天线与电波传播课件(第五章)天线新技术

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• w/h<1
Zc 8h 1 w 2 r 1 120 0.1208 0.2258 ln r 2( r 1) w 32 h r 1
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第6章 电波传播概论
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5 天线新技术概述
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Gain(dBi): 18
Gs jYc tan (b 2l ) Yin Gs Yc Yc jGs tan (b 2l )
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微带天线分析---传输线模型
H面：
1 sin k 0 a cos 2 sin FH ( ) cos
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微带天线的分析设计方法
从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任
意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度 和机时的限制。 从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分 析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发 展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又 进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也 费时得多。
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微带天线分析---传输线模型
y=0处的缝隙等效面磁流为
V0 M s e n e z E z e x e z E0 e y h
该磁流所产生的电矢位为
1 e F vM s r 4
编著： [美] John D.Kraus
出版社：电子工业出版社
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Ronald J. Marhefka
2002年8月 第一版
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天线与电波传播
第1章 天线基础知识 第2章 窄带天线 第3章 宽带天线
第4章 口径天线 第5章 天线新技术
微带天线分析---传输线模型
施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相
对介电常数的一个简单经验公式：
1 / 2 1 10h e r 1 r 11 2 w
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1 60 2
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微带天线分析---传输线模型
除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳还有
一电容部分。它由边缘效应引起，其电纳可 用延伸长度Δl来表示：
Bs Yc tan(l )
哈默斯塔德给出Δl的经验公式如下：
w 0.264 e 0.3 h l 0.412h e 0.258 w 0.8 h
2 0.5 E 2 sin
1
0
4b
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E面：
1 FE ( ) cos k 0 b sin 2
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微带天线分析---传输线模型
半功率波瓣宽度近似值如下：
2 0.5 H 2 cos
1
1 a 21 0
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微带天线工作---辐射机理
贴片尺寸为 a b ，介质基片厚度为 h 。 微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传
输线，其终端（a边）处因为呈现开路， 将形成电压波腹。一般取 b m / 2 ，m 为 微带线上波长。于是另一端（a边）处也 呈电压波腹。 w a, l b
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微带天线工作---辐射机理
沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片
法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏 离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向 图。 沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它 们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而 两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E 面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在 其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但 与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。
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微带天线的分析设计方法
这三种理论仍不断地在某些方面有所发展
，同时也出现了一些别的分析方法。基于 对积分方程法的简化，产生了格林函数法 (GFA-Green’s Function Approach)；而由 空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNAMultiport Network Approach)等。
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微带天线分析---传输线模型
分析微带天线的最简单而又适合某些工程应
用的理论模型是传输线模型。
该模型将矩形微带贴片看成场沿横向（a边）
没有变化的传输线谐振器．场沿纵向（b边） 呈驻波变化，辐射主要由两开路端（a边）处 的边缘场产生。因此，微带天线可表示为相 距b的两条平行缝隙（长a宽h）。
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微带天线缺点
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；
馈线与辐射元之间的隔离差；
端射性能差； 可能存在表面波；
微带天线分析---传输线模型
缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数展开
式表示，略去高阶项后可得近似结果如下:
1 a 90 0 1 a Gs 120 0 1 a 120 0
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(a 0.35 0 ) (0.35 0 a 2 0 ) ( a 2 0 )
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。
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微带天线分类
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出版社：北京航空航天大学出版社 《Antennas: For All Applications》
出版社：the McGraw-Hill Companies 《天线》 出版社：电子工业出版社
编著：[美]John D.Kraus Ronald J. Marhefka 2004年4月 第一版
《Radio Propagation for Modern Wireless Systems》
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5.1
微带天线
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微带天线优点及应用
在100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用，与通常的微波天线


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微带天线分析---传输线模型
当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条缝隙
的导纳加上长为b的传输线变换后的另一缝 隙导纳，便得出微带天线的输入导纳：
Ys jYc t an b Yin Ys Yc Yc jYs t an b
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微带天线工作---辐射机理
矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的
缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接 地板的存在，天线主要向上半空间辐射 。对上半空间而言，接地板的效应近似 等效于引入磁流 M s 的正镜像。由于 h << 0 ，因此它只相当于将 M s 加倍，辐射图形 基本不变。
V.S.W.R ＜1.5 Polarization ±45° Isolation Between Two Ports(dB) ≥30
Cross-Polar Discrimination(dB) ≥15
Horizontal-3dB Beamwidth(°): 87 Vertical-3dB Beamwidth(°): 4.7
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微带天线工作---辐射机理
电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚
度方向电场无变化）
Ez E0 cos(x / b)
天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形
成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可 由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度 为 M s n E
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《天线与电波传播》
张忠祥
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教材：《天线与电波传播》 机械工业出版社
王增和 卢春兰 钱祖平 等编著
2003年7月第一版
参考书： 《天线原理》 主 编：江贤祚 1993年第一版 主 编：John D. Kraus 出版时间：2002
jk0 r
dv
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微带天线分析---传输线模型
惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特
性阻抗Zc的计算公式如下： • w/h>1
r 1 r 1 w 377 w Zc 0.883 0.165 2 ln h 1.88 0.758 r r r h
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微带天线分析---传输线模型
等效电路如图
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微带天线分析---传输线模型
用延伸长度来表示电容效应，则可获得更简
便的计算式：

相比，微带天线的一些主要优点是： 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。