浅谈微带天线

1953年，Deschamps首先提出了微带辐射器的概念。但是，直到20世纪70年代初，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作才得到了工艺保证。而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线。这样微带天线的研究引起了广泛的重视，各种新形式和新性能的微带天线不断涌现。如今，微带天线已大量地应用于卫星通信、雷达、遥感、导弹、环境测试、便携式无线设备等领域。

微带天线是在一种薄的介质板上一面附上某种金属层作为接地板，另一面用蚀刻的方法可制成某种需要的形状，利用微带线或者同轴线等馈电方式馈电的天线形式。

微带天线分类

微带天线按照其辐射单元形式大致可以分为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。

（a）微带贴片天线 （b）微带阵子天线

（c）微带线性天线 （d）微带缝隙天线

图1 微带天线形式

微带贴片天线是最常见的形式，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阵子，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形变（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辐射，此时由介质基片另一侧的微带线或其他馈线对其馈电。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、混合型或其他形式。

图2 微带天线辐射单元形式

微带天线的工作原理

我们将微带天线近似看作传输线模型进而加以分析，假设图3(a) 中辐射贴片的长度近似为半波长，宽度为w，介质基片的厚度为h，天线的工作波长为λ。

当我们把辐射贴片、介质基片和接地板视作一段长度为0.5λ的低阻抗传输线，且传输线的两端形成开路。由于介质基片的厚度远远小于波长，所以电场的强度在厚度这一方向基本保持不变。在最简单的情况下，我们同样假设电场强度沿着宽度w方向也没有变化。那么，在只考虑主模激励的(TM10模)的情况下，该天线的电场结构如图3(b)所示，辐射基本是可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的。在两开路端的电场可以分解为相对于接地板的水平分量和垂直分量。由于辐射贴片长度约为半个波长，因此两开路端电场的垂直分量方向相反，水平分量方向相同。所以，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝隙的宽度为ΔL，长度为w，两缝隙间距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场垂直于w方向，如图3（c）所示。

(a)矩形微带天线结构      (b)侧视图              (c)俯视图

图3 微带天线工作原理

微带天线的性能定义

a)  工作频段：xxxx MHz——xxxx MHz;

b)  口径尺寸：xx mm * xx mm

c)  水平面方向（阵面法线方向）：波束宽度：>>5.5°

                      副瓣电平：<<-18dB;

d)  垂直面方向：波束宽度：>>30°

e)  阵面法线方向：天线增益：>>19dB

f)  极化方向：垂直；

g)  驻波比：驻波比：<<1.8

h)  波束覆盖范围：波束覆盖范围：±20°

（c）--（e）为辐射特性；（f）为极化特性；（g）为阻抗特性；（h）为扫描特性。

微带天线理论分析技术

1.  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。

图4 同轴线馈电的微带天线及等效电路

2.  腔体模型（CM）

罗远祉教授等提出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。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和