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Low-Profile Antennas

Gijo Augustin, Qinjiang Rao, and Tayeb A. Denidni

Contents

Introduction ..................................................................................... 1532 The Terminologies: Low-Profile Antennas and Electrically Small Antennas ............. 1533

Why Low-Profile Antennas Are Important? ............................................... 1535

Design Fundamentals and Limitations ......................................................... 1536 Miniaturization Techniques ................................................................. 1536

Fundamental Limitations ................................................................... 1538

Types of Low-Profile Antennas ................................................................ 1539 Dipole-Based Designs ...................................................................... 1539 Slot Antenna Designs ....................................................................... 1546

Loop Antennas .............................................................................. 1552

Microstrip Patch/Planar Inverted F Antenna ............................................... 1556

State-of-the-Art Designs .................................................................... 1559 Conclusion ...................................................................................... 1561 Cross-References ............................................................................... 1561

References ...................................................................................... 1562

This chapter provides a broad discussion on the progress in low-profile antenna design and their applications. The antennas are divided broadly into dipole-based antenna designs, slot antennas, loop antennas, and microstrip patch antennas. In addition to the basic concepts, a literature review that outlines state-of-the-art

G. Augustin (*) bull; T.A. Denidni

Centre for Energy, Materials and Telecommunication, National Institute of Scientific Research

(INRS), Montreal, QC, Canada

e-mail: gijo@ieee.org; augustin@emt.inrs.ca; denidni@emt.inrs.ca

Q. Rao

Blackberry Limited, Kanata, ON, Canada e-mail: raoqinjiang@hotmail.com

# Springer Science Business Media Singapore 2016 1531

Z.N. Chen et al. (eds.), Handbook of Antenna Technologies,

DOI 10.1007/978-981-4560-44-3_55

designs along with recent trends in this field is incorporated. The objective of these discussions is to enrich the readers with conceptual knowledge in this marvelous field of engineering.

Dipole antenna bull; Low-profile antenna bull; Compact antenna bull; PIFA bull; Loop antenna bull;

Microstrip antenna bull; Printed strip dipole bull; Slot fed antenna bull; Open sleeve dipole

介绍

在这个现代的时代，世界正经历着几乎每一阶段的巨大的科技智慧。科学和工程交叉学科领域的发展为各种应用提供了强大的工具。无线通信的宏伟领域也不例外;它已经经历了巨大的发展，从无线键盘到复杂的航天飞机以及复杂的通讯模块等一系列产品。本世纪最杰出的革命之一是无线通信领域的进步，引进了智能手机和平板电脑，这些计算机与大量的服务相结合。这些手持设备结合了各种无线通信组件，这些组件在设计上比十年前的版本要复杂很多。人类文明在没有边界的情况下交换数据的推动，在这个令人惊叹的技术领域取得了进一步的进步。这使得大多数信息技术产业投资于无线通信系统。例如，苹果公司(Apple Inc.)和谷歌公司(谷歌Inc.)为硬件开发开设了几个研发中心。这些进步导致了无线通信领域的巨大扩展，在我们日常生活中遇到的大多数设备都配备了一种或其他形式的无线通信单元。

在天线工程师的角度，天线设计策略在过去的三十年里有了很大的改变。无线通信领域的巨大扩张产生了现代系统，这些系统需要先进的低姿态天线用于新进化的系统。其中一个关键的区别是，将不同的通信段集成到现代的移动电话中。这使得它们比传统的语音通信系统更先进。这需要仔细地集成多个低配置的天线，与老式手机上的单个射频模块设计形成对比。例如,天线采用当前的智能手机和平板电脑,比如苹果的iPhonereg;或谷歌Nexusreg;,各式各样的先进与套筒偶极天线用于第一个商业手持手机,摩托罗拉8000年强啡肽TAC,1983年引入(摩托罗拉DynaTAC)。除了智能手机之外，无线通信领域还拥有多种类型的系统。其中一些是智能手表、近场通信(NFC)设备、无芯片RFID、可穿戴系统、医疗传感器等等。这些复杂的系统引入了广泛的低姿态天线设计挑战，需要在不降低整体系统性能的前提下解决。例如，现代通信单位需要遵守严格的规范，如特定的吸收比(SAR)，以便通过各种管理部门的规定。本章主要介绍四类低姿态天线的基本工作原理、最先进的设计和最近的趋势。这包括基于双槽的设计、槽天线设计、环状天线和基于微带的低姿态天线(图1)。

图1移动通信设备(a)第一款商用手持式手机，由摩托罗拉DynaTAC 800X(摩托罗拉公司出品)(b)智能手机从苹果公司(Apple Inc.)的iPhone 6(转载自苹果公司)

术语:低姿态天线和电小天线。

图2经典低姿态天线(a)微带贴片天线，(b)锥形槽天线(c)平面倒F天线(PIFA)

bull;低姿态天线:牛津词典将“profile”定义为“结构的垂直横截面”。因此，将低姿态天线定义为具有相对较小的垂直横截面的天线是相当容易的。对低姿态天线的早期定义之一是在Stutzman和Davis(1998)中定义为“小物理厚度的天线”。“这一术语经过多年的演变，被用来表示相对较小的物理截面积的天线，它的作用是波长()。一些著名的低姿态天线是微带贴片天线、平面反向- f天线(PIFA)、槽天线和环状天线。一些经典的低姿态天线如图2所示。

电小天线(ESAs):小型天线经常与低姿态的天线混淆。即使低姿态的天线是电小的，所有低姿态的天线都不属于电小天线的定义。一个被广泛采用的定义是哈罗德·惠勒在他的1947年的论文(Wheeler 1947)。这将ESA定义为一个天线,可以封闭在一个球体的半径r =lambda;/ 2pi;= 0.0796lambda;称为辐射领域,如图3所示。天线的IEEEE标准定义(“天线的IEEE标准定义”1993)定义了电小天线为“一个天线，它的尺寸是这样的，它可以被包含在一个直径小于操作频率的范围内。这些定义表明，电小天线不一定是物理上小的。事实上，马可尼在早期无线通信(19世纪90年代)使用的一些历史天线很小。经典的欧空局是一种重新加载的偶极子，在特殊的核心材料上制造的环状天线，以及介电谐振器天线。

作为对术语的结束语，需要注意的是，“lowprofile”是一个比较术语，而电小天线和低姿态天线之间的边界很难绘制。另一方面，电小的天线被清晰地定义为比辐射球体小的天线。因此，所有低姿态天线不一定是电小天线。这

本章讨论了各种低姿态天线，其中一些天线可以满足电小天线的标准定义。图3基于Wheeler的电小天线定义(1947)

为什么低姿态天线很重要?

历史观点:低姿态天线的重要性从通信时代的开始就得到了确认，天线是一个巨大的结构，需要在有限的空间中进行部署。真空管和其他相对较高的电源的发明使得早期的研究人员可以通过开发更紧凑的天线系统来扩展这项技术。在20世纪30年代前后，各种各样的技术，如磁性材料的天线和槽形天线，都得到了实现，并可供实际使用。这导致了各种电小天线的发明，如螺旋天线和微带贴片天线。在这段时间之后的几十年里，一些天线设计吸引了全球各地的研究人员，他们致力于开发低姿态的天线和电小天线(Fujimoto 1987)。这项技术的一些最初应用是安装在地面车辆上的无线电通讯系统。在第一次世界大战和第二次世界大战期间的特殊情况下，我们加快了研制更紧凑、更低姿态的天线的研究。20世纪末，移动通信领域出现了极端的发展，在低姿态天线的发展方面取得了进一步的进展。在这个时代，对小型和低配置天线的需求的严重增加主要是由于科学和工程的各种跨学科领域的进步，导致几乎所有类型的无线通信设备都出现了系统级的收缩。很少有关键的例子包括像平板电脑和智能手机这样的无线通讯系统。今天，消费者市场也为这些新一代通信设备提供各种无线通信配件。

重要和设计挑战:无线通信设备内部的集成电路，按照摩尔定律高度密集;与此同时，天线尺寸的减少相对较少(Schaller 1997)。这是因为电子芯片的尺寸是以制造技术为基础的;同时，天线的大小是基于物理学的基本原理。减少天线大小的直接后果之一是系统效率或带宽的下降。因此，尽管存在这一基本的障碍，工业生产电小天线的需求使得这个研究领域具有高度的挑战性和显著的吸引力。

• 设计原则和限制
• 在这一节中，我们概述了各种低姿态天线的典型设计策略，以及实现它们的基本限制。
• 小型化技术
• 天线设计中采用了各种微型化技术，以开发低姿态和电小天线。这些技术大多集中于令人兴奋的基本共振模式，其中包括一些有助于克服传统天线(如偶极天线和微带贴片天线)结构限制的元素。
• bull;谐振长度的修改:这是一种常用的微型化技术来修改天线轮廓。在这种技术中，电流路径的改变方式是，它比符合天线结构的两点之间的直接距离要长。如图4所示，设计实例包括倒l型天线、螺旋天线和槽载微带贴片。虽然这提供了微型化，但在设计过程中必须格外小心，以避免由于相反方向的表面电流而导致的磁场被取消，否则会导致辐射效率的极端降低。
• bull;使用具有高介电常数的材料:作为一般的设计规则，天线结构可以在不同的模式下激活。与最低频率相对应的模式称为主导模式。每个谐振模式都提供不同频率的辐射，并具有自身的辐射特性。天线拓扑需要谐振长度约lambda;g / 2,在lambda;gfrac14;lambda;0 = peffiffiffiffiffiffiffieff;;lambda;0是自由空间波长,εeff是天线的有效介电常数材料。上述关系表明，通过介质的波长与材料的有效介电常数成反比。这表明，利用高介电常数基板可以降低天线的整体尺寸。例如，介电谐振器天线可以通过高介电性材料实现，从而使天线尺寸减小到0/20。然而，由于天线质量因子(Q)的高值，天线材料的介电常数的增加会导致带宽的降低，这也增加了材料的介

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