欢迎阅读第一章绪论一、绪论1.1课题的研究背景及意义自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。

可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。

近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。

在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。

光纤传输系统具有的传输辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。

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天线技术的发展方向之一，设计出具有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。

因此，一副实用且性能良好的天线既要满足系统易于集成化的要求，同时也要满足各个系统的兼容性、可靠性要求，即为对天线小型化、宽频带、多频带的设计要求，因此本文主要对现代无线通信系统的多频带、宽带、超宽带天线进行研究和设计。

1.2微带天线的发展概述早在1953年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[1]。

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80年代中，1.31.4第三章多频带天线设计3.1天线多频化实现技术3.2基于分形结构的多频微带天线设计3.1.1三、微带天线的小型化技术天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。

微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。

同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。

此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显着降低，带宽也会随之变窄。

如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。

当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。

3.1 天线加载在微带天线上加载短路探针[4]，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，典型结构如图3.1 所示。

其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ，这给制造公差提出了苛刻要求。

(2) 带宽窄。

(3) H 面的交叉极化电平相对较高。

将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor) ，在3.2材料)要缺陷是3.3显，入研究。

3.4缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。

可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。

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，包括主波方向、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。

3.5 采用特殊形式这些方法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，如蝶形(bow2tie) (如图3.5所示) 、倒F 型( PIFA ，planar inverted2F antenna)(如图3.6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(stacked shorted patch) 等等。

图3.5 双频带蝶型微带天线图3.6 电容加载的倒F型微带天线（PIFA）四、结束语微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。

通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计1.宽带1Sierpinski2G通话频段（（WiMAX）是小型多功能手持设备工作的重要频段，因此设计出能覆盖上述频段的天线具有实际意义...............................本文拟采用Sierpinski分形结构，利用加载谐振和匹配枝节的办法，设计一款应用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX (3.3GHz~3.6GHz)的全向辐射微带天线。

1 设计原理Sierpinski分形有Sierpinski三角和Sierpinski毯两种，其中Sierpinski三角的形式多样，应用较为广泛[9]。

Sierpinski三角形天线进行分形之前,其初始元会在低频处产生一个谐振点,随着天线分形结构迭代次数的不断增加,天线的生成元不断减小,而天线将保持原有的谐振点不变并在高频处增加新的谐振点,谐振点的个数与分形的迭代次数相等,并且在各谐振频点天线都具有相似的辐射性能。

Sierpinski 三角形分形单元如图1所示。

图1 Sierpinski 三角形分形单元Sierpinski 三角形分形结构具有多频特性，且各个谐振频点成比例。

比例系数可通过改变垫片的形状来调节，但不能无限次分形，其存在的截断效应将导致第一谐振点与其它谐振点不满足谐振频率[9] n n hc f δ26.0= （1） 比例关系。

其中，c 为空气中的光速，h 为迭代前三角形的高度，δ为天线的缩放因子。

若通过加载枝节的方法进行调节，则可以解决仅采用Sierpinski 三角形分形结构时频点位置难以调节和不能无限次分形实现多频化的问题。

加载的微带枝节长度L 和宽度W 的表示式分别为[10]其中，r εL ∆.0=∆L 2 2.1 点，宽的2.2 模型参数设计采用聚四氟乙烯材料为介质基板，介电常数（r ε）为3.5，基板尺寸为53.6mm*46.7mm*1mm 。

由式（1）可以计算求得Sierpinski 三角形分形辐射贴片的尺寸如下。

初始S ie r p i n s k i 分形单元高度：ant H = 46.7mm 初始S i er p i n s k i 分形单元宽度：W a n t = 53.6mm 第两次分形后分形单元的长度：L 1=17.1mm，L2=16.1mm, L3=25.7mm，L4=12mm第两次分形后分形单元的宽度：W1= 28.6mm，W2=12.5mm由微带贴片理论公式（2）、（3）计算加入短谐振枝节的尺寸如下。

短谐振枝节长度：L5=24.9mm短谐振枝节宽度：W4=1mm通过1/4波长阻抗转换，加入长匹配枝节的长度为：L6=34.6mm。

由于受介质均匀性、软件本身存在的仿真误差等影响，实际优化长度与理想计算长度会稍有偏差，最终设计天线以实际优化长度为主。

3 仿真优化与结果分析利用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）对天线结构、参数和辐射方向性进行仿真分析，仿真结果分别如图3、图4图5和图6所示。

图3为只有分形结构和在分形结构上分别加载短谐振枝节、长匹配枝节时天线谐振点和回波损耗的对比。

图3加入不同枝节的天线回波损耗由图3可知，当仅采用Sierpinski分形结构时，产生低频1.7GHz和高频3.5GHz两个谐振点；加入短谐振枝节，可产生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3个谐振点，与未加枝节时相比，低频1.7GHz 谐振点的位置发生前移，但产生了新的谐振点；加入长匹配枝节，产生1.8GHz、3.5GHz两个谐振点，与加入短枝节相比，低频谐振点则向后移动，频点位置有所改善，但并没有产生更多的谐振点，因此，综合考虑加入短谐振枝节和长匹配枝节对频点位置的影响，若同时加入长短枝节则可以实现该天线多频化、小型化的设计。

图4为不同的耦合距离对天线谐振点和回波损耗的影响对比图。

图4耦合间距的优化由图4看出，耦合距离的变化对天线谐振频率点位置的影响较小，但对回波损耗的大小影响较大，综合考虑3个频段的回波损耗，当耦合距离S=0.6mm时，回波损耗在3个谐振点处均达到-25dB 以下，达到最优。

图5为设计天线同时加入长短枝天线的谐振频点和回波损耗的变化图。

图5有无似对称枝节的天线结构仿真回波损耗对比由图5可以看出，同时加入长短枝节以及耦合后，既增加了2.4GHz谐振频率，也改善了低频1.7GHz的频点位置和高频谐振处的带宽。

图6为天线在1.8 GHz、2.4 GHz和3.5 GHz 3个谐振点的E面、H面辐射方向。

(a) 1.8GHz(b) 2.4GHz(c) 3.5GHz图6 天线的E面、H面方向图6中，该天线具有良好的全向远场辐射特性，说明背面采用了较窄的地结构设计该天线保证了天线在远场区等距离处辐射大小相等，实现全向辐射。

将仿真天线模型导出版图进行加工，加工实物如图7所示。

(a) 正面(b）背面图7天线加工实物4实测结果与分析将该天线通过SMA连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies E5071C 300 MHz~20 GHz)进行测试，测试结果如图8所示。

图8天线测试环境将图8中测试结果导出并与仿真结果进行对比，对比结果如图9所示。

图9 天线仿真与测试回波损耗图9中，天线仿真回波损耗在-10dB以下的频段为1.69GHz~1.85GHz、2.25GHz~2.54GHz、3.27GHz~3.69GHz，测试回波损耗在-10dB以下的频段为1.65GHz~1.83GHz，2.37GHz~4.1GHz。

与,5结语MHz）、~3.6GHz。