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*******2013届本科毕业论文（设计）

2.3 微带天线的分析方法

天线的计算求解主要是计算出周围空间的电磁场性质，进而计算出电磁场的方向图，增益等参数，一直以来的分析方法可以分为以下三种：传输线模型理论、空腔模型理论、积分方程法也称为全波理论。传输线模型理论的分析比较简便，从一维的角度，把天线看作特殊的导线适用于矩形微带贴片天线。空腔模型理论相对传输线模型理论比较准确也实用，从二维的角度把天线和周围空间看做一个腔体来分析。积分方程法是最严格的，相对来讲属于三维的分析方法，从该方法可以衍生出很多种微带分析方法。

现在也产生了很多新的分析方法，格林函数法(Green’S Function Approach，GFA)是基于积分方程法的简化；多端网络法(Multiport Network Approach，MNA)是来源于空腔模型理论的延伸；在工程上比较实用的是有限元法，又分为解析法、近似解析法和数值法。在工程上比较实用的软件Ansoft HFSS便是建立在有限元法的基础上的。

2.4 微带天线的馈电方法

微带天线的馈电方法主要分为侧馈和背馈[4]，侧馈是会在辐射元的侧面用微带线延伸至介质基板边缘从而与外界连接，辐射元和微带线同在一个印制板上，制作比较方便易集成，但是这样一来微带线会产生辐射影响天线的增益，微带线的宽度和阻抗相关往往可以利用变换原理做成50Ω的匹配线。

背馈是采用同轴探针直接与辐射元相连馈电，探针与贴片相连，外屏蔽线与接地板相连。由于同轴线在天线辐射方向的下方，不会对辐射造成影响；二是调节馈电位置可以达到一定范围的输入阻抗，容易实现阻抗匹配。但这种方法较难集成。

微带馈线 辐射元 同轴馈线 背馈 （a）侧面馈电 （b）背馈

图2-8 微带天线的馈电方式

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2.5 微带天线的基本电参数 2.5.1 频率带宽BW

在实际应用当中往往要求天线可以在一定的频域范围内工作，这个频域范围就叫做带宽，带宽的定义有很多种，一种是以中心频率定义的：设fU为上限频率，fL为下限频率，fC为中心频率。则

BW=

fU?fL?100% （2-1） fC还有一种比较常用的定义，用小于电压驻波比给定值的范围来表示，设给定值为S，则VSWR小于S的带宽为[5]

BW=

其中QT为天线的品质因数。

S?1QTS （2-2）

2.5.2 输入阻抗

由于微带天线是单端口系统，所以天线的输入阻抗定义较简单，就是从馈点看去的输入电压和输入电流之比，在射频领域中，为了获得最大的利用效率，要求输入阻抗与外界阻抗相等，否则影响功率效率、增益、驻波比等，再者反射回的电磁波会伤害功放和频率源等。谐振型微带天线属于窄带天线，输入阻抗是必须要考虑的参数之一。一般实际中有50Ω和75Ω两种。

2.5.3 驻波比

驻波比（VSWR）全称电压驻波比，入射波和反射波相叠加，在方向相反处波峰和波谷相叠加形成波节点Vmin，相位相同处叠加形成波腹点Vmax 。这种状态称为行驻波状态。波腹点和波节点的电压比值称为电压驻波比，理想匹配情况下其值为1，完全反射情况下为无穷大。

2.5.4 方向图

方向图可以表示天线在各个方向的电磁波辐射强度，可以测量天线的远区场来得到，方向图也有二维方向图和三维方向图，其中E面和H面相互垂直，通常分析E面和H面的方向图来研究天线的辐射特性[6]。

E面的归一化方向系数为

fE????cos?k0??L?s?in? （2-3） 2?H面的归一化方向系数为

?W?sin?k0sin??cos??2? fH???? （2-4）

Wk0sin?27

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三 2.4G微带阵列天线设计

3.1微带贴片天线阵元设计 3.1.1微带天线辐射原理

微带天线发射电磁波可以理解为终端形状突变而发生的电磁向空间散发[7]，如图3-1所示，矩形微带天线的长度为L，宽度为W，可以等效为一段传输线。L约等于λg/2决定着微带天线的工作频率，W方向为电场辐射方向。由于前端和后端相距λg/2，在开口端电场垂直方向由于相位相反而抵消，水平方向由于方向相同而叠加，因此贴片两端相当于两个相距二分之一波长的缝隙天线，微带天线相当于两个缝隙的二元阵列。微带天线的辐射方向垂直于贴片。电场平面是和W垂直的面，而和L垂直的面为磁场面。

Y Z Z X

X E 图3-1微带天线辐射原理

E 3.1.2介质基片的选取

介质基片对微带天线的影响很大，其相对介电常数?r，介质损耗tanδ，以及厚度h影响着微带天线的尺寸和性能。为了获得较大的增益通常选择损耗较小的微带板，本设计选择Rogers TMM4(TM)的介质板。相对介电常数?r为4.5，介质损耗tanδ为0.002，是相对优良的介质板。

贴片长度L近似的等于?g/2，其中?g为介质内波长:

?g??0?e （3-1）

10h) （3-2） W?e为有效介电常数：

?e??r?1?r?12?2(1?8

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厚度和带宽的关系：

频带（MHz）＝5.04f2h （3-3）

对于本文中双层介质板的情况相对介电常数等效为：

?r=

h1?h2 （3-4）

h1?1?h2?2 h=h1+h2 （3-5） 可见厚度和高度宽度以及频率带宽有关系。本文选择厚度h1为1.6mm.空气介质层厚度h2为3.2mm.

3.1.3 辐射元宽度W的确定

矩形微带贴片天线中W值没有一定的值，但他影响着有效介电常数，从而影响长度L和输入阻抗。根据经验当W越大对阻抗匹配、带宽、效率都有好处，但大于下面给出值时会产生高次模，从而影响天线辐射场。

c??r?1? W???2fr?2??1/2 （3-6）

C表示真空中电磁波的传输速度。本文选取W=56mm。

3.1.4 辐射元长度L的确定

L约等于λg/2决定着微带天线的工作频率，理论上等于二分之一波长，但在实际当中受到边缘场的影响，应减去2?l。

L?0.5?g?2?L （3-7）

?l为：

(??0.3)(Wh?0.264)?L （3-8） ?0.412eh(?e?0.258)(Wh?0.8)也可以表示为：

L?c2fr?e?2?L （3-9）

3.1.5 接地板尺寸的确定

我们设接地板的宽度为WG，长度为LG。在实际当中，往往需要天线体积尽量小，由经验得出，接地板超出辐射元?g/10就可以了。一般情况下：

LG?L?0.2?g （3-10） WG?W?0.2?g （3-11）

由于侧馈时要加匹配线LG可以适当的延长。

3.2 馈电网络的设计

3.2.1 特定阻抗微带线尺寸的确定

随着对微带线理论的研究的深入，对于微带线特性阻抗的计算公式也比较精确。公式

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如下[8]：

?r?1?w2?0.517?? ??R?1?ln(2R?1)?? （3-12） ?ln(R?1)?0.293?h??2?r??r???式中R=377?2Z0?r。Z0一般被定义为50Ω或100Ω.代表特性阻抗。本文在设计过程中用Ansoft HFSS软件建模，并利用其自带的计算功能验证了上式的准确性，虽有些偏差，但还是很有参考价值的。下图为设计过程中需要的80Ω微带线，宽度W为7.8mm

??

图3-2 微带线阻抗验证模型

图3-3 端口1的反射参数S11

如图3-3所示，当端口1的输入阻抗设置为80Ω时，S11在2G至3G频率范围内小于-40dB。说明这种情况下的微带线阻抗非常接近于预定值。

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