微帶天線設(shè)計(jì).pdf

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1、第一章微帶天線簡介1.1微帶天線的發(fā)展歷史與趨勢(shì)微帶天線是20世紀(jì)70年代以來逐漸發(fā)展起來的一種新型天線。雖然在1953年就提出了微帶天線的概念，但并沒有在工程界的引起重視。從20世紀(jì)50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世紀(jì)70年代初期，在微帶傳輸線的理論模型及對(duì)敷銅的介質(zhì)基片[3]的光刻技術(shù)發(fā)展之后，第一批具有許多設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)用的微帶天線才被制造出來。為適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的需求，天線的研發(fā)方向主要往幾個(gè)方面進(jìn)行，即減小天線的尺寸、寬帶和多波段工作、智能方向圖控制。隨著電子設(shè)備集成度的提高，通信設(shè)備的體積也變得越來

2、越小，這時(shí)天線尺寸就需要越來越小了。然而，在減小天線的尺寸的同時(shí)又不明顯影響天線的增益和效率是一項(xiàng)艱巨的工作。電子設(shè)備集成度提高，經(jīng)常需要一個(gè)天線在較寬的頻率范圍內(nèi)來支持兩個(gè)或更多的無線服務(wù)，寬帶和多波段天線能滿足這樣的需要。微帶天線由于重量輕、體積小、成本低、制作工藝簡單、易與有源器件和電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用和重視。1.2微帶天線研究的背景微帶天線是帶有導(dǎo)體接地板的截止基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。微帶天線通過微帶線或者同軸線等饋線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙

3、向外輻射。微帶天線主要是一種諧振式天線，相對(duì)帶寬比較窄，一般設(shè)計(jì)的帶寬只有2%到5%。隨著天線的工作頻率的降低，帶寬也逐漸變窄。在這樣的背景下，研究影響微帶天線帶寬的因素，進(jìn)而找到展寬微帶天線的帶寬的方法，對(duì)于微帶天線能否在工業(yè)、民用、國防等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，具有重要的意義。1.3多頻帶微帶天線研究的意義當(dāng)今，無線通訊行業(yè)發(fā)展迅猛，掌上電腦、筆記本電腦和手機(jī)都已經(jīng)成了人們生活的必[4]需品。對(duì)于頻譜資源日益緊張的現(xiàn)在通訊領(lǐng)域，迫切需要天線具有雙極化功能，因?yàn)殡p極化可使它的通訊容量增加1倍。對(duì)于有些系統(tǒng)，則要求系統(tǒng)工作于雙頻，

4、且各個(gè)頻段的極化又不同。微帶天線的工作的頻率非常適合于這些通信系統(tǒng)，而微帶天線的設(shè)計(jì)的靈活也使得微帶天線在這些領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，通訊系統(tǒng)也需要寬頻帶來實(shí)現(xiàn)多媒體信息無線傳輸和接收的高速率。因此，研究雙頻帶天線具有重要意義。2.微帶貼片天線圖2-7微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖在通信、航空、航天、衛(wèi)星和導(dǎo)彈應(yīng)用中，天線的尺寸大小、重量、造價(jià)、性能、安裝難易和空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)等都受到限制，常選用微帶天線。這種天線有薄的平面結(jié)構(gòu)，通過選擇特定的貼片形狀和饋電方式或在貼片和介質(zhì)基片間加負(fù)載以獲得或調(diào)整所需的諧振頻率、極化、模式、阻抗等各參

5、量。2.1微帶貼片天線結(jié)構(gòu)圖2-7所示為傳輸線饋電方式的微帶天線結(jié)構(gòu)，它由很薄的金屬帶以遠(yuǎn)小于波長的間隔h，置于接地導(dǎo)電板面上而成，貼片與地板之間填充有介質(zhì)基片。輻射單元通?？淘诮橘|(zhì)基片上。微帶貼片這樣設(shè)計(jì)是為了在貼片的側(cè)射方向有最大的輻射，這可以通過選擇不同的貼片形狀激勵(lì)方式來實(shí)現(xiàn)。貼片可以是方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形等。2.2微帶貼片天線輻射機(jī)理微帶天線的輻射是由其導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生的。其輻射機(jī)理實(shí)際上是高頻的電磁泄漏。一個(gè)微波電路如果不是被導(dǎo)體完全封閉，電路中的不連續(xù)處就會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。當(dāng)頻率較低時(shí)，因

6、為電尺寸很小，電磁泄漏?。坏S著頻率的增高，電尺寸增大，泄漏就大。再經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強(qiáng)，輻射效率就大大提高，而成為有效的天線。圖2-8微帶貼片天線輻射原理圖設(shè)輻射貼片與接地板間的介質(zhì)基片中的電場沿貼片寬度a方向和厚度h方向均無變化。僅沿貼片長度b方向有變化，其結(jié)構(gòu)可見上圖2-8(a)。則輻射場可認(rèn)為是由貼片沿長度方向的兩個(gè)開路端上的邊緣場產(chǎn)生的，如圖2-8(b)、(c)所示。將邊緣場分解為水平和垂直分量，由于貼片長度b=λ2，故兩開路端的垂直電場分量反相，該分量在空間產(chǎn)生的

7、場互相抵消（或很弱），而水平分量的電場是同相的。因此，遠(yuǎn)區(qū)的輻射場主要由水平分量場產(chǎn)生，最大輻射方向在垂直于貼片的方向。由此分析可見，矩形微帶天線，可用兩個(gè)相距λ2、同相激勵(lì)的縫隙天線來等效?？p的長度為輻射片的寬度W≈λ2,縫寬?l≈h，兩縫隙在空間產(chǎn)生輻射作用。這是微帶天線0的傳輸線模型分析方法的解釋。如果介質(zhì)基片中的電場同時(shí)沿貼片天線的寬度和長度方向都有變化，這時(shí)微帶天線可用貼片四周的縫隙的輻射來等效。2.3微帶天線的主要分析方法天線分析的基本問題是求解天線在周圍空間建立的電磁場。求得電磁場后，繼而得出【6】其方向圖、增益

8、和輸入阻抗等特性指標(biāo)。微帶天線的分析有許多方法，如傳輸線模型法(transmission-line)，諧振腔(cavite)模型法，全波(full-wave)模型法即矩量法，有限元法等。傳輸線模型法是最早出現(xiàn)也是所有方法中最簡單的，主要用于矩形貼片。其物理意義清晰明了，但是精