频带展宽

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。
y W w L l x
Phi 0
一、E字形贴片天线
z x d y
Theta
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
1. 1 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。
x
空气介质层
h
馈点探针
2.04GHz～2.91GHz，35.1%
天线E面辐射方向图
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
y
Wg
W
金属带
z
Theta x
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
z Theta h 50
53
馈电点 y 28 18
a ß d
100
塑料支撑杆
U 形接地板
80 Phi x
2.15GHz～4.76GHz ，BW＝75.5％
五、蜿蜒探针馈电的微带天线
z
y
x
W
g2
h1
L
h2
y x z
Ws
S
g1
z
蜿蜒馈 电片 接地板
20MHz 中心频率：2.75GHz，
11MHz 中心频率：3.01GHz
S波段天线阵列E面方向图
wenku.baidu.com
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
1.3 馈电结构模型
同轴探针馈电模型
微带线侧馈模型
介质基板1 介质基板2 馈线 接地板
电磁耦合馈电模型
辐射贴片
矩形槽
共面波导
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。
L3
L1
贴片1
S
L4
y
接地板
W3
W1 W4
εr
y
x z
z x
2.66GHz～3.06GHz, 400M, 14%
2.65GHz～2.71GHz, 60M, 2.2%
泡沫介质层
L1
L
h1
h
x
W
二、采用LC谐振电路
L
a
W
x
b
d1
d2
l2
l1
εr
同轴探针
h
接地板
三、在贴片和接地板之间加入短路探针
y L (0.1, 17) (34.2, 8.4)
短 路 探 针
(0.1, 0)
x
3.62GHz～7.32GHz, 67.5％
(0.1,-17)
空气介质层
同轴探针
接地板
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
Hp
同轴探针
y
×
x
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
一、 附加寄生贴片
W2 L2
a
h
贴片2
b d
贴 片 3 S 贴 片 4
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。
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
一、X波段微带阵列的设计 二、S波段微带阵列的设计
10mm
10mm
2.5mm
2.5mm 3.5mm
5mm
40mm
7mm
1mm 4mm
4mm
1mm 9mm
4mm
25mm, 75mm
5mm
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
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
y
采用3维V字形贴片天线
W a L x
金属片
z
Theta
b
d 0 Phi V字形贴片
y
x
h2
h1
接地板
c
1.86GHz~5.36GHz，97%
1.95GHz~3.04GHz, 44%
E面辐射方向图
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
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
L波段单元 第四层 第三层 第二层 第一层
X波段天线单元和L波 段单元的馈电网络
接地板 X波段单元的馈电网络
一、X波段微带阵列的设计
耦合缝隙
5mm 1mm 4mm
30mm
二、L波段微带阵列的设计
75Ω
50Ω
46mm
16mm
50Ω
开路匹配枝节
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
S波段和X波段天线单元 接地板 第二层 第一层 X波段单元的馈电网络
Lg
L
a 探针 d Phi 0
y
x
泡沫 支撑块 h 接地板
泡沫 支撑块
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
天线H面辐射方向图
三、脊形接地板微带贴片天线
y
d
z
Theta
Lg
L a
x
y
0 Phi
x
同轴探针 h H
2.02GHz～3.9GHz ,64%