【正文】 線和條帶振子天線，如圖13(a)、（b)所示。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變（如彎曲、直角彎頭等)來形成輻射，稱之為微帶線型天線，如圖13(c)所示，這種天線因為沿線傳輸行波，又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其它饋線(如帶狀線)對其饋電，稱之為微帶行波天線，如圖13(d)所示。由各種微帶輻射單元可構(gòu)成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天線，等等。 微帶天線的優(yōu)缺點與應(yīng)用 與普通微波天線相比，微帶天線有如下優(yōu)點： (1)體積小，重量經(jīng)； (2)平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等表面相共形的結(jié)構(gòu)； (3)饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起集成，適合于用印刷電路技術(shù)進行大批量生產(chǎn)； (4)能與有源器件和電路集成為單一的配件； (5)便于獲得圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作； (6)沒有作大的變動，天線既能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星。 (7)天線的散射截面較?。? (8)稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)。 (9) 微帶天線適合于組合式設(shè)計(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調(diào)制器、開關(guān)等可以直接加到天線基片上)； (10)饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時設(shè)計和加工。 但是與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點： 1) 頻帶窄； 2) 有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，并且會激勵表面波，導(dǎo)致輻射效率降低； 3) 功率容量較小，適用于中、小功率場合； 4) 性能受基片材料影響大； 5) 饋線與輻射元之間的隔離差； 盡管如此，有一些方法可以用來減小某些缺點。例如，采用一些寬頻帶技術(shù)可以有效地展寬頻帶；在設(shè)計和制造過程中特別注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。 在許多實際設(shè)計中，微帶天線的優(yōu)點遠超過它的缺點。甚至在仍被認為是微帶天線發(fā)展幼年時期的80年代時，微帶天線已有多種成功的應(yīng)用。隨著微帶天線的繼續(xù)研究和發(fā)展以及日益增多的使用需求，可以預(yù)料，對于大多數(shù)的應(yīng)用，它將最終取代常規(guī)的天線。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有： 衛(wèi)星通訊； 多普勒及其它雷達， 無線電測高計， 指揮和控制系統(tǒng) 導(dǎo)彈遙測； 武器信管； 便攜裝置； 環(huán)境檢測儀表； 復(fù)雜天線中的饋電單元； 衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線； 生物醫(yī)學(xué)輻射器； 等等。 相信隨著對微帶天線應(yīng)用可能性認識的提高，以及各種電路系統(tǒng)對天線的小型化集成化要求的提高，微帶天線的優(yōu)點日益凸顯，其應(yīng)用場合將會繼續(xù)增多。 微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法 在對微帶天線有了一個初步的了解之后，接下來我們將對微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法做一個簡單的介紹。其中結(jié)構(gòu)包括天線的輻射結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)，而分析方法分為解析方法和數(shù)值方法兩大類。對不同的微帶天線的機構(gòu)和分析方法的理解和運用將對我們進行微帶天線單元的設(shè)計起到很重要的指導(dǎo)作用。 微帶天線的結(jié)構(gòu) 微帶天線的輻射結(jié)構(gòu) 微帶天線根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同而大體上可以分為四類：微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶線型天線和微帶縫隙天線。它們具有不同的特點和使用范圍，其中貼片天線由于其分析和設(shè)計方便且具有很多優(yōu)良的電特性而在實際中應(yīng)用最廣。 微帶貼片天線的最基本的結(jié)構(gòu)模型便是薄的介質(zhì)基片加其兩側(cè)的微帶貼片和地板，其典型結(jié)構(gòu)如圖13（a）所示。它通過貼片和地板上的電流或等效為貼片四周與地板之間的縫隙上分布的等效磁流來輻射能量。 微帶貼片天線具有很多優(yōu)點：分析和設(shè)計簡單，可以實現(xiàn)各種極化形式，可以多頻段工作，制作方便，等等。故一般的微帶天線多是這種形式，我們將在第三節(jié)對它進行詳細的介紹。 對于微帶貼片天線，當(dāng)貼片的寬度變窄時，其輸入阻抗隨之增加。因此當(dāng)貼片的寬度接近微帶饋線的寬度時，貼片天線則難于匹配使得天線的輻射特性變得很差。而微帶振子天線則利用耦合饋線很好地解決了這一問題。圖21給出了一種利用微帶線來進行耦合饋電的微帶振子天線，微帶振子的長度約為半個波長，寬度與微帶饋線的寬度相同。微帶振子與其下方的微帶饋線有一部分相互交疊從而耦合能量，調(diào)整此交疊部分的面積從而改變饋線與微帶振子的耦合量便可以調(diào)整天線諧振時的輸入阻抗。對于此微帶振子天線，我們也可以將饋線變化為槽線。此外，還可以將微帶振子彎折以構(gòu)成微帶折合振子從而減小天線的尺寸。當(dāng)微帶振子很窄且基片厚度遠小于介質(zhì)波長或微帶振子的長度等于諧振長度時，我們可以假設(shè)微帶振子上的電流滿足余弦分布，從而得到其輻射特性。對于更一般的情況，則可以采用矩量法得出關(guān)于微帶振子和地板上更準(zhǔn)確的電流分布從而計算天線的輻射場。圖21 電磁耦合饋電的微帶振子天線 （a）三角線 （b）彎角線 （c）鏈?zhǔn)骄€ （d）城墻線 圖22 幾種常見的微帶線型天線形式微帶線型天線是利用微帶線的形變（如彎曲、拐角等），由微帶線的不連續(xù)點或彎曲點來形成輻射。它們一般都端接匹配負載，沿線傳輸行波，故又被稱為微帶行波天線，其波瓣可以指向從端射到邊射的任一方向。圖22給出了幾種常見的微帶線型天線結(jié)構(gòu)。與行波天線相對應(yīng)的是微帶駐波天線，其終端一般為開路或短路，波瓣一般指向邊射方向。微帶行波天線可等效為一種沿微帶線延伸方向一邊傳輸能量一邊輻射能量的傳輸線段，用一個復(fù)傳播常數(shù)來表征，其中實部給出了導(dǎo)行波的相位信息而虛部則給出了沿線輻射所等效的衰減。采用等效磁流法來進行近似分析。此時微帶線上不連續(xù)點或彎曲點的輻射用微帶線兩側(cè)的磁流來等效，且一般對于微帶線型天線，其微帶線的寬度遠小于波長，因此直微帶線上的寄生輻射可以忽略，且不連續(xù)點或彎曲點處微帶線兩側(cè)磁流的輻射可用位于中心線的單個磁流來等效。因此微帶行波天線也可以視為一個串聯(lián)饋電的陣列，其輻射單元便是各個不連續(xù)點或彎曲點。利用矢位法可計算出輻射場進而得到其它的天線電參數(shù)。更嚴格的方法可以采用數(shù)值方法，如基于積分方程的矩量法等，由天線結(jié)構(gòu)建立電流積分方程，解算出電流分布便可計算出輻射場。，圖13示出了一種典型的微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)。它是利用在微帶結(jié)構(gòu)的地板上刻蝕的縫隙來輻射能量。對于窄縫（縫寬比縫長小很多）結(jié)構(gòu)，可以看作與微帶振子天線互補。與微帶貼片天線相比，其優(yōu)點是交叉極化電平低。但由于縫隙本身電抗的影響，其駐波帶寬一般比較窄，且是雙向輻射的，不過這可以通過在介質(zhì)基片的另一側(cè)增加地板來消除背向輻射。微帶縫隙天線的分析可以由等效磁流利用矢位法來計算輻射場，進而得到其它的天線電參數(shù)?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了各種不同形式的微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)，如圖23所示。圖（a）為附加了地板的微帶縫隙天線，消除了背向輻射，采用帶狀線就可以方便地實現(xiàn)饋電。圖（b）可以視為矩形排列的四元縫隙陣列，利用共面波導(dǎo)線來饋電。圖（c）為微帶線饋電的微帶縫隙天線，其終端的開路枝節(jié)用于改善天線的匹配。圖（d）是用槽線饋電的寬縫，其頻帶較寬但交叉極化較大。圖（e）可視為共軸排列的微帶縫隙天線，利用共面波導(dǎo)線來饋電。圖（f）為微帶線饋電的圓環(huán)縫隙，若縫隙改為長短軸相近的橢圓環(huán)，并合理設(shè)置饋電位置，還可以實現(xiàn)在邊射方向上的圓極化輻射。圖23 微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)圖 微帶天線的饋電結(jié)構(gòu) 微帶天線的饋電會影響到其輸入阻抗進而影響天線的其它性能，因而它對微帶天線的設(shè)計至關(guān)重要。 微帶天線的饋電方法有很多種，我們從貼片與饋線是否有金屬導(dǎo)體接觸的角度出發(fā)將其分為直接饋電和間接饋電兩大類。其中直接饋電包括同軸探針饋電和微帶線饋電，這兩種方法因為設(shè)計簡單而在實際微帶天線的設(shè)計中使用最多。而間接饋電則包括電磁耦合饋電、孔徑耦合饋電和共面波導(dǎo)傳輸線饋電。下面我們就分別對這幾種饋電形式的結(jié)構(gòu)和特點進行介紹，并在圖24分別給出了各種饋電形式的結(jié)構(gòu)圖。 (a) 同軸饋電 （b）微帶線饋電 （c）電磁耦合饋電 （d）孔徑耦合饋電（e）共面波導(dǎo)饋電圖24 微帶天線的饋電形式同軸饋電也稱為探針饋電，它是將同軸線的外導(dǎo)體與天線的地板相接，而內(nèi)導(dǎo)體直接與貼片連接。其優(yōu)點是同軸線可以根據(jù)天線輸入阻抗的匹配需求而放置在貼片下面的基片中的任何位置。其缺點是需要在介質(zhì)基片中鉆孔以滿足內(nèi)導(dǎo)體的連接需求，同時該饋電形式需要一個向地板外面突出的連接器，這就有礙于微帶天線的集成一體化設(shè)計，天線整體結(jié)構(gòu)的非對稱性會使得交叉極化相對較大。此外，對于基片比較厚的貼片天線，探針長度的增加會使得探針的阻抗呈現(xiàn)比較大的感抗，從而給天線與饋線的匹配帶來困難；此外對于相對介電常數(shù)大的基片，厚度增加還可能導(dǎo)致表面波的激勵，從而降低了天線的輻射效率。不過這可以通過一些變形的探針饋電形式加以彌補，如探針饋電等，通過探針頂部連接的金屬片對貼片進行電容耦合饋電，從而降低了探針的長度要求，改善了天線的匹配，提高了輻射效率。微帶線饋電利用集成電路制造技術(shù)而將微帶饋線與貼片刻蝕在一起，因而結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。其缺陷是直接與貼片相連接的饋線會產(chǎn)生一部分輻射。隨著天線工作頻率的升高，當(dāng)饋線尺寸變得可以與貼片尺寸相比擬時，饋線的干擾輻射將進一步加劇，由此會導(dǎo)致性能的惡化。通常為了展寬微帶天線的頻帶會使用比較厚的介質(zhì)基片，這就會給以上兩種直接饋電方法帶來問題。對于同軸饋電的情形，探針長度的增加會使得輸入阻抗呈現(xiàn)出更大的感性，這將給天線的匹配帶來問題。而對于微帶線饋電，由于特性阻抗的制約，基片厚度的增加會導(dǎo)致微帶線上金屬導(dǎo)帶寬度的增加，這將加劇饋線產(chǎn)生的干擾輻射。下面介紹的這幾種間接饋電方法可以解決這些問題。電磁耦合饋電形式將饋線放置在地板和貼片之間，中間分別填充兩種介質(zhì)。這種饋電結(jié)構(gòu)消除了饋電網(wǎng)絡(luò)的干擾輻射，又因天線介質(zhì)基片的總體厚度的增加而展寬了天線的帶寬。此外，還可以分別調(diào)節(jié)兩種填充介質(zhì)的參數(shù)以優(yōu)化饋線和貼片各自的性能。其主要缺點是天線的性能對貼片和饋線的位置敏感。電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)中，饋線和貼片位于地板的同一側(cè)，而對于孔徑耦合饋電，二者分居地板兩側(cè)。電磁場通過在地板上切割的電長度較小的孔徑或槽從微帶饋線耦合到輻射貼片上?？讖酵ǔＮ挥谫N片的正下方，以利用結(jié)構(gòu)的對稱性來抑制交叉極化電平。耦合孔徑的形狀、尺寸和位置決定了電磁場由饋線到貼片的耦合度。槽型耦合孔徑的尺寸可以是諧振的，也可以是非諧振的。對于諧振尺寸的槽型耦合孔徑，它可以為天線提供另外一個諧振頻率從而有效展寬了天線的頻帶，但是這要以增加天線的背向輻射為代價。因此非諧振尺寸的槽型耦合孔徑應(yīng)用比較多。這種饋電形式對于饋線和貼片位置誤差的敏感度相對比較低，而且天線的帶寬比較寬。與電磁耦合饋電相似，也可以分別選擇兩層介質(zhì)基片的參數(shù)來優(yōu)化各自的性能。共面波導(dǎo)線饋電的形式如圖24（e）所示。在這種結(jié)構(gòu)中，共面波導(dǎo)線刻蝕在天線的地板上，由同軸探針激勵，終止處是一個槽。這種饋電方法的主要缺點是相當(dāng)長的槽會產(chǎn)生比較強的輻射，從而導(dǎo)致天線的前后輻射比很差。其前后輻射比可以通過減小槽的尺寸和改變槽的形狀來加以改善。微帶天線的分析方法有很多，但是大體上可以分為解析方法和數(shù)值方法兩大類。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計算輻射場，包括傳輸線模型（The transmission line model）、腔體模型（The cavity model）、多端網(wǎng)絡(luò)模型（Multip