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同常规的微波天线相比,微带天线具有一些优点。
因而,在大约100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。
与通常的微彼天线相比,微带天线具有很多优点:
1.重量轻、体积小、剖面薄的平面结构,可以做成共形天线;
2.制造成本低,易于大量生产;
3.可以做得很薄,因此,不扰动装载的宇宙飞船等飞行器的空气动力学性能;
4.无需作大的变动,天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上;
5.天线的散射截面较小;
6.稍微改变馈电位置就可获得线极化和圆极化(左旋和右旋);
7.不需要背腔,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、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上。
微带天线与通常的微波天线相比,也有一些缺点:
1.频带窄;
2.有损耗,因而增益较低;
3.大多数微带天线只向半空间辐射;
4.最大增益实际上受限制(约为20dB);
5.馈线与辐射元之间的隔离差;
6.端射性能差;
7.可能存在表面波,功率容量较低。
但是,采取一些办法可减少某些缺点,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。
在实际应用中,微带天线的优点远远超过它的缺点。
微带天线已广泛应用于各个领域,其主要应用范围如下:
卫星通信、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、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、卫星导航接收机、生物医学辐射器等。
但在目前,由于无线通信的飞速发展,微带天线在无线通信中已获得广泛应用,它还将继续在无线通信中发挥重要的作用,而且将进一步扩大其应用领域。
【1】
1-1微带天线的辐射机理
微带天线的辐射可以用图1(a)所示的简单情况来说明。
图1(a)矩形微带贴片天线(b)侧视图(c)顶视图
这是一个一个矩形微带贴片,与地板相距几分之一波长。
假定电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化,则辐射器的电场结构可由图1(b)表示,电场仅沿约为半波长的贴片长度方向变化。
辐射基片上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。
在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量,因为贴片长为半波长,所以法向分量反相,由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。
平行于地板的切向分量相同,因此,合成场增强,从而使垂直于结构表面的方向,上辐射场最强。
故,贴片可表示为相距半波长、同相激励并向地板以上空间辐射的两个缝隙图(c)。
也可以考虑电场沿贴片宽度的变化。
这时微带贴片天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示。
同样,其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。
【2】
1-2微带天线的馈电方法
大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元,因此,可以用微带天线或同轴线馈电。
因为天线输入阻抗不等于通常的50
传输线阻抗,所以需要匹配。
匹配可由适当地选取馈电的位置来做到。
但是,馈电的位置也影响辐射特性。
因此,可用格林函数法来确定微带线馈电和同轴馈电位置的影响。
1.微带线馈电
微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电结构示于。
馈电点的位置也决定激励哪种模式。
当天线元的尺寸确定后可按下法进行匹配:
先将中心馈电天线的贴片同50
的馈线一起光刻,测量输入阻抗并设计出匹配变阻器;
再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器,重新作成天线。
另外,如果天线的几何图形只维持主模,则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。
特定的天线模可用许多方法激励。
如果场沿矩形贴片的宽度变化,则当馈线沿宽度变化时,输入阻抗随之改变,从而提供了一种阻抗匹配的简单方法。
馈电位置的改变,使得馈线和天线之间的耦合改变,因而使谐振频率产生一个小的漂移,而辐射方向图仍然保持不变。
不过稍加改变贴片尺寸或天线尺寸,可补偿谐振频率的漂移。
2.同轴线馈电
同轴馈电可以有中心、偏心、任意位置馈电。
在所有情况中,同轴插座安装在印刷电路的背面,而同轴线内的位置可由经验去找,以便产生最好的匹配。
这种馈源的理论模型,可表示为z向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环。
其简化处理是略去磁流的作用,并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。
一中更严格的处理,是把接地板上的同轴开口作为传TEM波的激励源,而把圆柱探针的效应按边界条件来处理。
微带辐射器的输入阻抗或输入导纳是一个基本参数。
因此应精确知道输入导纳,以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。
3.微带-缝隙馈电
微带-缝隙馈电馈电方式如图2:
图2微带-缝隙馈点
2.矩形微带天线及其分析方法
最简单的微带贴片结构是矩形微带天线,如图2-8所示。
其基本天线元是薄介质基片上的带状导体,介质基片的背面是地板。
由于这种天线结构简单,因而成为大量研究论文的课题,并且作了许多努力来预计和计算矩形微带天线的辐射特性。
它们从复杂的数学表达式到简单的模型,现已证明,这些数学表示式和模型已经足够了,但还不能得到精确解。
图3矩形微带贴片天线
微带贴片辐射器的特性可由辐射方向图、输入阻抗、增益、带宽、波瓣宽度、效率、损耗和Q因数来表征。
因而,虽然方法很多,但是,就设计成本和性能推算而论,有一个最佳方法,既可以用简单的表示式推算天线参数并与实验得到的结果相一致。
下面将介绍腔体模型和传输线模型。
2-1腔体模型理论
图2-9空腔模型几何关系
如图4所示微带贴片天线微带片和接地板之间的盒形区域可看作谐振腔它的上下壁为微带片和面积相同的接地板周围的柱形面为侧璧。
这个模型的提出是基于观察到:
在以微带和地板为边界的区域内,电场
只有z分量,而磁场
只有x和y分量;
在此区域中,对于所有有意义的频率,场都和z坐标无关;
在边缘的任何点上,微带中的电流都没有正交于边缘的分量,这意味着
沿边缘的切向分量可以忽略。
因而,微带和地板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下两面的电壁围成的腔体。
天线中的场可以假定为腔体的场,从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电点在任何位置的输入导纳。
用下面的关系式可求得腔体模型的电场和磁场
(1)
(2)
(3)
在磁壁上,
(4)
式中,
是相对于z轴的横向
算子,
是矩形微带贴片辐射器场的解,对于TMmn模,其谐振波数kmn为
(5)
当微带天线用微带线或同轴线馈电时,将激励起许多模,如在解中考虑的不够,就产生错误的结论。
【3】
假定微带天线的周界可用理想导磁体围起来而不扰动场分布,则场可用模函数
展开。
对此,图5结构中的Ez分量可写成
(6)
式子中,
;
是介质的损耗角正切;
。
(7)
和
是黎曼(Neumann)数,定义为
(8)
d是沿z方向一安培均匀馈电电流带的有效宽度。
当知道了场分布时,可将惠更斯原理用于腔体磁壁以确定在周界上的磁流源
(9)
于是,方向图、辐射功率、输入阻抗等均可很容易的求出。
由上述讨论不难看出基本的腔模理论应用上的限制h<
<
λ的条件是很重要。
2-2传输线模型理论
Munson和Derneryd的传输线模型可得出适合大多数工程应用的结果,并且需要的计算量不大。
但是,这种模型也有其缺点,特别是它仅适用于矩形(或正方形)贴片。
微带辐射器单元可看作一个场没有横向变化的传输线谐振器,场只沿长度变化,通常长度是半个波长,辐射主要由开路端的边缘场产生。
辐射器可表示成在x-y平面内,间距为L的两个缝隙(见图5)。
每个缝隙的辐射场同具有磁流
的磁偶极子辐射场一样【4】
(10)
式中,因数2是由于
接近地板的正像所引出;
V0是缝隙两端的电压,在整个缝宽上,V0不随x变化。
对于单个缝隙,离原点为r处的远区场为
(11)
(12)
式中
(13)
当θ=π/2时,E面的方向性F(
)为
(14)
同样,当
=π/2时,F(θ)表示H面的方向性并可写为
(15)
因此,间距为L的两个缝隙,其E面的辐射方向性为
(16)
而H面方向性和L无关,可由式(15)给出。
图5用两个辐射缝隙表示的微带天线及缝隙的几何形状和坐标系
2-3矩形微带天线的性能分析【5】
1.方向图
对于大多数工程应用来说,简单的传输线模型给出的结果已足够满意。
因此,辐射方向图可由式(14)和(15)画出。
见图5。
图6矩形微带天线理论方向图
E面方向图计算公式:
(17)
H面方向图计算公式:
(18)
2.带宽
馈线的电压驻波比(VSWR)小于S时,微带天线带宽为
(19)
式中QT为品质因数
计算证明,当频率一定时,选用较大的h和较低
值可得到较宽的带宽。
通常微带天线的带宽约为百分之几的量级。
为了增加带宽,可增加辐射单元的电感、在微带天线上挖孔或开槽、或者附加电感分量以及改善辐射单元同馈线的匹配等方法。
3.波瓣宽度
微带天线主瓣的半功率角宽度可近似由下式计算
(20)
(21)
由式可见,选较小的辐射单元尺寸可加宽微带天线的主瓣宽度。
上述表达式对微带天线提供了一个很好的预算和设计方法。
但设计值不一定和测量值相吻合,其原因很多,如地板的大小,介质基片性质的容许偏差以及制造误差等。
4.方向性系数及增益:
将矩形微带天线看成一段传输线分开的两个缝隙所构成,其中一个缝隙的方向性系数可表示成
(22)
则整个矩形微带天线的方向性系数可表示为
(23)
其中
为归一化互导,可由下式求出
(24)
为单缝的辐射电导,
为以x为自变量的零阶贝塞尔函数。
要求出天线的增益,就必须知道矩形微带天线的效率。
效率公式可表示为
(25)
为辐射电导,
为导体电导,
为介质电导,P为它们相应的功率,则增益可表示为:
(26)
3.我对微带天线的看法
近年来,移动通信技术的迅猛发展带来了天线行业的勃勃生机,在众多天线中,微带天线以其重量轻、低剖面、造价低、易于载体共形以及能与有源电路集成等突出优点,越来越受到广大天线研究者的青睐,出现了各种新型微带天线。
目前,微带天线已被广泛应用于飞机、导弹与遥测、卫星通信、移动通信、战场通信及生物医学等众多领域。
但是,随着移动通信的发展,频谱资源变得越来越紧张,为了增加信道数量常常要求扩展新的频段,能够兼容双(多)频段的天线成为发展的趋势;
由于移动终端越来越轻小型的要求,传统的半波长微带贴片天线尺寸仍较大,;
另外,频带窄仍是微带天线需要解决的缺点。
因此,我认为微带天线一方面会向轻小化方面发展,另一方面也终将会被新型天线取代而退出通信的历史舞台。
参考文献
【1】.钟顺时.《微带天线理论与应用》.西安电子科技大学出版社,1998
【2】.谢处方,邱文杰:
《天线原理与设计》.电子工业部教材办公室
【3】.唐润乾.《移动通信双频基站天线的设计》.[硕士学位论文].山东.山东大学,2005
【4】.魏玲.《数字蜂窝移动通信多径衰落信道的特性研究》.[硕士学位论文].大连:
海事大学,2002
【5】.王建.<
天线原理及设计>
>
教学课件,电子科技大学,2007
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