天线方向图的测量

第一篇：天线方向图的测量

天线CAD微带天线

微带天线

基本要求：工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。微波基板介电常数为0=6.0 ，厚度H≤5mm，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。(80分)

拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。(20分)

一. 微带天线

1.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。

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-a和b-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。 2.微带天线的性能

微带天线一般应用在1～50GHz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。

3.分析方法

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。

二. 设计思路和过程

1.根据设计要求 选中心频率为f0 = 1.15GHz、厚度设为h=4mm，参考《HFSS应用详解》的微带天线设计实例，由天线几何结构参数推导计算公式求得相关参数：

介质基板厚度:h=4mm 介电常数为:r=6 矩形贴片的宽度：W=cr11/2()139.5mm 2f022h(112)1/2 2w有效介电常数：er1r1等效缝隙长度：L0.412h(e0.3)(W/h0.264)

(e0.258)(W/h0.8)矩形贴片的实际长度：Lc12L49.4mm

2f0e对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴馈电的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈电的位置使天线的输入阻抗等于50欧姆。 对于TM10 模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上任意一点都可以作为馈电，一般情况在W方向上馈电位置选取在中心点。

在L方向上电场有g/2的改变，因此在L长度方向上，从中点到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50欧姆时馈电位置可以由下式计算

xf式中 re(L)L2re(L)

r1r12h(112)1/2 2L求解得xf10.7mm

参考地长度LGNDL6h ;宽度WGNDW6h

应该模型选取参考地的长度和宽度分别为：LGND=75mm WGND=164mm 2.用HFSS根据相关参数创建微带天线模型: (1)创建参考地 (2)创建介质板层 (3)创建微带贴片 (4)创建同轴馈线的内芯 (5)创建信号传输端口面 (6)创建辐射边界条件 模型如图：

馈电位置

3.设置激励端口完成后，求解设置。 4.设计检查和运行仿真分析 5.查看相关结果图。 三.仿真结果分析

1.天线的S11参数

2查看天线的S11参数的史密斯圆图

天线的归一化阻抗为(0.3961+j0.5784) 3.3D增益方向图 E面方向图

H面方向图

3D增益仿真模型

4选取1.15GHz某一处的轴比

矩形微带天线的极化方式为线极化

四.微带矩形天线的宽频带和圆极化

1.改变贴片结构 这种方法包括：采用多贴片结构，电磁耦合馈电;在贴片或接地板上开槽;在电路中采用非线性调制元件，如变容二极管。

采用多贴片结构，它是通过寄生耦合，利用每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各个谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。根据类似的原理已研制成了多层贴片构成的微带天线。但这样会增加微带天线的厚度。 在微带贴片天线的不同位置开不同形状的槽或缝隙，可等效成引人阻抗匹配元件，使微带天线的馈电端形成多级的等效谐振电路，从而实现频带的展宽。使用这一方法的一个成功的例子是微带U型槽天线，U型槽微带天线中心频率1815MHz，相对带宽达到27.5%。 2.采用特殊基板

这种方法包括：采用楔形或阶梯形基板;采用非线性基板材料。

用非线性基板材料也可以拓宽微带天线的频带，如采用铁氧体材料作为基板材料，其电磁特性可显著缩小天线尺寸，还有铁氧体具有非线性的色散特性，其有效磁导率随频率的升高而减低，由实验知铁氧体基板的微带天线具有多谐特性，可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，从而实现展宽微带天线的带宽。但采用铁氧体其损耗较大，效率较低。

3.极化特性：各种利用贴片形状微扰、切槽加载和多馈点组合等技术实现的圆极化天线在固定波束的角域内可提供宽频带、高极化纯度的性能。困难的是在宽频带、宽角域内保持高极化纯度,以适应固态有源相控阵辐射单元的要求。此外,为了用于极化分集或收发极化隔离的系统已制成多种型式的双馈双正交极化微带贴片单元,但性能受制于阵列环境和馈线布局、其极化隔离度还有待改进。 4.基于以上方法为了改变天线的极化特性，特作切角处理。

大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。本文采用单点馈电。

列举了开槽和改变馈电位置等多种方法，仿真结果不理想,时间有限，有待优化。

五 总结：

通过天线CAD该课程的学习，对天线有了更深的认识，通过特别是大作业，在大作业的完成过程中，熟悉了HFSS仿真软件，之前对天线只停留在想象阶段，通过HFSS仿真软件，可以观察天线的具体辐射特性等，对天线的各性能参数有了进一步的理解，通过设计和优化过程，了解到各尺寸对天线性能的影响。该课程对今后有关天线的学习和工作有很大的帮助。

第二篇：微带天线

微带缝隙天线的分析

班级：0413101 学号：041300425 姓名：袁振宇

摘 要

微带缝隙天线具有结构简单、加工方便、体积小、宽频带等特性，在微波毫米波系统应用广泛。文中计算了天线的回波损耗和方向图，与文献结果比较吻合，证明了方法的正确性，可为微带缝隙天线的设计工作提供一定的参考。

关键词 微带缝隙天线 回波损耗 方向图

Abstract

Slot antenna has a simple structure, easy to process, small size, broadband andother characteristics, widely used in microwave, millimeter wave systems. The paper calculated the return loss and antenna radation pattern.Good agreement with the literature results proved the correctness ofthe simulation method can provide some reference for the design of the microstrip slot antenna. Keywordsmicrostrip slot antennaS11radiation pattern

第一章

绪论

1.1研究背景及意义

天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

天线按工作性质可分为发射天线和接收天线。按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频

微带天线的概念早在1953年就由G.A.DeSchamps提出，在20世纪50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世纪70年代初期，当微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来。缝隙天线最早是在1946年H.G.Booker提出的，同微带天线一样最初没有引起太多的注意。缝隙天线可以借助同轴电缆很方便地馈送能量，也可用波导馈电来实现朝向大平片单侧的辐射，还可以在波导壁上切割出缝隙的阵列。缝隙开在导电平片上，称为平板缝隙天线;开在圆柱面上，称为开缝圆柱天线。开缝圆柱导体面是开缝导体片至开缝圆柱导体面的进化。波导缝阵天线由于其低损耗、高辐射效率和性能等一系列突出优点而得到广泛应用;而平板缝隙天线却因为损耗较大，功率容量低，效率不高，导致发展较为缓慢。到1972年，Y.Yoshimura明确提出微带馈电缝隙天线的概念。

从微带天线的概念提出以来，由于它剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点，已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域。但是，微带天线频带较窄的突出缺点又限制了它的实际应用。目前在高频应用上，采用更多的是微带缝隙天线，它具有对加工精度要求低，可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产的优点，尤其是微带宽缝天线更是有效地拓宽了频带。目前缝隙天线(包括波导缝隙天线)已被广泛地应用于无线移动通信天线以及卫星直播电视天线。

1.2天线特性的主要参数

天线的特性参数主要有方向函数或方向图，极化特性，频带宽度，输入阻抗等，为了方便对天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数。这些参数有：天线增益G(或方向性Gd)、波束宽度(或主瓣宽度)、旁瓣电平等。下面就简单介绍一下天线特性参数。

1.极化特性

指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化;圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。

2.输入阻抗

天线阻抗简单地讲就是在天线部分上的电压和电流比率。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要，对半波长偶极子天线来说就是中央天线。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同。

天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。

3.带宽

天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

4.远区场

如果所观测点离开波源很远、很远，波源可近似为点源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远，在观察者所在的局部区域，其波阵面可近似为平面，当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场。这里所谓很远很远都是以波长来计量的。

5.方向函数或方向图

离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数;在离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形就叫天线的方向图。最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。

天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。 G单位立体角最大辐射功率(1.1天线方向性GD与天线增益G类似但与天线馈入天线总功率4增益定义略有不同。

GD单位立体角最大辐射功率(1.2) 总的辐射功率4因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。

理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角B内辐射出去，且在B立体角内均匀分布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。

GGD4(1.3) B理想的天线辐射波束立体角B及波束宽度B

实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为 : B42(1.4) B旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。

天线效率A定义为：

APP

(1.5) PiPP11为欧姆损耗;P为辐射功率。 式中，Pi为输入功率;P天线的辐射电阻R用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下：设有一个电阻R，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于辐射功率。显然，辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为 P12ImR(1.6) 2即辐射电阻为

R2P(1.7) 2Im仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻R1为

R12P1(1.8) 2Im将上述两式代入效率公式，得天线效率为

AR1(1.9)

RR11R1/R可见，要提高天线效率，应尽可能提高R，降低R1。

6.驻波系数和行波系数

为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数。 传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为

UUmaxminIImaxmin(1.10)

驻波系数和反射系数的关系可导出如下

UzUzUzUz1z(1.11)

故得

Umax12UU2min12(1.12) U2UUmaxmin1212(1.13)

行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即

KUUminmaxIIminmax(1.14)

显然： K11212(1.15)

7.效率

效率有辐射效率与天线效率之分。由于入射波反射的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波一起的损耗等等。

为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下： 入射功率P入：指发射机等提供给天线的功率。

反射功率P反：指天线反射回来的功率。 输入功率Pin：指收发机等提供给天线的功率。

损耗功率Pd：指由于导线、介质或者地电流等存在而损耗的功率。 辐射功率P：指天线把发射机提供的功率扣除损耗辐射出去的功率。 根据以上定义，很容易得到：

PinP入P反PPd (1.16)

1.3微带细缝天线的应用

微带缝隙天线在航天器飞行、卫星直播电视以及医学诊断中得到了应用。 在卫星直播电视接受中，11.17~12.5GHz频带内的宽缝微带天线阵得到了应用。人们以矩形宽缝微带天线作为作为阵元，作出了2，4，16，64以及512单元平面阵。在H面内，单元缝隙间距为λ，E面缝隙间距为λ/2。缝隙是由微带分路器馈电。图1.2表示512单元宽缝隙组成的阵方向图和增益。这种天线的缺点是单元多，馈电网络复杂。

(a)方向图 (b)增益与频率的关系

图1.2512单元缝阵的方向图和增益

近来，人们制作了一种宽带高增益圆缝阵。阵元圆缝结构如图1.3所示。

图1.3 圆缝的结构

圆缝直径与波长可比，因此它也属于宽缝。他是由两介质板之间带线激励的，下面有一段圆波导状金属导体。调整带线宽度和深入缝中的长度可以获得带宽匹配。为了提到增益，在圆缝上金属表面加一层直径大一些的厚金属板，形成短圆喇叭状。

一个4×4圆缝阵的实验数据是：基板厚度1.75mm;相对介电常数2.32;用50欧姆带线馈电。缝隙的工作模式为TEM，中心频率为12GHz，驻波系数为2：1的带宽可达2GHz;单缝增益为10dB。阵的增益为20.6dB。在11.17~12.5GHz频率范围内，天线效率可达到57%~67%。交叉极化低于最大增益25 dB。上述数据表明，在同样指标要求下，圆缝隙阵优于矩形宽缝隙阵。

图1.4为医用宽缝隙微带天线结构示意图。单缝的增益可达到6dB。工作频率为S波段。

图1.4医用宽缝微带天线结构示意图

这种天线放在人体组织附近进行诊断。因此，场强随缝隙表面与人体组织间距离变化的数据是重要的。图表示场强随缝隙表面与水平面距离的变化。在医疗诊断和治疗中，把微带缝隙天线表面贴在人体有关部位或与有关部委保持一定距离，目的是在人体有关部位上产生一定形状和强度的热区。

第二章 缝隙天线的理论分析

如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射，而形成一种天线，这种天线称为缝隙天线。这种天线可以单独使用，也可以作天线阵的辐射单元。

2.1理论缝隙天线

实际上理想缝隙天线是有外加电压或场激励的。不论激励方式如何，缝隙中的电场垂直于缝的长边，并在缝的中点呈上下对称分布，如图2.1(a)所示。不过，由于JmnE，缝隙内外两表面的等效磁流反向，理想缝隙天线的场与前述磁流源激励时的场若在y>0的半空间相同，则在y<0的半空间相差一个负号。由于在同一表面上，等效磁流亦对缝中点呈上下对称分布，理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图2.1(b)所示。当然，这个磁流源的方向在内外两表面上也应当相反。与之互补对称的显然是尺寸相同的板状对称振子。 

图2.1 理想缝隙天线与板状对称阵子

2.2微带缝隙天线

1.微带缝隙天线的结构

在50年代，人们在三板线的一个接地板上开缝构成辐射器，这就是微带缝隙天线，并且以此为阵元构成缝阵。许多人对这种天线进行了研究。随着微波集成电路工艺的发展，人们在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。图2.5表示出了微带缝隙天线的结构。

图2.5 微带缝隙天线

微带缝隙天线产生双向辐射;对制作公差要求低;与微带振子天线组合起来可以构成圆极化天线。他也是一种比较常见的天线。微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形

(a)窄缝(b)圆环缝 (c)宽缝 (d)圆贴缝

图2.6 缝隙形状

2.微带模型

微带馈电缝隙天线的基本模型，是在微带线的接地平面上蚀刻单个缝隙或缝隙阵列作为辐射单元，该缝隙与微带线的带状导体成直角，微带线的电场经微带传播到达缝隙处通过耦合激励该缝隙，向外辐射能量。为了能有效激励缝隙，可采用两种激励方式：带状导体或者穿过介质基板到缝隙边缘并短路，如图2.7所示，或者该带状导体终止于～个远离缝隙边缘的开路短线，如图2.7所示，在缝隙外边缘实现了一个有效短路。

(a)(b)

图2.7 微带模型

3.微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是通过金属贴片和接地平面之间的场分布来确定的，换句话说，辐射可以由会属贴片上的表面电流分布来描述。由于贴片的场分布或电流分布的精确计算非常复杂，因此一般采用简单的近似理论来建立一个微带天线的工作模型。下面简单介绍一种分析方法：

假设微带天线贴片己接通微波信号，贴片的信号将在上、下表面以及地平面上建立一个电荷分布。由于贴片振荡在主模时大约为半波长，从而引起和特性的电荷分布，这样贴片下表面电荷之间的排斥力将一些电荷从下表面沿其边缘推到其上表面。这种电荷运动在贴片的下表面和上表面产生了相应的电流密度

jb和ji，如图2.8所示：

图2.8 微带天线上的电荷分布和电流分布

对于多数微带天线而言，h/w比值很小，因此电荷间的引力占主导地位。而且多数电荷和电流仍然在贴片的下层，只有少量的电流围绕贴片边缘流到上表面，产生一个与边缘正切的弱磁场。因此，我们可以作一个简单的近似：即正切磁场为0，让磁壁围绕贴片的四周。这种假设对于高r的薄介质基片来说是成立的。由于使用的基片厚度与介质中的波长相比很薄(h)，因此沿厚度的场可以认为是恒定的，电场几乎与贴片表面垂直。这样贴片可以近似为如下模型：顶部和底部有电场壁，沿4个矩形贴片边缘有磁场壁的一个空腔。在这种空腔中，只可能存在TM模式，图2.9所示为空腔模式的电场分布。腔体的4个侧壁代表4个窄孔径或裂缝，通过它们产生辐射。根据惠更斯(Huygens)场等效原理，微带贴片用上表面的等效电流密度j来表示，4个裂缝用等效电流密度j和磁流密度Ms表示，其对应电磁场分别为Ha和Ea，等效电流如图2.10(a)所示

图2.9 微带腔中TM10模式的电场分布

对于薄基片，顶部贴片电流jr远远小于底部贴片电流

jb，因此贴片电流的辐射可以忽略不计。类似地，沿贴片边缘的正切磁场和相应的电流密度上也可忽略不计，如图2.10(b)所示。根据镜像理论可知，地平面的存在将使等效电流密度加倍。因此，贴片的辐射可以看作是沿外围的4条磁电流在自由空间辐射而产生的，如图2.10(c)所示。

(a)

(b)

(c)

图2.10 矩形微带天线上的等效电流密度

(a)

(b)

图2.11 辐射裂缝上的电流分布

裂缝的等效磁流密度如图2.11所示。利用等效原理，每个裂缝的辐射场与电流密度为Ms的磁偶极子相同。由于裂缝上的电流大小相等、方向相反，因此沿x轴分布的裂缝产生的辐射几乎为0。但沿Y轴的裂缝却构成了一个两单元的阵列，其电流密度的幅度相等且相位相同，相隔距离为贴片长度L。因此，贴片辐射等效为两个垂直裂缝的辐射。其它微带天线结构也可以用类似的方法通过等效裂缝来分析。

参考文献

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第三篇：微带贴片天线

实验三

微带贴片天线

姓名：吕秀品

专业：通信工程

学号：2011117051

一、实验目的

1.了解天线的基本功能及其基本的特性参数;

2.掌握矩形微带贴片天线的原理，设计及分析方法;

二、实验内容

1.根据指标要求，设计矩形微带贴片天线;

2.使用CST软件对设计的矩形微带贴片天线进行仿真分析;

三、实验器材

1.计算机;

2.CST2011软件

四、实验原理

设计为带天线的第一步就是选择合适的介质基片，举行为带天线可以视作一段等于/2的低阻抗微带传输线，它的辐射场被认为是由传输线两端开路处的缝隙所形成的，因此，举行为带天线可以等效成长W，宽H，间距L的二元缝隙天线阵。

如果天线采用微带线馈电方式，则其输入导纳：

Y(z)=in2Gcos(z)2，期中，z为馈电点到辐射贴片边缘拐角处的距离，为介质中的相位常数，G是辐射电导，可见选择不同的馈电点位置可以获得不同的输入阻抗

如果采用同轴馈电方式，则输入阻抗：

Z=in1inYY=

11+j

XL,同样可见，移动同轴线馈电点位置，可使输入阻抗改变，从而获得阻抗匹配。

方向性系数：D=8I(w2)

五、实验步骤

1.按要求设置天线参数，定义变量; 2.创建介质基板; 3.创建金属底板; 4.创建辐射贴片;

5.创建1/4波长阻抗变换器; 6.创建微带线;

7.分析结果并优化处理;

六、实验结果

1.微带贴片天线模型

2.设置端口后的微带贴片天线

3.S11参数曲线

4.优化后的S参数曲线

5.2-Dport电场

6.2-Dport磁场

7.天线三维方向

第四篇：微带天线综述

摘要：微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻等优点，得到广泛的应用。但是，近年来，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化的要求。本文除了对微带天线做了基本介绍外，还对微带天线最基本的小型化技术进行了探讨、分析和归纳。 关键词：微带天线

小型化

宽频带

一、引言

随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

二、微带天线

2.1微带天线[1]的发展史及种类

早在1953年G. A. DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R.E.Munson)和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线[1]。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世。80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展;今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。

微带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结构[2,3]如图2.1所示。

(a)微带贴片天线

(b)微带振子天线

(c)微带行波天线

(d)微带缝隙天线

图2.1 微带天线的典型结构

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。

由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。 2.1.1微带贴片天线

微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地板，其典型结构如图2.1(a)所示。它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周与地板之间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。 2.1.2微带振子天线

图2-2给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线，微带振子的长度约为半个波长，宽度与微带馈线的宽度相同。微带振子与其下方的微带馈线有一部分相互交叠从而耦合能量，调整此交叠部分的面积从而改变馈线与微带振子的耦合量便可以调整天线谐振时的输入阻抗。对于此微带振子天线，我们也可以将馈线变化为槽线。此外，还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。

图2-2 电磁耦合馈电的微带振子天线

2.1.3微带行波天线

微带线形天线是利用微带线的形变(如弯曲、拐角等)，由微带线的不连续点或弯曲点来形成辐射。它们一般都端接匹配负载，沿线传输行波，故又被称为微带行波天线，其波瓣可以指向从端射到边射的任一方向。图2-3给出了几种常见的微带线型天线结构。与行波天线相对应的是微带驻波天线，其终端一般为开路或短路，波瓣一般指向边射方向。

(a)三角线

(b)弯角线

(c)链式线

(d)城墙线

图2-3几种常见的微带线型天线结构[5,6]

三、微带天线的小型化技术

天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。 3.1 天线加载

在微带天线上加载短路探针 [4] ，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，典型结构如图3.1 所示。其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ，这给制造公差提出了苛刻要求。(2) 带宽窄。(3) H 面的交叉极化电平相对较高。将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor) ，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。

图3.1 加载短路探针的微带天线

3.2 采用特殊材料基片

从天线谐振频率关系式可以知道，谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料) 或高磁导率(如磁性材料) 的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是: (a) 激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。(b) 带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖介质(如图3.2 所示) 。

图3.2 采用高r 的多层介质微带天线

3.3 表面开槽(slot)[5] 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3 所示) ，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3.4 为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。

图3.3 表面开槽的小型化微带天线

图3.4 小型口径耦合圆极化微带

这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1 %) 与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。 3.4 附加有源网络

缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性: (1) 工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线带宽高低端频比可达20～30 。(2) 增益高(可达10dB 以上) ，方向性好。(3) 便于实现阻抗匹配。(4) 易实施天线方向图，包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。(5) 有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。 3.5 采用特殊形式

这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie) (如图3.5所示) 、倒F 型( PIFA ，planar inverted2F antenna)(如图3.6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(stacked shorted patch) 等等。

图3.5 双频带蝶型微带天线

图3.6 电容加载的倒F型微带天线(PIFA)

四、结束语

微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的一个研究热点。如何设计出具有小型化的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。

五、参考文献

[1]

G. A. Deschamps, "Microstrip microwave antennas”, USAF Symp. on Antennas, 1953.

[2]

钟顺时, 微带天线理论与应用, 西安电子科技大学出版社, 1991 [3]

张钧, 刘克诚等, 微带天线理论与工程, 国防工业出版社, 1988

[4]

R. Porath, “Theory of miniaturized shorting-post microstrip antennas”. IEEE Trans. Antennas Propagat , vol. 48 , pp. 41-46, Jul. 2000. [5] S.Adnan, R.A.Abd-Alhameed, “Compact Microstrip Antenna Design for Microwave Imaging”. 2010 Loughborough Antenna&Propagation Conference, pp. 389-392 ,Nov. 2010

第五篇：天线测试方法介绍

天线测试方法介绍

对天线与某个应用进行匹配需要进行精确的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作，以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术，在过去5年中，国防部门对这些技术的兴趣已经越来越浓厚。虽然有许多不同的方法来开展这些测量，但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如，500MHz以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(Anechoic Chamber)，这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是，大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术，也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此，他们无法发挥这种技术的最大效用。随着对频率低至100MHz的天线测量的兴趣与日俱增，天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时，天线测试工程师通常需测量许多参数，如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试，使用这种技术时待测天线(AUT)安装在发射天线的远场范围内。其它技术包括近场和反射面测试。选用哪种天线测试场取决于待测的天线。

为更好地理解选择过程，可以考虑这种情况：典型的天线测量系统可以被分成两个独立的部分，即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成。

在传统的远场天线测试场中，发射和接收天线分别位于对方的远场处，两者通常隔得足够远以模拟想要的工作环境。AUT被距离足够远的源天线所照射，以便在AUT的电气孔径上产生接近平面的波阵面。远场测量可以在室内或室外测试场进行。室内测量通常是在微波暗室中进行。这种暗室有矩形的，也有锥形的，专门设计用来减少来自墙体、地板和天花板的反射(图1)。在矩形微波暗室中，采用一种墙面吸波材料来减少反射。在锥形微波暗室中，锥体形状被用来产生照射。

图1：这些是典型的室内直射式测量系统，图中分别为锥形(左)和矩形(右)测试场。

近场和反射测量也可以在室内测试场进行，而且通常是近场或紧缩测试场。在紧缩测试场中，反射面会产生一个平面波，用于模拟远场行为。这使得可以在长度比远场距离短的测试场中对天线进行测量。在近场测试场中，AUT被放置在近场，接近天线的表面上的场被测量。随后测量数据经过数学转换，即可获得远场行为(图2)。图3显示了在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。

图2：在紧缩测试场，平坦波形是由反射测量产生。

一般来说，10个波长以下的天线(中小型天线)最容易在远场测试场中测量，这是因为在可管理距离内往往可以轻松满足远场条件。对大型天线(Electrically Large Antenna)、反射面和阵列(超过10个波长)来说，远场通常在许多波长以外。因此，近场或紧缩测试场可以提供更加可行的测量选项，而不管反射面和测量系统的成本是否上升。

假设天线测试工程师想要在低频下进行测量。国防部门对此尤感其兴趣，因为他们需要研究诸如在低频下使用天线等事项，以便更好地穿透探地雷达(GPR)系统中的结构(针对工作在400MHz范围的射频识别(RFID)标签)，以及支持更高效的无线电设备(如软件定义无线电(SDR))和数字遥感无线电设备。在这种情况下，微波暗室可以为室内远场测量提供足够好的环境。

矩形和锥形是两种常见的微波暗室类型，即所谓的直接照射方法。每种暗室都有不同的物理尺寸，因此会有不同的电磁行为。矩形微波暗室处于一种真正的自动空间状态，而锥形暗室利用反射形成类似自由空间的行为。由于使用了反射的射线，因此最终形成的是准自由而非真正自由的空间。

众所周知，矩形暗室比较容易制造，在低频情况下的物理尺寸非常大，而且随着频率的提高工作性能会更好。相反，锥形暗室制造起来较复杂，也更长一些，但宽度和高度比矩阵暗室要小。随着频率的提高(如2GHz以上)，对锥形暗室的操作必须十分小心才能确保达到足够高的性能。

通过研究每种暗室中使用的吸波措施可以更清楚地认识矩形和锥形暗室之间的区别。在矩形暗室中，关键是要减小被称为静区(QZ)的暗室区域中的反射能量。静区电平是进入静区的反射射线与从源天线到静区的直接射线之差，单位是DB。对于给定的静区电平，这意味着后墙要求的正常反射率需等于或大于要达到的静区电平。

由于矩形暗室中的反射是一种斜入射，这会使吸波材料的效率打折扣，因此侧墙非常关键。但是，由于存在源天线的增益，只有较少的能量照射到侧墙(地板和天花板)，因此增益差加上斜入射反射率必须大于或等于静区反射率水平。

通常只有源和静区之间存在镜面反射的侧墙区域需要昂贵的侧墙吸波材料。在其它的例子中(例如在位于源后面的发射端墙处)，可以使用更短的吸波材料。在静区周围一般使用楔形吸波材料，这样有助于减少任何后向散射，并防止对测量造成负面影响。

锥形暗室中采用什么吸波措施呢?开发这种暗室的最初目的是为了规避矩形暗室在频率低于500MHz时的局限性。在这些低频频段，矩形暗室不得不使用低效率天线，而且必须增加侧墙吸波材料的厚度来减少反射并提高性能。同样，必须增加暗室尺寸以适应更大的吸波材料。采用较小的天线不是解决之道，因为更低的增益意味着侧墙吸波材料仍必须增大尺寸。

锥形暗室没有消除镜面反射。锥体形状使镜面区域更接近馈源(源天线的孔径)，因此镜面反射成为照射的一部分。镜面区域可以用来通过形成一组并行射线入射进静区，从而产生照射。如图3所示，最终的静区幅度和相位锥度接近自由空间中的期望值。

图3：在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。

使用阵列理论可以更清楚地解释锥形暗室的照射机制。考虑馈源由真实的源天线和一组映像组成。如果映像远离源(在电气上)，那么阵列因子是不规则的(例如有许多纹波)。如果映像比较靠近源，那么阵列因子是一个等方性图案。对位于(远场中的)AUT处的观察者来说，他看到的源是源天线加上阵列因子后的图案。换句话说，阵列将看起来像是自由空间中的独立天线。

在锥形暗室中，源天线非常关键，特别是在较高频率时(如2GHz以上)，此时暗室行为对细小的变化更加敏感(图4)。整个锥体的角度和处理也很重要。角度必须保持恒定，因为锥体部分角度的任何变化将引起照射误差。因此测量时保持连续的角度是实现良好锥形性能的关键。

图4：在典型的锥形暗室中，吸波材料的布局看起来很简单，但离源天线较近的区域(锥形暗区域)非常重要。

与矩形暗室一样，锥形暗室中的接收端墙体吸波材料的反射率必须大于或等于所要求的静区电平。侧墙吸波材料没有那么重要，因为从暗室立方体部分的侧墙处反射的任何射线会被后墙进一步吸收(后墙处有性能最好的吸波材料)。作为一般的“经验之谈”，立方体上的吸波材料的反射率是后墙吸波材料的一半。为减少潜在的散射，吸波材料可以呈45度角或菱形放置，当然也可以使用楔形材料。

表中提供了典型锥形微波暗室的特性，可以用来与典型的矩形暗室作比较。较少量的锥形吸波材料意味着更小的暗室，因此成本更低。这两种暗室提供基本相同的性能。不过需要注意的是，矩形暗室要想达到与锥形暗室相同的性能，必须做得更大，采用更长的吸波材料和数量更多的吸波材料。

图5：一个用于天线测试的200MHz至40GHz小型锥形暗室。

虽然从前面的讨论中可以清楚地知道，在低频时锥形暗室可以比矩形暗室提供更多的优势，但测量数据表明锥形暗室具有真正的可用性。图5 是一个200MHz至40GHz的小型锥形暗室，外形尺寸为12×12×36英尺，静区大小为1.2米。这里采用了一个双脊宽带喇叭天线照射较低频率的静区。然后利用安捷伦(Agilent)公司的N9030A PXA频谱分析仪以一个对数周期天线测量静区。在200MHz点测得的反射率大于30Db(如图6所示)。图7 和 图8分别显示了馈源顶部的源天线和静区中的扫描天线。

图6：从图中可以看出，在200MHz点测得的反射率大于30dB。

图7：图中测试采用双脊喇叭作为源。

有许多像APM和HiL那样的不同方法可进行天线测量。测量技巧在于选择正确的天线测试场，具体取决于待测的天线。对于中型天线(10个波长大小)，推荐使用远场测试场。另一方面，锥形暗室可以为低于500MHz的频率提供更好的解决方案。它们也可以用于2GHz以上的频率，但操作时需要备加小心才能确保获得足够好的性能。通过了解锥形微波暗室的正确使用，今天的天线测试工程师可以使用非常有用的工具开展100MHz至300MHz以及UHF范围的天线测量。

图8：图中测试采用一个对数周期天线来扫描QZ以测量反射率。