1.天线知识点
天线知识点
1.天线实现宽带方法
多谐振天线可以实现宽阻抗宽带。
A.难点：如何产生或控制多个谐振点。
常用的方法：
多模辐射单元、多天线单元、电抗或寄生单元加载、阻抗变换网络
常用的多谐振天线有：套筒天线，枝节加载振子、谐振加载振子、多边形振子、耦合馈电振子等
2.缝隙天线设计追求的目标
小型化、高增益和易于控制
小型化方法：对于通过弯曲和超材料加载
高增益：通过在天线上部分加载电介质，可以适当改变电流/电磁场分布和谐振频率，从而进一步提高天线的方向性。
易于控制：局部压缩可以引入额外的有用特征，具有更大的灵活性。
20221017A Wideband Compressed Slot Antenna with Enhancing Directivity -Ran Zhang and Qing-Xin Chu
3.天线基板厚度选择
基板较厚的天线很容易因表面波传播而发生功率泄漏。表面波的激发是εr和衬底厚度T的函数。当T满足以下准则时，表面波的影响可以忽略不计：
这种不良特性会导致天线效率降低、方向图恶化、隔离度恶化和系统间干扰增加。虽然几种方法，如电磁带隙(EBG)[11]、[12]、软表面结构[13]和寄生元件可以抑制表面波，但这些类型的设计通常需要几个周期的天线之间的结构，占据相当大的面积。在天线性能相同的情况下，低轮廓基板可以减少结构的数量，甚至可以去掉它们。
4.宽带微带结构
在过去的几十年里，已经提出了几种独特的宽带微带结构，如共面寄生贴片、堆叠多谐振器技术和各种形状的缝隙切割贴片。
超宽带方法：渐变、多分支、寄生枝节。
共面寄生贴片可以加宽阻抗带宽[1]，但往往会增加天线的横向尺寸，这不适合阵列应用。当叠层多谐振腔几何形状[2]、[3]增加天线厚度时，这种结构的轮廓通常在0.10λ0以上(λ0为真空中的波长)。缝隙切割技术似乎是一种完美而有吸引力的解决方案，因为这类天线是通过在单层和单贴片上切割内部形状的缝隙来实现的。然而，传统的E型[4]、[5]、U型槽[6]、[7]和V型槽[8]贴片仍然需要大于0.06λ0的大基板厚度。其他技术，如L探头馈电贴片天线，可以进一步增加阻抗带宽[9]。遗憾的是，它需要大于0.08λ0的基板厚度。
A Novel Double U-Slot Microstrip Patch Antenna Design for Low-Profile and Broad Bandwidth Applications
5.实现多频天线方法
分支、耦合、倍频
6.减小信道干扰和信号衰落
在通信系统中，为了减小信道干扰和信号衰落，保证通信质量，通常采用波束切换天线。与自适应天线相比，波束切换天线可以以更简单的方式获得期望的波束，并且算法复杂度和成本都很低。
7.缝隙天线优势
缝隙天线以其结构简单、外形小巧、带宽宽、方向性好等优点受到越来越多的关注。为了进一步扩展开槽天线的带宽，文献[5]提出了T形和L形开槽。与矩形开槽天线相比，L型和T型开槽天线更容易激励更多的谐振模式，获得更宽的阻抗带宽。学者们还提出了一系列方法来改善开槽天线的定向辐射特性，使缝隙天线能够满足强定向辐射特性的应用。
8.提高天线带宽方法
提高天线带宽的方法有很多，如改变馈电模式、引入梯度结构、增加新的谐振模式等。
扩展微带天线的阻抗带宽一直是众多研究人员关注的焦点。目前，主要的方法有贴片开槽、加载短路引脚、增加共面寄生元件等。然而，这些方法的实现是以牺牲天线极化性能为代价的。最近，人们研究和设计了几种低交叉极化水平的微带天线，以满足宽带特性的要求[4]-[7]。然而，这些都需要多层结构或复杂的加工。差动馈电只用两个等幅反相信号激励天线，产生两个等幅反相交叉极化分量，互相抵消，提高天线的辐射性能。Hao和Li[8]提出了一种基于差动馈电的线极化平面缝隙天线，在保证高增益和宽带特性的同时，具有更低的轮廓和更好的交叉极化特性。−10d B天线阻抗带宽为24%，最大增益可达15.3d B，在整个通带范围内交叉极化电平小于−24 d B。另外，差动馈电天线无需巴伦即可直接与差动结构的射频前端相连，有效降低了信号损耗。此外，更容易实现系统的完全集成化和小型化。
Wideband and Low-Cross-Polarization Planar Annual Ring Slot Antenna
近年来，人们在提高宽缝天线的带宽方面做了大量的工作。通过采用各种缝隙结构，如圆形[1]、椭圆形[2]、三角形[3]和分形[4]形状，获得了较宽的带宽。设计了一个由E形头馈电的E形槽以增加其带宽[5]。
在文献[6]中，用一条改进的L型馈线激励宽缝以实现带宽的增加。在微带馈线上添加寄生元件也有同样的作用[7]。
提高宽缝天线带宽的研究已经比较成熟。然而，这种天线有一个明显的缺点，那就是占用的缝隙太大。为了获得较宽的带宽和紧凑的时隙尺寸，文献[8]提出了一种由T形头馈电的L形窄缝。在文献[9]中，通过在馈电网络中加入额外的四分之一波长线谐振器，实现了双抑制零点以加宽带宽。修改微带馈电，使其沿缝隙产生两个假想的短路，频率足够接近，也在[10]中获得了较宽的带宽。在[11]中，阶梯槽与微带馈电终端相结合，其作用类似于贴片天线，以产生多个谐振并获得较宽的带宽。
A Wideband U-Shaped Slot Antenna and ItApplication in MIMO Terminals
9.共面波导馈电缝隙天线主要有四种类型
电感耦合单波长天线[1]、[2]、电感偏馈耦合天线[3]、多缝隙天线[4]和电容耦合半波长天线[5]。电容耦合的半波长天线尺寸最小，非常适合低频应用。然而，与电感耦合的单波长天线相比，它的带宽很窄。另一方面，传统的电感耦合单波长天线电路体积大，不适合低频应用。
Compact Harmonic-Suppressed Coplanar Waveguide-Fed Inductively Coupled Slot Antenna
10.缝隙天线的分类和特点
[参考文献]：平面窄缝隙超宽带天线的设计[D]. 魏伟.南京邮电大学 2016
在无限大和无限薄的理想导电平面上的细直缝隙一般被称之为理想缝隙。采用理想缝隙设计形成的天线的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸一般为波长的二分之一。现实中的缝隙天线都工作在非理想状态下，换而言之，辐射缝隙不再位于一个无限大和无线薄的理想导电体上。一般来说，利用 PCB工艺实现的缝隙天线是在一个有限大介质涂覆的金属板上挖出缝隙来实现的。但是当天线工作波长较导电体尺寸可以忽略不计时，可以认为缝隙接近理想的。
如按缝隙天线的馈电方式和开槽位置区分，缝隙天线可分为：波导缝隙天线和微带缝隙天线。为了有效的接收和辐射电磁波，需要在波导壁上的合适位置和方向上开出缝隙，这就形成了波导缝隙天线。
10.1按缝隙天线的馈电方式和开槽位置区分
10.1.1波导缝隙天线
一般而言，波导单缝隙天线的方向性较弱，为了提高其方向性，可以通过增加缝隙的方法对此缺陷进行改善。这种天线馈电较为方便，改变缝隙的位置和取向就可以改变对缝隙的激励幅度和相位，以便获得所需要的方向图，其缺点是阻抗带宽较窄。
10.1.2微带缝隙天线
微带缝隙天线则是在微带线的金属地之上进行开缝，然后利用微带线在缝隙的背面进行馈电操作。当采用较低介电常数的介质和较大的地平面尺寸时，可以近似将微带缝隙天线视作理想辐射缝隙，此时其方向图是全向的。微带缝隙天线的优点是重量轻、体积小、便于集成并能覆盖较宽频带。此天线大多用于微型移动系统辐射和接收单元的应用，比如：移动电话、对讲机等。缝隙天线一般运用于雷达，航天和电子对抗系统中，并因其能制作成与金属面共形的结构，因此多被运用到高速飞行器表面上。
10.2根据缝隙天线的开槽大小来区分
10.2.1窄缝隙天线
一般来说，窄缝隙天线的缝隙长度与宽度之比较大，对于微带缝隙天线来说，其缝隙宽度远小于介质板宽度；对于波导缝隙天线来说，其缝隙宽度远小于波导壁的宽度。也就是说，窄缝隙天线缝隙的大小相对于开缝平面的大小可以忽略不计，所以可把缝隙视为近似理想缝隙的情况。综上所述，在无体积大小限制的情况下，窄缝隙天线包围缝隙的边界越大越好。包围缝隙的边界越大，就越可把其视为理想的缝隙。
10.2.2宽缝隙天线
而宽缝隙天线一般定义为缝的长度和宽度的比值较小，缝隙距离金属平面边缘较近。此时开缝平面以及介质的大小就可以直接作为调节缝隙天线性能的参数。调节可对天线驻波比等性能参数造成很大的影响，所以宽缝隙天线包围缝隙的边界并非越大越好，一般来说宽缝天线在配合适当的馈电结构激励和边界大小的情况下，可以实现非常宽的工作带宽。但是，因为其金属板边界与缝隙之间的距离往往会对天线的性能有很大的影响，因此我们可以认为宽缝隙天线和窄缝隙天线其实是两种不同类型的天线。
如果按照缝隙天线的开槽位置来区分，一般可以区分成闭合边界缝隙天线和半开放边界缝隙天线。如图 1.4所示，这种半开缝隙天线其实是偶极子天线和渐变缝天线的一种结合形式，并且此天线的半开槽其实并非真正的开路槽，而是通过开槽的形式来把天线分成相对独立的两个辐射平面，从而形成类似偶极子天线的辐射特性。
11.宽带缝隙天线的研究现状
迄今为止，飞速发展的无线通信行业促进了天线行业的进步和扩大，国内外的学者对缝隙天线的研究已经逐渐深入，主要研究方向分两大类别，一种是在基于如何提升缝隙天线的辐射效率、拓宽工作频带以及小型化；另一种建立微带缝隙天线的具体理论和分析方法，以便解释实验结果，其中不乏有很多新颖的想法和成果。
泰国的 P.Rakluea和 N.Anatrasirichai设计了一种双 L型缝隙天线[23]，如图 1.5所示，天线的槽是由一个 L型的窄缝隙和另一个相反的 L窄缝隙组成，中心频率在 2.4GHz时驻波比小于 2以下的带宽为 322MHz，中心频率在 5.2GHz时驻波比小于 2以下的带宽有 250MHz，可达到对传统 WLAN系统频率范围的完全覆盖。
加拿大马尼托大学的S.I.Latif和L.Shafai在2004年设计了一种L和倒T字型的开放边界式的微带缝隙天线[24]，如图1.6所示，其中心频率为4GHz，其特点是带宽超过80%，且其尺寸为50mm×80mm。这种L或T字型的缝隙天线的优点在于其突破了传统缝隙天线增加缝隙宽度时所造成的缝隙和馈电线之间的阻抗失配情况，把传统缝隙天线的带宽拓展到80%甚至更高。
南京邮电大学的吕文俊等人提出了一种 T型多频缝隙天线[25]，如图 1.7所示，同样也是利用 T型缝隙的基本结构，其特点是通过采用双点馈电和电抗加载等技术控制天线在多个频段的工作特性，使天线在多个频段之间稳定工作。此天线在窄缝隙末端增加一个加载槽孔，通过对加载槽孔的尺寸进行合理调整，使得振子末端的不连续性引入的寄生电抗微调，天线的谐振特性便可在一定的频带内任意控制，从而实现天线灵活覆盖指定工作频段的要求。测试结果表明，该天线在 2.4-2.5GHz或 5.15-5.35GHz或 5.725-5.825GHz频段内有良好的驻波特性和方向特性。
空军工程大学的高向军等人设计的叉形的馈电方式的圆形宽缝隙天线[26]，如图 1.8所示，其在中心频率为 2GHz时频宽达到了 32.5%。这种新型的馈电结构为宽缝天线的设计提供了新的思路。
上海大学的张俊文和钟顺时设计了一种箭头型缝隙的天线[27]，此天线覆盖 1146-1776MHz的频率范围，带内增益在 45-65dB之间。
南京邮电大学的吕文俊还提出了一种宽缝隙且分形馈电方式的天线[28]，如图 1.9所示，天线的馈电结构是由一条长方形的微带线和一个长宽都相同的不规则可调模块构成的，天线的槽结构是在导电金属板上开出一条长方形的宽缝隙，这种馈电和槽结构的组合极大的提高整个天线与其他微波电路的兼容性。天线的频带范围为 2.66GHz到 10.76GHz之间，其利用了不规则可调馈电结构把 4.95GHz到 5.85GHz之间不需要的频带屏蔽。
11.微带天线厚度
18微米或者35微米（频率低）
