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微带天线研究摘要通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。在介质基板的一面一个三角形缝隙，另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。通过仿真给出了天线的s参数，VSWR和方向图。关键词：天线参数，微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计目录一、绪论····································································31.1简介······································································31.2微带天线的发展····························································31.3微带天线的特点···························································3二、微带天线基本知识·························································42.1微带天线的辐射机理························································42.2微带天线的分析方法························································42.3微带天线的主要电参数·····················································52.3.1输入导纳·····························································52.3.2辐射电阻和品质因数··················································52.3.3带宽································································62.3.4方向性系数、增益和天线效率··········································62.3.5方向图······························································72.4激励方法································································72.4.1微带馈电····························································72.4.2同轴线馈电··························································8三、微带缝隙天线····························································83.1矩形缝隙天线···························································93.1.1输入阻抗··························································93.1.2方向图····························································113.2环形缝隙天线····························································113.3锥形缝隙天线天线························································12四、三角缝隙宽缝微带天线······················································134.1天线设计与性能·························································134.2软件仿真·································································14参考文献····································································15一、绪论1.1简介微带天线（microstripantenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。1.2微带天线的发展微带天线的概念早在1953年就由Deschamps提出，但是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，从70年代起，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证。微带天线随着应用领域的快速扩展而开始被广泛的研究和使用。1970年出现了第一批实用的微带天线。这以后微带天线的研究有了迅猛的发展。新形式和新性能的微带天线不断涌现，其中，许多学者和工程师对微带天线的双频、多频操作进行了大量的研究应用。早期发展的结构为堆叠式与共平面式的结构，之后随着频率比、极化要求以及整体天线体积上的要求，并配合不同的馈入方式而有各种不同设计结构出现。例如有使用多个寄生元件或两个独立辐射元件的结构，有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置的设计，也有利用植入电抗性负载的设计，这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带，嵌入的微带线，短路棒、变容二极管、槽孔等等。在解决微带天线窄频带特性的问题上，各种设计不断推陈出新，所利用的方法也不断被开发并互相结合。例如有使用低介电常数的厚介质基底的设计，植入贴片电阻等损耗性元件的设计，植入集成式电抗性负载的设计，在馈入端设计匹配网络、堆叠结构的设计，寄生元件的设计，植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电的方式等等。但是上述方法也存在不足，有时会影响天线其它性能指标。例如，使用短路探针加载，在缩减天线尺寸的同时，对带来一些缺点，一方面使阻抗匹配依赖于短路探针的位置及其馈电点的距离，给制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是带宽缩减，如若使用电抗性元件加载同样会造成带宽缩减，如若使用电阻性器件，虽然有助于展开频带，但是电阻性元件对能量的消耗将降低天线的效率。因此，如何在实现小型化微带天线多频段、宽频带工作性能的同时，兼顾其它天线性能指标，如效率、增益、极化等，已经逐渐成为微带天线研究的热点和难点。1.3微带天线的特点微带天线一般应用在1GHZ---50GHZ，特殊的微带天线也可用在几十兆赫。它的特点主要有：（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体共型，除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，不影响载体的空气动力学性能。（2）天线的散射截面较小；不需要背腔。（3）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；可以工作在双频或多频；稍稍改变亏点位置就可以得到线极化和圆极化。（4）能和有源器件，电路集成为统一的组件，适合组合式设计；利于大规模生产，降低了成本。（5）频带较窄；增益低。（6）有损耗，因此效率较低。（7）端射性能差；可能存在表面波。（8）单个微带天线的效率容量较低。二、微带天线基本知识2.1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。辐射对于总品质因数的影响可描述为谐振器的尺寸、工作频率、相对介电常数以及基片厚度的函数。理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗微带天线的辐射可以用下图（a）的简单情况来说明。这是一个矩形微带贴片，与地板相距几分之一波长。假定电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，则辐射器的电场结构可由下图（b），电场仅沿约为半波长（λ/2）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。在两端的场相对于地板可以分解为法相分量和切向分量，因为贴片长为λ/2，所以，法相分量反向，由他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相同，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、同向激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙（下图c）.也可以考虑电场沿贴片宽度的变化。这时，微带贴片天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示。同样，其他微带天线结构也可用等效的缝隙表示。2.2微带天线的分析方法天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，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。分析微带天线的理论大致可以分为三类：1.最简单的也是最早出现的是传输线模型(TLM—TransmissionLineModel)理论，主要用于矩形贴片。它将一矩形贴片天线等效为一段微带传输线，两端由辐射隙缝的等效导纳加载，但本法基本上只能用于薄矩形贴片天线。2.更严格更有用的是空腔模型(CM-CavityModel)理论，可用于各种规则贴片，但是基本上限于天线厚度远远小于波长的情况。是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空腔（漏波空腔）。这一模型使我们对微带天线的工作特性有了更深入的理解，并已成功地运用于精确计算厚0.005λd-0.02λd（λd为介质中波长）的微带天线输入阻抗。3.最严格而计算最复杂的是全波(FW-FullWave)理论，全波分析中常常需要使用到各种数值方法，包括空域矩量法、谱域矩量法、谱域导抗法、混合微积分方程法、共轭梯度快速傅里叶变换法、时域差分法等。从原理上来说，全波理论可用于各种结构、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。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题;第二种理论则发展到二维边值的问题的求解;第三种理论又进了一步，可以计入三维的变化，不过计算也费时的多。自然，这三种理论仍在不断的在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对全波理论中积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-GreenFunctionApproach)；而由空腔模垫的扩展，出现了多端网络法(MNA-MultiportNetworkApproach)，等。2.3微带天线的主要电参数微带天线的设计需要用到的一些电参数有：2.3.1输入导纳输入阻抗或输入导纳是一个基本的参数，需要精确算得其值，以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。对于任意馈电点的微带天线，输入导纳可用式（2-1）进行计算：式中，z是馈电点离拐角的距离，传播常数在实际情况中，，因此，上是可进一步简化成：对于同轴馈电的微带天线，则可用得出其输入阻抗。2.3.2辐射电阻和品质因数辐射电阻可以根据W与0λ的大小来确定：与辐射电阻有关的品质因数为：已经证明：，所以Qr可以简化为：其中，W和L为基片尺寸，TW为谐振时的储能，Pr为辐射功率。2.3.3带宽馈线的电压驻波比（VSWR）小于S的微带天线带宽可表示为带宽较窄是微带天线的一大缺点，而越来越多的研究也带来了许多增加微带天线带宽的方法，例如：选用较低εr值和较厚的基片、增加寄生单元、使用阻抗匹配网络，以及选用不同形状的贴片或微带线