一、引言
随着移动通信事业在全世界范围的迅猛发展,移动电话越来越多地为人们的生活和工作提供了方便和快捷。他的可移动性、随时随地可保持通信联系等优越性是固定电话所无可比拟的。近十年来移动系统正以惊人的速度向前发展并将继续快速发展。但是这样也使得移动用户急剧增长,通信系统需要不断更新和扩容,为减小无线间的干扰并降低成本,要求天线能在宽频带范围内工作,同时满足多个系统的通信要求,实现多系统共用和收发共用,也要求天线能在不同频率下工作,这就需要同一副天线能实现双频或者多频工作。
为了满足移动通信的发展,既能适应通信系统的不断升级,又能有效解决多路径衰落问题,减少天线数量、降低天线成本,这就需要提出了双频天线。这种天线能提高天线的性能,而且在很大程度上降低了天线的成本。微带天线体积小、重量轻、可与载体共形以及易于实现双频、多频工作等众多的优点,这点也使其在移动通信领域的应用具有很大吸引力。随着卫星通信、个人移动通信的迅猛发展,微带天线双频技术引起了人们的广泛关注和深入研究。
二、研究现状
在十九世纪八十年代,赫兹用天线成功地接受到了电磁波,之后,天线技术迅猛发展,日趋成熟。利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念最早由德尚(G.A.Deschamps)[1]教授在1935年提出。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标会议,1981年在IEEE[2]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。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。微带天线在1995年由法国Gutton和Basissinot发表了专利。今天这一新型天线已趋于成熟,其应用正在与日俱增。
微带天线是一种随系统对天线要求而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线,但是因为没有较好的微波介质材料,所以在随后的几年里对此只有零星的研究,当时人们只把微带结构作为波导元器件的一种小、薄、轻又低廉的替代品。70年代期间,由于获得了具有低损耗正切特性和有吸引力的热特性及机械特性的良好基片,改进的照相平板印刷技术和更好的理论模型,使微带天线取得突破性的进展。最早的微带天线是Howell和Munson在二十世纪七十年代初期研制成的。之后,世界各国的研究人员对微带天线的贴片形状、馈电技术、基板构造和阵列排列等方面作了大量的研究,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。如今,微带天线以其重量轻、体积小、成本低、共形结构、以及与集成电路兼容等优点,成为天线家族中充满生命力的一个分支。如今,这种新型天线技术已日趋成熟,其应用正在与日俱增。
早期微带天线具有频带窄,极化纯度差、寄生馈电辐射大、功率容量有限等不足。因此微带天线的大部分研究工作都是为了克服这些缺点,以便满足系统对天线愈来愈苛刻的要求。这些工作所取得的进展使得微带天线的发展和应用前景变得更为广阔。众所周知,微带天线最大的特点就是自身很薄,可以紧贴飞行体表面,可以把其做成与飞行体共形,这样就不会影响飞行体的气动性能,此外,用微带天线综合所需方向图时,可将馈电系统、匹配系统及电扫描的移项系统等集合到一起,省去大量连接元件和调整元件,使天线的结构更加紧凑,从而具有生产成本低、可靠性高、应用的频率范围也较宽,可以制成各种方向性要求的天线等优点。
现在微带天线已经广泛的应用于移动通信系统。主要具有造价低、低剖面、体积小、重量轻等特点。但是微带天线一个最主要的缺点就是他的窄频带特性。
传统的手机天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类。早期受制造工艺的影响只能采用外置天线,这种天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单、费用相对低。缺点是天线暴露在机体外易损坏、天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害、接受和发送必须使用不同的匹配电路等。随着制造工艺的改进,内置天线很快被手机制造商所重视,它具有一些非常诱人的优点,如可小型化、不易损坏;而且可以安装在手机内部,加上反射层之后可以减小天线对人体的辐射;在隔离接收与发射频段方面也相当简便,不需要双工器。若采用E场和H场元件分集技术,则不必附加独立的分集天线;设计参数通过最优化手段实现体积小、成本低、并能增加带宽,同时提高对垂直和水平极化波的接收灵敏度,实现更好的全向辐射特性,容易设计出双频段的内置集成微带天线。
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