聊聊微带天线

〜关于微带天线的八卦〜

1953年，德尚（Deschamps）首次提出了微带辐射器的概念. 但是，直到1970年代初，由于微波集成技术的发展以及各种低功耗介电材料的出现，微带天线的生产只能由该工艺来保证. 随着空间技术的发展，迫切需要薄型天线. 对微带天线的这种研究引起了广泛的关注，并且微带天线的各种新形式和新性能不断涌现. 如今，微带天线已广泛用于卫星通信，雷达，遥感，导弹，环境测试，无线设备和其他领域.

微带天线是在薄的电介质板的一侧上作为接地板附着一定的金属层，另一侧可以通过蚀刻，使用微带线或同轴线等制成所需的形状. 馈电方式馈电的天线的数量.

微带天线分类

微带天线根据其辐射元件的形式大致可分为四类: 微带贴片天线；微带偶极天线；微带线形天线；和微带缝隙天线，如图1所示.

（a）微带贴片天线（b）微带天线

（c）微带线性天线（d）微带缝隙天线

图1微带天线形式

微带贴片天线是最常见的形式，如图1（a）所示. 它是通过在带有导体接地板的介电基板上粘贴导体片而形成的. 通常，使用诸如微带线和同轴线之类的馈线在导体贴片和接地板之间馈送射频电磁场，并通过贴片和接地板之间的间隙向外辐射. 与波长相比，基板的厚度通常较小，因此可以实现一维微型化.

导体贴片通常是规则形状的区域单元，例如如图1所示的矩形，圆形或圆形片. 2;它们也可以是窄而长的片状阵列，这时形成的天线称为微带天线，如图1（b）所示.

如果使用微带线的某种变形（例如直角弯头，弯曲弯曲等）来产生辐射微带天线的工作原理，则称为微带线性天线. 如图1（c）所示，此类天线主要沿着行波传输，也称为微带行波天线.

它也可以通过在接地板上打开的缝隙辐射，这时它是由电介质基板另一侧的微带线或其他馈线馈电的. 由这种单元形成的天线称为微带缝隙天线或微缝隙缝隙天线，如图1（d）所示.

除了这四个单元及其阵列之外，还有一些变体，混合体或其他形式.

图2微带天线的辐射单元形式

微带天线的工作原理

我们假设微带天线为传输线模型，并对其进行分析，假设图3（a）中的辐射贴片的长度约为波长的一半，宽度为w，介电基板的厚度为h ，并且天线的工作波长为λ.

当我们考虑辐射补丁时，电介质基板和接地板是长度为0.5λ的低阻抗传输线，传输线的两端形成开路. 由于介电基片的厚度远小于波长，因此电场强度在厚度方向上基本上保持不变. 在最简单的情况下，我们还假设电场强度沿宽度w不变. 然后，在仅考虑主模式激励（TM10模式）的情况下，天线的电场结构如图3所示. 如图3（b）所示，辐射基本上是由辐射贴片的敞开侧的边缘引起的. 相对于接地平面，两个开口端的电场可分解为水平分量和垂直分量. 由于辐射贴片的长度约为波长的一半，因此在两个开口端的电场的垂直分量在相反的方向上，而水平分量在同一方向上. 因此，两个开口端的水平分量电场可以等于无限大平面上同相激发的两个缝隙，缝隙的宽度为ΔL，长度为w，两个缝隙之间的间隙为波长的一半微带天线的工作原理，并且槽的电场沿w方向均匀分布. 电场垂直于w方向，如图3（c）所示.

（a）矩形微带天线结构（b）侧视图（c）顶视图

图3微带天线的工作原理

微带天线性能定义

a）工作频段: xxxx MHz——xxxx MHz；

b）口径尺寸: xx毫米* xx毫米

c）水平面方向（前法线方向）:

d）垂直平面方向:

e）正面的法线方向:

f）极化方向: 垂直；

g）驻波比:

h）波束覆盖范围:

（c）-（e）是辐射特性； （f）是极化特性； （g）是阻抗特性； （h）是扫描特性.

微带天线理论分析技术

1. 传输线模型（TLM）

这是最早的具有清晰物理概念的分析模型，将矩形贴片天线等同于微带传输线，

两端以等效的辐射缝隙导纳负载，但是这种方法基本上只能用于薄型矩形贴片天线.

图4微带天线和由同一轴馈电的等效电路

2. 腔模型（CM）

罗远志教授等人提出，将薄微带天线贴片下面的空间视为一个谐振腔，其顶部被电壁包围，而被磁壁包围. 天线的辐射场是从空腔周围的等效磁电流推导出来的，天线的输入阻抗可以根据空腔中的场和馈源的边界条件来获得.

该方法已成功用于精确计算厚度为0.005λd至0.02λd的微带天线的输入阻抗. 此方法适用于各种常规贴片，但基本上仅限于天线厚度小于波长的情况.

3. 全波分析法（FW）

传输线模型和空腔模型都是在薄微带线的假设下实现的，全波理论引入了三维变换，该变换不仅适用于任何形状和厚度，而且还用于计算微带天线单元的相互耦合问题进一步拓宽了该理论的应用范围.

全波理论基于格林在开放空间中的功能. 首先，找到电源在一定边界条件下产生的场，然后根据叠加原理将电源场与源分布相乘，并通过积分分布求出总场，因此这种方法也称为积分方程法. 严格的格林函数集成通常需要大量的计算. 在实际应用中，使用先验知识假设的场源分布代替通过积分获得的场源分布. 该方法简化了格林函数积分带来的计算复杂度，可以获得包括微带衬底效应在内的更严格的总场结果，但该应用受到先验假设的限制.

前两个类别是基于某些假设来简化问题的，它们可以统称为“经验模型”，其优点是物理概念清晰，计算简单. 全波法是三维边界值问题的严格数值解，因此最为严格，但也更为复杂.

微带天线的优缺点和应用

与普通微波天线相比，微带天线具有以下优点:

1. 外形小巧，体积小，重量轻

2. 具有扁平结构，很容易贴合导弹，卫星和其他运载工具的表面

3. 适合批量生产印刷电路技术

4. 可以与有源设备和电路集成到单个模块中

5. 容易获得圆极化，双频，双极化等多种功能的工作

微带天线的缺点是:

1. 窄频带

2. 导体和介电损耗会激发表面波，从而降低辐射效率

3. 功率容量小，通常适合中，低功率场合

4. 性能受基材的影响很大

微带天线已在从100MHz到100GHz的宽频率范围内的大量设备中使用，尤其是在飞机和地面设备中.

表1微带天线的典型应用

微带天线的发展趋势

（1）微带天线频带扩展技术

对于谐振天线，Q值越高，谐振特性越陡，相应的带宽越窄. 因此，可以通过减小Q值来考虑加宽带宽. 增加介电基板的厚度并选择介电常数低且损耗角正切tanα值大的介电基板会降低Q值.

但是，过厚的介电基片很容易引起表面波的明显激发，从而降低了辐射效率. 另外，介电常数的降低受到限制. 最低限度是完全使用空气层的情况. 介电常数值为1，这也会增加实际工程中的过程复杂性.

因此，在使用这种方法时，有必要综合考虑截面的厚度，实际可达到性以及其他天线性能指标的完成情况.

除了上述更改天线所用材料的方法外，在贴片的表面上开槽或开缝也会改变原始表面电流分布. 严格来说，这也是通过减小Q值来实现宽频带的一种方法. 此外，间隙产生的共振频率也可以用作原始贴片的杂散频率，以扩大带宽.

最后，我们也可以人为地引入多个共振点. 这种方法的基本思想是在主谐振频率附近引入其他谐振频率，调整每个谐振点的大小，最后覆盖整个工作频带. 用这种方法设计的天线可以是单层的，通过添加无源共面贴片而引入寄生谐振. 它也可以是多层的，通过堆叠具有相似大小和相似谐振频率的多个贴片来扩展频带. 通常，只有一个补丁直接喂入，其余的补丁通过耦合喂入.

（2）微带天线波束展宽技术

卫星导航系统要求天线具有低仰角的宽波束，通常谐振微带天线的波束不是很宽，因此如何加宽天线波束也是微带天线面临的问题需要解决. 在贴片的表面上开槽可以减小天线的尺寸，减小天线的辐射孔径，从而达到加宽波束的目的. 同时，贴片表面的缝隙还可以将原始辐射区域划分为几个不同的辐射区域，并叠加多个区域的辐射束以扩大束宽.

此外，为了减小天线的有效辐射孔径，还可将折叠的导体腔添加到传统的微带天线中以覆盖辐射贴片. 这种方法结构简单，效果显着，但是导体腔的存在增加了横截面的厚度，也增加了重量，如图5所示.

我们还可以组合两种或更多种类型的天线，并利用多个天线在最大波束指向方面的差异来加宽波束. 由微带贴片直接辐射的能量在正相方向上辐射最强，沿着介电层传播的能量的另一部分在介电层的末端辐射，并且辐射在切向方向最强相位方向. 当天线工作时，辐射的两个方向是重叠的，因此辐射空间的整个上半部分具有较宽的波束.

图5具有折叠导体腔的宽波束微带天线

（3）微带天线的技术

无线通信的飞速发展使得雷达，通信和定位系统领域迫切需要双频，双极化微带天线，以实现频率复用，双工和天线共享. 目前，双频天线的主要实现目标是获得可控双频比的双宽带特性. 双极化天线主要考虑每个极化的隔离度和交叉极化水平.

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