微带天线课件

微带天线的传输线模型
该模型将矩形微带贴片看成沿横向L没化变化的传输线谐振 器。场沿纵向呈驻波变化，辐射由两开路端的边缘场产生
微带天线的空腔模型
该理论基于薄微带天线的假设，而将微带贴片与接地板之间的空 间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。天线辐射场由空 腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源 的边界条件来求得。
MEMS
这种RF-MEMS开关与传统的PIN管或场效应管相 比具有很多优点。主要表现在：第一，这种接触 式开关具有很小的分布参数因而传输损耗比较小 ；第二，这种结构的开关没有半导体器件所固有 的电流－电压非线性特性，减小了传输失真；第 三，带宽很宽；第四，能与普通的MMIC电路集成 ；第五，控制所用的功耗小。目前也存在一些不 足，主要是开关速度慢（MEMS开关是微秒级而 GaAsFET是纳秒极）；存在“粘滞”现象(Stiction) ，这是元件某些部分由于物理上的紧密接触而相 互粘连在一起，并不自行分开而使器件失效。
微带天线可重构技术
频率可重构 方向图可重构 频率、方向图均可重构
微带天线可重构技术
微带天线可重构技术
微带天线可重构技术
MEMS
Micro-Electro-Mechanical Systems简称MEMS， 这种技术可以在普通硅片上集成机械部件、 传感器、激励装置和电子元件。与传统集成 电路(IC)制造工艺相类似，MEMS采用一种称 作“显微机械加工”的技术，在硅片上蚀刻 或 添 加 结 构 层 ， 从 而 制 成 这 种 称 为 MEMS 的 器件。
叠层之间通过接地面分开，馈线与 贴片天线之间通过接地面上的窄缝进 行藕合。与直接接触式相比优点:与边 馈贴片天线不同，它可以对馈线和基 板进行优化；与探针贴片相比，它不 需要垂直互联，从而简化了制造工艺 但同时保持了印制电路技术的共形特 性。然而由于需要多层制造工艺，各 层之间的对齐定位非常重要。多层天 线还会产生其他问题，介质间存在的 间隙将显著改变天线的输入阻抗特性 ，特别是在高频时间隙的阻抗特性较 大。叠层之间的粘合材料对天线的作 用也至关重要。
4、馈电与微带贴片之间的阻抗匹配
微带天线的设计实例
微带天线的设计实例
微带天线馈电技术
在微带天线的设计中，选择合适的馈电方式[1]，对 实现所设计的天线性能至关重要。对微带天线进行 馈电的两种基本方式是：（1）用微带线馈电；（2） 用同轴线馈电。若按馈电技术分类，可概括为4种 基本技术，包括边沿馈电、探针馈电、口径耦合及 临近耦合。
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
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。
微带天线的空腔模型-输入阻抗
微带天线的空腔模型-等效电路
微带天线的空腔模型-带宽、效率和方向系数
微带天线的设计过程
1、选择基片
微带天线的设计过程
2、初步估算微带天线的值
微带天线的设计过程
3、确定馈电方式 需要同轴馈电还是微带馈电
微带天线课件
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）
教材
教材： • 方大纲著，天线理论与微带天线，科学出版社，2006年 • 钟顺时著， 微带天线理论与应用， 西安电子科技大学出版社， 1991年
用空气介质。 一个不常用但却是非常简单的降低Q值方法是采
用大损耗基片或附加有耗材料，例如用铁氧体材 料作基片，可使频带明显展宽
微带天线宽频带技术-基本途径
微带天线宽频带技术-修改等效电路
微带天线宽频带技术-修改等效电路
微带天线宽频带技术-修改等效电路
微带天线宽频带技术-修改等效电路
微带天线宽频带技术-附加阻抗匹配网络
微带天线馈电技术-微带馈电
边沿馈电技术是微带贴片天线最 早的一种激励方法。一般情况下， 微带馈线与贴片的一条辐射边接 触，它具有其他的馈电技术不具 有的几个优点。因为馈电单元和 贴片可以蚀刻在同一块板上，故 一个主要优点是制造工艺简单， 因此大多数平面阵都采用边馈技 术。这种方式很容易控制输入阻 抗水平；通过简单的将馈线插入 贴片导体，贴片的辐射边时，谐 振阻抗可以调谐为高达150~200Ω， 而当接触点位于贴片的中心时下 降为只有几个欧姆。
无线通信系统中, 将来自发射机的导波能量转变为无线电波, 或 者将无线电波转换为导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置
称为天线。
天线的发展
赫兹
马可尼
微带天线的发展
利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念最早由德尚 (G.A.Deschamps)教授在1953年提出[1]，在1955年由法国Gutton[2] 和Baissinot[3]发表了专利。微带天线是一种随系统对天线的要求 而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线，但是因为没有较 好的微波介质材料，所以在随后的近20年里对此只有零星的研究， 当时人们只是把微带结构作为波导元器件的一种小、薄、轻又低 廉的替代品。70 年代期间，由于获得了具有低损耗正切特性和有 吸引力的热特性及机械特性的良好基片，改进的照相平板印刷技 术和更好的理论模型，使微带天线取得突破性进展。最早的微带 天线是Howell和Munson在二十世纪七十年代初期研制成的。之后， 世界各国的研究人员对微带天线的贴片形状、馈电技术、基板构 造和阵列排列等方面作了大量的研究，微带天线无论在理论与应 用的深度上和广度上都获得了进一步的发展。
微带天线馈电技术-同轴馈电
探针馈电贴片具有几个重要的优 点。第一，馈电网络通过一个接 地面与辐射部分分离，这个特性 使得它可以分别对每一层进行优 化；第二，在所有的激励方法中， 探针馈电有可能是最有效的，因 为馈电机制直接与天线接触，并 且馈电网络的大部分与贴片隔离， 从而使虚假辐射最小。虽然探针 馈电方式在连接方面比较复杂， 但是其高效性仍然使它应用广泛。
微带天线多频段技术-加载单片法
微带天线可重构技术
为了克服天线对整个通信系统发展的制约，人们希望能够 用一个天线来实现多个天线的功能。采用同一个天线，通 过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能， 相当于多个天线共用一个物理口径。这样有利于降低通信 系统的整体成本、减轻重量、减小雷达散射截面，而且可 以避免存在于多个天线之间的电磁兼容问题。“可重构天 线”的概念正是在这一背景下提出，并获得了发展。可重 构天线的研究旨在使天线能根据实际需要实时重构天线特 性。
微带天线的性能定义
a）工作频段：XXXX MHz～XXXXMHz； b）口径尺寸：XX mm * XX mm c）水平面方向（阵面法线方向）： 波束宽度：≥5.5°； 副瓣电平：≤-18dB； d）垂直面方向： 波束宽度：≥30°； e）天线增益（阵面法线方向）： ≥19dB； f）极化方向：垂直； g）驻波比： ≤1.8； h）波束覆盖范围：±20°。
微带天线馈电技术-耦合馈电
临近耦合贴片的关键特性在于它 的耦合机制在本质上是电容性的， 这与直接接触法相反，后者主要 是感性的，耦合机制的差异显著 的影响了可以获得的阻抗带宽， 因为边馈和探针馈电几何结构的 感性耦合限制了可使用材料的厚 度。因此，本质上临近耦合贴片 的带宽宽于直接接触馈电贴片。
Байду номын сангаас
微带天线馈电技术-口径耦合
微带天线宽频带技术
降低等效谐振电路Q值：增大h,降低介电常数 修改等效电路：附加寄生贴片，采用电磁耦合馈
电等 附加阻抗匹配网络 其它途径
微带天线宽频带技术-基本途径
降低等效谐振电路Q值：增大h,降低介电常数 加厚基片是展宽微带天线频带的有效手段，但基
片过厚会引起表面波的明显激励。 降低介电常数的潜力有限，其最小值为1，即采
微带天线宽频带技术-附加阻抗匹配网络
微带天线宽频带技术-其它途径
微带天线多频段技术
多片法 多片法利用谐振频率不同的多个贴片来工作，通常
是将较小的贴片叠在较大的贴片上。 单片法 只用一个贴片，而利用不同模式同时工作，或利用
加载
微带天线多频段技术-多片法
微带天线多频段技术-多片法
微带天线多频段技术-单片法
参考资料： 1. 张钧著，微带天线理论与工程，国防工业出版社，1988年 2. (加) 鲍尔,I.J., (加) 布哈蒂亚,P.著，微带天线，电子工业出版社， 1984
绪论
通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系 统大致分为两大类:
一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即 所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息, 即所谓 的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等无线 通信系统。
的 6 一般用轴比来衡量
微带天线圆极化技术-单馈点
单馈点圆极化微 带天线无需任何 外加的相移网络 和功率分配器就 能实现圆极化辐 射。 要同时激励起 TM01和TM10
微带天线圆极化技术-单馈点
微带天线圆极化技术-单馈点
微带天线圆极化技术-多馈点
可利用两个馈电 点来馈电微带贴 片，以激励一对 极化正交的简并 模。由馈电网络 来保证圆极化工 作条件，即二模 振幅相等、相移 90度。
微带天线元技术
1 圆极化技术 2 宽频带技术 3 多频带技术 4 可重构技术
微带天线圆极化技术
1 圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场 2 一个圆极化波可以分解为两个在空间上和时间
上均正交的等幅线极化波。 3 任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波 4 左旋和右旋圆极化极化隔离 5 圆极化波入射到对称目标，反射波变为反旋向
微带天线的空腔模型
(1)TMmn模的磁流沿X方向有m个 零点，沿Y方向有n个零点。
(2)两个相邻零点的间隔为λm/2。
(3)每经过一个零点，Ms便改变方 向
(4)贴片四角处MS为最大值
(5)Ms沿周边的分布是连续的， 按正弦分布或均匀分布。
(0,1), (1,0),(0,2n+1)和(2m+1,0)在 边射方向形成最大值，而(0,2), (2,0), (0,2n)和(2m,0)等模在边射方 向形成零点。
微带天线圆极化技术-多馈点
微带天线圆极化技术-多馈点
微带天线圆极化技术-多元圆极化
馈电相位分别为0， 90，180，270，振 幅也相同。 馈电位置要正确 选择，以使180和 270单元分别与0和 90单元在轴向辐 射同相的相同极 化分量。
微带天线圆极化技术-多元圆极化
微带天线圆极化技术-测量
微带天线的优点
微带天线的优缺点
微带天线以其重量轻、体积小、成本低、共形结构、以及与集 成电路兼容等优点，成为天线家族中充满生命力的一个分支， 最适宜于航空和车载应用。如今，这种新型天线技术已日趋成 熟，其应用正在与日俱增。
早期微带天线具有频带窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大、功 率容量有限等不足。因此微带天线的大部分研究工作都是为了 克服这些缺点，以便满足系统对天线愈来愈苛刻的要求。这些 工作所取得的进展使得微带天线的发展和应用前景变得更为广 阔。
辐射特性
极化特性 阻抗特性 扫描特性
微带天线的结构
微带天线的结构 A.贴片型
B.振子型
C.微带线型
D….
微带天线的工作原理
微带天线的工作原理
微带天线的分析方法
分析 方法
传输线模型 腔模型 有限差分+匹配边界(理想匹配等效) 积分方程 矩量法 有限元
微带线的特性
微带线是一种开放的线路。 它的场空间是由两个不同介 电常数的区域构成。我们知 道，只有填充均匀媒质的传 输线才能传输单一的纯横向 场（TEM）。现在存在空气 与介质分界面，存在着混合 模，只有当基片厚度远小于 工作波长时，能量大部分都 集中在导体带下面的介质基 片内时，称为准TEM模。
MEMS
MEMS技术是一场技术的革命，它可以将一个系 统制作在硅片上，使体积、功耗、制作成本呈指 数次方的减小，同时随着技术的不断成熟， MEMS由于其高集成度可靠性也会超过传统的设 备。
MEMS
MEMS的出现是一个里程碑，它使得很多以前并 不相关的学科走到一起，而且随着MEMS技术的 不断完善，MEMS的应用前景将会是十分广泛的 。目前MEMS技术有三大主要应用领域： 1. 生物技术 2. 加速度计 3. 通信领域