微帶線天線研究

1、 微帶天線研究摘要 通信系統(tǒng)的發(fā)展帶來了天線行業(yè)的勃勃生機(jī)，在眾多的天線類型中微帶天線已成為當(dāng)前研究的前沿之一，很具有研究前景與實用意義。特別是微帶縫隙天線，以其重量輕、剖面薄、平面結(jié)構(gòu)且易與載體共形，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成等優(yōu)點已經(jīng)引起天線工作者的廣泛關(guān)注。本文簡要介紹了微帶天線和微帶縫隙天線的分類、分析方法、主要參數(shù)，然后提出了一種三角形縫隙微帶天線。在介質(zhì)基板的一面一個三角形縫隙，另一面采用一個等腰三角形微帶線進(jìn)行饋電。通過仿真給出了天線的s參數(shù)，VSWR和方向圖。 關(guān)鍵詞：天線參數(shù)，微帶天線，微帶縫隙天線，三角形縫隙微帶天線設(shè)計 目錄 一、緒論 31.1 簡介31.2 微帶天線的

2、發(fā)展31.3 微帶天線的特點3二、微帶天線基本知識42.1 微帶天線的輻射機(jī)理4 2.2微帶天線的分析方法42.3微帶天線的主要電參數(shù) 5 2.3.1 輸入導(dǎo)納5 2.3.2 輻射電阻和品質(zhì)因數(shù)5 2.3.3 帶寬6 2.3.4 方向性系數(shù)、增益和天線效率62.3.5 方向圖7 2.4 激勵方法7 2.4.1 微帶饋電7 2.4.2 同軸線饋電8 三、微帶縫隙天線8 3.1 矩形縫隙天線9 3.1.1 輸入阻抗9 3.1.2 方向圖113.2 環(huán)形縫隙天線11 3.3 錐形縫隙天線天線12 四、三角縫隙寬縫微帶天線13 4.1 天線設(shè)計與性能134.2 軟件仿真14參考文獻(xiàn)15 一、緒論1.1

3、簡介微帶天線（microstrip antenna）是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的天線。微帶天線分2 種：貼片形狀是一細(xì)長帶條，則為微帶振子天線。貼片是一個面積單元時，則為微帶天線。如果把接地板刻出縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印制出微帶線時，縫隙饋電，則構(gòu)成微帶縫隙天線。1.2 微帶天線的發(fā)展微帶天線的概念早在1953年就由Deschamps提出，但是并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，從70年代起，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展以及各種低耗介質(zhì)材料的出現(xiàn)，微帶天線的制作得到了工

4、藝保證。微帶天線隨著應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展而開始被廣泛的研究和使用。1970年出現(xiàn)了第一批實用的微帶天線。這以后微帶天線的研究有了迅猛的發(fā)展。新形式和新性能的微帶天線不斷涌現(xiàn)，其中，許多學(xué)者和工程師對微帶天線的雙頻、多頻操作進(jìn)行了大量的研究應(yīng)用。早期發(fā)展的結(jié)構(gòu)為堆疊式與共平面式的結(jié)構(gòu)，之后隨著頻率比、極化要求以及整體天線體積上的要求，并配合不同的饋入方式而有各種不同設(shè)計結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。例如有使用多個寄生元件或兩個獨立輻射元件的結(jié)構(gòu)，有利用單一饋源或同時使用兩個獨立饋源在不同位置的設(shè)計，也有利用植入電抗性負(fù)載的設(shè)計，這些電抗性負(fù)載廣義而言包括短路同軸微帶，嵌入的微帶線，短路棒、變?nèi)荻O管、槽孔等等。在解決

5、微帶天線窄頻帶特性的問題上，各種設(shè)計不斷推陳出新，所利用的方法也不斷被開發(fā)并互相結(jié)合。例如有使用低介電常數(shù)的厚介質(zhì)基底的設(shè)計，植入貼片電阻等損耗性元件的設(shè)計，植入集成式電抗性負(fù)載的設(shè)計，在饋入端設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)、堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，寄生元件的設(shè)計，植入槽孔以及利用槽孔耦合饋電的方式等等。 但是上述方法也存在不足，有時會影響天線其它性能指標(biāo)。例如，使用短路探針加載，在縮減天線尺寸的同時，對帶來一些缺點，一方面使阻抗匹配依賴于短路探針的位置及其饋電點的距離，給制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是帶寬縮減，如若使用電抗性元件加載同樣會造成帶寬縮減，如若使用電阻性器件，雖然有助于展開頻帶，但是電阻性元件對能量

6、的消耗將降低天線的效率。因此，如何在實現(xiàn)小型化微帶天線多頻段、寬頻帶工作性能的同時，兼顧其它天線性能指標(biāo)，如效率、增益、極化等，已經(jīng)逐漸成為微帶天線研究的熱點和難點。1.3 微帶天線的特點 微帶天線一般應(yīng)用在1GHZ-50GHZ，特殊的微帶天線也可用在幾十兆赫。它的特點主要有： （1） 體積小，重量輕，低剖面，能與載體共型，除了在饋電點處要開出引線 孔外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不影響載體的空氣動力學(xué)性能。 （2） 天線的散射截面較??；不需要背腔。 （3） 電性能多樣化。不同設(shè)計的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射 范圍內(nèi)調(diào)整；可以工作在雙頻或多頻；稍稍改變虧點位置就可以得到線極化和圓極化。

7、 （4） 能和有源器件，電路集成為統(tǒng)一的組件，適合組合式設(shè)計；利于大規(guī)模 生產(chǎn)，降低了成本。 （5） 頻帶較窄；增益低。（6） 有損耗，因此效率較低。 （7）端射性能差；可能存在表面波。（8） 單個微帶天線的效率容量較低。 二、微帶天線基本知識2.1 微帶天線的輻射機(jī)理 微帶天線的輻射是由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生的。輻射對于總品質(zhì)因數(shù)的影響可描述為諧振器的尺寸、工作頻率、相對介電常數(shù)以及基片厚度的函數(shù)。理論和實驗結(jié)果表明，在高頻時，輻射損耗遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗 微帶天線的輻射可以用下圖（a）的簡單情況來說明。這是一個矩形微帶貼片，與地板相距幾分之一波長。假定電場沿微帶結(jié)構(gòu)的寬度

8、與厚度方向沒有變化，則輻射器的電場結(jié)構(gòu)可由下圖（b），電場僅沿約為半波長（/2）的貼片長度方向變化。輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。在兩端的場相對于地板可以分解為法相分量和切向分量，因為貼片長為/2，所以，法相分量反向，由他們產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量相同，因此，合成場增強(qiáng)，從而使垂直于結(jié)構(gòu)表面的方向上輻射場最強(qiáng)。所以，貼片可表示為相距/2、同向激勵并向地板以上半空間輻射的兩個縫隙（下圖c）.也可以考慮電場沿貼片寬度的變化。這時，微帶貼片天線可以用貼片周圍的四個縫隙來表示。同樣，其他微帶天線結(jié)構(gòu)也可用等效的縫隙表示。 2.2微帶天線的分析方法 天線分析的基

9、本問題是求解天線在周圍空間建立的電磁場，求得電磁場后，進(jìn)而得出其方向圖，增益和輸入阻抗等特性指標(biāo)。分析微帶天線的理論大致可以分為三類： 1. 最簡單的也是最早出現(xiàn)的是傳輸線模型(TLMTransmission Line Model)理論，主要用于矩形貼片。它將一矩形貼片天線等效為一段微帶傳輸線，兩端由輻射隙縫的等效導(dǎo)納加載，但本法基本上只能用于薄矩形貼片天線。2. 更嚴(yán)格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理論，可用于各種規(guī)則貼片，但是基本上限于天線厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長的情況。是將薄微帶天線的貼片下空間看成是由上下為電壁，四周為磁壁圍成的諧振空腔（漏波空腔）。這一模型使我們對微帶天

10、線的工作特性有了更深入的理解，并已成功地運用于精確計算厚0.005d-0.02d（d為介質(zhì)中波長）的微帶天線輸入阻抗。 3.最嚴(yán)格而計算最復(fù)雜的是全波(FW-Full Wave)理論，全波分析中常常需要使用到各種數(shù)值方法，包括空域矩量法、譜域矩量法、譜域?qū)Э狗ā⒒旌衔⒎e分方程法、共軛梯度快速傅里葉變換法、時域差分法等。從原理上來說，全波理論可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，然而要受到計算模型的精度和機(jī)時的限制。 從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題;第二種理論則發(fā)展到二維邊值的問題的求解;第三種理論又進(jìn)了一步，可以計入三維的變化，不過計算也費時的多。自然，這三種理

11、論仍在不斷的在某些方面有所發(fā)展，同時也出現(xiàn)了一些別的分析方法?；趯θɡ碚撝蟹e分方程法的簡化，產(chǎn)生了格林函數(shù)法(GFA-Green Function Approach)；而由空腔模墊的擴(kuò)展，出現(xiàn)了多端網(wǎng)絡(luò)法(MNA-Multiport NetworkApproach)，等。2.3微帶天線的主要電參數(shù) 微帶天線的設(shè)計需要用到的一些電參數(shù)有： 2.3.1 輸入導(dǎo)納 輸入阻抗或輸入導(dǎo)納是一個基本的參數(shù)，需要精確算得其值，以便在單元和饋線之間做到良好的匹配。對于任意饋電點的微帶天線，輸入導(dǎo)納可用式（2-1）進(jìn)行計算：式中，z是饋電點離拐角的距離，傳播常數(shù) 在實際情況中，因此，上是可進(jìn)一步簡化成：對于

12、同軸饋電的微帶天線，則可用得出其輸入阻抗。2.3.2 輻射電阻和品質(zhì)因數(shù) 輻射電阻可以根據(jù)W與0的大小來確定： 與輻射電阻有關(guān)的品質(zhì)因數(shù)為：已經(jīng)證明：，所以Qr可以簡化為： 其中，W和L為基片尺寸，TW為諧振時的儲能，Pr為輻射功率。2.3.3 帶寬 饋線的電壓駐波比（VSWR）小于S的微帶天線帶寬可表示為 帶寬較窄是微帶天線的一大缺點，而越來越多的研究也帶來了許多增加微帶天線帶寬的方法，例如：選用較低r值和較厚的基片、增加寄生單元、使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以及選用不同形狀的貼片或微帶線等等。2.3.4 方向性系數(shù)、增益和天線效率 天線的方向性系數(shù)定義為主波束中的最大功率密度與平均輻射功率密度之比，

13、單縫隙天線的方向性系數(shù)可表示為：增益則定義為，天線效率，其中P為輻 射功率，Pi為輸入功率，Pl為歐姆損耗。2.3.5方向圖天線的輻射電磁場在固定距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形，稱為方向圖。用輻射場強(qiáng)表示的稱為場強(qiáng)方向圖，用功率密度表示的稱之功率方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。 天線方向圖是空間立體圖形，但是通常應(yīng)用的是兩個互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖，稱為平面方向圖。在線性天線中，由于地面影響較大，都采用垂直面和水平面作為主平面。在面型天線中，則采用E平面和H平面作為兩個主平面。歸一化方向圖取最大值為一。 在方向圖中，包含所需最大輻射方向的輻射波瓣叫天線主波瓣，也稱天線波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣

14、或旁瓣或邊瓣，與主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，見圖2：全向天線水平波瓣和垂直波瓣圖，其天線外形為圓柱型；圖3：定向天線水平波瓣和垂直波瓣圖，其天線外形為板狀。圖2 全向天線波瓣示意圖圖3 定向天線 波瓣示意圖通常會用到天線方向圖的以下一些參數(shù)： 零功率波瓣寬度，指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。半功率點波瓣寬度，指最大值下降到0.707（即下降3dB)點的夾角。副瓣電平，指副瓣最大值和主瓣最大值之比。前后比等。2.4 激勵方法 大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電的位

15、置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。為此，可用格林函數(shù)法來確定微帶饋電和同軸虧點位置的影響。2.4.1 微帶饋電 有中心饋電和偏心饋電兩種結(jié)構(gòu)，饋電點的位置也決定激勵那種模式。當(dāng)天線元的尺寸確定以后，可按下法進(jìn)行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新做成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線?？捎迷S多方法激勵。如果場沿矩形貼片的寬度變化，則當(dāng)饋線沿寬度移動時，輸入阻抗隨之而變，從而提供了一種阻抗匹配的簡單辦法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改

16、變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變 。不過，稍加改變貼片尺寸或者天線尺寸，可補(bǔ)償諧振頻率的漂移。對于微帶饋電，用惠更斯原理可以把饋源模擬為貼在磁壁上沿Z方向的電流帶。在薄的微帶線中，除了饋線的極鄰近區(qū)域外，在貼片邊界上的任何地方，這個電流都很小。在理想的情況下，可假定饋源是一個恒定電流的均勻電流帶（圖2.3），邊緣效應(yīng)要求電流帶的寬度等于饋線的有效寬度，饋線對微帶天線輸入阻抗的影響表現(xiàn)為增加了一個感抗分量，此感抗可以有電流帶的尺寸來計算。2.4.2 同軸線饋電 在所有的同軸激勵情況中，同軸插座安裝在印制電路板的背面，而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)體上。對指定的模，同軸插座的

17、位置可由經(jīng)驗去找，以便產(chǎn)生最好的匹配。使用N型同軸插座的典型微帶天線示于圖2.4中。 根據(jù)惠更斯原理，同軸饋電可以用一個由底面流向頂面的電流圓柱來模擬。這個電流在地板上被環(huán)狀磁流帶圈起來，同軸線在地板上的開口則用電避閉合。如果忽略磁流的貢獻(xiàn)，并假定電流在圓柱上是均勻的，則可進(jìn)一步簡化。簡化到最理想的情況是，取出電流圓柱，用一電流帶代替，類似微帶饋電的情況。該帶可認(rèn)為是圓柱的中心軸，沿寬度方向鋪開并具有等效寬度得均勻電流帶，對于給定的饋電點和場模式，等效寬度可以根據(jù)計算與測量所得的阻抗軌跡一致性經(jīng)驗地確定。一旦這個參數(shù)確定了，它就可以用在除饋電點在貼片邊緣上以外的任何饋電位置和任何頻率。當(dāng)饋電點

18、在貼片邊緣上時，可以認(rèn)為，在貼片邊緣上的邊緣場使等效饋電寬度不同于它在天線內(nèi)部時的值。在矩形天線中，等效寬度為同軸饋線內(nèi)經(jīng)的五倍時，可給出良好的結(jié)果。圖2.4 同軸線饋電的微帶天線3、 微帶縫隙天線微帶縫隙天線（Micro Slot Antenna）的概念是由帶狀線縫隙天線發(fā)展過來的，更確切地說，是由三板傳輸線發(fā)展過來的。它有許多有用的特性，但需要注意抑制不希望的模，例如在構(gòu)成“地板”的金屬板或外導(dǎo)體之間產(chǎn)生電位差的那些模。 微帶縫隙天線的優(yōu)點是能產(chǎn)生雙向或者單向方向圖。在微帶天線的設(shè)計中，采用貼片和縫隙的組合結(jié)構(gòu)，這就額外增添了一個自由度。沿著微帶饋線一邊排列的導(dǎo)帶和縫隙的組合可產(chǎn)生圓極化輻

19、射場。微帶縫隙天線能產(chǎn)生所希望獲得的極化，且對制造公差的敏感度比微帶貼片天線要低。3.1 矩形縫隙天線 含有開在地板上并與微帶線相垂直的縫。該縫受微帶傳輸線中傳輸?shù)哪芰考睢ＮЬ€通過介質(zhì)基片同縫相短接，或是在終端開路。矩形縫隙天線可按縫寬與縫長比分為兩類：窄縫天線與寬縫天線。（a）（b）圖3.1 中心饋電與偏心饋電微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)圖窄縫天線的優(yōu)點是可在中心處激勵縫隙（稱為中心饋電縫隙，如a）,或在偏離中心某一距離處激勵縫隙（稱為偏心饋電縫隙，如b）。在偏心饋電縫隙的結(jié)構(gòu)中，選擇微帶饋線的位置，使得天線輸入阻抗同微帶線的特性阻抗相匹配，這樣可省去匹配網(wǎng)絡(luò)，一般能增大帶寬；寬縫輻射器同窄縫輻射器

20、相比，頻帶較寬（10%），對掩模制板的公差要求稍低。其結(jié)構(gòu)示于圖3.2中。3.1.1輸入阻抗 窄縫天線的等效串聯(lián)電路如圖3.2所示，輸入阻抗由輻射電阻R和電抗X串聯(lián)組成。當(dāng)縫隙諧振于設(shè)計頻率上時，窄縫天線輸入阻抗的電抗為零。中心饋電縫隙的諧振長度比偏心饋電的諧振長度要長些，對低介電常數(shù)的基片，偏心饋電縫隙的諧振長度在0.40到0.50之間，它取決于介質(zhì)材料，縫寬和饋電點位置。在任意饋電點位置下，微帶縫隙天線的輻射電阻的計算公式已有前人給出，但十分復(fù)雜。假定以電流分布是()Ixx的終端開路微帶線去激勵縫隙，則輻射電阻與縫長L,縫中心到微帶線中心的距離D等因素有關(guān)，且當(dāng) D L增大時，輻射電阻減小

21、。當(dāng)D L 0.5時，縫的諧振長度可寫為22sLl=+，其中s是縫中的波長，2l+是由于 縫端電流不為零而引入的等效縫伸長。在傳輸線某處串聯(lián)阻抗的窄縫天線等效電路，它對寬縫天線是不是用的。當(dāng)討論寬縫阻抗沿傳輸線的分布作用時，必須考慮到縫的寬度為零點幾個波長的量級。寬縫天線的等效電路示于圖3.4中。電路包含有特性阻抗為sZ和電長度為s的傳輸線段。輻射電阻同用一個同sZ相匹配的衰減器來表示，邊緣不連續(xù)性用并聯(lián)電納B來表示。為了在輸入端匹配這個網(wǎng)絡(luò)，輸出端接一純電納0B，它可以用一長度為d的開路微帶線來實現(xiàn)。諧振時，若s，則B0-2B。3.1.2 方向圖 縫隙天線的輻射場能用電矢量位法計算，它要求知

22、道縫隙橫向電廠的準(zhǔn)確值。當(dāng)縫寬比自由空間的波長小很多，即s0時，作為一階近似，縫的橫向電場可以認(rèn)為是常量。若Ex=0且Ey=E0，則遠(yuǎn)區(qū)場分量可寫成:式中，E面（ =/2 ）和H面（=0）方向圖可按E和E值并利用： 得到。微帶縫隙天線的方向圖是雙向的，若要得到單向輻射，可在微帶線導(dǎo)帶的一邊安放一塊平行于基片表面的平板反射器。3.2 環(huán)形縫隙天線 環(huán)縫天線是在介質(zhì)基片的地板上開一個圓環(huán)縫隙，用微帶線饋電（如圖所示），由于同心環(huán)形縫隙陣能獲得定向性，因此環(huán)縫天線也有非常廣泛的應(yīng)用。環(huán)縫天線產(chǎn)生的是線極化場，其遠(yuǎn)場方向圖也可用電矢量位法來計算。但精確計算其縫的場分量是困難的，在下列兩種情況下，可以給

23、出簡化結(jié)果：其方向圖可由得到。3.3 錐形縫隙天線 錐形縫隙天線適用于相控陣天線單元。線極化縫隙天線的設(shè)計是基于這一事實；即當(dāng)縫做得相當(dāng)寬時，縫隙就開始輻射。已經(jīng)證明7 ，若縫中的導(dǎo)波波長s大于自由空間波長0的40%，則產(chǎn)生輻射。 圖3.4示出一種工作在X波段的錐形縫隙天線。在這種天線上，可以控制從縫線的一部分直到開口端的輻射?？刂频霓k法是使縫隙從饋電端到開口端成錐形，并使開口端的寬度能維持0/0.6s。錐度部分的縫長度大約是0。縫隙天線用微帶線饋電。為此，可以用一個50微帶線到70縫線的轉(zhuǎn)換器。4、 三角縫隙寬縫微帶天線設(shè)計4.1 天線設(shè)計與性能設(shè)計一種三角形縫隙的寬縫微帶天線，天線采用一個等腰三角形微帶線對開在地板上的三角形槽饋電，仿真結(jié)