微帶天線設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18785微帶天線設(shè)計(jì)案例 11924(一)微帶天線基本理論 1233061.微帶天線綜述 1109712.天線參數(shù) 2163053.天線增益 325624.天線饋電形式 33972(二)微帶天線高增益設(shè)計(jì) 453211.寄生貼片 4148572.微帶天線陣列 5微帶天線基本理論微帶天線綜述微帶天線擁有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如：體積相對(duì)較小、重量很輕；成本較低，對(duì)工藝要求不高，便于進(jìn)行大量生產(chǎn)加工；能夠和載體共性；易于集成，能將多個(gè)微帶天線組成，提高效率；結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。同樣相對(duì)的，微帶天線也存在一定的缺點(diǎn)：帶寬比較窄，難以滿足當(dāng)前需要，要克服這一缺點(diǎn)，可以通過(guò)疊層、縫隙加載等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；天線的輻射性能很大程度上會(huì)受到介質(zhì)基板的影響；損耗大、效率低。天線的損耗不僅會(huì)來(lái)自導(dǎo)體薄片上的損耗，還有來(lái)自介質(zhì)的損耗，想要減小這些損耗需要將介質(zhì)的性能提高REF_Ref6670\r\h[6]。微帶天線大體上可看作三個(gè)部分，分別為底層的接地板、中間層的介質(zhì)基板以及最表層的具有一定形狀的金屬薄片。接地板和表面的金屬薄片共同構(gòu)成一個(gè)諧振腔，通過(guò)兩者之間的縫隙來(lái)將諧振腔內(nèi)的能量進(jìn)行輻射。微帶天線按照輻射單元形狀的區(qū)別大致可以分為貼片天線、振子天線等。其中，微帶貼片天線是最基本的一種天線，它的貼片一般都是一些規(guī)則形狀的面積單元，常見(jiàn)的有矩形、環(huán)形、圓形等形狀。如圖2-1（a）所示，貼片天線最顯著的特點(diǎn)是它工作在諧振狀態(tài)從而輻射的效率比較高，但是與此同時(shí)天線的帶寬會(huì)受到一定影響。當(dāng)導(dǎo)體貼片為薄片振子時(shí)，稱之為微帶振子天線，如圖2-1（b）所示REF_Ref7836\r\h[7]。天線貼片（b）微帶振子圖2-1微帶天線形式對(duì)于微帶天線，一般情況下，介質(zhì)板的厚度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射貼片的長(zhǎng)度和寬度。設(shè)輻射貼片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，介質(zhì)板的高度為h。貼片寬度W為： (2-1)其中c為光速，為介質(zhì)基板的介電常數(shù)。貼片長(zhǎng)度L為： (2-2)其中為等效輻射縫隙長(zhǎng)度，計(jì)算公式為： (2-3)其中是有效介電常數(shù)，為： (2-4)天線參數(shù)在進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通常將天線看做電路負(fù)載，可以得到天線的阻抗，如式（2-5）所示： (2-5)其中和分別代表天線的輸入電阻和電抗。但是天線的阻抗不僅取決于天線的材質(zhì)、工作頻率，還與使用的介質(zhì)有關(guān)REF_Ref7836\r\h[6]。因此在實(shí)際操作中難以得到一個(gè)精確的阻抗值，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中都是采用近似值來(lái)進(jìn)行估算。在電路參數(shù)中，還有一個(gè)重要參數(shù)就是參數(shù)，S11表示回波損耗，即被反射回源端的能量多少，值越小天線的損耗越低。它表示反射功率與入射功率之比，如式（2-6）所示： (2-6)除開(kāi)參數(shù)，常用的還有駐波比，如式（2-7）所示： (2-7)其中是反射系數(shù)，為反射波電壓與入射波電壓的比值，來(lái)反應(yīng)天線的匹配情況。的值越小，反射功率百分比就越小，饋線的損耗就越小，天線的匹配程度也就越好。天線增益天線增益的定義為：在相同功率和相同位置處，實(shí)際天線與理想輻射單元在空間內(nèi)的信號(hào)功率密度比。它體現(xiàn)天線對(duì)輸入功率集中輻射的程度。天線增益是基于天線方向圖建立的，在方向圖上，若主瓣越窄、旁瓣越小，則天線的增益就越高REF_Ref7836\r\h[7]。表示天線增益的單位有兩種：和。表示相對(duì)值，是增益的概念，而不是一個(gè)具體的單位，實(shí)際上和一個(gè)意思。是相對(duì)于對(duì)稱振子天線的增益。兩者之間滿足的關(guān)系如式（2-8）所示： (2-8)天線饋電形式在天線接收或者輻射電磁波時(shí)，需要使用饋線來(lái)將天線與發(fā)射設(shè)備或者接收設(shè)備進(jìn)行連接。天線進(jìn)行饋電的方式主要分為微帶線饋電、電磁耦合饋電和同軸線饋電等。微帶線饋電如圖2-2所示，用一段寬度遠(yuǎn)窄于貼片的微帶線進(jìn)行連接，微帶天線與饋線處在同一個(gè)平面上，饋線作為天線輻射結(jié)構(gòu)的一部分，在加工過(guò)程中容易實(shí)現(xiàn)，但是饋線的加入會(huì)對(duì)天線的性能造成影響，為了減弱饋電帶來(lái)的影響，在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮增大天線的阻抗值，同時(shí)使饋線的寬度也要盡可能的窄，還可以選擇相對(duì)介電常數(shù)較大的介質(zhì)材料，這些都能夠改善饋線給天線整體輻射場(chǎng)帶來(lái)的影響。通過(guò)改變饋電點(diǎn)的位置，不僅影響阻抗匹配關(guān)系還會(huì)影響微帶天線上的電流分布REF_Ref9217\r\h[8]。圖2-2微帶線饋電電磁耦合饋電如圖2-3所示，電磁耦合饋電是一種無(wú)接觸式饋電，通過(guò)各輻射貼片之間的電磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)饋電。耦合饋電最早見(jiàn)于上世紀(jì)80年代，與其他饋電形式不同，它不需要再外加其他形式的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)占用饋電空間，減少了饋電端口的匹配工作，在進(jìn)行天線小型化設(shè)計(jì)方面提供了極大的便利。又由于此種饋電形式會(huì)存在耦合作用，這樣會(huì)使天線產(chǎn)生耦合諧振，使天線的帶寬增大REF_Ref9217\r\h[8]。圖2-3電磁耦合饋電同軸線饋電如圖2-4所示：同軸體穿過(guò)介質(zhì)板與輻射貼片直接相連，為了避免地板與貼片直接相連而造成短路，所以需要把地板層與同軸體之間的重疊部分刪去。采用同軸線饋電的方式，由于表面的絕緣性，所以不會(huì)對(duì)天線的輻射場(chǎng)造成較大影響，這樣就極大程度上簡(jiǎn)化了天線的計(jì)算，也使饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線輻射場(chǎng)的影響大大降低。同軸線饋電的缺點(diǎn)是集成難度較大、焊接比較麻煩，但是采用同軸線饋電可以任意選擇貼片的位置，方便天線的匹配REF_Ref6670\r\h[6]。圖2-4同軸線饋電微帶天線高增益設(shè)計(jì)寄生貼片本文設(shè)計(jì)的寄生貼片基于一款單饋點(diǎn)圓極化微帶貼片天線，饋電形式選擇如圖2-4所示的同軸線饋電。單饋點(diǎn)圓極化貼片天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于饋點(diǎn)的位置。如圖2-5所示饋點(diǎn)在x軸或者y軸上的貼片天線稱之為A型；若饋點(diǎn)位于矩形微帶貼片天線的對(duì)角線上，則稱為B型。本文設(shè)計(jì)的微帶貼片為A型貼片天線。圖2-5A型單饋點(diǎn)圓極化貼片天線本文設(shè)計(jì)的這款寄生貼片，通過(guò)在微帶貼片天線的上層再增加一層寄生輻射貼片的方式，來(lái)增加帶寬。寄生貼片結(jié)構(gòu)如圖2-6：圖2-6寄生貼片結(jié)構(gòu)上層寄生輻射貼片的介質(zhì)基板厚度設(shè)為0.6mm，下層微帶貼片的介質(zhì)基板厚度設(shè)為0.8mm，兩個(gè)介質(zhì)基板選用的材料一致，采用介電常數(shù)為3.55的RogersRO4003(tm)，兩個(gè)貼片都為正方形貼片，能夠更大限度的擴(kuò)展天線的帶寬。在寄生貼片和微帶貼片中間存在一個(gè)空氣層，可以選用低介電常數(shù)的介質(zhì)板REF_Ref10030\r\h[9]。微帶天線陣列陣列天線的原理是：多個(gè)天線輻射的電磁波會(huì)在一個(gè)方向上進(jìn)行疊加，同時(shí)在另外的方向上又會(huì)相互抵消。在微帶天線陣列中最簡(jiǎn)單的一種排列方式就是微帶線陣，按照饋電結(jié)構(gòu)方式的不同又分為串聯(lián)式饋電和并聯(lián)式饋電。串聯(lián)式饋電陣列中所有的天線單元都沿著一條傳輸線排列，利用這條傳輸線來(lái)進(jìn)行饋電REF_Ref10494\r\h[8]，結(jié)構(gòu)如圖2-7所示：圖2-7串聯(lián)式饋電并聯(lián)式饋電陣列中每個(gè)天線單元的饋電都是獨(dú)立進(jìn)行的，饋電方式為并和式功率分配網(wǎng)路，并聯(lián)式陣列的饋電形式常見(jiàn)結(jié)構(gòu)為均勻分布REF_Ref6670\r\h[6]，如圖2-8所示：圖2-8并聯(lián)式饋電均勻式分布對(duì)于天線陣列來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增加天線陣元的數(shù)量來(lái)提高陣列的方向性。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法就是設(shè)計(jì)均勻直線陣。在均勻直線陣中所有天線陣元的結(jié)構(gòu)都相同，每個(gè)天線陣元之間的距離也相等，相位線性增大或者減小?；谝陨显恚疚脑O(shè)計(jì)了一款四元陣列，陣元的尺寸根據(jù)式(2-1)、(2-2)，使用MATLAB計(jì)算所得，如圖2-9所示：圖2-9陣元尺寸計(jì)算饋線的寬度計(jì)算如圖2-10所示：圖2-10饋線寬度計(jì)算通過(guò)計(jì)算得出陣元的尺寸為37.3mm×28.8mm，饋源寬度為3mm，選用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板，高度為1.575mm，用HFSS進(jìn)行模擬仿真，S11、增益如圖2-11、圖2-12所示：圖2-11陣元S11參數(shù)圖圖2-12陣元增益圖陣元的阻抗如圖2-13所示：圖2-13陣元的阻抗根據(jù)上面對(duì)單個(gè)陣元仿真的結(jié)果，來(lái)進(jìn)行四元陣列的設(shè)計(jì)，陣列采用并行饋電的方式，結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。根據(jù)圖2-13可以確定陣元的邊緣阻抗約為128.5Ω，然后參照如圖2-10所示的方法計(jì)算匹配線的寬度，匹配線1寬度為0.