微带天线的历史与优缺点

第四讲微带天线一、引言上一讲介绍了对称振子和接地单极子天线。

这两种天线本质上属于线天线。

但是手机内置天线往往都不是线天线的形式，常见的PIFA天线和单极子变形天线往往都是平面天线的形式。

尽管在某种程度上它们也和对称振子或接地单极子天线有某种程度的相似性。

在现有理论基础下，由于专门对手机天线进行严格理论分析的论著还很少，所以为更加深入地理解手机天线，我们还有必要了解几种其他类型的天线的一般特性。

这一讲主要介绍微带天线的概念和基本原理。

二、微带天线的结构如下图所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片（）上的辐射贴片所构成的。

贴片上导体通常是铜和金，它可以为任意形状。

但通常为便于分析和便于预测其性能都用较为简单的几何形状。

为增强辐射的边缘场，通常要求基片的介电场数较低。

三、微带天线的特点微带天线的典型优点是：1．重量轻、体积小、剖面薄；2．制造成本低，适于大量生产；3．通过改变馈点的位置就可以获得线极化和圆极化；4．易于实现双频工作。

但微带天线也有如下缺点：1．工作频带窄；2．损耗大，增益低；3．大多微带天线只在半空间辐射；4．端射性能差；5．功率容量低。

四、微带天线的辐射机理微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。

这可以从以下图中的情况简单说明，这个图是一个侧向馈电的矩形微带贴片，与地板相距高度为h。

假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场仅仅沿约为半波长（）的贴片长度方向变化。

辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。

在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因为贴片长度为，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。

平行于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。

根据以上分析，贴片可以等效为两个相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。

对微带贴片沿宽度方向的电场变化也可以采用同样的方法等效为同样的缝隙。

第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。

虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。

从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在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[3]。

为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。

随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。

然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。

电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。

微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。

1.2 微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。

微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。

微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。

随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。

在这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。

1.3 多频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必需品[4]。

对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。

对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同。

微带线本征阻抗的研究与分析及其电波传播特性微带天线（microstrip antenna）是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。

微带天线有很多优点：①剖面薄，体积小，重量轻；②具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构；③馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；④能与有源器件和电路集成为一体；⑤便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；⑥不需要背腔，适合于组合式设计，易于制作成印刷电路、馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

微带天线的主要缺点有：①频带窄；②有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；③功率容量小，一般用于中、小功率场合；微带天线最初作为火箭和导弹上的共形天线获得了应用。

在设计微带天线时，与其他天线一样需要对天线性能参数预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效果，降低研制成本。

天线分析的基本问题是求解天线在周围空间的电磁场，求得电磁场后进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。

微带天线的分析方法可分为两大类：一类是简化分析模型，模型简单，但不够准确，且不适用与复杂结构的天线；另一类是全波分析模型，计算复杂，但能对各种结构微带天线进行分析。

我们用有限差分法来解决关于微带线本征阻抗问题。

微带天线上传播的电磁波可近似看成TEM波，其阻抗可用下面的公式计算：（1）式中C、L分别为微带线单位长度的电容和电感，v为波在线上的传播速度。

如假定线上不存在介质时单位长度的电容为Co，这时线的电感L将不会因为电介质的存在与否而改变。

又因介质不存在时线上波的传播速度为光速Vc，而且（2）由这个式子可解出L为（3）将L值代(1)式就可求出微带线的特性阻抗Zo（4）从上面的公式可见，求微带线特性阻抗的关键在于分别求出介质存在和不存在时线上单位长度电容C和Co。

求这些电容的方法有两种：一种是求总电荷Q，另一种是根据求储藏在线上电场内的能量而推得。

微带天线1011020116 侯良伟目录目录 (2)1微带天线概述 (3)1-1微带天线的辐射机理 (4)1-2微带天线的馈电方法 (5)2.矩形微带天线及其分析方法 (6)2-1腔体模型理论 (7)2-2 传输线模型理论 (8)2-3 矩形微带天线的性能分析 (10)3.我对微带天线的看法 (12)4.参考文献 (13)1.微带天线概述对于阵列天线而言，可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等。

结合我们近年来实验室的科研项目和实验研究。

单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵元进行组阵研究。

重点的研究对象为微带天线。

因为微带天线固有的特点，它很适合进行天线组阵的研究。

在天线组阵中，目前己有本实验室研制的圆环背射天线的二元阵列投入工程应用，并有相应产品面世。

但主要的研究方向还是集中于微带天线的组阵方案，现对微带天线进行理论和实验的分析。

微带辐射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。

但是过了二十年，当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才制造出来。

这种基片介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械特性及低损耗角正切。

最早的实际的微带天线是Howen和Munsno在二十世纪七十年代初期研制成的。

在此之后，由于微带天线的许多优点，诸如重量轻、体积小、成本低，平面结构可以和集成电路兼容等，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展。

目前，已研制成了各种类型平面结构的印制天线，例如，微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。

而一般所指的微带天线，可分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线。

它们的辐射机理是由微带贴片、或准TEM模传输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。

同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。

微带天线1微带天线简介1.1微带天线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阵子天线。

图1所示为一基本矩形微带天线元。

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。

1.2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。

1.3微带贴片形状贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。

例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。

小型化宽带化微带天线首先，我们来了解小型化宽带化微带天线的定义。

微带天线是一种由导体和介质基板组成的二维天线，具有体积小、重量轻、易于制作等优点。

而小型化宽带化微带天线则是指天线的尺寸和带宽都得到了一定程度的缩小和拓宽。

通过采用先进的材料和技术，微带天线可以实现更高的性能和更低的成本，成为无线通信领域的理想选择。

接下来，我们将详细阐述小型化宽带化微带天线的特点。

首先，它具有高度集成性，可以方便地与其他通信组件集成在一起，组成尺寸更小的通信系统。

其次，它具有较宽的带宽，可以实现高速数据传输。

此外，它还具有多频段工作的能力，可以在多个频段内实现通信。

最后，它还具有可定制性，可以根据不同的应用场景定制不同的天线结构，满足各种不同的需求。

然而，小型化宽带化微带天线也存在一些缺点。

首先，由于其尺寸的限制，其方向性和增益可能不如传统天线。

其次，由于其结构较为复杂，设计和制作需要较高的精度和成本。

此外，由于其工作频率较高，传输距离可能受到一定的限制。

尽管存在这些缺点，小型化宽带化微带天线的优点仍然使其具有广泛的应用前景。

例如，在无线通信系统中，它可以用于基站、卫星通信、无人机通信等领域。

此外，在物联网、智能家居、车载通信等新兴领域，它也有着广泛的应用前景。

综上所述，小型化宽带化微带天线具有许多优点和缺点，其应用场景也十分广泛。

随着技术的不断进步和发展，我们相信未来小型化宽带化微带天线将会在更多领域得到应用，并且在无线通信领域发挥越来越重要的作用。

在此，我们也提出一些建议和看法。

首先，需要进一步加强小型化宽带化微带天线的研究力度，提高其性能和降低其成本。

其次，需要研究更加有效的天线设计和制作方法，以满足不同场景的需求。

此外，也需要更加注重天线与其他通信组件的兼容性和互操作性，以实现整个通信系统的优化。

总之，小型化宽带化微带天线是一项具有挑战性和前景的研究领域。

通过不断的探索和研究，我们有信心克服其存在的缺点，充分发挥其优点，推动无线通信技术的持续发展。

微带天线综述摘要：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和宽频带的要求。

而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，低增益、窄带宽的缺陷也限制了微带天线的使用。

因此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、宽频带技术进行了探讨、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，但其固有的窄带特性（常规微带天线约为2%左右）在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带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。

本论文的主要工作就是提出这类天线的一些简单设计方法。

二、微带天线2.1微带天线[2]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。

浅谈微带天线微带天线，是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上而形成的天线。

通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。

金属贴片通常是形状规则的薄片，形状有矩形、圆形或椭圆形等；也可以是窄长条形的薄片振子（偶极子）或由这些单元构成的阵列结构。

这三种形式分别称为微带贴片天线、微带振子天线和微带阵列天线。

微带贴片天线，通常介质基片厚度h远小于工作波长λ，罗远祉等人提出的空腔模型理论是分析这类天线的一种基本理论。

帖片与接地板之间的空间犹如一个上下为电壁、四周为磁壁的空腔谐振器。

对常用的工作模式，长度L约为半个波长,其电场E沿长度方向(x轴)的驻波没有横向(y轴)的变化。

天线的辐射主要由沿横向的两条缝隙产生，每条缝隙对外的辐射等效于一个沿-y轴的磁流元(J m ＝-n×E，n为缝隙外法线单位矢量)。

由于这两个磁流元方向相同，合成辐射场在垂直贴片方向（z轴）最大,随偏离此方向的角度增大而减小，形成一个单向方向图。

天线输入阻抗靠改变馈电位置加以调节。

阻抗频率特性与简单并联谐振电路相似,品质因数Q较高,故阻抗频带窄，通常约为1％～5％。

可用适当增加基片厚度等方法来展宽频带。

接地板上的介质层会使电磁场束缚在导体表面附近传播而不向空间辐射，这种波称为表面波。

故增加基片厚度时须避免出现明显的表面波传播。

微带振子天线，当介质基片厚度远小于工作波长或微带振子长度为谐振长度时，振子上的电流近于正弦分布。

因此，它具有与圆柱振子相似的辐射特性，只是它在介质层中还有表面波传播，使效率降低。

微带阵列天线，利用若干微带贴片或微带振子可构成具有固定波束和扫描波束的微带阵列。

与其他阵列天线相同，可采用谐振阵或非揩振阵（行波阵）。

微带阵列的波束扫描可利用相位扫描、时间延迟扫描、频率扫描和电子馈电开关等多种方式来实现。

微带天线作为一种新型的天线，与普通天线相比，具有不可替代的优势。