1.1课题研究的目的

无线通信设备现在无处不在，并且它们的使用正在稳步增长。 这些设备包括AM和FM无线电，蜂窝移动电话，平板电脑，笔记本电脑，卫星电话和接收器，全球定位系统（GPS）设备，射频识别（RFID）系统等等。天线是这些设备不可或缺的一部分，在定义这些设备的性能方面发挥着重要作用。因此，应小心执行任何无线设备的天线设计，以保证良好的系统级性能。

随着微制造技术的发展，通信设备的其他部分的尺寸已经大大减小，但是减小天线的尺寸仍然是困难且具有挑战性的任务。许多新的无线通信标准，包括Wi-Fi，第四代/长期演进，全球微波接入互操作性等定义在700 MHz-6 GHz的频率范围内。传统天线的长度量级约是其谐振频率对应的波长的一半，因此，在这些标准的较低频带工作的传统天线长度将非常大，在700MHz下约为214mm，很明显，这样的长度远远超过许多实际装置的规格，包括基于RFID的卡，移动电话，平板电脑以及其他便携式终端。因此，小型化在天线的设计与优化方面显得尤为重要^[1]。

在各种天线中，微带天线在过去的几十年中受到了相当大的关注，因为它们具有外形小巧，重量轻，易于制造和与RF器件集成，这使它们非常适合用于紧凑型无线设备^[2-3]。虽然微带天线在小型化方面体现出了很强的优势性，然而与其他天线相比，具有相对带宽较窄^[4]、频带窄，微带天线的带宽与谐振频率之比仅仅0.7%~5%；损耗较高，微带天线的损耗不仅包括金属导体的涡流损耗还包括介质损耗；同时，单独微带天线的增益较低，仅为5-8dB等缺点。这些缺点极大的限制了它的应用领域和范畴。但由于微带天线的众多优点和广泛应用，利用改进方法研究开发出性能优良的天线以便更好的满足实际应用的需求有着重要的现实意义^[5]。

按照微带天线辐射单元的形状，微带天线包括贴片天线（MPA），振子天线，行波天线与缝隙天线四类。MPA是一种众所周知的平面印刷天线，其操作理论得到了很好的发展，其中一些设计在分析和数值上进行了彻底分析，这些理论为天线工程师更好地理解它们的性能特征提供了很多帮助^[1]。

此次研究中，我们主要以MPA为研究对象，以HFSS为辅助工具，探讨天线设计与优化方法。在优化方面，所有理论都得出了相同的结论，即天线的大小只能以其带宽和增益为代价来降低^[6]。单方面的追求小型化、宽带宽或者高增益，致使天线其他性能不能很好的满足应用是顾此失彼的。因此，研究天线尺寸优化办法的同时尽量保证天线其它特性是我们主要的关注点。

1.2国内外研究现状

早在1953年德尚(G.A.Deschamp)教授就己经提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是在随后的近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要，芒森(R.E .Munson)和豪维尔(J.Q .Howell)等研究者制成了第一批实用的微带线。在80年代，微带天线无论是在理论与应的深度和广度上都获得了进一步的发展。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深入的研究。基于其许多优点，微带天线得到了广泛的应用，并且在微波天线这个广阔的领域里，构成了一门具有自己特色的新研究领域。今天这一新型天线己经趋于成熟，其应用正在与日俱增^[7]。

近年来微带天线技术迅速发展，微带天线设计上的多样性可能超过了其他任何一种天线形式^[7]。在过去近30年里，研究者己经开发了多种减小微带天线尺寸的方法，并有很多的文献介绍^[8-11]，如采用电阻加载的小型化微带天线尺寸不超过60mm×90mm^[12]；短路探针加载技术可以使微带天线尺寸缩减到20mm×30mm^[13]；接地面上开槽(缝)的圆形贴片天线直径可缩减为20mm^[14]。

在实现宽频带方面，Wang,Bo和Zhang, Fushun提出了一种用于移动通信的宽带平面天线^[15]。所提出的平面天线包括四对弧偶极子，用于不平衡-平衡变换的平衡-不平衡变换器，以及用于增益增强的导体接地。测量结果表明，这种天线可以实现1.7-2.4 GHz的带宽或34.1％的相对带宽，回波损耗大于10 dB，可以覆盖GSM / PCS / UMTS频段。此外，该天线在整个工作频带内的峰值增益为3.4-4.2 dBi，辐射效率超过81％。