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微带线天线研究教材

微带天线研究

摘要

通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义。

特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。

本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。

在介质基板的一面一个三角形缝隙，另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。

通过仿真给出了天线的s参数，VSWR和方向图。

关键词：

天线参数，微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计

一、绪论····································································3

1.1简介······································································3

1.2微带天线的发展····························································3

1.3微带天线的特点···························································3

二、微带天线基本知识·························································4

2.1微带天线的辐射机理························································4

2.2微带天线的分析方法························································4

2.3微带天线的主要电参数·····················································5

2.3.1输入导纳·····························································52.3.2辐射电阻和品质因数··················································52.3.3带宽································································62.3.4方向性系数、增益和天线效率··········································6

2.3.5方向图······························································7

2.4激励方法································································7

2.4.1微带馈电····························································72.4.2同轴线馈电··························································8

三、微带缝隙天线····························································8

3.1矩形缝隙天线···························································9

3.1.1输入阻抗··························································93.1.2方向图····························································11

3.2环形缝隙天线····························································11

3.3锥形缝隙天线天线························································12

四、三角缝隙宽缝微带天线······················································13

4.1天线设计与性能·························································13

4.2软件仿真·································································14

参考文献····································································15

一、绪论

1.1简介

微带天线（microstripantenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。

微带天线分2种：

①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。

②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。

如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。

1.2微带天线的发展

微带天线的概念早在1953年就由Deschamps提出，但是并未引起工程界的重视。

在50年代和60年代只有一些零星的研究，从70年代起，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证。

微带天线随着应用领域的快速扩展而开始被广泛的研究和使用。

1970年出现了第一批实用的微带天线。

这以后微带天线的研究有了迅猛的发展。

新形式和新性能的微带天线不断涌现，其中，许多学者和工程师对微带天线的双频、多频操作进行了大量的研究应用。

早期发展的结构为堆叠式与共平面式的结构，之后随着频率比、极化要求以及整体天线体积上的要求，并配合不同的馈入方式而有各种不同设计结构出现。

例如有使用多个寄生元件或两个独立辐射元件的结构，有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置的设计，也有利用植入电抗性负载的设计，这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带，嵌入的微带线，短路棒、变容二极管、槽孔等等。

在解决微带天线窄频带特性的问题上，各种设计不断推陈出新，所利用的方法也不断被开发并互相结合。

例如有使用低介电常数的厚介质基底的设计，植入贴片电阻等损耗性元件的设计，植入集成式电抗性负载的设计，在馈入端设计匹配网络、堆叠结构的设计，寄生元件的设计，植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电的方式等等。

但是上述方法也存在不足，有时会影响天线其它性能指标。

例如，使用短路探针加载，在缩减天线尺寸的同时，对带来一些缺点，一方面使阻抗匹配依赖于短路探针的位置及其馈电点的距离，给制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是带宽缩减，如若使用电抗性元件加载同样会造成带宽缩减，如若使用电阻性器件，虽然有助于展开频带，但是电阻性元件对能量的消耗将降低天线的效率。

因此，如何在实现小型化微带天线多频段、宽频带工作性能的同时，兼顾其它天线性能指标，如效率、增益、极化等，已经逐渐成为微带天线研究的热点和难点。

1.3微带天线的特点

微带天线一般应用在1GHZ---50GHZ，特殊的微带天线也可用在几十兆赫。

它的特点主要有：

（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体共型，除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，不影响载体的空气动力学性能。

（2）天线的散射截面较小；不需要背腔。

（3）电性能多样化。

不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；可以工作在双频或多频；稍稍改变亏点位置就可以得到线极化和圆极化。

（4）能和有源器件，电路集成为统一的组件，适合组合式设计；利于大规模生产，降低了成本。

（5）频带较窄；增益低。

（6）有损耗，因此效率较低。

（7）端射性能差；可能存在表面波。

（8）单个微带天线的效率容量较低。

二、微带天线基本知识

2.1微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。

辐射对于总品质因数的影响可描述为谐振器的尺寸、工作频率、相对介电常数以及基片厚度的函数。

理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗

微带天线的辐射可以用下图（a）的简单情况来说明。

这是一个矩形微带贴片，与地板相距几分之一波长。

假定电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，则辐射器的电场结构可由下图（b），电场仅沿约为半波长（λ/2）的贴片长度方向变化。

辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。

在两端的场相对于地板可以分解为法相分量和切向分量，因为贴片长为λ/2，所以，法相分量反向，由他们产生的远区场在正面方向上互相抵消。

平行于地板的切向分量相同，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。

所以，贴片可表示为相距λ/2、同向激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙（下图c）.也可以考虑电场沿贴片宽度的变化。

这时，微带贴片天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示。

同样，其他微带天线结构也可用等效的缝隙表示。

2.2微带天线的分析方法

天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后，进而得出其方向图，增益和输入阻抗等特性指标。

分析微带天线的理论大致可以分为三类：

1.最简单的也是最早出现的是传输线模型（TLM—TransmissionLineModel）理论，主要用于矩形贴片。

它将一矩形贴片天线等效为一段微带传输线，两端由辐射隙缝的等效导纳加载，但本法基本上只能用于薄矩形贴片天线。

2.更严格更有用的是空腔模型（CM-CavityModel）理论，可用于各种规则贴片，但是基本上限于天线厚度远远小于波长的情况。

是将薄微带天线的贴片下空间看成是由上下为电壁，四周为磁壁围成的谐振空腔（漏波空腔）。

这一模型使我们对微带天线的工作特性有了更深入的理解，并已成功地运用于精确计算厚0.005λd-0.02λd（λd为介质中波长）的微带天线输入阻抗。

3.最严格而计算最复杂的是全波（FW-FullWave）理论，全波分析中常常需要使用到各种数值方法，包括空域矩量法、谱域矩量法、谱域导抗法、混合微积分方程法、共轭梯度快速傅里叶变换法、时域差分法等。

从原理上来说，全波理论可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受到计算模型的精度和机时的限制。

从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题;第二种理论则发展到二维边值的问题的求解;第三种理论又进了一步，可以计入三维的变化，不过计算也费时的多。

自然，这三种理论仍在不断的在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。

基于对全波理论中积分方程法的简化，产生了格林函数法（GFA-GreenFunctionApproach）；而由空腔模垫的扩展，出现了多端网络法（MNA-MultiportNetworkApproach），等。

2.3微带天线的主要电参数

微带天线的设计需要用到的一些电参数有：

2.3.1输入导纳输入阻抗或输入导纳是一个基本的参数，需要精确算得其值，以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。

对于任意馈电点的微带天线，输入导纳可用式（2-1）进行计算：

式中，z是馈电点离拐角的距离，传播常数

在实际情况中，

，因此，上是可进一步简化成：

对于同轴馈电的微带天线，则可用

得出其输入阻抗。

2.3.2辐射电阻和品质因数

辐射电阻可以根据W与0λ的大小来确定：

与辐射电阻有关的品质因数为：

已经证明：

，所以Qr可以简化为：

其中，W和L为基片尺寸，TW为谐振时的储能，Pr为辐射功率。

2.3.3带宽

馈线的电压驻波比（VSWR）小于S的微带天线带宽可表示为

带宽较窄是微带天线的一大缺点，而越来越多的研究也带来了许多增加微带天线带宽的方法，例如：

选用较低εr值和较厚的基片、增加寄生单元、使用阻抗匹配网络，以及选用不同形状的贴片或微带线等等。

2.3.4方向性系数、增益和天线效率

天线的方向性系数定义为主波束中的最大功率密度与平均辐射功率密度之比，单缝隙天线的方向性系数可表示为：

增益则定义为

，天线效率

，其中PΣ为辐射功率，Pi为输入功率，Pl为欧姆损耗。

2.3.5方向图

天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。

用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。

天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的方向图，称为平面方向图。

在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。

在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。

归一化方向图取最大值为一。

在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。

主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，见图2：

全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图3：

定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。

图2全向天线波瓣示意图

图3定向天线波瓣示意图

通常会用到天线方向图的以下一些参数：

零功率波瓣宽度，指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。

半功率点波瓣宽度，指最大值下降到0.707（即下降3dB）点的夹角。

副瓣电平，指副瓣最大值和主瓣最大值之比。

前后比等。

2.4激励方法

大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。

因为天线输入阻抗不等于通常的50Ω传输线阻抗，所以需要匹配。

匹配可由适当选择馈电的位置来做到。

但是，馈电的位置也影响辐射特性。

为此，可用格林函数法来确定微带馈电和同轴亏点位置的影响。

2.4.1微带馈电

有中心馈电和偏心馈电两种结构，馈电点的位置也决定激励那种模式。

当天线元的尺寸确定以后，可按下法进行匹配：

先将中心馈电天线的贴片同50Ω的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出匹配变阻器；再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器，重新做成天线。

另外，如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。

特定的天线模可用许多方法激励。

如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之而变，从而提供了一种阻抗匹配的简单办法。

馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。

不过，稍加改变贴片尺寸或者天线尺寸，可补偿谐振频率的漂移。

对于微带馈电，用惠更斯原理可以把馈源模拟为贴在磁壁上沿Z方向的电流带。

在薄的微带线中，除了馈线的极邻近区域外，在贴片边界上的任何地方，这个电流都很小。

在理想的情况下，可假定馈源是一个恒定电流的均匀电流带（图2.3），边缘效应要求电流带的宽度等于馈线的有效宽度，馈线对微带天线输入阻抗的影响表现为增加了一个感抗分量，此感抗可以有电流带的尺寸来计算。

2.4.2同轴线馈电

在所有的同轴激励情况中，同轴插座安装在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。

对指定的模，同轴插座的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。

使用N型同轴插座的典型微带天线示于图2.4中。

根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱来模拟。

这个电流在地板上被环状磁流带圈起来，同轴线在地板上的开口则用电避闭合。

如果忽略磁流的贡献，并假定电流在圆柱上是均匀的，则可进一步简化。

简化到最理想的情况是，取出电流圆柱，用一电流带代替，类似微带馈电的情况。

该带可认为是圆柱的中心轴，沿宽度方向铺开并具有等效宽度得均匀电流带，对于给定的馈电点和场模式，等效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹一致性经验地确定。

一旦这个参数确定了，它就可以用在除馈电点在贴片边缘上以外的任何馈电位置和任何频率。

当馈电点在贴片边缘上时，可以认为，在贴片边缘上的边缘场使等效馈电宽度不同于它在天线内部时的值。

在矩形天线中，等效宽度为同轴馈线内经的五倍时，可给出良好的结果。

图2.4同轴线馈电的微带天线

3、微带缝隙天线

微带缝隙天线（MicroSlotAntenna）的概念是由带状线缝隙天线发展过来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。

它有许多有用的特性，但需要注意抑制不希望的模，例如在构成“地板”的金属板或外导体之间产生电位差的那些模。

微带缝隙天线的优点是能产生双向或者单向方向图。

在微带天线的设计中，采用贴片和缝隙的组合结构，这就额外增添了一个自由度。

沿着微带馈线一边排列的导带和缝隙的组合可产生圆极化辐射场。

微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。

3.1矩形缝隙天线

含有开在地板上并与微带线相垂直的缝。

该缝受微带传输线中传输的能量激励。

微带线通过介质基片同缝相短接，或是在终端开路。

矩形缝隙天线可按缝宽与缝长比分为两类：

窄缝天线与宽缝天线。

（a）

（b）

图3.1中心馈电与偏心馈电微带缝隙天线结构图

窄缝天线的优点是可在中心处激励缝隙（称为中心馈电缝隙，如a）,或在偏离中心某一距离处激励缝隙（称为偏心馈电缝隙，如b）。

在偏心馈电缝隙的结构中，选择微带馈线的位置，使得天线输入阻抗同微带线的特性阻抗相匹配，这样可省去匹配网络，一般能增大带宽；宽缝辐射器同窄缝辐射器相比，频带较宽（≈10%），对掩模制板的公差要求稍低。

其结构示于图3.2中。

3.1.1输入阻抗

窄缝天线的等效串联电路如图3.2所示，输入阻抗由辐射电阻R和电抗X串联组成。

当缝隙谐振于设计频率上时，窄缝天线输入阻抗的电抗为零。

中心馈电缝隙的谐振长度比偏心馈电的谐振长度要长些，对低介电常数的基片，偏心馈电缝隙的谐振长度在0.40λ到0.50λ之间，它取决于介质材料，缝宽和馈电点位置。

在任意馈电点位置下，微带缝隙天线的辐射电阻的计算公式已有前人给出，但十分复杂。

假定以电流分布是（）Ixx≈的终端开路微带线去激励缝隙，则辐射电阻与缝长L,缝中心到微带线中心的距离D等因素有关，且当DL增大时，辐射电阻减小。

当DL≥0.5时，缝的谐振长度可写为22sLlλ=−+，其中sλ是缝中的波长，2l+是由于缝端电流不为零而引入的等效缝伸长。

在传输线某处串联阻抗的窄缝天线等效电路，它对宽缝天线是不是用的。

当讨论宽缝阻抗沿传输线的分布作用时，必须考虑到缝的宽度为零点几个波长的量级。

宽缝天线的等效电路示于图3.4中。

电路包含有特性阻抗为sZ和电长度为sβω的传输线段。

辐射电阻同用一个同sZ相匹配的衰减器来表示，边缘不连续性用并联电纳B来表示。

为了在输入端匹配这个网络，输出端接一纯电纳0B，它可以用一长度为d的开路微带线来实现。

谐振时，若sβω<<π，则B0≅-2B。

。

3.1.2方向图缝隙天线的辐射场能用电矢量位法计算，它要求知道缝隙横向电厂的准确值。

当缝宽比自由空间的波长小很多，即ωs《λ0󰀓时，作为一阶近似，缝的横向电场可以认为是常量。

若Ex=0且Ey=E0，则远区场分量可写成:

式中，

E面（Φ=π/2）和H面（Φ=0）方向图可按Eθ和EΦ值并利用：

得到。

微带缝隙天线的方向图是双向的，若要得到单向辐射，可在微带线导带的一边安放一块平行于基片表面的平板反射器。

3.2环形缝隙天线

环缝天线是在介质基片的地板上开一个圆环缝隙，用微带线馈电（如图所示），由于同心环形缝隙阵能获得定向性，因此环缝天线也有非常广泛的应用。

环缝天线产生的是线极化场，其远场方向图也可用电矢量位法来计算。

但精确计算其缝的场分量是困难的，在下列两种情况下，可以给出简化结果：

其方向图可由

得到。

3.3锥形缝隙天线

锥形缝隙天线适用于相控阵天线单元。

线极化缝隙天线的设计是基于这一事实；即当缝做得相当宽时，缝隙就开始辐射。

已经证明[7]，若缝中的导波波长sλ大于自由空间波长0λ的40%，则产生辐射。

图3.4示出一种工作在X波段的锥形缝隙天线。

在这种天线上，可以控制从缝线的一部分直到开口端的辐射。

控制的办法是使缝隙从馈电端到开口端成锥形，并使开口端的宽度能维持0/0.6sλλ󰀕。

锥度部分的缝长度大约是0λ。

缝隙天线用微带线馈电。

为此，可以用一个50Ω微带线到70Ω缝线的转换器。

4、三角缝隙宽缝微带天线设计

4.1天线设计与性能

设计一种三角形缝隙的宽缝微带天线，天线采用一个等腰三角形微带线对开在地板上的三角形槽馈电，仿真结果表明，该天线较容易实现了宽带特性，阻抗带宽达到了120%，其工作频率覆盖了2.6--11.7GHZ的频率范围，具有较好的双向辐射效果，最高增益达到了5.83dB。

天线结构如图4.1所示，介质基片正面开一个三角形缝隙，背面采用特性阻抗为50Ω的等腰三角形馈电中端进行馈电。

图中WL和分别表示三角形缝隙的底和高，都取为53.7mm,Wf=1.6mm，h=12.85mm,三角形馈电终端的底和高都取为14mm，介质基板采用FR4，εr=4.4，尺寸为110×110mm2。

4.2软件仿真

采用CST2008对该天线进行了仿真，图4.2给出了该天线的S1,1和VSWR的结果，天线在5.5GHZ的频点上辐射方向图如图4.3所示。

从图中可以看出，在天线的工作频段内，其S参数全都在-10dB一下，而且其电压驻波比全部都在2以下，因此具有良好的性能。

参考文献：

【1】《微波技术与天线》

【2】《电磁场与电磁波》

【3】I.J.鲍尔《微带天线》，电子工业出版社，1984年12月第一版

【4】林昌禄《天线工程手册》

【5】Lo,Y.T,StudyofMicrostripAntennas,MicrostripPhased,RADC-77-406,ElectromagneticLaboratory,UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign,Urbana（Illinois）,Oct,1977”

【6】张俊文，钟顺时《V型微带缝隙天线》，微波学报，2007.4

【7】高向军，王光明，朱莉《微带缝隙天线实现宽带的一种新设计》，微波学报，2006.8【8】高向军，王光明，朱莉，梁建刚《一种新型宽带微带缝隙天线的设计》，电子科技大学学报，2007.10

【9】薛睿峰，钟顺时《微带天线小型化技术》，电子科技，2007.2