微帶天線課件

微帶天線理論與技術(shù)教師王昊電子工程與光電技術(shù)學(xué)院南京理工大學(xué)

內(nèi)容提要1微帶天線基本理論*#（8學(xué)時）2

微帶天線的元技術(shù)（8學(xué)時）3有效利用商用軟件進(jìn)行微帶天線的設(shè)計(jì)*#（8學(xué)時）4微帶陣列天線#（8學(xué)時）5微帶天線近場測量與近場診斷★（6學(xué)時）6微帶天線制造技術(shù)（4學(xué)時）教材：方大綱著，天線理論與微帶天線，科學(xué)出版社，2006年鐘順時著，微帶天線理論與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，1991年參考資料：1.張鈞著，微帶天線理論與工程，國防工業(yè)出版社，1988年2.(加)鮑爾,I.J.,(加)布哈蒂亞,P.著，微帶天線，電子工業(yè)出版社，1984教材通信的目的是傳遞信息,根據(jù)傳遞信息的途徑不同,可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類:一類是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線來傳遞信息,即所謂的有線通信,如電話、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng);另一類是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息,即所謂的無線通信,如電視、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)中,將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波,或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。緒論天線的發(fā)展赫茲馬可尼微帶天線的發(fā)展利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念最早由德尚(G.A.Deschamps)教授在1953年提出[1]，在1955年由法國Gutton[2]和Baissinot[3]發(fā)表了專利。微帶天線是一種隨系統(tǒng)對天線的要求而發(fā)展起來的典型的低剖面、平板結(jié)構(gòu)的天線，但是因?yàn)闆]有較好的微波介質(zhì)材料，所以在隨后的近20年里對此只有零星的研究，當(dāng)時人們只是把微帶結(jié)構(gòu)作為波導(dǎo)元器件的一種小、薄、輕又低廉的替代品。70年代期間，由于獲得了具有低損耗正切特性和有吸引力的熱特性及機(jī)械特性的良好基片，改進(jìn)的照相平板印刷技術(shù)和更好的理論模型，使微帶天線取得突破性進(jìn)展。最早的微帶天線是Howell和Munson在二十世紀(jì)七十年代初期研制成的。之后，世界各國的研究人員對微帶天線的貼片形狀、饋電技術(shù)、基板構(gòu)造和陣列排列等方面作了大量的研究，微帶天線無論在理論與應(yīng)用的深度上和廣度上都獲得了進(jìn)一步的發(fā)展。微帶天線的優(yōu)點(diǎn)微帶天線以其重量輕、體積小、成本低、共形結(jié)構(gòu)、以及與集成電路兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為天線家族中充滿生命力的一個分支，最適宜于航空和車載應(yīng)用。如今，這種新型天線技術(shù)已日趨成熟，其應(yīng)用正在與日俱增。早期微帶天線具有頻帶窄、極化純度差、寄生饋電輻射大、功率容量有限等不足。因此微帶天線的大部分研究工作都是為了克服這些缺點(diǎn)，以便滿足系統(tǒng)對天線愈來愈苛刻的要求。這些工作所取得的進(jìn)展使得微帶天線的發(fā)展和應(yīng)用前景變得更為廣闊。微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)a）工作頻段：XXXXMHz～XXXXMHz；b）口徑尺寸：XXmm*XXmmc）水平面方向（陣面法線方向）：波束寬度：≥5.5°；副瓣電平：≤-18dB；d）垂直面方向：波束寬度：≥30°；e）天線增益（陣面法線方向）：≥19dB；f）極化方向：垂直；g）駐波比：≤1.8；h）波束覆蓋范圍：±20°。輻射特性極化特性阻抗特性掃描特性微帶天線的性能定義微帶天線的結(jié)構(gòu)A.貼片型B.振子型C.微帶線型D….微帶天線的結(jié)構(gòu)微帶天線的工作原理微帶天線的工作原理分析方法傳輸線模型腔模型有限差分+匹配邊界(理想匹配等效)積分方程矩量法有限元微帶天線的分析方法微帶線的特性微帶線是一種開放的線路。它的場空間是由兩個不同介電常數(shù)的區(qū)域構(gòu)成。我們知道，只有填充均勻媒質(zhì)的傳輸線才能傳輸單一的純橫向場（TEM）?，F(xiàn)在存在空氣與介質(zhì)分界面，存在著混合模，只有當(dāng)基片厚度遠(yuǎn)小于工作波長時，能量大部分都集中在導(dǎo)體帶下面的介質(zhì)基片內(nèi)時，稱為準(zhǔn)TEM模。微帶線的特性當(dāng)頻率較高時，微帶寬度W和高度h與波長可相比擬時，微帶中可能出現(xiàn)波導(dǎo)型橫向諧振模。最低模為TE10微帶中還存在著表面波，最低次TM型表面波的截止頻率無下限，而最低次TE型表面波的截止波長為上述的波導(dǎo)模和表面波模稱為微帶的高次模。為抑制高次模的出現(xiàn)。微帶尺寸的選擇需要滿足以下的條件微帶天線的傳輸線模型該模型將矩形微帶貼片看成沿橫向L沒化變化的傳輸線諧振器。場沿縱向呈駐波變化，輻射由兩開路端的邊緣場產(chǎn)生微帶天線的空腔模型該理論基于薄微帶天線的假設(shè)，而將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四周為磁壁、上下為電壁的諧振空腔。天線輻射場由空腔四周的等效磁流來得出，天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場和饋源的邊界條件來求得。微帶天線的空腔模型(1)TMmn模的磁流沿X方向有m個零點(diǎn)，沿Y方向有n個零點(diǎn)。(2)兩個相鄰零點(diǎn)的間隔為λm/2。(3)每經(jīng)過一個零點(diǎn)，Ms便改變方向(4)貼片四角處MS為最大值(5)Ms沿周邊的分布是連續(xù)的，按正弦分布或均勻分布。(0,1),(1,0),(0,2n+1)和(2m+1,0)在邊射方向形成最大值，而(0,2),(2,0),(0,2n)和(2m,0)等模在邊射方向形成零點(diǎn)。微帶天線的空腔模型用磁流模型和用電流模型進(jìn)行分析方向圖的差別。微帶天線的空腔模型-輸入阻抗微帶天線的空腔模型-等效電路微帶天線的空腔模型-帶寬、效率和方向系數(shù)微帶天線的設(shè)計(jì)過程1、選擇基片微帶天線的設(shè)計(jì)過程2、初步估算微帶天線的值3、確定饋電方式需要同軸饋電還是微帶饋電微帶天線的設(shè)計(jì)過程4、饋電與微帶貼片之間的阻抗匹配微帶天線的設(shè)計(jì)實(shí)例微帶天線的設(shè)計(jì)實(shí)例微帶天線饋電技術(shù)

在微帶天線的設(shè)計(jì)中，選擇合適的饋電方式[1]，對實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的天線性能至關(guān)重要。對微帶天線進(jìn)行饋電的兩種基本方式是：（1）用微帶線饋電；（2）用同軸線饋電。若按饋電技術(shù)分類，可概括為4種基本技術(shù)，包括邊沿饋電、探針饋電、口徑耦合及臨近耦合。微帶天線饋電技術(shù)-微帶饋電邊沿饋電技術(shù)是微帶貼片天線最早的一種激勵方法。一般情況下，微帶饋線與貼片的一條輻射邊接觸，它具有其他的饋電技術(shù)不具有的幾個優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)轲侂妴卧唾N片可以蝕刻在同一塊板上，故一個主要優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡單，因此大多數(shù)平面陣都采用邊饋技術(shù)。這種方式很容易控制輸入阻抗水平；通過簡單的將饋線插入貼片導(dǎo)體，貼片的輻射邊時，諧振阻抗可以調(diào)諧為高達(dá)150~200Ω，而當(dāng)接觸點(diǎn)位于貼片的中心時下降為只有幾個歐姆。探針饋電貼片具有幾個重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，饋電網(wǎng)絡(luò)通過一個接地面與輻射部分分離，這個特性使得它可以分別對每一層進(jìn)行優(yōu)化；第二，在所有的激勵方法中，探針饋電有可能是最有效的，因?yàn)轲侂姍C(jī)制直接與天線接觸，并且饋電網(wǎng)絡(luò)的大部分與貼片隔離，從而使虛假輻射最小。雖然探針饋電方式在連接方面比較復(fù)雜，但是其高效性仍然使它應(yīng)用廣泛。微帶天線饋電技術(shù)-同軸饋電微帶天線饋電技術(shù)-耦合饋電臨近耦合貼片的關(guān)鍵特性在于它的耦合機(jī)制在本質(zhì)上是電容性的，這與直接接觸法相反，后者主要是感性的，耦合機(jī)制的差異顯著的影響了可以獲得的阻抗帶寬，因?yàn)檫咅伜吞结橉侂妿缀谓Y(jié)構(gòu)的感性耦合限制了可使用材料的厚度。因此，本質(zhì)上臨近耦合貼片的帶寬寬于直接接觸饋電貼片。微帶天線饋電技術(shù)-口徑耦合疊層之間通過接地面分開，饋線與貼片天線之間通過接地面上的窄縫進(jìn)行藕合。與直接接觸式相比優(yōu)點(diǎn):與邊饋貼片天線不同，它可以對饋線和基板進(jìn)行優(yōu)化；與探針貼片相比，它不需要垂直互聯(lián)，從而簡化了制造工藝但同時保持了印制電路技術(shù)的共形特性。然而由于需要多層制造工藝，各層之間的對齊定位非常重要。多層天線還會產(chǎn)生其他問題，介質(zhì)間存在的間隙將顯著改變天線的輸入阻抗特性，特別是在高頻時間隙的阻抗特性較大。疊層之間的粘合材料對天線的作用也至關(guān)重要。微帶天線元技術(shù)1圓極化技術(shù)2

寬頻帶技術(shù)3多頻帶技術(shù)4可重構(gòu)技術(shù)微帶天線圓極化技術(shù)1圓極化波是一個等幅的瞬時旋轉(zhuǎn)場2一個圓極化波可以分解為兩個在空間上和時間上均正交的等幅線極化波。3任意極化波可分解為兩個旋向相反的圓極化波4左旋和右旋圓極化極化隔離5圓極化波入射到對稱目標(biāo)，反射波變?yōu)榉葱虻?一般用軸比來衡量微帶天線圓極化技術(shù)-單饋點(diǎn)單饋點(diǎn)圓極化微帶天線無需任何外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就能實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。要同時激勵起TM01和TM10微帶天線圓極化技術(shù)-單饋點(diǎn)微帶天線圓極化技術(shù)-單饋點(diǎn)微帶天線圓極化技術(shù)-多饋點(diǎn)可利用兩個饋電點(diǎn)來饋電微帶貼片，以激勵一對極化正交的簡并模。由饋電網(wǎng)絡(luò)來保證圓極化工作條件，即二模振幅相等、相移90度。微帶天線圓極化技術(shù)-多饋點(diǎn)微帶天線圓極化技術(shù)-多饋點(diǎn)微帶天線圓極化技術(shù)-多元圓極化饋電相位分別為0，90，180，270，振幅也相同。饋電位置要正確選擇，以使180和270單元分別與0和90單元在軸向輻射同相的相同極化分量。微帶天線圓極化技術(shù)-多元圓極化微帶天線圓極化技術(shù)-測量微帶天線寬頻帶技術(shù)降低等效諧振電路Q值：增大h,降低介電常數(shù)修改等效電路：附加寄生貼片，采用電磁耦合饋電等附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)其它途徑微帶天線寬頻帶技術(shù)-基本途徑降低等效諧振電路Q值：增大h,降低介電常數(shù)加厚基片是展寬微帶天線頻帶的有效手段，但基片過厚會引起表面波的明顯激勵。降低介電常數(shù)的潛力有限，其最小值為1，即采用空氣介質(zhì)。一個不常用但卻是非常簡單的降低Q值方法是采用大損耗基片或附加有耗材料，例如用鐵氧體材料作基片，可使頻帶明顯展寬微帶天線寬頻帶技術(shù)-基本途徑微帶天線寬頻帶技術(shù)-修改等效電路微帶天線寬頻帶技術(shù)-修改等效電路微帶天線寬頻帶技術(shù)-修改等效電路微帶天線寬頻帶技術(shù)-修改等效電路微帶天線寬頻帶技術(shù)-附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)微帶天線寬頻帶技術(shù)-附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)微帶天線寬頻帶技術(shù)-其它途徑微帶天線多頻段技術(shù)多片法多片法利用諧振頻率不同的多個貼片來工作，通常是將較小的貼片疊在較大的貼片上。單片法只用一個貼片，而利用不同模式同時工作，或利用加載微帶天線多頻段技術(shù)-多片法微帶天線多頻段技術(shù)-多片法微帶天線多頻段技術(shù)-單片法微帶天線多頻段技術(shù)-加載單片法為了克服天線對整個通信系統(tǒng)發(fā)展的制約，人們希望能夠用一個天線來實(shí)現(xiàn)多個天線的功能。采用同一個天線，通過動態(tài)改變其物理結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個天線的功能，相當(dāng)于多個天線共用一個物理口徑。這樣有利于降低通信系統(tǒng)的整體成本、減輕重量、減小雷達(dá)散射截面，而且可以避免存在于多個天線之間的電磁兼容問題?！翱芍貥?gòu)天線”的概念正是在這一背景下提出，并獲得了發(fā)展?？芍貥?gòu)天線的研究旨在使天線能根據(jù)實(shí)際需要實(shí)時重構(gòu)天線特性。微帶天線可重構(gòu)技術(shù)頻率可重構(gòu)方向圖可重構(gòu)頻率、方向圖均可重構(gòu)微帶天線可重構(gòu)技術(shù)微帶天線可重構(gòu)技術(shù)微帶天線可重構(gòu)技術(shù)微帶天線可重構(gòu)技術(shù)Micro-Electro-MechanicalSystems簡稱MEMS，這種技術(shù)可以在普通硅片上集成機(jī)械部件、傳感器、激勵裝置和電子元件。與傳統(tǒng)集成電路(IC)制造工藝相類似，MEMS采用一種稱作“顯微機(jī)械加工”的技術(shù)，在硅片上蝕刻或添加結(jié)構(gòu)層，從而制成這種稱為MEMS的器件。MEMSMEMS技術(shù)是一場技術(shù)的革命，它可以將一個系統(tǒng)制作在硅片上，使體積、功耗、制作成本呈指數(shù)次方的減小，同時隨著技術(shù)的不斷成熟，MEMS由于其高集成度可靠性也會超過傳統(tǒng)的設(shè)備。MEMSMEMS的出現(xiàn)是一個里程碑，它使得很多以前并不相關(guān)的學(xué)科走到一起，而且隨著MEMS技術(shù)的不斷完善，MEMS的應(yīng)用前景將會是十分廣泛的。目前MEMS技術(shù)有三大主要應(yīng)用領(lǐng)域：生物技術(shù)加速度計(jì)通信領(lǐng)域MEMS這種RF-MEMS開關(guān)與傳統(tǒng)的PIN管或場效應(yīng)管相比具有很多優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：第一，這種接觸式開關(guān)具有很小的分布參數(shù)因而傳輸損耗比較??；第二，這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)沒有半導(dǎo)體器件所固有的電流－電壓非線性特性，減小了傳輸失真；第三，帶寬很寬；第四，能與普通的MMIC電路集成；第五，控制所用的功耗小。目前也存在一些不足，主要是開關(guān)速度慢（MEMS開關(guān)是微秒級而GaAsFET是納秒極）；存在“粘滯”現(xiàn)象(Stiction)，這是元件某些部分由于物理上的緊密接觸而相互粘連在一起，并不自行分開而使器件失效。MEMS當(dāng)開關(guān)處于“off”狀態(tài)，即金屬層處于自由懸置