微带天线

2018-09-20 14:14:10 16

微带天线(microstrip antenna)在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分种:

   片形状是一细长带条,则为微带振子天线。

   贴片是一个面积单元时,则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙,而在介质基片的另一面印制出微带线时,缝隙馈电,则构成微带缝隙天线。

简介

结构与分类

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振子天线。图1所示为一基本矩形微带天线元。

长为L,宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L为半个微带波长即为λg/2时,在低阻传输线两端形成两个缝隙a-ab-b,构成一二元缝阵,向外辐射。

另一类微带天线是微带缝隙天线。它是把上述接地板刻出窗口即缝隙,而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。

按结构特征把微带天线分为两大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线;按形状分类,可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类,无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸,一般只能工作在谐振频率附近;而后一类天线无谐振尺寸的限制,它的末端要加匹配负载以保证传输行波。

微带天线的性能

微带天线一般应用在150GHz频率范围,特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比,有如下优点:

(1)体积小,重量轻,低剖面,能与载体(如飞行器)共形

(2)电性能多样化。不同设计的微带元,其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整;易于得到各种极化

(3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。

微带贴片形状

贴片形状是多种多样的,实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制,必须用到其他形状的微带贴片天线。例如,国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图,即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上,而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此,为使微带天线适用于各种特殊用途,对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。

分析

微带天线进行工程设计时,要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算,这将大大提高天线研制的质量和效率,降低研制的成本。这种理论工作的开展,带来了多种分析微带天线的方法,例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图,其结果是一致的,特别是主波束。本部分将对一般的矩形微带天线进行分析讨论,为特殊形状要求的微带天线做好理论分析基础。利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法,也较简单,其精确度可以满足一般工程设计要求。以下将用传输线法如图1所示的基本矩形微带天线元为例,说明它的工作原理与主要电参数。

物理模型

传输线方法的基本假设:(1)微带片和接地板构成一般微带传输线,传输准TEM波。波的传输方向决定于馈电点。线段长度取1≈λg/2,λg为准TEM波的波长。场的传输方向是驻波分布,而在其垂直方向(图中的宽度W方向)是常数。(2)传输线的两个开口端(a-ab-b)等效为两个辐射缝,长为W,宽为h,缝的径场为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上,即是将开口面向上折转90度,而开口场强也随之折转。

辐射原理分析

微带天线中有一维的尺寸远远小于波长,因而天线剖面很低(天线薄),有利于共形设计保证优良的空气动力特性。图1所示的长为L,宽为W2的矩形微带天线元可以看作一般的传输线连接两个辐射缝组成。低特性阻抗的传输线是由微带馈线扩展其宽度W1W2而成,其长度L为半个微带波长,即λg/2。在低阻传输线两端形成两个缝隙(a-ab-b),那里的电场分解为两个分量,其中En与接地板垂直;另一个与接地板并行,记作E1〃,由于L=λg/2,垂直分量反相,平行分量同相,因此在垂直于辐射源的方向上,水平分量有最大辐射分量,而垂直分量相互抵消。试验表明,电场的水平分量在辐射源的两个端部,各向外延伸一个介质板厚度h的长度内存在。这样就可近似认为微带天线元的辐射等于两个长度为W2,宽度为h,间距为L的裂缝组成的二元阵的辐射。

裂缝平面与接地面平行,裂缝受水平电场Ey的激励。Ey沿裂缝是均匀分布的(即沿x均匀分布)。裂缝的激励场Ey可以等效为沿x方向的磁流。磁流密度,其中为裂缝面的法向单位矢量(沿z方向)。考虑接地板的反射影响,则源的磁流密度,由于裂缝宽度h<<λ,所诀y沿y方向也是常数,故相应的磁流Im可写为 于是裂缝的辐射就等效为磁流强度Im相同的一系列磁基本阵子沿着x轴排列的连续阵的辐射。将磁基本阵子的辐射场沿裂缝长度W积分,就可以得到其远区辐射场为

微带线特性参数

特性阻抗 ; 传播波长 ; 传播常数

式中εe为等效相对介电常数,εr为介质板介电常数。

空气微带天线特性阻抗Z0

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应用分析与设计方法

应用情况

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。

馈电方式与阻抗

矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。不论那种方式,其谐振输入电阻Rin很大,为使Rin50Ω馈电系统相匹配,则阻抗变换器是不可少的。为实现匹配,输入阻抗的大小必须知道。整个微带天线的输入导纳可看作是一个缝的导纳,经长度为L的低特性阻抗传输线变换后,再与另一个缝的导纳并联,谐振状态其输入电纳为零,输入导纳等于两倍的输入电导Yin-2G∑〃

Wλ时,

G∑〃=w2/90λz

其值通常比微带传输线的特性导纳小很多,接近开路状态,因此限制了天线的阻抗频带。为了使频带加宽,可增加基片的厚度,减小基片的εr值,以使特性导纳降低;再增加W使辐射电导提高。 由上式可见,方向函数由两个因子组成,其中一个sinθ即基本磁阵子的方向函数;另一个就是长度为L的等幅同相连续阵的阵因子。

矩形微带天线单元的辐射就等于上述裂缝组成的间距为L的二元阵的辐射。如图3所示二元阵本文转自微波仿真论坛

天线的辐射场为 r是微带中心到场点的距离。

由于hλ,故F2(θ,φ)1

同样

(4)  由上式可见,若φ=0,则此平面上仅有Eθ分量,故此平面为E面;而在φ=90°平面,Eθ=0,仅有Eφ分量,故为H面,这是与波传播方向垂直的平面,最大辐射方向在θ=0z轴。这是因为激励二元阵的特点。

该型炮弹引信微带天线采用侧馈方式,在制作侧馈的矩形微带天线时,可按下述方法实现匹配:将中心馈电天线的贴片同50Ω馈线一起光刻制作,实测其输入阻抗并设计出匹配变换器,然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器就做成所需的天线。

辐射模型

由实地测量、试验等方法,可得出其εr,f0,h,W,L,并由上述公式得出微带天线εe,λg,Z0。 以传输线理论分析方法为依据,用等效磁流的观点建立模型。同时根据电压波形考虑微带两开口端辐射,以及两转折弯头的辐射,给出各不连续处的电场,得到磁流的大小与方向。由于金属底板的反射,用镜像的原理得其相应的场源分布情况。

定量分析方法

由天线辐射原理模型可以看出,共有6对磁流源,y轴平行排列着Im6Im6Im1Im1Im3Im3Im5Im5x轴轴向排列有Im2Im2Im4Im4等。求解总辐射场时,可看作是这5个二元缝阵辐射场的叠加。图5中所标的字母Im1Im2Im3…等,是以Im1点为参考所作的归一化,用来表示各辐射点电场幅值的大小;另外用β1,β2,β3表示Im3Im5Im6点电压相位滞后于Im1点的数值。这些数值的获取是通过对微带贴片的实际测量,代用公式求得微带上传输波的波长并求得相应的波形,这样各点相位滞后情况就可知道,代用式(1)便可求出各点的等效磁流的大小。由于测量的误差,势必造成计算结果的失真,严重时,可能导致所得到的天线参数与实际情况背离很远。针对上述辐射源排列,现简单的作一探讨,列出其辐射方程,供大家讨论。该情况下,天线方向图的E面、H面上有水平和垂直两种极化方式。求解时单独考虑。

(1)φ=90°平面上,Im1-Im1Im6-Im6Im3-Im3Im5-Im5组成的辐射阵,在该面上只有Eφ分量,Im2-Im 2Im4-Im4组成的辐射阵,则只有Eθ分量。所以存在两种极化方式。公式如下: 上述式(5)(6)(7)(8)描述了该型微带天线辐射的情况。C语言编程实现该过程。由模拟出的方向图可以较清楚地看到,φ=90°平面即垂直于弹轴的赤道面上,天线的方向图呈两个8字型,一个为竖8字型,一个为横8字型,这一点与实测的天线方向图相符合。φ=0°平面即平行于弹轴的子午面上,水平极化为一前倾的半圆形,这与实际也相符,但是垂直极化的方向图与实测的方向图不够符合。其原因与尺寸测量误差有关。

改变介质板的厚度,介电常数,微带贴片的宽度等,就从根本上改变了微带传输线上的波形(传输波长λR与上述参数有密切的关联)。从对方向图影响的角度来看,赤道面上影响不大,但在子午面上影响明显,前倾的半圆形可能会变成横8字型(当然这是在保证天线尺寸不变的情况下)

运用

微带天线在民用上面常见于微波雷达传感器,如:24GHz雷达传感器,相对于传统的喇叭天线,传感器具有体积小,方向性好,使用方便等特点