微带天线设计

第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来[3]。为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。1.2微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，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间的缝隙向外辐射。微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。在这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。1.3多频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必需品[4]。对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同。微带天线的工作的频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计的灵活也使得微带天线在这些领域中得到广泛的应用。同时，通讯系统也需要宽频带来实现多媒体信息无线传输和接收的高速率。因此，研究双频带天线具有重要意义。2.微带贴片天线图2-7微带天线结构示意图在通信、航空、航天、卫星和导弹应用中，天线的尺寸大小、重量、造价、性能、安装难易和空气动力学形态等都受到限制，常选用微带天线。这种天线有薄的平面结构，通过选择特定的贴片形状和馈电方式或在贴片和介质基片间加负载以获得或调整所需的谐振频率、极化、模式、阻抗等各参量。2.1微带贴片天线结构图2-7所示为传输线馈电方式的微带天线结构，它由很薄的金属带以远小于波长的间隔h，置于接地导电板面上而成，贴片与地板之间填充有介质基片。辐射单元通常刻在介质基片上。微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择不同的贴片形状激励方式来实现。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形等。2.2微带贴片天线辐射机理微带天线的辐射是由其导体边沿和地板之间的边缘场产生的。其辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。当频率较低时，因为电尺寸很小，电磁泄漏小；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。图2-8微带贴片天线辐射原理图设辐射贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向和厚度h方向均无变化。仅沿贴片长度b方向有变化，其结构可见上图2-8(a)。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的，如图2-8(b)、(c)所示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度2bλ=，故两开路端的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱），而水平分量的电场是同相的。因此，远区的辐射场主要由水平分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向。由此分析可见，矩形微带天线，可用两个相距2λ、同相激励的缝隙天线来等效。缝的长度为辐射片的宽度W02λ≈,缝宽l∆h≈，两缝隙在空间产生辐射作用。这是微带天线的传输线模型分析方法的解释。如果介质基片中的电场同时沿贴片天线的宽度和长度方向都有变化，这时微带天线可用贴片四周的缝隙的辐射来等效。2.3微带天线的主要分析方法天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场。求得电磁场后，继而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标【6】。微带天线的分析有许多方法，如传输线模型法(transmission-line)，谐振腔(cavite)模型法，全波(full-wave)模型法即矩量法，有限元法等。传输线模型法是最早出现也是所有方法中最简单的，主要用于矩形贴片。其物理意义清晰明了，但是精度不够高且不易于模式耦合。谐振腔模型法相对于传输线模型法精度要高，但比较复杂，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。同时它也清晰明了的表达了物理意义且也不易于模式耦合。矩量法是积分方程法的一种，积分方程法与腔模理论的基本立足点不同，它讨论的是开放的空间。积分方程法是以开放空间的格林函数为基础的，因此基本方程是严格的。因此，一般全波模型法是非常精确的，也是非常通用的，但它是最复杂的模型且物理意义不明显。另外，有限元法作为一种数值方法也越来越引人注目，它和分域基函数矩量法一样，不受天线形状的限制，而且都引用了变分原理，并且形式更为直接。但有限元法所涉及的场量、单元和基函数的选择乃至表达式都和矩量法不同。有限元法的突出优点是得到的代数方程矩阵是稀疏矩阵，并且矩阵元素易于计算，但它却只能得到纯数值解。在微带天线分析中，较流行的求解辐射场的方法有面电流法和口径场法两种。2.4.3.1由贴片上电流分布(,)sJxy求辐射场该方法首先是建立含贴片上电流分布(')SJr的积分方程，在积分方程中将含有微带结构的并矢格林函数，然后由矩量法解积分方程求出电流分布，再由如下过程计算远区辐射场矢量位0(')'4jRSsueAJrdsRβπ−=∫（2-17）远场EjAω=−（2-18）图2-9由贴片电流求辐射场时的分析坐标系统2.4.3.2由贴片两端的口径场1sE和2sE求远场由口径场求远场的方法一般分两步进行。图2-10由贴片两端的口径场求远场第一步：解内问题，由腔模理论方法求解贴片与底版间构成腔体内的电磁场分布，从而求得口径场1sE和2sE，如图2-10所示；第二步：解外问题，由口径场求远场。由腔模理论及010TM模的口径场对应的磁流。可得矩形微带天线的远场式及E面、H面方向图函数。11122222ssssMnEMnE=−×=−×（2-19）120121212(')'(')'4jRjRsssseeFMrdsMrdsRRββεπ−−=+∫∫∫∫（2-20）HjFω=−（2-21）EHrη=×（2-22）式中，1s和2s为表示两个缝的口径面，1n和2n表示两口径面的外法向单位矢量，1sM和2sM表示两个口径面上的等效磁流密度，1R和2R表示两个口径面上的小面元到空间远区某点的距离。2.4微带天线的馈电方法图2-11主要馈电方式模拟对微带天线进行馈电的常用方式主要有微带线馈电和同轴线馈电，如图2-11（a）和（b）所示，此外还有耦合馈电，如图2-12所示。2.4.4.1微带传输线馈电微带传输线馈电的馈线与微带贴片是共面的，且具有较窄的宽度，因而馈电制造简单，易于匹配，也易于建模，但是会产生更多的表面波和寄生辐射，在实际应用中干扰天线方向图，降低了增益，限制了带宽。为此，一般要求微带线宽度w不能宽。同时还要求微带天线特性阻抗cZ要高或基片厚度h要小，相对介电常数rε要大。2.4.4.2同轴线馈电这种馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体接到接地面。同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，同时寄生辐射比较低。但尤其在介质层比较厚时，它的带宽比较窄，而且其结构不便于集成，建模相对难些。2.4.4.3电磁耦合馈电为了克服馈电系统自身的不对称性会产生高次模而导致交叉极化人们引入了传输线耦合馈电和小孔耦合馈电，如图2-12（a）（b）所示。小孔耦合馈电（a）耦合孔耦合（b）耦合馈电图2-12电磁耦合馈电2.5微带贴片天线的设计2.5.1微带天线的边缘效应对于微带贴片来说，在贴片的边缘将产生边缘效应。如图2-13(a)所示的微带传输线，其电场分布如图2-13(b)所示。大部分电力线在两种介质中的分布是不均匀的。当1Wh及1rε电力线主要分布在介质中。这时边缘效应使微带传输线的电尺寸比其实际尺寸要大。当部分波在介质中传播、部分在空气中传播时，这时就需引入有效介电常数reε来说明边缘效应和波在传输线中的传播。大多数情况下，有效介电常数可表示为1211112,122rrrehWhWεεε−++=++（2-23）（a）微带传输线（b）电力线（c）有效介电常数图2-13微带传输线的边缘效应2.5.2微带天线的有效长度，谐振频率，有效宽度由于边缘效应，贴片的长度沿贴片的长边的两端分别被拉长了L∆，它的大小与有效介电常数reε以及宽度和高度的比值(Wh)有关。其切实有效的估算关系由下式给出(0.3)0.2640.412(0.258)0.8rereWLhWhhεε++∆=−+（2-24）当贴片长度在两端分别延长L∆时，贴片的有效长度为2eLLL=+∆（2-25）对主模010xTM模，微带传输线天线的谐振频率是和长度有关的函数，由下式给出：010001()22rrrcfLLεµεε==（2-26）c是自由空间的光速。当考虑边缘效应时，就要由下式计算得出010001()22(2)rcererecfLLLεµεε==+∆=2recqLε（2-27）其中，010010()()rcrfqf=，被称为边缘因子。当介质的高度h增加时，边缘因子将加强，从而导致eL增大同时谐振频率010()rcf降低。2.5.3微带矩形贴片天线的设计步骤经过上面的简单介绍，若已知的参数有rε，rf（Hz）和h，要求W和L。设计步骤为：（1）为了产生有效辐射，实际中能够产生非常好的辐射效率的宽度，是由下式给出：001221212rrrrcWffεεµε==++（2-28）（2）由式（2-23）求出微带传输线有效介电常数reε.（3）将式（2-28）中的W代入式(2-24)求出L。（4）由式（2-25）解出实际的长度L。3微带天线的多频化技术3.1概述随着移动通信的发展，对移动终端上的天线大多要求能够工作在双频段甚至多频段，同时，无线局域网（WLAN）、无线宽带接入等无线通信系统的迅速发展也推动了微带天线多频化的发展，针对这些通信系统，许多研究者设计出多种可双频段或多频段工作的微带天线。从实现双频或多频段工作的贴片结构以及基片等物理结构上来看，微带天线实多频化的基本方式可分为[5]：1．在单一的贴片上，利用多种不同的谐振模式（如矩形贴片的10TM或01TM模）来实现双频或者多频工作。2．通过在单贴片上加载或者开槽的方法来改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终使天线实现双频或者多频工作。3．采用单层基片、多个贴片的结构。即在同一基片上有两个或多个谐振频率不同的贴片，这样天线最终就可在两个或多个频点实现谐振。4．采用多层重叠贴片结构。即在设计天线时，利用多层贴片和介质基板重叠结构，形成多个谐振器，从而使天线在产生多频段产生谐振特性，各个贴片可以统一馈电，也可各自馈电。3.2单贴片多模多频工作以矩形微带贴片天线为例，使天线能双频工作的最简单方式就是利用矩形贴片两个正交方向下的低阶谐振模工作，即10TM和01TM。这时天线的双频比大致等于贴片相垂直两边的长度比。这种方式的局限性是在两个不同频率上所激励起的是两个正交的极化。为使微带贴片天线实