微带天线的历史与优缺点课件.ppt

1、1. 1 微带天线的历史与微带天线的历史与优缺点优缺点 v和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：v 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。v 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。v 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。v 和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：v 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

2、。v 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。v 单个微带天线的功率容量较小。v 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

3、中的一个重要组成部分。1.3 馈电结构模型馈电结构模型同轴探针馈电模型 微带线侧馈模型缝隙耦合馈电模型 共面波导馈电模型电磁耦合馈电模型 1.4 微带天线的应用微带天线的应用 v 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15mm15mm1.5mm。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。 v 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

4、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微带天线的分析方法 v传输线模型(TLMTransmission 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v腔模理论(CMCavity 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v积分方程法(IEMIntegral Equation Method)，即全波(FWFull 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

5、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影响微带天线带宽的因素 v 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VSWRS的频带宽度BW为：v SQSBWT/ ) 1(swdcrTQQQQQ11111 影响带宽的因素 变化方向 品质因素的变化 对带宽的影响 宽长比(W/L) 增加 变小， 变小 BW 增大 介质损耗角正切 变大 变小 BW 增大 相对介电常数 变小 变小， 变小 BW 增大 基板的厚度 增大 变小， 变小， 变大 BW 增大 tanrrQswQdQrQswQrQswQ

6、cQ3.2 各种展宽微带天线带宽的途径各种展宽微带天线带宽的途径 v一、基本途径：降低等效谐振电路Qv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 v三、附加阻抗匹配网络 v四、其他途径 4 宽频带微带天线宽频带微带天线 v4.1 采用介电常数较小的厚介质基板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 及总的 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。一、E字形贴片天线 TQrQ 天线E面辐射方向图 天线H面辐射方向图 2.04GHz2.91GHz，35.1% (a) f =

7、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 v二、采用L形耦合馈电方式的微带天线 L形耦合馈电微带天线的S参数 天线输入阻抗变化曲线 (3.86GHz5.8GHz)，40.2 天线E面辐射方向图 天线H面辐射方向图 v三、脊形接地板微带贴片天线脊形接地板微带贴片天线 天线E面辐射方向图 天线H面辐射方向图 2.02GHz3.9GHz ,64%v四、使用金属斜面馈电的微带天线使用金属斜面馈电的微带天线 2.15GHz4.76GHz ，BW75.5 v五、蜿蜒探针馈电的微带天线五、蜿蜒探针馈电的微带天线 1.6GHz2

8、.24GHz, 640M , 33.3%1.64GHz2.16GHz , 540M,27%天线E面辐射方向图 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 v一、 附加寄生贴片2.66GHz3.06GHz, 400M, 14% 2.65GHz2.71GHz, 60M, 2.2% v二、采用LC谐振电路 三、在贴片和接地板之间加入短路探针3.62GHz7.32GHz, 67.5 4.3 附加阻抗匹配网络v一、单调谐枝节匹配技术一、单调谐枝节匹配技术 3.375GHz3.855GHz, 13 v二、枝节匹配在同轴探针馈电的微带天线中的应用

9、二、枝节匹配在同轴探针馈电的微带天线中的应用 1.78GHz2.31GHz, 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展宽微带天线频带的其他途径 v 采用采用3维维V字形贴片天线字形贴片天线 1.86GHz5.36GHz，97% 1.95GHz3.04GHz, 44% E面辐射方向图 H面辐射方向图 5 多频带微带阵列天线v多片法和单片法v5.1 L/X波段双频微带阵列天线v一、X波段微带阵列的设计波段微带阵列的设计 30mm v二、L波段微带阵列的设计波段微带阵列的设计 120mm v三、综合分析8.52GHz9.3GHz, 780MHz

10、 8.9GHz X波段阵列E面辐射方向图 X波段阵列H面辐射方向图 1.62GHz1.67GHz, 50M 1.65GHzL波段天线阵列E面方向图 L波段天线阵列H面方向图 v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 v一、X波段微带阵列的设计波段微带阵列的设计v二、S波段微带阵列的设计波段微带阵列的设计25mm, 75mm v三、综合分析800MHz , 8.48GHz9.28GHz , 8.9GHz X波段阵列E面辐射方向图 X波段阵列H面辐射方向图 20MHz 中心频率：2.75GHz， 11MHz 中心频率：3.01GHz S波段天线阵列E面方向图 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v四、L/X双频微带阵列天线各项性能指标6 总结v 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。v谢谢指导！