第四讲微带天线
微带天线的辐射原理
微带天线的辐射原理微带天线是一种常见的天线结构，它由导电贴片、基底板和接地平面组成。
在无线通信和射频系统中，微带天线被广泛应用于各种设备和系统中，具有较小的体积、低成本、易于制造和集成等优点。
微带天线的辐射原理涉及到电磁波的传播、导电贴片与基底板之间的耦合以及反射等多个方面。
一、电磁波传播原理微带天线工作时产生的电磁波是通过空气或其他介质中的传播而实现信息传输的。
根据麦克斯韦方程组，当导体内部没有自由电荷分布时，电场强度和磁感应强度满足以下关系：∇×E=-∂B/∂t。
这意味着在导体附近存在一个变化的磁场，从而产生了感应电场。
这个感应电场是沿着导体表面传播的，形成了一种称为表面波或微带模式的特殊模式。
二、微带天线结构1. 导电贴片：导电贴片是微带天线最重要的组成部分之一。
它通常由金属材料制成，如铜、铝等。
导电贴片的形状可以是矩形、圆形、椭圆形等，根据具体的应用需求进行设计。
导电贴片的长度和宽度决定了天线的共振频率和辐射特性。
2. 基底板：基底板是导电贴片的支撑结构，通常由绝缘材料制成，如FR-4玻璃纤维复合材料等。
基底板的介电常数和厚度对微带天线的工作频率和辐射特性有重要影响。
3. 接地平面：接地平面是微带天线下方的金属平面，用于提供天线系统的接地参考点。
接地平面与导电贴片之间形成了一种称为微带结构的传输介质，通过这种结构实现了导电贴片与周围环境之间的耦合。
三、微带天线辐射原理微带天线通过导电贴片与周围环境之间的耦合来实现辐射。
当微带天线上施加高频信号时，导电贴片将产生感应电流，并在其表面产生感应电场。
这个感应电场将沿着导电贴片的边缘传播，并在导电贴片的末端形成一个电流分布。
这个电流分布会产生辐射磁场，从而产生辐射电磁波。
微带天线的辐射主要通过两种方式实现：辐射模式和表面波模式。
1. 辐射模式：当微带天线的长度大于半波长时，导电贴片上的感应电流将产生一个主要的辐射模式。
这个模式是由导电贴片上的电流分布决定的，通常具有指向远离天线结构的主瓣方向。
第四讲-微带天线
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。
微带天线设计
第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。
虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。
从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来[3]。
为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。
随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。
然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。
电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。
微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。
1.2 微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。
微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。
随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。
在这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。
1.3 多频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必需品[4]。
对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。
对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同。
微带天线PPT
尽管微带天线的研究思想可以追溯到1953年， 但是直到七十年代初期才被人们所重视。微带 天线是在微带电路出现后发展起来的一种新型 天线。从七十年代中期开始，从理论、技术到 应用对这种天线进行了大量的研究，至今势头 不减。微带天线主要用在微波、毫米波段。
微带天线的结构及微带电路
微带天线由一块厚度远 小于波长的介质板（称为 介质基片）和覆盖在它的 上、下两个面上的金属片 构成。其中，下面完全覆 盖介质板的金属片称为接 地板；上面的金属片如果 尺寸可以和波长相比拟， 则称为辐射元；如果上面 的金属是长窄带，就构成 了微带传输线
微带电路：是微波电路的一 种。它是一种微波信号的 传输线。类似于波导。只 是它做在印制电路板上的 带状电路。
微带天线的分类
微带贴片天线：导体贴片通常是规则形状 的面积单元 微带振子天线：它是一个窄长的条状薄片 振子 微带线型天线：它利用微带线的某种形变 来形成辐射 微带缝隙天线：它利用开在接地板上的缝 隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈 线对其馈电
微带天线的工作原理
微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。 一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中 的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的 开路端， 结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会 产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时， 这些部 分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率 的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设 计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振 状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高， 而成为有效的天线。
间接馈电法：与贴片无直接接触， 主要是 电磁耦合法
馈电技术直接影响到天线的阻抗特性
微带天线的设计
微带天线的主要参数
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。
微带天线
用于卫星通信技术的金属贴片
01 简介
03 结构与分类 05 分析模型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ目录
02 特点 04 圆极化技术 06 运用
微带天线的结构一般由介质基板、辐射体及接地板构成。介质基板的厚度远小于波长，基板底部的金属薄层 与接地板相接，正面则通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。辐射片的形状根据要求可进行多 种变化。
简介
mps在1953年开始提出了微带天线的概念。但是，直到70年代初期，理论模型的建立更加完备且微波集成技 术快速发展，此时，微带天线才得以实际使用。
一般要求微带天线介质基片的介电常数小于等于10，厚度h小于等于波长；辐射器的形状可以是矩形、圆形、 三角形或其他的规则形状。辐射贴片的形状不同，辐射特性也有所差异。
由于微带阵列天线可以实现提高增益、增强方向性、提高辐射效率、降低副瓣、形成赋形波束和多波束等特 性，故微带阵列天线越来越多的应用于各个领域，而国内外的学者对于微带阵列天线的研究也给予了广泛的。
特点
优点
缺点
微带天线在结构及物理性能等方面具有许多优点。
第一，剖面低，即微带天线可以做的很薄，非常适合于高速飞机及空间飞行器使用。
多元圆极化微带天线实际上是一个微带阵列，即利用多个线极化的辐射源，在相位上相差90°，保持振幅不 变以获得圆极化波，这一原理与多馈点的单个圆极化微带天线比较类似。
分析模型
目前为了更准确地求得其辐射特性，已经出现了多种物理模型来模拟微带天线。但不管是哪种理论分析法， 它们都是在求特定边界条件下的麦克斯韦方程组，只是处理特定边界条件的方法不同，推导过程中的具体解法不 同。
已提出的物理模型有传输线模型、腔体模型、模式展开模型、金属线模型、以及辐射孔径模型等。这些方法 相互补充，各有所长，各有所短。
微带天线的分析与研究
微带线本征阻抗的研究与分析及其电波传播特性微带天线（microstrip antenna）是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。
微带天线有很多优点：①剖面薄，体积小，重量轻；②具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构；③馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；④能与有源器件和电路集成为一体；⑤便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；⑥不需要背腔，适合于组合式设计，易于制作成印刷电路、馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。
微带天线的主要缺点有：①频带窄；②有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；③功率容量小，一般用于中、小功率场合；微带天线最初作为火箭和导弹上的共形天线获得了应用。
在设计微带天线时，与其他天线一样需要对天线性能参数预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效果，降低研制成本。
天线分析的基本问题是求解天线在周围空间的电磁场，求得电磁场后进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。
微带天线的分析方法可分为两大类：一类是简化分析模型，模型简单，但不够准确，且不适用与复杂结构的天线；另一类是全波分析模型，计算复杂，但能对各种结构微带天线进行分析。
我们用有限差分法来解决关于微带线本征阻抗问题。
微带天线上传播的电磁波可近似看成TEM波，其阻抗可用下面的公式计算：（1）式中C、L分别为微带线单位长度的电容和电感，v为波在线上的传播速度。
如假定线上不存在介质时单位长度的电容为Co，这时线的电感L将不会因为电介质的存在与否而改变。
又因介质不存在时线上波的传播速度为光速Vc，而且（2）由这个式子可解出L为（3）将L值代(1)式就可求出微带线的特性阻抗Zo（4）从上面的公式可见，求微带线特性阻抗的关键在于分别求出介质存在和不存在时线上单位长度电容C和Co。
求这些电容的方法有两种：一种是求总电荷Q，另一种是根据求储藏在线上电场内的能量而推得。
微带天线课件.共76页文档
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76
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪Байду номын сангаас
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
微带天线课件.
1、 舟 遥 遥 以 轻飏， 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色，裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去，有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉，不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ，并怡 然自乐 。
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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。
微带天线
图1
图2
天线的产生
G.马可尼，意大利人， 第一个采用大型天线实 现远洋通信的，所用的 发射天线由30根下垂铜 线组成，顶部用水平横 线连在一起，横线挂在 两个支持塔上。这是人 类真正付之实用的第一 副天线。
1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有“无线电之父”的美誉。 1933年12月7日至12日，马可尼曾到我国访问，并在南京停留，宣传普及无线 电知识。
学号：2120150189 姓名：郭建坡
1.天线的发展阶段
电磁波的发现
最早的发射天线是H.R.赫兹在1887年为了验证J.C.麦克斯 韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的。 他用一根粗铜线弯成环状，环的两端分别连着可以调解 距离的金属小球。即电波环金属球，将电波环放在放电 的莱顿瓶附近，只要电波环金属球间距离大小和放置的 位置调节的合适，电波环两球间就有电花闪现。这正是 莱顿瓶放电时辐射的电磁波，为环路所获得而激发出电 火花。后来他又证明了电磁波射到大型金属板上发生反 射，在通过硬沥青或松脂三棱镜发生反射，并且具有衍 射、偏振等光波所具有的各种特性。赫兹的精彩实验， 不仅证明了电磁理论的正确，而且导致了无线电的产生， 开辟了电子技术的新纪元。
线）、环形天线、长导线天线、同相水平天线等这些 天线比初期的长波天线有较高的增益、较强的方向性 和较宽的频带，后来一直得到使用并经过不断改进。
面天线时期：1930-1945
虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有
相应的振荡源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研 制出各种面天线。这时已有类比于声学方法的喇叭天线、类比 于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等。这些天线利用波 的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益。 第二次世界大战期间出现了雷达，大大促进了微波技术的发展。 为了迅速捕捉目标，研制出了波束扫描天线，利用金属波导和 介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的 天线阵。 在面天线基本理论方面，建立了几何光学法，物理光学法和口 径场法等理论。当时，由于战时的迫切需要，天线的理论还不 够完善。 天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段，建立了测试条 件和误差分析等概念，提出了现场测量和模型测量等方法。 在面天线有较大发展的同时，线天线理论和技术也有所发展， 如阵列天线的综合方法等。
微带天线原理
微带天线原理微带天线是目前应用广泛的一种天线，其原理基于微带线与天线的结合，可以实现多种形式的指向性和宽带性能。
本文将介绍微带天线的原理、特点、设计和应用。
1.微带天线的原理微带天线的原理基于微带线。
微带线是在介质基板表面维持一条导电信号轨迹，通常是金属箔，由于介质常数比空气大，因此可以大大减小微带线的尺寸，使其成为一种具有低剖面、低重量、低成本、易于制造和集成等特点的线路形式。
微带天线就是将微带线结合到天线中，利用微带线在天线周围形成的电磁场辐射出无线电信号。
微带天线通常由三个部分组成：金属贴片（辐射元件）、介质基板以及接地板（衬底）。
金属贴片是微带天线的辐射元件，一般采用不同形状，如矩形、圆形、圆环等，也可以采用高阻抗元件，如螺旋线等。
对于微带天线来说，它的特性阻抗主要决定于辐射元件的形状和尺寸。
介质基板是微带天线的关键部分，它的相对介电常数决定了微带线的传输特性，从而影响了微带天线的性能。
介质基板的厚度决定了微带线的振荡频率，因此对于特定的微带天线设计，选择合适的介质基板是至关重要的。
接地板是微带天线的底部剩余部分，通常是一个大的金属板，用于提供对天线的支撑和固定，并提供与辐射元件相对的电地。
接地板的质量和大小也会影响微带天线的性能。
2.微带天线的特点与传统的针对特定频带的天线相比，微带天线具有以下优点：1）微带天线低剖面和小尺寸，可以方便地安装在各种设备和系统中。
2）微带天线具有比较宽的带宽。
微带天线的带宽主要由其介质基板的特性决定，而不是由辐射元件的几何形状决定。
微带天线比传统天线具有更好的带宽特性。
3）微带天线的指向性好。
微带天线的辐射元件制作成不同的形状，可以实现不同的指向性特性。
4）微带天线可复制性好。
由于微带天线的制作通常是通过常见的PCB板上的印刷技术实现的，因此可以非常方便地复制和大规模生产。
5）微带天线可以被集成到其他电子元件中，实现多种应用。
如微带天线可以被集成在蓝牙和Wi-Fi等通讯设备的PCB电路板中，形成各种应用形式。
微带天线
微带天线1微带天线简介1.1微带天线结构与分类微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。
早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。
在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。
常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。
当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。
图1所示为一基本矩形微带天线元。
长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。
L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。
另一类微带天线是微带缝隙天线。
它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。
按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。
按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。
前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。
1.2微带天线的性能微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。
和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形；(2)电性能多样化。
不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化；(3)易集成。
能和有源器件、电路集成为统一的组件。
1.3微带贴片形状贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。
例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。
微带天线
验
报
告
1、天线原理
矩形贴片的长度有效长度等于/2,其中表示导波波长，有 式中，表示自由空间波长；表示有效介电常数，有 式中，表示介质的相对常数，表示介质层的厚度，表示贴片的宽度。 由此，由此可计算出矩形贴片的实际长度,即 式中，为真空中的光速；为天线的工作频率；为等效辐射缝隙的宽度， 且有 矩形贴片的宽度可以由下式计算， 对于同轴线馈电的微带天线，在确定了贴片的长度和宽度之后，还需要 确定同轴线馈电的位置，馈点位置影响输入阻抗。对于模式，在方向上 馈点位置一般取在中心点，即 在方向上电场有的改变，因此从的中心点到两侧，阻抗逐渐变大，给天 线输入阻抗为，方向上馈点位置可以由下式计算， 式中， 在上述计算中，都是基于参考面为无限大的平面，然而设计中，参考地
是有限面积的，实验表明，当参考地面比微带贴片大出的距离时，计算 结果就可以达到足够精确，因此设计中参考地的长度和宽度只需满足以 下两式即可，即
以上信息，为查阅到的资料，在此设计中，其中心频率为2.45GHz， 选用的介质板材相对介电常数为6.15，介质板的厚度为0.64mm，根据以 上的公式来计算微带天线的尺寸，包括贴片的长度L和宽度W，同轴线 馈点的位置坐标，以及参考地的长度和参考地的宽度。
2、计算要求天线尺寸
在得到以上参考公式后，独立编写软件程序，计算出矩形贴片的宽度 W,长度L,参考地的长度,参考地的宽度,馈线点位置的坐标。 将，代入以上推导公式可得，即 1矩形贴片的宽度
=32.38mm 2矩形贴片的长度
=24.65mm 3参考地的宽度
=36.2mm 4参考地的宽度
=28.5mm 5同轴线馈点的位置坐标
=5.1mm
3、实验结果
按照以上计算的天线尺寸，在Hfss软件中构建出模型，利用参数优 化，将贴片的长度L和贴片的宽度W最终优化为32.5mm和24.5mm，同轴 线馈点的位置坐标为4.7mm。
微带天线工作原理
微带天线工作原理微带天线是一种常见的天线类型，它在无线通信、雷达系统、卫星通信等领域得到了广泛应用。
微带天线具有结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点，因此受到了广泛关注。
本文将介绍微带天线的工作原理，包括其结构、工作方式和特点。
微带天线的结构。
微带天线由几个主要部分组成，包括辐射片、基底板、馈电线和接地板。
辐射片是微带天线的主要辐射元件，通常由金属片制成，其形状可以是圆形、方形、矩形等。
基底板是支撑辐射片的主体，通常由介质材料制成，如FR-4玻璃纤维复合材料。
馈电线用于将射频信号传输到辐射片上，通常连接在辐射片的一端。
接地板位于基底板的下方，用于与辐射片形成匹配的特性阻抗。
微带天线的工作方式。
微带天线的工作原理基于辐射片和基底板之间的电磁耦合效应。
当射频信号通过馈电线输入到辐射片上时，辐射片和基底板之间会产生电磁场耦合。
这种耦合效应导致辐射片上产生电流，并且在空间中辐射出电磁波。
由于辐射片的尺寸通常远小于工作波长，因此微带天线通常被认为是一种表面波天线，其辐射模式主要集中在基底板表面附近。
微带天线的特点。
微带天线具有许多独特的特点，使其在无线通信系统中得到了广泛应用。
首先，微带天线的结构简单、体积小、重量轻，易于集成到各种设备中。
其次，微带天线的工作频段宽，可以通过调整辐射片的尺寸和形状来实现多频段的设计。
此外，微带天线的辐射特性可以通过改变基底板的介电常数和厚度来实现调节，具有较高的灵活性。
最后，微带天线的制作成本低，适合大规模生产和应用。
微带天线的应用。
微带天线在无线通信、雷达系统、卫星通信等领域得到了广泛应用。
在无线通信系统中，微带天线常用于移动通信基站、无线局域网、蓝牙设备等。
在雷达系统中，微带天线常用于航空雷达、地面雷达、海洋雷达等。
在卫星通信中，微带天线常用于卫星通信地面站、卫星通信终端设备等。
由于微带天线具有结构简单、性能稳定、制作成本低等优点，因此在各种应用场景中都得到了广泛应用。
微带天线的基本理论和分析方法
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1 绪论 (3)1.1研究背景及意义 (6)1.2国内外发展概况 (7)1.3本文的主要工作 (8)2 微带天线的基本理论和分析方法 (9)2.1 微带天线的辐射机理 (9)2.2微带天线的分析方法 (10)2.2.1传输线模型理论 (11)2.2.2 全波分析理论 (14)2.3微带天线的馈电方式 (14)2.3.1微带线馈电 (15)2.3.2同轴线馈电 (15)2.3.3口径（缝隙）耦合馈电 (15)2.4本章小结 (16)3宽带双频双极化微带天线单元的设计 (17)3.1天线单元的结构 (17)3.2天线单元的设计 (18)3.2.1介质基片的选择 (19)3.2.2天线单元各参数的确定 (19)3.3天线单元的仿真结果 (21)3.4本章小结 (22)4 结束语 (22)参考文献 (24)致谢 (29)1 绪论1.1研究背景及意义近年来，随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务及卫星移动通信的迅猛增长，以往的微波较低频段(300MHz-10GHz)已经变得拥挤不堪，因此卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以满足大信息量的需求。
目前，广泛用于Ku波段的通信天线主要是抛物面天线，然而这种传统的天线体积大、重量沉、造价高而且调整困难。
由于物理空间的限制，这种抛物面天线体积过大不能满足某些天线的技术要求，因此天线的小型化迫在眉睫。
在某些特殊应用的领域如移动通信方面，要求天线具有隐蔽性好、机动性强的特点，而这种传统的天线尺寸大、机动性差、难与载体共形、容易暴露目标，已不再适应现代卫星通信系统的需求。
现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为了满足大容量通信的需求，要求天线具有双极化、多频性及宽带特性。
微带天线
1）一个形状规则的单片微带天线由一点馈电产生极化正交幅度相等的两个简并模，但不能形成90°相位差，在规则形状的单片微带天线上附加一简并模分离单元，使简并模的谐振频率产生分离——针对对角线馈电的情况，而不包括中心线馈电
2）中心线馈电，没有加分离单元之前，是不存在简并模的，在对角线方向加了分离单元之后，才产生简并模，同时也将这两个简并模的频率分离
3）微带天线辐射单元为正方形时，不加分离单元，极化仍沿馈电点所在中心线方向，如果有简并模存在，合成后极化沿对角线方向4）双频微带天线，工作频点应在圆极化“双峰（VSWR）”之间，两个简并模
5）辐射元可以用金属面来代替，勿用极薄的矩形体。
同轴线及探针用矩形或者Num segments设置成4的圆柱，没有必要用标准圆柱
6）双层微带线，上层辐射元的频率在实际中比较高，两层介质之间有间隙，上层介质介电常数降低，使其频率提高。
浅谈微带天线
浅谈微带天线微带天线，是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上而形成的天线。
通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。
金属贴片通常是形状规则的薄片，形状有矩形、圆形或椭圆形等；也可以是窄长条形的薄片振子（偶极子）或由这些单元构成的阵列结构。
这三种形式分别称为微带贴片天线、微带振子天线和微带阵列天线。
微带贴片天线，通常介质基片厚度h远小于工作波长λ，罗远祉等人提出的空腔模型理论是分析这类天线的一种基本理论。
帖片与接地板之间的空间犹如一个上下为电壁、四周为磁壁的空腔谐振器。
对常用的工作模式，长度L约为半个波长,其电场E沿长度方向(x轴)的驻波没有横向(y轴)的变化。
天线的辐射主要由沿横向的两条缝隙产生，每条缝隙对外的辐射等效于一个沿-y轴的磁流元(J m ＝-n×E，n为缝隙外法线单位矢量)。
由于这两个磁流元方向相同，合成辐射场在垂直贴片方向（z轴）最大,随偏离此方向的角度增大而减小，形成一个单向方向图。
天线输入阻抗靠改变馈电位置加以调节。
阻抗频率特性与简单并联谐振电路相似,品质因数Q较高,故阻抗频带窄，通常约为1％～5％。
可用适当增加基片厚度等方法来展宽频带。
接地板上的介质层会使电磁场束缚在导体表面附近传播而不向空间辐射，这种波称为表面波。
故增加基片厚度时须避免出现明显的表面波传播。
微带振子天线，当介质基片厚度远小于工作波长或微带振子长度为谐振长度时，振子上的电流近于正弦分布。
因此，它具有与圆柱振子相似的辐射特性，只是它在介质层中还有表面波传播，使效率降低。
微带阵列天线，利用若干微带贴片或微带振子可构成具有固定波束和扫描波束的微带阵列。
与其他阵列天线相同，可采用谐振阵或非揩振阵（行波阵）。
微带阵列的波束扫描可利用相位扫描、时间延迟扫描、频率扫描和电子馈电开关等多种方式来实现。
微带天线作为一种新型的天线，与普通天线相比，具有不可替代的优势。
微带天线课件
教师 王昊
电子工程与光电技术学院 南京理工大学
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
内容提要
1 微带天线基本理论 *#（8学时）
2 微带天线的元技术 （8学时） 3 有效利用商用软件进行微带天线的设计 *#（8学时）
4 微带阵列天线 #（8学时）
5微带天线近场测量与近场诊断 ★（6学时） 6 微带天线制造技术 （4学时）
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带线的特性
当频率较高时，微带宽度W和高度h与波长可相比拟时，微 带中可能出现波导型横向谐振模。最低模为TE10
微带中还存在着表面波，最低次TM型表面波的截止频率无 下限，而最低次TE型表面波的截止波长为 上述的波导模和表面波模称为微带的高次模。为抑制高次模 的出现。微带尺寸的选择需要满足以下的条件
南京理工大学毫米波技术研究室 微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型
用磁流模型和用电流模型 进行分析方向图的差别。
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型-输入阻抗
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型-等效电路
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型-带宽、效率和方向系数
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的设计过程
1、选择基片
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的设计过程
2、初步估算微带天线的值
南京理工大学毫米波技术研究、确定馈电方式
需要同轴馈电还是微带馈电
微带天线的分析和宽频带设计
1、采可以增加天线的带宽。这是因为多层结 构可以提供更多的谐振腔体，从而产生更多的谐振频率点。此外，通过在各层之 间添加适当的阻抗变换器，可以进一步扩展带宽。
2、采用多频带工作
通过设计多个独立谐振频率的微带天线，可以实现多频带工作。例如，可以 采用多个贴片或多个地面结构来产生多个谐振频率。这种方法可以在不同频率范 围内获得良好的辐射特性，从而实现宽频带工作。
3、采用可调谐谐振器
通过采用可调谐的材料或结构，可以改变微带天线的谐振频率。例如，可以 采用压电材料或磁性材料来实现频率调谐。这种方法可以在不同频率范围内获得 良好的辐射特性，从而实现宽频带工作。
4、采用超材料技术
通过采用超材料技术，可以设计出具有特殊电磁特性的微带天线。例如，可 以采用超材料结构来增强天线的带宽或改变天线的辐射方向图。这种方法可以在 不同频率范围内获得良好的辐射特性，从而实现宽频带工作。
一、宽频带微带天线的理论基础
微带天线的带宽主要受限于其辐射单元的尺寸和形状。为了提高微带天线的 带宽，可以从以下几个方面进行考虑：
1、增加辐射单元的尺寸：辐射单元的尺寸增加可以有效地减小表面波的传 播长度，从而扩展天线的带宽。然而，这也会导致天线的尺寸增大，因此在设计 时需要权衡尺寸和带宽的关系。
二、微带天线的宽频带设计
宽频带设计是指通过调整天线的设计参数，使其在宽频率范围内保持稳定的 性能。对于微带天线来说，宽频带设计是一项重要的挑战，因为微带天线的带宽 通常很窄。
1、调整几何结构：通过改变导体片的形状和尺寸，可以影响微带天线的带 宽。例如，可以增加导体片的面积或调整导体片的边缘曲线，以改变电流分布和 辐射阻抗，从而增加带宽。
3、阻抗：天线的阻抗是指电流在天线中流动时遇到的电阻。阻抗与天线的 辐射效率和稳定性密切相关。计算阻抗通常需要考虑天线的工作频率、形状和尺 寸，以及周围环境的介电常数和磁导率等因素。
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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，传输方向决定于馈点，线段长度，是准TEM波的波长。
场在传输方向呈驻波分布，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：。