微帶天線技術(shù)應(yīng)用與展望

1、1. 1 微帶天線的歷史與微帶天線的歷史與優(yōu)缺點優(yōu)缺點 v和常用的微波天線相比，微帶天線有如下一些優(yōu)點：v 體積小，重量輕，低剖面，能與載體（如飛行器）共形，并且除了在饋電點處要開出引線孔外，不破壞載體的機械結(jié)構(gòu)，這對于高速飛行器特別有利。v 性能多樣化。不同設(shè)計的微帶元，其最大輻射方向可以在邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化方式；特殊設(shè)計的微帶元還可以在雙頻或多頻方式下工作。v 能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡化了整機的制作和調(diào)試，大大降低了成本。v 和其他天線相比，微帶天線也有如下一些缺點：v 相對帶寬較窄，特別是諧振式微帶天線，現(xiàn)已有一些改進辦法，參見第四章

2、。v 損耗較大，因此效率較低，這類似于微帶電路。特別是行波微帶天線，在匹配負(fù)載上有較大的損耗。v 單個微帶天線的功率容量較小。v 介質(zhì)基片對性能影響大。由于工藝條件的限制，批量生產(chǎn)的介質(zhì)基片的均勻性和一致性還有欠缺，這影響了微帶天線的批量生產(chǎn)和大型天線陣的構(gòu)建。 1.2 微帶天線的饋電技術(shù)微帶天線的饋電技術(shù) 對微帶天線的激勵方式主要分為兩大類：直接饋電法和間接饋電法。直接與貼片相接觸的方法稱為直接饋電法，目前普遍采用的有同軸背饋法和微帶線側(cè)饋法。與貼片無直接接觸的激勵方法就是間接饋電法，此類方法主要有：電磁耦合法，縫隙耦合法和共面波導(dǎo)饋電法等。饋電技術(shù)直接影響到天線的阻抗特性，所以也是天線設(shè)計

3、中的一個重要組成部分。1.3 饋電結(jié)構(gòu)模型饋電結(jié)構(gòu)模型同軸探針饋電模型 微帶線側(cè)饋模型縫隙耦合饋電模型 共面波導(dǎo)饋電模型電磁耦合饋電模型 1.4 微帶天線的應(yīng)用微帶天線的應(yīng)用 v 微帶天線的優(yōu)勢有：低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的天線；可集成到無線電設(shè)備內(nèi)部，可用于室內(nèi)，也可用于室外；其尺寸可大可小，大的微帶天線其長寬可到十幾米，而一副用于PCS的內(nèi)部集成的寬帶微帶天線，其尺寸是15mm15mm1.5mm。顯然，其優(yōu)勢是明顯的。目前，微帶天線已在空間技術(shù)，移動通信衛(wèi)星和手持便攜式通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。 v 對微帶天線的研究正在蓬勃地展開，這是一個具有極強生命力的課題。隨著相關(guān)技術(shù)的

4、發(fā)展，微帶天線無論在理論研究，還是在工藝制造上都將越來越成熟，必將開辟更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。2 微帶天線的分析方法微帶天線的分析方法 v傳輸線模型(TLMTransmission Line Model) ：最早出現(xiàn)的也最簡單，把微帶天線的分析簡化為一維傳輸線問題 主要應(yīng)用于矩形貼片v腔模理論(CMCavity Model) ：是在對微帶諧振腔分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 ，發(fā)展到基于二維邊值問題的求解 ，可用于各種規(guī)則貼片v積分方程法(IEMIntegral Equation Method)，即全波(FWFull Wave)分析理論：最為復(fù)雜也是最精的，計入第三維的變化，可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶

5、天線，然而要受到計算模型的精度和機時的限制 3.1 影響微帶天線帶寬的因素影響微帶天線帶寬的因素 v 帶寬的定義：帶寬(BW)往往以輸入端電壓駐波比系數(shù)(VSWR)的值小于某給定值的頻率范圍來表示，若給定的VSWR值為S，則VSWRS的頻帶寬度BW為：v SQSBWT/ ) 1(swdcrTQQQQQ11111 影響帶寬的因素 變化方向 品質(zhì)因素的變化 對帶寬的影響 寬長比(W/L) 增加 變小， 變小 BW 增大 介質(zhì)損耗角正切 變大 變小 BW 增大 相對介電常數(shù) 變小 變小， 變小 BW 增大 基板的厚度 增大 變小， 變小， 變大 BW 增大 tanrrQswQdQrQswQrQswQ

6、cQ3.2 各種展寬微帶天線帶寬的途徑各種展寬微帶天線帶寬的途徑 v一、基本途徑：降低等效諧振電路Qv二、增加額外諧振點：附加寄生貼片、采用 LC諧振電路、 加載短路探針 v三、附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) v四、其他途徑 4 寬頻帶微帶天線寬頻帶微帶天線 v4.1 采用介電常數(shù)較小的厚介質(zhì)基板采用介電常數(shù)較小的厚介質(zhì)基板 基板厚度h的增加使得天線的輻射電導(dǎo)也隨之增大，輻射對應(yīng)的 及總的 下降；介電常數(shù)較小時，介質(zhì)對場的束縛減小，易于輻射，天線的儲能減少，綜合兩者，天線的頻帶變寬。一、E字形貼片天線 TQrQ 天線E面輻射方向圖 天線H面輻射方向圖 2.04GHz2.91GHz，35.1% (a) f =

7、2.13GHz (b) f =2.7GHz 天線貼片上的電流分布情況最大變化幅度不超過1dB，最大增益達到了9.05dBi v二、采用L形耦合饋電方式的微帶天線 L形耦合饋電微帶天線的S參數(shù) 天線輸入阻抗變化曲線 (3.86GHz5.8GHz)，40.2 天線E面輻射方向圖 天線H面輻射方向圖 v三、脊形接地板微帶貼片天線脊形接地板微帶貼片天線 天線E面輻射方向圖 天線H面輻射方向圖 2.02GHz3.9GHz ,64%v四、使用金屬斜面饋電的微帶天線使用金屬斜面饋電的微帶天線 2.15GHz4.76GHz ，BW75.5 v五、蜿蜒探針饋電的微帶天線五、蜿蜒探針饋電的微帶天線 1.6GHz2

8、.24GHz, 640M , 33.3%1.64GHz2.16GHz , 540M,27%天線E面輻射方向圖 天線H面輻射方向圖 最大增益達到了9.19dBi 最大變化幅度不超過1.45dB 4.2 增加額外諧振點 v一、 附加寄生貼片2.66GHz3.06GHz, 400M, 14% 2.65GHz2.71GHz, 60M, 2.2% v二、采用LC諧振電路 三、在貼片和接地板之間加入短路探針3.62GHz7.32GHz, 67.5 4.3 附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)v一、單調(diào)諧枝節(jié)匹配技術(shù)一、單調(diào)諧枝節(jié)匹配技術(shù) 3.375GHz3.855GHz, 13 v二、枝節(jié)匹配在同軸探針饋電的微帶天線中的應(yīng)用

9、二、枝節(jié)匹配在同軸探針饋電的微帶天線中的應(yīng)用 1.78GHz2.31GHz, 26% 微帶天線的E面輻射方向圖 微帶天線的H面輻射方向圖 4.4 展寬微帶天線頻帶的其他途徑展寬微帶天線頻帶的其他途徑 v 采用采用3維維V字形貼片天線字形貼片天線 1.86GHz5.36GHz，97% 1.95GHz3.04GHz, 44% E面輻射方向圖 H面輻射方向圖 5 多頻帶微帶陣列天線v多片法和單片法v5.1 L/X波段雙頻微帶陣列天線v一、X波段微帶陣列的設(shè)計波段微帶陣列的設(shè)計 30mm v二、L波段微帶陣列的設(shè)計波段微帶陣列的設(shè)計 120mm v三、綜合分析8.52GHz9.3GHz, 780MHz

10、 8.9GHz X波段陣列E面輻射方向圖 X波段陣列H面輻射方向圖 1.62GHz1.67GHz, 50M 1.65GHzL波段天線陣列E面方向圖 L波段天線陣列H面方向圖 v四、L/X雙頻微帶陣列天線各項性能指標(biāo) 5.2 S/X波段三頻段微帶陣列天線 v一、X波段微帶陣列的設(shè)計波段微帶陣列的設(shè)計v二、S波段微帶陣列的設(shè)計波段微帶陣列的設(shè)計25mm, 75mm v三、綜合分析800MHz , 8.48GHz9.28GHz , 8.9GHz X波段陣列E面輻射方向圖 X波段陣列H面輻射方向圖 20MHz 中心頻率：2.75GHz， 11MHz 中心頻率：3.01GHz S波段天線陣列E面方向圖 2.75GHz S波段天線陣列H面方向圖 S波段天線陣列E面方向圖 3.01GHz S波段天線陣列H面方向圖v四、L/X雙頻微帶陣列天線各項