天线设计的原理与实现方式
天线是电磁波收发的关键部件，是无线通信中不可或缺的重要元件，不同的天线设计可以实现不同的工作频率、增益、方向性、天线匹配等性能。本文将介绍天线设计的原理和实现方式，帮助读者更好地理解天线的工作原理和参数设计。
一、天线设计的基本原理
天线是将电磁波转换为电信号或反之的电器（电磁设备），它是无线通信系统中的关键部件之一。天线设计基本原理包括天线性能指标和天线结构设计两部分。
1、天线性能指标
天线的性能指标主要包括工作频率、增益、方向性、天线匹配等。不同的天线类型和应用场景需要不同的性能指标来实现特定的功能。
（1）工作频率
工作频率是指天线在工作中所应用的频率范围，通常为频段或中心频率等。天线的设计要根据应用环境和所需要的信号频率来确定。
（2）增益
增益是指天线辐射的功率与理想点源天线辐射的功率的比值，通常以dB为单位。天线的增益与其结构形式、工作频率、方向性等有关。
（3）方向性
方向性是天线传输能量的方向特性，是指天线辐射模式的立体角分布。天线的方向性与其结构形式、工作频率、增益等有关。
（4）天线匹配
天线匹配是指天线系统整体与其驱动器之间阻抗匹配的关系，使得天线系统的传输和接收线路具有最佳阻抗匹配状态，以提高天线的输出功率和信噪比。
2、天线结构设计
天线结构设计是指天线的实现方式，包括天线结构形式、阻抗匹配方式、辐射元件、天线材料等方面。
（1）天线结构形式
天线结构形式可以分为线性天线、环形天线、阵列天线、反射天线、补偿天线、微带天线、偏振天线等多种形式，每种天线形式都有其特点，应根据具体要求来选择天线结构形式。
（2）阻抗匹配方式
阻抗匹配方式主要有天线冷端阻抗、贴片阻抗、隔离光缆、转换器和偶合电路等多种方法。
（3）辐射元件
天线的辐射元件包括天线辐射体、驱动器和辅助元件等。辐射体和驱动器是天线最基本的组成部分，辅助元件包括反射盘、支撑杆、防射线等。
天线原理与设计
天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。本文将介绍天线的基本原理和设计方法，帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的基本原理是什么呢？天线是将电磁波转换为电信号或者将电信号转换为电磁波的装置。在接收模式下，天线接收到的电磁波会转换成电信号，而在发送模式下，电信号会被天线转换成电磁波进行传输。因此，天线的设计需要考虑到频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其在特定的应用场景下能够实现高效的信号传输。
其次，天线的设计方法有哪些呢？天线的设计需要根据具体的应用需求来确定。一般来说，天线的设计包括结构设计、材料选择、匹配网络设计等方面。在结构设计方面，需要考虑天线的形状、尺寸、辐射器的布局等因素，以确保天线能够实现所需的辐射特性。在材料选择方面，需要选择合适的材料来制作天线，以确保天线具有足够的机械强度和耐候性。在匹配网络设计方面，需要设计合适的匹配网络来确保天线与传输线的匹配，以提高天线的辐射效率。
最后，天线的设计需要注意哪些问题呢？在天线设计过程中，需要注意考虑以下几个问题。首先，需要考虑天线的频率范围，以确保天线能够在所需的频段内正常工作。其次，需要考虑天线的辐射效率，以确保天线能够实现高效的信号传输。此外，还需要考虑天线的方向性，以确保天线能够实现所需的辐射方向。最后，还需要考虑天线的机械强度和耐候性，以确保天线能够在各种环境条件下正常工作。
综上所述，天线是无线通信系统中的重要组成部分，其设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。天线的设计需要考虑频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其能够在特定的应用场景下实现高效的信号传输。希望本文能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
2023年 / 第9期 物联网技术
Reliable Transmission
410 引 言
4G网络创造了繁荣的网络经济，由于通信业务的多元
化和复杂化，人们追求网络事物多样性的需求也日益增长，
第五代移动通信系统（5G）应运而生，它能够实现人与人、
人与物、物与物之间的互联互通，VR、自动驾驶、远程手
术等具有巨大前景的技术也在5G时代诞生并发展着。
5G具有超大的带宽、巨大的传输速率，5G时代的到来
也促进着MIMO技术的发展，但是其代价是增加了收发方
的天线复杂度，使得天线设计必须考虑各个天线的互相影响，
这对天线工程师来说是个巨大的挑战。
近年来，5G技术越来越受到学术界和行业领域的关
注。作为5G无线通信的关键技术，大规模的MIMO可以极
大地提高信道容量。因此，如何将越来越多的元件放置在有
限的空间中是天线设计者面临的一个难题。
当各个天线单元之间的距离较小时，天线之间的耦合度
会很大，对天线性能影响十分严重。因此，如何提高各个天
线间的耦合度成为MIMO天线设计的重难点。为了解决这一
问题，通常采取以下3种方法：（1）将天线进行弯折，改变
电流的路径，降低天线的谐振频率，这种方法也存在一定缺
陷，改变电流的流向会导致方向图产生变异。（2）提高板载天线介质板的介电常数能够增加隔离度，但是对于手机天线
设计来说，一般使用FR4介质板，由于使用场景的限制，这
种方法的可行性不是很高。（3）利用耦合馈电使天线增加分
布式电容，使天线激励起比较低的辐射模式，但是这种方法
的困难点是馈电位置的选择。
1976年，Andersen等人[1]从阻抗的方向出发，研究
了天线耦合的问题，并将单极子天线作为例证。Kokkinos
团队实现了利用地板缝隙对port PIFA天线的去耦[2]。
Ban 等人[3]结合3.5 GHz天线特点，利用中和线实现
二单元4G MIMO天线的去耦设计，其中的混合天线由
GSM850/900/180/1800/1900/UMTS2100/LTE2300/2500和8个
现代电子技术ModernElectronicsTechniqueJul.2023Vol.46No.142023年7月15日第46卷第14期
0引言随着时代的发展，向大容量、高速率方向发展的无线通信技术成为了该领域的主要目标[1‐2]。作为通信系统中的关键模块，超宽带[3‐4]（UWB）天线可以极大提高无线通信系统的信道容量、频谱效率和工作带宽范围，有着广阔的应用前景。具有三维结构的倒锥天线，结构对称性高，能够实现43∶1的阻抗带宽[5]，但是其体积大，馈电结构稳定性差。因此，具有低成本、易小型化及易加工等优势的微带单极子天线，逐渐成为无线通信领域的焦点[6]。基于印刷电路板（PCB）的微带单极子天线，在贴片上采用分形结构，比如六边型[7]、雪花型[8]或者勋章型[9]等，增加贴片的周长来提升带宽。相比于线形结构，圆形结构周长更大，且对称性高，带宽更宽。文献[10]中，利用椭圆型辐射贴片实现了24.1∶1的宽带阻抗匹配。DOI：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.14.001引用格式：李想，曹建银，姚晨阳，等.小型化超宽带叶型微带单极子天线设计[J].现代电子技术，2023，46（14）：1‐6.小型化超宽带叶型微带单极子天线设计李想1，3，曹建银2，姚晨阳2，3，丁振东2，王昊2，3，陶诗飞2（1.电磁空间认知与智能控制技术实验室，北京100191；2.南京理工大学，江苏南京210094；3.南湖实验室，浙江嘉兴314002）摘要：针对目前超宽带（UWB）微带单极子天线带宽较窄以及尺寸较大等缺点，文中提出一种基于共面波导（CPW）馈电的小型化超宽带微带单极子天线。该天线由叶型的辐射贴片（其上挖去3个圆形贴片）、梯形地板和环形三叉戟共面馈电组成，可实现1~18GHz的超宽带频率覆盖。使用HFSS软件对天线的结构和尺寸进行分析，得出最终的天线尺寸仅为40mm×75mm×0.5mm。利用矢量网络分析仪进行测试，结果表明，所设计的天线具有179%的相对带宽，在1~18GHz的工作频段内阻抗匹配良好，并且具有良好的辐射性能；且该天线的工作频率能够实现L波段、S波段、C波段、X波段以及Ku波段的多个频率覆盖，具有超宽带的优良性能。关键词：超宽带天线；微带单极子天线；小型化天线；共面波导馈电；天线结构；矢量网络分析仪中图分类号：TN821+.3‐34文献标识码：A文章编号：1004‐373X（2023）14‐0001‐06DesignofminiaturizedUWBleaf⁃shapedmicrostripmonopoleantennaLIXiang1,3,CAOJianyin2,YAOChenyang2,3,DINGZhendong2,WANGHao2,3,TAOShifei2(boratoryofElectromagneticSpaceCognitionandIntelligentControl,Beijing100191,China;2.NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;3.NanhuLaboratory,Jiaxing314002,China)Abstract：Inallusiontotheshortcomingsoftheultra‐wideband(UWB)microstripmonopoleantennaswithnarrowbandwidth,largesize,etc.,aminiaturizedUWBmicrostripmonopoleantennabasedoncoplanarwaveguide(CPW)feedisproposed.Thisantennaiscomposedofaleaf‐shapedradiationpatch(inwhichthreecircularpatchesaredugout),atrapezoidfloorandanannulartridentcoplanarfeed,whichcanbeusedtorealizetheUWBfrequencycoverageof1~18GHz.ThestructureandsizeoftheantennaareanalyzedwithHFSSsoftware,andthefinalantennasizeofonly40mm×75mm×0.5mmisgot.Thetestingresultsofthenetworkvectoranalyzerindicatethatthedesignedantennahasarelativebandwidthof179%,goodimpedancematchingintheoperatingfrequencyrangeof1~18GHz,andgoodradiationperformance;theworkingfrequencyoftheantennacanrealizemulti‐frequencycoverageofLband,Sband,Cband,XbandandKuband,andthesystemhasexcellentUWBperformance.Keywords：ultra‐widebandantenna;microstripmonopoleantenna;miniaturizedantenna;coplanarwareguidefeed;antennastructure;vecternetworkanalyzer收稿日期：2022‐11‐22修回日期：2022‐12‐29基金项目：国家重点研发计划资助项目（2021YFB3502500）；国家重点实验室基金项目（CEMEE2022K0102B）1Copyright©博看网. All Rights Reserved. 现代电子技术2023年第46卷在圆形贴片上进行切边和加圆处理[11]，或者将分形结构与椭圆结构结合[12]，也能够增加谐振，拓展带宽。文献[13]中提出了一种基于笛卡尔圆定理的圆分形超宽带天线，阻抗带宽为115.6%。在馈电上采用低损耗的共面波导渐变馈电[14]，并结合梯形地板和三叉戟共面馈电的结构[15]，能实现带宽的扩展。此外，缺陷结构也能够提升单极子天线的带宽[16]。基于特征模理论可以快速进行超宽带单极子天线的设计[17]。本文基于叶型的单极子天线[18]，设计了一款基于FR4介质基板（相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02）的超宽带单极子天线。叶型辐射贴片中去除了3个圆形结构，进一步增加了谐振模式，实现了小型化设计。该天线的馈电部分采用了圆形三叉戟结构与辐射贴片连接，馈电部分采用了渐变共面波导实现宽带匹配。经HFSS仿真，该天线的工作带宽为1~18GHz，带内增益稳定性高，具有尺寸小、集成度高，满足天线设备小型化要求的特性。1共面波导基本特性共面波导是指所有导体均匀位于同一平面，支持TEM波的传播，其至槽线是一种平面转接，它具有低色散性，其在安装集成有源或无源集总参数元件容易实现。在分析共面波导基本特性分析时，一般是用准静态方法和保角变换法。如图1所示，在横截面结构的电场分布中，一般是偶模和奇模两个主要模式。由于奇模损耗大，更不能在同轴线中传输，因此一般只考虑偶模传输。图1共面波导的横截面结构共面波导的特性阻抗可由保角变换法求得：Z0=Z01εe（1）εe=εr+12ìíîtanéëêêùûúú0.775ln()hd+1.75+}kd[]0.04-0.7k+0.01()1-0.1εr()0.25+k（2）式中：k=ww+2d；Z01是εe=1时共面波导的特性阻抗。Z01表示为：Z01=14cε0⋅K′(k)K(k)（3）式中：c为真空中光速；ε0为空气中介电常数；K（k）表示第一类完全椭圆函数；K′()k=K()k′，k′=1-k2。K(k)K′(k)=ìíîïïïïïï1πln()21+k′1-k′-11πln()21+k1-k（4）理论与实验表明，共面波导特性阻抗与基层厚度关系不大。实际设计中，基层厚度为槽宽度的1~2倍较为合理。因此，εe可近似为：εe=εr+12（5）其谐振频率为：f=c2εréëêêêêùûúúúú()mwg2+()nlg20.5（6）式中：wg和lg分别为共面波导的宽和长；m和n为谐振模式因子。2天线结构设计天线结构示意图如图2所示，该天线以FR4环氧板为介质基板，厚度为0.5mm，天线尺寸为40mm×75mm×0.5mm。天线的共面波导馈电接口连接部分为50Ω。该天线的辐射贴片部分为尖叶型，底部为半圆。在叶型贴片中，去掉3个大小不等的圆，通过控制圆的半径尺寸，拓展低频的带宽。为了拓展馈电的带宽，采用共面波导渐变馈电结构，在馈线接口处增加三叉戟馈线结构，优化高频的匹配。图2单极子天线结构示意图本天线采用HFSS软件进行参数的仿真和优化，得到了天线的最佳设计尺寸，具体尺寸参数如表1所示。2
