微带天线的报告（大全）

第一篇：微带天线的报告（大全）

微带天线的综述

卢宁

摘要：移动通信技术的迅速发展和应用，有力地推动了现代通信天线向小型化、多功能(多频段、多极化和多用途)的方向发展，设计小型化多功能天线已成为当前天线界研究的重点。微带天线以其体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，易于制造，成本低，易于与有源器件和电路集成为单一的模件，便于实现圆极化、双极化和双频段等优点得到日益广泛的关注和应用。本文详细介绍了关于微带天线的基础知识。微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。以图1.1所示的矩形微带贴片天线为例，可以简单说明其辐射机理。

图1.1 微带天线辐射机理示意图

矩形微带贴片天线由介质基片、在基片上面的矩形导电贴片(辐射器)和基片下面的接地板构成。假定电场沿微带贴片的宽度与厚度方向没有变化，则辐射贴片上的电场仅沿贴片长度(/2)方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为/2，所以，法向分量反相，由它们产生的远场区在正面方向上互相抵消。平1 行于地板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以，贴片可表示为相距/

2、同相激励并向接地板以上半空间辐射的两个缝隙。

微带天线的辐射场是由各种假定的电流及其沿天线结构的分布得来的。为了求解微带天线辐射场中的远场值(方向图等)，必须知道贴片表面精确的电流分布。如果介质材料各向同性、均匀且无损耗，微带导体和地板导体的电导率为无限大，则面电流和面磁流可以分别用切向电场和切向磁场表示为:

ˆ-----面法向单位矢量 式中:n图1.2就是微带天线辐射边沿的场态和电流密度分布(侧面图)。由图中可以清晰地看出，微带天线的向外辐射是由边缘缝隙实现的。实际应用中，为简单起见，可以认为贴片单元上、下表面的面电流和面磁流相同。然后，就可以使用位函数由面电流和面磁流求解辐射场。

图1.2 微带天线辐射边沿场态和电流密度(侧面图)假定只有电流存在，则微带天线外部任意点p(,,)的电场和磁场为:

式中：-----介质的介电常数，F/m -----磁导率，H/m -----角频率，rad/s 上标e表示由电流产生的场，磁矢量位函数:

式中:k0-----自由空间波数，cm

1K(r)-----距离原点为日的点上的面电流密度，A/m2

同理，使用电矢量位函数F，磁流产生的场为:

上标m表示磁流产生的场，电矢量位函数F为:

式中:M(r)-----距离原点为r的点上的面磁流密度，H为简单起见，所有场和电流的时间因子ejt/m2

均略去。总场为:

电矢量位函数F和磁矢量位函数A都是下列波动方程的解:

在远场中，有意义的场分量只是相对于传播方向的横向分量。只考虑电流时，式可以写为: 而在自由空间中

只考虑磁流时，式可以写为:

式中:0-----自由空间波阻抗， 微带天线分类

微带天线的特征之一就是相对于普通的微波天线有更多的物理参数，可以有任意的几何形状和尺寸。微带天线可以分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。2.1微带贴片天线

微带贴片天线(Microstrip paste Antenna，MPA)由介质基片、在基片一面上形状任意的导电金属贴片和基片另一面的接地板构成。实际上，能计算辐射特性的贴片图形是有限的(仅限于矩形、三角形、圆形和五角形等几种图形)。而另外几种可能的形状如图2.1所示。

图2.1微带贴片天线其它可能几何图形

2.2微带行波天线 微带行波天线(MicrostriP Traveling-wave Antenna，MTA)由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片另一面上的接地板组成。原则上，任何一个TEM波传输体都可以改造成一个行波天线。对微带线而言，TEM波传输线天线分为两种:微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。通常驻波天线为边射，而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。因此，当波瓣指向边射方向时，行波天线就成为驻波天线。微带行波天线一般为周期性结构，可预先计算其辐射特性。同其它行波天线一样，可以用频率来控制主辐射方向。

图2.2 微带行波天线

2.3微带缝隙天线

微带缝隙天线(Microstrip Slot Antenna，MSA)由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。其概念是由带状线缝隙天线发展而来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。带状线缝隙天线的研究和应用都已比较成熟，但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。

图2.3 微带缝隙天线

MSA的优点是能产生双向或者单向方向图。在微带天线的设计中，采用贴片和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。沿着微带馈线一边排列的导带和 5 缝隙的组合可以产生圆极化辐射场。微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。

3微带天线的激励方法

大多数微带天线在介质基片的一面上有辐射贴片，因此多采用微带馈电或同轴线馈电。因为天线输入阻抗通常不等于50传输线阻抗，所以需要匹配。匹配需要恰当选择馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。

图3.1 馈电模拟

3.1微带馈电

微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电。馈电点的位置将决定激励出哪种模式。如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹配。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之改变，进而使馈线和天线之间的藕合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变，可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。

对于微带馈电，如图3.1（a）所示，利用惠更斯原理可以把馈源模拟成贴在磁壁上沿特定方向的电流带。在薄的微带线中，除了馈线的极邻近区域外，在贴片边界上的任何地方，这个电流都很小。在理想情况下，可视馈源是一定电流 6 的均匀电流带，以此来为天线提供激励。3.2同轴线馈电

一般情况下，同轴线的外表插座安装在接地板(印刷电路板)的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定的天线模式，同轴馈电点的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。如图3.1（b）示，根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。如果忽略磁流的贡献，并假定电流在圆柱上是均匀的，则可进一步简化。简化到最理想的情况是，取出电流圆柱，用一电流带代替，类似微带馈电的情况。该带可认为是圆柱的中心轴，沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带，对于给定馈电点和场模式，等效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹由经验确定。

4矩形微带天线的分析方法

毫无疑问，最简单的微带贴片结构是矩形微带天线。其基本天线元是薄介质层上的矩形金属贴片，介质层背面是接地板。由于这种天线结构简单，因而成为大量研究论文的课题，并且多方努力预计和计算矩形微带天线的辐射特性参数(如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带宽度等)，这样就可以大大提高天线研制的质量和效率，降低研制成本。目前己经出现了许多分析微带天线的方法，如传输线法、腔模理论、格林函数法和数值计算法等。这些方法互相补充、各有长短，不同形状、不同配置的矩形微带天线都可以找到适当的方法进行理论分析，对于微带天线的设计和分析十分有利。

进行微带天线分析，就是对已经由设计指标设计得到的天线模型进行预测，预测它的辐射特性、各项参数是否满足要求，近、远场特性如何，通过分析，改进设计中的不足，减少边做边试的循环次数，因为矩形微带天线的自由度比较多，很多参数互相影响限制，盲目地、毫无根据地“乱试”只会造成时间、精力和财力上的大量耗费。必须弄清各种分析方法的优、缺点和局限性，在研究传统分析方法的基础上，不断了解最新的设计分析方法、改进方法以及各种新的天线机构，方能事半功倍。4.1矢量位法

考虑矩形微带天线辐射的严格解。可用Sommerfeld提出的波传播模理论来 7 确定水平电偶极子产生的场，并用数值法求解天线的特性。如图4.1所示的微带天线，基片的相对介电常数是r，厚度为h，微带上的电偶极子产生的场可用矢量位A来确定。

图4.1 矢量位法坐标系

为了满足空气介质分界面上的边界条件，A必须有x和z分量，这些分量满足非奇次亥姆霍兹方程:

式中:(r)-----狄拉克占函数

由式解出A后，可以求出电磁场:

因此只要找到矢量位A，就可以得到电磁场的解。由于A的严格解是从方程中解出来的严格解，写不出显明的表达式，分析结果并不令人满意，而且也很难对所得结果做出清楚的物理解释。4.2并矢格林函数法

众所周知，知道并矢格林函数，任意源分布的场可由重积分求出。Alexopoulos等人研究了印制在带地板的基片赫兹偶极子的并矢格林函数:

式中：

在一定假设下，贴片天线可认为是二维传输线。应用边界条件、麦克斯韦方程和连续性方程可求出电流密度分量JX和JY。但和矢量位法的情况一样，这种方法在数学上的计算也很麻烦，不易于分析。4.3导线网模型

Agarwal和Bailey将微带辐射结构模拟成细导线构成的导线网，应用Richmond反作用定理求得导线段上的电流，就可以得到天线的全部特性。虽然当线网够细时，此法可以得到很好的结果，但计算需要相当大的计算机存储量，提高了设计成本。传输线模型

上述所有模型在预测微带天线辐射特性方面都不够完美，且计算量较大。Munson和Derneryd提出的传输线模型可以得出适合大多数工程应用的结果，并且需要的计算量不大。如图4所示此法的物理模型。假设:(1)微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，波的传输方向决定于馈电点。线段长度Lm/2，m为准TEM波的波长。场在传输方向上是驻波分布，而在其垂直方向(图中的宽度方向)上是常数。(2)传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝，长为L，宽为W，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带贴片两端的延伸面上，即将开口面向上折转90，而开口场强也随之折转。

由上述两条基本假设可以看出，当Lm/2时，两个缝隙上的切向电场均为x方向，且等幅同相，等效为磁流。由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上半空间辐射，缝上等效磁流密度为:

 9 式中:V-----传输线开口端电压，V

4.2 传输线法物理模型

由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按照自由空间处理，这 正是该法的方便之处。

图4.3微带天线等效电路

YS图4.3是按照传输线法建立的微带天线等效电路。图(a)为微带馈电方式，为缝隙辐射导纳，Y0为微带贴片特性导纳;图(b)为同轴馈电方式，探针从接地板穿孔引出(称为“底馈”)，该等效电路与图(a)的不同之处在于:(l)它在微带贴片开口端馈电，激励源离始端距离X1。(2)探针本身要引入感抗，用YP表示。

利用上述等效电路可以求出缝隙的辐射导纳，然后利用传输线公式变换得到输入导纳。当变换后的阻抗为实数时，表明天线发生了谐振，即可求得天线的谐振频率。

对于图4.3（a）的微带馈电方式，输入导纳为: 10

B用等效伸长l表示:

式中:e-----传输线的等效介电常数，F/m 谐振时，Yin2G，在式中令总电纳等于零，即可得到:

由上式便可求出丸或谐振频率。

传输线法简明、物理直观性强。但仍由于一些缺陷使其应用范围受到很大限制。(1)传输线模型限制它只能用于矩形微带天线及微带振子。(2)除了谐振点外，输入阻抗(导纳)随频率变化的曲线不准确。(3)缝导纳计算不准确，它的电纳部分通常按准静法计算，所得到的等效伸长在高频条件下不够准确。4.4腔体模型

腔体模型分析是在微带谐振腔分析的基础上发展而来的。实际上，谐振式微带天线的形状和微带谐振腔并无显著区别。分析微带谐振腔的一般方法是:规定腔体的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频率、品质因数和输入阻抗等。把这种方法移植到微带天线中来，称为“单模理论”。但是这种简单的方法也如传输线法一样，在一些情况下难以得到满意的结果。作为此法的改进，发展了“多模理论”。它把腔内场用无限正交模表示，因而可以比较准确的代表腔内场。该理论假设微带天线h0，在贴片的内层区将微带贴片与接地板之间的空间看作四周是磁壁和上、下两面为电壁的腔体。天线中的场可假定为腔体的场，从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电点在任何位置的输入导纳。

腔体模型是对传输线法的发展，尤其是应用于计算介质厚度不超过介质波长 的百分之几的微带天线。腔体模型分析法可用于多种形状的贴片天线的理论分析，得到比较满意的结果，计算也不很复杂，因而为工程界广泛采用。4.5积分方程法

传输线法和腔体模型，都没有考虑场在贴片垂直方向上的变化，对于大多数“薄”微带天线来说，这种简化不致引入较大的误差，但是对于“厚”微带天线，即介质层厚度与波长可比拟时，这种简化就不准确了。此外，上述方法对微带贴片的形状有要求，不符合规定形状就得不到解。与之相比，积分方程法除了不受这些限制外，还有如下特性:(l)准确性:积分方程法可以给出阻抗和辐射特性最精确的结果。(2)完整性:积分方程法对大多数效应的分析是完整的，包括介质、导体损耗、空间波辐射、表面波效应和单元间的互祸现象等。(3)通用性:积分方程法可用于分析任意形状的微带天线单元和阵列，各种类型的馈电技术，多层几何图形。(4)计算复杂性:积分方程法需要极大的计算量。因此此法虽然发展较晚，仍以其严格性和灵活性得到了国内外众多研究者的关注。

积分方程法通常先求出在特定边界条件下单位点源所产生的场，即源函数或格林函数，然后应用叠加原理，求得源函数和源分布的乘积，最后在源所在区域进行积分而得出总场。因为源通常未知，因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程，在解出源分布后再由积分算式来求出场。积分方程法的解是严格的解析解，可以借助计算机进行大量复杂繁琐的推导。直接以数值的、程序的形式代替微分或积分方程等解析形式，通常以差分代替微分，用有限求和代替积分，从而将问题化为求解差分方程或代数方程，利用数值结果解决问题。目前此法己经发展成为电磁领域独立的一门新型学科--一计算电磁学。

当前在计算电磁学中使用较多的方法主要有两大类，一类是以积分方程为基础的数值方法，如矩量法系列;另一类是以微分方程为基础的数值方法，如有限元系列。需要指出，积分方程和微分方程对同一天线问题的描述是可以互相转换的，并且，将两者混合用于同一问题的求解，可以发挥各自优势，效果很好。下面就介绍几种最普及的数值分析法。4.5.1矩量法

矩量法(MoM)是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，此法对于求解微分方程和积分方程均适用。矩量法就是先将需要求解的微分方程或积分方程写 12 成带有微分或积分算符的算子方程;再将待求函数表示为某一组选用的基函数的线性组合并代入算子方程;最后用一组选定的权函数对所得的方程取矩量，就可以得到一个矩阵方程或代数方程组。接下来就是利用计算机进行大量的数值计算，包括矩阵的反演和数值积分等。

使用矩量法作为内核的商用电磁软件主要有Zeland的IE3D和Agilent 的ADS Momentum。4.5.2有限元法

有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。它把整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。对于二维问题，可选取三角形、矩形等作为单元，其中以三角形适应性最广;对于三维问题，可选取四面体、六面体作为单元，可视具体问题灵活规定。这些基函数在各自的单元内解析，在其它区域内为零。通过规定每个单元中合适的基函数，就可在每个顶点得到一个基函数，分片解析函数通过这些单元间的公共顶点连接起来，拼成一个整体，代替全域解析函数，最后通过相应的代数等价化为代数方程求解。

有限元法具有强大的生命力和广阔的应用前景，主要因为:(1)有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、激励的广泛适应性。

(2)有限元法基于变分原理，将数理方程求解变成代数方程组的求解，因此非常简易。

(3)有限元法采用矩阵形式和单元组装方法，其各环节易于标准化，程序通用性强，有较高的计算精度，便于编制程序和维护，适宜制成商业软件。

(4)国际学术界对有限元法的理论、计算技术以及各方面的应用做了大量的工作，许多问题均有现成的程序，可用的商业软件资源相对较多。

在有限元发展初期，其灵活性和通用性的优点及解题能力广受欢迎，取 得了巨大进展，可以说这一方法在包括天线分析在内的电磁领域及其它场科 学中都得到了一定应用与发展。但随着对有限元法的研究，特别是工程上实 际应用的深入，一些问题随之暴露:(l)所解问题的复杂性和经费、时间以及计算机能力有限之间存在矛盾。有限元深入到诸如三维、组合、复合、瞬态、祸合、波动、无限域、非线性等领域，13 所需单元数、内存与计算工作量浩大惊人，造成理论上有限元都能解决，实际上由于经费、计算机条件所限，在工程应用上又难以实现的状态。

(2)此法属于区域性解法，因此分割的元素和节点数较多，导致所需要的初始数据复杂、繁多，使用不便。

2(3)有限元法产生的代数矩阵方程的条件数O(h)，随着网格细分，单元尺寸h变小，条件数变坏，最终导致计算结果很差。

(4)对于无限区域中的求解问题，由于其边界条件难以妥善处理，即使求得结果，其误差也较大。

使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件主要有Ansoft的HFSS和安世亚太的ANSYS。

4.5.3时域有限差分法

时域有限差分法(FDTD)是求解电磁问题的一种数值技术，是在1966年由K.5.Yee第一次提出的。FDTD法直接将有限差分式代替麦克斯韦(Maxwell)旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，用具有相同电参量的空间网格去模拟被研究体，选取合适的场初值和计算空间的边界条件，进行求解。具体地讲，该方法在空间和时间上采用间隔半个步长的一种网格，通过跳跃式的步骤用前一时刻的电场或磁场值得到当前时刻的电场或磁场值，在一个时间步上用此过程计算整个空域，然后再进行下一个时间步的所有空域网格计算，进而得到整个空域随时间变化的电磁场值，通过傅立叶变换可得到三维空间的谱域解。

时域有限差分法使电磁领域的理论与计算从处理稳态问题发展到瞬态问题，从处理标量场问题发展到直接处理矢量场问题，这在电磁领域是个极有意义的重大发展。它简单直观，容易掌握，因此正在微带天线的分析和设计领域崭露头角。首先它从麦克斯韦方程出发，不需任何导出方程，避免了使多的数学工具，是电磁场计算方法中最简单的一种;其次它基于概括电磁场普遍规律的麦克斯韦方程，实质上是在计算机所能提供的离散数值时空中仿真再现电磁现象的物理过程，非常直观工。

使用时域有限差分法作为内核的商用电磁仿真软件主要有RECOM的CST。

5微带天线的小型化技术近年来，移动通信业务发展迅速，手机、蓝牙等终端对天线的小型化和紧凑性都提出了较高的要求工，天线小型化技术得到了较快的发展。

天线的最大带宽和增益都取决于天线的尺寸，尺寸一旦减小，会使天线的效率下降，带宽变窄。通常的做法是使天线与馈线阻抗匹配，满足输入端驻波比的要求。但是这种做法需要匹配电路，不适合手机这种对天线尺寸、重量都有一定限制的设备。因此手机终端天线一般采用自谐振系统，即不需要阻抗匹配电路，使天线在谐振频率上输入阻抗呈纯电阻性，直接与馈线匹配。

天线的小型化是指减小微带天线的尺寸而保持其工作频率不发生变化。随着研究的不断深入和拓展，针对不同的小型天线(如线天线、平面倒F型天线、介质振荡器天线、缝隙天线、螺旋天线以及印刷微带天线等)都提出了多种不同的小型化方法。5.1天线加载

对于一般的矩形微带天线，天线中的电流在一个开路端和另一个开路端之间形成驻波，因此两个开路端之间存在一条零电位线。如果在零电位线处对地短接，就可以形成开路到短路的驻波结构，形成谐振，这样天线的尺寸就可以减小一半。基于这样的思想，就可以用加载的方法实现这种对地的短接。

微带天线加载方法主要有短路加载和电阻加载两种。

对于短路加载，通常有两种方法:加载短路壁和加载短路销钉。

图5.1（a）所示是加载短路壁的微带天线。视短路壁的宽度，可以分为加载短路面(长度等于辐射贴片侧面宽度)和加载短路片(长度小于辐射贴片侧面宽度)两种，可根据具体情况予以选择。这种结构的天线是/4结构的微带天线，相对于半波结构的矩形微带天线，加载短路壁会使矩形微带天线的长度减少一半，达到了小型化的目的。

图5.1微带天线短路加载示意图

在微带天线上加载短路销钉，通过与馈点接近的短路销钉在谐振空腔中引入 祸合电容以实现小型化，典型结构如图5.1（b）所示。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置，天线尺寸可缩减50%以上。其主要缺点是:(l)阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的距离，在制造公差上要求极高。(2)带宽较窄，不利于实现宽频。(3)H面交叉极化电平相对较高。电阻加载就是将短路壁替换为低阻抗的切片电阻，在进一步降低谐振频率的同时还可以增加带宽。随加载电阻增大，天线总品质因数降低，带宽展宽，制造公差降低，但这些性能的提高是以牺牲增益为代价的。一般，加载1切片电阻，增益下降约1.5dB。加载切片电容也可以有效降低谐振频率，减小天线尺寸。5.2采用高介电常数材料介质层

微带天线是一个半波辐射结构。矩形微带天线通常采用比较薄的介质基 片(h<<g)，其谐振频率由下式近似给出:

可知，天线谐振频率f与r成反比，因此对于固定的工作频率，可以采用r较大的高介电常数基片来降低f，从而减小天线尺寸。

图5.2是用于GPS的接收机的圆极化切角微带天线图。图(a)和(b)采用不同介电常数的基片材料，天线工作频率同样是1575MHz。图(a)采用的是普通微波介质材料r=3，h=1.524mm;图(b)所示天线采用的是陶瓷材料r=28.2，h=4.75mm。天线(b)采用比天线(a)更厚的介质层是为了保证有足、够的圆极化轴比带宽。

图5.2采用不同介电常数介质层的天线尺寸对比 可见，天线(b)的面积只有天线(a)的10%，这和式(3-l)计算的结果是一致的。因此，采用r=28.2的陶瓷材料代替r=3的普通微波材料，在固定的工作频率上，天线的尺寸可以缩小90%。这类高介质天线的主要缺点是:(1)激励出较强的表面波，表面损耗较大，使天线的增益减小，效率降低。(2)天线带宽较窄，为提高增益，常在天线表面覆盖介质。如图5.3所示，天线下层是高介电常数介质，上层覆盖了介质，在实现小型化的同时得到了较高增益。

图5.3表面覆盖介质层图 图5.4表面开槽

5.3表面开槽

微带天线表面开槽技术，又称“曲流技术”，是通过表面开槽改变电流路径从而实现天线小型化的一种行之有效的方法，目前在微带天线小型化及圆极化中的应用最为广泛。微带天线表面开槽分为“辐射贴片开槽”和“接地板开槽”两种形式。贴片开槽技术简单来讲，就是在贴片表面开不同形式的槽或细缝，这些细缝切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可以模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽形及开槽位置，就可以降低天线的谐振频率，从而等效减小了天线的尺寸，实现小型化。如图5.4所示，在贴片表面开了四个L形槽，降低了天线的谐振频率，天线尺寸比开槽之前减小了20%。

以矩形微带贴片天线为例，如图5.5所示为矩形贴片的非辐射边插入一U形细缝后的贴片表面电流分布。可以看出，天线表面电流被有效的弯曲，固定尺寸的矩形贴片上电流路径的有效长度大大增加，天线谐振频率显著下降，天线尺寸大大减小。

图5.5贴片开槽后表面电流分布

“开槽”后天线的辐射机理可以参考微带缝隙天线来分析。不同的是，贴片天线的缝隙开在贴片上，而缝隙天线的缝隙是开在接地板上。缝隙天线的辐射场可以用电矢量位法计算，当缝宽比真空波长小很多时，可由推导出的公式求出E面和H面上的方向图。

式中：

接地板开槽技术形式与贴片开槽无异，也是利用细缝改变电流路径，保持贴片形状不变，在接地板上开槽，可以引导贴片中的电流发生弯曲，增加电流路径的有效长度，降低谐振频率。同时，接地板开槽使微带天线的Q值有所降低，相应的带宽也会增加，本文将加载技术与表面开槽技术结合在一起使用，有效地实现了微带天线的小型化。将贴片表面适当开槽，同时加载适当长度的短路壁，得到了比较理想的谐振频率以及带宽，而且天线尺寸较小，满足实际需要。5.4附加有源网络

缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网给的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性:(l)工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，可以使天 18 线带宽高低端频比达到2030。(2)增益高，方向性好。(3)便于实现阻抗匹配。(4)方便实现天线有关性能参数的电控(包括方向图、主波方向和前后辐射比等)。(5)有源天线阵具有单元间弱互藕的潜在性能，而且有源天线还无需考虑噪声及非线性失真等问题。

6微带天线的多频技术

目前移动终端手机天线的多频技术的研究热点就是三频或多频手机天线。从实现双频或多频段工作的贴片结构以及基片等物理结构上来分类，实现多频工作可采用单片或双片两种方式。

采用单贴片:(l)利用几种不同的自然模式(矩形贴片如TM10模和TM01模)。（2）通过加载或开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰。这两种方法都可以实现双频或多频工作。

采用多贴片:(1)单层介质。利用谐振频率不同的贴片形成双谐振，或采用各个辐射单元构成多频点谐振。(2)利用多层重叠贴片结构形成多个谐振器，从而产生多频段工作特性;采用多层贴片重叠、各自馈电的贴片结构，形成双频段工作特性。

多贴片结构比较复杂，近来微带天线的发展方向是小型化，易集成。单贴片方法中，通过销钉加载或开槽改变贴片自然模场分布的方式，具有原理简单、易于实现的特点，应用极广。

实际设计的天线在实现多频的同时，一般都要综合采用其它技术来实现别的性能指标(如极化等)，但结构比较复杂。本文从实现双频的角度，介绍两种常见的多频天线的实现方法。6.1开槽加载

通过在贴片表面加载细而小的裂缝来改变电流分布，从而改变天线谐振的自然模，实现双频的目的。不同的贴片形状、不同的槽的形状(L形，U形，十字形，T形等等)使得多频技术具有极大的发展空间。

如图6.1是一矩形微带天线结构图。主要参数如下（单位：mm）:介质层相对介电常数:r=2.65，高度h=1.6；方形贴片边长a=50；外围槽lmln=103.4, 19 宽度W1=1；中间槽lxly=103.4，宽度W2=0.5。

图6.1开槽加载结构图图 图6.2 谐振时回波损耗

在贴片上开了五个十字槽，其中外围的四个实现双频谐振，中间的十字槽用来实现圆极化，采取同轴馈电。图6.2给出谐振时的回波损耗，通过改变外围四个十字槽的长度，可以对频率和带宽进行调节。6.2销钉加载

销钉加载也是比较常见的一种实现双频的方法。它占用面积小，实现方便，还能在一定程度上改善频带的宽度。

如图6.3是一结构比较简单的平面倒F天线。主要参数如下(单位:mm):辐射贴片LW=4825，高度h=10；细槽lxly=120;短路壁宽度w=2;同轴探针及短路销钉位置分别为(X1Y1，)=(-20，10.5)，(X2，Y2)=(20，10.5)；接地板8060。

销钉和馈电圆柱对称分布，为了得到足够的频率衰减和拓宽频带，在天线的一边上加载了短路壁，并且在表面加载了一条细槽来降低谐振频率。如图6.4可见，由于销钉的作用，天线实现了双频工作。

图6.3销钉加载结构图 图6.4 谐振时回波损耗 7微带天线宽频实现

微带天线频带的定义可以对应于不同的含义，总的来说，其要求是以某项给定的技术指标不超过给定范围所对应的频率范围。其中输入阻抗随频率的变化是最敏感的，也就是说如果输入阻抗满足频率要求时，其他的指标满足要求是确保的。因此，通常以天线输入端的电压驻波系数值小于某一给定值所对应的频率范围作为该天线的频带。微带贴片天线的窄频特性是由其高Q值的谐振本性决定的。也就是说贮存于天线结构中的能量比辐射和其他耗散能量大得多。这就意味着，当谐振时实现了匹配，而当频率偏离谐振时电抗分量急剧变动，使之失配。因此展宽频带的方法可以由降低g值的各个方面去探求，也可以考虑用附加的匹配措施来实现。

天线的总的品质因数G可表示成:

式中:Qr-----辐射Q值

Qd-----介质Q值 Qc-----导体损耗Q值

常用的方法可以采用厚介质基片、r较小或占tan较大(有耗)的介质基片，附加阻抗匹配网络，采用楔形或梯形介质基片，采用非线性介质材料，采用非线性调整元件，采用多层结构和在贴片或接地板“开窗”等四。其中，附加阻抗和贴片或接地板开槽等方法已在圆极化微带天线展宽频带上得到了很好的应用。7.1采用厚介质基片

从物理意义上讲，增大介质基片厚度，辐射电导随之增大，使辐射对应的品质因数Qr及总的品质因数QT下降，进而使频带加宽。在一些空气动力性能及重 21 量不苛刻的场合，这种方法行之有效。7.2采用介电常数较小或有耗的介质基片

当r减小时，介质对场的“束缚”减小，易于辐射，且天线的贮能也因r的减小而变小，这样将辐射对应的Qr下降，从而使频带变宽。tan的增加使介质损耗加大，Qd下降，也使频带展宽。但r的变小将使所需的基片尺寸加大，而tan的增加会使天线的效率降低，设计中应根据实际需要选用不同的tan的基片。

7.3附加阻抗匹配网络

工作于主模的矩形微带贴片天线，其等效电路可以用一个甩C并联谐振电路来描述。馈电探针的电感作用与上述并联谐振电路形成天线的输入阻抗，为了使这个阻抗与50Q的馈线在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合。简单讲就是串联一个电容，使天线在工作频率上这个电容能与馈电探针等效电感大致构成串联谐振。串并联谐振电路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化，从而展宽了频带。7.4采用楔形或阶梯形基片

采用楔形或阶梯形基片是展宽微带天线频带简单而有效的方法。这两种基片形状的变化导致频带展宽的物理原因是:两辐射端口处基片厚度不同的两个谐振器经阶梯电容祸合产生双回路现象，从而形成多点谐振。7.5采用非线性基片材料

在各种典型的微带贴片天线中，其贴片的线性尺寸都与工作波长相比拟。频率低时对应的天线尺寸大，这就使得在饥王F波段的低端以一下采用微带天线十分困难。对于一定的贴片尺寸及介质性能，这些天线都呈现窄频特性，因此提出了用“铁氧体”作为基片材料。铁氧体的电磁特性可以显著地缩小天线尺寸，它具有非线性的色散特性，其有效磁导率随频率的升高而降低，使得在几个倍频程内用一个铁氧体可以得到接近理想的色散特性，即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，这不能不说是一种理想的展宽频带的方法。7.6采用多层结构

由电路理论可知，当采用参差调制的紧藕合回路时，频带将会展宽，根据类 22 似的原理研制了多层贴片微带天线。馈电采用电磁藕合方式。这在圆极化微带天线的实现中得到了极其广泛的应用。最下面一层用陶瓷基片，采用微带馈电来对上层辐射贴片进行激励，同时在陶瓷基片上的馈电微带可以与其它元器件共同集成。上部各层采用r较低的介质基片。若第一层用谐振基片，由于藕合加强，比用30开路线频带展宽。采用三层结构比采用二层结构频带也有展宽。适当调节各层贴片的尺寸，这种多层结构可以从宽频天线变成多频天线。对于三层贴片，当顶层元谐振和辐射时，第二层贴片作为它的接地板;而当第二层元谐振并辐射时，顶层贴片作为一个电感性的祸合元件。依此类推，一层迭一层，实现宽频或多频工作，但同时，这样也增加了天线的厚度，限制了一些工程应用。7.7采用在贴片或接地板“开窗”的方法

在微带贴片上的不同位置开不同形状的“窗口”可等效成引入阻抗匹配元件;在接地板的适当位置“开窗”可改变微带天线的辐射条件和阻抗特性，这些方法都可以展宽频带，但这种方法在作一般的严格理论分析时存在巨大困难，因此，这方面的研究目前主要是实验性的。

总结：

随着移动通信进入3G时代，手机天线的研究可谓日新月异，在无线通信领域显示出强大的生命力和广阔的发展前景。微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、可共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，其中的典型代表平面倒F天线(PIFA)又兼具结构紧凑、造型简单的特点，因此在手机内置天线领域获得了极为广泛的应用。在分析、设计进程中，必须要考虑手机内部物理空间的限制以及可在GSM、DCS等多个频段工作的要求，同时还要兼顾各频段的频带宽度，因此小型化、多频段、宽频带成为手机天线设计的一大研究热点。如何设计出同时具有小型化、多频带、宽频带的微带天线是当前手机天线设计的难点与重点。

微带天线前景乐观，各种新技术(分集、阵列等)的应用无疑会全面提高其电磁性能，丰富设计方法，拓展使用范围。随着计算机辅助设计和辅助制造技术的进步，微带天线的研究将会更上一层楼。相信在不远的未来，微带天线的研究和探讨会继续深入，微带天线将会在无线通信领域焕发出耀眼的光彩。参考文献：

[1] I.J.鲍尔，P.布哈蒂亚著，梁联悼，寇廷耀译.微带天线.第一版.电子工业出版社，1984:5-10页，16-22页

[2] 张钧，刘克诚，张贤铎，赫崇俊.微带天线理论与工程.第一版.国防工业出版社，1988.:43-48页，273-294页

[3] 薛睿峰，钟顺时.微带天线小型化技术.电子技术.2002，(3):62-64页 [4] 施华，舒琳，王均宏.手机天线的研究进展.移动通信.2002(n):38-42页 [5] 樊明延，张雪霞，冯正和.移动通信中小天线技术新进展.通信市场.2003(6):80-82页

[6] 吕文俊，程勇，程崇虎，朱洪波.一种新型多频缝隙微带天线的设计.电波科学学报.2006，21(2):265-268页

[7] F.E.VelliC.N.Capsalis.A Model for the Statistical Characterisation of Fast Fading in the Presence of a User.Wireless Personal Communications.2000,(15):207-219P [8] Wen-Shyang Chen，Chun-Kun Wu ,Kin-Lu Wong.Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna with Bent Slots.Electronics Letters.1998，34(13):1278-1279P

第二篇：微带天线报告

HEFEI UNIVERSITY 电磁场与电磁波微带天线课程学习报告

系

别 专

业 10班 级 姓

名 学 号 1005072019 成 绩

电子信息与电气工程系

级电子信息工程

电子信息工程（2）班

刘国琦

2012年12月8日

摘要

现代电子技术向通讯、广播、电视导航、雷达等都离不开电磁学的发展。一直以来电磁学这门课程一直都是我们学习的重点。微带天线在其中更是一个不可或缺的部分。天线的作用是辐射（发射）电磁波。辐射和接受电磁能量的装置称为天线。在现代的社会，天线是家喻户晓的东西。在这里介绍的微带天线则就是其中的精髓。它主要应用于高科技领域，微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。关键字

微带天线，电磁场与电磁波，通信 正文

1.微带天线的发展情况

微带辐射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出来的。最早的实际的微带天线是Howellt和Munson在1972年研制成的（当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后）。

随着无线电技术的发展，微带天线在各个领域得到越来越广泛的应用（无线通讯技术，包括手机、蓝牙（BlueTooth）、无线局域网（WLAN）等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；无线电测高仪；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机；生物医学辐射器等）。当今对于微带天线技术的研究热点高增益、低副瓣设计小型化、宽带设计多极化、多频段设计超宽带天线设计光子带隙PBG技术应用于微带天线设计。2.微带天线的定义

微带天线，英文名称microstrip antenna，是在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。主要应用于航空科技（一级学科）；航空电子与机载计算机系统（二级学科）。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线(光刻、腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片)。它采用微带线或同轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线可以看成是一种缝隙天线。由于介质基片的厚度往往远小于波长，故它实现了一维小型化，属于电小天线。3.微带天线的分类

微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。

微带贴片天线（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的导电贴片和另一面的地平面构成。常见实际使用的基本结构如图(a)，其中矩形和圆形贴片天线应用最广。典型的贴片天线的增益为5-7dB，3dB波束宽度在70゜-90゜范围内)

实际使用的各种微带天线图形

微带天线其它可能的几何图形

微带行波天线（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由链形周期性导体或足够宽度以支持TE模式的一个长微带线构成。它沿线传输行波，天线的另一端是一个匹配电阻性负载，用来避免天线上的驻波。可以将行波微带天线设计成使得主波束位于从侧面到端射的任何一个方向）。

微带缝隙天线（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如槽线）对其馈电的天线。裂缝实际上可以是任何形状，但通常只对一些基本的微带裂缝的形状进行研究，如矩形裂缝，环形裂缝，矩形环裂缝和锥形裂缝。裂缝天线在它们裂缝的两侧辐射，因此可称之为双向辐射器。利用裂缝的一个侧面上的反射器板，就可以获得单向辐射器）。

微带行波天线

微带缝隙天线

4.微带天线的工作原理

贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h。微带贴片可看作为宽a长b的一段微

b 带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取

 m / 2， m 为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）：E z 

E 0 cos（ x /b)。

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为 M

s   n  E。

沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。

沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。

矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 M

s的正镜像。由于h

<<



0，因此它只相当于将M

s 加倍，辐射图形基本不变。

最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmission Line Model)理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。

从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Green’s Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。5.微带天线的优缺点

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。

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。6.微带天线的应用

微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。

在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信；卫星通讯；多普勒及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。总结

经过一学期的学习，终于圆满的节束了电磁场与电磁波这门课程。关于微带天线的报告，老师很早就提出了要求。在上课的内容中没有微带天线，全部资料得自己搜索。快要考试了，报告就得交了，所以得先放下课程的复习来完成报告。首先先总结一下我关于课程学习的感受。学完了这门课程，虽然基础学科想大学物理、矢量分析等我们都学过了，但是总体学起来还是有些费劲。特别是关于时变电磁场和平面电磁波的学习，感觉尤其费劲。在前面的知识点中，也有许多不熟的地方。在这门课程整体的学习中，让我头疼的一点就是方向的判断，不知道自己怎么回事，基础知识掌握的太差了。

下面就是关于报告的问题了。刚开始老师布置这个课程题目时，真的感觉是丈二的和尚摸不着头脑，头疼啊。那时还没有接触电磁场与电磁波，这也正常。上课的期间也一直想着报告的问题，究竟微带天线与电磁场电磁波有什么联系，后来就上网查了一下就知道了。在写这篇报告的时候，综合网上和图书馆的资料，就写出了这份报告。

14周课程结束，与老师12周相处的日子也结束了。老师很好，教的也好，每次上课的时候都能把全部的上课内容精简的写在黑板上，这让我们很佩服，更重要的是这样能让我们更好的了解，不至于糊涂。

我想说：老师，您很好。谢谢您带领我们的这12周的日子。附录

1.王军礼.电磁场与电磁波（第三版）.西安电子科技大学出版社，2009.8 2.王军礼.《电磁场与电磁波（第三版）》学习指导.西安电子科技大学出版社，2011.10

第三篇：微带天线综述

微带天线综述

摘要：微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻等优点，得到广泛的应用。但是，近年来，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化的要求。本文除了对微带天线做了基本介绍外，还对微带天线最基本的小型化技术进行了探讨、分析和归纳。关键词：微带天线

小型化

宽频带

一、引言

随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

二、微带天线

2.1微带天线[1]的发展史及种类

早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线[1]。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世。80年代中，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；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。

微带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结构[2,3]如图2.1所示。

（a）微带贴片天线

（b）微带振子天线

（c）微带行波天线

（d）微带缝隙天线

图2.1 微带天线的典型结构

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。

由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。2.1.1微带贴片天线

微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地板，其典型结构如图2.1(a)所示。它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周与地板之间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。2.1.2微带振子天线

图2-2给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线，微带振子的长度约为半个波长，宽度与微带馈线的宽度相同。微带振子与其下方的微带馈线有一部分相互交叠从而耦合能量，调整此交叠部分的面积从而改变馈线与微带振子的耦合量便可以调整天线谐振时的输入阻抗。对于此微带振子天线，我们也可以将馈线变化为槽线。此外，还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。

图2-2 电磁耦合馈电的微带振子天线

2.1.3微带行波天线

微带线形天线是利用微带线的形变（如弯曲、拐角等），由微带线的不连续点或弯曲点来形成辐射。它们一般都端接匹配负载，沿线传输行波，故又被称为微带行波天线，其波瓣可以指向从端射到边射的任一方向。图2-3给出了几种常见的微带线型天线结构。与行波天线相对应的是微带驻波天线，其终端一般为开路或短路，波瓣一般指向边射方向。

（a）三角线

（b）弯角线

（c）链式线

（d）城墙线

图2-3几种常见的微带线型天线结构[5,6]

三、微带天线的小型化技术

天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。3.1 天线加载

在微带天线上加载短路探针 [4]，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，典型结构如图3.1 所示。其缺点是:(1)阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ，这给制造公差提出了苛刻要求。(2)带宽窄。(3)H 面的交叉极化电平相对较高。将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor)，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。

图3.1 加载短路探针的微带天线

3.2 采用特殊材料基片

从天线谐振频率关系式可以知道，谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料)或高磁导率(如磁性材料)的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是:(a)激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。(b)带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖介质(如图3.2 所示)。

图3.2 采用高r 的多层介质微带天线

3.3 表面开槽（slot）[5] 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3 所示)，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3.4 为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。

图3.3 表面开槽的小型化微带天线

图3.4 小型口径耦合圆极化微带

这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1 %)与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。3.4 附加有源网络

缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性:(1)工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线带宽高低端频比可达20～30。(2)增益高(可达10dB 以上)，方向性好。(3)便于实现阻抗匹配。(4)易实施天线方向图，包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。(5)有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。3.5 采用特殊形式

这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie)(如图3.5所示)、倒F 型(PIFA，planar inverted2F antenna)(如图3.6 所示)、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(stacked shorted patch)等等。

图3.5 双频带蝶型微带天线

图3.6 电容加载的倒F型微带天线（PIFA）

四、结束语

微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的一个研究热点。如何设计出具有小型化的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。

五、参考文献

[1]

G.A.Deschamps, "Microstrip microwave antennas”, USAF Symp.on Antennas, 1953.[2]

钟顺时, 微带天线理论与应用, 西安电子科技大学出版社, 1991 [3]

张钧, 刘克诚等, 微带天线理论与工程, 国防工业出版社, 1988

[4]

R.Porath, “Theory of miniaturized shorting-post microstrip antennas”.IEEE Trans.Antennas Propagat , vol.48 , pp.41-46, Jul.2000.[5] S.Adnan, R.A.Abd-Alhameed, “Compact Microstrip Antenna Design for Microwave Imaging”.2010 Loughborough Antenna&Propagation Conference, pp.389-392 ,Nov.2010

第四篇：北大天线理论课件：第六章 微带天线

第六章

缝隙天线与微带天线

§6.1 缝隙天线

缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。

6.1.1 理想缝隙天线

理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。

假设位于yoz平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为（）、长度2l/2的缝隙。缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：

ˆyEzEmsinklzeEm---缝隙中间波腹处的场强值。

缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：

ˆEJmnz0ˆz,x0Emsinklze ˆEsinklze,x0mz等效磁流强度为：

Im2Emsinklz,x0Edl l2Esinklz,x0m也就是说，缝隙可等效成沿Z轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。

根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。对于电对称阵子，电流分布为：

I(z)Isink(lz)

辐射场表达式：

Ej60Ierjkrcos(klcos)cos(kl)sin

HjIejkrcosklcoscosklsin2r

由此得到x0半空间，磁对称阵子的辐射场为：

EmjEmejkrcosklcoscosklsinr HmjEmejkrcosklcoscosklsinr

在x0的半空间，电场和磁场的符号与上式相反。

理想缝隙与电对称阵子：

1)理想缝隙与电对称阵子为互补天线； 2)方向性相同，其方向函数为：

fcosklcoscosklsin

3)场的极化不同，H面、E面互换，理想缝隙E面无方向性，对称阵子H面无方向性；

4)

二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数，即：

辐射电阻R辐射阻抗ZRre(60)rmrm2

Zre(60)2输入阻抗ZinmZine(60)2

任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可由与其互补的电对称阵子的相应值求得。例如，半波对称阵子的辐射阻抗为R的辐射电阻应为：

Rrm(60)73.12re73.1，理想半波缝隙天线

500

由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于2，且缝隙越宽，缩短程度越大。

6.1.2 缝隙天线

最基本的缝隙天线是开在矩形波导臂上的半波谐振缝隙，如下图所示。

1）波导壁电流分布 波导内传输的主模为TE模，波导壁上有横向和纵

10向电流分量，见上图。横向电流沿宽边呈余弦分布，中心处为零；纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大。波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。2）波导缝隙

辐射缝隙：缝隙切断电流线，中断的电流线以位移电流的形式延续，缝隙因此受到激励，波导内传输的功率通过缝隙向外辐射，见图中的a,b,c,d,e。

非辐射缝隙：缝隙与电流线平行，不能激励电场，不具有辐射能力，见图中f。3）波导缝隙与理想缝隙的区别

a)结构尺寸的限制，边界条件不同，存在绕射； b)E面方向图发生畸变，H面方向图差别不大； c)辐射功率和辐射电导为理想缝隙天线的一半。4）波导缝隙的等效电路

波导开缝会对波导内部的传输特性产生影响，可以将缝隙等效成传输线上并联导纳和串联阻抗，结合微波网络理论对其影响进行分析。

波导开缝方式不同，缝隙的等效电路也不同。下图给出了各种波导缝隙的等效电路。

如果缝隙的长度等于谐振长度，等效阻抗或导纳只有实部，虚部为零。下图给出了三种典型缝隙，其归一化电阻或电导与位置参数的关系为：

g2.09ag2x1bsin1cos2a2g r0.5233g222x1abcoscos4aa

2g0.1313sincossing2g2a3bsin2

1sing

6.1.3 缝隙天线阵

由开在波导上按一定规律排列、尺寸相同的缝隙构成。这里主要介绍几种缝隙阵。6.1.3.1 谐振式缝隙阵

所有缝隙同相激励，最大辐射方向与天线轴线垂直，是边射阵。常见的谐振式缝隙阵如下图所示。

图（a）为开在宽壁上的横向缝隙阵，相邻缝隙间距为g，以保证同相激励。缺点是存在栅瓣，增益低，因此很少采用。

图（b）为在宽壁中心线两侧每隔g

2交替开纵向缝隙组成的缝隙阵。利用中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔g2场强反相的特点保证同相激励。

6.1.3.2 非谐振式缝隙阵

波导端接吸收负载，波导内部传输行波，缝隙间距不等于g2，阵源非同相激励。

图（a）结构，相邻缝隙的相位依次滞后2gd。

图（b）结构，相邻缝隙波程差带来的相位差为附加相移为180，总的相差为2gd，2gd。

时，方由均匀直线阵的分析可知，当大辐射方向偏离阵法线的角度为：

maxarcsin2dkdsin0向函数取得最大值，由此可得非谐振缝隙天线阵的最

可见最大辐射方向随的变化而改变，而与频率有关，因此非谐振式缝隙阵可实现频率扫描。6.1.3.2 匹配斜缝隙阵

波导壁上开有谐振斜缝，终端端接匹配负载，构成匹配斜缝隙阵。下图为开在波导宽壁上的匹配斜缝隙阵。

适当调整缝隙对中心线的偏移x1、斜角和附近螺钉，可使缝隙归一化等效导纳g最大辐射方向与宽壁垂直。

1，且同相激励，以上介绍的波导缝隙阵的方向图可由方向图乘积定理得到，阵元方向图为半波对称阵子的方向图，阵因子取决于相邻缝隙的间距和激励的相位差。

§6.2 微带天线

微带天线是敷于介质基片上的导体贴片和接地板构成。如下图所示。

微带天线示意图

微带天线的优缺点：

 体积小、成本低、重量轻、低剖面，易于与载体共形；

 散射截面小、波瓣宽；  易于和微带电路集成；

 易于实现线极化、圆极化、双极化和双频段工作；  带宽窄、增益低、功率容量低（<100W）。贴片的形状：

微带天线的分析方法：  数值方法

如全波分析方法，包括频域混合势积分方程法（MPIE）和时域有限差分法（FDTD）等。算法精度高、编程复杂。近似方法

如腔模理论和传输线法等，算法相对简单。6.2.1矩形微带天线

导体贴片为矩形的微带天线，由传输线或同轴探针馈电，在贴片与接地板之间激起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。

矩形微带贴片可看作宽为W、长为L（一般Lg2）的一段微带传输线，其终端（yL）处呈现开路，是电压波幅和电流波节面。贴片和接地板之间的电场分布如下图所示。

1.辐射机理

选择图示坐标系，假设电场沿z方向均匀分布，沿y方向的电场分布可近似表示为：

yEE0cosLˆx e贴片四周窄缝上的等效面磁流密度为：

mˆnEJse（*）ˆne--缝隙表面的外法向单位矢量。

由于电场只有x方向分量，因此等效面磁流均与接地板平行，见图中箭头所示。

由（*）式可知，表面磁流沿两条W边是同向的，其辐射场在x轴方向同相叠加，呈最大辐射，并随偏离角的增大而减小，形成边射方向图。

在每条L边上，磁流呈反对称分布，在H面（xoz面）上的辐射相互抵消；两条L边的磁流彼此呈反对称分布，在E面（xoy面）上的辐射场也相互抵消。L边在其它平面上的辐射虽然不会完全抵消，但与两条W的辐射场相比，显得非常微弱。

可见矩形微带天线的辐射主要由两条W边的缝隙产生，称为辐射边。2．辐射场的求解

矩形微带天线的辐射场由相距L的两条W边缝隙辐射场叠加而成。

考虑y0的缝隙，表面磁流密度为：

mˆzE0 Jse对于远区观察点Pr,,，磁矢位为：

ˆzFe4r1W2W2hhE0ejkrxsincoszcosdzdx

式中考虑了接地板引入的镜像效应。积分后得到：

1sinkWcosE0hsinkhsincos2jkrˆFezerkhsincoskcos由EF可得远区电场矢量为： ˆEe

1sinkWcosjE0hsinkhsincosjkr2sinerkhsincoscos

对于yL处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间距Lg2的等幅同相二元阵，其阵因子为：

1fn2coskLsinsin

2矩形微带天线远区辐射场为：

ˆEe1sinkWcosj2E0hsinkhsincos1jkr2sincoskLsinsinerkhsincoscos2

3．方向图

由于实际微带天线的kh方向函数可表示为：

1sinkWcos12F,sincoskLsinsin12kWcos21，地因子近似等于1，E面（xoy面），90，方向函数为：

1FEcoskLsin2

H面（xoz面），0，方向函数为：

1sinkWcos2FHsin1kWcos2

下图给出了理论计算和实测的矩形微带天线的方向图。

4．辐射电导

如果定义UmE0h，辐射电导定义为Pr可求得每条边的辐射电导为：

112UmGrm2，Grm02Wsincos3sind2cos

当W时，Grm1W902 当W时，Grm

5．输入导纳

W120。

矩形微带天线的输入导纳可由微带传输线法进行计算，等效电路见下图所示。

假设微带线的特性导纳为Yc，则输入导纳为：

YinGjBYc22GjBtanLYcjGjBtanL

ge

e--有效介电常数。

当谐振边处于谐振状态时，输入导纳为：

Yin2Grm。

6.2.2 双频微带天线

微带天线易于实现双频段工作，矩形贴片天线是利用激励多模来获得双频的，见下图所示。图中在非辐射两边各开一个长度相等的缝隙，在贴片中心线上一适当位置处馈电。这种结构的工作模式有两种，一种是TE10模，另一种模式介于TE10和TE20之间，两种模式电流分布和辐射特性均相似，并具有相同的极化平面，两种模式分别工作于不同的频率。

实例：W Wp15.5mm5.5mm,L11.5mm,l0.5mm,W1d2.2。

1mm, ,h0.8mm,FDTD计算和实测的s11曲线如下图所示。

可见双频特点和馈电位置对频率特性的影响。

实现双频工作的另一方法是采用多层贴片结构。下图为双层贴片、三层介质结构，两贴片近似方形，分别谐振于两个频率，微带馈线介于两贴片之间。

实例：

Wt58.75mm,Lt62.275mm,Lb78.765mm,Wb75.5mmW09.8mm,S120.79mm,S28.36mm,S3

10.4mm ,h131.4mm,h2,h0.8mm,rh31.57mm Wp5.5mm2.2。

FDTD计算和实测的s11曲线如下图所示。

第五篇：微带天线的微型化和宽频化设计研究

微带天线的微型化和宽频化设计研究

摘 要：介绍了微带天线的涵义与特点，阐述了微带天线的分析方法，在此基础上进行了微带天线的微型化和宽频化优化设计，并探讨了微带无线的参数影响。

关键词：微带天线；微型化；宽频化前言

我国通讯行业在经济发展的过程中得到了高速的发展，而在与之相关的无线设备中，天线以其重要的地位与作用得到我们逐渐的重视。当天线用于接收装置时，其能够有效地获取空间里相应的电磁波能量，同时把这些能量通过一定的装置转换成时变电流。而当天线用于发射装置时，其能够把时变电流又转换成电磁波，进而向空间发射。所以，天线对于通讯系统来说，发挥着极为关键的作用。现阶段，各个领域内均开始逐步的应用无线通讯技术，而且不同领域所涉及的相关标准也存在一定的差异，使天线装置对于自身性能的要求不断提升，应可以进行多频段的通讯，并满足多类型的标准要求。微带天线的涵义

所谓的微带天线指的是将导体薄片置于相应的介质基片之上，同时基片应包含有相应的导体接地板。微带天线是通过微带线构造来完成馈电作业。相应的电磁波信号能够在贴片以及接电板间形成相应的电磁场，然后经由贴片和接地板之间所存在的空隙完成对外的信号辐射。所以，我们有时也将其看成是缝隙型馈电模式。同时，基片一般情况下其厚度远小于其所发射的波长值，所以微带天线被归类为一维小型的天线类型。微带天线的特点和不足

微带天线目前在我国的多个行业中均已被大量的使用，尤其是我国的飞行器制造与便携装置领域里。和一般的微波天线比较，其自身具有相对多的参数，并且能够被设计成各种的外观与大小。

但是，微带天线也存在一定的不足，其表现如下：

（1）自身的带宽有限，目前也研究了很多的修订技术。

（2）具有相对大的损耗，导致自身的工作效率不高，尤其是行波微带天线，其存在着相对大的损耗问题。

（3）单独的微带天线不具备较大的功率。

（4）微带天线所采用的基片材料会对其性能有很大的作用，受到相关技术以及工艺的约束，在大批的基片制造过程中，其不能保持很好的均匀性以及一致性，从而制约了微带天线的性能充分发挥。微带天线的分析方法

4.1 传输线模型

传输线模型相对来说非常的简便，同时也较为适用于工程领域中。在此模型中，把贴片微带天线当作沿着横向排列的、无差异性的传输线谐振器，而且信号的辐射主要通过开路端位置处的边缘场来完成。在此模型中所涉及的相关方法相对简便，也无需太大的计算量，同时具有很好的直观性。

不过采用这种模型其自身依然存在一些缺点：

（1）仅可使用在矩形微带天线中，如果换做其他的形状就无法正常的应用。

（2）由于此模型属一维构造，所以，如果馈电所在的点位于波垂直改变的方位时，其阻抗是一定的。

基于以上的不足，相关人员也进行不断的优化，例如引进了部分波分析的理论等，以对其进行进一步的完善。

4.2 空腔模型

在上世纪的八十年代初期，学者Y.T.Lo等人构建了空腔模型，并得到了逐步的发展。此模型是在薄微带天线的相关设想基础之上，把贴片以及接地板所形成的空隙当成为周围是磁壁，而上部和下部是电壁的一种谐振空腔。这种模型拥有更为广阔的使用前景，同时将高次膜引入其中，使得计算出的阻抗线也变得更加的准确，还在一定程度上缩减了计算工作量，更加符合工程应用的实际要求。不过，此模型依然要做一定的修订，才可以获取相对精准的数据与架构。在此模型中，我们将腔的内场看成二维的构造，如果所采取的基片相对较薄时，此模型还是适宜的。不过要是采取的基片相对较厚时，就会有较大的误差存在。此模型在大多的条件下是能够使用的，不过如果涉及到毫米的波段则应当按照实际情况再做分析。

4.3 全波模型

不管传输线模型或者空腔模型均未将和基片垂直方位中所发生的一些变化纳入其中，如果说使用的基片相对厚度不大，那么所采用的简化模带来的相对误差就较小。不过，如果其厚度到某一程度之后，那么简化模型所呈现的结果相对误差就会较大，而全波模型则和上上述的模型所采用的理论依据有所差异，其研究相对开放的空间结构。所以，所涉及的基础依据较为精准与严格。全波模型具有更加精准、整体以及适用面广的特点。但是，全波模型所涉及的技算量相对较大，也较为复杂。微带天线的微型化和宽频化优化设计

5.1 结构以及仿真结果分析

以以往的方形微带贴片作为基础，在其相应的非辐射边上进行相应的开缝处理，让其TM11以及TM02这两种模式所拥有的谐振频率逐步的一致，使得其自身的宽带得以有效地扩展。并且，在其接地板的位置设置相应的“十字缝”，让电流经由此原件时的路径有所延伸，进而提高了元件的等效电长度，达到节约微带天线空间占有量的目的。其改造之后的示意图如图1所示。

其中基片的型号为FR-4，尺寸大小为La=35.0mm，厚度大小为X=1.6mm，贴片的尺寸是L=24.0mm，所涉及到缝宽度值为S=0.53mm，长度值为d=21.30mm，相应的馈电点分别是X=4.3mm以及Y=9.0mm。在对优化之后的微的微带无线进行仿真模拟，可得出其SII图，如图2所示。

在上图中我们能得到，此微带天线具有的中心频率是2.2GHz，所具有的绝对带宽只是150MHz，相对带宽值是6.8%。并且，对优化后的微带无线天线进行增益频率的测试，发现其所涉及的增益相对要低。之所以会出现这样的效果，在很大程度上受益于所使用的基片为损耗性质的。将优化之后的微带天线与优化之前的微带天线进行仿真对比，可以发现：传统微带天线所采用的贴片尺寸大小为L=31.3mm，其相对带宽是2.1%。就占用空间来说，其尺寸面积就节约了41%以上的空间，而且带宽也较之前的扩大了3倍以上。

5.2 微带无线的参数影响分析

5.2.1 缝长参数的影响分析

在仿真的过程中，采取不同的缝长进行模拟实验。经过实验得出：再开缝程度不断减小过程中，其谐振频率均向高频化的趋势偏移。在进行多个缝长的模拟之后，得出大缝长为21.30mm时，所得到的效果较好。

5.2.2 馈电点位置的影响分析

在假定馈电点位置坐标Y值固定的前提下，对其对应X值进行仿真模拟。得出：馈电点在不同的位置处，会对天线产生非常大的作用。并得出当X值为4.3mm时，其频率可以得到最佳的匹配效果。结语

目前，无线通讯技术得到迅猛的发展。而在其进行数据输送的过程中，天线发挥着非常关键的作用。由于微带天线具有相对小的成本投入，同时拥有丰富的功能性，也能够和电路集成生产。因此，被逐步的应用在卫星通讯、空间科学等多个领域。对微带无线进行微型化及宽频华的优化研究，可以更大程度上改善其具有的功能及实用性，也定会使其获得更加广泛的应用。