微带贴片天线（microstrip patch antenna）详解

创作时间:

作者:

@小白创作中心

微带贴片天线（microstrip patch antenna）详解

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/sss12345566/article/details/141280544

微带贴片天线是一种常见的天线类型，广泛应用于无线通信、雷达系统等领域。本文将详细介绍微带贴片天线的基本结构、设计参数、性能参数以及各种性能改进方法，帮助读者全面了解这种天线的工作原理和应用特点。

基本结构与设计参数

微带贴片天线主要由介质基片、辐射贴片和接地板构成。其设计参数主要包括：

贴片尺寸：影响天线的增益、频率等性能指标。
材料：介电常数表示了电介质电容器电容与真空电容器电容的比率，它在宏观上表示出这种绝缘材料储存电能能力的大小。当基板材料的介电常数 ε 较大时，信号传输速度会变慢。
工作频率：是微带贴片天线的基本参数之一，根据预先设定的工作频率来计算贴片尺寸。

性能参数

反射系数（S11）和驻波比（VSWR）：反映了天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配程度。要求在使用频段范围S11≤-10dB，VSWR≤2。
辐射方向图：给出了天线固定距离处（通常是远场）辐射随角度的变化。
增益：在同一距离及相同输入功率条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度与无方向性天线（点源）的辐射功率密度之比。

其他参数定义

低剖面天线：微带天线的高度远小于辐射贴片的尺寸，属于低剖面天线。
电尺寸/电长度：L/⋋
E面：电场强度矢量所在的并包含最大辐射方向的平面。
H面：磁场强度矢量所在的并包含最大辐射方向的平面。
半功率波束宽度：也称为3dB波束宽度或半功率角，是描述天线方向图主瓣在给定主截面上特性的重要参数。
前后比（F/B）：主瓣与后瓣最大值之比。前后比越大,天线的后向辐射(或接收)越小。
方向系数：表征天线在最大辐射方向上比全向性天线（理想点源）把辐射功率增大的倍数。
天线效率：天线辐射功率与输入功率之比。
增益系数：表示天线的定向收益程度。
极化：电磁波的极化指沿传播方向观察时,在空间某一固定位置上电场矢量随时间运动的轨迹。
输入阻抗
轴比：圆极化要求AR≤3。
相对带宽：工作的最大与最小频率的差值是绝对带宽，绝对带宽除以中心频率就是相对带宽。

天线类型

偶极天线：也叫做振子天线、对称振子。有对称双臂的线天线。
天线阵列、阵元：为了加强天线的定向辐射能力，将若干个单元天线（相似元）按一定方式排列进行天线组阵，利用方向图乘积定理实现阵列天线方向性的控制。
宽波束：指电磁波在空间传输时波前展宽的形式。
窄波束：指电磁波在空间传输时波前集中的形式。

辐射机理

微带天线贴片厚度t取决于电路板，一般300um，利用微带线、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，因此微带天线可看作是一种缝隙天线。辐射主要是沿着两条w边的缝隙产生,该二边称为辐射边。微带贴片也可看成是宽为W、长为L的一段微带传输线,其终端(y=L边)处因为呈现开路,将形成电压波腹和电流的波节。

不同类别的天线

缝隙天线：理想缝隙天线：缝隙的宽度w<<入，长度2L=入/2缝隙等效为一个片状的、沿z轴放置的、与缝隙等长的磁对称振子；
微带振子天线：可看成是矩形贴片天线一条边的宽度趋于零形成的。应用在亚毫米波段至远红外波段。
微带缝隙天线：在微带线或带状线的接地板上开缝构成的天线,缝隙由微带线或带状线激励。窄缝微带天线的缝宽比缝长小得多;窄缝微带天线可看成是线状振子天线的对偶形式。
微带行波天线：是一个一边传输一边不断向空间辐射电磁波的结构。微带行波天线一般为具有周期不连续性或传输特殊模式的端接匹配负载的微带传输线。

单极子与偶极子天线

偶极子天线：由两根相同的直导体导体，长度均为1/4波长，共1/2波长，两导体直径和间距远小于波长。
单极子天线：偶极子天线引入接地面，单根1/4波长的导体和接地面组成，功率为偶极子天线的一半。
电基本振子：又称为电流元,指的是一段理想的细直导线，导线上面加载了高频电流。可以看成线天线组成单元。
横电磁波(TEM)：当电磁波的传播方向与E场和H场都垂直时。
磁基本振子：的实际模型是小电流环,其周长远小于波长,环上电流的幅度和相位处处相等。

微带贴片天线性能改进方法

圆极化方法

单点馈电法：只有一个馈电点，主要采用微扰动技术。通过对天线引入微扰单元，改变天线的电场平衡，并使天线表面电流相位发生改变，使其相差90°，从而满足圆极化条件。具体的实现操作是对天线的辐射贴片添加枝节、进行切角、开槽、引入寄生贴片等。
多点馈电法：使用2个及以上的馈电点，一般利用复杂的馈电网络（如相移网络和功率分配器）来使两个模式的振幅相等、相位差90°，从而达到圆极化条件。此方法可提高阻抗带宽及圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比。缺点是馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大。
多元法：多个线极化辐射单元按一定位置排列来实现圆极化辐射，它具备多馈法的优点，而馈电网络较为简化，增益高。缺点是结构复杂，成本较高，尺寸大。