微带天线设计

描述天线特性的主要参数
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与天线方向性有关参数：方向性函数或方向图 离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相 对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数； 把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。 最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波 束叫旁瓣。 为了方便对各种天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示 方向图特性的参数，这些参数有：天线增益G（或方向性GD）、 θb 波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。 2．天线效率 3．极化特性 4．频带宽度 5．输入阻抗
天线举例
天线大体可分为线天线和口径天线两类。
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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λ来计量。因为工作于波长λ = 2m的长为1m的偶极子 天线的辐射特性与工作于波长λ = 2cm的长为1cm的偶极子天线是相同的。
极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变 化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线 极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平 极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。 输入阻抗与电压驻波比： 天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大 功率。 当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏， 致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。因此在实际应 用中，还引入电压驻波比参数，并且驻波比不能大于某一规定 值。 天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往 往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电 参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称 为天线的带宽。
微带馈电模拟
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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 图3-8 微带天线的馈电模拟 电流的均匀电流带，如图3-8所 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。
同轴线馈电
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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
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。
旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的 第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一 般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。
天线效率与辐射电阻
天线效率ηA 定义为，
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PΣ PΣ ηA 入功率；P1 为欧姆损耗；PΣ为辐射功率 天线的辐射电阻 RΣ用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下： 设有一个电阻 RΣ，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等 于辐射功率。 显然，即辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。 由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为
微带天线结构
微带贴片天线
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微微带天线可以分为三种基本类型：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（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 三角形
第三讲 微带天线设计
本讲座关于微带天线设计理论取自“微带天线”（美
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I.J.鲍尔 P.布哈蒂亚著，梁联倬等译，1985年电子工业 出版社），虽然最新资料没有反映，但基本概念仍是 有用的。国内也有几本微带天线的书，很多内容也取 自鲍尔的著作，故本讲座关于微带天线设计理论部分 就参考鲍尔一书。至于本讲座后面推荐的微带天线设 计软件是否用了鲍尔的有关公式，我们并不十分关心， 比如Sonnet软件依据的是矩量法。不同的设计软件有不 同的特色，所依据的设计公式、方法有差别，有兴趣 的读者最好参阅相关的文献。
微带天线的应用
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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。
图3-7 微带线馈电的天线
图3-9 同轴馈电的微带天线
微带馈电
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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。
天线方向性 GD 与天线增益 G 类似但与天线增益定义略有不同。
GD =
因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小 一些。 理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角 B 内辐射出去，且在 B 立体角内均匀分 布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。
G = GD =
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。
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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。
1 2 PΣ = I m RΣ 2
仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻 R1 为
即辐射电阻为
2 PΣ RΣ = 2 Im
2 P1 R1 = 2 Im
将上述两式代入效率公式，得天线效率为
ηA =
RΣ 1 = RΣ + R1 1 + R1 RΣ
可见，要提高天线效率，应尽可能提高 RΣ，降低 R1。
极化特性、频带宽度与输入阻抗 7
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图3-5 微带行波天线
微带缝隙天线
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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
微带天线馈电
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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。
4π B
理想天线的辐射波束立体角 B 及波束宽度θ B
波束宽度与旁瓣电平
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实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在 一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大， 偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时 的立体角即定义为B。波束宽度θB与立体角B关系为
B =
旁瓣电平
π
4
θ
2 B
图8-3
天线增益G与方向性G 天线增益G与方向性GD
天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度，它是被研究天线在最大辐射方向的辐 射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比
4
G=
单位立体角最大辐射功 率 馈入天线总功率 4π
单位立体角最大辐射功率 总的辐射功率 4π
半圆形
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
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。
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图3-10 同轴线馈电的 微带天线
关于表面波的抑制
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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