第四講微帶天線

1、第四講 微帶天線一、 引言上一講介紹了對稱振子和接地單極子天線。這兩種天線本質(zhì)上屬于線天線。但是手機(jī)內(nèi)置天線往往都不是線天線的形式，常見的PIFA天線和單極子變形天線往往都是平面天線的形式。盡管在某種程度上它們也和對稱振子或接地單極子天線有某種程度的相似性。在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)下，由于專門對手機(jī)天線進(jìn)行嚴(yán)格理論分析的論著還很少，所以為更加深入地理解手機(jī)天線，我們還有必要了解幾種其他類型的天線的一般特性。這一講主要介紹微帶天線的概念和基本原理。二、 微帶天線的結(jié)構(gòu)如下圖所示，結(jié)構(gòu)最簡單的微帶天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片（）上的輻射貼片所構(gòu)成的。貼片上導(dǎo)體通常是銅和金，它可以為任意形狀。但通常為便

2、于分析和便于預(yù)測其性能都用較為簡單的幾何形狀。為增強(qiáng)輻射的邊緣場，通常要求基片的介電常數(shù)較低。三、 微帶天線的特點(diǎn)微帶天線的典型優(yōu)點(diǎn)是：1 重量輕、體積小、剖面??；2 制造成本低，適于大量生產(chǎn)；3 通過改變饋點(diǎn)的位置就可以獲得線極化和圓極化；4 易于實現(xiàn)雙頻工作。但微帶天線也有如下缺點(diǎn)：1 工作頻帶窄；2 損耗大，增益低；3 大多微帶天線只在半空間輻射；4 端射性能差；5 功率容量低。四、 微帶天線的輻射機(jī)理微帶天線的輻射是由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生的。這可以從以下圖中的情況簡單說明，這個圖是一個側(cè)向饋電的矩形微帶貼片，與地板相距幾分之一波長。假設(shè)電場沿微帶結(jié)構(gòu)的寬度和厚度方向沒

3、有變化，則輻射器的電場僅僅沿約為半波長（）的貼片長度方向變化。輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。在兩端的場相對地板可以分解為法向和切向分量，因為貼片長度為，所以法向分量反相，由它們產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此合成場增強(qiáng)，從而使垂直于地板的切向分量同相，因此合成場增強(qiáng)，從而使垂直于結(jié)構(gòu)表面的方向上輻射場最強(qiáng)。根據(jù)以上分析，貼片可以等效為兩個相距、同相激勵并向地板以上半空間輻射的兩個縫隙。對微帶貼片沿寬度方向的電場變化也可以采用同樣的方法等效為同樣的縫隙。這樣，微帶貼片天線的輻射就等效為微帶天線周圍的四個縫隙的輻射。這種分析方法不僅適用于微帶矩形貼片天線

4、，同樣也適于其他形狀微帶天線。五、 微帶天線分析方法各種天線在進(jìn)行工程設(shè)計，都需要估算天線的性能參數(shù)（方向圖、方向系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等），這樣才能提高天線研制工作的質(zhì)量和效率，降低研制成本。許多人致力于微帶天線的理論研究，并產(chǎn)生了多種分析方法，如傳輸線法、腔模理論法、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法。這些分析方法各有長短，但都可以得到近似的定性結(jié)論，這些結(jié)論對判斷天線的特性是很有幫助的。常用微帶天線大多是窄帶器件，其窄帶性質(zhì)主要表現(xiàn)在輸入阻抗對頻率敏感的特性上，因此確定微帶天線的諧振頻率和阻抗特性十分關(guān)鍵，這也是評價不同分析方法優(yōu)劣的一個重要依據(jù)。除這種特殊情況以外，各種分析方法計

5、算微帶天線的方向圖時結(jié)果基本是一致的，特別是主波束。六、 微帶貼片的傳輸線分析法傳輸線分析法是微帶天線最早期的分析方法，也是最簡單的方法。這種方法基于如下基本假設(shè)：1 微帶片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波，傳輸方向決定于饋點(diǎn)，線段長度，是準(zhǔn)TEM波的波長。場在傳輸方向呈駐波分布，而在其垂直方向（寬度方向）是常數(shù)。2 傳輸線的兩個開口端（始端和末端）等效為兩個輻射縫，長為W，寬為h，縫口徑場即為傳輸線開口端的場強(qiáng)?？p平面可以看作是位于微帶片兩端的延伸面上，即將開口面向上彎折90度，而開口場強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。根據(jù)上面的兩點(diǎn)假設(shè)，當(dāng)時，兩縫上的切向電場都是方向，并且等幅同相。它們等效為磁流，由

6、于接地板的作用，相當(dāng)于有兩倍磁流向上半空間輻射，縫上的等效磁流密度為：V是傳輸線開口端的電壓。由于縫已經(jīng)放平，在計算上半空間的輻射場時，就可以按照自由空間處理。微帶線和同軸線饋電的微帶貼片天線等效電路如下圖所示。在上面的等效電路中，（a）是帶線饋電方式，其中是縫隙輻射導(dǎo)納，是微帶片的特性導(dǎo)納。（b）是同軸線的饋電方式，探針從接地板穿孔引出，稱為底部饋電。兩種等效電路的不同之處在于，同軸饋電的饋點(diǎn)在微帶片的開口端之間饋電，激勵源與開始端有一段距離，探針本身會引入感抗。七、 微帶貼片天線的輻射方向圖從上面的微帶天線傳輸線等效電路可以方便地導(dǎo)出天線的輻射場函數(shù)，并可以畫出方向圖。在這個方向圖中，在方

7、向上，只有分量，所以本平面稱為E面，這是包含準(zhǔn)TEM波傳播方向和軸的平面；而平面上，只有分量，所以是H面，這是與波傳播方向垂直的平面。八、 微帶天線的工作頻率和輸入阻抗根據(jù)傳輸線等效電路也可以計算微帶天線的諧振頻率和輸入阻抗，但計算方法相當(dāng)復(fù)雜，需要求解復(fù)雜的超越方程，結(jié)果也不夠精確。在手機(jī)天線中，為獲得工作頻率和輸入阻抗通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過實驗測試確定。提示 天線技術(shù)是一種實踐性很強(qiáng)的技術(shù)，又是一種理論和實踐密切配合的技術(shù)。有時數(shù)學(xué)工具可以幫助進(jìn)行精確的分析和定性判斷，但數(shù)學(xué)工具也不是萬能的，必須重視實踐。愛迪生曾讓一位數(shù)學(xué)家計算燈泡的容積，數(shù)學(xué)家三天也沒算出來結(jié)果。當(dāng)愛迪生將燈泡灌滿

8、水讓數(shù)學(xué)家去量一下水量時，數(shù)學(xué)家恍然大悟。微帶天線的輸入阻抗值的確定就是這樣的一個典型例子，與其解一大堆方程，不如用一下網(wǎng)絡(luò)分析儀。九、 微帶貼片天線中的若干經(jīng)驗公式在若干數(shù)學(xué)物理學(xué)家對微帶天線進(jìn)行研究的同時，另外也有不少實干家通過實驗尋找相關(guān)的經(jīng)驗公式，這些經(jīng)驗公式對實際設(shè)計同樣有重要的指導(dǎo)意義。以下就介紹一些微帶天線中重要實驗定理和經(jīng)驗公式。1 列文實驗定理：影響微帶天線輻射場的因素包括微帶諧振器的尺寸、工作頻率、相對介電場數(shù)和基片的厚度；高頻時輻射損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗；使用厚度大而介電場數(shù)低的基片時，開路微帶線的輻射更強(qiáng)。2 頻帶的決定因素：微帶天線的帶寬窄，主要是由兩個輻射縫之間的傳輸線特性阻抗低（110歐）所致。厚度的增大可以使傳輸線特性阻抗增大從而使頻帶