PAGEPAGE23微帶天線基礎(chǔ)理論分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u19365微帶天線基礎(chǔ)理論分析概述 1249021.1微帶天線結(jié)構(gòu)與饋電方式 1256531.2微帶天線的特征參數(shù) 191231.3微帶天線的輻射機理 445001.4微帶天線圓極化實現(xiàn)方法 5297611.5微帶天線小型化技術(shù) 61.1微帶天線結(jié)構(gòu)與饋電方式Deschamps在1953年提出了微帶天線的概念，它由一塊介質(zhì)基片、一面輻射片和一面接地板組成。介質(zhì)基片的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳輸?shù)碾姶挪úㄩL，輻射片和接地板表面都敷以金屬。在設(shè)計天線時，可以根據(jù)所需的頻率范圍以及性能要求把三者設(shè)計成不同的形狀。微帶線饋電、同軸線饋電、耦合饋電和縫隙饋電等都是微帶天線常用的饋電方式，工程應(yīng)用中最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種方式。微帶線饋電：微帶線饋電模式，也稱為側(cè)饋，使用與微帶輻射貼片集成的微帶傳輸線進行功率傳輸[13]。有兩種形式的進給，一種是中心饋電，另一種是偏心饋電。通常根據(jù)激勵模式來確定使用哪種類型的饋電。微帶傳輸線饋送模式允許在調(diào)整微帶天線尺寸時使用以下方法進行阻抗匹配：首先，通過光刻技術(shù)對中央饋電天線輻射貼片以及50Ω的饋線進行測量，然后利用測量結(jié)果設(shè)計出阻抗匹配轉(zhuǎn)換器，最后使用設(shè)計出的阻抗匹配轉(zhuǎn)換器進行天線制作[13]。因為輸入阻抗與場是息息相關(guān)的，當(dāng)輻射貼片的場發(fā)生變化的時候，輸入阻抗也隨之改變，因此通常通過改變所饋電點的位置來實現(xiàn)阻抗匹配的目標(biāo)。同軸線饋電：接地板上是同軸插座，同軸線內(nèi)的導(dǎo)體抵在輻射貼片上，并貫穿介質(zhì)基片，因此又稱為背饋[13-14]。達到阻抗匹配往往需要找到合適的饋電位置。1.2微帶天線的特征參數(shù)輻射貼片尺寸估算：選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為，對于工作頻率f的矩形微帶天線，輻射貼片的寬度W可以用下面公式計算(2.15)c為光速。輻射貼片的長度一般取為/2；為介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長，即為(2.16)考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實際上的輻射單元長度L應(yīng)為(2.17)是有效介電常數(shù)，是等效輻射縫隙長度。它們分別可以用下面的公式計算(2.18)(2.19)輻射場：根據(jù)傳輸線理論，矩形微帶天線可以與低阻抗微帶傳輸線進行等價轉(zhuǎn)化，同時傳輸線的輻射場可以等效為傳輸線開路兩端開路處的縫隙形成。而等價的傳輸線為一段長的低阻抗微帶傳輸線，因此矩形微帶天線可以等效為長W、寬H、間距為的二元縫隙天線陣。單個縫隙天線的方向性函數(shù)為(2.20)在單個縫隙天線的方向性函數(shù)中乘一個二元陣的陣因子就變成了矩形微帶天線的輻射場函數(shù)，即(2.21)在工程設(shè)計中，E面（）和H面（）的方向圖是在工程設(shè)計中最主要關(guān)注的，由式(2.21)可以推導(dǎo)出E面的方向性函數(shù)為(2.22)考慮到，則式(2.22)可簡化為(2.23)H面的方向性函數(shù)為(2.24)輸入導(dǎo)納：設(shè)饋電點到輻射貼片邊緣拐角處的距離為Z，則微帶天線的輸入導(dǎo)納可以由下式計算(2.25)是把天線等效為傳輸線時的特性導(dǎo)納，是介質(zhì)中的相位常數(shù)，G是輻射電導(dǎo)，B是等效電納，且有(2.26)式中(2.27)(2.28)式中，是把天線視作傳輸線時的特征阻抗。通常情況下，，。則式(2.25)可以化簡為(2.29)式中除了時不成立，其他時候都成立。因此當(dāng)饋電點位置不同時，輸入阻抗也不同。當(dāng)天線采用圖3.3所示的同軸線饋電方式，假設(shè)饋電點在長度L方向上離輻射貼片兩端的距離分別為和，則饋電點位置的輸入導(dǎo)納值為(2.30)是天線等效為傳輸線時的特征阻抗；是壁導(dǎo)納，其值為(2.31)在同軸線饋線端口處，電抗可以表示為(2.32)因此輸入阻抗的公式為(2.33)因此，改變同軸線饋電點的位置，也可以改變輸入阻抗，從而達到阻抗匹配。方向性系數(shù)：根據(jù)1.3節(jié)，可以得出微帶天線的方向性系數(shù)為(2.34)1.3微帶天線的輻射機理以簡單的矩形貼片微帶天線為例。使用傳輸線模型分析其性能，并假定電場不會發(fā)生變化沿著寬度W方向變化，這是依據(jù)當(dāng)傳輸距離比波長小得多時，電場幾乎不發(fā)生變化。輻射線片的長度是半波長，寬度是W，介質(zhì)基板的厚度是H，工作波長是。根據(jù)傳輸線理論，輻射線片、介質(zhì)基板和接地板等效于長度為的兩端為開路的低阻抗微帶傳輸線。在激勵只有主模（TM10模）的情況下，輻射貼片開路邊的邊緣是天線產(chǎn)生輻射的主要原因，根據(jù)電場理論，電場可以分解，所以兩個開放端處的電場也可以在垂直平面和水平平面上的兩個方向上分解為水平分量。兩個開放端處的電場的垂直分量的方向相反，水平分量的方向相同。因為輻射片的長度大約是波長的一半[13]。無限大平面兩個縫隙產(chǎn)生的電場與縫隙天線開路兩端的水平分量電場類似，因此可以等效?？p隙的寬度是基板的厚度H設(shè)為，長度是W，兩個間隙的距離是半波長。沿著W方向的縫隙的電場均勻分布，電場方向垂直于W方向。1.4微帶天線圓極化實現(xiàn)方法在工程設(shè)計中有很多實現(xiàn)微帶圓極化天線的方法，但最常用的有三種：單饋電法、多饋電法、多元法。圖2.1單饋點輻射貼片結(jié)構(gòu)單饋電法：單饋電微帶天線要想實現(xiàn)輻射特性，必須引入微擾元（又稱簡并分離元）。天線產(chǎn)生圓極化波需要等幅且正交的簡并模，而天線通過微擾元就可以產(chǎn)生簡并模。輻射貼片的切角、在輻射貼片表面進行開槽以及利用不同形狀的輻射貼片和衍生近似結(jié)構(gòu)的貼片。如圖2.1所示，工程設(shè)計中較為常見的單饋電實現(xiàn)圓極化輻射貼片結(jié)構(gòu)。多饋電法：與單饋電法不同，多饋電法需要通過設(shè)計復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)圓極化波的目標(biāo)。幅度相同但相位相差90°的電信號對貼片進行饋電并產(chǎn)生簡并模，從而實現(xiàn)圓極化波。工程設(shè)計中較為常見的饋電網(wǎng)絡(luò)有：T型功分網(wǎng)絡(luò)、Wilkinson功分器和3dB電橋等，如圖2.2所示。圖2.2多饋點法常用的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多元法：采用多個貼片且對每個貼片進行單獨饋電且每個輻射單元之間饋電相位以此相差90°是微帶天線通過多元法獲得圓極化的一般方法。圓極化要求每個單元的輻射電場相同且相差為90°，又因為單個輻射單元的極化是線極化，所以需要確定合適的饋電點。如圖2.3所示，通常情況下輻射單元擺放的結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，多元法對饋電點的位置有很高的要求。圖2.3多元法的輻射結(jié)構(gòu)1.5微帶天線小型化技術(shù)天線的小型化是未來的重點發(fā)展方向，目前天線的小型化技術(shù)有使用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板、使用人工材料、短路加載技術(shù)以及本論文設(shè)計天線使用的曲流技術(shù)[15-16]。(1)高介電常數(shù)的介質(zhì)基板可以由下面式子近似得到天線的工作頻率(2.35)式中c為光在真空中的傳播速度，L為輻射貼片的長度通常為半個工作波長，為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。分析此公式可以得出在天線的工作頻率保持不變的前提下，增大介質(zhì)基板的介電常數(shù)，可以減小天線的尺寸。但是此方法會造成兩個新的問題，一是天線表面損耗增大導(dǎo)致能量損耗過高而效率降低，二是天線的品質(zhì)因數(shù)變大而阻抗帶寬變窄。(2)使用人工材料人工材料可以實現(xiàn)很多天然材料無法實現(xiàn)的特性，例如磁導(dǎo)率大于介電常數(shù)。而人工制造的磁電介質(zhì)材料就可以實現(xiàn)磁導(dǎo)率大于介電常數(shù)的特性，并且可以長時間穩(wěn)點保持。因此使用人工材料可以實現(xiàn)天線體積小以及損耗低的特性。(3)短路加載技術(shù)微帶天線一般是半波輻射結(jié)構(gòu)，電流在貼片兩端形成的開路形成駐波波腹，因此貼片上就存在了一條零電位線，當(dāng)此零電位線與地板相接，就形成了短路結(jié)構(gòu)，并形成了開路到短路的駐波分布結(jié)構(gòu)。這樣諧振就在1/4個波長處完成了，因此天線的尺寸也減小了一半。(4)曲流技術(shù)增加電流的有效路徑是增加天線的電長度和降低天線的諧振頻率的有效方法，而增加電流的有效路徑的方法為在輻射貼片的非輻射邊進行開槽設(shè)計。因