射频与微波电路设计微带天线设计解析

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微带天线
微带天线的优缺点及应用 11
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： 重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 制造成本低，易于批量生产； 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）； 比较容易制成双频或多频工作的天线； 不需要背腔； 微带天线适合于组合式设计(一些固态器件，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， 进行组合式设计)； 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。
天线带宽：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 范围称为天线带宽。
天线的互易性与远区场定义 9
互易性 多数天线具有互易性，即天线在发射模式和接收模式
具有相同的方向性。如果一给定天线工作在发射模式，A方向辐 射电磁波的能力比B方向强100倍，那末该天线工作于接收模式 时，接收A方向辐射来的电磁波灵敏度比B方向也强100倍。本章
以后讨论的天线都是互易的。
远区场 如果所观测点离开波源很远很远，则波源可近似为点 源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很 远很远，在观察者所在的局部区域，其波阵面可近似为平面， 当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场， r>>λ/(2*Pi)。
在天线很多应用场合，远区场 的假设都是成立的。远区场假 设为我们分析研究天线辐射的 场带来很大方便。这里所谓很 远很远都是以波长来计量的。
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。
后瓣电平
天线效率与辐射电阻
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天线效率A 定义为 A
P Pi
P P P1
式中，Pi 为净输入功率；P1 为损耗功率；P为辐射功率 天线的辐射电阻 R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 R，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。
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天线一般概念
天线举例
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天线大体可分为线天线、口径天线和面天线三类。
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形式 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）。
天线的性能特征与天线的形状、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。工作波长=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。
G
GD
4 B
理想天线的辐射波束立体角 B 及波束宽度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B与立体角B关系为
B
4
2 B
旁瓣电平
θB
旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的第一旁
第三讲 微带天线设计
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本讲座关于微带天线设计理论取自《微带天线》（美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， HFSS软件依据的是有限元法， CST软件 依据的是有限积分技术等。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。
增益G与方向性系数GD
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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。
单位立体角最大辐射功率 G 馈入天线总功率
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天线方向性系数 GD 是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与具有同等辐射功率的各向同性天
描述天线特性的主要参数
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与天线方向性有关的参数：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，向后辐射的波束叫后瓣。 1. 为了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：增益G 、方向性系数GD、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
线在同一点所产生的最大辐射强度之比。
单位立体角最大辐射功率
GD
总的辐射功率
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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，G=GD*η
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。
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
P
1 2
I
2 m
R
即辐射电阻为 R
2 P
I
2 m
仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻 R1 为
P1
1 2
I
2 m
R1
R1
2P1
I
2 m
将上述两式代入效率公式，得天线效率为
A
R R R1
1 1 R1
R
可见，要提高天线效率，应尽可能提高 R，降低 R1。
极化特性、输入阻抗与天线带宽 8
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。