【文章內容簡介】 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基片的另一側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)。 現(xiàn)在已經出現(xiàn)了各種不同形式的微帶縫隙天線結構，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)，并合理設置饋電位置，還可以實現(xiàn)在邊射方向上的圓極化輻射。 第二章 微帶天線基本理論及分析方法 11 圖 23 微帶縫隙天線結構圖 微帶天線的饋電結構 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計至關重要。 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，這兩種方法因為設計簡單而在實際微帶天線的設計中使用最多。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傳輸線饋電。下面我們就分別對這幾種饋電形式的結構和特點進行介紹，并在圖 24 分別給出了各種饋電形式的結構圖。 (a) 同軸饋電 （ b）微帶線饋電 小型機載天線的研究 12 （ c）電磁耦合饋電 （ d）孔徑耦合饋電 （ e）共面波導饋電 圖 24 微帶天線的饋電形式 直接饋電 同軸饋電也稱為探針饋電，它是將同軸線的外導體與天線的地板相接，而內導體直接與貼片連接。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基片中鉆孔以滿足內導體的連接需求，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計 ，天線整體結構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 L 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 造技術而將微帶饋線與貼片刻蝕在一起，因而結構簡第二章 微帶天線基本理論及分析方法 13 單，易于制作。其缺陷是直接與貼片相連接的饋線會產生一部分輻射。隨著天線工作頻率的升高，當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，由此會導致性能的惡化。 間接饋電 通常為了展寬微帶天線的頻帶會使用比較厚的介質基片，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致微帶線上金屬導帶寬度的增加， 這將加劇饋線產生的干擾輻射。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。這種饋電結構消除了饋電網(wǎng)絡的干擾輻射，又因天線介質基片的總體厚度的增加而展寬了天線的帶寬。此外，還可以分別調節(jié)兩種填充介質的參數(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。 電磁耦合饋電結構中，饋線和貼片位于地板的同一側，而對于孔徑耦合饋電，二者分居地板兩側。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，以利用結構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基片的參數(shù)來優(yōu)化各自的性能。 共面波導線饋電的形式如圖 24（ e）所示。在這種結構中，共面波導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長的槽會產生比較強的輻射，從而導致天線的前后輻射比很差。其前后輻射比可以通過小型機載天線的研究 14 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 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)絡模型（ Multiport Network Model）等。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計算輻射場，包括矩量法（ method of moments）、有限元法（ finiteelement method）和時域有限差分法（ finitedifference in time domain）等。 解析方法 天線問題的嚴格分析是一個電磁場邊值型問題，需要根據(jù)其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據(jù)微帶天 線的實際特征做某些方面的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種簡單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應用。 傳輸線模型很簡單，并且有助于理解微帶天線的基本特性，因此首先介紹這種模型方法。在這種模型中，微帶貼片天線被視為場沿著橫向沒有變化而沿著傳輸線的延伸方向呈駐波分布的一個傳輸線諧振器。天線的輻射主要源自兩個開路終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距貼片長度的縫隙， 其上分布有面磁流。利用矢量位函數(shù)便可由磁流計算出天線的遠場輻射和其它的電參數(shù)。 盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結構類型不能使用它來分析，這是因為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。 如果說傳輸線模型因為有場沿傳輸線橫向無變化的限制而只是微帶天線在一維第二章 微帶天線基本理論及分析方法 15 下近似的話，那么腔體模型就可以稱為二維近似。因為腔體模型基于一維電小的基本假設（即介質基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。在腔體中，場沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的 二維諧振器中所有諧振模式之和。天線的遠場輻射及其它電參數(shù)可以通過空腔四周的等效磁流來得到。 多端網(wǎng)絡模型實際上是腔體模型的一種拓展，在這種模型中，貼片被等效為一個具有多個端口分布在貼片四周的二維平面網(wǎng)絡。通過二維格林函數(shù)可以計算出該網(wǎng)絡的多端阻抗矩陣，再添加一個等效的邊緣導納網(wǎng)絡，便可以將邊緣場和輻射場聯(lián)系起來，然后利用分割方法計算出全局阻抗矩陣，由貼片四周的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效磁流計算出輻射場。利用等高線積分技術可以使其在不規(guī)則形狀的貼片天線中獲得應用。 數(shù)值方 法 雖然以上介紹的解析方法具有簡潔性和較為明確的物理意義，但是它們不能用來分析任意形狀的微帶天線，同時微帶天線工程精確度的提高也對以上簡化模型分析方法提出了考驗。然而計算機技術的發(fā)展給微帶天線的分析帶來了新的思路，即依據(jù)微帶天線的電磁場邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉化為利用計算機來求解矩陣代數(shù)方程。由此也產生了多種數(shù)值方法，它們各具有一些優(yōu)缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。 矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數(shù)建立關于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數(shù)展開 法將此積分方程轉化為矩陣方程，利用計算機便可得出近似解。矩量法因為考慮了貼片周圍的物理邊界的邊緣場而具有較高的精度。 有限元法的原理是先將整個連續(xù)求解區(qū)域劃分為很多小的離散單元（如在二維結構中選取三角形單元，在三維結構中選取四面體單元等），在子域中將未知函數(shù)（如電磁場量、位函數(shù)或電流等）表示為子域基函數(shù)的插值，根據(jù)變分原理或迦略金方法小型機載天線的研究 16 便可建立一個關于未知函數(shù)展開系數(shù)的矩陣方程，利用計算機便可方便求解該代數(shù)方程。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模擬任意形狀的優(yōu)點，但是其求解精度要受 求解區(qū)域剖分精細程度的影響。 時域有限差分法的基本思想是把求解空間進行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉化為關于電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界條件，便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通過離散傅里葉變換還可以得到三維空間的頻域解。時域有限差分法的優(yōu)點是其離散比較簡單（空間網(wǎng)格大小一致、時間步長恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶范圍內特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時間步長 和空間步長的限制。 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 17 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 微帶天線的小型化技術 概述 現(xiàn)代電磁學歷經三百多年的發(fā)展 ， 日臻成熟完善。天線作為實現(xiàn)無線電應用的關鍵設備 ， 順應通信、廣播、雷達、制導等無線電應用系統(tǒng)在不同階段的需要而不斷發(fā)展。今昔對比 ， 天線在功能、設計及制造工藝上都發(fā)生巨大變化。然而微電子技術與大規(guī)模集成電路迅猛發(fā)展 ， 使天線成為電子設備中龐大、笨重部件的問題日漸突出 ，因而對能與設備大小協(xié)調且具有有效電性能的小天線的需求愈加迫切。 以移動通信 和個人通信為例 ， 目前廣泛應用于移動通信設備的單極天線和螺旋天線有許多缺點 :(1) 不能集成到設備外殼上 ， 尺寸大 ， 易損壞 ； (2)輻射效率低 ， 難于屏蔽 ， 人體對天線的性能影響較大 ； (3) 天線對人體尤其是腦部有較大幅射 ， 局部峰值甚至超出 ANSI/ IEEE C95. 121992 標準規(guī)定的限制 ； (4) 僅有一種極化特性 ， 電氣性能較差 ； (5) 需要匹配電路 ， 損耗大 ， 成本高。而若采用微帶天線 ， 則擁有以下頗具特色的優(yōu)點 : (1) 便于與機身共形 ， 集成到設備的印制電路板或外殼上 ， 制成內置式 ， 不易損壞 ， 不額外增加 設備尺寸 ； (2) 可采用高水平的屏蔽技術來屏蔽天線 ， 使天線幾乎不受人體的影響 ， 同時大大削減天線輻射對人體的危害 ； (3) 饋電方方式多樣化 ， 易獲得阻抗匹配 ， 不需匹配電路或平衡轉換器 ， 不存在天線與射頻電路之間的物理限制 ； (4) 易設計出移動電話使用的雙頻或多頻天線。此外 ， 小型化微帶天線還可用于 PCMCIA 通信卡和無線調制解調器中 ， 為筆記本電腦等便攜設備提供通信能力。然而遺憾的是 ， 在較低頻段 (VHF/ UHF) ， 傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然太大。這樣 ， 實用化小型微帶天線的研制 ， 特別是用作第三代移動通信 (3G) 系統(tǒng)、藍牙(Bluetooth) 系統(tǒng)及無線定位系統(tǒng)的天線 ， 成為國內外研究熱點。 與普通微波天線相比 ， 微帶天線實現(xiàn)了一維小型化 ， 具有低輪廓、可共形、易集成 ， 以及便于獲得圓極化 ， 實現(xiàn)雙頻段、雙極化工作等多項優(yōu)點。然而任 何事件都具有兩面性。小天線的 Q 值極高 ， 因此輻射效率低、頻帶窄。微帶天線是小型機載天線的研究 18 一維小天線 ， 必須經恰當設計才能獲得良好性能。 微帶天線小型化方法 目前 ， 微帶天線小型化方法主要有以下幾種 : 1． 天線加載 在微帶天線上加載短路探針 (shorting post) ， 通 過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現(xiàn)小型化 ， 典型結構如圖 1 所示。天線的諧 振頻率主要取決于短路探針的粗細和位置 ， 天線尺寸可縮減 50 %以上。其缺點是 : (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ ， 往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ ， 這給制造公差提出了苛刻要求。 (2) 帶寬窄。 (3) H 面 的交叉極化電平相對較高。 圖 1 加載短路探針的微帶天線 將短路探針替換為低阻抗的切片電阻 (chip re2sistor) ， 在進一步降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。隨加載 電阻增大 ， 天線品質因素降低 ， 帶寬展 寬 ， 制造公差降低 ，但這些性能的提高以犧牲增益為代價。一般地 ， 若加載 1Ω 切片電阻 ， 增益下降約 1. 5dB。