微带天线及有源加载天线综述教材.docx
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微带天线及有源加载天线综述教材
微带天线及有源加载天线综述
摘要
微带天线由于重量轻、制作简单、成本低、易于与载体平台共形以及适合组阵等诸多优点，广泛应用于各种移动地面设备，以及飞行载体电子设备。
但微带贴片天线同时有是阻抗带宽窄、增益低等缺点。
这些缺点大大限制了它的应用范围。
一直以来，有关天线小型化与宽带化的新理论与新技术都是天线领域的研究热点，随着高性能电子器件的不断涌现，越来越多的新技术从理论走向了实践，天线的带宽也因此而做的越来越宽，但是为了有效地实现电磁能量的转换，在设计天线时需保持一定的天线尺寸，因此天线小型化常难以实现。
有源天线既易于实现天线的小型化，且能够实现通信天线的宽频段要求，因而越来越引起人们的关注与研究。
第一部分，本文较详细地描述了微带天线的结构特性和辐射特性，并通过运用HFSS设计了一个中心频率为2.45GHz的矩形微带天线，分析其阻抗特性及方向图等诸多天线性能参数。
第二部分，首先介绍了几种主要的天线小型化宽带化技术，然后着重研究了有源加载天线的加载方式和分析方法，最后简要探讨了两种有源加载天线，并分析其性能参数，旨在引导后续进一步的研究。
关键词：
微带传输线；天线设计；有源天线；小型宽带化；加载
目录
摘要I
一、微带天线简述及其HFSS仿真1
0绪论1
1微带天线的基本理论2
1.1微带天线的结构和特点2
1.2微带传输线的基本特性3
1.3微带天线的辐射特性3
2微带天线的HFSS仿真设计5
2.1微带天线模型及设计参数5
2.2天线性能指标及分析7
3总结9
二、有源加载天线简述10
0绪论10
1有源天线的研究现状10
2天线的小型化和宽频带技术11
2.1天线的小型化技术12
2.1.1加载技术12
2.1.2采用特殊材料基片14
2.1.3采用特殊形式，优化天线的外形结构14
2.1.4分形技术15
2.2天线的宽频带技术17
2.2.1缝隙以及耦合技术17
2.2.2利用宽带匹配网络实现天线小型化和宽频带特性17
3加载天线的研究18
3.1介质加载18
3.2顶部加载19
3.3分布加载21
3.4集总元件加载22
3.5有源加载23
4有源天线24
4.1有源天线的发展历程24
4.2有源集成天线的分类25
4.2.1振荡器型有源微带天线26
4.2.2放大器型有源微带天线26
4.2.3频率变换型有源微带天线26
4.2.4有源集成天线的收/发模块26
4.3有源集成天线的优点27
4.4有源天线的小型化及等效模型27
4.5几种典型的有源天线30
4.5.1基于加载变容二极管的电扫描天线30
4.5.2基于加载有源网络的微带贴片天线31
参考文献35
一、微带天线简述及其HFSS仿真
0绪论
通信、雷达、遥感、广播、电视、导航等无线电设备，都是依靠无线电波来工作的，都需要无线电波的辐射和接收。
例如，最基本的无线电通信系统如图0-1所示。
在某地的发射系统由发射机、馈线和发射天线组成；在另一地的接收系统由接收机、馈线和接收天线组成。
信号经发射机调制成高频电磁能量，以导波的形式经馈线送至发射天线。
发射天线将该能量转换成空间辐射的某种极化的无线电波。
电波按指定方向经过一定放射传播之后到达接收端，一部分规定极化的电波能量经接收天线转变成导波形式的高频电磁能量，经馈线送至接收机，最后经解调取出信号，完成信息的传送。
图0-1无线电通信系统最简单框图
我们把辐射或接收无限电波的装置称为天线。
从通信系统信息传递过程看出，天线主要完成导行波（或高频电流）与空间电波能量之间的转换，因此称天线为能量转换器。
为了有效地完成这种能量转换，要求天线是一个良好的“电磁开放系统”，还要求天线与它的源或负载匹配。
其次，为了有效地利用信息能量，保证信息传递质量，要求发射天线尽可能只向需要的方向辐射电磁波，接收天线也只能接受指定方向的来波，尽量减少其他方向的干扰和噪声。
人们把天线的这种辐射或接收电波能量与方向有关的性能称为天线的方向特性。
不同的无线电设备要求天线的方向特性是不同的。
另外天线应能发射或接收预定极化的电磁波，并应有足够的工作频率范围。
以上四项就是天线最基本的功能。
在20世纪50年代左右德尚教授曾提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念，真正广泛地应用是在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之时。
70年代是微带天线取得突破性进展的时期。
微带天线最初作为火箭和导弹上的共形全向天线获得了应用，现在已被广泛应用于大约100MHz~100GHz的宽广频域上的大量无限电设备中，特别是在飞行器和地面便携带式设备中。
1微带天线的基本理论
1.1微带天线的结构和特点
简单来说，微带天线是带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
因此，微带天线也可以看成是一种缝隙天线。
如果把接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线对缝隙馈电，则把这种微带天线称为微带缝隙天线。
因此我们可以按照结构特征将其分为微带贴片天线和微带缝隙天线。
如图1-1所示。
所示通常介质基片的厚度与波长相比时很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。
图1-1微带天线示意图
由于微带天线具有多样化的几何形状和尺寸，其特征是比普通的微波天线具有更多的物理参数。
微带天线主要有如下一些优点：
（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，并且由于除了在馈电处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。
（2）性能多样化。
不同的设计单元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元件还可以再双频或多频方式下工作。
（3）能和有源器件、电路集成成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。
与其他天线相比，微带天线具有如下一些缺点：
（1）相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线。
（2）损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。
（3）单个微带天线的功率容量较小。
（4）介质基片对性能影响很大。
介质基片的生产如果出现了不均匀现象时，会影响到微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。
1.2微带传输线的基本特性
因为研究微带天线的辐射特性，需要以微带线为基础。
另外两者的结构十分特点类似，因此首先将简述微带线的基本特性。
图1-2是标准微带线的结构及其主模横向电磁场的分布图。
微带线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。
导体带宽度为w，厚度为t，介质基片高度为h，相对介电常数为
。
微带线是一种开放线路，因此它的电磁场可以无限延伸。
这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（空气和介质）构成。
图1-2微带线及其场结构
我们知道，只有填充均匀介质的传输线才能传输单一的纯横向场--TEM模。
现在由于空气—介质分界面的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量（包括纵向分量）的混合模。
不过，在频率不太高的情况下，基片厚度远远小于工作波长，能量大部分集中在导体带下面的介质基片内，而且此区域的纵向场分量很弱，因此微带传输线的主模与TEM模分布很接近，故称为准TEM模。
1.3微带天线的辐射特性
分析微带天线的最简单的理论模型是传输线模型。
传输线模型主要用于矩形微带贴片分析。
该模型将矩形微带看成为场沿横向没有变化的传输线谐振器，见图1-3。
场沿纵向呈驻波变化，辐射主要由开路端处的边缘场产生。
因此，矩形微带天线可表示为相距b、长为a、高为h的两条平行辐射缝隙，如图1-4所示。
图1-3矩形微带贴片天线图1-4传输线模型示意图
传输线模型将矩形微带天线贴片看成为场沿横向（a边）没有变化的传输线谐振器。
该模型的基本假设为：
（1）微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，波的传输方向决定于馈电点。
线段长度b≈λm/2。
场沿传输方向为驻波分布，而在其垂直方向是常数。
（2）传输线的两个开路端（a边）等效为两条辐射缝。
由基片假设知，当b=λm/2时，二缝上切向电场均为x方向，且等幅同相。
它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于二倍磁流向上空间辐射。
图1-5是其物理模型及其等效电路。
图1-5传输线模型及其等效电路
这里不再进行复杂的公式推导，直接给出微带贴片天线的谐振频率
的计算式如下：
（1-1）
其中
由施耐德的一个经验公式给出：
（1-2）
由哈默斯塔德的一个经验公式给出：
（1-3）
由上述讨论可见，传输线法简明、物理直观性强。
但是它的应用范围受到很大的限制。
首先，传输线模型限制了它只能应用于矩形微带天线及微带振子。
虽然圆形微带天线也可以有径向传输线与之对应，但一般不常用。
传输线的另外一个主要的缺点是，除了谐振点外，输入阻抗随频率变化曲线是不准确的。
由于传输线模型是一维的，因此当馈电点的位置在与波垂直的方向上变化时，阻抗不变；其次传输线模型相当于一个单谐振回路，在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称的，用原图表示的阻抗曲线对称于实轴。
上述两点均与试验不符。
实验表明，阻抗曲线与馈电的二维位置有关，并且当馈电点由边缘向中心移动时，阻抗曲线的不对称逐渐显著，并向电感区收缩。
这种计算与实测的差异，源于传输线法本质性的缺陷。
因为微带天线并非只存在最低阶的传输线模式，还有其他高次模式场的存在，在失谐时这些模式将显示其作用。
一般来说，传输线法较适用于在辐射边附近馈电，并且馈电点位于该边的对称轴上，此时计算出的阻抗曲线才有较大的参考价值。
2微带天线的HFSS仿真设计
2.1微带天线模型及设计参数
下面设计一个中心频率为2.45GHz的矩形微带天线，并按照要求给定处其天线参数。
介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂（FR4Epoxy）板，天线馈电方式为微带线馈电。
天线中心频率为2.45GHz，扫频范围设置为1.5GHz~3.5GHz，使用快速扫频。
传输线的终端选择波端口激励，端口地面和参考地相接，端口高度设置为基片高度的8倍，端口宽度设置为微带线宽度的8倍。
微带天线的介质基片的厚度为h=1.6mm，介质的结点相对介电常数
，根据上述微带天线各项指标的计算，下面给出天线的尺寸如表2-1所示。
表2-1微带天线尺寸定义
结构名称
变量名
变量值（单位：
mm）
介质基片
厚度
H
1.6
辐射贴片
长度
L0
28
宽度
W0
37.26
1/4波长阻抗转换器
长度
L1
17.45
宽度
W1
1.1
50Ω微带线
长度
L2
15
宽度
W2
2.98
最后设计的HFSS模型图如图2-1所示。
图2-1矩形微带天线的HFSS设计模型
2.2天线性能指标及分析
当设计好天线模型并设置边界条件、端口激励以及求解设置后，我们进行仿真计算。
S11分析结果
最后生成的S11分析结果如图2-2所示，从结果中可以看出，此时的谐振频率为2.46GHz，与预估的2.45GHz相差不大。
且在谐振频率为2.46GHz处，S11的值约为-29.69dB。
由图可以看出，曲线在2.46GHz附近出现波谷，在2.46GHz附近功率反射系数最大，达到-29.69dB。
说明在该频率匹配到最佳，具有良好的辐射特性。
另外可以图中曲线开口较窄，表现出微带天线频带窄的特点。
图2-2S11扫频分析结果
驻波比
微带天线的驻波比仿真图如图2-3所示。
由仿真结果可以看出，
时的绝对带宽达到了110MHz（2.40~2.51GHz），相对带宽约为5.5%，完全覆盖了无限传感器网络系统所需求的ISM2.4GHz频段（2.4000~2.4835GHz）。
图2-3微带天线的驻波比
xz、yz截面上的增益方向图
在结果中可以查看天线在xz、yz界面上的增益方向图，如图2-4所示。
由图可以看出，在yz界面上，后瓣较小，天线具有很好的向前辐射特性。
图2-4天线在xz和yz截面上的增益方向图
三维增益方向图
利用类似的方法，可以得出微点天线的三维增益方向图，如图2-5所示。
图2-5矩形微带天线的三维增益方向图
3总结
微带天线现已应用于工作在大约100MHz~100GHz的宽广频域上的大量无线电设备中，特别是在飞行器上和地面便携式设备中。
微带天线的特征是比通常的微波天线由更多的物理参数，它们可以有任意的几个形状和尺寸，但其固有的缺陷时频段窄，损耗较大等。
然而近几年它的一些缺点也正在研究克服中。
例如，现在采用孔径耦合的层叠式结构的微带天线，其阻抗带宽已达到69%左右，因此它有广阔的应用前景。
一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于卫星通信、导弹测控设备、导引头、环境检测设备、共形相控阵等。
微带天线在地面设备上应用也有其优势，特别是较低功率的各种军用民用设备，例如医用探头、直播卫星的接收天线等，由于微带天线能集成化，使得它在毫米波段的优势更加明显。
二、有源加载天线简述
0绪论
如今的电子科技产品日新月异，对其实用性与便携性的要求也越来越高。
随着越来越多的性能卓越的元器件的研制成功，使得更多理论上可行的新技术的实现成为可能。
对于天线产品来说，其性能的好坏直接影响通信系统的效率及传输信号的稳定性与可靠性，所以对天线产品的新理论与新技术的研究一直以来都是天线工作者的研究热点。
天线作为向外辐射与接收信号的载体，有很多值的我们关注的性能参数，而从天线的适用性与实用性的角度出发，我们更关心的是天线的工作带宽与尺寸大小。
在设计天线时，我们更希望在相同的工作条件下天线所能适用的工作频带更宽，以及在相同的性能指标下天线所能实现的实际尺寸更小。
换句话说，我们更希望实现天线的宽带化与小型化。
天线的带宽一直都是衡量天线性能指标的一个重要参数，其带宽的定义通常也分为相对带宽与倍频带宽两种。
对于窄带天线我们通常用相对带宽的定义方式（即天线的上、下限工作频率之差与天线的中心工作频率之比），而对于宽带天线通常用倍频带宽（即天线的上、下限工作频率之比）。
上个世纪50年代以前，天线多为窄带天线，其倍频带宽一般不大于2。
随着频率无关天线概念的提出，宽带天线的发展出现了突破，先后出现了平面等角螺旋天线、圆锥天线以及对数周期天线等新的天线形式。
这些新型的宽带天线，都能通过天线的结构设计大大拓展其工作带宽，其倍频带宽己能达到40甚至更大。
相对于无源天线而言，有源天线做到了有源器件与无源天线的一体化。
引入的有源网络部分有效地提高了天线系统的增益，却不影响天线的方向性。
有源天线通过合理的电路设计，目前己在接收天线中得到了部分的应用，但仍需进一步地改善天线系统的稳定性等问题。
而有源发射天线，由于存在功率容量受限的问题，目前还未得到广泛的应用。
随着新器件的产生，有源天线理论会越来越成熟，其技术上的受限问题也会慢慢地得到解决，在有源天线理论的基础上引入新的宽带化技术便可以为宽带有源发射天线的实现提供有效途径。
1有源天线的研究现状
有源天线理论的发展是与电子器件的发展水平密切相关的，随着电子器件性能的不断翻新以及新型电子器件的研制成功，有源天线技术也得到了不断地改进。
大体上我们可以将有源天线理论划分为电子管时代、场效应管时代以及基于微波集成技术和微带天线技术的有源天线研究的新时代。
电子管时代是有源天线发展的开始阶段，最早在1928年出现了有源天线的概念。
该阶段是带有电子管的有源电小天线首次应用于无线通讯设备中，由于电子管的性能较差，有源天线的实现还存在很多技术上的难题。
而随着场效应管以及截止频率更高的晶体管的出现，有源天线技术取得了长足的进展。
先后出现了最早使用微带天线技术的有源天线以及基于固态器件与集成电路技术的微型化有源天线。
到20世纪80年代以后，有源天线技术已经逐渐成为天线工作者研究的热点。
空间功率合成技术的提出和控制波束扫描方法的涌现都促进了有源天线理论的发展进入了一个新的阶段。
近几年，各种各样的有源天线的新理论与新技术不断地涌现，包括能够实现天线宽带化的新的天线模型以及能够改善天线性能的新的处理方法，大大地丰富了有源天线理论，并为有源天线技术的研究指明了方向。
下面通过介绍几家国际运营商提出的有源天线技术来帮助我们了解该领域的最新进展。
诺基亚西门子在2011年第1季度提出了AAS的概念，并于2012年第2季度推出成型产品。
AAS将RRU基站设备进行模块化设计，同传统无源天线阵元连接为一体，实现单阵列双极化的有源天线系统。
阿尔卡特朗讯在2011年提出lightradio的概念，将单个宽频天线单元和多频段RRH集成在一起成为一个小型化的射频辐射单元，集成了双工器、射频、功放和天线，能够覆盖从700MHz到2.6GHz的所有频段。
在2012年的亚洲移动通信博览会，中兴通讯在业界首次推出LTEBeamHop整体解决方案。
该解决方案产品包含无源和有源两个部分，无源部分可用于替换运营商原2G/3G站点天线，如网络需向LTE演进，而新增的LTE网络可以通过有源部分实现，并且LTE射频部分集成到天线内部，实现了在传统2G/3G网络上不用新增天面空间即可再叠加一张LTE网络，使得现有天线站址空间得到充分利用，减少了工程施工难度。
该方案的高集成度提升了基站发射功率和接收机的灵敏度，可以较好的改善网络容量和覆盖。
2天线的小型化和宽频带技术
随着信息科技的发展，以现代无线通信、卫星通信、舰船通信以及雷达隐身为代表的各种军用以及民用电子设备都在朝着小型化与微型化方向发展，各种无线传递方式对电子技术的应用提出了越来越高的要求。
尤其是在一些军用特殊领域，如引信、制导系统，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。
天线作为通信设备中的前端部件，对通信质量起着至关重要的作用，传统的天线形式和功能在一定程度上不能跟上电子器件小型化发展的需求，现代无线通信系统要求天线向小尺寸、宽频带、高效率、大容量、易安装、多功能等方向不断发展。
在飞行器隐身应用领域，当飞行体本身的雷达散射截面减小后，具有小型化、高效率和低RCS特性的天线设计将日益成为飞行器电磁隐身技术研究和开发中备受关注的对象。
微带天线和印刷贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易与飞行器共形、以及易于与有源器件和微波电路集成的特点，目前广泛应用于雷达、卫星通信、移动通信、以及各种无线通信设备当中。
因此本章讨论的天线小型化及宽频带特性主要是针对微带天线和印刷贴片天线而言。
为了提高无线通信收发系统的工作性能和工作效率，宽频带、多频带小天线的研究和开发日益成为天线研究领域中一个很重要的课题。
开展对天线小型化、宽频带特性的设计研究具有十分重要的意义。
2.1天线的小型化技术
2.1.1加载技术
用包括导体在内的集总元件、高介电常数材料对天线加载，以及采用接地平板和用天线周围的环境等是实现天线小型化设计的主要手段，这些技术已在天线工程特别在移动通信领域中得到了广泛应用。
其中最为感兴趣的问题可能是将这些技术结合在一起用于天线的设计。
（1）无源集总元件的加载是最为直接和最为简单的加载技术也是工程中最为普遍采用的方法。
可通过在天线的适当位置接入电阻、电抗或导体来构建。
由于天线长度远小于半波长时将呈现出很强的电抗性输入阻抗，加载可以对其进行补偿，改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率或者在同样的工作频率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。
但如果加载的元器件是有耗的，则将使天线的辐射效率降低。
图2.1是采用电容和电感共同加载的平面倒F天线（PIFA），由于加载电容和加载电感可使PIFA的谐振电长度分别具有加长和缩短的效应，通过加载、短路技术以及通过调整天线的参数和LC参数，该天线可工作在双频段。
图2.1采用电容电感加载的PIFA
（2）利用短路技术来减小天线尺寸非常常见。
微带天线上加载短路探针，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。
图2.2是采用短路针技术的小型化微带天线，这种情况类似折叠单极子的特性，谐振电长度得到了缩减。
图2.2采用短路针技术的小型化微带天线正面和侧面图
（3）用不同的材料对天线进行加载同样可以达到减小天线尺寸的目的。
当天线置于高介电常数的材料中时，由于波长在介质中变短，因而天线所需要的谐振长度变短。
长度缩减的程度取决于介质的形状和介电常数的大小。
但是介质加载将会导致频率带宽的减小，这是由于电场能量更多地集中在介质内部而难以辐射出去，使Q值增加的缘故。
而且高的介质常数往往伴有高的介质损耗，这会降低天线的效率。
另外用介质涂敷天线也是降低天线高度的一条有效途径，这方面有相当的理论与实验的研究。
图2.3是采用高介电常数的小型化微带天线。
图2.3采用高介电常数的小型化微带天线正面和侧面图
（4）天线小型化的另一种常用的方法是添加接地板，利用金属导体的镜像效应，可使天线的尺寸减小一半。
以偶极子为例，当其处于谐振状态时，其长度大约是半个波长，而采用单极子并将其放在具有一定大小的金属平面上方时，由于镜像效应，将产生虚拟的另一单极子，其总的效果仍使天线处于谐振状态，但天线的高度差不多只需要原来的一半。
这种镜像效应很容易推广应用到平面结构的天线，通过添加对地的短路板，使天线的尺寸减小。
（5）在低频段，比如短波天线，由于工作的频率很低，所需要正常工作的天线长度势必很大，因此天线尺寸缩减问题的研究显得尤为迫切。
这时通过加载技术是实现天线高度的最有效的途径。
采用阻抗、电容混合加载、电容、电感混合加载或者阻抗、电容、电感混合加载得到了一定的研究，特别是采用分段式加载技术，可使天线高度缩小到相当可观的程度。
2.1.2采用特殊材料基片
这种方法主要是针对微带、印刷天线的小型化进行设计的。
微带、印刷天线由于其自身的优点而广泛应用于无线通信终端中，但是带宽窄限制了其应用。
一般微带天线带宽只有百分之几，但在实际应用中，往往急需带宽大于10％或15％的小天线。
所以，研究体积小，频带宽（大于10%）的天线将必然成为天线领域中的一个很重要的课题。
微带天线介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它本身就实现了一维小型化，属于电小天线一类。
天线谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数（如陶瓷材料）或高磁导率（如磁性材料）的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。
这类天线的主要缺陷是：
（a）激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。
（b）带宽窄。
为提高增益，常在天线表面覆盖介质。
采用铁氧体材料制成的微带天线实现小型化的同时，且在较宽频带范围内频率可调（可达40%），但铁氧体在微波频段损耗很大。
有机高分子磁性材料在很宽温度范围内电感和磁性能稳定，由其设计成的微带天线可显著减小尺寸，但损耗大，增益低。
高温超导材料（HTS-hightemperaturesuperconductor）基片以及光子带隙阵。
（PBG-photonicbandgap）基片有极低的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，具有提高天线增益，减弱阵元间互耦之功效。
2.1.3采用特殊形式，优化天线的外形结构
实现小型化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，如图2.4所示。
如采用层叠短路贴片（stackedshortedpatch），蝶形、倒F型、L形、E形等等。
近年来，用分形曲线来构建天线是特别热门的小型化技术。
（a）蝶形微带天线（b）倒L型天线
（c
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