微带天线报告

1目录一、微带天线简介...................................................21.1微带天线的概念与分类........................................21.2微带天线的激励方法..........................................41.3微带天线的工作原理——辐射机理..............................5二、微带天线的分析方法.............................................82.1传输线模型..................................................82.2格林函数法.................................................102.3腔体模型...................................................112.4积分方程法.................................................11三、微带天线宽频实现..............................................123.1采用厚介质基片.............................................123.2采用介电常数较小或有耗的介质基片...........................123.3附加阻抗匹配网络...........................................123.4采用楔形或阶梯形基片.......................................123.5采用非线性基片材料.........................................13四、微带天线的多频技术............................................134.1开槽加载...................................................134.2销钉加载...................................................142微带天线摘要：随着社会和经济的发展，通信技术在社会中变得越来越重要，人们的生活也越来越离不开通信。与此同时，对于接受外来信号的天线的设计也越来越多样化。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。本文应老师要求，对微带天线进行简单介绍。关键字：分类激励工作原理分析方法宽频多频内容：一、微带天线简介1.1微带天线的概念与分类概念：微带天线（microstripantenna）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。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:微带行波天线、微带缝隙天线和微带贴片天线。Ⅰ、微带行波天线微带行波天线由基片、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3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1.1Ⅱ、微带缝隙天线微带缝隙天线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1.2MSA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。Ⅲ、微带贴片天线微带贴片天线(MicrostrippasteAntenna，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4另外几种可能的形状如下图所示。图1.31.2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1.4Ⅰ、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5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1.4（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的均匀电流带，以此来为天线提供激励。Ⅱ、同轴线馈电一般情况下，同轴线的外表插座安装在接地板(印刷电路板)的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定的天线模式，同轴馈电点的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。如图1.4（b）示，根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。如果忽略磁流的贡献，并假定电流在圆柱上是均匀的，则可进一步简化。简化到最理想的情况是，取出电流圆柱，用一电流带代替，类似微带馈电的情况。该带可认为是圆柱的中心轴，沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带，对于给定馈电点和场模式，等效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹由经验确定。1.3微带天线的工作原理——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。以图五所示的矩形微带贴片天线为例，可以简单说明其辐射机理。6图1.5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(/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/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/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1.6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1.6假定只有电流存在，则微带天线外部任意点(,,)p的电场和磁场为:7式中：-----介质的介电常数，F/m-----磁导率，H/m-----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()Kr-----距离原点为日的点上的面电流密度，2/Am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:()Mr-----距离原点为r的点上的面磁流密度，2/Hm为简单起见，所有场和电流的时间因子jte均略去。总场为:8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:0-----自由空间波阻抗，二、微带天线的分析方法目前己经出现了许多分析微带天线的方法，如传输线法、腔模理论、格林函数法和数值计算法等。这些方法互相补充、各有长短，不同形状、不同配置的矩形微带天线都可以找到适当的方法进行理论分析，对于微带天线的设计和分析十分有利。2.1传输线模型假设:(1)微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，波的传输方向决定于馈电点。线段长度/2mL，m为准TEM波的波长。场在传输方向上是驻波分布，而在其垂直方向(图中的宽度方向)上是常数。(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L，宽为W，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带贴片两端的延伸面上，即将开口面向上折转90，而开口场强也随之折转。由上述两条基本假设可以看出，当/2mL时，两个缝隙上的切向电场均为9x方向，且等幅同相，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，缝上等效磁流密度为:式中:V-----传输线开口端电压，V图2.1由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按照自由空间处理，这正是该法的方便之处。图2.2图2.2是按照传输线法建立的微带天线等效电路。图(a)为微带馈电方式，SY为缝隙辐射导纳，0Y为微带贴片特性导纳;图(b)为同轴馈电方式，探针从接地板穿孔引出(称为“底馈”)，该等效电路与图(a)的不同之处在于:(l)它在微带贴片开口端馈电，激励源离始端距离1X。(2)探针本身要引入感抗，用PY表示。利用上述等效电路可以求出缝隙的辐射导纳，然后利用传输线公式变换得到输入导纳。当变换后的阻抗为实数时，表明天线发生了谐振，即可求得天线的谐10振频率。对于图2.2（a）的微带馈电方式，输入导纳为:B用等效伸长l表示:式中:e-----传输线的等效介电常数，F/m谐振时，2inYG，在式中令总电纳等于零，即可得到:由上式便可求出丸或谐振频率。传输线法简明、物理直观性强。但仍由于一些缺陷使其应用范围受到很大限制。(1)传输线模型限制它只能用于矩形微带天线及微带振子。(2)除了谐振点外，输入阻抗(导纳)随频率变化的曲线不准确。(3)缝导纳计算不准确，它的电纳部分通常按准静法计算，所得到的等效伸长在高频条件下不够准确。2.2格林函数法众所周知，知道并矢格林函数，任意源分布的场可由重积分求出。Alexopoulos等人研究了印制在带地板的基片赫兹偶极子的并矢格林函数:式中：11在一定假设下，贴片天线可认为是二维传输线。应用边界条件、麦克斯韦方程和连续性方程可求出电流密度分量XJ和YJ。但和矢量位法的情况一样，这种方法在数学上的计算也很麻烦，不易于分析。2.3腔体模型腔体模型分析是在微带谐振腔分析的基础上发展而来的。实际上，谐振式微带天线的形状和微带谐振腔并无显著区别。分析微带谐振腔的一般方法是:规定腔体的边