天线在各种系统中的应用-微带天线

第6章

其它类型天线及天线在各种系统中的应用6.1缝隙天线6.2 微带天线6.3 智能天线6.4 天线的应用天线与电波传播1北京邮电大学6.2微带天线1953年，Deschamps首先提出了微带辐射器的概念。20世纪70年代初，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作才得到了工艺保证。天线与电波传播2北京邮电大学空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线。这样，微带天线的研究引起了广泛的重视，各种新形式和新性能的微带天线不断涌现。如今，微带天线已大量地应用于卫星通信、雷达、遥感、导弹、环境测试、便携式无线设备等领域。天线与电波传播3北京邮电大学6.2.1微带天线的结构和特点微带天线是在损耗和厚度都很小的介质基片两侧，分别敷设以接地板和导体贴片而形成的天线。它利用微带线或同轴线馈电，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之间的缝隙向外辐射。

天线与电波传播4北京邮电大学按结构特征微带天线可以分为微带贴片天线和微带缝隙天线。其中微带缝隙天线是将接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线对缝隙馈电。微带天线也可以按贴片的形状分类，如矩形、圆形及环形微带天线等。按工作原理分类，可以分为谐振型（驻波型）和非谐振型（行波型）微带天线。天线与电波传播5北京邮电大学微带天线在结构和物理性能方面具有很多独特的优点：尺寸小，重量轻，具有很小的剖面高度，能与导弹、卫星等空间飞行器的表面实现共形；天线的辐射单元较小，易于同其它微带线路集成于同一基片，适于用印刷电路技术大批量生产，价格低廉；能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向；易于实现圆极化和多频段等性能。

天线与电波传播6北京邮电大学与其它天线相比，微带天线存在以下缺点：工作频带很窄。它的基本辐射单元具有明显的谐振特性，当工作频率偏离谐振点后，其输入阻抗急剧减小，在馈电点产生强烈的反射，使天线不能正常工作；增益也比较低，由于介质损耗，单个微带元的增益只有；单个微带天线的功率容量较小。天线与电波传播7北京邮电大学6.2.2矩形微带天线单元的主要特性矩形微带天线单元的结构尺寸如图所示长度宽度介质基片的厚度波在介质基片及自由空间中的波长

图6.5天线与电波传播8北京邮电大学场沿贴片的宽度方向无变化，沿纵向呈驻波分布。开路端为电场的波腹点，由于，则在馈电端也是电场的波腹点，但两处的电场方向相反，其电场分布如图所示。图6.5微带天线可看作是一个终端开路的传输线。天线与电波传播9北京邮电大学导体贴片与接地板之间由馈源激励起的高频电磁场，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射，微带贴片四周的场分布如图所示。图6.5天线与电波传播10北京邮电大学沿着传播方向前后两缝上的电场可分解为垂直分量和水平分量。垂直分量反相，在远区产生的辐射场相互抵消。水平分量方向相同，远区场同相叠加。两开路端的水平分量相当于两个同相馈电、间距为半个波长的平行缝隙。图6.5天线与电波传播11北京邮电大学微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙组成的二元阵列。图6.5天线与电波传播12北京邮电大学微带天线的辐射特性(单缝情况)图6.6单缝几何坐标图设缝隙上的电压为U，缝的切向电场天线与电波传播13北京邮电大学根据等效原理，辐射缝隙上的等效面磁流密度为考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流为天线与电波传播14北京邮电大学对远区观测点，等效磁流产生的矢量电位为积分得由于，简化为天线与电波传播15北京邮电大学由求磁矢位引起的电场，对于远场只保留项，得天线与电波传播16北京邮电大学单缝的辐射功率可以通过在远区对波印廷矢量积分求得：天线与电波传播17北京邮电大学按辐射电导的定义式可得出单缝的辐射电导当时，当时，天线与电波传播18北京邮电大学在缝隙所在的截断端附近，电场分布发生变形，其电力线要延伸到截断端的外面，表明在该局部内要存储电能，就像接了一个电容负载，根据传输线法，可以求得该等效电容。由所得的辐射电导和可知，单缝的等效电路为。天线与电波传播19北京邮电大学由于矩形微带天线远区场辐射可以看做两个等幅同相激励的缝隙共同作用的结果，考虑二元阵的阵因子为空间场点与坐标原点O的射线与+x轴的夹角，。天线与电波传播20北京邮电大学根据方向图乘积定理，可得到微带天线远区辐射场为故矩形微带天线的归一化方向函数为矩形微带天线的最大辐射方向为垂直于微带天线的y方向天线与电波传播21北京邮电大学将代入得H面(面)的方向函数

将代入得E面(面)的方向函数

天线与电波传播22北京邮电大学图6.7微带天线方向图当，，时，可画出H面和E面方向图天线与电波传播23北京邮电大学矩形微带天线单元的输入导纳可以看成是间距为半波长的两个缝隙的输入导纳的并联，其等效电路如图所示。图6.8矩形微带天线等效电路天线与电波传播24北京邮电大学输入端的输入导纳为是微带线的特性导纳；，是缝电容；是介质基片中波的传播常数。天线与电波传播25北京邮电大学当微带天线处于谐振状态时，输入端的输入导纳的虚部为零此时，输入端的输入导纳为天线与电波传播26北京邮电大学6.2.1微带天线的应用圆极化应用宽频带应用多频段应用微带行波天线微带天线阵天线与电波传播27北京邮电大学圆极化应用微带天线的优点之一就是便于实现圆极化。通常，矩形或圆形微带天线是线极化的，若采用特殊的极化方式，在贴片中激起两个简并的正交模式，并使这两种模式幅度相等，相位相差，便可实现圆极化。通过对矩形贴片进行角馈电，或通过矩形贴片相邻正交边相位差的馈电，以及采用五边形贴片等方法都可以得到圆极化。天线与电波传播28北京邮电大学宽频带应用微带天线最大的缺点是工作频带窄，相对带宽一般只有百分之几。实际上，微带天线方向图带宽较宽，主要限制在于阻抗带宽。天线与电波传播29北京邮电大学对于给定的贴片形式，展宽其阻抗频带有三条途径：(1)降低Q值。主要是增大基片厚度和降低基片相对介电常数。但增加基片厚度会导致空间波发射效率下降。(2)修改谐振电路，采用多层结构。上层较小贴片以下层较大的贴片为金属底板，相叠的两片分别调谐于两个不同的频率，这样使得工作频带变宽。(3)加阻抗匹配网络。天线与电波传播30北京邮电大学若不限定贴片形式，展宽频带的方法有：(1)选择贴片形式。矩形比圆形贴片频带稍宽。选择适当馈电点，椭圆和环形贴片可获得更宽的工作频带。(2)改造结构。例如将矩形贴片的纵截面改成梯形或劈形，带宽约增大一倍；采用圆锥形导体结构比圆形贴片带宽约宽一倍。(3)选择材料。例如采用铁磁材料作基片，不但大大减小了贴片尺寸，还使频带明显展宽。天线与电波传播31北京邮电大学多频段应用实现多频段工作有两种方式：单片法和多片法。单片法只用一个贴片，但利用不同的模式同时工作，或利用加载来形成几个不同的谐振频率以实现多频工作。多片法是利用谐振频率不同的多个贴片来工作，通常是将较小的贴片叠在较大贴片上，称为积叠式微带天线。天线与电波传播32北京邮电大学多频工作的微带天线，可以根据贴片的形状、尺寸及各片间的相对位置，调整其谐振频率。例如在单片法中，对于矩形贴片，选用的是模和，两者谐振频率之比约为1:3。可插入短路针来提高模谐振频率，或在贴片上开缝来降低模的谐振频率，从而控制两频率比。天线与电波传播33北京邮电大学微带行波天线任何一个波传输机构原则上都可以改造成一个行波天线。微带行波天线一般为周期性结构，利用弯曲、拐角等不连续处产生辐射。直微带线两侧的磁流等幅反相，在空间的辐射场抵消。而弯曲、拐角处，几何形状发生变形，电磁场的平衡被扰动，微带线的外边缘的磁流比内边缘的磁流分布长度大，从而向空间产生辐射。天线与电波传播34北京邮电大学对于微带线而言，可做成两种类型的传输线天线微带线终端接匹配负载的行波天线微波线终端开路或短路的驻波天线通常驻波天线为边射，而行波天线则可设计成从后射到端射的任何方向。天线与电波传播35北京邮电大学微带天线阵单个微带辐射元是弱方向性的，但将若干个相同的基本微带阵元通过微带传输线