天线原理与设计课件7.2微带贴片天线原理与设计.ppt

2019/6/19,1,7.2 微带天线,微带天线(Microstrip Antennas)是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953年提出来但是，过了20年，到了20世纪70年代初，当较好的理论模型以及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的微带天线才制造出来，此后这种新型的天线得到长足的发展2019/6/19,2,和常用的微波天线相比，它有如下一些优点： 体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形； 制造成本低，易于批量生产； 天线的散射截面较小； 能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向； 易于和微带线路集成； 易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作 微带天线已得到愈来愈广泛的重视，已用于大约100MHz~100GHz的宽广频域上，包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上相同结构的微带天线组成微带天线阵可以获得更高的增益和更大的带宽2019/6/19,3,7.2.1 矩形微带天线 微带天线的基本工作原理可以通过考察矩形微带贴片来理解 对微带天线的分析可以用数值方法求解，精确度高，但编程计算复杂，适合异形贴片的微带天线； 还可以利用空腔模型法或传输线法近似求出其内场分布，然后用等效场源分布求出辐射场，例如矩形微带天线(RectangularPatch Microstrip Antenna)的分析。

2019/6/19,4,分析微带天线的基本理论大致可分为三类： ※传输线模型1974年由R.E Murson首先提出，而后由Dermeryd等人加以发展，主要适用矩形贴片，将矩形微带元看作一段低阻抗传输线分开的两个缝隙来处理 ※空腔模型对于基片厚度远小于波长的薄微带线，Y.T.Lo等人提出空腔模型，适用于各种规则形状的贴片它将贴片与地板间的空间处理成上下为电壁，四周为磁壁的TM模谐振空腔天线的辐射场由空腔四周的等效磁流得出，天线的输入阻抗可由天线内场得出 ※积分方程法适用于各种微带贴片的精确分析，主要是厚片时的分析和不规则贴片的计算等通常采用矩量法求解积分方程2019/6/19,5,微带贴片天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线早在1953年提出微带贴片天线的概念，当时未引起重视真正的发展和使用是在20世纪70年代 常用的一类微带天线是在一个薄介质基上，以免附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线 当贴片是一面积单元时，称它为微带天线； 当贴片式一细长带条则为微带阵子天线2019/6/19,6,贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形或其它形状； 馈电方式：微带线侧馈、同轴线底馈、电磁耦合、口径耦合等。

其应用情况：剖面薄、体积小、重量轻、造价低，易安装且能与导弹等载体共形已大量用于100MHz到100GHz的宽广领域，包括卫星通信、雷达、遥感、导弹、遥测遥控、环境监测、生物医学、便携式无线电设备等 主要缺点：工作频带窄、阻抗低，增益较低，端射性能差，功率容量较低 微带天线的辐射机理：在贴片与地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片边沿与地板间的缝隙向空间辐射辐射场是贴片边沿与地板间的边缘场产生的2019/6/19,7,结构：矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线如图1所示，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射 微带贴片也可看作为宽为W、长为L的一段微带传输线，其终端(y=L边)处因为呈现开路，将形成电压波腹和电流的波节一般取L≈λg/2，λg为微带线上波长于是另一端(y=0边)也呈现电压波腹和电流的波节此时贴片与接地板间的电场分布也如图1所示2019/6/19,8,该电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）,（1）,由对偶边界条件，贴片四周窄缝上等效的面磁流密度为,（2）,式中，E=exEx，ex是x方向单位矢量；en是缝隙表面（辐射口径）的外法线方向单位矢量。

由（2）式，缝隙表面上的等效面磁流均与接地板平行，如 图1虚线箭头所示可以分析出，沿两条W边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向(x轴)同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图2019/6/19,9,图 1,2019/6/19,10,沿每条L边的磁流都由反对称的两个部分构成，它们在H面(xOz面)上各处的辐射互相抵消；而两条L边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面(xOy面)上各处，它们的场也都相消在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条W边的辐射相比，都相当弱，成为交叉极化分量由上可知，矩形微带天线的辐射主要由沿两条W边的缝隙产生，该二边称为辐射边首先计算y=0处辐射边产生的辐射场，该处的等效面磁流密度Jms=-ezE0 采用矢位法，对远区观察点P(r,θ,φ)（θ从z轴算起，φ从x轴算起），等效磁流产生的电矢位可以由电流产生的磁矢位对偶得出：,（3）,2019/6/19,11,式中已经计入了接地板引起的Jms正镜像效应积分得,由磁矢位引起的电场为 ：,对于远区，只保留1/r项，得,2019/6/19,12,现在再计入y=L处辐射边的远场，考虑到间隔距离为λg/2的等幅同相二元阵的阵因子为,微带天线远区辐射场为,2019/6/19,13,实际上，kh1，上式中地因子约为1，故方向函数可表示为：,H面（φ=0°，xOz面）：,2019/6/19,14,图2显示了某特定矩形微带天线的计算和实测方向图。

两者略有差别，因为在以上的理论分析中，假设了接地板为无限大的理想导电板，而实际上它的面积是有限的E面（θ=90°，xOy面）：,（11）,2019/6/19,15,图2 矩形微带天线方向图,2019/6/19,16,原则上将方向函数F(θ,φ)代入方向系数的一般公式(见1―2―18），就可以求得矩形微带天线的方向系数当Wλ时，矩形微带天线的方向系数D≈3×2=6，因子3是单个辐射边的方向系数 如果定义Um=E0h，按辐射电导的定义式,可求得每一条辐射边的辐射电导,（12）,2019/6/19,17,当Wλ时，,当Wλ时，,（13）,（14）,2019/6/19,18,矩形微带天线的输入阻抗可用微带传输线法进行计算 图3表示其等效电路每一条辐射边等效为并联的导纳G+jB如果不考虑两条辐射边的互耦，则每一条辐射边都可以等效成相同的导纳，它们被长度为L、宽度为W的低阻微带隔开设该低阻微带线的特性导纳为Yc，则输入端的输入导纳为,（15）,2019/6/19,19,β为微带线的相移常数,εe为其有效介电常数当辐射边处于谐振状态时，输入导纳Yin=2Gr,m2019/6/19,20,图3 矩形微带天线等效电路,2019/6/19,21,7.2.2 双频微带天线（DuelBand Microstrip Antenna） 许多卫星及通信系统需要同一天线工作于两个频段，如GPS全球定位系统、GSM，全球移动通信系统）/PCS个人通信业务）系统等。

同时，对于频谱资源日益紧张的现代通信领域,迫切需要天线具有双极化功能，,因为双极化可使它的通信容量增加1倍对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同微带天线的工作频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计灵活性也使得微带天线在这些领域中得到了广泛的应用目前已有很多关于双频、双极化或双频双极化微带天线的研究报道［22］2019/6/19,22,实现双频工作，对于矩形贴片应用较多的是利用激励多模来获得双频的［23］，如图4所示，在矩形贴片非辐射边开两条长度相等的缝隙，在离贴片中心一适当距离处馈电，能得到较好的匹配此种天线激励了一种介于TM10与TM20之间的模式，新模的表面电流分布与TM10相似，与TM10具有相同的极化平面和相似的辐射特性，由这种模式与TM10一起实现双频工作2019/6/19,23,图4 同轴线馈缝隙负载贴片天线结构,2019/6/19,24,当天线尺寸为W=15.5mm,L=11.5mm,l=0.5mm,W1=d=1mm,Wp=5.5mm， 基片的相对介电常数εr=2.2、厚度h=0.8mm时，图5利用FDTD（时域有限差分法）计算了该天线的s11参数随馈电位置的频率变化曲线［24］。

图中可以看出明显的双频特性,馈电位置对于天线的频率特性有较明显的影响，改变馈电位置，可以影响天线的阻抗特性，这也为寻找最佳匹配提供了依据2019/6/19,25,图5 天线的|s11|参数曲线,2019/6/19,26,采用分层结构则是实现双频工作的另一重要途径图6给出了工作于GPS两个频率的近耦合馈电双频微带天线的结构图 该天线包括三层介质结构、两个谐振于所需工作频率的近方形贴片和一微带线馈电结构，两个近方形贴片分别置于第一层介质和第三层介质的顶部，而微带线的馈电线则夹于两贴片之间，位于第二层介质的顶部在三层介质层具有相同介电常数εr=2.2的条件下， 图7仍然利用FDTD方法计算了该天线的s11参数曲线，并与实测值进行了比较2019/6/19,27,图6 分层双频圆极化微带天线结构示意图 (a)俯视图；(b)侧视图,2019/6/19,28,图7 分层双频圆极化微带天线的|s11|参数曲线,2019/6/19,29,微带天线的研究方向除了多频工作、实现圆极化以外，还有展宽频带、小型化、组阵等近来利用微带传输线上开出的缝隙，形成漏波（Leak Wave），实现了新型微带馈电线缝隙天线阵［25］。

随着对微带天线的理论分析的不断深入，微带天线将获得更广泛的应用2019/6/19,30,7.2.3侧馈微带天线的设计,1.新建设计工程 创建一个新的工程，文件名为：patch.hfss； 设置求解类型，HFSS----solution type----driven modal； 设置模型长度单位，modeler----units----mm 2.添加和定义设计变量 在hfss中定义和添加如表所示的设计变量Hfss----design properties----单击add----打开add properties对话框，在name中输入变量名，在value中输入该变量的初始值2019/6/19,31,添加如图所示的所有变量，最后单击“确定”按钮2019/6/19,32,3.设计建模 （1）创建介质基片 创建一个长方体模型用以表示介质基片，长方体模型的底面位于xoy平面，中心位于坐标原点，模型的材质为FR4，并将该模型命名为substrate2019/6/19,33,确定substrate的位置和大小,2019/6/19,34,（2）创建辐射贴片 在介质基片的上表面创建一个中心位于坐标原点，长度和宽度分别为l0和w0的矩形面，并将其命名为patch。

2019/6/19,35,确定patch的位置和大小如上图所示2019/6/19,36,（3）创建1/4波长阻抗变换器 使用和前面相同的操作方法在介质基片的上表面创建一个矩形面，用以表示1/4波长阻抗变换器2019/6/19,37,确定transition的位置和大小,2019/6/19,38,创建50欧姆微带传输线 使用和前面相同的操作方法在介质基片的上表面创建一个矩形面，用以表示50欧姆微带传输线2019/6/19,39,确定microstrip的位置和大小,2019/6/19,40,(5)使用合并操作把3个矩形面合并成一个整体 按住ctrl键，然后依次单击工程树sheets节点下的patch、transition和microstrip（注意选择顺序），同时选中这三个矩形面再选择主菜单中的modeler----Boolean-。