微带天线课件

微带天线理论与技术教师王昊电子工程与光电技术学院南京理工大学

内容提要1微带天线基本理论*#（8学时）2

微带天线的元技术（8学时）3有效利用商用软件进行微带天线的设计*#（8学时）4微带阵列天线#（8学时）5微带天线近场测量与近场诊断★（6学时）6微带天线制造技术（4学时）教材：方大纲著，天线理论与微带天线，科学出版社，2006年钟顺时著，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991年参考资料：1.张钧著，微带天线理论与工程，国防工业出版社，1988年2.(加)鲍尔,I.J.,(加)布哈蒂亚,P.著，微带天线，电子工业出版社，1984教材通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分为两大类:一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统;另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。无线通信系统中,将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。绪论天线的发展赫兹马可尼微带天线的发展利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念最早由德尚(G.A.Deschamps)教授在1953年提出[1]，在1955年由法国Gutton[2]和Baissinot[3]发表了专利。微带天线是一种随系统对天线的要求而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线，但是因为没有较好的微波介质材料，所以在随后的近20年里对此只有零星的研究，当时人们只是把微带结构作为波导元器件的一种小、薄、轻又低廉的替代品。70年代期间，由于获得了具有低损耗正切特性和有吸引力的热特性及机械特性的良好基片，改进的照相平板印刷技术和更好的理论模型，使微带天线取得突破性进展。最早的微带天线是Howell和Munson在二十世纪七十年代初期研制成的。之后，世界各国的研究人员对微带天线的贴片形状、馈电技术、基板构造和阵列排列等方面作了大量的研究，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展。微带天线的优点微带天线以其重量轻、体积小、成本低、共形结构、以及与集成电路兼容等优点，成为天线家族中充满生命力的一个分支，最适宜于航空和车载应用。如今，这种新型天线技术已日趋成熟，其应用正在与日俱增。早期微带天线具有频带窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大、功率容量有限等不足。因此微带天线的大部分研究工作都是为了克服这些缺点，以便满足系统对天线愈来愈苛刻的要求。这些工作所取得的进展使得微带天线的发展和应用前景变得更为广阔。微带天线的优缺点a）工作频段：XXXXMHz～XXXXMHz；b）口径尺寸：XXmm*XXmmc）水平面方向（阵面法线方向）：波束宽度：≥5.5°；副瓣电平：≤-18dB；d）垂直面方向：波束宽度：≥30°；e）天线增益（阵面法线方向）：≥19dB；f）极化方向：垂直；g）驻波比：≤1.8；h）波束覆盖范围：±20°。辐射特性极化特性阻抗特性扫描特性微带天线的性能定义微带天线的结构A.贴片型B.振子型C.微带线型D….微带天线的结构微带天线的工作原理微带天线的工作原理分析方法传输线模型腔模型有限差分+匹配边界(理想匹配等效)积分方程矩量法有限元微带天线的分析方法微带线的特性微带线是一种开放的线路。它的场空间是由两个不同介电常数的区域构成。我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场（TEM）。现在存在空气与介质分界面，存在着混合模，只有当基片厚度远小于工作波长时，能量大部分都集中在导体带下面的介质基片内时，称为准TEM模。微带线的特性当频率较高时，微带宽度W和高度h与波长可相比拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。最低模为TE10微带中还存在着表面波，最低次TM型表面波的截止频率无下限，而最低次TE型表面波的截止波长为上述的波导模和表面波模称为微带的高次模。为抑制高次模的出现。微带尺寸的选择需要满足以下的条件微带天线的传输线模型该模型将矩形微带贴片看成沿横向L没化变化的传输线谐振器。场沿纵向呈驻波变化，辐射由两开路端的边缘场产生微带天线的空腔模型该理论基于薄微带天线的假设，而将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源的边界条件来求得。微带天线的空腔模型(1)TMmn模的磁流沿X方向有m个零点，沿Y方向有n个零点。(2)两个相邻零点的间隔为λm/2。(3)每经过一个零点，Ms便改变方向(4)贴片四角处MS为最大值(5)Ms沿周边的分布是连续的，按正弦分布或均匀分布。(0,1),(1,0),(0,2n+1)和(2m+1,0)在边射方向形成最大值，而(0,2),(2,0),(0,2n)和(2m,0)等模在边射方向形成零点。微带天线的空腔模型用磁流模型和用电流模型进行分析方向图的差别。微带天线的空腔模型-输入阻抗微带天线的空腔模型-等效电路微带天线的空腔模型-带宽、效率和方向系数微带天线的设计过程1、选择基片微带天线的设计过程2、初步估算微带天线的值3、确定馈电方式需要同轴馈电还是微带馈电微带天线的设计过程4、馈电与微带贴片之间的阻抗匹配微带天线的设计实例微带天线的设计实例微带天线馈电技术

在微带天线的设计中，选择合适的馈电方式[1]，对实现所设计的天线性能至关重要。对微带天线进行馈电的两种基本方式是：（1）用微带线馈电；（2）用同轴线馈电。若按馈电技术分类，可概括为4种基本技术，包括边沿馈电、探针馈电、口径耦合及临近耦合。微带天线馈电技术-微带馈电边沿馈电技术是微带贴片天线最早的一种激励方法。一般情况下，微带馈线与贴片的一条辐射边接触，它具有其他的馈电技术不具有的几个优点。因为馈电单元和贴片可以蚀刻在同一块板上，故一个主要优点是制造工艺简单，因此大多数平面阵都采用边馈技术。这种方式很容易控制输入阻抗水平；通过简单的将馈线插入贴片导体，贴片的辐射边时，谐振阻抗可以调谐为高达150~200Ω，而当接触点位于贴片的中心时下降为只有几个欧姆。探针馈电贴片具有几个重要的优点。第一，馈电网络通过一个接地面与辐射部分分离，这个特性使得它可以分别对每一层进行优化；第二，在所有的激励方法中，探针馈电有可能是最有效的，因为馈电机制直接与天线接触，并且馈电网络的大部分与贴片隔离，从而使虚假辐射最小。虽然探针馈电方式在连接方面比较复杂，但是其高效性仍然使它应用广泛。微带天线馈电技术-同轴馈电微带天线馈电技术-耦合馈电临近耦合贴片的关键特性在于它的耦合机制在本质上是电容性的，这与直接接触法相反，后者主要是感性的，耦合机制的差异显著的影响了可以获得的阻抗带宽，因为边馈和探针馈电几何结构的感性耦合限制了可使用材料的厚度。因此，本质上临近耦合贴片的带宽宽于直接接触馈电贴片。微带天线馈电技术-口径耦合叠层之间通过接地面分开，馈线与贴片天线之间通过接地面上的窄缝进行藕合。与直接接触式相比优点:与边馈贴片天线不同，它可以对馈线和基板进行优化；与探针贴片相比，它不需要垂直互联，从而简化了制造工艺但同时保持了印制电路技术的共形特性。然而由于需要多层制造工艺，各层之间的对齐定位非常重要。多层天线还会产生其他问题，介质间存在的间隙将显著改变天线的输入阻抗特性，特别是在高频时间隙的阻抗特性较大。叠层之间的粘合材料对天线的作用也至关重要。微带天线元技术1圆极化技术2

宽频带技术3多频带技术4可重构技术微带天线圆极化技术1圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场2一个圆极化波可以分解为两个在空间上和时间上均正交的等幅线极化波。3任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波4左旋和右旋圆极化极化隔离5圆极化波入射到对称目标，反射波变为反旋向的6一般用轴比来衡量微带天线圆极化技术-单馈点单馈点圆极化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射。要同时激励起TM01和TM10微带天线圆极化技术-单馈点微带天线圆极化技术-单馈点微带天线圆极化技术-多馈点可利用两个馈电点来馈电微带贴片，以激励一对极化正交的简并模。由馈电网络来保证圆极化工作条件，即二模振幅相等、相移90度。微带天线圆极化技术-多馈点微带天线圆极化技术-多馈点微带天线圆极化技术-多元圆极化馈电相位分别为0，90，180，270，振幅也相同。馈电位置要正确选择，以使180和270单元分别与0和90单元在轴向辐射同相的相同极化分量。微带天线圆极化技术-多元圆极化微带天线圆极化技术-测量微带天线宽频带技术降低等效谐振电路Q值：增大h,降低介电常数修改等效电路：附加寄生贴片，采用电磁耦合馈电等附加阻抗匹配网络其它途径微带天线宽频带技术-基本途径降低等效谐振电路Q值：增大h,降低介电常数加厚基片是展宽微带天线频带的有效手段，但基片过厚会引起表面波的明显激励。降低介电常数的潜力有限，其最小值为1，即采用空气介质。一个不常用但却是非常简单的降低Q值方法是采用大损耗基片或附加有耗材料，例如用铁氧体材料作基片，可使频带明显展宽微带天线宽频带技术-基本途径微带天线宽频带技术-修改等效电路微带天线宽频带技术-修改等效电路微带天线宽频带技术-修改等效电路微带天线宽频带技术-修改等效电路微带天线宽频带技术-附加阻抗匹配网络微带天线宽频带技术-附加阻抗匹配网络微带天线宽频带技术-其它途径微带天线多频段技术多片法多片法利用谐振频率不同的多个贴片来工作，通常是将较小的贴片叠在较大的贴片上。单片法只用一个贴片，而利用不同模式同时工作，或利用加载微带天线多频段技术-多片法微带天线多频段技术-多片法微带天线多频段技术-单片法微带天线多频段技术-加载单片法为了克服天线对整个通信系统发展的制约，人们希望能够用一个天线来实现多个天线的功能。采用同一个天线，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。这样有利于降低通信系统的整体成本、减轻重量、减小雷达散射截面，而且可以避免存在于多个天线之间的电磁兼容问题。“可重构天线”的概念正是在这一背景下提出，并获得了发展。可重构天线的研究旨在使天线能根据实际需要实时重构天线特性。微带天线可重构技术频率可重构方向图可重构频率、方向图均可重构微带天线可重构技术微带天线可重构技术微带天线可重构技术微带天线可重构技术Micro-Electro-MechanicalSystems简称MEMS，这种技术可以在普通硅片上集成机械部件、传感器、激励装置和电子元件。与传统集成电路(IC)制造工艺相类似，MEMS采用一种称作“显微机械加工”的技术，在硅片上蚀刻或添加结构层，从而制成这种称为MEMS的器件。MEMSMEMS技术是一场技术的革命，它可以将一个系统制作在硅片上，使体积、功耗、制作成本呈指数次方的减小，同时随着技术的不断成熟，MEMS由于其高集成度可靠性也会超过传统的设备。MEMSMEMS的出现是一个里程碑，它使得很多以前并不相关的学科走到一起，而且随着MEMS技术的不断完善，MEMS的应用前景将会是十分广泛的。目前MEMS技术有三大主要应用领域：生物技术加速度计通信领域MEMS这种RF-MEMS开关与传统的PIN管或场效应管相比具有很多优点。主要表现在：第一，这种接触式开关具有很小的分布参数因而传输损耗比较小；第二，这种结构的开关没有半导体器件所固有的电流－电压非线性特性，减小了传输失真；第三，带宽很宽；第四，能与普通的MMIC电路集成；第五，控制所用的功耗小。目前也存在一些不足，主要是开关速度慢（MEMS开关是微秒级而GaAsFET是纳秒极）；存在“粘滞”现象(Stiction)，这是元件某些部分由于物理上的紧密接触而相互粘连在一起，并不自行分开而使器件失效。MEMS当开关处于“off”状态，即金属层处于自由悬置