同轴馈电矩形微带天线
同轴馈电矩形微带天线设计发展背景
同轴馈电矩形微带天线设计发展背景以同轴馈电矩形微带天线设计发展背景为标题随着无线通信技术的飞速发展，天线设计也日益受到关注。
而同轴馈电矩形微带天线作为一种重要的天线结构，在无线通信领域应用广泛。
本文将从背景、设计原理和发展趋势三个方面，介绍同轴馈电矩形微带天线的设计发展。
一、背景天线作为无线通信系统中的关键部件，起到了信号的发射和接收的重要作用。
而同轴馈电矩形微带天线由于其小型化、易制造、低成本和良好的电磁性能等优点，逐渐成为无线通信领域中的研究热点。
其设计发展背景主要可以从以下几个方面进行说明。
1. 无线通信技术的快速发展：随着移动通信、卫星通信、雷达和无线传感器网络等应用的广泛推广，对天线的要求也越来越高。
在无线通信技术的快速发展背景下，研究人员对天线的设计和性能优化提出了更高的要求。
2. 微带天线的出现：微带天线作为一种新型的天线结构，具有小尺寸、低剖面高度和易制造的优点，逐渐受到研究人员的关注。
而同轴馈电矩形微带天线作为一种常用的微带天线结构，其设计和性能优化成为研究的重点。
3. 馈电方式的改进：同轴馈电矩形微带天线通过同轴电缆进行馈电，相比传统的微带天线馈电方式，具有更好的电磁性能和更高的功率传输能力。
因此，同轴馈电矩形微带天线的设计和优化成为研究的热点。
二、设计原理同轴馈电矩形微带天线的设计原理主要包括以下几个方面。
1. 天线结构：同轴馈电矩形微带天线由一块金属片和一根同轴电缆组成。
金属片被刻蚀成矩形形状，并与同轴电缆的内导体相连接。
通过同轴电缆的馈电，实现天线的工作。
2. 馈电方式：同轴馈电矩形微带天线通过同轴电缆进行馈电，内导体与金属片相连接，外导体与地平面相连接。
同轴电缆的馈电方式可以实现天线的高效能量传输和较低的功率损耗。
3. 电磁性能优化：为了提高同轴馈电矩形微带天线的电磁性能，可以通过优化天线结构、调整天线尺寸和调节馈电位置等方式进行。
通过这些优化方法，可以实现天线的较低阻抗匹配、较高的辐射效率和较大的增益。
211018233_同轴馈电微带相控阵天线集成技术
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年4月1日第46卷第7期Apr.2023Vol.46No.70引言同轴馈电微带天线是在一个薄介质基片（如聚四氟乙烯玻璃纤维压层材料）上，一面满附金属薄层接地，另一面用蚀刻特定形状的金属贴片，利用同轴探针对贴片馈电构成的功能部件。
微带天线模型如图1所示。
图1微带天线模型微带天线是20世纪中后期逐渐发展起来的一种新型天线。
微带天线有着体积小、重量轻、制造成本低、容易实现共形等优点，同时，可方便地实现线极化或圆极化以及双频工作，因而，被广泛应用于飞机通信、导航、识别、雷达、广播和航空航天等领域。
特别是随着各类机载平台的轻量化以及低RCS 需求，微带天线作为相控阵天线、共形天线的主要实现形式，逐渐成为天线领域的主要发展方向[1⁃6]。
应用实例见图2。
相信随着需求的推动及技术的发展，这种天线的应用会越来越广泛。
图2微带天线的应用实例同轴馈电微带相控阵天线集成技术万录明（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036）摘要：以某毫米波同轴馈电微带相控阵天线为例，介绍了微带天线阵面的结构组成，分析了其工艺特点并指出工艺实现的难点。
提出了微带天线阵面集成工艺方案，包含微带与金属底板层压技术、阵列SMP 连接器焊接技术和集成效果检测技术。
通过工艺试验结果验证表明，采用的集成工艺方案生产的同轴馈电微带相控阵天线阵面层压与焊接质量良好，空洞率指标、层压抗脱落强度和焊接强度均满足设计要求，能应用于实际同轴馈电微带相控阵天线阵面生产。
关键词：同轴馈电；微带相控阵天线；集成工艺；层压工艺；焊接工艺；实验验证中图分类号：TN828⁃34；TG454文献标识码：A文章编号：1004⁃373X （2023）07⁃0014⁃04Array integration technology of coaxial feed microstrip phased array antennaWAN Luming（No.10Reasearch Institute of China Electronic Technology Group Coorporation ，Chengdu 610036，China ）Abstract ：By taking a millimeter ⁃wave coaxial feed microstrip phased ⁃array antenna as an example ，the structure and composition of the microstrip antenna array are introduced ，its process characteristics are analyzed and the difficulties of process realization are pointed out.An integrated process scheme of the microstrip antenna array is proposed ，including the microstrip and metal substrate lamination technology ，array SMP connector welding technique and integration effect detection technology.The verification of the process test results show that the array lamination and welding quality of coaxial feed microstrip phased⁃array antenna produced by the integrated process scheme are all right ，and the void ratio index ，lamination anti ⁃shedding strength and welding strength can meet the design requirements.It can be applied to the production of actual coaxial feed microstrip phased⁃array antenna array.Keywords ：coaxial feed ；microstrip phased ⁃array antenna ；integration process ；lamination process ；welding process ；experimental verificationDOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2023.07.004引用格式：万录明.同轴馈电微带相控阵天线集成技术[J].现代电子技术，2023，46（7）：14⁃17.收稿日期：2022⁃08⁃13修回日期：2022⁃08⁃3014第7期同轴馈电式微带相控阵天线阵面是一种典型结构，结构组成较为简单，通常由金属底板、微带板和SMP 连接器互联形成[7⁃8]，三个组成件本身的制造是常规的，但在同轴馈电微带相控阵天线阵面装配方法与工艺控制措施方面仍存在较多工艺难点。
微带天线的定义
微带天线的定义：在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。
它利用微带线或同轴线馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励器射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
因此，微带天线也可以看作为一种缝隙天线。
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。
微带天线的结构：微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成。
其中一片金属片完全覆盖介质板的一面，称为接地板，另一金属板的尺寸可以和波长相比拟，称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形、椭圆形等等。
微带天线的分类：（1）微带贴片天线导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或或圆形薄片等。
（2）微带振子天线天线同微带贴片天线相似，贴片是窄长条形的薄片振子（偶极子）。
（3）微带线型天线利用微带的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射。
（4）微带缝隙天线利用开在地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电。
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之为直接馈电法，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。
微带天线工作原理——辐射机理：贴片尺寸为a ×b,介质基片厚度为h 。
微带贴片可看作为宽a 长b 的一段微带传输线，其终端（a 边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。
一般取b ≈m λ/2 ，m λ 为微带线上波长。
于是另一端（a 边）处也呈电压波腹。
电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化） E z =0E )b /(cos x π 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。
右旋圆极化矩形微带天线设计
右旋圆极化矩形微带天线设计一、引言大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。
圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。
矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。
本文采用单点馈电。
我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。
在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。
若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。
其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B 点时，产生左旋圆极化波。
图1-1 单馈点圆极化矩形微带天线结构二、结构设计设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度：21212-+=)ε(fcW r(1)其中，c是光速。
辐射贴片的长度一把取为2cλ，其中cλ是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为：LfcLe∆-=22ε(2)其中，eε是有效介电常数，L∆是等效辐射缝隙长度，它们可以分别用下式计算，即为：211212121-+-++=)(wh r r e εεε).)(.().)(.(.8025802640304120+-++=∆h w h w L e e εε对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈电的位置会影响输入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。
微带线天线馈电原理
微带线天线馈电原理微带线天线馈电原理微带线天线（Microstrip antenna）是一种平板式天线，由于其结构简单、易于制造和调整等优点，在卫星通信、雷达测量等领域得到了广泛应用。
而微带线天线的馈电方式也是很重要的一部分，下面就简单介绍一下微带线天线馈电的原理。
一、微带线天线结构微带线天线由两个主要部分构成：天线贴片和微带线馈线。
天线贴片是由介电材料和金属构成的，其形状和尺寸会对天线的辐射特性产生非常大的影响。
通常情况下，天线贴片的形状是圆形、方形或矩形的。
介电材料通常是PTFE或FR-4等。
微带线馈线是从天线贴片到源或负载之间的导体。
它是由铜箔覆盖在介电基板上，并用印刷电路技术制造而成。
微带线馈线使用也会影响到天线的辐射特性，所以具体的天线设计需要考虑到天线贴片和微带线馈线之间的相互影响。
二、微带线天线的馈电原理通常情况下，微带线天线的馈电方式有两种，一种是通过COAX和微带线过渡来实现馈电的；一种是直接在贴片上开孔，将馈线与贴片相连。
微带线天线的馈电原理可以通过微波模型进行模拟和理解。
在微波模型中，天线贴片是电容，微带线馈线是电感，通过调节它们之间的物理尺寸和位置，可以得到天线的输入阻抗等有关参数。
对于微带线天线来说，其馈电原理主要基于其在等效电路中的表现，即通过开孔或者过渡来实现本质上的电容与电感耦合，从而将微带线的能量转化成为微带线天线所需的电场和磁场，并产生全向或定向的辐射。
三、微带线天线馈电方式的特点1. 传输效率高：与传统天线相比，微带线天线利用电阻较小的铜箔、介质成本较低、简单易制造的技术，使馈电方式更加可靠和传输效率高。
2. 空间利用率高：微带线天线可以利用介质板上的空间进行设计，减少空间占用，提高空间利用率。
3. 频带宽度较宽：微带线馈线传输的电场和磁场能够交错在介质板上，从而产生多种共振模式，实现频段宽带的涵盖，提高天线的频带宽度。
总之，微带线天线馈电方式是微带线天线的重要组成部分，其具有优秀的传输效率、高空间利用率和较宽的频带宽度，能够为无线通信、雷达测量等领域提供更好的通讯和测量技术支持。
同轴馈电矩形微带天线
同轴馈电矩形微带天线一、实验目的1.熟悉同轴馈电矩形微带天线的辐射机理2.学会估算馈电点的位置二、实验原理同轴线馈电的矩形微带天线结构下图所示,其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。
在阻抗匹配方面,使用同轴线馈电时,在主模TM10工作模式下,馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处〔X= ±L/2>的输入阻抗最高,约为 100Ω-400Ω。
馈电点在宽度w方向的位移对输入阻抗的影响很小,但在宽度方向上偏离中心位置时,会激发了TM1n模式,增加天线的交叉极化辐射,因此,宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点〔y=0>;而在辐射贴片的几何中心点〔x=0,y=0>处的输入阻抗则为0,亦即此时无法激发TM10模式。
在y=0时,x轴上的阻抗分布下式可以直接近似计算出输入阻抗为50n时的馈电点的置为：式中：本次设计为中心频率为2.45GHz的矩形微带天线,并给出其天线参数。
介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂〔FR4 Epoxy板,天线馈电方式选择50Ω同轴线馈电。
天线尺寸的估算：辐射贴片宽度：w=37.26mm辐射贴片长度：L=28mm50Ω匹配点初始位置：L1=7mm模型的中心位于坐标原点,辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向,宽度方向是沿着y轴方向。
介质基片的大小是辐射贴片的2倍,参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替,在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。
因为使用50Ω同轴线馈电,所以这里使用半径为0.6mm、材质为理想导体〔pec>的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。
圆柱体与z轴平行放置,其底面圆心坐标为〔L1,0,0>。
圆柱体顶部与辐射贴片相接,底部与参考地相接,则其高度为H。
在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径为1. 5mm的圆孔,将其作为信号输入输出端口,该端口的激励方式设置为集总端口激励,端口归一化阻抗为50Ω。
同轴馈电矩形微带天线设计与分析2
同轴馈电矩形微带天线设计与分析2同轴馈电矩形微带天线设计与分析2首先，我们来看一下同轴馈电矩形微带天线的结构。
该天线由一个矩形微带辐射片和一根同轴馈线组成。
矩形微带辐射片通常是由导电材料制成，可以是金属或导电涂料。
同轴馈线则由内导体、绝缘层和外导体组成，在馈线的一端与微带辐射片相连接。
在设计同轴馈电矩形微带天线时，我们首先需要确定天线的工作频率。
一般来说，天线的工作频率应根据具体的应用需求来确定。
例如，在无线通信系统中，我们需要根据通信频段来选择天线的工作频率。
确定了工作频率后，我们可以根据相关的天线设计公式来计算出天线的尺寸。
接下来，我们来详细介绍同轴馈电矩形微带天线的尺寸计算。
首先，我们需要确定天线的工作波长。
根据光速和工作频率的关系，可以得到工作波长的值。
然后，我们可以使用一些经验公式来计算矩形微带辐射片的尺寸。
例如，对于矩形微带辐射片的长度L，可以使用公式L=λ/2来计算，其中λ为工作波长。
而对于矩形微带辐射片的宽度W，可以使用公式W=c/(2*f*ε_r)^0.5来计算，其中c为光速，f为工作频率，ε_r为绝缘层的相对介电常数。
当得到了矩形微带辐射片的尺寸后，我们还需要计算同轴馈线的尺寸，以确保天线的匹配性能。
在天线设计完成后，我们可以使用一些电磁仿真软件来对天线的性能进行分析。
常用的电磁仿真软件有CST、HFSS等。
使用这些软件，我们可以模拟天线在不同频率下的辐射模式、驻波比等性能指标。
通过对仿真结果的分析，我们可以优化天线的设计，以达到更好的性能。
此外，我们还可以通过实验的方法对天线的性能进行验证。
在实验中，我们可以测量天线的辐射功率、驻波比、增益等性能指标，并与仿真结果进行比较。
通过实验的验证，我们可以对天线的设计是否满足需求进行确认，并进一步优化设计。
综上所述，同轴馈电矩形微带天线的设计与分析是一个复杂而又有趣的过程。
通过合理的设计和分析，我们可以得到性能优良的天线结构，以满足无线通信和雷达系统的需求。
同轴馈电矩形微带天线设计发展背景
同轴馈电矩形微带天线设计发展背景同轴馈电矩形微带天线是一种在通信领域中广泛应用的天线类型。
它具有结构简单、易于制造和安装的优点，适用于多种应用场景，如移动通信、卫星通信、雷达系统等。
本文将从设计发展背景、基本原理、设计方法和应用前景等方面对同轴馈电矩形微带天线进行详细介绍。
一、设计发展背景随着无线通信技术的快速发展，对天线的需求也越来越高。
传统的天线设计往往受限于尺寸、重量和频率等因素，无法满足现代通信系统对小型、高性能天线的要求。
而微带天线由于其结构简单、体积小、重量轻以及易于集成等特点，成为了一种理想的解决方案。
同轴馈电矩形微带天线的设计发展主要源于微带天线的研究。
早期的微带天线设计采用的是在介质基板上刻蚀导电图案的方法，这种方法虽然简单，但存在着一些问题，如频率带宽较窄、辐射效率低等。
为了克服这些问题，研究人员开始尝试使用馈电方法来改善微带天线的性能。
同轴馈电矩形微带天线的设计是在传统的矩形微带天线基础上发展起来的。
通过在矩形微带天线的边缘上添加同轴馈线，将信号引入天线辐射元件，可以有效地提高天线的频率带宽和辐射效率。
这种设计方法不仅简化了天线的结构，还使得天线的性能得到了明显的改善。
二、基本原理同轴馈电矩形微带天线的基本原理是通过同轴馈线将信号引入天线辐射元件。
同轴馈线由内导体、介质层和外导体组成，内导体负责传输信号，外导体起到屏蔽的作用。
在同轴馈电矩形微带天线中，内导体通常与天线辐射元件相连，外导体与地面相连。
天线辐射元件是同轴馈电矩形微带天线的关键部分，它负责将引入的信号转换为电磁波并辐射出去。
常见的天线辐射元件有矩形贴片和补偿贴片等。
通过合理设计天线辐射元件的几何形状和尺寸，可以实现对特定频率段的辐射，从而满足不同应用需求。
三、设计方法同轴馈电矩形微带天线的设计方法主要包括天线结构设计和参数优化设计两个方面。
天线结构设计包括天线辐射元件的几何形状和尺寸的确定。
这需要根据所需的频率和带宽来选择适当的天线形状，如矩形、圆形、椭圆形等，并根据实际应用需求来确定天线的尺寸。
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同轴馈电矩形微带天线
一、实验目的
1.熟悉同轴馈电矩形微带天线的辐射机理
2.学会估算馈电点的位置
二、实验原理
同轴线馈电的矩形微带天线结构下图所示，其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。
在阻抗匹配方面，使用同轴线馈电时，在主模TM10工作模式下，馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处（X= ±L/2)的输入阻抗最高，约为 100Ω-400Ω。
馈电点在宽度w方向的位移对输入阻抗的影响很小，但在宽度方向上偏离中心位置时，会激发了TM1n模式，增加天线的交叉极化辐射，因此，宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点（y=0);而在辐射贴片的几何中心点（x=0，y=0)处的输入阻抗则为0，亦即此时无法激发TM10模式。
在y=0时，x轴上的阻抗分布下式可以直接近似计算出输入阻抗为50n时的馈电点的置为：
式中：
本次设计为中心频率为2.45GHz的矩形微带天线，并给出其天线参数。
介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂（FR4 Epoxy）板，天线馈电方式选择50Ω同轴线馈电。
天线尺寸的估算：
辐射贴片宽度：w=37.26mm
辐射贴片长度：L=28mm
50Ω匹配点初始位置：L1=7mm
模型的中心位于坐标原点，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y 轴方向。
介质基片的大小是辐射贴片的2倍，参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。
因为使用50Ω同轴线馈电，所以这里使用半径为0.6mm、材质为理想导体（pec)的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。
圆柱体与z轴平行放置，其底面圆心坐标为（L1，0，0)。
圆柱体顶部与辐射贴片相接，底部与参考地相接，则其高度为H。
在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径为1. 5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式
设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。
求解频率，这里选择天线的中心频率2.45GHz，扫频范围设置为1.5GHz〜 3.5GHz，使用快速扫频。
三、实验步骤
1、新建设计工程
a．运行HFSS并新建工程
b．设置求解类型
c．设置模型长度单位
2、添加和定义设计变量
3、设计建模
a.创建介质基片
b.创建辐射贴片
c.创建参考地
d.创建同轴线的内芯
e.创建信号传输端口面
p.创建圆面Port
o.使用相减操作在参考地面挖一个圆孔
模型如下：
4、求解设置
a.把辐射贴片Patch和参考地GND设置为理想导体边界
b.设置辐射边界条件
5、设置端口激励
因为同轴线馈电端口在设计模型的内部，所以需要使用集总端口激励。
在设计中，我们可以把端口平面Port设置集总端口激励，端口阻抗设置为50Ω。
6、求解设置
a.求解频率和网格剖分设置
b.扫频设置
7、设计检查和运行仿真计算
8、查看天线的谐振频率
9、分析同轴馈电点位置和输入阻抗的关系
a．添加参数扫描分析项
b．运行参数扫描分析
c．查看分析结果
10、优化设计找到最佳阻抗匹配点
11、查看优化后的天线性能
a．查看S11分析结果
b．查看S11的Smith圆图结果
c．E面和H面的增益方向图
12、保存设计
四、实验结果
根据参数设计的模型
S11参数
2.45GHz处S11随馈电点变量L1的关系曲线
输入阻抗实部和虚部与L1的关系曲线
S11的Smith圆图
五、实验总结
通过此次实验，我学会了同轴馈电法，馈电点位置的计算，了解到除了天线尺寸对天线有极大的影响外，采用同轴馈电时，馈电点的位置对天线也有极大的影响，并且学会通过仿真计算的报告分析天线的各性能，准确的修改天线接够，使其能够达标。