微带天线的分析与研究

1、 微带线本征阻抗的研究与分析及其电波传播特性微带天线(microstripantenna)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。微带天线有很多优点：剖面薄，体积小，重量轻；具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构；馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；能与有源器件和电路集成为一体；便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；不需要背腔，适合于组合式设计，易于制作成印刷电路、馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。微带天线的主要缺点有：频带窄；有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；功率容量小，一般用于中、小功率场合

2、;微带天线最初作为火箭和导弹上的共形天线获得了应用。在设计微带天线时，与其他天线一样需要对天线性能参数预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效果，降低研制成本。天线分析的基本问题是求解天线在周围空间的电磁场，求得电磁场后进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。微带天线的分析方法可分为两大类：一类是简化分析模型，模型简单，但不够准确，且不适用与复杂结构的天线；另-类是全波分析模型，计算复杂，但能对各种结构微带天线进行分析。我们用有限差分法来解决关于微带线本征阻抗问题。微带天线上传播的电磁波可近似看成TEM波，其阻抗可用下面的公式计算：(1)式中C、L分别为微带线单位长度的电容和电感，v为波在

3、线上的传播速度。如假定线上不存在介质时单位长度的电容为Co,这时线的电感L将不会因为电介质的存在与否而改变。又因介质不存在时线上波的传播速度为光速Vc,而且(2)由这个式子可解出L为(3)将L值代式就可求出微带线的特性阻抗Zo人从上面的公式可见，求微带线特性阻抗的关键在于分别求出介质存在和不存在时线上单位长度电容C和Co。求这些电容的方法有两种：一种是求总电荷Q，另一种是根据求储藏在线上电场内的能量而推得。我们用第一种方法求电容。先用差分法求出微带线横截面内电位分布后，再求内导体单位长度上的总电荷量Q。为求这个Q值，取一个如图1所示的任意的包围内导体的环路abed。这个环路的每个边均通过网格节

4、点的中心并平行于坐标轴，其中一个边上任意点p处的电通量法向分量Dn应等于(5)Dn可用p处相邻的网格节点e、f处的电位表示（如图2）:取长度为单位长度并将Dn对整个面积积分，根据高斯定律，它应等于内导体表面上单位长度的电荷Q,即(7)因为要求的是静电电容，线内电场将不随z坐标改变；在考虑到线上不存在纵向电场,也就没有电通量穿过前后两个面，这时上面的积分就可写成由此可得到(9)如此便可求得电容C为(10)af-J-1dId,R1L.1111:P1b4厂-11H-W*rH4CP图1包围内导体的环路abed图2电位差表示由于涉及到两种介质，故考虑有两种介质（El和应？）存在时的差分方程。在介质分界面

5、处（如图3）,由电通量的连续性有（ii）vy）以这个公式为基础就可导出介质分层处的差分格式。在图3中绘出一个中心落在交界面，尺寸和网格尺寸相同的网格，在这个网格区域，对上式进行面积分，并利用二维高斯定律可得jV-(VVu)-ndl=0(12)式中n是垂直于区域周边l的外法线矢量。当将区域各边上的卩削用该边中心处的两点差分表示就可得（13）整理得1（22Kx（14）其中二色/。如果是在同种介质内部，贝I取K=1即可。图3不同介质分界面处再用假想边界法计算它的特性阻抗，首先需任意给定假想边界上的电位分布和金属微带上的电位，根据（14）式，利用差分法计算出假想边界内的电位分布，再结合（9）式便可求出

6、金微带线上的电荷分布。由这个电荷分布又可求出假想边界上的新的电位分布。这样反复运算便能得出所需精度的假想边界内的电位分布。实际工程问题中，大量计开区场问题需要计算，利用假想边界的方法可进行准确分析并大大节省了计算资源。在自由空间传播的均匀平面电磁波（空间中没有自由电荷，没有传导电流），电场和磁场都没有和波传播方向平行的分量，都和传播方向垂直。此时，电矢量E,磁矢量H和传播方向k两两垂直。只是在这种情况下，才可以说电磁波是横波。沿一定途径（比如说波导）传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程，导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。TE波，TM波，TEM波是属于电磁波的三种模式。TE波指电矢量与传播方向垂直，或者说传播方向上没有电矢量。TM波是指磁矢量与传播方向垂直。TEM波指电矢量于磁矢量都与传播方向垂直。E,H,k定满足右手螺旋，但它们未必是两两正交的。TEM波的磁场H和电场E同相，其比值（波阻抗）为实数，而且传播方向上不存在电磁场的分量；只有截面能支持二维静态场的波导才能有TEM模；TE或TM波的电场E、磁场H不同相，比值（波阻抗）为复数，呈现电抗特性；对于表面波，TE波的波阻抗为容性，T