微带天线的报告

微带天线的综述

卢宁

摘要：移动通信技术的迅速发展和应用，有力地推动了现代通信天线向小型化、多功能(多频段、多极化和多用途)的方向发展，设计小型化多功能天线已成为当前天线界研究的重点。微带天线以其体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，易于制造，成本低，易于与有源器件和电路集成为单一的模件，便于实现圆极化、双极化和双频段等优点得到日益广泛的关注和应用。本文详细介绍了关于微带天线的基础知识。

1 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。以图1.1所示的矩形微带贴片天线为例，可以简单说明其辐射机理。

图1.1 微带天线辐射机理示意图

矩形微带贴片天线由介质基片、在基片上面的矩形导电贴片(辐射器)和基片下面的接地板构成。假定电场沿微带贴片的宽度与厚度方向没有变化，则辐射贴片上的电场仅沿贴片长度(λ/2)方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为λ/2，所以，法向分量反相，由它们产生的远场区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，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以，贴片可表示为相距λ/2、同相激励并向接地板以上半空间辐射的两个缝隙。

微带天线的辐射场是由各种假定的电流及其沿天线结构的分布得来的。为了求解微带天线辐射场中的远场值(方向图等)，必须知道贴片表面精确的电流分布。如果介质材料各向同性、均匀且无损耗，微带导体和地板导体的电导率为无限大，则面电流和面磁流可以分别用切向电场和切向磁场表示为:

式中:ˆn-----面法向单位矢量

图1.2就是微带天线辐射边沿的场态和电流密度分布(侧面图)。由图中可以清晰地看出，微带天线的向外辐射是由边缘缝隙实现的。实际应用中，为简单起见，可以认为贴片单元上、下表面的面电流和面磁流相同。然后，就可以使用位函数由面电流和面磁流求解辐射场。

图1.2 微带天线辐射边沿场态和电流密度(侧面图)

pγθϕ的电场和磁场为: 假定只有电流存在，则微带天线外部任意点(,,)

式中：ε -----介质的介电常数，F/m

μ -----磁导率，H/m

ω -----角频率，rad/s

上标e 表示由电流产生的场，磁矢量位函数:

式中:0k -----自由空间波数，1cm -

()K r '-----距离原点为日的点上的面电流密度，2/A m

同理，使用电矢量位函数F ，磁流产生的场为:

上标m 表示磁流产生的场，电矢量位函数F 为:

式中:()M r '-----距离原点为r '的点上的面磁流密度，2/H m

为简单起见，所有场和电流的时间因子j t e ω均略去。总场为:

电矢量位函数F 和磁矢量位函数A 都是下列波动方程的解:

在远场中，有意义的场分量只是相对于传播方向的横向分量。只考虑电流时，式可以写为:

而在自由空间中

只考虑磁流时，式可以写为:

式中:

η-----自由空间波阻抗，Ω

2 微带天线分类

微带天线的特征之一就是相对于普通的微波天线有更多的物理参数，可以有任意的几何形状和尺寸。微带天线可以分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。

2.1微带贴片天线

微带贴片天线 (Microstrip paste Antenna，MPA)由介质基片、在基片一面上形状任意的导电金属贴片和基片另一面的接地板构成。实际上，能计算辐射特性的贴片图形是有限的(仅限于矩形、三角形、圆形和五角形等几种图形)。而另外几种可能的形状如图2.1所示。

图2.1微带贴片天线其它可能几何图形

2.2微带行波天线

微带行波天线 (MicrostriP Traveling-wave Antenna，MTA)由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片另一面上的接地板组成。原则上，任何一个TEM波传输体都可以改造成一个行波天线。对微带线而言，TEM波传输线天线分为两种:微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。通常驻波天线为边射，而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。因此，当波瓣指向边射方向时，行波天线就成为驻波天线。微带行波天线一般为周期性结构，可预先计算其辐射特性。同其它行波天线一样，可以用频率来控制主辐射方向。

图2.2 微带行波天线

2.3微带缝隙天线

微带缝隙天线 (Microstrip Slot Antenna，MSA)由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。其概念是由带状线缝隙天线发展而来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。带状线缝隙天线的研究和应用都已比较成熟，但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。

图2.3 微带缝隙天线

MSA的优点是能产生双向或者单向方向图。在微带天线的设计中，采用贴片和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。沿着微带馈线一边排列的导带和

缝隙的组合可以产生圆极化辐射场。微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。

3微带天线的激励方法

大多数微带天线在介质基片的一面上有辐射贴片，因此多采用微带馈电或同轴线馈电。因为天线输入阻抗通常不等于50传输线阻抗，所以需要匹配。匹配需要恰当选择馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。

图3.1 馈电模拟

3.1微带馈电

微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电。馈电点的位置将决定激励出哪种模式。如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹配。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之改变，进而使馈线和天线之间的藕合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变，可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。

对于微带馈电，如图 3.1（a）所示，利用惠更斯原理可以把馈源模拟成贴在磁壁上沿特定方向的电流带。在薄的微带线中，除了馈线的极邻近区域外，在贴片边界上的任何地方，这个电流都很小。在理想情况下，可视馈源是一定电流