7.2 微带天线分析方法与设计在线视频

各位同学大家好

下面我们介绍一下微带天线的

主要分析方法

微带天线的分析方法

我们可以把它归结为主要三种

第一种是传输线模型

第二种是空腔模型

第三种是积分方程

第一种传输线模型

它是基于微带线传输线中的

TM传输形式

来分析矩形微带贴片天线

的一种典型的分析方法

第二种空腔模型也叫腔模理论

它融入了场的模式方法

使这种方法更加的严格 更可用

但是有要求

就是基本上限于天线的厚度远小于波长的

这种形式

第三个是积分方程

积分方程就是普通的全波数值仿真方法

这种算法最严格

算出来的也是最复杂的 最准确的

理论上积分方程又可以算各种的结构

任意的厚度都能够计算

不管薄厚都可以进行仿真

相对也比较准确

首先分析天线的辐射原理

下面以矩形的微带贴片天线为例

定性说明一下辐射原理

以最简单的传输线模型给大家介绍

微带天线的基本辐射原理

首先从几何上看微带贴片的单元

如下面这个图

矩形贴片长度为 L

宽设为W

介质基片的厚度是h

这时候就把传输线直接馈到贴片天线上

能量行波进入

并向自由空间进行辐射

传输线模型相对来说

厚度是跟波长比是非常小的 比较薄

由图可见 辐射的时候

在W边上有电场 L边没有电场

这跟W和L的取值有关系

L长度约等于1/2波长

这个波长不是λ0

是介质内的电波的传播波长

也就是说以两个辐射边的相位差

正好是相反的

相位相差180°

辐射的是W边

下面这张图

通过测试图比较直观地能够解释

天线的工作原理

这时可以看到天线在贴片的W边处

有两段斜的电场

其中左侧这段斜的电场

假设是斜向右上的

右侧的这个是斜向右下的

此时做矢量分解

左侧分解为一个正上 一个水平向右

右侧分解为一个正下 一个水平向右

竖直方向的电场相反是抵消的

然而水平的方向的电场都是向右

是叠加的

所以说 一个微带的矩形贴片

从传输线模型来说

可以把它等效成两个辐射缝

而且两个辐射缝之间差了180°

距离是L约等于λ/2波长

这里再强调一次是λ不是λ0

不是空气里的波长

是介质内的等效波长

如图给出两个同向的辐射缝模型

并给出了一个单缝远场的图

远场的公式

理论上是可以直接进行推导的

间距为L

L=λ/2

把两个缝叠在一起就可以得到这张图

这就是双缝阵的一张方向图

在理论上做比较理想的仿真设计的时候

很多的时候就用这张图

再配上阵因子

就可以做简单的阵列设计

简单的阵列优化

下面介绍一下辐射电阻

天线可以算是一个辐射电阻

通过电流就可以把辐射电阻计算出来

现在无论是用HFSS

还是ADS FEKO CST

这些主流的仿真软件

它们中都有普通的微带天线的计算器

相信很多人都用过

知道辐射电阻

微带贴片天线的馈电点也就是可以确定了

辐射电阻跟它的辐射能力有关

它的物理意义基本上就是这样

讲一下矩形贴片的输入导纳

也就是说阻抗

由图可见 这是一个同轴的馈电模型

从底馈上来

矩形贴片的尺寸是W和L

同轴线的内导体上来跟贴片短接

它距离两边分别是L1和L2

馈电的位置不同

就造成导纳的接入不一样

或者说阻抗不同

这就涉及到同轴线接上来

跟贴片的匹配问题

同时 对驻波首先也是一个很大的影响

因为谐振腔一旦确定

它的谐振频率等因素都是固定的

那这时候匹配得怎么样

就决定了天线的驻波比性能

这时候还有个规律

假设是在W边馈电

这时候从W边的中心

向两边移动馈电点的时候

阻抗是在不停地升高

到边缘处的时候阻抗接近100多欧姆

而在W边中心点处接近的阻抗为50欧姆

后面这个知识点讲的是△L等效的缝宽

跟h也就是板厚之间的关系

通常来讲 △L等效的缝宽与板厚h相当

这是一个经验的一个方法

矩形微带天线的设计分为几个步骤

首先要确定基片

天线有频率等等的指标要求

此时需要确定介质基片的介电常数和厚度

一般是根据频率来计算

根据最高的工作频率

带宽等等来做最后的确定

介质一旦确定之后

就要确定单元的宽度和长度

即W和L

之后 进一步确定微带天线的馈电方式

微带线侧馈

同轴线的馈电

还是缝隙耦合馈等等

还有就是微带天线特有的一个问题

表面波问题

关键是表面波的抑制的手段和措施

首先需要确定介质基片的参数

一般来说要计算一下可以工作的频率

要低于基片所能提供的高次模的截止频率

如果介质基片选的是介电常数2.3的时候

基片的厚度跟λ0

也就是自由空间的波长的比

达到0.09的时候

表面波就会比较可观

一般来说在设计天线的时候

不希望出现表面波

尤其是在阵列天线的时候

另外一个典型的就是介质基片是氧化铝的

也就是陶瓷基板

这种陶瓷基板的介电常数通常在10左右

一般在9到13之间可调

此时厚度可以更薄一些

一般来说基片的厚度跟介电常数开根号倍

呈线性关系

下面确定单元的宽度

单元的宽度可以通过公式确定

公式计算单元宽度

实际上就是辐射点

W边是辐射边 L边是谐振边

这里有一个问题

如果选用小于上式宽度的W时

辐射能力变低

所以天线的增益也会低一点

如果选取的W大于你计算的理想的宽度

辐射的能力虽然会高

但会产生高次模

因而引起场的畸变

这时候它里面的模式

就不是简单的TM01模了

有可能变成偶模的模式

这时候辐射出去的方向图就是开裂的

最大增益也不在天顶方向

所以有一个准则

就是W一定不要大于这个数

如果非要大一点的话

也不要大太多

W边确定之后

确定谐振边

L边叫做谐振边

公式给了一个理论计算L的长度

刚才讲到从W边的缝辐射

在电场的方向

这时是一个线极化天线

线极化天线希望极化纯度要高

极化纯度的高低跟W和L的比值有关系

理论上是1.5:1的时候

交叉极化最佳

天线的线极化程度也是最高的

而实际工程中考虑到边缘效应的影响

通常的经验值是1.3:1

馈电方式可以采用微带线的侧馈方式

可以在宽边的中心馈

也可以在宽边的边缘处馈

微带线越细 阻抗越高

在中间同轴线馈电的时候

匹配可以由适当选择馈电的位置来做到

也可以把驻波调整得很好

但如果馈电位置选择得不合适

也会影响辐射特性

偏馈有可能造成功率方向图向一侧偏

下面介绍一下表面波的抑制

微带按照腔模理论

传输的主模是TM01模

如果微带的介质基板跟波长比是比较大的

相当于它会产生一些寄生效应

造成高次模的产生

这种高次模就称为表面波

一旦比空气中的波长厚度比较多了

表面波的影响就比较大

在特定的应用中

如果按照上面的表面波抑制条件

来选择基板

表面波的影响就不必考虑

也需要具体情况具体分析

一个固定波束就好一些

如果是相控阵的时候

扫描到大角度的时候

表面波就会对波束产生比较大的畸变

尤其是副瓣电平、零深等一些参数指标

这一节就先讲到这里

谢谢大家