微帶天線的基本原理

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線（光刻、腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片）。它采用微帶線或同軸線等饋電，在導(dǎo)體貼片上與接地板之間激起射頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線可以看成是一種縫隙天線。由于介質(zhì)基片的厚度往往遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，故它實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線。

導(dǎo)體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環(huán)形薄片等；也可以是窄長(zhǎng)條形的偶極子，由這兩種單元形成的微帶天線分別稱之為微帶貼片天線和微帶振子天線。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形式（如彎曲、直角彎頭等）來(lái)形成輻射，稱之為微帶型天線。而利用開(kāi)在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或者其他饋線對(duì)其饋電，稱之為微帶線縫隙天線。此外，還可以構(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。

由于微帶天線的種類繁多，故以最具代表性的矩形微帶線分析其特征參數(shù)。導(dǎo)體貼片為矩形的微帶天線，由傳輸線或同軸探針饋電，在貼片與接地板之間激起高頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。

微帶天線的應(yīng)用與發(fā)展前景

同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)，在大約從100MHz~50GHz的帶寬上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做的很薄，因此，不擾動(dòng)裝載的宇宙飛船的空氣動(dòng)力學(xué)性能；無(wú)須做大的變動(dòng)，天線就很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭或衛(wèi)星上；天線的散射截面較小；稍稍改變饋電位置就可以獲得線和圓極化（左旋和右旋）；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。

與微波天線相比，微帶天線也有一些缺點(diǎn)：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數(shù)微帶天線只向半空輻射；最大增益實(shí)際上受限制（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。但是有一些辦法可以克服微帶天線的某些缺點(diǎn)。例如，只要在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中特別注意就可抑制或消除表面波。在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的缺點(diǎn)。

在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線有：移動(dòng)通信；衛(wèi)星通信；多普勒及其他雷達(dá)；無(wú)線電測(cè)高計(jì)；指揮和控制系統(tǒng)；導(dǎo)彈遙測(cè)；武器信管；編寫(xiě)裝置；環(huán)境檢測(cè)儀表和遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)；生物醫(yī)學(xué)輻射器。這些應(yīng)用絕沒(méi)有列全，隨著對(duì)微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識(shí)的提高，微帶天線的應(yīng)用場(chǎng)合將繼續(xù)增加。

ADS微帶天線設(shè)計(jì)實(shí)例

矩形微帶天線設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

采用陶瓷基片（εr=9.8）

厚度h=1.27mm

工作頻率：f=2.4GHz

實(shí)現(xiàn)步驟

微帶天線的計(jì)算

1、微帶天線寬度的計(jì)算

微帶天線寬度W的大小影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而也影響著頻帶寬度和輻射頻率。另外，W的大小直接支配著微帶線的總尺寸。在條件允許的情況下W值取適當(dāng)大一些，這樣對(duì)頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W的尺寸大于下式時(shí)，將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變。

式中，c為光速；εr為介質(zhì)薄板的介電常數(shù)；fr為諧振頻率，且：

2、微帶線長(zhǎng)度的計(jì)算

矩形微帶天線的單元長(zhǎng)度L在理論上應(yīng)該選取其波長(zhǎng)的一半，但考慮到邊緣場(chǎng)的影響，應(yīng)該從L=λg/2-2ΔL。

式中，λg為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)；εr是有效介電常數(shù)；ΔL是實(shí)際受邊緣場(chǎng)的影響而算出的一個(gè)修正公式。

3、饋線寬度W

ADS中自帶了一個(gè)計(jì)算微帶線寬度和長(zhǎng)度的工具

ADS微帶天線的設(shè)計(jì)仿真

1、新建“antenna_ads”工程，和一個(gè)layout窗口。

2、新建一個(gè)“Substrate”

3、設(shè)置[Mesh]

4、設(shè)置頻率后仿真

通過(guò)該微帶天線S(1,1)參數(shù)可以看出天線諧振在設(shè)計(jì)頻率2.4GHz，但是功率反射很大（S(1,1)=-2dB），阻抗不匹配。只有天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時(shí)，饋線終端才沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)有駐波，天線才能獲得最大功率。從下圖可以看出，在2.4GHz時(shí)天線輸入阻抗實(shí)部為0.226Z0，虛部為-0.791Z0，與50Ω饋電系統(tǒng)不匹配，這實(shí)質(zhì)也是利用史密斯圓圖進(jìn)行阻抗匹配的理論。微帶線匹配法就是計(jì)算串聯(lián)微帶線傳輸線和并聯(lián)的微帶傳輸線的長(zhǎng)度。

ADS匹配過(guò)程

（1）等效電容電阻的計(jì)算

天線輸入阻抗為11.3-j39.55，這樣天線可以等效為一個(gè)電容和電阻的串聯(lián)，設(shè)電阻為R1，電容為C。

，R1=11.3Ω，C1=1.67pF

（2）新建一個(gè)“ADS_sim_1”的工程，將原理圖保存為“match_antenna”的原理圖。在這個(gè)原理圖中添加一個(gè)MLIN元件和一個(gè)MLEF元件，其中，MLIN元件代表串聯(lián)傳輸線，MLEF元件代表并聯(lián)傳輸線，設(shè)定這兩個(gè)元件的寬度為1.23mm，長(zhǎng)度初值為10mm，并設(shè)定優(yōu)化范圍為1~20mm。再添加一個(gè)三端口連接器MTEE_ADS，3個(gè)端口的寬度都設(shè)定為1.23mm。將電容、電阻、MLEF元件，MLIN元件以及MTEE_ADS連接起來(lái)，完成原理圖。

在原理圖中，依次插入元件，并分別設(shè)置參數(shù)

（3）最終天線的輸出阻抗的匹配目標(biāo)是50Ω，[Term]插入一個(gè)終端，整體電路圖如下：

(4)、仿真結(jié)果如下：

(5)、保存結(jié)果：

在匹配電路設(shè)計(jì)完成后，需要把匹配電路和矩形貼片結(jié)合到一起，做整體的微帶天線仿真。經(jīng)過(guò)我不斷地調(diào)整，仿真的結(jié)果在2.405GHz時(shí)匹配如下：

好不容易調(diào)出來(lái)的，好像位置有一丁點(diǎn)變化都會(huì)影響結(jié)果。一小格一小格的調(diào)，感覺(jué)自己太棒了。先通過(guò)原理圖的優(yōu)化選擇大體的值，再通過(guò)微調(diào)，使在2.4G時(shí)有個(gè)比較好的阻抗匹配。

從仿真結(jié)果可以看出在2.4GHz上，S11=-21.035dB，反射很小。

（6）、查看微帶天線的參數(shù)(這個(gè)我還沒(méi)有找到在ADS2020上怎么看，下次找到了再記錄)

本小節(jié)的流程是，首先介紹了微帶天線的基本原理，接著利用ADS軟件建立一個(gè)2.4GHz天線模型，然后對(duì)天線輻射進(jìn)行仿真，并通過(guò)不斷調(diào)整天線模型的物理尺寸參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化匹配，使設(shè)計(jì)出的2.4GHz微帶天線的各項(xiàng)性能參數(shù)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

下面簡(jiǎn)要總結(jié)一下設(shè)計(jì)流程：

（1）明確微帶天線的參數(shù)，如工作頻率等。

（2）根據(jù)微帶天線經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算微帶天線的基本參數(shù)。

（3）利用ADS對(duì)微帶天線進(jìn)行初步仿真設(shè)計(jì)，對(duì)天線尺寸微調(diào)，使天線諧振點(diǎn)符合指標(biāo)要求。

（4）根據(jù)具體情況進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)

（5）匹配電路和微帶天線進(jìn)行整體仿真。

在微帶天線的仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要遵守上述步驟，當(dāng)匹配電路和微帶天線整體仿真時(shí)，如果效果不佳，這時(shí)應(yīng)盡在匹配電路上繼續(xù)仿真優(yōu)化，不要大幅度改動(dòng)微帶天線尺寸，否則可能造成匹配很好，天線輻射性能較差，整個(gè)設(shè)計(jì)需要重新開(kāi)始的結(jié)果。