微带天线馈电方法的研究

第一章 论文设计研究背景 1.1 微带天线的发展 1.1.1 天线 天线是作无线电波的发射或接收用的一种金属装置(如杆、线或线的排列)。在 无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、 导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的， 都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也 需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作 接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互 易定理。 天线的分类： ①按工作性质可分为发射天线和接收天线。 ②按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。 ③按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波 天线，微波天线等。 ④按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有 方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频率。 天线按维数来分可以分成两种类型： 一维天线和二维天线 一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵 巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是 两种最基本的一维天线。 二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式 的一束片），还有喇叭状，碟状。 1.1.2 微带天线 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 - 2 - 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λ g/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，它的 末端要加匹配负载以保证传输行波。 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。 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，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。因此，为使 微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析 就具有相当的重要性。 微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性 系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制 - 3 - 的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析 微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩 量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别 是主波束。本部分将对一般的矩形微带天线进行分析讨论，为特殊形状要 求的微带天线做好理论分析基础。利用传输线模式分析微带天线是比较早 期的方法，也较简单，其精确度可以满足一般工程设计要求。 1. 2 微带天线的应用情况 微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其 可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微 带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频引信，天线部分由头部的塑 料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形 成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。 - 4 - 第二章 设计研究的理论依据 2.1 微带天线简介 微带天线自20 世纪70 年代以来引起了广泛的重视和研究，各种形状的微带天 线在卫星通信、多普勒雷达及其它雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了 广泛的应用。下面介绍微带天线的结构、特点及工作原理 2.1.1 微带天线的结构及特点 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和覆盖在它两面 上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一片称为接地板，而尺寸可以和波长 相比拟的另一片称为辐射源，辐射源的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等 等、 微带天线的馈电方式分为两种，一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射源刻 制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相接，内导 体穿过接地板和介质基片与辐射源相接。 微带天线主要的特点有：体积小，质量轻，低剖面，因此容易做到与高速飞行 其共形，且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等），尤其是容易和有 源器件、微波电路集成为统一组件，因而适合大规模生产。在现代通信中，微带 天线广泛的应用于100MHz~50GHz 的频率范围。 2.1.2 微带天线的辐射原理 由于分析微带天线的方法不同，对它的辐射源理有不同的说法。为了简单起见， 我们以矩形微带天线（Retangular-Patch Microstrip Antenna）为例，用传输 模式分析法介绍它的辐射原理。 设辐射元的长度为 l，宽为 w，介质基片的厚度为 h。现将辐射元、介质基片 和接地板视为一段长为l 的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。 根据微带传输线理论，由于基片厚度h《  ，场沿h 方向均匀分布。在最简单的 情况下，现沿着宽度w 方向也没有变化，而仅在长度方向（l《 / 2   ）有变化。 在两开路段的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量 方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所 产生的远区场相反相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上相 - 5 - 同激励的两个缝隙，缝的电场方向与场边垂直，并沿着长边w 均匀分布。缝的宽 度为 l h     ，长度为w，两缝间距离为 / 2 l     。这就是说，微带天线的辐射可以 等效为两个缝隙所组成的二元阵列。 2.1.3 辐射场及方向函数 设一缝隙上电压为U，缝的切向电场 / x E U h   ，可以等效为沿着z 方向的磁 流，考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流为 2 m U J z h   设磁流沿着x 和z 方向都是均匀的，则单缝的辐射场为 2 ( , ) 4 j k r e E j U k w f r               s i n ( c o s ) 2 ( , ) s i n c o s 2 k w f k w             又因为沿着x 轴阵列、间距为 / 2 l     的二元阵的阵因子为 c o s ( s i n c o s ) c o s ( s i n c o s ) 2 2 k l             由方向图乘积定理，并分别令 9 0 o     和 9 0 o     ，即可得到微带天线的 E 面和 H 面方向函数为 E c o s 2 2 k l F         （ ） = ( c o s ) = c o s ( c o s ) H s i n ( c o s ) 2 s i n c o s 2 k w F k w         （ ） = 由上述两式可以分别画出E 面和H 面 / 2 w     方向图。 有方向图可以发现。矩形微带天线的E 面方向图与理想缝隙的H 面方向图相同， 这是因为在该面内的两个缝隙的辐射不存在波程差。所不同的是H 面，由于接地 板的反射作用，使得辐射变成单方向的了。 从上面的分析可以看到，微带天下的波瓣较宽，方向系数低，这正是微带天 线的缺点之一，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、 单个微带天线的功率容量小等。尽管如此，由于微带制作阵元的一致性很好，且 - 6 - 易于集成，故很多场合将其设计成微带天线阵，因此得到了广泛的应用。随着通 信和新材料及集成技术的发展，微带天线必将在越来越多的领域发挥它的作用。 2.2 微带天线的一些设计参数 2.2.1 输入阻抗 四端网络、传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻 抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配，从信号源、传感器等获取输入信 号。阻抗是电路或设备对交流电流的阻力，输入阻抗是在入口处测得的阻抗。高 输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化，因而也是最理想的。在给定电压下最 小的阻抗就是最小输入阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。 天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比： i n i n i n U I Z   其值随着天线长度及工作频率不同而发生变化。其值表征了天线与发射机或接 收机的匹配状况，体现了辐射波与导行波之间能量转换的好坏。 由于微带线的传输主模为TEM 模，因此可以用静态分析方法求得单位长分布电 容C 和分布电感L，从而有 1 / o p Z L C v C     式中，相速 1 / / p r v L C c       （c 为自由空间中的光速）。 导带厚度为零时的特性阻抗计算公式为 3 0 0 . 4 4 1 o e r b Z w b         式中， e w 是中心导带的有效带宽，由下式给出： 2 0 , / 0 . 3 5 ( 0 . 3 5 / ) , / 0 . 3 5 e w w w b w b w b b b           导带厚度不为零的计算公式这里省略不写。 2.2.2 驻波比（VSWR） 为了描述驻波的大小，引入了一个新的参量——电压驻波比，工程上简记为 - 7 - VSWR。定义波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比，用  表示，即 m a x m i n U U     电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配 是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时，当然首先会想到测量一下天线系统 的驻波比是否接近1:1。 发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如 果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。在电子管时代，一方面电子管本 输出阻抗高，另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广，流行的是特性阻抗为 几百欧的平行馈线，因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线 电通信机的天线标称阻抗则多为50 欧姆，因此商品VSWR 表也是按50 欧姆设计 标度的。 天线系统和输出阻抗为50 欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50 欧纯电 阻。要满足这个条件，需要做到两点：第一，天线电路与工作频率谐振（否则天 线阻抗就不是纯电阻）；第二，选择适当的馈电点。 一些国外杂志文章在介绍天 线时经常给出 VSWR 的曲线。有时会因此产生一种错觉，只要 VSWR＝1，总会是 好天线。其实，VSWR＝1 只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。但 是这些能量是否能有效地辐射到空间，那是另一个问题。一副按理论长度作制作 的偶极天线，和一副长度只有 1/20 的缩短型天线，只要采取适当措施，它们都 可能做到VSWR＝1，但发射效果肯定大相径庭，不能同日而语。做为极端例子， 一个50 欧姆的电阻，它的VSWR 十分理想地等于1，但是它的发射效率是0。 而如果VSWR 不等于1，譬如说等于4，那么可能性会有很多：天线感性失谐， 天线容性失谐，天线谐振但是馈电点不对，等等。在阻抗园图上，每一个 VSWR 数值都是一个园，拥有无穷多个点。也就是说，VSWR 数值相同时，天线系统的 状态有很多种可能性，因此两根天线之间仅用 VSWR 数值来做简单的互相比较没 有太严格的意义。 - 8 - 2.2.3 S 参数 1 1 1 1 1 2 2 r i i U S U S U     2 2 1 1 2 2 2 r i i U S U S U     1 2 1 2 , , , i i r r U U U U ：分别是端口1 和端口2 的归一化入射电压和反射电压 1 1 S ：端口2 匹配时，端口1 的反射系数； 2 2 S ：端口1 匹配时，端口2 的反射系数； 1 2 S ：端口1 匹配时，端口2 到端口1 的反向传输系数； 2 1 S ：端口2 匹配时，端口1 到端口2 的正向传输系数； 可见，[S]矩阵的各个参量是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或者传 输系数，令终端短路、开路和接匹配负载时，测得的输入端反射系数分别为 对于互易网络： 1 2 2 1 S S   对于对称网络： 1 1 2 2 S S   对于无耗网络：         S S I     对于互易端口， 1 2 2 1 S S   1，所以只要测量求得 1 2 S .、 2 2 S 及 1 1 S 三个量就可以。 2 1 1 2 1 i n 1 1 1 2 2 1 1 b S S a S               输入端参考面处的反射系数为： s   ， o   和 m   ，代入上式，并解出 1 1 m S     2 1 2 2 ( ) ( ) m s o m o s S                     2 2 2 o m s o s S                   由此可以测得[S]参数。 - 9 - 2.2.4 增益 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效 率得乘积，记为G，即 A G D       由上式可见：天线方向系数和效率越高，则增益系数越高。现在我们来研究增 益系数的物理意义。 由计算可得到： 2 2 m a x 6 0 i r E G P   由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为 m a x 6 0 6 0 i A i G P D P E r r       假设天线为理想的无方向性天线，即D=1， 1, 1 A G       ，则它在空间各方向上 场强为 m a x 6 0 i P E r   可见，天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向 上将输入功率放大的倍数。 2.2.5 天线方向图及其有关参数 所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值） 随着方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个互相垂直的平 面方向图来表示。 在地面上假设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图，即 ○ 1 水平面。当仰角  及距离r 为常数时，电场强度随方位角  的变化曲线。如 下图 - 10 - ○ 2 铅垂平面。当  即r 为常数时，电场强度随仰角  的变化曲线，参照上图， 超高频天线，通常采用与场矢量相平行的两个平面表示，即 1.、E 平面。所谓E 平面，就是电场矢量所在的平面。对于沿着z 轴放置的电 基本阵子面而言，子午面就是E 平面。 2、H 平面。所谓 H 平面，就是磁场矢量所在的平面。对于沿着 z 轴放置的电 基本阵子，赤道平面就是H 平面。 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。这些 参数有：主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。 一、主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主 瓣两个半功率点之间的宽度，在场强方向图中，等于最大场强的1 / 2 两点之间 的宽度称为半功率波瓣宽度；有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度，称 为零功率波瓣宽度。 二、旁瓣宽度 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，一般以分贝表示。 三、前后比 前后比是指最大辐射方向电平与其相反方向电平之比，通常以分贝表示。 四、方向系数 方向系数定义为：离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密 度 m a x S 与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度 o S - 11 - 之比，记为D，即 2 m a x m a x 2 o o E S D S E     设实际天线的辐射功率为P   ，则有 2 2 m a x 6 0 r E D P     2.2.6 阻抗带宽 一般的，将 2 ( 1 / 3 ) V S W R       或 的带宽称为输入阻抗带宽。 2.3HFSS 软件简介 经过二十多年的发展，HFSS 以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真 速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构 设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计 算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和 微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性 和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增 强竞争力。 HFSS 能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S 参数、传播 特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行荣差分析，帮助工程师们 快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、 耦合器、功率分配/和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。 HFSS 可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线的各种 性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽 度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S 参数等。 Ansoft HFSS 是一个计算电磁结构的交换软件包。计算模拟器还包括分析电磁 结构细致问题时的后处理命令，使用Ansofr HFSS 应该计算： ○ 1 基本电磁场数值解和开边界条件，远近场辐射问题。 ○ 2 端口特征阻抗和传输常数。 - 12 - ○ 3 S 参数和相应端口的归一化S 参数。 ○ 4 结构的本征模和谐振解。 当画出结构，明确每一个物体的介质参数，建立端口标识，源或者具体的表面 特征时，本系统可以产生必要的场解。当建立一个问题时，Ansoft HFSS 可以允 许指定频段内的一个或多个频率点。 Ansoft HFSS 可以有效运行在UNIX 和PC 机的WINDOWS 下。 - 13 - 第三章 实验模拟过程 馈电结构 大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带线或同 轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50 欧姆传输线阻抗，所以需要匹配。 匹配可由适当馈电位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。另外， 80 年 代以来还出现了电磁耦合馈电。 1. 微带馈电 利用微带线进行馈电。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可 方便的一起光刻，制作简便。但馈线本身也有辐射，从而干扰天线方向图，降低 增益，为此，一般要求微带线不能宽，希望微带线宽远小于波长。 天线输入阻抗与特性阻抗的匹配可由适当的选择馈电点的位置来实现。如果 场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之而变，从而提 供了一种阻抗匹配的简单办法。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改 变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。不过，稍 加改变贴片尺寸，可补偿谐振频率的漂移。 2. 同轴线馈电 同轴插座设置在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指 定的模，同轴插座的位置可由经验确定，以便产生最好的匹配。 优点是：馈电 点可选在贴片内任何位置且避免了对天线辐射的影响。 3. 电磁耦合馈电 该结构的特点是贴近（无接触）馈电，可利用馈线本身，也可通过一个口径 （缝隙）来形成与天线间的电磁耦合。这种方法可以获得宽频带的驻波比特性。 3.1 矩形贴片天线的边馈法 3.1.1 边馈法设计过程 打开 Ansoft HFSS 软件。新建文件命名为‘边馈’。在软件中模拟一个边馈方 式馈电的矩形贴片天线，如下图所示 - 14 - 图3.1.1.1 边馈 其中，设置介质基板设置为相对介电常数为1 的空气或者泡沫来实现。介质基 板与接地板的尺寸大小为：9 0 1 2 0   （mm），微带贴片的尺寸为：5 5 3 9   （mm）， 最外面的真空边界盒子的尺寸为：1 3 0 1 6 0 4 3 . 2     （mm）。 3.1.2 边馈法设计的运行结果 调试没有错误，运行之后在results 中加载结果：S 参数，驻波比VSWR，远场 区的增益Gain，方向图等。运行结果如下： 驻波比VSWR 图如下： - 15 - 图3.1.2.1 边馈的S 参数 S 参数图如下： 图3.1.2.2 边馈的驻波比VSWR - 16 - 方向图如下： 图3.1.2.3 边馈方向图 远场区的增益图如下： 图3.1.2.4 边馈增益图 - 17 - 3.2 矩形贴片天线的同轴探针馈电法 3.2.1 同轴探针馈电法的设计过程 打开Ansoft HFSS 软件，新建工程命名为‘同轴探针馈电’。在软件中设计一 个同轴探针馈电法馈电的矩形贴片天线。如下图所示 图3.2.1.1 同轴探针馈电 其中，设置介质基板设置为相对介电常数为3.48 的Neltec 来实现。接地板的 尺寸大小为：9 0 9 0   （mm），介质基板的尺寸为：4 5 4 5 5     （mm），矩形贴片的 尺寸为：3 2 3 2   （mm），最外面的真空边界盒子的尺寸为：1 6 0 1 6 0 7 5     （mm）， 探针直径为0.5mm，探针距离坐标中心（贴片中心）8mm，长度为5mm；馈电片的 直径为1.5mm。 3.2.2 同轴探针馈电法设计的运行结果 调试没有错误，运行之后在results 中加载结果：S 参数，驻波比VSWR，远场 区的增益Gain，方向图等。运行结果如下： - 18 - 驻波比VSWR 图如下： 图3.2.2.1 同轴探针馈电驻波比VSWR S 参数图如下： - 19 - 图3.2.2.2 同轴探针馈电的S 参数 方向图如下： 图3.2.2.3 同轴探针馈电的方向图 增益图为： - 20 - 图3.2.2.4 同轴探针馈电的增益图 3.3 矩形贴片天线的孔耦合馈电法 3.3.1 孔耦合馈电法的设计过程 打开 Ansoft HFSS 软件，新建工程命名为‘孔耦合馈电’。在软件中设计一个 孔耦合馈电法馈电的矩形贴片天线。如下图所示 图3.3.1.1 孔耦合馈电法 - 21 - 其中，设置介质基板设置为相对介电常数为2.08 的Neltec 来实现。接地板和 介质基板的尺寸大小为：1 2 0 9 0   （mm），矩形贴片的尺寸为：3 9 . 5 3 0   （mm）， 最外面的真空边界盒子的尺寸为：1 2 0 9 0 4 3 . 2     （mm），孔尺寸9 8   （mm），孔的 中心在选取的坐标原点处，馈线的尺寸为7 0 4 . 9 5   （mm）。 3.3.2 孔耦合馈电法设计的运行结果 调试没有错误，运行之后在results 中加载结果：S 参数，驻波比VSWR，远场 区的增益Gain，方向图等。运行结果如下： 驻波比VSWR 图如下： 图3.3.2.1 孔耦合馈电法驻波比 S 参数图如下： - 22 - 图3.3.2.2 孔耦合馈电法S 参数 方向图如下： 图3.3.2.3 孔耦合馈电法方向图 - 23 - 增益图如下： 图3.3.2.4 孔耦合馈电法增益图 - 24 - 第四章 结果分析 4.1 馈电方法理论 大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带线或 同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50 欧姆传输线阻抗，所以需要匹 配。匹配可由适当馈电位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。另外， 80 年代以来还出现了电磁耦合馈电。 4.1.1 微带边馈 利用微带线进行馈电。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方 便的一起光刻，制作简便。但馈线本身也有辐射，从而干扰天线方向图，降低增 益，为此，一般要求微带线不能宽，希望微带线宽远小于波长 天线输入阻抗与特性阻抗的匹配可由适当的选择馈电点的位置来实现。如果场 沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之而变，从而提供 了一种阻抗匹配的简单办法。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变， 因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。不过，稍加改 变贴片尺寸，可补偿谐振频率的漂移。 4.1.2 同轴探针馈电 同轴插座设置在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定 的模，同轴插座的位置可由经验确定，以便产生最好的匹配。 优点是：馈电点可选在贴片内任何位置且避免了对天线辐射的影响。 4.1.3 耦合馈电 该结构的特点是贴近（无接触）馈电，可利用馈线本身，也可通过一个口径 （缝隙）来形成与天线间的电磁耦合。这种方法可以获得宽频带的驻波比特性。 4.2 设计结果的研究分析 4.2.1 边馈的结果研究分析 如图3.1.1.1 所示的边馈设计图，设计方法为在贴片的一边加上一段微带线作 为馈线。 有软件计算得到 1 1 S =24.5dB，驻波比 VSWR=1.1，阻抗带宽为 9%。由于微带线上 - 25 - 也有电磁辐射，因此微带线的添加使得天线的方向图变得不规则。增益也比较小， 如图3.1.2.4 所示，增益大小为7.14dB 左右。相对于另外两种馈电而言，增益 减小了许多。但在设计过程中发现，馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦 合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。因此， 稍加改变贴片尺寸，可补偿谐振频率的漂移。通过此种优点，稍加修改贴片的尺 寸，就可达到要求的2.45GHz 的电气指标。而其他两种馈电方法则很难调整谐振 频率来达到指标。 4.2.2 同轴探针馈电的结果研究分析 如图3.2.1.1 所示的同轴探针馈电法，设计方法为：在贴片上打一个小孔。通 过一个同轴线来加激励馈电。有软件计算得到 1 1 S =14dB，VSWR=1.7，阻抗带宽为 7%。如图3.2.2.4 这种馈电方法增益达到了8.06dB，相对于边馈的增益提高了， 且辐射方向图也规则了许多。而且这种馈电方法，无论馈电点取在哪里，都不会 影响天线的辐射，相对于边馈和孔耦合馈电而言，其馈电对于辐射的影响最小。 但是馈电点的选取对匹配影响比较大。要想得到合适的匹配，必须要选取合适的 馈电点和馈电线的尺寸。 4.2.3 孔耦合的结果研究分析 如图3.3.1.1 所示的孔耦合馈电方法，设计方法为在贴片上开一个孔，通过电 磁耦合，使得激励了通过小孔，加载到贴片上。有软件计算得到 1 1 S =18dB， VSWR=1.58，阻抗带宽为2%。如图3.3.2.4，这种馈电方法增益为6.44dB。而且 由于此种馈电方法不会再贴片上加载任何物质，因此孔耦合馈电法的方向图相对 于边馈和同轴探针馈电法而言，是最为理想的。但是小孔的选取对于天线的辐射 和匹配都有较大影响，要得到合适的匹配和最大的辐射，需要细致调整小孔的位 置以及尺寸。 4.3 三种馈电方法比较 本次设计中的三种矩形贴片天线馈电方法各自有各自的优缺点。 边馈法馈电：设计方法最简单，容易调整谐振频率，最容易获得阻抗匹配；但 是馈线本身的辐射干扰方向图，天线辐射旁瓣多。馈线越窄，谐振频率越低，输 入阻抗越大。 - 26 - 同轴探针馈电：馈电的加入不会影响天线的辐射，旁瓣少，且增益大；但是 设计比较复杂，为了得到合适的匹配，馈电点的选取比较困难。探针长度L 越大， 谐振频率越低，输入阻抗越大；探针距中心位置b 越大，谐振频率越低，输入阻 抗越大。 孔耦合馈电：天线的辐射方向图旁瓣少，但增益较小；但是孔的设计和匹配 的得到比较困难。孔的尺寸越小，谐振频率越低，输入阻抗越大。