第四讲微带天线和缝隙天线
(天线技术)第8章缝隙天线和微带天线
将切割好的导电材料与绝缘材料组装在一起，使用适当的粘合剂 或机械固定方式进行固定。
测试与调整
完成制作后，对缝隙天线进行测试和调整，确保其性能符合设计 要求。
05
微带天线的设计与实现
微带天线的设计方法
确定工作频率
根据应用需求，确定微带天线的工作频率。
设计贴片形状和尺寸
根据理论公式和仿真软件，设计出合适的贴 片形状和尺寸。
性能特点的比较
缝隙天线
结构简单、易于加工、成本低，但带 宽较窄，增益较低。
微带天线
体积小、重量轻、易于集成，具有宽 频带和多频段特性，但效率较低、功 率容量有限。
应用场景的比较
缝隙天线
广泛应用于通信、雷达、导航等领域，尤其适用于低成本、小型化要求较高的 场合。
微带天线
广泛应用于卫星通信、移动通信、电子战等领域，尤其适用于需要集成度高、 体积小的场合。
天线技术的未来展望
多样化应用场景
随着5G/6G通信、物联网、 智能终端等应用的普及， 天线技术的应用场景将更 加多样化。
创新性技术突破
未来天线技术将不断涌现 出新的理论和技术，推动 天线性能的不断提升和应 用领域的拓展。
绿色环保理念
随着社会对环保的重视， 天线技术将更加注重绿色 环保理念，推动可持续发 展。
缝隙天线的历史与发展
缝隙天线最早可以追溯到19世 纪末期，当时主要用于无线电
报通信。
随着技术的发展，缝隙天线 在20世纪得到了广泛的应用， 特别是在雷达、卫星通信无线通信技术的 快速发展，缝隙天线在移动通 信、WiFi通信等领域的应用也
越来越广泛。
02
微带天线概述
微带天线的定义
06
微带天线的定义
微带天线的定义：在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。
它利用微带线或同轴线馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励器射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
因此，微带天线也可以看作为一种缝隙天线。
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。
微带天线的结构：微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成。
其中一片金属片完全覆盖介质板的一面，称为接地板，另一金属板的尺寸可以和波长相比拟，称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形、椭圆形等等。
微带天线的分类：（1）微带贴片天线导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或或圆形薄片等。
（2）微带振子天线天线同微带贴片天线相似，贴片是窄长条形的薄片振子（偶极子）。
（3）微带线型天线利用微带的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射。
（4）微带缝隙天线利用开在地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电。
微带天线的馈电技术对微带天线的激励方式主要分为两大类：直接馈电法和间接馈电法。
直接与贴片相接触的方法称之为直接馈电法，目前普遍采用的有同轴背馈法和微带线侧馈法。
与贴片无接触的激励方法就是间接馈电法，此类方法主要有：电磁耦合法，缝隙耦合法和共面波导馈电法等。
馈电技术直接影响到天线的阻抗特性，所以也是天线设计中的一个重要组成部分。
微带天线工作原理——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 λ/2 ，m λ 为微带线上波长。
于是另一端（a 边）处也呈电压波腹。
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） E z =0E )b /(cos x π 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。
第5章缝隙微带天线
aλ g
πx1
a
x1
r
θ
⎛ λg r = 0.523⎜ ⎜λ ⎝
⎞ λ2 2 πλ 2 πx1 ⎟ ⎟ ab cos ( 4a ) cos ( a ) ⎠
3
b
g
π λ ⎞ ⎛ sinθ cos( sinθ ) ⎟ 3⎜ λg λ ⎜ 2 λg ⎟ r = 0.131 3 ⎜ ⎟ λ ab 2 ⎟ ⎜ 1− ( sinθ ) λg ⎠ ⎝
v v 1 W /2 h − jk ( r − x 'sin θ cos ϕ + z 'cos θ ) F = −e z dx ' dz ' ∫−W / 2 ∫−h E0e 4πr
其中考虑了接地板引起的正镜像
1 sin( kW cos θ ) v E 0 h sin( kh sin θ cos ϕ ) v 2 F = −ez e − jkr πr kh sin θ cos ϕ k cos θ
5.2.1 矩形微带天线
x
z
L≈λg /2
o o
W
vm v v J s = −e n × E
y
v E
接地板 介质基片 辐射贴片
vm Js
ε
r
h
Ex = E0 cos( y / L) π
通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射
求解缝隙中等效面磁流密度的辐射场 z
vm v v v Js = −en × Ex = −E0ez
1 v v 2E0h sin(kh sinθ cosϕ ) sin(2 kW cosθ ) 1 E = eϕ j sinθ cos( kL sinθ sinϕ )e− jkr πr kh sinθ cosϕ cosθ 2
第六章缝隙天线与微带天线
/2
x1
g /2
图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵，适当地调整缝隙对中线的偏移x1和 斜角δ，可使得缝隙所等效的归一化输入电导为1，其电纳部分由缝隙中心附近 的电抗振子补偿，各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。
带宽
匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与 波导有较好的匹配，带宽主要受增益改变的 限制，通常是5%~10%。其缺点是调配元件 使波导功率容量降低。 方向图
微带天线工作原理—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。
微带天线工作原理—分析方法
在 x<0的半空间内，由于等效磁流的方向相反，因此电场 和磁场表达式分别为上两式的负值。
通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子 为互补天线，因为它们相结合时形成单一的 导体屏而没有重叠或孔隙。 它们的区别在于场的极化不同： H面（通 过缝隙轴向并且垂直于金属板的平面）、E面 （垂直于缝隙轴向和金属板的平面）互换。
max
arcsin 2 d
非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线，因为α与频率有关，波束指向θmax 可以随之变化。 非谐振式天线的优点是频带较宽，缺点是效率较低。
匹配偏斜缝隙阵
如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是
匹配缝隙，即不在波导中产生反射，波导
终端接匹配负载，就构成了匹配偏斜缝隙
天线阵。
微带天线工作原理—分析方法
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。
第四讲 微带天线
第四講微帶天線一、引言上一講介紹了對稱振子和接地單極子天線。
這兩種天線本质上屬於線天線。
但是手機內置天線往往都不是線天線的形式，常見的PIFA天線和單極子變形天線往往都是平面天線的形式。
儘管在某種程度上它們也和對稱振子或接地單極子天線有某种程度的相似性。
在現有理論基礎下，由於专門對手機天線進行嚴格理論分析的論著還很少，所以為更加深入地理解手機天線，我们還有必要瞭解幾種其他類型的天線的一般特性。
這一講主要介绍微帶天線的概念和基本原理。
二、微帶天線的結構如下圖所示，結構最簡單的微帶天線是由貼在帶有金屬地板的介質基片（）上的輻射貼片所構成的。
貼片上導體通常是銅和金，它可以為任意形狀。
但通常為便於分析和便於預測其性能都用较為簡單的幾何形狀。
為增強輻射的邊緣场，通常要求基片的介电場數較低。
三、微帶天線的特點微帶天線的典型優點是：1．重量輕、体積小、剖面薄；2．製造成本低，適於大量生產；3．通過改變馈點的位置就可以獲得線極化和圓極化；4．易於實現双頻工作。
但微帶天線也有如下缺點：1．工作頻帶窄；2．損耗大，增益低；3．大多微帶天線只在半空間輻射；4．端射性能差；5．功率容量低。
四、微帶天線的輻射機理微帶天線的輻射是由微帶天線導體邊沿和地板之間的邊緣场產生的。
這可以從以下圖中的情況簡單說明，這個圖是一個側向饋電的矩形微帶貼片，與地板相距高度為h。
假設電場沿微帶結構的宽度和厚度方向沒有变化，則輻射器的電場仅僅沿約為半波長（）的貼片长度方向變化。
輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。
在兩端的場相對地板可以分解為法向和切向分量，因為貼片長度为，所以法向份量反相，由它们產生的遠區場在正面方向上互相抵消。
平行於地板的切向分量同相，因此合成場增強，從而使垂直於地板的切向份量同相，因此合成場增強，从而使垂直於結構表面的方向上輻射場最強。
根據以上分析，貼片可以等效为兩個相距、同相激励並向地板以上半空间輻射的兩個縫隙。
對微帶貼片沿寬度方向的電場變化也可以采用同樣的方法等效為同样的縫隙。
第5章 缝隙天线与微带天线解析
第5章 缝隙天线与微带天线
三、 缝隙天线阵（Slot Arrays）
为了加强缝隙天线的方向性，可以在波导上按一定的规律开 出一系列尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙阵。
1. 谐振式缝隙阵
特点：波导上所有缝隙都得到同相激励，最大辐射方向与天线轴 垂直，为边射阵，波导终端采用短路活塞。
缺点：波导波长λg大于自由空间波长，缝隙阵会出现栅瓣，同时
振子辐射场的极化方
f ( ) cos(kl cos ) cos kl
向相互正交，其它特
sin
H面 性完全相同。
第5章 缝隙天线与微带天线
半 波 缝 隙 天H面线 方的 向 图 z
y
x＜ 0
x＞ 0
(a)电力线；
(b)磁力线
二、 第缝5章隙天缝线隙天线与微带天线
最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的。
成非谐振式缝隙阵。
由传输线理论可知，图a相邻缝隙的相位依次落后
2 g
d
对于图 (b)的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差
2 g
d
之外，
还有附加的180°相移，所以相邻缝隙之间的相位差将沿行波方向
依次落后
。 2 d g
第5章 缝隙天线与微带天线
非谐振缝隙天线阵的特点： 1、最大辐射方向偏离阵法线的角度为：
是曲面形状。
(a)
(b)
(a)圆突—矩形波导缝隙天线；(b)扇面波导缝隙天线 工程上波导缝隙天线阵的方向系数的估算公式:
D 3.2N
第5章 缝隙天线与微带天线
第二节 微带天线
微带天线(Microstrip Antennas)：
由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。 优点： 1、体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形； 2、制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小； 3、能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向； 4、易于和微带线路集成； 5、易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能
缝隙天线和微带天线教育课件
(a)
(b)
(a)圆突—矩形波导缝隙天线； (b)扇面波导缝隙天线
其主要的研究热点为精确地计算相应缝隙的等效阻抗。
5.2 微带天线(Microstrip Antennas)
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。
微带天线工作原理—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。
g/2
图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵，适当地调整缝隙对中线的偏移x1和 斜角δ，可使得缝隙所等效的归一化输入电导为1，其电纳部分由缝隙中心附近 的电抗振子补偿，各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。
带宽
匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与 波导有较好的匹配，带宽主要受增益改变的 限制，通常是5%~10%。其缺点是调配元件 使波方导向图功率容量降低。
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
90
a 0
2
G
s
1
120
a 0
1 60
2
1 a 120 0
缝隙天线与微带天线
1.2 缝隙天线 最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波 谐振缝隙构成的。由电磁场理论，对 TE10 波而言，如 图5―1―3所示，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分 量，横向分量的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零， 纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大；
c h a g b f d
e
图5―1―3 TE10波内壁电流分布与缝隙配置示意图
参见图5―1―2，但是两者具有相同的方向性，其方向函 数为
cos(kl cos ) cos kl f ( ) sin
（5―1―7）
例如,理想半波缝隙天线(2l=λ /2)的H面方向图如 5―1―2(b)图所示，而其E面无方向性。理想缝隙天线同 样可以计算其辐射电阻。如果以缝隙的波腹处电压值 Um=Emw为计算辐射电阻的参考电压，缝隙的辐射功 率Pr,m与辐射电阻Rr,m之间的关系为
而波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。如 果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中断的电流 线将以位移电流的形式延续，缝隙因此得到激励，波 导内的传输功率通过缝隙向外辐射，这样的缝隙也就 被称为辐射缝隙，例如图5―1―4所示的缝隙a、b、c、 d、e。当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建立 激励电场，这样的缝隙因得不到激励，不具有辐射能 力，因而被称为非辐射缝隙，如缝隙f。
I
m
l
E dl
（5―1―3）
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
（5―1―4）
上式中的磁流最大值为2Emw。
z
＝ ∞
2l
y
图5―1―1 理想缝隙的坐标图
根据电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可 以直接由电对称振子的辐射场对偶得出为
微带天线顶级教程
微带天线顶级教程微带天线§6.1 缝隙天线缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。
6.1.1 理想缝隙天线理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。
假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω（λω<<）、长度2/2λ=l 的缝隙。
缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：()()[]y m ez l k E z E ˆsin --=m E ---缝隙中间波腹处的场强值。
缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⨯-==0,ˆsin 0,ˆsin ˆ0x e z l k E x ez l k E E nJ z mz m z m等效磁流强度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⋅=⎰0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。
根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。
对于电对称阵子，电流分布为：)(sin )(z l k I z I -=辐射场表达式：θθθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为：()()ϑϑπωϕsin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m--=-输入阻抗2)60(π=ine inm Z Z任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可由与其互补的电对称阵子的相应值求得。
例如，半波对称阵子的辐射阻抗为Ω=1.73re R ，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为：Ω==5001.73)60(2πrmR 由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于2λ，且缝隙越宽，缩短程度越大。
缝隙天线与微带天线
I
m
E dl E dl
ll
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
根据电磁场的对偶原理，磁对称 振子的辐射场可以直接由电对称振子的 辐射场对偶得出为 Em cos(kl cos ) cos(kl ) jkr m E j e e r sin Em cos(kl cos ) cos( kl ) jkr m H j e e r sin
2l
y
E( z) Em sin[k (l z ]ey
在x>0的半空间内，缝隙相当于一个等效磁流源，其等效磁 流密度为
J m n E
x0
Em sin[k (l z )]ez
缝隙最终可以被等效成一个片状的、 沿z轴放置的、与缝隙等长的磁对称振子。
讨论远区的辐射问题时，可将缝隙视为线状磁对称振子，根 据与全电流定律对偶的全磁流定律
目受到限制，增益较低，因此实际中较少采用。
g g / 2
g
(a ) 活塞
纵向谐振缝隙阵二
图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。Leabharlann g / 2g / 2
(c)
/2 纵向谐振缝隙阵三
g
对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为λg/2，斜缝通过切入宽壁的深度 来增加缝隙的总长度，并且依靠倾斜角的正负来获得附加的 π相差，以补偿横向 g / 2 电流λg/2所对应的π相差而得到各缝隙的同相激励。
5.1 缝隙天线
5.1.1 理想缝隙天线
理想缝隙天线是开在无限大、无限薄的 理想导体平面上(yOz)的直线缝隙， 可以由 同轴传输线激励。
缝隙的宽度 w 远小于波长， 而其长度 2l 通常为λ/2。
缝隙天线与微带天线
振子的波腹处电流值Iem应满足下面的等式:
Um 60 I
e m
（5―1―9）
第5章 缝隙天线与微带天线
因为电对称振子的辐射功率Pr,e与其辐射电阻Rr,e的
关系为
1 e2 Pr ,e I m Rr ,e 2
（5―1―10）
由式（5―1―8 ）、（ 5―1―9 ）和式（5―1―10），
可推导出理想缝隙天线的辐射电阻与其互补的电对称振
度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可以由与 其互补的电对称振子的相应值求得。由于谐振电对称 振子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入电阻也 为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于λ/2，且缝隙越宽， 缩短程度越大。
第5章 缝隙天线与微带天线
5.1.2 缝隙天线
最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波 谐振缝隙构成的。由电磁场理论，对 TE10 波而言，如
图5―1―3所示，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流
分量，横向分量的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为 零，纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大；
第5章 缝隙天线与微带天线
c h a g b f d
e
图5―1―3 TE10波内壁电流分布与缝隙配置示意图
第5章 缝隙天线与微带天线
而波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。如
果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中断的电流 线将以位移电流的形式延续，缝隙因此得到激励，波
导内的传输功率通过缝隙向外辐射，这样的缝隙也就
被称为辐射缝隙，例如图 5―1―4 所示的缝隙 a 、 b 、 c 、 d 、 e 。当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建立 激励电场，这样的缝隙因得不到激励，不具有辐射能 力，因而被称为非辐射缝隙，如缝隙f。
微带缝隙天线设计
信息工程大学毕业设计（论文）任务书（地方学生）课题名称 微带缝隙天线设计所在院、系（队） 信息工程学院九系四队专 业 通信工程学 号 20055401125申请学位级别 工学学士指导教师单位 二系一教指导教师姓名 邢锋技 术 职 务 副教授二○○ 九 年 五 月李 麟 09-06-09, 17:07课题名称微带缝隙天线设计其他指导老师姓名、单位课题主要任务与要求：1.了解微带天线的概念和分类；2.了解微带缝隙天线的概念、分类以及性能。
3. 设计一款微带缝隙天线模型，并通过软件仿真得到其各项属性， 方向图等。
备注系（或教研室）审批意见：签（章）年月日学院训练部审批意见：签（章）年月日指导教师评语：签（章）年月日答辩小组意见：负责人签（章）年月日学院答辩委员会意见：负责人签（章）年月日学院训练部审核意见：盖章年月日微带缝隙天线设计摘要通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义。
特别是微带缝隙天线，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的广泛关注。
本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。
在介质基板的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的s参数，VSWR和方向图。
该天线的阻抗带宽达到了120％ ，覆盖了2.6—11.7GHZ的频率范围，增益值达到了5.8dB。
关键词：微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计Microstrip Slot Antenna DesignAbstractThe development of Communication System has brought exuberant vital force of The Antenna Industry. In lots kinds of antenna, the Microstrip antenna has already been one of the most foreland research, with foreground and practical significance. Especially, the Microstrip slot antenna has attract attention of antenna operators with it’s characters: light, thin section, plane structure, conform with carrier easy, feeding network can be made with the antenna structure. This thesis has given a brief introduce on the classes, analysis methods and the main parameters of Microstrip antenna and Microstrip slot antenna, then has proposed a kind of triangular-shape slot Microstrip antenna. A triangular-shape slot exists on a side of the substrate, and it can feed with an equilateral triangular-patch on the other side. Parameter S, VSWR and the Direction Plot of the antenna are given by the simulation. The impedance bandwidths of the proposed antenna approach 120%, covering 2.6—11.7GHZ, and the plus get to 5.8dB.Keywords: Mrcrostrip antenna, Microstrip slot antenna, triangular-shape slot Microstrip antenna.目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2微带天线的发展 (1)1.3微带天线的特点 (2)1.4微带天线的应用 (2)第二章微带天线 (3)2.1 微带天线的分类 (3)2.2 微带天线的辐射机理 (4)2.3 微带天线的分析方法 (4)2.4 微带天线的主要电参数 (5)2.4.1 输入导纳 (5)2.4.2 辐射电阻和品质因数 (6)2.4.3 带宽 (6)2.4.4 方向性系数、增益和天线效率 (7)2.5 激励方法 (7)2.5.1 微带馈电 (7)2.5.2 同轴线馈电 (8)第三章微带缝隙天线 (10)3.1 矩形缝隙天线 (10)3.1.1 输入阻抗 (11)3.1.2 方向图 (13)3.2 环形缝隙天线 (14)3.3 锥形缝隙天线天线 (15)第四章三角缝隙宽缝微带天线 (16)4.1 天线设计与性能 (16)4.2 软件仿真 (17)4.3 结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)第一章 绪论1.1 引言要对微带天线做一个准确的定义是困难的，因为它有很多种形式[1]。
缝隙天线
•式中Em为缝隙中波腹处的场强值。 式中 为缝隙中波腹处的场强值。
一般：缝隙的宽度 远小于波长 而其长度2l为 。 远小于波长， 一般：缝隙的宽度w远小于波长，而其长度 为λ/2。
不论激励（实际缝隙是由外加电压或电场激励的）方式如何 不论激励（实际缝隙是由外加电压或电场激励的）方式如何, 缝隙中的场总垂直于缝的长边, 如图（ ）所示。 缝隙中的场总垂直于缝的长边 如图（a）所示。 因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙， 因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图 （b）所示。 ）所示。 与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（ ）所示。 与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（c）所示。
–对于远场，可以将缝隙视为线状磁对称振子，根据与全电 对于远场，可以将缝隙视为线状磁对称振子， 流定律对偶的全磁流定律，即磁流回路定理： 流定律对偶的全磁流定律，即磁流回路定理：
半空间， 轴上的等效磁流强度为 轴上的等效磁流强度为： –可得在x>0半空间，z轴上的等效磁流强度为： 可得在 半空间
–由电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可由电对称振 由电磁场的对偶原理， 子的辐射场直接写出： 子的辐射场直接写出：
–由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系： 由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系：
–使两辐射功率相等，可得两互补天线的辐射电阻有如下关 使两辐射功率相等， 系：
–因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为： 因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为：
–与之对应的辐射电导： 与之对应的辐射电导：
•辐射阻抗和输入阻抗： 辐射阻抗和输入阻抗： 阻抗和输入阻抗 –可由上两互补天线的辐射电阻公式，直接推广到辐射阻抗 可由上两互补天线的辐射电阻公式， 电阻公式 和输入阻抗（不是纯电阻） 和输入阻抗（不是纯电阻）。
天线9_缝隙.微带贴片天线
窄边斜半波谐振缝隙
x1 b
计算任意缝隙的等效 阻抗或导纳是一个极复杂
的问题，也没有其等效电
g
路的一般公式，等效电路 的参数可以由实验来决定。
(c)
其归一化电导为
sin cos( sin ) 3 g 2 g g 0.131 3 [ sin ]2 ab 1 ( sin ) g
缝隙天线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
辐射功率与辐射电导
波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波导 缝隙天线的辐射功率相当于理想缝隙天线的一半，因此 波导缝隙天线的辐射电导也就为理想缝隙天线的一半。 对于半波谐振波导缝隙，其辐射电导为
Gr,m≈0.001S
波导上的辐射缝隙给波导内的传输带来的影响，不 仅是将传输的能量经过缝隙辐射出去，还引起了波导内 等效负载的变化，从而引起波导内部传输特性的变化。 根据波导缝隙处电流和电场的变化，可以把缝隙等效成 传输线中的并联导纳或串联阻抗，从而建立起各种波导 缝隙的等效电路。
由微波技术知识可知，波导可以等效为双线传输 线，所以波导上的缝隙可以等效为和传输线并联或串 联的等效阻抗。 宽壁横缝截断了纵向电流，因而纵向电流以位移 电流的形式延续，其电场的垂直分量在缝隙的两侧反 相，导致缝隙的两侧总电场发生突变，故此种横缝可 等效成传输线上的串联阻抗。
横向 缝隙
b
波导宽壁横缝附近的电场
波导宽壁纵缝却使得横向电流向缝隙两端分流，因而造 成此种缝隙两端的总纵向电流发生突变，所以矩形波导宽壁 纵缝等效成传输线上的并联阻抗或导纳。
纵 向 电 流 横 向 电 流
a 纵 向 缝 隙
波导宽壁纵缝附近的电流
若某种缝隙同时引起纵向电流和电场的突变，则可以把 它等效成一个四端网络。
天线技术
H面
图 7-2 理想缝隙（2l=λ/2）天线的辐射方向图
第 7 章 缝隙天线和微带天线 由于利用了对偶关系，此式假设了缝上电压（或切向电场）
沿缝隙轴线也是按正弦分布的。对比理想缝隙与对称振子的场
（1） 二者的方向相同，方向性函数都是
F (,)co lc ss ( o i ) n sco l)s((7-1-3)
8
56
9
图 7-3 波导内壁的电流分布与缝隙配置示意图
第 7 章 缝隙天线和微带天线
y
z
x
E面
x H面
图 7-4 波导天线的辐射方向图
第 7 章 缝隙天线和微带天线
7.1.3 波导缝隙天线阵的方向特性和宽频带特性
1. 谐振式缝隙阵
活塞
g
g
2
a
活塞
b 同轴线
图 7-5 宽壁纵向缝隙阵
第 7 章 缝隙天线和微带天线
第 7 章 缝隙天线和微带天线
等 效辐 射缝 隙 l
2 w
l h
图 7-16 等效辐射缝隙
第 7 章 缝隙天线和微带天线 7.2.3 微带天线的方向特性
建立如图7-17所示的坐标，设缝隙上电压为U，缝的切向电
场Ex=U/h，可以等效为沿z方向的磁流。考虑到理想接地板上磁 流的镜像，缝隙的等效磁流为
其方向性函数为
F ()co lc ss( o i ) n sco l)s( (7-1-2)
由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，根 据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称振子 的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图7-2所示。
第 7 章 缝隙天线和微带天线
y
O
x
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四讲微带天线
一、引言
上一讲介绍了对称振子和接地单极子天线。
这两种天线本质上属于线天线。
但是手机内置天线往往都不是线天线的形式，常见的PIFA天线和单极子变形天线往往都是平面天线的形式。
尽管在某种程度上它们也和对称振子或接地单极子天线有某种程度的相似性。
在现有理论基础下，由于专门对手机天线进行严格理论分析的论著还很少，所以为更加深入地理解手机天线，我们还有必要了解几种其他类型的天线的一般特性。
这一讲主要介绍微带天线的概念和基本原理。
二、微带天线的结构
如下图所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片
（）上的辐射贴片所构成的。
贴片上导体通常是铜和金，它可以为任意形状。
但通常为便于分析和便于预测其性能都用较为简单的几何形状。
为增强辐射的边缘场，通常要求基片的介电场数较低。
三、微带天线的特点
微带天线的典型优点是：
1．重量轻、体积小、剖面薄；
2．制造成本低，适于大量生产；
3．通过改变馈点的位置就可以获得线极化和圆极化；
4．易于实现双频工作。
但微带天线也有如下缺点：
1．工作频带窄；
2．损耗大，增益低；
3．大多微带天线只在半空间辐射；
4．端射性能差；
5．功率容量低。
四、微带天线的辐射机理
微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。
这可以从以下图中的情况简单说明，这个图是一个侧向馈电的矩形微带贴片，与地板相距高度为h。
假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场仅仅沿
约为半波长（）的贴片长度方向变化。
辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场
引起的。
在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因为贴片长度为，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。
平行于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。
根据以上分析，贴片可以等效为两个相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。
对微带贴片沿宽度方向的电场变化也可以采用同样的方法等效为同样的缝隙。
这样，微带贴片天线的辐射就等效为微带天线周围的四个缝隙的辐射。
这种分析方法不仅适用于微带矩形贴片天线，同样也适于其他形状微带天线。
五、微带天线分析方法
各种天线在进行工程设计，都需要估算天线的性能参数（方向图、方向系数、效率、输入阻抗、极化和频带等），这样才能提高天线研制工作的质量和效率，降低研制成本。
许多人致力于微带天线的理论研究，并产生了多种分析方法，如传输线法、腔模理论法、格林函数法、积分方程法和矩量法。
这些分析方法各有长短，但都可以得到近似的定性结论，这些结论对判断天线的特性是很有帮助的。
常用微带天线大多是窄带器件，其窄带性质主要表现在输入阻抗对频率敏感的
特性上，因此确定微带天线的谐振频率和阻抗特性十分关键，这也是评价不同分析方法优劣的一个重要依据。
除这种特殊情况以外，各种分析方法计算微带天线的方向图时结果基本是一致的，特别是主波束。
六、微带贴片的传输线分析法
传输线分析法是微带天线最早期的分析方法，也是最简单的方法。
这种方法基于如下基本假设：
1．微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，传输方向决定于馈
是准TEM波的波长。
场在传输方向呈驻波点，线段长度，
m
分布，而在其垂直方向（宽度方向）是常数。
2．传输线的两个开口端（始端和末端）等效为两个辐射缝，长为W，宽为h，缝口径场即为传输线开口端的场强。
缝平面可以看作是位于微带片两端的延伸面上，即将开口面向上弯折90度，而开口场强随之折转。
根据上面的两点假设，当时，两缝上的切向电场都是方向，并且等幅同相。
它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上半空间辐射，缝上的等效磁流密度为：
V是传输线开口端的电压。
由于缝已经放平，在计算上半空间的辐射场时，就可以按照自由空间处理。
微带线和同轴线馈电的微带贴片天线等效电路如下图所示。
在上面的等效电路中，（a）是带线馈电方式，其中是缝隙辐射导纳，是微带片的特性导纳。
（b）是同轴线的馈电方式，探针从接地板穿孔引出，称为底部馈电。
两种等效电路的不同之处在于，同轴馈电的馈点在微带片的开口端之间馈电，
激励源与开始端有一段距离，探针本身会引入感抗。
七、微带贴片天线的辐射方向图
从上面的微带天线传输线等效电路可以方便地导出天线的辐射场函数，并可以
画出方向图。
在这个方向图中，在方向上，只有分量，所以本平面称
为E面，这是包含准TEM波传播方向和轴的平面；而平面上，
，只有分量，所以是H面，这是与波传播方向垂直的平面。
八、微带天线的工作频率和输入阻抗
根据传输线等效电路也可以计算微带天线的谐振频率和输入阻抗，但计算方法相当复杂，需要求解复杂的超越方程，结果也不够精确。
在手机天线中，为获得工作频率和输入阻抗通常采用矢量网络分析仪通过实验测试确定。
[提示] 天线技术是一种实践性很强的技术，又是一种理论和实践密切配合的技术。
有时数学工具可以帮助进行精确的分析和定性判断，但数学工具也不是万能的，必须重视实践。
爱迪生曾让一位数学家计算灯泡的容积，数学家三天也没算出来结果。
当爱迪生将灯泡灌满水让数学家去量一下水量时，数学家恍然大悟。
微带天线的输入阻抗值的确定就是这样的一个典型例子，与其解一大堆方程，不如用一下网络分析仪。
九、微带贴片天线中的若干经验公式
在若干数学物理学家对微带天线进行研究的同时，另外也有不少实干家通过实验寻找相关的经验公式，这些经验公式对实际设计同样有重要的指导意义。
以下就介绍一些微带天线中重要实验定理和经验公式。
1．列文实验定理：影响微带天线辐射场的因素包括微带谐振器的尺寸、工作频率、相对介电场数和基片的厚度；高频时辐射损耗远远大于导体和介质的损
耗；使用厚度大而介电场数低的基片时，开路微带线的辐射更强。
2．频带的决定因素：微带天线的带宽窄，主要是由两个辐射缝之间的传输线特性阻抗低（1－10欧）所致。
厚度的增大可以使传输线特性阻抗增大从而使
频带变宽。
当厚度时，VSWR<2的频带宽度的经验公式是：
，其中频率单位是GHz，h单位是毫米。
3．基板厚度h对效率的影响：实验证明，随着基板厚度h的增加，辐射效率显著加大。
4．工作带宽和Q值的关系：，S为最大允许VSWR值。
5．Q值和基板厚度h的关系：。