微帶貼片天線概論

1、本講座關(guān)于微帶天線設(shè)計理論取自“微帶天線”（美I.J.鮑爾 P.布哈蒂亞著，梁聯(lián)倬等譯，1985年電子工業(yè)出版社），雖然最新資料沒有反映，但基本概念仍是有用的。國內(nèi)也有幾本微帶天線的書，很多內(nèi)容也取自鮑爾的著作，故本講座關(guān)于微帶天線設(shè)計理論部分就參考鮑爾一書。至于本講座后面推薦的微帶天線設(shè)計軟件是否用了鮑爾的有關(guān)公式，我們并不十分關(guān)心，比如Sonnet軟件依據(jù)的是矩量法。不同的設(shè)計軟件有不同的特色，所依據(jù)的設(shè)計公式、方法有差別，有興趣的讀者最好參閱相關(guān)的文獻。天線大體可分為線天線和口徑天線兩類。移動通信用的VHF、UHF天線，大多是以對稱振子為基礎(chǔ)而發(fā)展的各種型式的線天線，衛(wèi)星地面站接收衛(wèi)星信

2、號大多用拋物面天線（口徑天線）。天線的特征與天線的形狀、大小及構(gòu)成材料有關(guān)。天線的大小一般以天線發(fā)射或接收電磁波的波長來計量。因為工作于波長 = 2m的長為1m的偶極子天線的輻射特性與工作于波長 = 2cm的長為1cm的偶極子天線是相同的。與天線方向性有關(guān)參數(shù)：方向性函數(shù)或方向圖離開天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場強度在空間的相對分布的數(shù)學(xué)表達式，稱為天線的方向性函數(shù)；把方向性函數(shù)用圖形表示出來，就是方向圖。最大輻射波束通常稱為方向圖的主瓣。主瓣旁邊的幾個小的波束叫旁瓣。為了方便對各種天線的方向圖進行比較，就需要規(guī)定一些表示方向圖特性的參數(shù)，這些參數(shù)有：天線增益G（或方向性GD）、波束寬度

3、（或主瓣寬度）、旁瓣電平等。2天線效率3極化特性4頻帶寬度5輸入阻抗b圖8-3天線增益是在波陣面某一給定方向天線輻射強度的量度，它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強度與被研究天線具有同等輸入功率的各向同性天線在同一點所產(chǎn)生的最大輻射強度之比4饋入天線總功率率單位立體角最大輻射功G天線方向性 GD與天線增益 G 類似但與天線增益定義略有不同。4總的輻射功率率單位立體角最大輻射功DG因為天線總有損耗，天線輻射功率比饋入功率總要小一些，所以天線增益總要比天線方向性小一些。理想天線能把全部饋入天線的功率限制在某一立體角B內(nèi)輻射出去，且在B立體角內(nèi)均勻分布。這種情況下天線增益與天線方向性相等。BDGG4

4、理想天線的輻射波束立體角B及波束寬度B實際天線的輻射功率有時并不限制在一個波束中，在一個波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強度最大，偏離波束中心，輻射強度減小。輻射強度減小到3db時的立體角即定義為B。波束寬度B與立體角B關(guān)系為旁瓣電平旁瓣電平是指主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平，一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)一般是不需要輻射的區(qū)域，其電平應(yīng)盡可能的低。24BB 天線效率A定義為， 1PPPPPiA式中，Pi為輸入功率；P1為歐姆損耗；P為輻射功率天線的輻射電阻 R用來度量天線輻射功率的能力，它是一個虛擬的量，定義如下：設(shè)有一個電阻 R，當通過它的電流等于天線上的最大電流時，其損耗的功率就等于

5、輻射功率。顯然，即輻射電阻越大，天線的輻射能力越強。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為RIPm221 即輻射電阻為 22mIPR仿照引入輻射電阻的辦法，損耗電阻 R1為2112mIPR 將上述兩式代入效率公式，得天線效率為RRRRRA1111可見，要提高天線效率，應(yīng)盡可能提高 R，降低 R1。極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。按天線所輻射的電場的極化形式，可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化；圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。輸入阻抗與電壓駐波比：天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率。當天線

6、工作頻率偏離設(shè)計頻率時，天線與傳輸線的匹配變壞，致使傳輸線上電壓駐波比增大，天線效率降低。因此在實際應(yīng)用中，還引入電壓駐波比參數(shù)，并且駐波比不能大于某一規(guī)定值。天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，當工作頻率偏離設(shè)計頻率時，往往要引起天線參數(shù)的變化。當工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡稱為天線的帶寬。在天線很多應(yīng)用場合，遠區(qū)場的假設(shè)都是成立的。遠區(qū)場假設(shè)為我們分析研究天線輻射的場帶來很大方便。這里所謂很遠很遠都是以波長來計量的。多數(shù)天線具有互易性，即天線在發(fā)射模式和接收模式具有相同的方向性。如果一給定天線工作在發(fā)射模式，A方向輻射電磁波的能力比B方向強100倍

7、，那末該天線工作于接收模式時，接收A方向輻射來的電磁波靈敏度比B方向也強100倍。本章以后討論的天線都是互易的。如果所觀測點離開波源很遠、很遠，波源可近似為點源。從點源輻射的波其波陣面是球面。因為觀測點離開點源很遠很遠，在觀察者所在的局部區(qū)域，其波陣面可近似為平面，當作平面波處理。符合這一條件的場通常稱為遠區(qū)場。同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點。因而，在大約從100MHz到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點是：重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做得很薄，因此，不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力

8、學(xué)性能；無需作大的變動，天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；天線的散射截面較??；稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化（左旋和右旋）；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設(shè)計（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時制作。但是，與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；最大增益實際上受限制（約為20dB）；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。但是有一些辦法可以減小某些缺點。例如，只要

9、在設(shè)計和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。在許多實際設(shè)計中，微帶天線的優(yōu)點遠遠超過它的缺點。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有： 移動通信； 衛(wèi)星通訊； 多普勒及其它雷達； 無線電測高計； 指揮和控制系統(tǒng)； 導(dǎo)彈遙測； 武器信管； 便攜裝置； 環(huán)境檢測儀表和遙感； 復(fù)雜天線中的饋電單元； 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機； 生物醫(yī)學(xué)輻射器。這些絕沒有列全，隨著對微帶天線應(yīng)用可能性認識的提高，微帶天線的應(yīng)用場合將繼續(xù)增多。微微帶天線可以分為三種基本類型：微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。微帶貼片天線微帶貼片天線（MPA）是由介質(zhì)基片、在基片一面上有任意平面幾何形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所

10、構(gòu)成。實際上，能計算其輻射特性的貼片圖形是有限的。正方形 圓形 矩形 橢圓形五角形 圓環(huán)形 直角等腰 半圓形 三角形圖3-3 實際使用的各種微帶天線圖形圖3-4 微帶天線其它可能的幾何圖形微帶行波天線（MTA）是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長TEM波傳輸線（也維持一個TE模）和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負載，當天線上維持行波時，可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。圖3-5 微帶行波天線微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成?？p隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環(huán)形。 窄縫 圓環(huán)縫 寬縫 圓貼片縫圖3-6 微帶縫隙天線大多數(shù)微帶天線只

11、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。匹配可由適當選擇饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。圖3-7 微帶線饋電的天線圖3-9 同軸饋電的微帶天線中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點的位置也決定激勵那種模式。當天線元的尺寸確定以后，可按下法進行匹配：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

12、化，則當饋線沿寬度移動時，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，如圖3-8所圖3-8 微帶天線的饋電模擬示。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，此感抗可以由電

13、流帶的尺寸來計算。各種同軸激勵示于圖3-。在所有的情況中，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3-中。圖3-9 同軸饋電的微帶天線根據(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帶來模擬。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壁閉合。如果忽略磁流的貢獻，并假定電流在圓柱上是均勻的，則可進一步簡化。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。該帶可認為是圓柱的中心軸，沿寬度方向鋪開并具有等效寬度的均勻電流帶，對于給

14、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。當饋電點在貼片邊緣上時，可以認為，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)徑的五倍時，可給出良好的結(jié)果。圖3-10 同軸線饋電的微帶天線在微帶天線中，除了直接輻射之外，還可以激勵表面波，從而產(chǎn)生軸向輻射。因此，在設(shè)計中必須給予考慮。這些表面波是TM型和TE型，它們傳播到微帶貼片之外的基片中。當沿微帶貼片傳播的準TEM波相速接近于表面波相速時，就出現(xiàn)了波間的強耦合。這類表面波耦合的最低

15、頻率確定了微帶天線工作頻率的上限。最低次TM模的截止頻率沒有下限，高次模（TMn和TEn）的截止頻率為式中，c是真空中的光速；n=1，3，5，（TEn模），或n = 2，4，6（TMn模）。對于TE1模，以duroid（r = 2.32）和氧化鋁（r = 10）為基片時，h / c（c為截止波長）的計算值分別為0.217和0.0833。因此，最低次TE模對于0.16cm厚的duroid基片，在約41GHz上可以激勵起來，對于0.0635cm厚的氧化鋁陶瓷基片，在約39GHz上可以激勵起來。由于TM0模的截止頻率沒有下限，所以，在開路微帶天線上，總能激勵到相當程度，甚至在介電常數(shù)較低而且非常薄的

16、基片上，也能以近于光速的相速傳播起來。計算表明，當h / 0 0.09（r 2.3的基片）和h / 0 0.03（r 10的基片）時，表面波的激勵就相當可觀了。因此，一般來說，在特定的應(yīng)用中，如果按照上面的表面波抑制條件來選擇基片，表面波的影響就可不必考慮。41crncfh以矩形微帶天線為例，用傳輸線模分析法介紹它的輻射原理。設(shè)輻射元的長為l，寬為w，介質(zhì)基片的厚度為h，現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長為l的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路。根據(jù)微帶傳輸線理論，由于基片厚度h，場沿h方向均勻分布。在最簡單的情況下，場沿寬度w方向也沒有變化，而僅在長度方向（l/2）有變化。在兩開路端

17、的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠區(qū)場同相疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙?？p的電場方向與長邊垂直，并沿長邊w均勻分布?？p的寬度為lh，長度為w，兩縫間距為l/2。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為由兩個縫隙所組成的二元陣列。矩形微帶天線開路端電場結(jié)構(gòu) 場分布側(cè)視圖 等效輻射縫隙設(shè)縫隙上電壓為 U，縫的切向電場沿 x 軸均勻分布，Ex = U/h，沿 z 方向的磁流密度mJ=U/h考慮到理想接地板上磁流的鏡像，縫隙的等效

18、磁流密度要乘 2， 故方向 z 等效磁流為 UhJimm22再設(shè)磁流沿 z 方向也均勻的，并注意到 h，則單縫輻射的遠區(qū)場為sincos2)cos2sin(42kwkwreUkwjEjkr對于間距為 l 的兩個隙縫組成的二元陣，因其間距 l/2，又同相激勵，并注意到在圖所示坐標系下兩陣元間相移為 klsincos，故當=/2 時，其 E 面輻射方向性函數(shù)為 )cos2cos(lkFT按上式畫出 E 面方向圖如圖 8-44 所示。注意，矩形微帶天線的 E 面方向圖由于接地板的反射作用，使得輻射變成單方向的了。圖8-44微帶天線方向圖圖8-43 縫隙的輻射坡印亭矢量的實部對半空間積分可得輻射功率。當 h 0.09（r 2.3的基片）和h / 0 0.03（r 10的基片）時，表面波的激勵就相當可觀了。因此，一般來說，在特定的應(yīng)用中，如果按照上面的表面波抑制條件來選擇基片，表面波的影響就可不必考慮。41crncfh設(shè)計的第一步是選擇具有適當厚度的合適的介質(zhì)基片。對于介質(zhì)基片厚度為h，天線工作頻率為fr以及有較高效率的輻射器，其實用寬度是（3-30）式中，c是光速。當選用小于式（3-30）的寬度時，輻射器的效率較低，而選用大于式（3-30）的寬度時，輻射器的效率雖較高，但這時將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。1/2122rrcWf在圖3-14