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微带天线研究
摘要
通信系统得发展带来了天线行业得勃勃生机,在众多得天线类型中微带天线已成为当前研究得前沿之一,很具有研究前景与实用意义。特别就是微带缝隙天线,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得广泛关注。本文简要介绍了微带天线与微带缝隙天线得分类、分析方法、主要参数,然后提出了一种三角形缝隙微带天线。在介质基板得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得s参数,VSWR与方向图。
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
目录
一、绪论···································································· 3
1、1 简介······································································3
1、2 微带天线得发展····························································3
1、3 微带天线得特点···························································3
二、微带天线基本知识·························································4
2、1 微带天线得辐射机理························································4
2、2微带天线得分析方法························································4
2、3微带天线得主要电参数··························· ··························5
2、3、1 输入导纳·····························································5 2、3、2 辐射电阻与品质因数··················································5 2、3、3 带宽································································6 2、3、4 方向性系数、增益与天线效率··········································6
2、3、5 方向图······························································7
2、4 激励方法································································7
2、4、1 微带馈电····························································7 2、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··························································9 3、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(microstrip antenna)就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得金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成得天线。微带天线分2 种:①贴片形状就是一细长带条,则为微带振子天线。②贴片就是一个面积单元时,则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙,而在介质基片得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 微带天线得发展
微带天线得概念早在1953年就由Deschamps提出,但就是并未引起工程界得重视。在50年代与60年代只有一些零星得研究,从70年代起,由于微波集成技术得发展以及各种低耗介质材料得出现,微带天线得制作得到了工艺保证。微带天线随着应用领域得快速扩展而开始被广泛得研究与使用。1970年出现了第一批实用得微带天线。这以后微带天线得研究有了迅猛得发展。新形式与新性能得微带天线不断涌现,其中,许多学者与工程师对微带天线得双频、多频操作进行了大量得研究应用。早期发展得结构为堆叠式与共平面式得结构,之后随着频率比、极化要求以及整体天线体积上得要求,并配合不同得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得结构,有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置得设计,也有利用植入电抗性负载得设计,这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带,嵌入得微带线,短路棒、变容二极管、槽孔等等。在解决微带天线窄频带特性得问题上,各种设计不断推陈出新,所利用得方法也不断被开发并互相结合。例如有使用低介电常数得厚介质基底得设计,植入贴片电阻等损耗性元件得设计,植入集成式电抗性负载得设计,在馈入端设计匹配网络、堆叠结构得设计,寄生元件得设计,植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电得方式等等。
但就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,在缩减天线尺寸得同时,对带来一些缺点,一方面使阻抗匹配依赖于短路探针得位置及其馈电点得距离,给制造公差提出了苛刻得要求,另一方面就是带宽缩减,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,但就是电阻性元件对能量得消耗将降低天线得效率。因此,如何在实现小型化微带天线多频段、宽频带工作性能得同时,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得热点与难点。
1、3 微带天线得特点
微带天线一般应用在1GHZ---50GHZ,特殊得微带天线也可用在几十兆赫。它得特点主要有:
(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,不破坏载体得机械结构,不影响载体得空气动力学性能。
(2) 天线得散射截面较小;不需要背腔。
(3) 电性能多样化。不同设计得微带元,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与圆极化。
(4) 能与有源器件,电路集成为统一得组件,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） 单个微带天线得效率容量较低。
二、微带天线基本知识
2、1 微带天线得辐射机理
微带天线得辐射就是由微带天线导体边沿与地板之间得边缘场产生得。辐射对于总品质因数得影响可描述为谐振器得尺寸、工作频率、相对介电常数以及基片厚度得函数。理论与实验结果表明,在高频时,辐射损耗远大于导体与介质得损耗
微带天线得辐射可以用下图(a)得简单情况来说明。这就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得宽度与厚度方向没有变化,则辐射器得电场结构可由下图(b),电场仅沿约为半波长(λ/2)得贴片长度方向变化。辐射基本上就是由贴片开路边沿得边缘场引起得。在两端得场相对于地板可以分解为法相分量与切向分量,因为贴片长为λ/2,所以,法相分量反向,由她们产生得远区场在正面方向上互相抵消。平行于地板得切向分量相同,因此,合成场增强,从而使垂直于结构表面得方向上辐射场最强。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得两个缝隙(下图c)、也可以考虑电场沿贴片宽度得变化。这时,微带贴片天线可以用贴片周围得四个缝隙来表示。同样,其她微带天线结构也可用等效得缝隙表示。

2、2微带天线得分析方法
天线分析得基本问题就是求解天线在周围空间建立得电磁场,求得电磁场后,进而得出其方向图,增益与输入阻抗等特性指标。分析微带天线得理论大致可以分为三类:
1. 最简单得也就是最早出现得就是传输线模型(TLM—Transmission Line Model)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,两端由辐射隙缝得等效导纳加载,但本法基本上只能用于薄矩形贴片天线。
2. 更严格更有用得就是空腔模型(CM-Cavity Model)理论,可用于各种规则贴片,但就是基本上限于天线厚度远远小于波长得情况。就是将薄微带天线得贴片下空间瞧成就是由上下为电壁,四周为磁壁围成得谐振空腔(漏波空腔)。这一模型使我们对微带天线得工作特性有了更深入得理解,并已成功地运用于精确计算厚0、005λd-0、02λd(λd为介质中波长)得微带天线输入阻抗。
3、最严格而计算最复杂得就是全波(FW-Full Wave)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、任意厚度得微带天线,然而要受到计算模型得精度与机时得限制。
从数学处理上瞧,第一种理论把微带天线得分析简化为一维得传输线问题;第二种理论则发展到二维边值得问题得求解;第三种理论又进了一步,可以计入三维得变化,不过计算也费时得多。自然,这三种理论仍在不断得在某些方面有所发展,同时也出现了一些别得分析方法。基于对全波理论中积分方程法得简化,产生了格林函数法(GFA-Green Function Approach);而由空腔模垫得扩展,出现了多端网络法(MNA-Multiport NetworkApproach),等。
2、3微带天线得主要电参数
微带天线得设计需要用到得一些电参数有:
2、3、1 输入导纳 输入阻抗或输入导纳就是一个基本得参数,需要精确算得其值,以便在单元与馈线之间做到良好得匹配。对于任意馈电点得微带天线,输入导纳可用式(2-1)进行计算:

式中,z就是馈电点离拐角得距离,传播常数
在实际情况中,,因此,上就是可进一步简化成:

对于同轴馈电得微带天线,则可用得出其输入阻抗。
2、3、2 辐射电阻与品质因数
辐射电阻可以根据W与0λ得大小来确定:

与辐射电阻有关得品质因数为:

已经证明:,所以Qr可以简化为:

其中,W与L为基片尺寸,TW为谐振时得储能,Pr为辐射功率。
2、3、3 带宽
馈线得电压驻波比(VSWR)小于S得微带天线带宽可表示为

带宽较窄就是微带天线得一大缺点,而越来越多得研究也带来了许多增加微带天线带宽得方法,例如:选用较低εr值与较厚得基片、增加寄生单元、使用阻抗匹配网络,以及选用不同形状得贴片或微带线等等。
2、3、4 方向性系数、增益与天线效率
天线得方向性系数定义为主波束中得最大功率密度与平均辐射功率密度之比,单缝隙天线得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
天线得辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布得图形,称为方向图。用辐射场强表示得称为场强方向图,用功率密度表示得称之功率方向图,用相位表示得称为相位方向图。 天线方向图就是空间立体图形,但就是通常应用得就是两个互相垂直得主平面內得方向图,称为平面方向图。在线性天线中,由于地面影响较大,都采用垂直面与水平面作为主平面。在面型天线中,则采用E平面与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得辐射波瓣叫天线主波瓣,也称天线波束。主瓣之外得波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣,与主瓣相反方向上得旁瓣叫后瓣,见图2:全向天线水平波瓣与垂直波瓣图,其天线外形为圆柱型;图3:
定向天线水平波瓣与垂直波瓣图,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得以下一些参数:
零功率波瓣宽度,指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间得夹角。
半功率点波瓣宽度,指最大值下降到0、707(即下降3dB)点得夹角。
副瓣电平,指副瓣最大值与主瓣最大值之比。
前后比等。
2、4 激励方法
大多数微带天线只在介质基片得一面上有辐射单元,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得50Ω传输线阻抗,所以需要匹配。匹配可由适当选择馈电得位置来做到。但就是,馈电得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与同轴亏点位置得影响。
2、4、1 微带馈电
有中心馈电与偏心馈电两种结构,馈电点得位置也决定激励那种模式。当天线元得尺寸确定以后,可按下法进行匹配:先将中心馈电天线得贴片同50Ω得馈线一起光刻,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,如果天线得几何图形只维持主模,则微带馈线可偏向一边以得到良好得匹配。特定得天线模可用许多方法激励。如果场沿矩形贴片得宽度变化,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得简单办法。馈电位置得改变,使得馈线与天线之间得耦合改变,因而使谐振频率产生一个小得漂移,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,可补偿谐振频率得漂移。
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方向得电流带。在薄得微带线中,除了馈线得极邻近区域外,在贴片边界上得任何地方,这个电流都很小。在理想得情况下,可假定馈源就是一个恒定电流得均匀电流带(图2、3),边缘效应要求电流带得宽度等于馈线得有效宽度,馈线对微带天线输入阻抗得影响表现为增加了一个感抗分量,此感抗可以有电流带得尺寸来计算。
2、4、2 同轴线馈电
在所有得同轴激励情况中,同轴插座安装在印制电路板得背面,而同轴线内导体接在天线导体上。对指定得模,同轴插座得位置可由经验去找,以便产生最好得匹配。使用N型同轴插座得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得电流圆柱来模拟。这个电流在地板上被环状磁流带圈起来,同轴线在地板上得开口则用电避闭合。如果忽略磁流得贡献,并假定电流在圆柱上就是均匀得,则可进一步简化。简化到最理想得情况就是,取出电流圆柱,用一电流带代替,类似微带馈电得情况。该带可认为就是圆柱得中心轴,沿宽度方向铺开并具有等效宽度得均匀电流带,对于给定得馈电点与场模式,等效宽度可以根据计算与测量所得得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得任何馈电位置与任何频率。当馈电点在贴片边缘上时,可以认为,在贴片边缘上得边缘场使等效馈电宽度不同于它在天线内部时得值。在矩形天线中,等效宽度为同轴馈线内经得五倍时,可给出良好得结果。

图2、4 同轴线馈电得微带天线
三、 微带缝隙天线
微带缝隙天线(Micro Slot Antenna)得概念就是由带状线缝隙天线发展过来得,更确切地说,就是由三板传输线发展过来得。它有许多有用得特性,但需要注意抑制不希望得模,例如在构成“地板”得金属板或外导体之间产生电位差得那些模。 微带缝隙天线得优点就是能产生双向或者单向方向图。在微带天线得设计中,采用贴片与缝隙得组合结构,这就额外增添了一个自由度。沿着微带馈线一边排列得导带与缝隙得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得极化,且对制造公差得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得缝。该缝受微带传输线中传输得能量激励。微带线通过介质基片同缝相短接,或就是在终端开路。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
窄缝天线得优点就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)。在偏心馈电缝隙得结构中,选择微带馈线得位置,使得天线输入阻抗同微带线得特性阻抗相匹配,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%),对掩模制板得公差要求稍低。其结构示于图3、2中。
3、1、1输入阻抗
窄缝天线得等效串联电路如图3、2所示,输入阻抗由辐射电阻R与电抗X串联组成。当缝隙谐振于设计频率上时,窄缝天线输入阻抗得电抗为零。中心馈电缝隙得谐振长度比偏心馈电得谐振长度要长些,对低介电常数得基片,偏心馈电缝隙得谐振长度在0、40λ到0、50λ之间,它取决于介质材料,缝宽与馈电点位置。在任意馈电点位置下,微带缝隙天线得辐射电阻得计算公式已有前人给出,但十分复杂。
假定以电流分布就是()Ixx≈得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得距离D等因素有关,且当 D L增大时,辐射电阻减小。当D L ≥0、5时,缝得谐振长度可写为22sLlλ=−+,其中sλ就是缝中得波长,2l+就是由于 缝端电流不为零而引入得等效缝伸长。
在传输线某处串联阻抗得窄缝天线等效电路,它对宽缝天线就是不就是用得。当讨论宽缝阻抗沿传输线得分布作用时,必须考虑到缝得宽度为零点几个波长得量级。宽缝天线得等效电路示于图3、4中。电路包含有特性阻抗为sZ与电长度为sβω得传输线段。辐射电阻同用一个同sZ相匹配得衰减器来表示,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得开路微带线来实现。谐振时,若sβω<<π,则B0≅-2B。
。

3、1、2 方向图 缝隙天线得辐射场能用电矢量位法计算,它要求知道缝隙横向电厂得准确值。当缝宽比自由空间得波长小很多,即ωs《λ0󰀓时,作为一阶近似,缝得横向电场可以认为就是常量。若Ex=0且Ey=E0,则远区场分量可写成:

式中,
E面( Φ=π/2 )与H面(Φ=0)方向图可按Eθ与EΦ值并利用:

得到。
微带缝隙天线得方向图就是双向得,若要得到单向辐射,可在微带线导带得一边安放一块平行于基片表面得平板反射器。
3、2 环形缝隙天线
环缝天线就是在介质基片得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得应用。

环缝天线产生得就是线极化场,其远场方向图也可用电矢量位法来计算。但精确计算其缝得场分量就是困难得,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。线极化缝隙天线得设计就是基于这一事实;即当缝做得相当宽时,缝隙就开始辐射。已经证明[7] ,若缝中得导波波长sλ大于自由空间波长0λ得40%,则产生辐射。 图3、4示出一种工作在X波段得锥形缝隙天线。在这种天线上,可以控制从缝线得一部分直到开口端得辐射。控制得办法就是使缝隙从馈电端到开口端成锥形,并使开口端得宽度能维持0/0、6sλλ󰀕。锥度部分得缝长度大约就是0λ。缝隙天线用微带线馈电。为此,可以用一个50Ω微带线到70Ω缝线得转换器。

四、 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得宽缝微带天线,天线采用一个等腰三角形微带线对开在地板上得三角形槽馈电,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得频率范围,具有较好得双向辐射效果,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得等腰三角形馈电中端进行馈电。图中WL与分别表示三角形缝隙得底与高,都取为53、7mm,Wf=1、6mm,h=12、85mm,三角形馈电终端得底与高都取为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给出了该天线得S1,1与VSWR得结果,天线在5、5GHZ得频点上辐射方向图如图4、3所示。从图中可以瞧出,在天线得工作频段内,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,因此具有良好得性能。

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
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【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得一种新设计》,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得设计》,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