平板天线的理论和设计

平板天^的理^和^言十(±)

平板天^的理^和astF(下)

利川APS肃舟平机又猊

3

在高效能他衡星、太空梭和行勤通0K手械朦用中，尺寸小、重量解、低慎位、高效能和容易安装的天蜴I啻猥得敕高的声映。平板天

练就有•外型小、通合平面和祚平面的原用，和利用现在印刷电路板的低制作成本技雨的好如而旦也容易和microstriplinecircuit

使得平板天练成四琪今一般最常用的天^之一。

平板天^主要的缺粘有低效率、低功率、highQ、低偏椀化触度、broadsidedirectivity(瓢法作end-firedantenna)和资i竟非常窄等。

封阈家或隼事的用途上，窄好刿停送檄密资料是一植好腹。封熊缘南星行勒通央能，平板天必泉有和高^前端模组易结合的好虚，且平

板天^的指向性睡然很差，和很逾合愿用在靛^行勃通^系统.

本文首先介貂黑殛不同feedin的方法。因悬岛的功率放大器辘作，功率很珍贵，要有最大的功率可以逛入天^中，便要作好阻抗匹配

的工作。其次，将介貂二箱平板天^的分析方法。•是傅翰缘的模型，另则是cavity的模型，利用安捷偷科技的重版^助^前段体

ADS(AdvancedDesignSystem)更除好隧信|不同feedin的天然彼作一

天^^入方式

TransmissionLineFeed

廊I1所示是利用停feed能量迤入天^中。Feedin站深入平板天中封^振频率亚不台有太大的影辔，但谷”I以改班输入的阻抗

值。Feedn釉位置不同，输入阻抗就不同。一段封傅^^的要求和引雷路的要求一棣，均希望基板厚度要薄，介电常数要高才能把大部

分的故磁埸包在基板桂面。但是封天然来言亿81】希望基板厚度要厚，介甫常数要低才能使大部分的塌幅射出去。因此，雨者之犯有矛盾，

须作•折衷，才能使得在不通缜虎有敕少的幅射报失。

御1

CoaxialFeed

ESI2所示，是利用coaxialcable去feed能量到平板天^上。和TransmissionLineFeed相同，可以在平板大^上找到一何feedin黠

是想要的输入阴抗，在此把能量送到天名泉上我射出去。coaxialcable和平板天^的排列成正交垂直，所以

有很好的隰触度，但是利用coaxialcable来作feedin有一倜缺黠，就是缴作不易，那是因在基板上打洞，旋且要把coaxialcable

的中心引舞在大^上地不是一件简里的事，但因有好的隔解度，所以也腐卷大家使用。

CoupledFeed

Ifil3所示，是利用coupledline把能量耦合到云^上再幅射出去。道神方式耦合的能豉通常敕小，因此，若要有足匏的能豉幅射出去,

便须把天缘的一遏常作couplingedge,耦合能量才狗。

BuriedFeed

ISi4所示，是CoupledFeed的一）改良方式，利用多旧板的架横来作能方式耦合。BuriedFeed是把天^做在上唇，傅^^做在下届，

同畤使道二值I部分邃到最佳化。上厝用敕低的介解常数和敕厚的板子来作以提高幅射，下.唇用敕高的介甯常数和敕薄的板子来作以减少作

幅射的崖生，道是单盾板所没有的僵粘。但是因^^横敕衩就，所以她波有确罩的模型来模堤它。使用多盾板有另一佃好电即是可以

增加频宜，^似堆黑的^横，由於耍封翰入阻抗作匹配，因此若使用transmissionline或coaxialcable来作feedin,通常均是以不封

嵇的方式酹能趾耦合暹去。造桶不封桶的方式曾译生higherordermodescross-polarizedradiation.卷了避免道仲情:兄的赞生，

我俨恰使用BuriedFeed或SlotFeed的耦合方式来作feedin的工作。

SlotFeed

囱I5所示，是改良自BuriedFeed的架横，在僖翰缥和天^中IH］放上接地面，使二者有很好的隔蹄，再在接地面上切出一他Islot,利用追

佃slot来耦合能战到天^上。但在接地面上切出一倜slot.就像在傅翰然和天然之冏又加入一保］magneticdipole.曾羟生一侧虚偏的幅

射。耦卷虚俏幅射是因卷它亚不是我俨J想要得到的，因此，有必要使slot速雌平版大名泉的幅射遏，以减少虚俏幅射的所生，且德遹常的泱

定slot的尺寸，以避免在平板天^的操作笏i带中，段生^振而影舞到正常的操作。

分析方法

Transmission-LineModel

传统的microstripline如置6所示，上下二信1金匾面所看到的介皙的介电常数不同，所以有不同的波速。若等效成一倜均勺的介皙来看,

须引入一倡I有效的介宙常数£eff.命仟和基板的介窗常数、microstripline的艮度、宽度有阚，其㈱保如式(1)。

(1)

(a)Microstrip!u)e(b)Electricfieldlines

(c)Effectivedielectricconsiunt

IMI6

富'宽度速大於基板的厚度畤，重磁埸大部分被包在基板内，所以加仟=打。常宣度逋小於基板的厚度峙，甯磁埸不只台在菸板上，也曾来

到空中，所以£eff=£r+l/2。eeff也是频率的忸数，其附保如阍7所示。常操作^率上升，大部分的雷碳埸胡被包在基板常中，因此

有效的介本常数seff曾接近基板本身的介能常数£r,又由於fringingeffect的效感使有效的是度大於^隙的反度，因此，在天^畤

德把由於fringingeffect所造成的影^△!.加入彳殳^的考量常中，如式(2)及式(3)所示。

(2)(3)

腐17

△L卷嵬高比(W/h)和ceff的函数，如园8所示。假遇1佃|rectangularpatchantenna操作在基本的TM010mode,即］其^振:柒率

如式(4)。

1

(/r)01()

2lje7

(4)

留8

c麴)光速，式(4)她汉布・考曲:fringingeffect.若考虑fringingeffect用做一些修正，如式(5).常基板的厚度增加畤，fringing也包增

加身致Leff曾越大，即二便1幅射遢相跑越速，根度式(5)可知，^振频率也曾下降。

CavityMedel

常能量feedin逃入平板天^畤，在平板天缘的上下二佃表而包有甯荷的分怖，接地面也畲有志荷的分怖，如周I9所示。有二桂檄制，

楝是吸引，另•楠刖是排斥。吸引械制是来自平板天然的卜表面和接地面有不同的雷:荷械性所致，造他械制使重荷能集中在平板天^的卜一

用中，h/W的比例通常都很小，所以主要卷吸引橙制，而且，大部分的衽荷分怖和甯流密度分伟在平板天^的下表面，Jt曾除著h/W的

比例越小而越小，最彳爰近似於0。因卷Jt是0,所以在平板天缘的四遴旋没有切^方向的磁埸分佛，因此可以把追四谖看成是

perfectmagneticconductingsurfaces^除二h/W虻小辗限的小，所以后四遏企1以3perfectmagneticconductingsurface.

但可以此作一很好的近似，且因卷基板的厚度很小，所以fringingfield也较小，因此可以把电埸分怖想成均垂直厚体表面而只考TMx

field的傅翰模式。最接追fWcavity就可以把它看成是上下二fWperfectelectricconductingsurfaces,前彳为左右Z3perfectmagnetic

conductingsurfacesn

留9

由於平板天^的厚度很薄,电磁波跑到平板天^的幅射遗畤曾遭遇到很大的反射而使幅射效率变差。透遇解waveequations可以知嗓甯

磁埸的分怖，VectorpotentialAx须涌足式(6)：

----------------(6)

利用分雒姿数法可得式(7)：

[4«><阜)+4由(">|(7)

可解珞各方向宽磁期分佛妇式(8)：

ayedx<iy*，击

…qx〃=」以

diihp也

一些基本的^振模式如圈10所示。CavityModel的等效甯流密度如留11(a),等效的电:流及磁流密度如式(13)。

A

J9=HHa

A

M「一心E.

liSI10

因四h/W很小，所以patchantenna的上表面电流密度是小於下表面的爸流密度。我俨］假^切舔方向的磁塌是0,因此等效的电流密度

Js揩很小。我令其卷0以利接面的副克，如园11(b)所示。而由於接地面的牖f系，曾使slot封地面谭生叫image的效果，而使磁流

变成二倍，即Ms=-2nXEa,如圈11(c)所示。二间幅射遴的磁流如圈12所示，可以看成是二佃Idipole形成睡列天^彼此用距L的距

船。封TMxOlOmode来1_=入/2,中微j平行板形成低阻抗的稗换器，在垂宜天短的方向二他Idipole同相位，所以有最大的幅射量

(broadside)o而平行天^的方向因相差180。,所以有一null差生。二(0不幅射遴的磁流如IS113所示，在每一遴的磁流量值相同但方向

相反因此互相抵消而不幅射，典型的E和Hplane的埸型如IKI14所示

(本文原载於母子技街)

圈11

h--------------L

ISI12

嗣13

(b)W-plane

[SI14

利用ADS^^十平板天

首先在ADSMainWindow中隅/一DataDisplayWindow(粘遗windownewdatadisplay)彳炎在此视窗中建入Equation(l),

(2)、(3)如国1.然彳爰在LayoutWindow中重出串:路(SI形(园2),而接黠避LayoutWindow中momentumsubstratecreate/modify

去定建基板卷数。同3、4)；momentummeshsetup.设定切割展境的大小和切割的资i率，如做I5：momentumsimulation

S-parameters,做勤甯磁模掇器momentum或|荆始模掇，如囤|6,模摭结束彳麦可在DataDisplayWindow中看到模掇纽i果，如圈7

所示，贴逗momentumapost-processingaradiationpattern,去看速埸埸型(Far-6eldpattern),如网8所示;在188的视窗中可

对博currentsetportsolutionweights,^定想看甯流燮化的频率时如圈9、10,圈11秀出在湖对^率黠的重流燮化。

黠送小圄示即可以段看大131

园11在datadisplaywindow中建入equations

的I3定羲基板多数

圈|4定塾金爆卷数

国5^定meshfrequency和meshdensity

IS]6模^^定

士宜卫.kJJP吧生三Milid刈

粘您小圈示即可以段看大圈

圄7任DataDisplayWindow中秀出模擦的^果

钻遗小园示即可以觐看大画

圄8速埸埸型

阍9^定想看的打i率玷

El10避掷觐看黜i果的视窗

粘退小冏示即可以觐看大圈

(a)在0度的宙流箜化

钻避小I圄示即可以看大园

(b)在60度的重流复化

钻避小圈示即可以靓看大圈

(c)在120度的定流整化

钻避小园示即可以觐看大冏

(d)在180度的甯流燮化

9b*5，*'W*j

U-

钻避小I圄示即可以S!看大园

(e)在240度的名流燮化

钻避小I圄示即可以看大园

(f)在300度的甯流口化

钻逗小圈示即可以觐看大圜

(g)在360度的重流燮化

国11^振频率黠的雷流燮化

另一佃例子是ADS系统内建的例子。道他例子可以优ADSMainWindow中的Fileexampleprojectmomentumanterna

single_patch_prj找至“，我#他可以用之前建入的Equation去算南路的尺寸，如图12。揩基期((fundamentalfrequency)没定力》

扁7.6GHz,菸板的介宙保数卷2.2、厚度卷0.79mm,之彳友建横也体重路在LayoutWindow内，如隔13所示。模擦完之接可以在

DataDisplayWindow中看到结果，优圈14中可以看到雨顺皆振的频率钻，一他在7.6GHz,一他在18.37GHz。用第二低分析方法

来看可以知道第一便揩振赛I率舄TM001mode：第二低后皆振^率TM030mode.宙流变化和逋埸埸型分别在圄15、16口。

玷送小园示即可以被看大阔

偶I12前■算甯路的尺寸

.粘is小圈示即可以段看大圈

圜13箔路的怖如周I

粘遛小圈示即可以段看大圈

18114在DataDisplayWindow中秀出模拗^果

粘诵小圈示即可以段看大圈

(a)TMOOl7.6GHz

粘避小园示即可以靓看大园

(b)TM03018.37GHz

圈15旗流燮化

钻遗小园示即可以觐看大画

(a)逸埸埸型7.6GHz

粘避小圈示即可以靓看大圈

(b)逮埸埸型18.37GHz