（电磁场与微波技术专业论文）紧凑型宽带天线研究与设计.pdf

紧凑型宽带微带天线研究与设计 摘要 随着无线通信系统的不断发展，无线领域的新技术、新标准层出不穷，在 满足了人们工作与生活需求的同时也极大地促进了无线通信技术及其相关产品 的发展。与此同时，无线通信的蓬勃发展也对无线通信设备提出了越来越高的 要求。在通信设备体积的不断减小的发展趋势下，作为其中关键部件的天线， 其小型化问题日益突出。另一方面，通信频段不断向着更宽、更高的频段发展， 这也推动了天线宽带化的研究。 论文介绍了当今小型微带天线的研究背景及国内外研究现状。对比研究了 天线加载、曲流技术、附加有源网络等微带天线小型化技术。同时也对寄生元 结构、层叠结构、楔形或阶梯形结构、阻抗匹配网络等展宽微带天线带宽技术 进行了分析。 本论文设计了一款可以用于w l a n 的反c 形双频微带天线。基于之前对 微带天线增宽技术的研究，用共面波导馈电取代了传统的微带线馈电，实现了 超宽带，天线频带足以覆盖w l a n 所建议的所有频段。在保证了w l a n 频段 的前提下，通过加入宽缝以及不对称的渐变结构对天线进行频带阻断，使之与 w i m a x 的频段不重叠。同时，采用了小型化技术将天线体积减小了2 4 3 。 论文中还对一款普通微带天线进行了改进。通过对接地板进行阶梯形改造， 展宽了阻抗带宽，且使天线小型化，频带覆盖了f c c 建议的3 1 - l0 6 g h z 范围。 关键词：无线通信，微带天线，小型化，宽带化，w l a n ，频带阻断 r e s e a r c ha n dd e s i g nf o rt h ec o m p a c tb r o a d b a n d m i c r o s t r i pa n t e n n a a b s t r a c t ： i nr e c e n ty e a r s ， a l o n g w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ， n e w t e c h n o l o g i e s a n dn e ws t a n d a r d si nw i r e l e s s a p p l i c a t i o n sa r ec o m i n go u to n ea f t e ra n o t h e r t h e s en o to n l ys a t i s f yt h ed e m a n do n w o r ka n dl i f co fp e o p l eb u ta l s og r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dr e l a t e dp r o d u c t s a tt h es a i i l et i m e ，t h ev l g o r o u s d e v e l o p m e n to fw i r l e s sc o m m u n i c a t i o np u t sf o r w a r dh i g h e ra n dh i 曲e rd e m a n d o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne qu i p m e n t a st h ev o l u m eo ft h ec o m m u n i c a t i o ne q u p m e n t h a sb e e nd e c l i n i n g ，t h ea n t e n n a ，a sak e yp a r t ，f a c e st h ep r o b l e mh o w m i n i a t u r i z ei t w i d eb a n do ft h ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tp r o m o t e s t h ed e v e l o p m e n to f w i d e b a n da n t e n n a s 。 i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u so fe l e c t r i c a l l ys m a l i m i c r o s t r i pa n t e n n a sis i n t r o d u c e d a n dt h e nt h et e c h n o l o g yo ft h em i c r o s t r i p a n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n ， s u c ha sa n t e 肌al o a d i n g ， m e a n d e r i n gt e c h n o l o g y ， a d d i t i o n a la c t i v en e t w o r k ， a r er e s e a r c h e d b e s i d e s ，s o m eb a n dw i d t he n h a n c e m e n t t e c h n i q u e so fm i c r o s t r i pa n t e n n aa r ea n a l y z e d ，s u c ha sp a r a s i t i ce l e m e n ts t r u c t u r e ， t h el a y e r e ds t r u c t u r e ，w e d g eo rl a d d e r s h a p e ds t r u c t u r e ， a n dt h ei m p e d a n c e m a t c h i n gn e t w o r k s an o v e lc o p l a n a rw a v e g u i d e ( c p w ) - f ：e dm o n o p o l ea n t e n n at h a tc a nb e u s e df b r w l a n a p p l i c a t i o ni sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ew i d e n e d t e c h n 0 1 0 9 yr e s e a r c h ， t h e m i c r o s t r i pa n t e n n ai sf e db yc p w i i l s t e a do fm i c r o s t r i pl i n e t h e r e f o r e ，i tb e c o m e s au l t r a 。w i d e b a n da n t e 衄a ，w h o s ef r e q u e n c yb a n dc a nc o v e rw l a n a m e t h o df o r c r e a t i n gb a n dn o t c h e si nu l t r a w i d e b a n da n t e n n ai sd e s c r i b e d b yi n t r o d u c i n gw i d e s l o ta n da s y m m e t r i ct a p e r e ds t r u c t u r e ， t h ea n t e n n an o to n l yb em a d ei n s e n s i t i v et o t h ef r e q u e n c i e so fw i m a x ，b u ta l s on o th a v ea na f f e c t o nt h ef r e q u e n c i e so f w l a n i na d d i t i o n ，t h ea n t e n n a sv o l u m ei sr e d u c e db y2 4 3 b yu s i n gt h e m i n i 绷l r i z a t i o nt e c h n o l o g y ag e n e r a lm i c r o s t r i p a n t e n n ai s o p t i m i z e d t h en o o ro fl a d d e r s h a p e d s t r u c t u r ei su s e d t h e r e f i o r e ，t h ef c cs u g g e s t e db a n d w i d t ho f3 1 - 10 6 g h z i s s a t i s f i e d a n dt h ea n t e n n ai sa l s om i n i a t u r i z e d k e y w o r d s ： w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ， w i d e b a n d ，w l a n ，b a n d - n o t c h m i c r o s t r i p a n t e n n a ， m i n i a t u r i z a t i o n ， 致谢 经过了将近三年的学习，我在硕士阶段的学习己接近了尾声。在毕业论文 即将完成之际，谨向一直来给予我指导、关心和帮助的老师、同学、家人表达 最衷心的感谢。 首先衷心的感谢我的导师杨明武教授这三年来对我的教育和培养。杨老师 渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力无一不给我们留下了深刻的印象。 在杨老师的悉心指导和关怀下，我不仅学到了许多崭新的知识，更学到了不少 为人处事的道理，这些东西都将是我一生的宝贵财富! 同时还要感谢毛剑波、 杜平、宣晓峰老师对我的指导和帮助。 还要感谢实验室的同学韦柳泰、曾德瑞、陈琛、王锐以及各位师兄弟妹， 在与你们并肩作战的日子里，我度过了一段段美好的时光，我们共同生活中的 欢声笑语将是我永远的美好回忆。 最后，感谢一直深爱着我的家人，如果没有他们多年来含辛茹苦地养育我、 支持我，就不可能会有我今天的成绩。他们永远是我工作生活最坚实的后盾与 精神寄托。 作者：周成森 日期：2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 一ll t c c 天线一2 图卜2 紧凑型频率刻蚀k o c h 天线( 顶视图) 一3 图2 1 矩形微带贴片天线示意图8 图2 2 微带缝隙天线8 图2 3 微带振子天线9 图2 4 微带行波天线10 图2 5 同轴馈电1 1 图2 6 电磁耦合型馈电1 2 图2 7 传输线法模型13 图2 8 微带贴片天线等效模型1 4 图2 9 用极坐标表示的缝隙几何形状一1 5 图2 1 0 腔体模型1 7 图3 1 矩形贴片天线开槽前后表面电流分布示意图2 0 图3 2 加载短路探针的圆形微带贴片天线2 l 图3 3 加载了有源网络的微带贴片天线2 2 图3 4 倒f 形微带天线2 2 图3 5q 形气与矩形贴片长宽比纠形之间的关系2 4 图3 6 阶梯形基板的微带天线2 5 图3 7 曲线形微带天线2 5 图3 8 用变容器展宽微带天线工作频率的方案示意图2 5 图3 9 用变容器展宽微带天线工作频率方案的等效电路2 6 图3 1 0 有寄生元的微带贴片及其驻波特性2 7 图3 1 1 多层缝隙耦合微带天线2 7 图4 1 简单微带单极子天线3l 图4 2 天线的回波损耗( s 11 ) 一31 图4 3 地板长度l g 对天线回波损耗的影响一3 2 图4 4a d s 自带工具计算图一3 2 图4 5 微带线宽度w s 对于天线回波损耗的影响一3 3 图4 6 改用c p w 馈电的天线模型3 4 图4 7c p w 馈电下天线的回波损耗曲线3 4 图4 8 在两种不同馈电方式下天线的辐射方向图3 5 图4 9 在其他参数不变的情况下，w p 变化时天线回波损耗曲线一3 6 图4 1 0w p = 1 4 m m 时，天线回波损耗随l p 的变化曲线3 6 图4 1 1w p = 1 4 m m ，l p = 1 7 m m 时天线的回波损耗曲线3 7 图4 1 2w p = 1 4 m m ，l p = 1 7 m m 时天线的方向图3 7 图4 1 3w p = 1 4 m m ，l p = 1 7 m m 回波损耗随介质基板长度l 的变化曲线3 8 图4 1 4 双频w l a n 天线4 0 图4 1 5 天线的回波损耗曲线4 1 图4 1 6 天线的辐射方向图一4 1 图4 1 7 频带阻断后天线的回波损耗一4 2 图4 1 8 在天线其他参数不变的情况下，s 1 1 随l 3 变化的曲线4 3 图4 1 9 天线在2 5 g h z ( a ) 和5 5 g h z ( b ) 时电流分布图4 4 图4 2 0 参数l 4 对天线回波损耗的影响4 4 图4 2 l5 5 g h z 时天线的电场分布图4 5 图4 2 2 当l 4 分别为0 o l m m 和l o m m 时天线的回波损耗4 6 图4 2 3 天线回波损耗随w 3 变化的曲线4 6 图4 2 4 天线回波损耗随w 4 变化的曲线4 7 图4 2 5 渐变结构对天线回波损耗的影响4 7 图4 2 6 天线回波损耗随l 5 变化的曲线4 8 图4 2 7 天线回波损耗随接地板宽度w 变化的曲线一4 8 图4 2 8 天线回波损耗随接地板长度l 变化的曲线4 9 图4 2 9 原始天线模型的回波损耗曲线5 0 图4 3 0 拥有阶梯型接地板结构天线5 1 图4 3l 采用阶梯结构后天线的回波损耗曲线51 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在当今这个信息化的时代，以手机为代表的无线通讯设备几乎随处可见， 为人们的生活和工作带来了无限便捷。天线作为无线通讯设备的核心部件之一， 在这其中发挥了巨大作用。无线通讯技术的飞速发展不断地对通讯设备的设计 工作者们提出了新的要求。随着人们对通讯设备小型化、全向性、超宽带的渴 望越来越强烈，各种电子设备都朝着小型化、全向性、宽带化的方向发展【l j 。 天线作为无线通讯设备的收发装置，其性能的好坏直接决定了通讯质量的好坏。 同时天线的大小也直接影响着设备的体积。因此小型化宽带天线的研究成为了 当今的一个重要的课题。 集成电路和辐射元件可以被集成于一个模块内，使得电子系统的持续小型 化有了新的突破【2 1 。超大规模集成电路( v l s i c ) 和微波集成电路( m m i c ) 的 迅速发展、工艺技术的进步以及各种新材料的使用，使得无线通讯设备向着功 能一体化、小型化、智能化的方向不断迈进。因此，在通讯设备中的天线小型 化、平面化成了当务之急。 开展天线小型化、宽带化研究的意义及目的如下： ( 1 ) 天线小型化：天线的小型化是指在特定的频率上，在天线能够达到指 定要求的情况下对天线尺寸的减小。随着无线通信系统的不断普及与发展，无 线通信终端产品可谓是日新月异。各种各样的无线通信终端设备如：手机、蓝 牙、无线路由等成了人们生活的必需品。这些通信终端对小型化不断提出新的 要求，使得作为无线通信系统的关键部件的天线必须紧凑些。传统天线由于其 效率低、集成度差、隐蔽性不好等原因已无法满足未来的发展要求了【3 】。这意 味着为了适应无线通信系统的发展必须相应地发展天线小型化技术。 ( 2 ) 天线宽带化：宽带天线甚至超宽带天线之所以能够开始进入人们的视 野，是因为人们对无线通信高速化、保密化的要求越来越强烈。原有的窄带天 线已无法满足现时代通信频带的要求。同时，为了使通信系统能工作在不同的 频段，一般需要几副天线，这样就显得拥挤了，同时天线之间相互干扰的情况 也很严重，即使是可调谐式天线也无法完全满足实际使用要求1 4 j 。而宽带天线 在这方面具有优势。 微带天线具有性能稳定、剖面低、易共型、加工简单等特点。因此微带天 线不仅仅被用于民用领域，也已被广泛应用于军事领域。 1 2 国内外现状 对于微带天线尺寸紧凑化，带宽宽带化的研究，国外的起步比国内要早得 多，其产品覆盖的频段包含l 至k a 波段的各个频段。而且对于天线的小型化、 多极化、宽频化的研究也已经有了不小的进展。许多产品都趋于成熟，并有不 少产品已运用于军事和商业。纵观国内外微带天线的发展情况，其发展方向主 要是： ( 1 ) 对天线自身性能的研究：即研究天线带宽的改变、方向性的调整、增 益的大小以及极化方式。 ( 2 ) 对天线外部性能的研究：天线的体积已经影响到通信系统小型化的进 程，所以关于如何在不降低天线内部性能的情况下，减小天线体积已成为热门 课题。 1 2 1 微带天线小型化技术 ( 1 ) 采用特殊材料做微带天线基片 r ，、2、2 必 微带贴片天线的频率公式厶2 素+ l 1 ) 其中厶是天线的中心频率，m 、n 分别是沿着贴片长宽( l 、m ) 方向的模 数，s 。是有效介电常数。由式( 1 1 ) 可以看出天线的谐振频率和有效介电常数 成反比【5j 。同时天线的谐振频率也与贴片尺寸成反比。因此采用高介电常数的 基片就可以降低谐振频率。而为了保持谐振频率不变，就需要减小天线的尺寸 来将谐振频率提高到原本的水平上。文献 6 】中使用了介电常数为7 8 的l t c c 材料作基片，由此阻抗带宽为9 2 5 g h z 的超宽带天线可以设计在l7 1 0 lm m 3 的体积上( 如图1 1 所示) 。但是天线的增益也会相对介电常数的增大而减小， 这样的缺点就限制了这些高介电常数的材料的应用范围。虽然可以通过寄生贴 片或在贴片上覆盖上一层介电常数更高，厚度适当的材料来提高天线的增益， 但这样难免会带来增大体积、增加成本的后果。 图1 1l t c c 天线 再例如采用铁氧体材料作为基片的微带天线在实现了天线小型化的同时， 还能够使天线频带在较宽的范围内可调( 4 0 ) 。高温超导材料h t s ( h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ) 具有极低的表面电阻，能起到抑制表面波的作用， 使得可以使用较厚的基片来提高有效介电常数，从达到天线小型化的目的。 ( 2 ) 改变微带天线电流路径( 曲流技术) 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时，表面电流原来的路径就会被切断。 这样表面电流就会绕着槽或细缝的边流，从而使天线电流的路径变长。这样做 相当于将级联电感引入到天线的等效电路中r 7 1 。这类天线结构简单，加工便捷。 并且随着天线上所开糟或细缝的长度增加，天线的谐振频率也会降低。这时自 然可以通过天线尺寸的减小来提高天线的谐振频率。另外基于对天线电流的研 究，可以减去那些对天线性能影响不明显的部分，从而减小尺寸p j 。如图l 一2 中所示的k o c h 分形槽天线比一般的缝隙天线在小型化方面效果更好p j 。 图卜2 紧凑型频率刻蚀k o c h 天线( 顶视图) ( 3 ) 微带天线上加载短路探针( 天线加载) 在微带天线上加载短路探针【l0 1 。这样做相当于在微带天线的等效电路中引 入了电感与电容；若短路探针的电抗呈容性，则天线谐振频率上升，相反若呈 感性，则天线的谐振频率下降【m 】。若将探针换为低阻抗的切片电阻【7 1 ，则可以在 进一步减小体积的同时增加带宽。若将探针换为切片电容，虽然也可以起到降 低谐振频率的作用，但无法达到增加天线带宽的目的。 ( 4 ) 在微带天线上附加有源网络 无源天线尺寸的减小往往会带来天线的辐射电阻变小的结果。而天线辐射 电阻的减小会使天线辐射效率降低，带宽也会随之减小【7 1 。而有源网络具有放 大以及阻抗匹配的作用。但有源天线也有其自生的缺点：因为需要另加供电电 路及有源器件来组成有源网络，并且还要考虑噪声和非线性失真的问题，所以 工艺相对复杂。 1 2 2 宽带化技术 通常根据天线的系统要求，规定天线的电参数( 如主瓣宽度、副瓣电平、 方向系数、增益等) 在容许的变化范围，当偏离谐振频率时。天线的电参数不 超过容许值时，称这个频率范围为天线的带宽【】。通常天线带宽r l 定义为： 惮就 ( 1 - 2 ) 3 式中m 舣为天线上限频率，厶i 。为下限频率。若r l o 2 5 ，则定义为超宽 带【12 1 。 微带天线频带窄主要是因为微带天线的q 值过高。在天线谐振时阻抗实现 匹配，而当频率偏离谐振时由于电抗分量的急剧变化，出现了失配【l 引。所以展 宽带宽的方法可以从降低q 值方面出发来研究，另外通过附加匹配措施来实现。 现在国内外微带天线的带宽展宽技术大致可以分为以下几种： ( 1 ) 增大介质基板的厚度，降低相对介电常数或增大t a n6 因为随着介质基片厚度的增加，相应的辐射电导也随之增大。而辐射对应 的品质因数和天线总的品质因数与辐射电导呈反比，所以辐射对应的q 值随着 辐射电导的增大而减小。在大多数场合如：空气动力性能以及重量不是很苛刻 的场合，这种方法还是可行的【13 1 。但要注意，基片厚度的增加会降低天线效率， 同时也破坏了微带天线的低剖面特性，所以要根据应用的具体要求来权衡【1 4 1 。 当基片相对介电常数s 减小时，由于介质基板对“电磁场”的束缚能力减小， 所以天线更易于辐射：而天线储能也由于相对介电常数的减小而减小，这样所对 应的品质因数下降从而增加了微带天线的频带宽度。增大介质损耗t a n6 的值， 同样可以起到降低q 值的作用，从而增加了天线带宽【l3 1 。但是需要注意的是， s ，的减小会带来天线尺寸增大的后果，而t a n6 的增大也会引起天线辐射效率的 降低。 ( 2 ) 采用其他形状的贴片或采用其他形状的基板结构 比如采用阶梯形或楔形基板可以起到展宽微带天线带宽的作用。这是因为 两辐射端口处基板的厚度不同从而形成了两个谐振器。这两个谐振器经阶梯电 容耦合产生了双回路现象而造就了天线带宽的展宽。例如，经试验发现当天线 采用楔形基片时，坯臃 2 的频段可达2 8 ，而采用阶梯形基片时，瑶瞅 2 的 频段也可达2 5 ，但一个厚度一样的矩形微带贴片的带宽却只有1 3 嘣1 3 】。 ( 3 ) 引入非线性调整元件 当用传输线法分析矩形微带天线时可以把矩形贴片两个辐射端的边缘场比 做是在天线等效电路中并联了一个电容，这个电容可以看作是传输线的等效延 伸起到了降低了谐振频率的作用。所以根据此原理，如果在辐射端各并联一个 变容器，则通过对加在变容器上的电压值大小的调节就可以达到控制天线谐振 频率的目的。利用天线谐振频率在总频带上的移动，变相地加大了天线工作频 率范围【13 1 。 ( 4 ) 引入寄生元件 在微带贴片旁边放置与之谐振频率相近的寄生贴片，这样可以有效地展宽 天线带宽。但这样做天线的尺寸必然增大了，且在频带内方向图不稳定【5j 。采 用多层结构也是此原理，不过在天线尺寸以及辐射方向图稳定性方面有了不小 的进步。 4 ( 5 ) 在贴片或地板上开宽缝 在微带贴片上的不同位置开各种形状的宽缝可以认为是对天线的等效电路 引入了阻抗匹配元件；而在地板上“开窗”( 缝) 则会改变天线的阻抗特性以及 辐射条件13 1 。 1 3 论文的研究内容与安排 第一章绪论。首先介绍了本论文中课题的研究背景、研究方向以及意义。 然后叙述了宽频带微带天线在当今的研究方向以及研究热点。接着还简述了国 内外在微带天线小型化、宽带化方面的研究现状及主要技术手段。最后介绍了 论文的主要内容及论文大纲。 第二章微带天线理论基础。简单介绍了贴片微带天线包括微带天线的分 类、几种典型的馈电方法以及主流理论分析方法等在内的基本理论与设计知识。 第三章微带天线小型化及宽带化技术。首先详细讨论了曲流技术、天线 加载、附加有源网络等天线小型化技术。接下来分析了微带天线开槽、微带天 线层叠( 寄生) 技术、采用楔形或阶梯型结构、共面波导等天线提高带宽的机 理，并讨论了各自的优缺点。 第四章微带天线设计与仿真。首先通过对天线馈电方式的比对，采用了 新的馈电方式，使天线带宽足以覆盖w l a n 所需要的所有频段。然后通过对贴 片形状的不断改变使之变为双频天线，并有效地控制了天线的高低频范围，避 免了天线频段进入w i m a x 频段。鉴于超宽带天线巨大的应用前景，本文设计 了一款简单的超宽带天线。基于之前内容中对接地板影响的研究大胆地采用了 新的阶梯形结构，从而达到扩展带宽的目的。 第五章结束语。总结了论文的主要以及存在的不足之处，并对后续的工 作提出了建议。 5 第二章微带天线理论基础 2 1 概述 1 9 5 3 年d e s c h a m p s 率先提出了微带天线辐射器这一概念。但他的这一想法 并未能引起业界的足够重视，国内外学者们也只进行了一些零星的研究。直到 上世纪七十年代，由于较好的理论模型的出现、微波集成电路以及各种低损耗 的介质材料的不断出现，使得天线在理论设计和工艺制作上得到了足够的保证， 这时微带天线才在真正意义上得到了发展。直到1 9 7 0 年第一批实用型微带天线 才被制造出来1 5 。6 1 ，在这之后大量新样式具有新功能的微带天线不断涌现。微 带天线的基本结构如一个三明治：中间是一个薄介质基板；在介质基片的两个 表面上通过微电子工艺的沉积技术等各附上一层薄薄的铜箔层，下表面的铜箔 层作为接地板，而上表面的铜箔层则利用光刻技术等做成一定形状的金属贴片 作为辐射体。微带天线一般通过微带线或同轴探针进行馈电，通电后在微带贴 片和接地板之间激励起电磁场，电磁场中的功率通过微带贴片边缘所形成的边 缘场以及所开缝隙向外进行辐射。 与其他的微波频段天线相比，微带天线在结构和性能上具有许多优点： l 、微带天线重量较轻，体积也比较小，由于剖面低，可以和飞行器等载体 共形。 2 、微带天线由于可以使用p c b 工艺批量生产，所以制造成本很低，同时 也易于实现大规模生产。 3 、天线的电性能可谓多样化。首先微带天线可以在端射到边射之间调整天 线的最大辐射方向；而要获得天线线极化或圆极化特性只需稍稍地改变 一下馈电位置；同样若想要天线工作在双频甚至多频模式下也只需要对 天线结构进行一些改动即可。 4 、微带天线由于其特殊的工艺技术所以容易与有源、无源器件、各种电路 集成到一起。 当然，微带天线同样还存在许多不足之处： 1 、谐振式微带天线频带较窄，非谐振式微带天线的频带比之略宽，但也不 能属于宽频带天线范围。常规微带天线的频带带宽一般在百分之一到百 分之六之间。 2 、单个微带天线的功率容量较小，并且增益也较低常常需要通过使用微带 阵列的方法来提高天线增益。 3 、微带天线的损耗较大。由于天线中存在着导体损耗和介质损耗，所以效 率较低：并且由于微带天线中会激励起一定程度的表面波( 表面波在使 用较厚介质基板时会很强) ，所以会进一步降低天线的辐射效率。而行 波型微带天线由于其特殊的结构以及匹配负载的存在不免有较大的损 6 耗。 2 2 微带天线的分类 微带天线的分类方式多种多样，不同的国家和机构有不同的分类方式。但 主要有以下几种分类方式： 1 、按结构特征，微带天线可以分为两大类：缝隙式微带天线以及贴片式微带 天线。 2 、按形状，微带天线又可分为圆形、矩形、三角形、环形、半环形微带天线 世 寸o 3 、如果按工作原理分类，那么无论是微带缝隙天线还是微带贴片天线都可以 分为谐振型和非谐振型微带天线两种。其中谐振型微带天线又称驻波型微带 天线，相应地非谐振型微带天线就被称为行波型微带天线。谐振型天线由于 其谐振频率与天线尺寸有紧密关系( 如矩形贴片天线尺寸近似于所需谐振频 率所对应波长的二分之一) ，一般只能工作在谐振频率附近频率范围之内。 一旦偏离谐振频率天线电抗就会变化剧烈使天线阻抗失配，这也解释了为什 么谐振时微带天线频带较窄的原因。而非谐振天线就没有这样的限制，但由 于在天线的末端还需要加匹配负载，以用来保证传输行波，所以尺寸较大。 微带天线具有比通常的微波天线更多的物理参数，它们可以是任意形状和 尺寸的。但几乎所有的微带天线都可以归入四种基本类型：微带贴片天线、微 带缝隙天线、微带振子天线、微带行波天线。本文就以这四种基本类型进行论 述。 2 2 1 微带贴片天线 微带贴片天线( m p a ，m i c r o s t r i pp a t c h a n t e n n a ) 是由介质基片以及分别在 介质基片两边的金属贴片和馈电结构组成【l7 】。介质基板一侧的金属贴片作为接 地板；而在另一侧一片形状任意的平板或非平板的导电贴片作为辐射源。作为 导体贴片的金属贴片可以是形状规则的薄片，如矩形贴片、圆形贴片、扇形贴 片、椭圆形贴片、锯齿形贴片、三角形贴片、五角形贴片等等；同时也可以是 不规则形状的金属薄片。图2 1 所展示的是矩形微带天线的基本形状图。通常 贴片天线的增益为5 6 d b ，3 d b 带宽为7 0 0 一9 0 0 。一般微带贴片天线是通过微带 传输线或同轴探针来进行馈电的，通电时导体贴片与接地板之间被激励起高频 的电磁场，这些电磁场中的部分通过贴片四周的边缘场与接地板之间的缝隙向 外进行辐射。 7 射缝隙 图2 一l 矩形微带贴片天线示意图 2 2 2 微带缝隙天线 微带缝隙天线是由微带馈线和开在接地板上的与微带馈线相垂直的缝隙 构成的，其结构图如图2 2 所示。缝隙可以是多种形状的，如矩形、圆形、环 形等。但是由于分析方法还不太成熟，只有少量的微带缝隙天线被研究。到现 在为止被研究最多的缝隙形状是长条形或者圆形等极其规则的形状，这些缝隙 的长度一般近似为谐振频率所对应波长的一半。与其他微带天线一样，缝隙天 线可以使用多种馈电方式：可以利用波导结构或谐振腔进行耦合馈电，也可以 利用与缝隙长边垂直的微带传输线进行馈电。这时，在缝隙附近就会激励起高 频的电磁场，其中一部分通过缝隙向空间辐射。缝隙天线基本都是在缝隙两边 进行双向辐射。为了实现单向辐射，一般在缝隙的一边加反射板。 图2 2 微带缝隙天线 2 2 3 微带振子天线 微带振子天线因为其特殊的长宽比而有别于微带矩形贴片天线，振子的宽 度通常小于0 0 5 倍波长。微带振子天线可以分为两类：其中一些振子天线可以 看作是由矩形微带贴片天线的一个边所形成的窄条构成的；而有些则是把横截 8 面为圆形的细圆柱形振子嵌在一个接地的薄介质基片上【1 4 】。微带振子天线如图 2 3 所示。相对于一般微带天线，微带振子天线除了具有一般微带天线所固有 的一些优点外，它还具有更加简单的结构，更容易与微波电路集成以及更大的 带宽等优点。正因为如此，微带振子天线已被广泛地用于从微波中的高频频段 直到接近光波的远红外频段中。 ( a ) 天线斜视图和俯视图 ( b ) 侧视图和俯视图 图2 3 微带振子天线 2 2 4 微带行波天线 与微带贴片天线一样，微带行波天线( m t a ，m i c r o s t r i pn a v e l i n gw a v e a n t e n n a ) 是由介质基片以及基板两面的金属层组成。只不过微带行波天线在基 片一面上的是链形周期结构或是一条t e 模( 或t e m 模) 足够宽的长微带线而 不是导体贴片；基片另一面的金属薄层依然是作为接地板使用。在行波天线的 9 一 厂 了 末端要接上匹配负载，以避免出现驻波。对于微带线，准横电磁波( t e m ) 传 输线天线大致可分为两类：1 驻波天线，将微带线终端设置为开路或短路：2 行 波天线，微带线终端接有匹配负载。驻波天线和行波天线除了微带线终端不同 外，两者的辐射方式也有不同：驻波天线的辐射方式一般为边射，行波天线则 可以设计成能从后射一直到端射之间的任一方向上进行辐射。当行波天线的波 瓣指向边射方向时，该天线就成为了驻波天线。由于微带行波天线通常都是周 期性结构的，所以可以事先求得天线的辐射特性。与其它种类的行波天线一样， 微带行波天线也可以通过频率的调整来控制天线主瓣的辐射方向。 图2 4 微带行波天线 2 3 微带天线的馈电方式 由于绝大多数的微带天线只在介质基板的一个面上有辐射元，所以天线可 以通过微带线或同轴线进行馈电。当然这些年也有许多新的馈电方式被使用。 其中最为突出的是接近式耦合微带馈电、共面波导馈电、孔径耦合馈电。几乎 所有的馈电方式都可以归为三类：1 微带线馈电；2 同轴馈电；3 电磁耦合型馈 电。馈电方式的选择必须要考虑许多因素。而其中最重要的因素就是如何能使 辐射体与馈电结构之间匹配，以实现功率传输最大化。下面对几种馈电方式进 行讲述： 2 3 1 微带线馈电 微带线馈电的天线制作简单，因为馈线和微带贴片处于介质基板的同一面 上，因此光刻起来相对方便，同时还降低了天线制作成本。但微带线馈电也有 它的不足：馈电时馈线本身也会引起辐射，这些不需要的辐射干扰了天线的方 向性，同时也降低了天线增益。因此，一般情况下微带线的宽度w 不能取得太 1 0 宽，通常、 旯。 通过对微带线馈电点位置的适当调整，可以实现天线的输入阻抗与馈线特 性阻抗的匹配，以保证天线功率。如果天线电场是沿着矩形贴片的宽边( 假设 是x 轴方向) 变化的，则当馈线馈电沿着x 轴方向在该边上移动时，天线的输 入阻抗随之发生变化，这就提供了一种能使阻抗匹配的最简单的办法。微带线 馈电位置的改变，使得微带天线与馈线之间的耦合情况发生了改变，因此天线 的谐振频率产生一个小的“漂移”，但辐射方向图不会发生改变( 只要保证仍是 在主模情况下) 。不过，只要稍稍的对贴片尺寸加以改变，就可补偿谐振频率的 “漂移”情况。 微带馈线本身的激励又往往是利用同轴与微带之间的过渡来实现的。一般 有平行过渡( 边馈) 和垂直过渡( 底馈) 这两种情况。 2 3 2 同轴线馈电 同轴线馈电是一种使用非常广的馈电方式( 如图2 5 所示) 。它具有以下两 个主要优点： ( 1 ) 馈电点选取方便，便于匹配； ( 2 ) 由于同轴电缆的屏蔽层与地板相接，所以避免了馈线的寄生辐射，从 而提高了天线的辐射效率。 微带贴片天线 侧视图 图2 5 同轴馈电 根据惠更斯原理，同轴线馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带以 及在接地板上同轴开口处的小磁流环来模拟( 如图2 5 所示) 。如果可以忽略磁 流的作用，并且假定在电流圆柱带上的电流分布是均匀的，则可进一步的进行 简化，用一片中心位于圆柱中心轴的电流片来代替电流带，类似微带馈电的情 况。这个电流片可认为是原先电流圆柱带的中心轴有了与电流圆柱带一样的宽 度并具上面分布有与原先等效的电流。对于那些已经给定了馈电点和场模式的 情况，这个等效宽度可以根据计算与测量所得阻抗轨迹的一致性由经验来确定。 这个宽度一旦确定下来，那么在除了馈电点设置在贴片边缘上的情况以外的其 他情况下，这个参数都可以使用。 图2 6 电磁耦合型馈电 2 3 3 电磁耦合型馈电 电磁耦合馈电是上世纪8 0 年代以后开始出现的新型馈电方式。它有多种不 同的形式结构，主要是采用非接触贴近式馈电，即利用馈线本身或者口径( 缝 隙) 来完成馈线与天线之间的能量传输。这种贴近式馈电方法对于解决层叠阵 列天线中的层间连接馈电问题非常实用有效，并且通常可以获得宽频带的 坯眦特性。 图2 6 所示的是口径耦合天线的结构图。它是将微带贴片通过p c b 技术印 刷在天线基板a 上，然后将基板a 放置在预先就光刻有微带馈线的馈源基板b 的上面。在a 、b 两基板之间有一开有矩形缝隙的金属地板。微带线正是通过该 口径( 缝隙) 来对微带贴片进行耦合馈电的。口径的尺寸决定了馈线与贴片之 间的耦合程度，通常想要获得令人满意的匹配效果，可以取在长度上比贴片略 小的口径。 2 4 微带天线的分析方法 微带天线进行设计时，需要先对天线的性能参数( 如方向图、定向性、增 益、带宽以及极化方式) 预先进行估算，这样做可以极大地提高天线设计的质 量和效率，同时更能降低成本。从微带天线诞生开始，大量的学者就开始致力 于对微带天线分析方法的研究，已经获得了显著的成就，并提出了多种分析方 法。例如传输线模型，腔体模型，并矢格林函数法，辐射孔径法，矩量法等。 这些方法各有长短。而在目前使用的最广泛莫属传输线模型和腔体模型了。下 面内容将对这两种方法进行详细的讲述。 2 4 1 传输线模型 传输线模型是由芒森于1 9 7 4 年首次提出，而后德纳里德等人对此做出了改 进【协19 1 。传输线模型可适用于大多数工程应用的结果计算分析，并且其中的计 算相对简单。但需要注意的是这种模型仅适用于矩形( 或方形) 结构的贴片天 线。尽管这样，该模型还是为微带天线一般的辐射机理提供了一个相当清晰的 解释和说明。 1 2 传输线模型将天线看作一个在宽度方向上没有场变化的传输线( 图2 7 ) 。 微带线中传输的是准t e m 波而不是t e m 波。波的传输方向主要取决于馈电点位 置的选择，一般波是沿着长度方向传输，长度约为二分之一个波长，且场在此 方向上呈驻波分布。天线的辐射主要来源于贴片电路前后开路端的边缘场的辐 射。边缘场的辐射缝可以看作具有磁流m 的磁偶极子，并且假设辐射缝隙上的 等效磁流是均匀、相等的。 图2 7 传输线法模型 m = y 2 巨= y 2 叫办( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中之所以乘以因数2 ，是由接地板的镜像作用所致；假设是缝隙两端 的电压，在整个缝宽方向上不随x 的变化而变化。 图2 8 所示的是利用传输线模型建立的微带天线等效电路。图中e 为辐射 缝的辐射导纳，k 为微带贴片的特性导纳，表示同轴线探针引入的感抗。 a c i _ 制 l ； y = ； 产r i一。|1 ( a ) 带线馈电 1 3 l 【 l i ； 餐k i ，上、 j a c + 五 ( b ) 同轴馈电 图2 8 微带贴片天线等效模型 ( 1 ) 辐射场和方向图的求解 对于单个缝隙，在离源点距离为，处的电场远区场为： 式中 易= 加s 缈c o s ( 竿s i n 觚s 矽) 即胛，缈) ( 2 - 2 a ) 乓= 觚s 强n 缈c o s ( 警s ；n s 缈 即纠硼纠 ( 2 粕) 聃纠= 一 卯纠：一 2 彳：j 罢孚p 一心，- ，是微带贴片天线的贴片几何中心到场点的距离。 村 1 4 图2 9 用极坐标表示的缝隙几何形状 由于办 气，所以e ( 矽，伊) 1 。由式( 2 2 ) 可知，当p = o 时，在这个平面上只 有b 分量。所以这个平面被称作e 面。天线上的准t e m 波平行于e 面。而当缈= 9 0 。 时，平面内只有色分量，且与波的传播方向垂直，故为h 平面。 ( 2 ) 谐振频率及输入阻抗 可以利用天线的辐射功率较为方便地求得天线的输入阻抗。先在半空问内 对坡印亭矢量的实部进行积分就可得到天线的辐射功率。由于办 九，所以辐 射功率为： 彳：，罂p 由 ( 2 3 ) 式中 = p ( 半) t 趾2 弧n 鲥口 陆4 ， 则可求得辐射电阻足为 耳= 若= 半 ( 2 - 5 ) 当 形 凡，耳= 1 2 0 凡肜 ( 2 - 7 ) 缝隙的导纳可以用电容c 表示 c ：华 ( 2 - 8 ) c = ! ( 2 - 8 ) 式中z 0 为特征阻抗，而c 为光速。这样可得天线的输入导纳为 圪- g + 弘+ 虼筹黼 ( 2 - 9 ) 1 5 式中，g = ，去，召= 墨笔等，k = 去，是传播常数。天线输入导纳的虚部 为零，表示天线处在谐振状态。则天线的谐振频率可由下式求得 伽肛孟 ( 2 1 0 ) 在馈电点处对缝隙导纳进行换算就可以得到输入导纳圪 北) _ 2 g c o s 2 ( 纠+ 竿如2 ( 纠一和2 纠 1 ( 2 - 1 1 ) 在实际情况下，由于g k 1 ，驯虼 1 ，因此( 2 1 1 ) 式可简化为 圪( z ) 2 毒洒 ( 2 - 1 2 ) 考虑到两辐射缝隙之间的互耦电导蜀：，式( 2 1 2 ) 可修正为 圪( z ) =