最新微带贴片天线讲义PPT课件.ppt

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1、微带贴片天线讲义微带贴片天线讲义天线举例天线大体可分为线天线和口径天线两类。移动通信用的VHF、UHF天线，大多是以对称振子为基础而发展的各种型式的线天线，卫星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径天线）。天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。天线的大小一般以天线发射或接收电磁波的波长来计量。因为工作于波长=2m的长为1m的偶极子天线的辐射特性与工作于波长=2cm的长为1cm的偶极子天线是相同的。2微带天线的优缺点及应用同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是：重量轻、体

2、积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；天线的散射截面较小；稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；比较容易制成双频率工作的天线；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）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。9微带天线的优缺点及应用但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增

3、益实际上受限制（约为20dB）；馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。但是有一些办法可以减小某些缺点。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。10微带天线的应用在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信；卫星通讯；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。这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。11微带天线结构微微带天线可以分为三种基本类型：

4、微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线微带贴片天线（MPA）是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。实际上，能计算其辐射特性的贴片图形是有限的。正方形 圆形 矩形 椭圆形五角形 圆环形 直角等腰 半圆形 三角形图3-3 实际使用的各种微带天线图形图3-4 微带天线其它可能的几何图形12微带行波天线微带行波天线（MTA）是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线（也维持一个TE模）和基片另一面上的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。图3-5

5、微带行波天线13微带缝隙天线微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙可以是矩形（宽的或窄的），圆形或环形。窄缝 圆环缝 宽缝 圆贴片缝图3-6 微带缝隙天线14微带天线馈电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。匹配可由适当选择馈电的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。图3-7 微带线馈电的天线图3-9 同轴馈电的微带天线15微带馈电中心微带馈电和偏心微带馈电。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50的馈线一起光刻，测

6、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。16微带馈电模拟对于微带馈电，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，

7、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，如图3-8所图3-8 微带天线的馈电模拟示。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，此感抗可以由电流带的尺寸来计算。17同轴线馈电各种同轴激励示于图3-。在所有的情况中，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3-中。图3-9 同轴馈电的微带天线18同轴馈电模拟根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。这个电流在地板上被环状磁

8、流带圈起来，同轴线在地板上的开口则用电壁闭合。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的均匀电流带，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径的五倍时，可给出良好的结果。图3-10 同轴线馈电的微

9、带天线19关于表面波的抑制在微带天线中，除了直接辐射之外，还可以激励表面波，从而产生轴向辐射。因此，在设计中必须给予考虑。这些表面波是TM型和TE型，它们传播到微带贴片之外的基片中。当沿微带贴片传播的准TEM波相速接近于表面波相速时，就出现了波间的强耦合。这类表面波耦合的最低频率确定了微带天线工作频率的上限。最低次TM模的截止频率没有下限，高次模（TMn和TEn）的截止频率为式中，c是真空中的光速；n=1，3，5，（TEn模），或n=2，4，6（TMn模）。对于TE1模，以duroid（r=2.32）和氧化铝（r=10）为基片时，h/c（c为截止波长）的计算值分别为0.217和0.0833。因

10、此，最低次TE模对于0.16cm厚的duroid基片，在约41GHz上可以激励起来，对于0.0635cm厚的氧化铝陶瓷基片，在约39GHz上可以激励起来。由于TM0模的截止频率没有下限，所以，在开路微带天线上，总能激励到相当程度，甚至在介电常数较低而且非常薄的基片上，也能以近于光速的相速传播起来。计算表明，当h/0 0.09（r 2.3的基片）和h/0 0.03（r 10的基片）时，表面波的激励就相当可观了。因此，一般来说，在特定的应用中，如果按照上面的表面波抑制条件来选择基片，表面波的影响就可不必考虑。20微带天线的辐射原理以矩形微带天线为例，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。设辐射元的长为

11、l，宽为w，介质基片的厚度为h，现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为l的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。根据微带传输线理论，由于基片厚度h 0.09（r 2.3的基片）和h/0 0.03（r 10的基片）时，表面波的激励就相当可观了。因此，一般来说，在特定的应用中，如果按照上面的表面波抑制条件来选择基片，表面波的影响就可不必考虑。25单元宽度设计的第一步是选择具有适当厚度的合适的介质基片。对于介质基片厚度为h，天线工作频率为fr以及有较高效率的辐射器，其实用宽度是（3-30）式中，c是光速。当选用小于式（3-30）的宽度时，辐射器的效率较低，而选用大于式（3-30）的宽度时，辐射器

12、的效率虽较高，但这时将产生高次模，从而引起场的畸变。26在图3-14中，对三种常用介质基片画出了式（3-30）的曲线。图3-14 不同介质基片的单元宽度与频率的关系曲线27单元长度一旦知道了W，则线伸长l和等效介电常数e可分别式（3-14）和（3-15）来计算。因此，谐振单元长度为（3-31）由于谐振单元所固有的窄带宽，所以，它的长度是一个临界参数，应当用式（3-31）来求线长L的精确值。图3-15画出了不同基片时L与fr的关系曲线，可用来检验设计。由图可见，频率低于2GHz时，L随h的变化大致可以忽略。图3-15 不同介质基片的单元长度与频率的关系曲线28微带天线特性仿真模拟方向图，方向性（或增益），波瓣宽度辐射电阻、品质因数、损耗、效率输入阻抗带宽29天线设计软件SonnetADS30