第五讲微带天线.ppt
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1、2012, May. 22,第五讲 微带天线,微带天线的腔体模型,微带天线的结构和特点,内容安排,微带天线的全波设计,微带天线的传输线模型,微带辐射器的概念首先是Deschamps在1953年提出的。但是过了二十年,当较好的理论模型及对覆铜或覆金的介质基片的光刻技术发展之后,实际的天线才制造出来。这种基片的介电常数范围较宽,具有好的吸热特性和机械特性及低损耗角正切。最早的实际微带天线是Howell和Munson在二十世纪七十年代初期研制成的。 微带天线分类 微带天线按其辐射单元形式大致可分为4类:微带贴片天线;微带振子天线;微带线性天线;微带缝隙天线,如图1所示。 微带贴片天线是最常见的形式,
2、如图1(a)所示。它由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成。通常利用微带线与同轴线一类馈线馈电,使在导体贴片与,微带天线的结构和特点,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。其基片厚度与波长相比一般很小,因而它实现了一维小型化。 导体贴片一般是规则形状的面积单元,如图2中所示的矩形、圆形或圆环形薄片等;也可以是窄长条形的薄片振子,此时形成的天线便称为微带振子天线,如图1(b)所示。如果利用微带线的某种变形(如直角弯头、弧形弯曲等)来产生辐射,便称为微带线性天线,如图1(c)所示,这种天线大多沿线传输行波,它们又称为微带行波天线。还可利用开在接地板上的缝隙来产生辐
3、射,此时由介质基片另一侧的微带线或其它馈线对其馈电。这种单元形成的天线称为微带缝隙天线或微带开槽天线。如图1(d)所示。 除此四种单元及其阵列之外,还有一些变形、混合型或其它形式。,微带天线的结构和特点,微带天线的结构和特点,图1 微带天线形式 (a)微带贴片天线 (b)微带振子天线 (c)微带线性天线 (d)微带缝隙天线,微带天线的结构和特点,图2 微带天线辐射单元形式,微带天线理论分析技术 传输线模型(TLM) 这是最早出现的物理概念明晰的分析模型,它将一矩形贴片天线等效为一段微带传输线,两端由辐射缝隙的等效导纳加载,但本法基本上只能用于薄矩形贴片天线。 腔体模型(CM) 罗远祉教授等提出
4、将薄微带天线的贴片下空间看成是由上下为电壁、四周为磁壁围成的谐振腔体。本法已成功地用于精确计算厚0.005d至0.02d的微带天线输入阻抗。该方法适用于各种规则贴片,但基本上限于天线厚度小于波长的情况。 全波分析法(FW) 典型作法是先导出微带贴片上单位电流元满足边界条件的并矢格林函数G(r,r),场点(r处)的电场可表,微带天线的结构和特点,示为 式中,J(r)是贴片上r处(源点)的电流密度。令此电场在贴片表面的切向分量为零,便得到对J(r)的积分方程。对该电流选择适当的函数展开式和试验函数,可将积分方程化为矩阵方程,从而可解出贴片电流并用来计算天线特性。这种处理称为空域矩量法,其它还有如
5、谱域矩量法 谱域导抗法(SDI) 混合位积分方程法(MPIE) 共轭梯度快速傅里叶变化法(CG-FET) 时域差分法(FDTD) 这类方法都是基于电磁边值问题的数值求解,适用于各种结构、任意厚度的微带天线,然而要受到模型精度和机时的限制。,微带天线的结构和特点,(1),前两类都是基于某些假设而将问题简化,它们可统称为“经验模型”,优点是物理概念清楚,计算简单。而全波方法是三维边值问题的严格数值求解,因而最为严格,但也复杂许多。 微带天线的优缺点及应用 与普通微波天线相比,微带天线有如下优点: 剖面低、体积小、重量轻 具有平面结构,易与导弹、卫星等载体表面共形 适合于用印刷电路技术大批量生产 能
6、与有源器件和电路集成为单一的模块 便于获得圆极化、容易实现双频段、双极化等多功能工作,微带天线的结构和特点,微带天线缺点有: 频带窄 有导体和介质损耗,会激励起表面波,导致辐射效率降低 功率容量小,一般适用于中、小功率场合 性能受基片材料影响大 微带天线目前已应用于100MHz100GHz的宽广频域上的大量无线电设备中,特别是飞行器上和地面便携式设备中。典型应用如图表1所示。,微带天线的结构和特点,微带天线的结构和特点,表1 微带天线典型应用,微带天线的腔体模型,微带天线的结构和特点,内容安排,微带天线的全波设计,微带天线的传输线模型,微带线的边缘效应 一般的微带线如图3所示。微带线导带宽度为
7、W,厚度为t,介质高为h,介电常数为r。在微带线的横向边缘,一部分电力线位于空气中,大部分电力线位于介质内,如图3(b)所示,因此微带线传输的是准TEM模。当W/h1,且r1时,电力线将主要集中在介质基片内,此时微带线的边缘效应减弱,微带线向平板波导转化。通常引入有效介电常数e来描述微带横向场的边缘效应,如图3(c)所示,此时微带线保持相同的电特性(传播常数和特性阻抗)。当介质上方是空气时有11时,reff将接近r。reff也是频率的函数,频率不高时,具有静态值,微带天线的传输线模型,(2),微带天线的传输线模型,图3 微带线的横向边缘效应及其有效介电常数定义,典型的有效介电常数reff随频率
8、的变化曲线如图4所示,首先低频端(10 GHz)处于准静态,随后电力线随频率升高向介质内部集中,reff随频率升高单调增大,最后趋于reff=r。,微带天线的传输线模型,图4 典型的微带线有效介电常数随频率变化的曲线,有效长度、谐振频率 由于纵向的边缘效应,微带贴片的电尺寸比实际物理尺寸对应的电尺寸要大,如图5所示,在贴片长度方向两端,由于边缘场效应,使得两端各延伸长度L 因此对于主模TM010模而言,其有效长度:Leff为 不考虑边缘效应时,微带贴片谐振频率为 c0为自由空间光速。,微带天线的传输线模型,(3),(4),(5),微带天线的传输线模型,图5 矩形微带贴片天线的物理和有效长度,考
9、虑边缘效应时,微带贴片谐振频率为 其中 称为边缘因子。当介质高度增加时,边缘效应增强,则有效长度加长,辐射槽距离更远,并且贴片谐振频率降低。,微带天线的传输线模型,(6),(7),微带贴片天线的辐射贴片设计 给定介质基片(r、h)和频率fr,求W、L: 要使微带贴片成为一个良好的辐射器,要求 利用(2)计算reff 利用(3)计算L 微带贴片的实际长度为,微带天线的传输线模型,(8),(9),微带贴片天线辐射电导 微带天线的两辐射槽可等效为导纳Y=G+jB,如图6所示,两辐射槽等效导纳皆为 其中,微带天线的传输线模型,图6 矩形微带贴片天线及其传输线模型,(10),(11),(12),事实上,
10、单槽电导可由腔体模型法推导出的场表示式进行计算 辐射功率为 (13)可进一步写为,微带天线的传输线模型,(13),(14),(15),其中 (16)的渐近值可表示为,微带天线的传输线模型,(16),(17),微带贴片天谐振时的输入电阻 微带天线谐振时,两辐射槽相距为L,0.48L0.49,此时将槽2的导纳Y2变换到一端口满足 因此总的输入导纳为 总输入导纳是实数,则总的输入阻抗同样为实数 考虑两辐射槽之间的耦合效应,谐振时的输入阻抗可表示为,微带天线的传输线模型,(18),(19),(20),(21),当贴片电压沿长度方向奇对称时取“+”,否则取“-”。G12由远区辐射场定义: E1是由槽1辐
11、射的电场,H2是由槽2辐射的磁场,V0是槽电压,积分域为半径很大的球面,具体表示为,微带天线的传输线模型,(22),(23),J0是一类零阶Bessel函数,一般而言,互导G12要小于自导G1。由(11)和(15)知,谐振时的输入电阻并不强烈依赖介质高度h,尤其当k0h1时,输入阻抗与h无关。进一步由(11)知,增大W可以减小贴片宽度W,注意增大W时,应满足W/L不应超过2,否则辐射效率会降低。,微带天线的传输线模型,微带贴片天线的嵌入式馈电 设计了微带天线的辐射贴片,下一个问题便是对辐射贴片进行馈电设计。此处介绍嵌入式微带线馈电方式,如图7所示。馈电微带线宽度为W0,以槽1为参考面,向贴片内
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