微带天线展宽

2 微带天线的分析方法
传输线模型(TLM—Transmission Line Model) :最早出现的也最简单,把 微带天线的分析简化为一维传输线问题 主要应用于矩形贴片 腔模理论(CM-Cavity Model) :是在对微带谐振腔分析的基础上发展起 来的 ,发展到基于二维边值问题的求解 ,可用于各种规则贴片 积分方程法(IEM-Integral Equation Method),即全波(FW-Full Wave)分 析理论:最为复杂也是最精的,计入第三维的变化,可用于各种结构, 任意厚度的微带天线,然而要受到计算模型的精度和机时的限制
g2 h1
L
h2
y x z
Ws
S
g1
z
蜿蜒馈 电片 接地板
Hp
×
x
同轴探针
y
1.6GHz～2.24GHz, 640M , 33.3%
1.64GHz～2.16GHz , 540M,27%
天线E面辐射方向图
天线H面辐射方向图
最大增益达到了9.19dBi
最大变化幅度不超过1.45dB
4.2 增加额外谐振点
变化方向 增加
品质因素的变化
对带宽的影响 BW 增大 BW 增大 BW 增大 BW 增大
Qr 变小, Qsw 变小
tan δ
变大 变小 增大
Qd
变小
ε
r
Qr 变小, Qsw 变小
Qr 变小, sw 变小, c 变大 Q Q
3.2 各种展宽微带天线带宽的途径
一,基本途径:降低等效谐振电路Q 二,增加额外谐振点:附加寄生贴片,采用 LC谐振电路, 加载短路探针 三,附加阻抗匹配网络 四,其他途径
3.1 影响微带天线带宽的因素
带宽的定义:带宽(BW)往往以输入端电压驻波比系数(VSWR)的值小 于某给定值的频率范围来表示,若给定的VSWR值为S,则VSWR<S的 频带宽度BW为:BW = ( S 1) / QT
S
1 1 1 1 1 = + + + QT Qr Qc Qd Q sw
影响带宽的因素 宽长比(W/L) 介质损耗角正切 相对介电常数 基板的厚度
4 宽频带微带天线
4.1 采用介电常数较小的厚介质基板 基板厚度h的增加使得天线的辐射电导也随之增大,辐射对应的 Qr 及 总的 QT 下降;介电常数较小时,介质对场的束缚减小,易于辐射,天 线的储能减少,综合两者,天线的频带变宽.
一,E字形贴片天线
2.04GHz～2.91GHz,35.1%
天线E面辐射方向图
一,X波段微带阵列的设计 波段微带阵列的设计 二,S波段微带阵列的设计 波段微带阵列的设计
25mm, 75mm
三,综合分析
800MHz , 8.48GHz～9.28GHz ,
8.9GHz
X波段阵列E面辐射方向图
X波段阵列H面辐射方向图
20MHz 中心频率:2.75GHz,
11MHz 中Βιβλιοθήκη Baidu频率:3.01GHz
1.2 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 直接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.
一, 附加寄生贴片
W2
h
L2
a
b
d
L3
S
L1
S
L4
W3
W1 W4
εr
2.66GHz～3.06GHz, 400M, 14%
2.65GHz～2.71GHz, 60M, 2.2%
二,采用LC谐振电路
L
W
d1
d2
l2
l1
εr
h
三,在贴片和接地板之间加入短路探针
3.62GHz～7.32GHz, 67.5%
1. 1 微带天线的历史与优缺点 微带天线的历史与优缺点
和常用的微波天线相比,微带天线有如下一些优点: ⑴ 体积小,重量轻,低剖面,能与载体(如飞行器)共形,并且除了在馈电 点处要开出引线孔外,不破坏载体的机械结构,这对于高速飞行器特别有利. ⑵ 性能多样化.不同设计的微带元,其最大辐射方向可以在边射到端射范围 内调整;易于得到各种极化方式;特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式 下工作. ⑶ 能和有源器件,电路集成为统一的组件,因此适合大规模生产,简化了整 机的制作和调试,大大降低了成本. 和其他天线相比,微带天线也有如下一些缺点: ⑴ 相对带宽较窄,特别是谐振式微带天线,现已有一些改进办法,参见第四 章. ⑵ 损耗较大,因此效率较低,这类似于微带电路.特别是行波微带天线,在 匹配负载上有较大的损耗. ⑶ 单个微带天线的功率容量较小. ⑷ 介质基片对性能影响大.由于工艺条件的限制,批量生产的介质基片的均 匀性和一致性还有欠缺,这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建.
谢谢指导!
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天线H面辐射方向图
(a) f =2.13GHz (b) f =2.7GHz 天线贴片上的电流分布情况
最大变化幅度不超过1dB, 最大增益达到了9.05dBi
二,采用L形耦合馈电方式的微带天线
Wg
Lg
L形耦合馈电微带天线的S参数 (3.86GHz～5.8GHz),40.2%
天线输入阻抗变化曲线
天线E面辐射方向图
75
50
50
120mm
三,综合分析
8.52GHz～9.3GHz, 780MHz
8.9GHz
X波段阵列E面辐射方向图
X波段阵列H面辐射方向图
1.62GHz～1.67GHz, 50M
1.65GHz
L波段天线阵列E面方向图
L波段天线阵列H面方向图
四,L/X双频微带阵列天线各项性能指标
5.2 S/X波段三频段微带阵列天线
天线H面辐射方向图
三,脊形接地板微带贴片天线 脊形接地板微带贴片天线
Lg
2.02GHz～3.9GHz ,64%
天线E面辐射方向图
天线H面辐射方向图
四,使用金属斜面馈电的微带天线 使用金属斜面馈电的微带天线
2.15GHz～4.76GHz ,BW=75.5%
五,蜿蜒探针馈电的微带天线
z
y
x
W
4.3 附加阻抗匹配网络
一,单调谐枝节匹配技术
3.375GHz～3.855GHz, 13%
二,枝节匹配在同轴探针馈电的微带天线中的应用
1.78GHz~2.31GHz, 26%
微带天线的E面辐射方向图
微带天线的H面辐射方向图
4.4 展宽微带天线频带的其他途径
采用3维 字形贴片天线 采用 维V字形贴片天线
S波段天线阵列E面方向图
2.75GHz
S波段天线阵列H面方向图
S波段天线阵列E面方向图
3.01GHz
S波段天线阵列H面方向图
四,L/X双频微带阵列天线各项性能指标
6 总结
本文对微带天线的宽频带和多频带技术做了大量 的分析,研究.研究了若干种实现宽频带和多频带 的方法.最后,利用Ansoft HFss和Designer天线仿 真软件,仿真实现了八款宽频带微带天线,一款共 享同一物理口径的L,X波段双频微带阵列天线和一 款共享同一物理口径的S,X波段三频段微带阵列天 线.
1.3 馈电结构模型
同轴探针馈电模型
微带线侧馈模型
电磁耦合馈电模型
缝隙耦合馈电模型
共面波导馈电模型
1.4 微带天线的应用
微带天线的优势有:低剖面,低成本并可制成多功能,可共形的天线; 可集成到无线电设备内部,可用于室内,也可用于室外;其尺寸可大可 小,大的微带天线其长宽可到十几米,而一副用于PCS的内部集成的宽 带微带天线,其尺寸是15mm×15mm×1.5mm.显然,其优势是明显 的.目前,微带天线已在空间技术,移动通信卫星和手持便携式通信设 备中得到了广泛的应用. 对微带天线的研究正在蓬勃地展开,这是一个具有极强生命力的课题. 随着相关技术的发展,微带天线无论在理论研究,还是在工艺制造上都 将越来越成熟,必将开辟更为广阔的应用领域.
h2 h1
1.86GHz~5.36GHz 97% 1.86GHz~5.36GHz,97%
1.95GHz~3.04GHz, 44%
E面辐射方向图
H H面辐射方向图
5 多频带微带阵列天线
多片法和单片法 5.1 L/X波段双频微带阵列天线
一,X波段微带阵列的设计 波段微带阵列的设计
30mm
二,L波段微带阵列的设计 波段微带阵列的设计