微带天线的历史与优缺点

1.1微带天线的历史与优缺点和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：⑴体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。⑵性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式下工作。⑶能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：⑴相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线，现已有一些改进办法，参见第四章。⑵损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。⑶单个微带天线的功率容量较小。⑷介质基片对性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。1.2微带天线的馈电技术对微带天线的激励方式主要分为两大类：直接馈电法和间接馈电法。直接与贴片相接触的方法称为直接馈电法，目前普遍采用的有同轴背馈法和微带线侧馈法。与贴片无直接接触的激励方法就是间接馈电法，此类方法主要有：电磁耦合法，缝隙耦合法和共面波导馈电法等。馈电技术直接影响到天线的阻抗特性，所以也是天线设计中的一个重要组成部分。1.3馈电结构模型同轴探针馈电模型微带线侧馈模型共面波导辐射贴片矩形槽缝隙耦合馈电模型共面波导馈电模型馈线接地板介质基板1介质基板2电磁耦合馈电模型1.4微带天线的应用微带天线的优势有：低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的天线；可集成到无线电设备内部，可用于室内，也可用于室外；其尺寸可大可小，大的微带天线其长宽可到十几米，而一副用于PCS的内部集成的宽带微带天线，其尺寸是15mm×15mm×1.5mm。显然，其优势是明显的。目前，微带天线已在空间技术，移动通信卫星和手持便携式通信设备中得到了广泛的应用。对微带天线的研究正在蓬勃地展开，这是一个具有极强生命力的课题。随着相关技术的发展，微带天线无论在理论研究，还是在工艺制造上都将越来越成熟，必将开辟更为广阔的应用领域。2微带天线的分析方法传输线模型(TLM—TransmissionLineModel)：最早出现的也最简单，把微带天线的分析简化为一维传输线问题主要应用于矩形贴片腔模理论(CM－CavityModel)：是在对微带谐振腔分析的基础上发展起来的，发展到基于二维边值问题的求解，可用于各种规则贴片积分方程法(IEM－IntegralEquationMethod)，即全波(FW－FullWave)分析理论：最为复杂也是最精的，计入第三维的变化，可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受到计算模型的精度和机时的限制3.1影响微带天线带宽的因素带宽的定义：带宽(BW)往往以输入端电压驻波比系数(VSWR)的值小于某给定值的频率范围来表示，若给定的VSWR值为S，则VSWRS的频带宽度BW为：SQSBWT/)1(swdcrTQQQQQ11111影响带宽的因素变化方向品质因素的变化对带宽的影响宽长比(W/L)增加变小，变小BW增大介质损耗角正切变大变小BW增大相对介电常数变小变小，变小BW增大基板的厚度增大变小，变小，变大BW增大tanrrQswQdQrQswQrQswQcQ3.2各种展宽微带天线带宽的途径一、基本途径：降低等效谐振电路Q二、增加额外谐振点：附加寄生贴片、采用LC谐振电路、加载短路探针三、附加阻抗匹配网络四、其他途径4宽频带微带天线4.1采用介电常数较小的厚介质基板基板厚度h的增加使得天线的辐射电导也随之增大，辐射对应的及总的下降；介电常数较小时，介质对场的束缚减小，易于辐射，天线的储能减少，综合两者，天线的频带变宽。一、E字形贴片天线TQrQxLWwldxyzThetaPhixy0h空气介质层馈点探针天线E面辐射方向图天线H面辐射方向图2.04GHz～2.91GHz，35.1%(a)f=2.13GHz(b)f=2.7GHz天线贴片上的电流分布情况最大变化幅度不超过1dB，最大增益达到了9.05dBi二、采用L形耦合馈电方式的微带天线gWgLdWL泡沫支撑块泡沫支撑块接地板ahxyzThetaPhixy0金属带探针L形耦合馈电微带天线的S参数天线输入阻抗变化曲线(3.86GHz～5.8GHz)，40.2％天线E面辐射方向图天线H面辐射方向图三、脊形接地板微带贴片天线zThetaPhixy0HhLda同轴探针gLxy天线E面辐射方向图天线H面辐射方向图2.02GHz～3.9GHz,64%四、使用金属斜面馈电的微带天线x801005053h28塑料支撑杆馈电点U形接地板PhiThetayza18ßd2.15GHz～4.76GHz，BW＝75.5％五、蜿蜒探针馈电的微带天线xxxyyyzzz1h2hSpHWLsW接地板同轴探针蜿蜒馈电片1g2g1.6GHz～2.24GHz,640M,33.3%1.64GHz～2.16GHz,540M,27%天线E面辐射方向图天线H面辐射方向图最大增益达到了9.19dBi最大变化幅度不超过1.45dB4.2增加额外谐振点一、附加寄生贴片r1L2L3L4L1W2W3W4WbaSSdh贴片1贴片2贴片3贴片4接地板xyzxyz2.66GHz～3.06GHz,400M,14%2.65GHz～2.71GHz,60M,2.2%二、采用LC谐振电路r同轴探针h接地板LWab1d2d1l2lxL1L泡沫介质层1hhWx三、在贴片和接地板之间加入短路探针xy(34.2,8.4)(0.1,17)(0.1,-17)(0.1,0)短路探针同轴探针空气介质层接地板L3.62GHz～7.32GHz,67.5％4.3附加阻抗匹配网络一、单调谐枝节匹配技术3.375GHz～3.855GHz,13％二、枝节匹配在同轴探针馈电的微带天线中的应用1.78GHz~2.31GHz,26%微带天线的E面辐射方向图微带天线的H面辐射方向图4.4展宽微带天线频带的其他途径采用3维V字形贴片天线zThetaPhixy0xyLWab1h2hc金属片接地板V字形贴片d1.86GHz~5.36GHz，97%1.95GHz~3.04GHz,44%E面辐射方向图H面辐射方向图5多频带微带阵列天线多片法和单片法5.1L/X波段双频微带阵列天线X波段单元的馈电网络接地板X波段天线单元和L波段单元的馈电网络L波段单元第一层第四层第三层第二层一、X波段微带阵列的设计1mm4mm5mm耦合缝隙30mm二、L波段微带阵列的设计46mm16mm开路匹配枝节505075120mm三、综合分析8.52GHz～9.3GHz,780MHz8.9GHzX波段阵列E面辐射方向图X波段阵列H面辐射方向图1.62GHz～1.67GHz,50M1.65GHzL波段天线阵列E面方向图L波段天线阵列H面方向图四、L/X双频微带阵列天线各项性能指标5.2S/X波段三频段微带阵列天线X波段单元的馈电网络接地板第一层第二层S波段和X波段天线单元一、X波段微带阵列的设计二、S波段微带阵列的设计7mm4mm3.5mm2.5mm2.5mm10mm40mm10mm4mm5mm1mm9mm4mm5mm1mm25mm,75mm三、综合分析800MHz,8.48GHz～9.28GHz,8.9GHzX波段阵列E面辐射方向图X波段阵列H面辐射方向图20MHz中心频率：2.75GHz，11MHz中心频率：3.01GHzS波段天线阵列E面方向图2.75GHzS波段天线阵列H面方向图S波段天线阵列E面方向图3.01GHzS波段天线阵列H面方向图四、L/X双频微带阵列天线各项性能指标6总结本文对微带天线的宽频带和多频带技术做了大量的分析、研究。研究了若干种实现宽频带和多频带的方法。最后，利用AnsoftHFss和Designer天线仿真软件，仿真实现了八款宽频带微带天线，一款共享同一物理口径的L、X波段双频微带阵列天线和一款共享同一物理口径的S、X波段三频段微带阵列天线。谢谢指导！