X 波段的高增益、宽频带微带阵列天线。该天线由64个分形辐射单元组成辐射阵列来获得较高的增益，同时增加了寄生层形成F-P谐振腔，有效地提高了天线的带宽。在 10GHz处天线的增益为24.1dBi，小于-10dB的相对阻抗带宽达到了12.6%，同时天线的口径效率为89.4%。相对于传统的矩形结构，减小了天线的尺寸，实现了天线的小型化。

2.一种新的小型化宽频带多频微带天线。可以适用于蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网。该微带天线主要由一个矩形环、一个开口六边形环、三条矩形带以及缺陷地组成,可同时工作在蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网的通信频段上。天线谐振频率分别为2.47GHz、3.48GHz和5.5 GHz，相应带宽为0.11GHz(2.38~2.49 GHz)、0.86GHz（3.19~4.05 GHz）和1.11GHz（4.95~6.06GHz）,增益最高达到5.75dBi。

3.一种小型化双极化宽频带微带缝隙天线。采用十字缝隙耦合、多层积叠贴片和双层馈电等技术,并选择双偏置微带线作为馈电。这些技术的采用拓宽了天线带宽,实现了良好的阻抗匹配。双层馈电技术减小了天线尺寸,并使天线的两个端口具有良好的隔离度。通过样品测量,驻波比小于1.5的端口相对带宽分别达40%和38.5%,工作频带内两端口隔离度(S21)大于25dB,增益 最大值达9.1 dB。该天线具有良好的性能并且工作在1710~2170 MHz频段,可制作成天线阵应用于移动通信中。4.一种基于腔膜理论工作于2.45GHz的RFID标签天线。采用锯齿形边缘替代直线形边缘实现天线的小型化，然后采用圆弧形边缘代替锯齿形边缘对天线进行优化。

关键词：微带天线，宽频带，小型化天线，皮亚诺分形，多频，微带缝隙天线，十字缝隙耦合，多层积叠贴片，射频识别，圆弧形边缘

目录

摘要......................................................................................................................................1 第一章：绪论.......................................................................................................................4

第一部分：天线的小型化技术.......................................................................................4

1.1加载技术..........................................................................................................4 1.2采用特殊材料基片............................................................................................6 1.3采用特殊形式,优化天线的外彩结构.................................................................7 第二部分：天线的宽频带技术.......................................................................................9

2.1缝隙以及耦合技术............................................................................................9 2.2利用宽带匹配网络实现天线小型化和宽频带特性..........................................10 第二章：天线的研究..........................................................................................................11 第一部分：基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线.......................................................11 摘要.....................................................................................................................11 1天线的结构........................................................................................................11 第二部分：新型宽频带多频微带天线设计..................................................................13 摘要.....................................................................................................................13 1天线的结构：....................................................................................................14 第三部分：双极化宽频带微带缝隙天线......................................................................16 摘要.....................................................................................................................16 1天线的结构：....................................................................................................17 第四部分：RFID标签天线..........................................................................................19 摘要.....................................................................................................................19 1天线结构...........................................................................................................19 第三章：总结与展望..........................................................................................................22 参考文献.............................................................................................................................24

第一章：绪论

第一部分：天线的小型化技术

1.1加载技术

用包括导体在内的集总元件、高介电常数材料对天线加载，以及采用接地平板和利用天线周围的环境等是实现天线小型化设计的主要手段，这些技术己在天线工程特别在移动通信领域中得到了广泛应用。其中最为感兴趣的问题可能是将这 些技术结合在一起用于天线的设计。

1)无源集总元件的加载是最为直接和最为简单的加载技术，也是工程中最为普遍采用的方法。可通过在天线的适当位置接入电阻、电抗或导体来构建。由于 天线长度远小于半波长时将呈现出很强的电抗性输入阻抗，加载可以对其进行补偿，改善天线中的电流分布。从而达到改变天线的谐振频率或者在同样的工作频 率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。但如果加载的元器件是有耗的，则将使天线的辐射效率降低。图1.1采用的电容和电感共同加载的平面倒“F”天线(PIFA)，由于加载电容和加载电感可使PIFA的谐振电长度分别具有加长和缩短的效应，通过加载、短路技术以及通过调整天线的参数和LC参数。该天线可工作在双频段。

2)利用短路技术来减小天线尺寸非常常见。在微带天线上加载短路探针，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化。图1.2是采用短路针技术的小型化微带天线，这种情况类似折叠单极子的特性，谐振电长度得到了缩减。

3)用不同的材料对天线进行加载同样可以达到减小天线尺寸的目的。当天线置于高介电常数的材料中时，由于波长在介质中变短，因而天线所需要的谐振长度变短。长度缩减的程度取决于介质的形状和介电常数的大小。但是介质加载将会导致频率带宽的减小，这是由于电场能量更多地集中在介质内部而难以辐射出去，使Q值增加的缘故。而且高的介质常数往往伴有高的介质损耗，这会降低天线 的效率。另外用介质涂敷天线也是降低天线高度的一条有效途径，这方面有相当的 理论与实验的研究。图1.3是采用高介电常数的小型化微带天线。

5)在低频段，比如短波天线，由于工作的频率很低，所需要正常工作的天线长度势必很大，因此天线尺寸缩减问题的研究显得尤为迫切。这时通过加载技术是实 现天线高度的最有效的途径。采用阻抗、电容混合加载、电容、电感混合加载或者 阻抗、电容、电感混合加载得到了一定的研究，特别是采用分段式加载技术，可使天线高度缩小到相当可观的程度。

1.2采用特殊材料基片

这种方法主要是针对微带、印刷天线的小型化进行设计的。微带、印刷天线由于其自身的优点而广泛应用于无线通信终端中，但是带宽窄限制了其应用。一般微带天线带宽只有百分之几，但在实际应用中，往往急需带宽大于10%或15%的小天线。所以，研究体积小。频带宽(大于10%)的天线将必然成为天线领域中的一个很重要的课题。微带天线介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它本身就实现了一维小型化，属于电小天线一类。天线谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料)或高磁导率(如磁性材料)的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类天线的主要缺陷是：(a)激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增 益减小，效率降低。(b)带宽窄。为提高增益，常在天线表 面覆盖介质。采用铁氧体材料制成的微带天线实现小型化的同时，且在较宽频带范围内频率可调(可达40%)，但铁氧体在微波频段损耗很大。有机高分子磁性材料在很宽温度范围内电感和磁性 能稳定，由其设计成的微带天线可显著减小尺寸，但损耗大，增益低。高温超导材料(HTS-high temperature superconductor)基片以及“光子带隙阵”(PBG-photonic bandgap)基片有极低的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，具有提高天线增益，减弱阵元间互耦之功效。

1.3采用特殊形式,优化天线的外彩结构

实现小型化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，如层叠短路贴片(stacked shorted patch)，蝶形、倒F型、L形、E型等等。近年来，用分形曲线来构建天线是特别热门的小型化技术。

第二部分：天线的宽频带技术

2.1缝隙以及耦合技术

实现宽频带和多频带的思路是在贴片或者接地板上开一些缝隙，以降低天线的品质因数，从而提高天线的阻抗带宽。多频天线的最大优点就在于在一个辐射单元上实线多个天线的工作性能，这就大大简化了收发终端辐射系统的设计，在小型化无线通信设备中，这一点尤其显得重要。通常采用的方法是采用在贴片上刻蚀缝隙以及使用通过改进耦合馈电。如在各种形状的贴片上刻蚀成对的缝隙就获得了较好的双频、双极化的工作性能。另外在贴片的中心线上适当位置增加短路针，并且在中线上选取适当的馈电位置，也可以获得双频工作性能。对于使用厚空气层介质的天线。由于使用同轴馈电而引入较大的同轴感抗效应。从而影响 天线的带宽。针对这个问题，又出现了很多的解决办法。诸如U型缝隙技术，改进的同轴馈电技术(L探针技术和L状微带线馈电，缝隙耦合馈电等等。运用以上这些技术。天线的带宽可以得到一定的增加。

2.2利用宽带匹配网络实现天线小型化和宽频带特性

无线通信设备的天线系统，一般都包括天线和馈电线两个部分，称之为天馈系统。天馈系统的宽频带性能既取决于天线自身的性能也取决于馈电系统，以及天线与馈电系统之间的耦合与匹配状况。因此，在研究天线的宽频带特性时，必须同时考虑宽频带的匹配技术。天馈系统通常包含两方面内容，一是完成不对称馈线(如同轴线)对对称天线的馈电，以保证系统的平衡性。二是阻抗变换，使馈线与天线有良好的阻抗匹配。宽带匹配所要解决的是一个系统中的功率传输问题，要求信号源与负载之间尽可能地匹配，使信号源传给负载的功率在给定的频带内保持相对稳定，并且尽可能达到箍大。天馈系统中常用的是集总参数匹配厢络，主要是无源的。由电抗元件组成T形、L形、π形网络等。这种匹配网络的主要优点是体积小、设计灵活、使用方便等。当无源天线的尺寸缩小后，会导致辐射电阻减小．效率降低。为此，利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降，在天线小型化和宽带技术上有重要的意义。有源天线具有以下良好特性：(1)工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线带宽高低端频比可达20-30；(2)增益高(可达10dB以上)，方向性好；(3)便于实现阻抗匹配；(4)易实施天线方向图，包括主波束方向、波束宽度、前后辐射比等的电控；(5)有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。

第二章：天线的研究

第一部分：基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线

摘要：一种基于皮亚诺分形结构工作在 X 波段的高增益、宽频带微带阵列天线。该天线由64个分形辐射单元组成辐射阵列来获得较高的增益，同时增加了寄生层形成F-P谐振腔，有效地提高了天线的带宽。在 10GHz处天线的增益为24.1dBi，小于-10dB的相对阻抗带宽达到了12.6%，同时天线的口径效率为89.4%。相对于传统的矩形结构，减小了天线的尺寸，实现了天线的小型化

1天线的结构

分形结构具有很多特性，例如自相似性和空间填充性。将分形技术应用于天线的辐射单元，有利于减小天 线的尺寸和获得多个谐振点。所以，分形结构常用来改善阵列天线的性能，如皮亚诺分形结构。

皮亚诺分形曲线如图1所示。定义皮亚诺分形比 为n= f2/f1，将图中所示的f1进行三等分后弯折得到皮亚诺分形结构。如果将该分形结构应用于矩形贴片的每一边，得到如图2所示的皮亚诺分形贴片结构。因为该结构将增加电流的流动路径，并可能激发多个谐振，所以可提高天线的带宽。组阵主要是提高天线的增益，而采用双层结构的形式能有效地提高天线的带宽。单层的 8×8阵列天线，天线的每个单元均采用如图2所示的皮亚诺分形结构，采用相对介电常数为2.65，厚度为0.5 mm的介质板。天线采用 1分 64的功率 分配网络进行馈电，天线结构图如图3所示。

该天线在工作频点10GHz处的增益达到了23.0dBi，回波损耗小于-10dB的 相对带宽约为1.5%，说明采用单层的阵列结构就能够得到很高的增益，但是带宽相对很窄。

图5给出了天线结构的侧视图。该天线分为上下两层，上层为寄生层，下层为辐射层，两层所用介质基板的介电常数同为er，厚度为h。上下两层之间为空气层，空气层厚度为hz。天线采用特性阻抗为50欧姆的同轴进行馈电，馈电口位于下层辐射层，同轴内导体与微带功率分配器中心相连。

上层寄生层和下层辐射层的俯视图和分形单元的俯视图如图6所示。为了在工作频段10GHz的增益大于24dBi的增益，同时使得 |S|<-10dB 的相对阻抗带 宽大于10%，天线采用了64个分形辐射单元组成8×8的阵列，上层同样由64个相同结构的分形单元组成8×8的阵列，上层寄生层的主要作用是提高天线的阻抗带宽。

第二部分：新型宽频带多频微带天线设计

摘要：一种新的小型化宽频带多频微带天线。可以适用于蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网。该微带天线主要由一个矩形环、一个开口六边形环、三条矩形带以及缺陷地组成，可同时工作在蓝牙、射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网的通信频段上。天线谐振频率分别为2.47GHz、3.48GHz和5.5GHz，相应带宽为0.11GHz(2.38~2.49GHz)、0.86GHz（3.19~4.05 GHz）和1.11GHz（4.95~6.06GHz）,增益最高达到5.75dBi。1天线的结构：

图2是宽频带多频微带天线的具体设计结构。印刷在介质基板上的天线的主要辐射单元是一个矩形辐射环,两条连着矩形环的竖矩形辐射带,一个开口六边形辐射环。天线矩形辐射环的分段长度L1=1.0mm、L2=20.4 mm和L3=0.7 mm,宽度W2=19.0mm。辐射环内左右两条竖矩形辐射带长度均为L6=8.2mm,夹在两条微带线中间的矩形谐振条长度L4=7.4 mm、宽度W7=1.0mm。

该天线被印制在相对介电常数ε=4.4、介质损耗为0.02、厚度1.6mm的FR4的介质板上,采用50欧姆微带线馈电,微带线的长宽分别是Lf=9.4 mm、Wf=3.9 mm,介质板的尺寸为34.0 mm×23.0 mm。天线经过优化后，实际制作出的实物图如图3所示。

第三部分：双极化宽频带微带缝隙天线

摘要：一种小型化双极化宽频带微带缝隙天线。采用十字缝隙耦合、多层积叠贴片和双层馈电等技术,并选择双偏置微带线作为馈电。这些技术的采用拓宽了天线带宽,实现了良好的阻抗匹配。双层馈电技术减小了天线尺寸,并使天线的两个端口具有良好的隔离度。通过样品测量,驻波比小于1.5的端口相对带宽分别达40%和38.5%,工作频带内两端口隔离度(S21)大于25dB,增益 最大值达9.1 dB。该天线具有良好的性能并且工作在1710~2170 MHz频段,可制作成天线阵应用于移动通信中。1天线的结构：

天线可分为馈源端、引向端和反射端三个部分。具体尺寸结构示意图如图1所示(单位为mm)。天线的馈源由两层介质基片、接地板和馈电网络组成。上层基片上端覆盖着刻有十字形缝隙的接地板,上下层基片之间是端口1的馈电网络,下层基片下端则是端口2的馈电网络。缝隙的长度和宽度在保证天线带宽和满足阻抗匹配的情况下越小越好,这样可以减小由缝隙引起的背向辐射。为了使天线实现45度正交极化,两层馈线方向与接地板的对角线分别平行,而十字形缝隙处于接 地板中心,四臂与接地板对角线方向一致。引向端是两层圆形辐射贴片,为了增加带宽,贴片与贴片之间,贴片与接地板之间均不采用任何介质。反射端为与接地板尺寸相同的铝型材反射板,位于馈源下侧距馈源h1处。

为提高天线的阻抗带宽,天线采用双层寄生贴片结构和双偏置微带线馈电,同时这种馈电结构又能实现两个馈电端口的高隔离度并提高阻抗匹配。馈电网络通过接地板上的十字形缝隙与寄生贴片耦合,向外辐射能量。微带贴片天线下层的反射板可以提高天线的增益,减小天线的背向辐射。为提高缝隙耦合度,馈电层应采用介电常数较高的基片,结合成本因素,文中设计天线选择的是Taconic RF-35(tm)基片,其介电常数为3.5。

两层基片厚度分别为t1、t2,接地板与下层贴片的距离为t3,上下层贴片的距离为t4。馈电网络由两条100欧姆的微带线通过简单的功分器与50欧姆的微 带线连接构成。

本天线为双极化天线(±45°正交极化),其工作频段位于1710~2170MHz。采用微带线作为馈线,两端口的馈电网络处于不同的馈电层,并通过同一十字形缝隙与贴片层耦合,向外辐射能量。这种设计可减小天线的尺寸,同时多层贴片结 构及反射板的应用也避免天线出现高剖面弊端,可在不影响天线大体性能的前提下实现天线的小型化。

文中设计的天线的馈线采用叉子(Fork)形的双 偏置微带线,如图1(b)所示,微带线两臂与接地板 上的缝隙耦合,可以看作两个对称的不平衡天线振子。由于不平衡振子两条振子臂的电流分布不平衡,形成不对称电流分布,电流I可以分解为偶模(Io)和奇模(Ie)分量,如图2所示,电流的不同分量形成不同谐振,通过调整天线的尺寸,使两个谐振频率适当接近,进而展宽天线的频带。天线的辐射机 理类似于八木天线,馈源端相当于引向天线的有源振子,引向端类似于引向天线的引向振子,反射板则可以看作反射振子。天线通过反射板和引向作用的辐射片向外辐射能量。调整辐射贴片单元能够调节天线的电压驻波比,使天线达到一定的带宽。这里采用双层馈电在一定程度上提高了天线带宽,并且由于贴片的引向作用,天线的增益也会有所增加.由于缝隙上不同位置其阻抗不同,可选择缝隙上100欧姆位置处输入激励, 可使100欧姆馈线并联后与50欧姆主馈线匹配,此馈电方式有利于宽带工作,还 可使辐射场对称性更好。此外由于天线采用双层馈电结构,若馈线采用矩形微带线,两条不同馈电层的馈线在水平面的投影呈交叉状,馈电网络之间必然 相互影响,其隔离度不高。采用叉子状的双偏置微带线馈电能够提高两个端口的隔离度,减小交叉极化,提高天线的性能。

第四部分：RFID标签天线

摘要：一种基于腔膜理论工作于2.45GHz的RFID标签天线。采用锯齿形边缘替代直线形边缘实现天线的小型化，然后采用圆弧形边缘代替锯齿形边缘对天线进行优化。

1天线结构：

根据腔模理论可得边长为 a的等腰直角三角形贴片天线（见图 １）的谐振波数的计算公式为

其中：

由（1）式可得天线工作在 Tmn模时的谐振频率为

对于等腰直角三角形贴片天线而言，其主要工作模式是最低阶谐振模TM10和TM01，其谐振频率为

介质板选用电路中常用的材料FR‐４（介电常数εr为4.4，板厚为1.6mm），天线直角边 a的尺寸为41.23mm，但该天线尺寸过大，需小型化处理。图2为天线的基本结构．可以采用如图2a所示锯齿形边缘替代直线形边缘,以保持电流流经路径长度不变，进而实现天线的小型化。

再使用 ADS 对天线进行初步优化，得到的天线版图如图3所示。

根据上述分析，若采用相切的圆弧形边缘代替锯齿形边缘，可有效减小电流在贴片边缘拐弯处的突变，从而改善天线的性能。进一步优化后的天线版图如图6所示。进而仿真得到优化后的s11曲线如图7所示。与图4相比，天线中心频率2.495GHz处的反射损耗由-24.386dB 减小到-34.478dB，-10dB时的绝对带宽由251MHz增加到301MHz（2342~2643MHz）、相对带宽由10.24%提高到12.29%。

图8为优化后的天线的增益随角度变化的关系曲线，由图8可见优化后的天线获得了较好的增益。

第三章：总结与展望

随着电子器件制造技术特别是集成电路技术快速地朝着小型化和便携式方向的发展对通信系统以及设备的小型化和宽频带提出了越来越高的要求。小型化要求通信系统移动方便、占用空间小；宽频带则要求通信系统具有高质量的通信能力。天线作为任何无线通信系统的前端收发信号的部件，往往是制约无线通信系统小型化发展的关键部件。

天线的性能对物理尺寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线频带变窄，效 率降低。如何在保证天线性能的前提下努力减小天线的尺寸、扩展频带是当今天线研究领域中的热点问题。小天线的概念具有相对性，一种是宏观意义上的小，主要针对易于携带和放置，相对于工作频带内的波长可能并不小。另一种是 电小，指天线尺寸相对于波长很小。微带天线属于电小天线，现在已经大量运用在无线设备中，特别是在飞行器上和地面便携式设备中。

本文在阅读前人文献的基础上，概括总结了以上4项微带天线的较新研究，同时附加了一款工作在2.45GHz的射频识别天线。这些结构的微带天线应用前景广泛，因此宽频带小型化天线的研究具有重要的意义。

参考文献

[1]张泽奎 陈星基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线设计《现代电子技术》-2015年15期

[2]潘勇 熊江 李潘一种新型宽频带多频微带天线设计《电讯技术》-2015年4期

[3]林滨 汤炜 葛悦禾一种小型化宽频带天线单元的设计与研究 《通信技术》-2014年5期

[4]赵祺 廖同庆 吴昇 一款工作在2.45GHz的小型化RFID标签天线《安徽大学学报》-2015年5月 第39卷 第3期