微带天线设计.pdf

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1、第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片[3]的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来。为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来

2、越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。1.2微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与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

3、向外辐射。微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。在这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。1.3多频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必[4]需品。对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。对于有些系统，则要求系统工作于双频，

4、且各个频段的极化又不同。微带天线的工作的频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计的灵活也使得微带天线在这些领域中得到广泛的应用。同时，通讯系统也需要宽频带来实现多媒体信息无线传输和接收的高速率。因此，研究双频带天线具有重要意义。2.微带贴片天线图2-7微带天线结构示意图在通信、航空、航天、卫星和导弹应用中，天线的尺寸大小、重量、造价、性能、安装难易和空气动力学形态等都受到限制，常选用微带天线。这种天线有薄的平面结构，通过选择特定的贴片形状和馈电方式或在贴片和介质基片间加负载以获得或调整所需的谐振频率、极化、模式、阻抗等各参

5、量。2.1微带贴片天线结构图2-7所示为传输线馈电方式的微带天线结构，它由很薄的金属带以远小于波长的间隔h，置于接地导电板面上而成，贴片与地板之间填充有介质基片。辐射单元通常刻在介质基片上。微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择不同的贴片形状激励方式来实现。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形等。2.2微带贴片天线辐射机理微带天线的辐射是由其导体边沿和地板之间的边缘场产生的。其辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。当频率较低时，因

6、为电尺寸很小，电磁泄漏小；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。图2-8微带贴片天线辐射原理图设辐射贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向和厚度h方向均无变化。仅沿贴片长度b方向有变化，其结构可见上图2-8(a)。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的，如图2-8(b)、(c)所示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度b=λ2，故两开路端的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的

7、场互相抵消（或很弱），而水平分量的电场是同相的。因此，远区的辐射场主要由水平分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向。由此分析可见，矩形微带天线，可用两个相距λ2、同相激励的缝隙天线来等效。缝的长度为辐射片的宽度W≈λ2,缝宽∆l≈h，两缝隙在空间产生辐射作用。这是微带天线0的传输线模型分析方法的解释。如果介质基片中的电场同时沿贴片天线的宽度和长度方向都有变化，这时微带天线可用贴片四周的缝隙的辐射来等效。2.3微带天线的主要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，继而得出【6】其方向图、增益

8、和输入阻抗等特性指标。微带天线的分析有许多方法，如传输线模型法(transmission-line)，谐振腔(cavite)模型法，全波(full-wave)模型法即矩量法，有限元法等。传输线模型法是最早出现也是所有方法中最简单的，主要用于矩形贴片。其物理意义清晰明了，但是精