微带天线设计指南

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馈源边界条件求得。
本法已成功地用于精确计算厚0.005λd至 0.02λd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。
3. 全波分析法（FW）
传输线模型和腔体模型全部都是在薄微带的假设下实现的，而全波理论引入第三维的变换，不仅适用于任意形状、任意厚度的情况，还可用于计算微带天线单元的互耦问题，进一步扩宽的理论的适用范围。
全波理论是以开放空间中的格林函数为基础的，先求出在特定边界条件下电源产生的场，再根据叠加原理，将电源场与源分布相乘，积分求得总场分布，故这种方法又被称为积分方程法。严格的格林函数积分通常有极大的计算量，在实际应用中，应用先验性知识假定的场源分布来代替积分求得的场源分布。这种方式简化了求格林函数积分带来的计算复杂性，又可以获得较为严格的包含微带基片效应的总场结果，但应用场合受到先验性假设的限制。
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。
微带天线的优缺点与应用
与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：
1.  剖面低、体积小、重量轻
2.  具有平面结构，易于导弹、卫星等载体表面共形
3.  适合于印刷电路技术大批量生产
4.  能与有源器件和电路集成为单一的模块
5.  便于获得圆极化、容易实现双频段、双极化等多功能工作
微带天线缺点有：
1.   频带窄
2.   有导体和介质损耗，会激励起表面波，导致辐射效率降低
3.   功率容量小，一般适用于中、小功率场合
4.   性能受基片材料影响大
微带天线目前已应用于100MHz—100GHz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。

表1 微带天线典型应用

微带天线的发展趋势
（1）微带天线频带展宽技术
对于谐振式天线来说，Q值越高，谐振特性就越尖锐，相对应的带宽就越窄。因此，展宽带宽可以考虑从降低Q值入手。增加介质基板的厚度，选择低介电常数以及损耗角正切tanα值较大的介质基板均可使Q值下降。
但过厚的介质基板容易引起表面波的明显激励，使辐射效率降低。此外，介电常数的减小也有极限，最小是完全采用空气层的情况，介电常数值为1，这在实际工程中也增加了工艺复杂性。
因此，在使用此方法时要综合考虑包括剖面厚度、实际可实现性以及天线其他性能指标的完成度。
除了以上改变天线所用材料的方法之外，在贴片表面开槽或者开缝，可以改变原有表面电流的分布，严格来说这也是通过降低Q值实现宽频带的方式。此外，缝隙产生的谐振频率也可以作为原贴片的寄生频率从而展宽带宽。
最后，我们还可以人为引入多个谐振点。这种方法的基本思想是在主谐振频率附近引如其他谐振频率，调整每个谐振点的大小，最终覆盖整个工作频带。运用此方法设计的天线可以是单层的，通过增加无源共面贴片引入寄生谐振；也可以是多层的，通过多个尺寸大小相近从而谐振频率相近的贴片层叠来展宽频带，一般情况下只有一个贴片直接馈电，其余贴片通过耦合馈电。
（2）微带天线波束展宽技术
卫星导航系统需要天线具有低仰角宽波束的特性，而通常来说谐振型微带天线的波束都不会很宽，因此如何展宽天线的波束也是微带天线需要解决的问题。在贴片表面开缝可以减小天线尺寸，缩小天线的辐射口径，以此达到展宽波束的目的。同时，贴片表面开缝也可将原辐射区域分为几个不同的辐射区，多个区域的辐射波束相叠加，以此展宽波束宽度。
此外，为了减小天线的有效辐射口径，也可以在传统的微带天线外加折叠导体腔，遮罩辐射贴片。此方法结构简单，效果显著，但导体腔的存在加大了剖面厚度，也使得重量增大，如图5所示。
我们也可以将两种或多种形式的天线进行组合，利用多种天线最大波束指向的差异来展宽波束。由微带贴片直接辐射的能量在法相方向辐射最强，另一部分的能量沿介质层传播的能量在介质层末端辐射，切相方向上辐射最强。天线工作时，两个方向的辐射叠加，使整个上半辐射空间有较宽的波束。

图5  加折叠导体腔的宽波束微带天线

（3）微带天线的多功能技术
多功能无线通信的飞速发展使得在雷达、通信和定位系统等领域都迫切需要双频、双极化微带天线，以实现频率复用、收发双工和天线共用。目前双频天线的主要实现目标是获得可控双频比的双宽频带特性，双极化天线主要考虑隔离度和每种极化的交叉极化电平。

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