【《微带天线设计案例》3000字】

微带天线设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u18785微带天线设计案例 11924(一)微带天线基本理论 1233061.微带天线综述 1109712.天线参数 2163053.天线增益 325624.天线馈电形式 33972(二)微带天线高增益设计 453211.寄生贴片 4148572.微带天线阵列 5微带天线基本理论微带天线综述微带天线拥有很多显著的优点，例如：体积相对较小、重量很轻；成本较低，对工艺要求不高，便于进行大量生产加工；能够和载体共性；易于集成，能将多个微带天线组成，提高效率；结构较为简单。同样相对的，微带天线也存在一定的缺点：带宽比较窄，难以满足当前需要，要克服这一缺点，可以通过叠层、缝隙加载等方法来实现；天线的辐射性能很大程度上会受到介质基板的影响；损耗大、效率低。天线的损耗不仅会来自导体薄片上的损耗，还有来自介质的损耗，想要减小这些损耗需要将介质的性能提高REF_Ref6670\r\h[6]。微带天线大体上可看作三个部分，分别为底层的接地板、中间层的介质基板以及最表层的具有一定形状的金属薄片。接地板和表面的金属薄片共同构成一个谐振腔，通过两者之间的缝隙来将谐振腔内的能量进行辐射。微带天线按照辐射单元形状的区别大致可以分为贴片天线、振子天线等。其中，微带贴片天线是最基本的一种天线，它的贴片一般都是一些规则形状的面积单元，常见的有矩形、环形、圆形等形状。如图2-1（a）所示，贴片天线最显著的特点是它工作在谐振状态从而辐射的效率比较高，但是与此同时天线的带宽会受到一定影响。当导体贴片为薄片振子时，称之为微带振子天线，如图2-1（b）所示REF_Ref7836\r\h[7]。天线贴片（b）微带振子图2-1微带天线形式对于微带天线，一般情况下，介质板的厚度都要远远小于辐射贴片的长度和宽度。设辐射贴片的长度为L，宽度为W，介质板的高度为h。贴片宽度W为： (2-1)其中c为光速，为介质基板的介电常数。贴片长度L为： (2-2)其中为等效辐射缝隙长度，计算公式为： (2-3)其中是有效介电常数，为： (2-4)天线参数在进行天线设计的过程中，通常将天线看做电路负载，可以得到天线的阻抗，如式（2-5）所示： (2-5)其中和分别代表天线的输入电阻和电抗。但是天线的阻抗不仅取决于天线的材质、工作频率，还与使用的介质有关REF_Ref7836\r\h[6]。因此在实际操作中难以得到一个精确的阻抗值，所以在设计过程中都是采用近似值来进行估算。在电路参数中，还有一个重要参数就是参数，S11表示回波损耗，即被反射回源端的能量多少，值越小天线的损耗越低。它表示反射功率与入射功率之比，如式（2-6）所示： (2-6)除开参数，常用的还有驻波比，如式（2-7）所示： (2-7)其中是反射系数，为反射波电压与入射波电压的比值，来反应天线的匹配情况。的值越小，反射功率百分比就越小，馈线的损耗就越小，天线的匹配程度也就越好。天线增益天线增益的定义为：在相同功率和相同位置处，实际天线与理想辐射单元在空间内的信号功率密度比。它体现天线对输入功率集中辐射的程度。天线增益是基于天线方向图建立的，在方向图上，若主瓣越窄、旁瓣越小，则天线的增益就越高REF_Ref7836\r\h[7]。表示天线增益的单位有两种：和。表示相对值，是增益的概念，而不是一个具体的单位，实际上和一个意思。是相对于对称振子天线的增益。两者之间满足的关系如式（2-8）所示： (2-8)天线馈电形式在天线接收或者辐射电磁波时，需要使用馈线来将天线与发射设备或者接收设备进行连接。天线进行馈电的方式主要分为微带线馈电、电磁耦合馈电和同轴线馈电等。微带线馈电如图2-2所示，用一段宽度远窄于贴片的微带线进行连接，微带天线与馈线处在同一个平面上，馈线作为天线辐射结构的一部分，在加工过程中容易实现，但是馈线的加入会对天线的性能造成影响，为了减弱馈电带来的影响，在设计的时候考虑增大天线的阻抗值，同时使馈线的宽度也要尽可能的窄，还可以选择相对介电常数较大的介质材料，这些都能够改善馈线给天线整体辐射场带来的影响。通过改变馈电点的位置，不仅影响阻抗匹配关系还会影响微带天线上的电流分布REF_Ref9217\r\h[8]。图2-2微带线馈电电磁耦合馈电如图2-3所示，电磁耦合馈电是一种无接触式馈电，通过各辐射贴片之间的电磁耦合来实现馈电。耦合馈电最早见于上世纪80年代，与其他馈电形式不同，它不需要再外加其他形式的馈电网络结构，所以不会占用馈电空间，减少了馈电端口的匹配工作，在进行天线小型化设计方面提供了极大的便利。又由于此种馈电形式会存在耦合作用，这样会使天线产生耦合谐振，使天线的带宽增大REF_Ref9217\r\h[8]。图2-3电磁耦合馈电同轴线馈电如图2-4所示：同轴体穿过介质板与辐射贴片直接相连，为了避免地板与贴片直接相连而造成短路，所以需要把地板层与同轴体之间的重叠部分删去。采用同轴线馈电的方式，由于表面的绝缘性，所以不会对天线的辐射场造成较大影响，这样就极大程度上简化了天线的计算，也使馈电网络对天线辐射场的影响大大降低。同轴线馈电的缺点是集成难度较大、焊接比较麻烦，但是采用同轴线馈电可以任意选择贴片的位置，方便天线的匹配REF_Ref6670\r\h[6]。图2-4同轴线馈电微带天线高增益设计寄生贴片本文设计的寄生贴片基于一款单馈点圆极化微带贴片天线，馈电形式选择如图2-4所示的同轴线馈电。单馈点圆极化贴片天线设计的重点在于馈点的位置。如图2-5所示馈点在x轴或者y轴上的贴片天线称之为A型；若馈点位于矩形微带贴片天线的对角线上，则称为B型。本文设计的微带贴片为A型贴片天线。图2-5A型单馈点圆极化贴片天线本文设计的这款寄生贴片，通过在微带贴片天线的上层再增加一层寄生辐射贴片的方式，来增加带宽。寄生贴片结构如图2-6：图2-6寄生贴片结构上层寄生辐射贴片的介质基板厚度设为0.6mm，下层微带贴片的介质基板厚度设为0.8mm，两个介质基板选用的材料一致，采用介电常数为3.55的RogersRO4003(tm)，两个贴片都为正方形贴片，能够更大限度的扩展天线的带宽。在寄生贴片和微带贴片中间存在一个空气层，可以选用低介电常数的介质板REF_Ref10030\r\h[9]。微带天线阵列阵列天线的原理是：多个天线辐射的电磁波会在一个方向上进行叠加，同时在另外的方向上又会相互抵消。在微带天线阵列中最简单的一种排列方式就是微带线阵，按照馈电结构方式的不同又分为串联式馈电和并联式馈电。串联式馈电阵列中所有的天线单元都沿着一条传输线排列，利用这条传输线来进行馈电REF_Ref10494\r\h[8]，结构如图2-7所示：图2-7串联式馈电并联式馈电阵列中每个天线单元的馈电都是独立进行的，馈电方式为并和式功率分配网路，并联式阵列的馈电形式常见结构为均匀分布REF_Ref6670\r\h[6]，如图2-8所示：图2-8并联式馈电均匀式分布对于天线阵列来说，可以通过增加天线阵元的数量来提高阵列的方向性。最简单的实现方法就是设计均匀直线阵。在均匀直线阵中所有天线阵元的结构都相同，每个天线阵元之间的距离也相等，相位线性增大或者减小。基于以上原理，本文设计了一款四元阵列，阵元的尺寸根据式(2-1)、(2-2)，使用MATLAB计算所得，如图2-9所示：图2-9阵元尺寸计算馈线的宽度计算如图2-10所示：图2-10馈线宽度计算通过计算得出阵元的尺寸为37.3mm×28.8mm，馈源宽度为3mm，选用介电常数为4.4的FR4介质板，高度为1.575mm，用HFSS进行模拟仿真，S11、增益如图2-11、图2-12所示：图2-11阵元S11参数图图2-12阵元增益图阵元的阻抗如图2-13所示：图2-13阵元的阻抗根据上面对单个阵元仿真的结果，来进行四元阵列的设计，阵列采用并行馈电的方式，结构如图2-14所示。根据图2-13可以确定阵元的边缘阻抗约为128.5Ω，然后参照如图2-10所示的方法计算匹配线的宽度，匹配线1宽度为0.