板状天线原理及分析.docx
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板状天线原理及分析
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板状天线原理及分析
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工学院课程考核论文
课程名称：
微波技术与天线
题目：
板状天线基本原理及分析
专业：
电子信息工程
班级：
08级1班
姓名：
李亮亮
学号：
1665080115
任课教师：
张平娟
摘要
本文主要介绍了板状天线的原理以及做出相应的分析。
由于微带天线具有重量轻、低剖面、成本低、易于制造、封装和安装等许多固有的优点，本文选用微带贴片天线作为天线单元。
首先采用传输线法和腔模理论对矩形微带天线进行分析，计算出矩形贴片的长，宽，并选择基板材料和高度。
然后针对设计指标详细讨论了各种因素对微带贴片天线性能的影响，用背馈的方式完成了微带贴片天线单元的设计方案，从而简化馈电网络。
板状天线基本原理及分析
一．板状天线基本原理
板状天线的基本知识：
无论是GSM 还是CDMA， 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。
这种天线的优点是：
增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。
板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。
图1-1板状天线的基本形式
如图所示，板状天线是在阵列天线或者天线单元的下方加上一块反射板，使波束往前方发射，利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 ，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。
下面的图1－2说明了反射面的作用，反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。
天线的基本知识全向阵 （垂直阵列 不带平面反射板）。
抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。
不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：
抛物反射面和 放置在抛物面焦点上的辐射源，基站天线可供设计的参数是天线的垂直波瓣和水平波瓣，垂直波瓣是通过阵列天线来实现的，而水平波瓣是由所采用的天线单元样式和相应的反射板所决定。
图1-2水平面方向图
板状天线高增益的形成：
1.采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵，如图1-3
图1-3直线阵的方向和模型
2.在直线阵的一侧加一块反射板 （以带反射板的二半波振子垂直阵为例），如图2-4
图1-4带反射板直线阵的方向和模型
板状天线是由徽带天线发展而来。
天线单元可以选择半波振子和微带天线元，微带天线是当今天线技术的发展趋势,将微带天线用于移动通信系统是非常有意义的。
因此本文选择微带天线作为天线元，而采用单片微带天线很难达到系统所要求的增益等指标,故本文采用线阵作为天线阵列中的阵列单元。
1.1反射板的形状
基站天线的辐射单元有对称振子、印刷偶极子和微带天线等。
为简化分析模型，这里以对称振子加反射板为例进行分析，其中反射板的横截面形状如图2.1所示。
对称振子的谐振频率约为GSM通信中的1.gGHz。
振子天线与反射板间的距离均设为。
常见的几种反射板形状（如图2-5所示）包括矩形平板，角形反射板，带侧边缘的矩形平板，变形角形反射板，带侧边缘的变形角形反射板等。
通过改变每种反射板结构的尺寸参数，可以得到所需的天线水平面辐射方向图和最优的前后比特性，其中前后比特性即后向士300之间的方向特性。
[7]
图1-5基站天线几种发射板形状
1.2蜂窝基站天线单元
蜂窝系统中基站天线最常采用的天线形式是印制振子天线，此类半波振子天线在驻波比（VSWR,voltagestandingwaveratio）小于2.0时有大于15％的频带宽度。
通过在天线的下方加反射板的办法可以把振子天线的H面全向方向图压制成一个扇区波瓣形状。
在垂直面内组阵时，天线的馈电网络由微带线组成。
由于馈电网络的微带线是非平衡结构，而天线需要平衡馈电，因而在微带线和天线之间应引入一个非平衡－平衡变换装置（巴伦）。
天线为了适合批量生产，平衡巴伦与天线振子采用一体化设计技术。
印制振子天线安装在一块反射板上可以在水平面方向形成一个扇区波瓣。
反射板的形状主要用来调整水平面波瓣宽度。
在日本的个人数字蜂窝系统（PDC）中，天线的水平面半功率波瓣宽度为120°或90°。
60°波瓣宽度的天线用于IMT－2000。
宽的频带不只是对输入阻抗特性而言，同时要求水平面的方向图也要有好的宽带性能，附加于印制振子天线上的寄生单元可使水平面的辐射方向图在频带内保持一致。
如果要求更窄的波瓣宽度，可以采用两个天线单元组合的方式。
微带天线的半功率波瓣宽度小于90°。
微带天线的缺点是它的频带窄。
对一个微带天线而言，如果基板的厚度在0.8mm～3.2mm之间，其带宽约为2％～3％，而在蜂窝系统中用于分集接收的天线要求具有8％～13％的带宽。
为了展宽微带天线的频带，可以采取在辐射单元上方加寄生单元的方法。
蜂窝系统中主要采用垂直极化，然而水平极化和±45°斜极化常用于极化分集系统。
一种印制双振子天线既用于垂直极化分集系统又用于水平极化分集系统。
全向天线用于用户相对较少的市郊。
要求增益较低时，天线采用套筒振子形式；要求增益较高时，天线采用共线阵列形式。
设计阵列时，从结构简单化的角度考虑，单元可以采用这样一种形式：
对于全向天线，在基板上蚀刻一条一个波长的槽。
为了获得宽频带特性，可以把单元嵌入一个导体圆柱面中，这时候，导体圆柱面起着寄生单元的作用。
[3]
二．微带天线概述
对于阵列天线而言，可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线
、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等。
结合我们近年来实验室的科研项目和实验研究。
单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵元进行组阵研究。
重点的研究对象为微带天线。
因为微带天线固有的特点，它很适合进行天线组阵的研究。
在天线组阵中，目前己有本实验室研制的圆环背射天线的二元阵列投入工程应用，并有相应产品面世。
但主要的研究方向还是集中于微带天线的组阵方案，现对微带天线进行理论和实验的分析。
微带辐射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。
但是过了二十年，当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才制造出来。
这种基片介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械特性及低损耗角正切。
最早的实际的微带天线是Howen和Munsno在二十世纪七十年代初期研制成的。
在此之后，由于微带天线的许多优点，诸如重量轻、体积小、成本低，平面结构可以和集成电路兼容等，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展。
目前，已研制成了各种类型平面结构的印制天线，例如，微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。
而一般所指的微带天线，可分为三种基本类型:
微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线。
它们的辐射机理是由微带贴片、或准TEM模传输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。
同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。
因而，在大约10OMHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。
与通常的微彼天线相比，微带天线具有很多优点：
1.重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；
2.制造成本低，易于大量生产；
3.可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船等飞行器的空气动力学性能；
4.无需作大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上;
5.天线的散射截面较小；
6.稍微改变馈电位置就可获得线极化和圆极化（左旋和右旋）;
7.不需要背腔，微带天线适合于组合式设计（固体器件如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上。
微带天线与通常的微波天线相比，也有一些缺点:
1.频带窄;
2.有损耗，因而增益较低;
3.大多数微带天线只向半空间辐射;
4.最大增益实际上受限制（约为20dB）;
5.馈线与辐射元之间的隔离差;
6.端射性能差;
7.可能存在表面波，功率容量较低。
但是，采取一些办法可减少某些缺点，例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。
在实际应用中，微带天线的优点远远超过它的缺点。
微带天线已广泛应用于各个领域，其主要应用范围如下:
卫星通信、多普勒及其它雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、便携装置、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、卫星导航接收机、生物医学辐射器等。
但在目前，由于无线通信的飞速发展，微带天线在无线通信中已获得广泛应用，它还将继续在无线通信中发挥重要的作用，而且将进一步扩大其应用领域
2.1微带天线的辐射机理
微带天线的辐射可以用图2-1（a）所示的简单情况来说明。
图2-1矩形微带贴片天线（b）侧视图（c）顶视图
这是一个一个矩形微带贴片，与地板相距几分之一波长。
假定电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场结构可由图1-6（b）表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度方向变化。
辐射基片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向分量和切向分量，因为贴片长为半波长，所以法向分量反相，由它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同相，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，贴片可表示为相距半波长、同相激励并向地板以上空间辐射的两个缝隙图2-1（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，其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。
2.2微带天线的馈电方法
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50传输线阻抗，所以需要匹配。
匹配可由适当地选取馈电的位置来做到。
但是，馈电的位置也影响辐射特性。
因此，可用格林函数法来确定微带线馈电和同轴馈电位置的影响。
1.微带线馈电
微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电结构示于。
馈电点的位置也决定激励哪种模式。
当天线元的尺寸确定后可按下法进行匹配：
先将中心馈电天线的贴片同50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，重新作成天线。
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，则当馈线沿宽度变化时，输入阻抗随之改变，从而提供了一种阻抗匹配的简单方法。
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天线尺寸，可补偿谐振频率的漂移。
2.同轴线馈电
同轴馈电可以有中心、偏心、任意位置馈电。
在所有情况中，同轴插座安装在印刷电路的背面，而同轴线内的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。
这种馈源的理论模型，可表示为z向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环。
其简化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。
一中更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为传TEM波的激励源，而把圆柱探针的效应按边界条件来处理。
微带辐射器的输入阻抗或输入导纳是一个基本参数。
因此应精确知道输入导纳，以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。
[8]
3.微带－缝隙馈电
微带－缝隙馈电馈电方式如图2-2：
图2-2微带－缝隙馈点
2.3矩形微带天线及其分析方法
最简单的微带贴片结构是矩形微带天线，如图2-3所示。
其基本天线元是薄介质基片上的带状导体，介质基片的背面是地板。
由于这种天线结构简单，因而成为大量研究论文的课题，并且作了许多努力来预计和计算矩形微带天线的辐射特性。
它们从复杂的数学表达式到简单的模型，现已证明，这些数学表示式和模型已经足够了，但还不能得到精确解。
图2-3矩形微带贴片天线
微带贴片辐射器的特性可由辐射方向图、输入阻抗、增益、带宽、波瓣宽度、效率、损耗和Q因数来表征。
因而，虽然方法很多，但是，就设计成本和性能推算而论，有一个最佳方法，既可以用简单的表示式推算天线参数并与实验得到的结果相一致。
下面将介绍腔体模型和传输线模型。
2.4腔体模型理论
图2-4空腔模型几何关系
如图2-4所示微带贴片天线微带片和接地板之间的盒形区域可看作谐振腔它的上下壁为微带片和面积相同的接地板周围的柱形面为侧璧。
这个模型的提出是基于观察到：
在以微带和地板为边界的区域内，电场只有z分量，而磁场只有x和y分量；在此区域中，对于所有有意义的频率，场都和z坐标无关；在边缘的任何点上，微带中的电流都没有正交于边缘的分量，这意味着沿边缘的切向分量可以忽略。
因而，微带和地板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下两面的电壁围成的腔体。
天线中的场可以假定为腔体的场，从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电点在任何位置的输入导纳。
用下面的关系式可求得腔体模型的电场和磁场
（2-1）
（2-2）
（2-3）
在磁壁上，
（2-4）
式中，是相对于z轴的横向算子，是矩形微带贴片辐射器场的解，对于TMmn模，其谐振波数kmn为
（2-5）
当微带天线用微带线或同轴线馈电时，将激励起许多模，如在解中考虑的不够，就产生错误的结论。
假定微带天线的周界可用理想导磁体围起来而不扰动场分布，则场可用模函数展开。
对此，图2.5结构中的Ez分量可写成
（2-6）
式子中，；是介质的损耗角正切；。
（2-7）
和是黎曼（Neumann）数，定义为
（2-8）
d是沿z方向一安培均匀馈电电流带的有效宽度。
当知道了场分布时，可将惠更斯原理用于腔体磁壁以确定在周界上的磁流源
（2-9）
于是，方向图、辐射功率、输入阻抗等均可很容易的求出。
由上述讨论不难看出基本的腔模理论应用上的限制h<<λ的条件是很重要。
2.3传输线模型理论
Munson和Derneryd的传输线模型可得出适合大多数工程应用的结果，并且需要的计算量不大。
但是，这种模型也有其缺点，特别是它仅适用于矩形（或正方形）贴片。
微带辐射器单元可看作一个场没有横向变化的传输线谐振器，场只沿长度变化，通常长度是半个波长，辐射主要由开路端的边缘场产生。
辐射器可表示成在x-y平面内，间距为L的两个缝隙（见图2-10）。
每个缝隙的辐射场同具有磁流的磁偶极子辐射场一样
（2-10）
式中，因数2是由于接近地板的正像所引出；V0是缝隙两端的电压，在整个缝宽上，V0不随x变化。
对于单个缝隙，离原点为r处的远区场为
（2-11）
（2-12）
式中
（2-13）
当θ＝π/2时，E面的方向性F（）为
（2-14）
同样，当＝π/2时，F（θ）表示H面的方向性并可写为
（2.15）
因此，间距为L的两个缝隙，其E面的辐射方向性为
（2.16）
而H面方向性和L无关，可由式（2.15）给出。
图2-5用两个辐射缝隙表示的微带天线及缝隙的几何形状和坐标系
三．矩形微带天线的性能分析
1.方向图
对于大多数工程应用来说，简单的传输线模型给出的结果已足够满意。
因此，辐射方向图可由式（2.14）和（2.15）画出。
见图2.5。
图3-1矩形微带天线理论方向图
E面方向图计算公式：
（3-1）
H面方向图计算公式：
（3-2）
2.带宽
馈线的电压驻波比（VSWR）小于S时，微带天线带宽为
（3-3）
式中QT为品质因数
计算证明，当频率一定时，选用较大的h和较低值可得到较宽的带宽。
通常微带天线的带宽约为百分之几的量级。
为了增加带宽，可增加辐射单元的电感、在微带天线上挖孔或开槽、或者附加电感分量以及改善辐射单元同馈线的匹配等方法。
3.波瓣宽度
微带天线主瓣的半功率角宽度可近似由下式计算
（3-4）
（3-5）
由式可见，选较小的辐射单元尺寸可加宽微带天线的主瓣宽度。
上述表达式对微带天线提供了一个很好的预算和设计方法。
但设计值不一定和测量值相吻合，其原因很多，如地板的大小，介质基片性质的容许偏差以及制造误差等。
4.方向性系数及增益：
将矩形微带天线看成一段传输线分开的两个缝隙所构成，其中一个缝隙的方向性系数可表示成
（3-6）
则整个矩形微带天线的方向性系数可表示为
（3-7）
其中为归一化互导，可由下式求出
（3-8）
其中为单缝的辐射电导，为以x为自变量的零阶贝塞尔函数。
要求出天线的增益，就必须知道矩形微带天线的效率。
效率公式可表示为
（3-9）
为辐射电导，为导体电导，为介质电导，P为它们相应的功率，则增益可表示为：
（3-10）
四．基站天线的改善技术
波束下倾技术的主要目的是倾斜主波束以压缩朝重用频率的蜂窝方向的辐射电平而增加信嗓比。
在这种情况下，虽然在区域边缘载波电平也降低了，但是干扰电平比载波电平降低得更多，所以总的信噪比增加了。
从系统设计的观点来看，这是一个优点。
全球多数蜂窝系统都采用了这项技术.通过对有波束倾斜天线和无波束倾斜天线的比较，同样证明了波束倾斜技术是有效的，波束倾斜天线使得从基站内干扰电平超过系统门限电平的距离显著缩短。
实现波束倾斜的技术主要有两种:
一种是通过调整天线阵的激励系数实现波束倾斜:
另一种是通过机械办法来实现。
机械天线指机械调整下倾角的天线.机械天线与地面垂直安装好以后，如果
因网络优化的需要，豁调整天线的下倾角，就得通过调整天线背面的支架来完成。
调整后虽然天线主瓣方向理盖距离明显变化，但天线的垂直分量和水平分t的幅
值不变，因此天线方向图容易变形.实践证明:
机械下调天线的最佳下倾角为1°～5°；当下倾角度在5°～10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大，当下倾角在10°～15°变化时，天线方向图变化较大；当机械下倾15°后，天线方向图形状改变很大，虽然主瓣方向扭盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在基本扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰.另外机械天线调整倾角的步进度数为1°，在调整时整个系统都要关机，不能在调整天线倾角时同时进行监测，机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差。
而且，机械天线调整下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员在夜间爬到天线安装处调整，而有些天线安装后再进行调整非常困难。
电调天线是指使用电子调整下倾角的天线。
电子下倾的原理是通过改变共线
阵天线单元的相位，使主波束方向指向要求的方向。
由于天线各方向的场强强度
同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向搜盖距离
缩短，同时又使整个方向图在服务扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。
实践证
明电调天线下倾角度在1°～5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同，
当下倾角度在5°～10°变化时，其天线方向图较机械天线稍有改善，当下倾角度在10°～15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大，当下倾15°后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内。
增加扇区角度可以使扇区搜盖面积缩小，但不产生千扰，这样的方向图是我们需要的。
另外，电调天线调整下倾角的步进度数为0.1°，精度高，效果好。
而且维护人员可以直接在地面进行调整。
在目前的移动通信网络中，由于基站站点的增多，使得我们在设计市区基站
的时候，一般要求其极盖范围大约为5OOM左右，而根据移动通信天线的特性，如果不使天线有一定的下倾角（或下倾角偏小）的话，则基站的夜盖范围会远远大
于5OOM，如此会造成基站实际覆盖范围比预期范围大，从而导致小区与小区之间交叉覆盖，相邻切换关系混乱，系统内频率干扰严重;另一方面，如果天线的下倾角偏大，则会造成荃站实际扭盖范围比预期范围偏小，导致小区之间的信号盲区或弱区。
因此，合理设t下倾角是保证整个移动通信网络质t的基本要求。
一来说下倾角的大小可以由以下公式推算
（4-1）
其中夕为天线的下倾角，h为天线的高度，R为小区的扭盖半径
波束斌形可以通过改变单元间距和相位来得到，若固定下倾角的角度，可以
设计成不等间距不等相位的阵列天线，相位的改变可以通过改变电缆长度来实现。
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