Transcript 1. 1 微带天线的历史与优缺点

1. 1 微带天线的历史与优缺点
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和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：
⑴ 体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形，并且除了在馈电
点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。
⑵ 性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围
内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式
下工作。
⑶ 能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整
机的制作和调试，大大降低了成本。
和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：
⑴ 相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线，现已有一些改进办法，参见第四
章。
⑵ 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在
匹配负载上有较大的损耗。
⑶ 单个微带天线的功率容量较小。
⑷ 介质基片对性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均
匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。
1.2 微带天线的馈电技术
对微带天线的激励方式主要分为两大类：直接馈电法和
间接馈电法。直接与贴片相接触的方法称为直接馈电法，
目前普遍采用的有同轴背馈法和微带线侧馈法。与贴片无
直接接触的激励方法就是间接馈电法，此类方法主要有：
电磁耦合法，缝隙耦合法和共面波导馈电法等。馈电技术
直接影响到天线的阻抗特性，所以也是天线设计中的一个
重要组成部分。
1.3 馈电结构模型
同轴探针馈电模型
微带线侧馈模型
介质基板1
介质基板2
馈线
接地板
电磁耦合馈电模型
辐射贴片
矩形槽
共面波导
缝隙耦合馈电模型
共面波导馈电模型
1.4 微带天线的应用

微带天线的优势有：低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的天线；
可集成到无线电设备内部，可用于室内，也可用于室外；其尺寸可大可
小，大的微带天线其长宽可到十几米，而一副用于PCS的内部集成的宽
带微带天线，其尺寸是15mm×15mm×1.5mm。显然，其优势是明显
的。目前，微带天线已在空间技术，移动通信卫星和手持便携式通信设
备中得到了广泛的应用。

对微带天线的研究正在蓬勃地展开，这是一个具有极强生命力的课题。
随着相关技术的发展，微带天线无论在理论研究，还是在工艺制造上都
将越来越成熟，必将开辟更为广阔的应用领域。
2 微带天线的分析方法

传输线模型(TLM—Transmission Line Model) ：最早出现的也最简单，把
微带天线的分析简化为一维传输线问题 主要应用于矩形贴片

腔模理论(CM－Cavity Model) ：是在对微带谐振腔分析的基础上发展起
来的 ，发展到基于二维边值问题的求解 ，可用于各种规则贴片

积分方程法(IEM－Integral Equation Method)，即全波(FW－Full Wave)分
析理论：最为复杂也是最精的，计入第三维的变化，可用于各种结构、
任意厚度的微带天线，然而要受到计算模型的精度和机时的限制
3.1 影响微带天线带宽的因素

带宽的定义：带宽(BW)往往以输入端电压驻波比系数(VSWR)的值小
于某给定值的频率范围来表示，若给定的VSWR值为S，则VSWR<S的
频带宽度BW为：BW  (S 1) / QT
S

1
1
1
1
1




QT Qr Qc Qd Qsw
影响带宽的因素
宽长比(W/L)
介质损耗角正切 tan 
相对介电常数
基板的厚度
r
变化方向
品质因素的变化
对带宽的影响
增加
Qr 变小， Q sw 变小
BW 增大
变大
变小
增大
Qd
变小
Qr 变小， Q sw 变小
Qr 变小，
Q sw 变小，Qc 变大
BW 增大
BW 增大
BW 增大
3.2 各种展宽微带天线带宽的途径

一、基本途径：降低等效谐振电路Q

二、增加额外谐振点：附加寄生贴片、采用 LC谐振电路、
加载短路探针

三、附加阻抗匹配网络

四、其他途径
4 宽频带微带天线

4.1 采用介电常数较小的厚介质基板
基板厚度h的增加使得天线的辐射电导也随之增大，辐射对应的 Qr 及
总的 QT 下降；介电常数较小时，介质对场的束缚减小，易于辐射，天
线的储能减少，综合两者，天线的频带变宽。
y
W
一、E字形贴片天线
w
z
x
L
Theta
d
l
y
x
0
Phi
x
空气介质层
h
馈点探针
2.04GHz～2.91GHz，35.1%
天线E面辐射方向图
天线H面辐射方向图
(a) f =2.13GHz
(b) f =2.7GHz
天线贴片上的电流分布情况
最大变化幅度不超过1dB，
最大增益达到了9.05dBi

二、采用L形耦合馈电方式的微带天线
y
Wg
W
z
金属带
Lg
Theta
x
L
y
a
探针
0
d
Phi
x
泡沫
支撑块
泡沫
支撑块
h
接地板
L形耦合馈电微带天线的S参数
天线输入阻抗变化曲线
(3.86GHz～5.8GHz)，40.2％
天线E面辐射方向图
天线H面辐射方向图

三、脊形接地板微带贴片天线
y
d
z
Theta
Lg
x
L
y
a
0
Phi
x
同轴探针
h
H
2.02GHz～3.9GHz ,64%
天线E面辐射方向图
天线H面辐射方向图
四、使用金属斜面馈电的微带天线
z
Theta
h
50
53
馈电点
100

a
y
28
塑料支撑杆
ß
18
U 形接地板
80
Phi
x
2.15GHz～4.76GHz ，BW＝75.5％
d

y
五、蜿蜒探针馈电的微带天线
z
x
W
g2
h1
L
h2
S
Ws
y
g1
x
z
z
蜿蜒馈
电片
接地板
Hp
同轴探针
y

x
1.6GHz～2.24GHz, 640M , 33.3%
天线E面辐射方向图
1.64GHz～2.16GHz , 540M,27%
天线H面辐射方向图
最大增益达到了9.19dBi
最大变化幅度不超过1.45dB
4.2 增加额外谐振点

一、 附加寄生贴片
h
W2
L2
贴片2
a
b
d
L3
贴
片
3 S
L1
S
贴片1
W3
y
接地板
x
z
贴
片
4
L4
r
W1
W4
y
z
x
2.66GHz～3.06GHz, 400M, 14%
2.65GHz～2.71GHz, 60M, 2.2%
泡沫介质层
L1
h1
L
h

x
二、采用LC谐振电路
L
a
x
W
b
l1
r
d2
d1
同轴探针
l2
h
接地板
W
三、在贴片和接地板之间加入短路探针
y
L
(0.1, 17)
(34.2, 8.4)
短
路
探
针
(0.1, 0)
x
3.62GHz～7.32GHz, 67.5％
(0.1,-17)
空气介质层
同轴探针
接地板
4.3 附加阻抗匹配网络

一、单调谐枝节匹配技术
3.375GHz～3.855GHz, 13％

二、枝节匹配在同轴探针馈电的微带天线中的应用
1.78GHz~2.31GHz, 26%
微带天线的E面辐射方向图
微带天线的H面辐射方向图
4.4 展宽微带天线频带的其他途径
y

采用3维V字形贴片天线
W
a
L
z
x
金属片
Theta
b
d
y
0
Phi
V字形贴片
x
h2
h1
接地板
c
1.86GHz~5.36GHz，97%
E面辐射方向图
1.95GHz~3.04GHz, 44%
H面辐射方向图
5 多频带微带阵列天线


多片法和单片法
5.1 L/X波段双频微带阵列天线
L波段单元
X波段天线单元和L波
段单元的馈电网络
第四层
第三层
接地板
第二层
第一层
X波段单元的馈电网络

一、X波段微带阵列的设计
耦合缝隙
5mm
1mm
4mm
30mm

二、L波段微带阵列的设计
75
50
46mm
16mm
50
开路匹配枝节
120mm

三、综合分析
8.52GHz～9.3GHz, 780MHz
X波段阵列E面辐射方向图
8.9GHz
X波段阵列H面辐射方向图
1.62GHz～1.67GHz, 50M
L波段天线阵列E面方向图
1.65GHz
L波段天线阵列H面方向图

四、L/X双频微带阵列天线各项性能指标
5.2 S/X波段三频段微带阵列天线
S波段和X波段天线单元
接地板
第二层
第一层
X波段单元的馈电网络

一、X波段微带阵列的设计

二、S波段微带阵列的设计
10mm
10mm
40mm
2.5mm
2.5mm
5mm
3.5mm
1mm
4mm
4mm
7mm
1mm
4mm
9mm
25mm, 75mm
5mm

三、综合分析
800MHz , 8.48GHz～9.28GHz ,
X波段阵列E面辐射方向图
8.9GHz
X波段阵列H面辐射方向图
20MHz 中心频率：2.75GHz，
S波段天线阵列E面方向图
11MHz 中心频率：3.01GHz
2.75GHz
S波段天线阵列H面方向图
S波段天线阵列E面方向图
3.01GHz
S波段天线阵列H面方向图

四、L/X双频微带阵列天线各项性能指标
6 总结

本文对微带天线的宽频带和多频带技术做了大量
的分析、研究。研究了若干种实现宽频带和多频带
的方法。最后，利用Ansoft HFss和Designer天线仿
真软件，仿真实现了八款宽频带微带天线，一款共
享同一物理口径的L、X波段双频微带阵列天线和一
款共享同一物理口径的S、X波段三频段微带阵列天
线。
谢谢指导！