微带天线

微带天线的传输线模型
考虑边缘效应时，微带贴片谐振频率为
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f rc 010
1 2 Leff reff 0 0 1 2L r

1 2 L 2L reff 0 0
q
c0 q 0 0 2L r
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第五讲 微带天线
2012, May. 22
内容安排
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微带天线的结构和特点 微带天线的传输线模型 微带天线的腔体模型 微带天线的全波设计
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事实上，单槽电导可由腔体模型法推导出的场表示 式进行计算
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G1
2Prad V0
2
(13)
2
辐射功率为
Prad
k0W sin cos 2 V0 2 sin 3 d 20 0 cos
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图2 微带天线辐射单元形式
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微带天线理论分析技术 传输线模型（TLM） 这是最早出现的物理概念明晰的分析模型，它将一 矩形贴片天线等效为一段微带传输线，两端由辐射缝隙 的等效导纳加载，但本法基本上只能用于薄矩形贴片天 线。 腔体模型（CM） 罗远祉教授等提出将薄微带天线的贴片下空间看成 是由上下为电壁、四周为磁壁围成的谐振腔体。本法已 成功地用于精确计算厚0.005λd至0.02λd的微带天线输 入阻抗。该方法适用于各种规则贴片，但基本上限于天 线厚度小于波长的情况。 全波分析法（FW） 典型作法是先导出微带贴片上单位电流元满足边界 EMW Propagation Engineering 条件的并矢格林函数G(r，r’)，场点（r处）的电场可表
(6)
其中
f rc 010 q f r 010
(7)
称为边缘因子。当介质高度增加时，边缘效应增强， 则有效长度加长，辐射槽距离更远，并且贴片谐振频率 降低。
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图4 典型的微带线有效介电常数随频率变化的曲线
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有效长度、谐振频率 由于纵向的边缘效应，微带贴片的电尺寸比实际物 理尺寸对应的电尺寸要大，如图5所示，在贴片长度方向 两端，由于边缘场效应，使得两端各延伸长度ΔL
E r j0 G r , r J r dv
v
(1)
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前两类都是基于某些假设而将问题简化，它们可统 称为“经验模型”，优点是物理概念清楚，计算简单。 而全波方法是三维边值问题的严格数值求解，因而最为 严格，但也复杂许多。 微带天线的优缺点及应用 与普通微波天线相比，微带天线有如下优点： ①剖面低、体积小、重量轻 ②具有平面结构，易与导弹、卫星等载体表面共形 ③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单一的模块 ⑤便于获得圆极化、容易实现双频段、双极化等多 功能工作
reff r 1 r 1
2 2 h 1 12 W
1 2
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W h 1
(2)
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示为
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式中，J(r’)是贴片上r’处（源点）的电流密度。令此电 场在贴片表面的切向分量为零，便得到对J(r’)的积分方 程。对该电流选择适当的函数展开式和试验函数，可将 积分方程化为矩阵方程，从而可解出贴片电流并用来计 算天线特性。这种处理称为空域矩量法，其它还有如 ①谱域矩量法 ②谱域导抗法（SDI） ③混合位积分方程法（MPIE） ④共轭梯度快速傅里叶变化法（CG-FET） ⑤时域差分法（FDTD） 这类方法都是基于电磁边值问题的数值求解，适用 于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受到模型精 EMW Propagation Engineering 度和机时的限制。
图3 微带线的横向边缘效应及其有效介电常数定义
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典型的有效介电常数εreff随频率的变化曲线如图4所 示，首先低频端（<10 GHz）处于准静态，随后电力线 随频率升高向介质内部集中，εreff随频率升高单调增大， 最后趋于εreff=εr。
(9)
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微带贴片天线辐射电导 微带天线的两辐射槽可等效为导纳Y=G+jB，如图6 所示，两辐射槽等效导纳皆为 其中
Y G jB
G W 1200
(10) (11) (12)
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微带线的边缘效应 一般的微带线如图3所示。微带线导带宽度为W， 厚度为t，介质高为h，介电常数为εr。在微带线的横向 边缘，一部分电力线位于空气中，大部分电力线位于介 质内，如图3（b）所示，因此微带线传输的是准TEM模。 当W/h>>1，且εr>>1时，电力线将主要集中在介质基 片内，此时微带线的边缘效应减弱，微带线向平板波导 转化。通常引入有效介电常数εe来描述微带横向场的边 缘效应，如图3（c）所示，此时微带线保持相同的电特 性（传播常数和特性阻抗）。当介质上方是空气时有 1<εreff<εr，并且当εr>>1时，εreff将接近εr。εreff 也是频率的函数，频率不高时，具有静态值
1 h 1 2 1 k0 h 24 0 10 W 2 h 1 B 1 0.636ln k0 h 0 10 1200
图6 矩形微带贴片天线及其传输线模型
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(4) (5)
f r 010
c0 0 0 2 L r
c0为自由空间光速。
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图5 矩形微带贴片天线的物理和有效长度
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微带贴片天线的辐射贴片设计 给定介质基片（εr、h）和频率fr，求W、L： ①要使微带贴片成为一个良好的辐射器，要求
W 1 2 f r 0 0 c0 2 r 1 2 fr 2 r 1
(8)
②利用（2）计算εreff ③利用（3）计算ΔL ④微带贴片的实际长度为
L 1 2 f r reff 0 0 2 L
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微带天线缺点有： ①频带窄 ②有导体和介质损耗，会激励起表面波，导致辐射 效率降低 ③功率容量小，一般适用于中、小功率场合 ④性能受基片材料影响大 微带天线目前已应用于100MHz~100GHz的宽广频 域上的大量无线电设备中，特别是飞行器上和地面便携 式设备中。典型应用如图表1所示。
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表1 微带天线典型应用 应用领域
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用途 高度表、通信与导航 引信、传感器、毫米波雷达 星载多波束天线、移动式地面站、直播卫星电 视接收机 随身和手持电话、舱内和车顶天线、基站天线 多普勒测速雷达、防撞雷达、防盗报警器、单 脉冲雷达和相控阵雷达 车载共形天线 多波束阵列、自适应系统 综合口径雷达
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图1 微带天线形式
（a）微带贴片天线 （b）微带振子天线 （c）微带线性天线 （d）微带缝隙天线
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微带辐射器的概念首先是Deschamps在1953年提出 的。但是过了二十年，当较好的理论模型及对覆铜或覆 金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才制造 出来。这种基片的介电常数范围较宽，具有好的吸热特 性和机械特性及低损耗角正切。最早的实际微带天线是 Howell和Munson在二十世纪七十年代初期研制成的。 微带天线分类 微带天线按其辐射单元形式大致可分为4类：微带 贴片天线；微带振子天线；微带线性天线；微带缝隙天 线，如图1所示。 微带贴片天线是最常见的形式，如图1（a）所示。 它由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成。通 常利用微带线与同轴线一类馈线馈电，使在导体贴片与
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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。其基片厚度与波长相比一般很小， 因而它实现了一维小型化。 导体贴片一般是规则形状的面积单元，如图2中所 示的矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的 薄片振子，此时形成的天线便称为微带振子天线，如图1 （b）所示。如果利用微带线的某种变形（如直角弯头、 弧形弯曲等）来产生辐射，便称为微带线性天线，如图1 （c）所示，这种天线大多沿线传输行波，它们又称为微 带行波天线。还可利用开在接地板上的缝隙来产生辐射， 此时由介质基片另一侧的微带线或其它馈线对其馈电。 这种单元形成的天线称为微带缝隙天线或微带开槽天线。 如图1（d）所示。 除此四种单元及其阵列之外，还有一些变形、混合 EMW Propagation Engineering 型或其它形式。
L 0.412 h
reff 0.3
reff
因此对于主模TM010模而言，其有效长度：Leff为
W 0.264 h W 0.258 0.8 h
(3)
不考虑边缘效应时，微带贴片谐振频率为
Leff L 2L
1 2L r
(14)
（13）可进一步写为
I1 G1 120 2
(15)
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其中
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k0W sin cos 2 sin 3 d I1 0 cos sin( X ) 2 cos X XSi ( X ) X
飞机天线 导弹和遥测 卫星通信 移动通信 雷达 战场通信和监视 电子对抗 遥感
气象和射电天文
生物医学
气象雷达、亚毫米波接收机
微波治癌仪
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