1、微波電路CAD基礎講解 天線基礎 3. 天線&微帶天線天線基礎 天線是一種導行波與自由空間波之間的轉換器件或換能器。 接收端：將空間傳播的電磁波轉換為高頻電流 發射端：將發射機的高頻電流轉換為空間電磁波3. 天線&微帶天線天線基礎 天線輻射電磁波原理 導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關。如果導線位置如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度l遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱。3. 天線&微帶天線天線

2、基礎 天線基本工作原理 發射機能夠被模型化成戴維南信號源，它包括一個電壓振蕩器和一個串聯阻抗，由此將發射功率Pt傳送到發射天線。發射天線輻射球面波，在遠距離可近似為平面波，至少在局部范圍內可近似為平面波。接收天線截取傳輸過來的部分電磁波，并將接收功率Pr送到接收機的負載阻抗上。3. 天線&微帶天線發射和接收天線的基本工作原理3. 天線&微帶天線3. 天線&微帶天線天線基礎 天線的特性參數天線基礎 天線的特性參數波瓣圖(Pattern)與天線方向性有關，又稱方向圖。3. 天線&微帶天線定向天線的三維場波瓣圖 3. 天線&微帶天線波瓣圖的二維場、功率和分貝圖3. 天線&微帶天線天線方向圖的一般形狀

3、 天線垂直方向圖3. 天線&微帶天線天線的波瓣圖（方向圖）天線基礎 天線的特性參數定向性D和增益G 天線的定向性是在遠場區的某一球面上最大輻射功率密度與其平均值之比，是大于等于1的無量綱比值。 (總)波束范圍 (或波束立體角)由主瓣范圍加上副瓣范圍所構成。 波束范圍越小，則定向性越高。 天線增益 效率因子 3. 天線&微帶天線 天線增益實際上是在波陣面某一給定方向天線輻射強度的量度。 天線增益是一個實際(或現實)參量。由于天線總有損耗(天線或天線罩的歐姆損耗)，天線輻射功率比饋入功率總要小一些，所以天線增益總要比天線方向性小一些。有很多設計良好的天線，其 值可以接近于1，但實際上G總是小于D且

4、以D為理想的最大值。3. 天線&微帶天線天線基礎 天線的特性參數天線效率 天線效率為天線輻射功率Pr與天線輸入功率Pin(輻射功率Pr與天線內所消耗功率Ps之和)之比。 上式還可以用天線輸入端的輻射電阻Ro和損耗電阻Rs表示 可見，要提高天線輻射效率，應設法增大輻射電阻，降低損耗電阻。3. 天線&微帶天線天線基礎 天線的特性參數天線的場區 圍繞天線的場可劃分為兩個主要的區域，接近天線的區域稱為近場(或菲涅爾Fresnel區) ；離天線較遠的區域稱為遠場(或夫瑯和費Fraunhofer區)。兩區的分界可取為半徑 3. 天線&微帶天線天線基礎 天線的特性參數極化特性 極化特性是指天線在最大輻射方向

5、上電場強度矢量的方向隨時間變換的規律。按天線所輻射的電場強度極化形式，可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化；圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。3. 天線&微帶天線天線基礎 天線的特性參數輸入阻抗&駐波比 為使天線能獲得最多的功率，應使天線與饋線匹配。因此，當天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗時，天線獲得最大的功率。 駐波比(VSWR)：由于入射波能量傳輸到天線輸入端未被全波吸收（輻射）、產生反射波，迭加而成。 VSWR越大，反射越大，匹配越差； 理想的匹配負載情況下,VSWR是1； VSWR1，說明輸進天線的功率有一部分被反射回來，從而降低了天線

6、的輻射功率。3. 天線&微帶天線天線基礎 天線的特性參數頻帶寬度 天線的電參數都與頻率有關，當工作頻率偏離設計頻率時，往往要引起天線參數的變化。當工作頻率變化時，天線的有關電參數不應超出規定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡稱為天線的帶寬。一種定義：天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；另一種定義：規定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統中是按后一種定義的，即當天線的輸入駐波比 時，天線的工作帶寬。3. 天線&微帶天線微帶天線(microstrip antenna) 在有金屬接地板的介質基片上沉積或貼附所需形狀金屬條、片構成的微波天線。3. 天線&微帶天線微帶天線的工作原理 微帶天線的輻

7、射機理實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導體完全封閉，電路中的不連續處就會產生電磁輻射。例如微帶電路的開路端，結構尺寸的突變、折彎等不連續處也會產生電磁輻射(泄漏)。當頻率較低時，這些部分的電尺寸很小，因此電磁泄漏小；但隨著頻率的增高，點尺寸增大，泄漏就大。再經過特殊設計，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態，輻射就明顯增強，輻射效率就大大提高，而成為有效地天線。3. 天線&微帶天線微帶天線的輻射機理 以矩形微帶天線為例，用傳輸線模型分析法介紹它的輻射原理。 設輻射元的長為l，寬為w，介質基片的厚度為h，現將輻射元、介質基片和接地板視為一段長為l的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷

8、開形成開路。 根據微帶傳輸線理論，由于基片厚度h，場沿h方向均勻分布。在最簡單的情況下，場沿寬度w方向也沒有變化，而僅在長度方向 有變化。 3. 天線&微帶天線微帶天線的輻射機理 兩開路端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產生的遠區場同相疊加，而兩垂直分量所產生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙。縫的電場方向與長邊垂直，并沿長邊w均勻分布。縫的寬度為 ，長度為w，兩縫間距為 。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為由兩個縫隙所組成的二元陣列。3. 天線&微帶

9、天線矩形微帶天線開路端電場結構 場分布側視圖 等效輻射縫隙微帶天線的優點(與通常的微波天線相比)重量輕、體積小、剖面薄的平面結構，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產；可以做得很薄，不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學性能；無需作大的變動，天線就能很容易地裝在導彈、火箭和衛星上；天線的散射截面較小改變饋電位置就能獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；適合于組合式設計(固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、混頻器等可以直接加到天線基片上)；饋線和匹配網絡可以和天線結構同時制作。3. 天線&微帶天線微帶天線的缺點 與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點

10、：有損耗，因而增益較低；大多數微帶天線只向半空間輻射；最大增益受限制(約為20dB)；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。 可以采取某些辦法來減小這些缺點。例如，在設計和制造過程中要考慮印制或消除表面波。3. 天線&微帶天線微帶天線的應用 在許多實際設計中，微帶天線的優點遠遠超過它的缺點。在一些顯要的系統中已經應用微帶天線：移動通信；衛星通訊；多普勒及其它雷達；無線電測高計；指揮和控制系統；導彈遙測；武器信管；便攜裝置；環境檢測儀表和遙感；復雜天線中的饋電單元；衛星導航接收機；生物醫學輻射器。3. 天線&微帶天線微帶天線結構 微帶天線可以分為三種基本類型：微帶貼

11、片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。 微帶貼片天線 微帶貼片天線(MPA)是由介質基片、在基片一面上有任意平面幾何形狀的導電貼片和基片另一面上的地板鎖構成。3. 天線&微帶天線微帶天線結構 微帶行波天線 微帶貼片天線(MTA)是由介質基片、在基片一面上的鏈形周期結構或普通的長TEM波傳輸線和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負載，當天線上維持行波時，可從天線結構設計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。3. 天線&微帶天線微帶天線結構 微帶縫隙天線 微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形(寬的或窄的)，圓形或環形。3. 天線&微帶天線微帶天線的激勵方法 微

12、帶天線饋電 大多數微帶天線只在介質基片的一面上有輻射單元，因此可以用微帶線饋電或同軸線饋電。3. 天線&微帶天線3. 天線&微帶天線 微帶天線饋電方式 主要分為三類：一是微帶傳輸線饋電，二是同軸線探針饋電，三是耦合饋電。3. 天線&微帶天線微帶傳輸線饋電如圖(a)所示。微帶傳輸線饋電的饋線也是一導體帶，一般具有較窄的寬度。微帶傳輸線饋電制造簡單，易于匹配，也易于建模，但是會產生更多的表面波和寄生輻射，在實際應用中限制了帶寬(一般2-5%)。同軸線探針饋電如圖(b)所示。饋電方式是將同軸線內導體接到輻射貼片上，外導體接到地面。同軸線饋電也具有制造簡單，易于匹配的優點，同時寄生輻射比較低。但它的帶

13、寬比較窄，而且建模相對較難，尤其其介質層比較厚時 。3. 天線&微帶天線耦合饋電微帶傳輸線和同軸線探針饋電由于自身的不對稱性會產生高次模而導致交叉極化。為了克服這些問題人們引入了傳輸線耦合饋電和小孔耦合饋電，如圖(c)所示。小孔耦合饋電是幾種饋電方式中最難制造的，而且帶寬也比較窄。圖(d)所示的耦合饋電，其帶寬相對較寬。3. 天線&微帶天線微帶天線的主要分析方法傳輸線模型法(transmission-line)諧振腔模型法(cavite)全波模型法(full-wave) 一般為矩量法有限元法 傳輸線模型法是所有方法中最簡單的，而且物理意義清晰明了，但是精度不夠高且不易于模式耦合。諧振腔模型法相對于傳輸線模型法精度要高，但比較復雜，同時它也清晰明了的表達了物理意義且不易于模式耦合。一般全波模型法是非常精確的，但它是最復雜的模型且物理意義不明顯。 微帶天線特性仿真模擬波瓣圖，方向性(或增益)，波瓣寬度輻射電阻，品質因數，損耗，效率輸入阻抗帶寬 ADS HFSS Sonnet FEKO3. 天線&微帶天線3. 天線&微帶天線微帶矩形貼片天