微带天线CAD1

微带天线CAD(1)一、微波传输线与微带天线§1.1 微波传输线传输线：同轴线(双导线)，波导，微带线天线：线天线喇叭天线微带天线所谓的传输线是传播微波能量的，天线是用来辐射能量的。

只要能传播微波能量，就能设计成专业的天线用来辐射能量！天线所辐射的能量就是来自于传输线，因此，将微波传输线的形状改变就能够设计成为天线！也正因为如此，每种传输线都对应于一系列的天线形式。

例如：用双导线和同轴线设计的线天线；用波导设计的喇叭天线以及抛物面天线；用微带线设计的微带天线，等等。

这里我们主要讲述微带天线的CAD。

§1.2 微带传输线微带线由一条宽度为w的导体带和背面有导体接地板的介质基片构成(如图1—1所示)。

导体带宽度为t，介质基片厚度为h，相对介电常数为rε。

ε=1 表示的是什么？空气介质！近年来，以空气为介质的微带天线在基r站天线中得到了广泛的应用，例如：西安华天。

微带线是一种开放线路，因此它的电磁场可无限延伸。

这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（由空气和介质)构成。

我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场——TEM 模。

现在由于空气—介质分界而的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量(包括纵向分量)的混合模。

不过，当频率较高，微带宽度w 和高度h 与波长可相比拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。

其最低模TEl0的截止波长为：(1-1)04h 是计入边缘效应后的等效宽度的延伸量。

（a ）(b)图1—1 微带传输线最低次TM 模（TM01）的截止波长为：（1-2）此外，微带线中还存在表面波。

最低次TM 型表面波（TM 0)的截止波长为∞，即其截止频率没有下限。

最低次TE 型表面波TE 0的截止波长：（1-3）上述波导模和表面波模称为微带的高次模。

为抑制高次模的出现，微带尺寸的选择需满足如下条件：亦即对应于最高的工作频率。

（为什么要抑制微带中的高次模？作业一） 微带传输线传输的是准TEM 模，其有两个主要持性参数：特性阻抗（characteristic impedance ）Z 0和沿线传输相速（亦即电磁波在介质中的传播速度）p v 或有效介电常数(effective dielectric constant )re ε。

其中：re p c v ε/=， c 为自由空间中光的传播速度，波导波长（电磁波在介质中的波长）re g ελλ/=，λ为电磁波在自由空间中传播时的波长。

一般情况下，微带线的特性参数可有如下公式给出：Ω==377120πη称为自由空间波阻抗。

当工作频率升高（一般情况下大于2GHz ）时，微带线的电磁场将更集中于介质基片内，因而波的相速将减小，即等效相对介电常数增大。

显然，当频率f 无限升高时，与频率相关的等效相对介电常数趋近于基片的相对介电常数r ε。

随频率的变化曲线如图1—2所示。

也正因为如此，在设计高频微带天线时，应该考虑微带线的色散特性，并给予以适当的修正。

作为色散特性的修正，格津杰（W. J. Getsinger ）给出频率)(GHz f 时的等数相对介电常数如下：特性阻抗也随频率变化．哈默斯塔德（E. Hammcrstad)和詹森（O. Jenson ）建议利用下式作为相应的特性阻抗修正值：在微带天线工程设计中一般都必须计入色散特性的影响。

图1—2 等效介电常数随频率的变化一些常用的微带介质基片及其特性参数：1.3 微带天线结构及其分类1.3.1 简介早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps)教授就已提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。

但是，在放后的近20年里，对此只有一些零星的研究。

直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批实用微带天线。

随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。

1979年在美国新图西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。

至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。

可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广皮上都获得了近一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。

1.3.2 微带天线结构微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。

它利用微带线或同轴线等馈线馈电，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。

因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。

其典型结构如图1-2所示。

图1-2 典型微带天线结构通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。

另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或园环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振于(偶极子)。

由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线，如图1-2(a,b)所示。

微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称之为微带线型天线，如图1-2(c)所示。

这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。

微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如稽线)对其馈电，称之为微带行波天线，如图1-2(d)所示。

由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。

1.3.3 微带天线的馈电微带天线通常采用微带线馈电或者是同轴线馈电，其结构如图1-3所示。

微带线由图1-3 典型微带天线馈电结构当然，还有多种馈电形式：电磁耦合馈电、口径耦合馈电等。

下面举一些实际微带天线的馈电例子：H型缝隙（slot）耦合馈电的阻抗特性曲线具有短路片的微带天线圆形微带天线的同轴探针馈电电容耦合馈电及L型馈电电阻加载的微带天线三角形微带天线的微带线馈电口径耦合的微带天线三角形微带天线的电磁耦合馈电U-slot antenna E patch antenna非平面的微带天线微带天线的场分布1.3.3 微带天线的优缺点与应用与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：(1)体积小，重量经；(2)有平面结构，并可制成与导弹、卫星等起体表面相共形的结构；(3)馈电网络可与天线结构一起集成，适合于用印刷电路技术大批量生产；(4)能与有源器件和电路集成为单一的配件；(5)便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作．(6)没有作大的变动，天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。

(7)天线的散射截面较小；(8)稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)。

(9)比较容易制成双频率工作的天线，微带天线适合于组合式设计(固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、很频器、移相器等可以直接加到天线基片上)；馈线和匹B网络可以和天线结构同时设计和加工。

但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：微带天线的主要缺点是：1) 频带窄；2) 有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；3) 功率容量较小，适用于中、小功率场合；4) 性能受基片材料影响大；5) 馈线与辐射元之间的隔离差；但是，有一些办法可以减小某些缺点。

例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。

1.3.4 微带天线的应用在许多实际设计中，微带天线的优点题远超过它的缺点。

甚至目前(1980年)仍认为微带天线处于它的幼年时期的情况下，微带天线已有许多不同的和成功的应用。

随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用，可以预料，对于大多数的应用，它将最终取代常规的天线。

在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：卫星通讯；多普勒及其它雷达，无线电测高计，指挥和控制系统导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收天线；生物医学辐射器。

这些绝没有列全，随着对撤带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合继续增多。

（为什么要微带天线大多采用50欧姆的馈电？作业二）下一次课将主要讲述微带天线的分析方法与设计方法微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的；开路撤带线的辐射机理己在文献[4—12]中作了详细论述。

Lewin对檄带不连续性的辐射首次作了研究N?，他的分析是基于导体中流动的电流进行的。

这个方法也可用来计算辐射对于微带谐振器品质因数的影响。

这个分析是以微带开赂墙和地板所构成的口径场为基础。

按此分析，辐射对于总品质因数的影响可描述为谐振器尺寸、工作颠串、相对介电常数及基片厚度的函数。

理论和实验结果表巩在高招时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗。

还证明，在用厚的而介电常数佃的基片冰开路微带线的辐射更强。