微带天线工作原理_结构组成_馈电方式

无线电工程中的天线是一种专用换能器，由与发射器或接收器电连接的导体阵列设计。天线的主要功能是在所有水平方向上均匀地发射和接收无线电波。天线有不同的类型和形状。小天线可以安装在屋顶上看电视，而大天线则可以捕获来自数百万英里之外的不同卫星的信号。天线垂直和水平移动以捕获和传输信号。

目前有不同类型的天线可供选择，例如孔径天线、导线天线、透镜天线、反射器天线、微带天线、对数周期天线、阵列天线等。本文简单介绍微带天线的相关内容。

基本定义

通过简单地在电介质表面上蚀刻出一块导电材料而成形的天线称为微带天线（或贴片天线）。在此微带天线的接地面上安装了介电材料，该平面支撑整个结构。

此外，可以通过连接到贴片的馈线来对该天线进行激励。一般来说，微带天线被认为是薄型天线，用于频率高于100MHz的微波频率应用。

天线的微带/贴片可以选择矩形、正方形、椭圆形和圆形，以便于分析和制造。一些微带天线不使用介电基板，而是由金属贴片制成，金属贴片安装在带有介电垫片的接地平面上；因此，所形成的结构强度较低，但其带宽较宽。

结构组成

微带天线设计可以借助极薄的金属条来完成，方法是将其布置在介电材料之间的接地平面上。在这里，介电材料是用于将条带与接地平面分离的基板。一旦该天线被激励，电介质中产生的波就会发生反射，从金属贴片边缘发射的能量非常低。这些天线形状由布置在介电材料上的金属贴片形状来识别。

通常情况下，条带/贴片和馈线被光刻在基板的表面上。微带天线有不同形状，如方形、偶极子、矩形、圆形、椭圆形和偶极子。我们知道贴片可以形成各种形状，但由于易于制造，通常使用圆形、正方形和矩形形状的贴片。

微带天线也可以由介电基板上方的一组不同贴片形成。利用单个或多个馈线来激励微带天线。因此，微带元件阵列的存在提供了更好的方向性、高增益以及增加的传输范围和低干扰。

工作原理

微带天线的工作原理大致概括如下：

• 每当穿过馈线的电流到达微带天线的条带时，就会产生电磁波。因此，来自贴片的这些波将从宽度侧开始辐射。然而，当带材厚度非常小时，基材中产生的波将通过带材边缘反射。沿长度方向恒定的条带结构不允许辐射发射。
• 微带天线的低辐射能力只允许覆盖小距离的电波传输，例如商店、室内场所或本地办公室。因此，这种低效的波传输在一个非常大的区域的集中地点是不可接受的。通常，半球覆盖范围是由贴片天线在30⁰–180⁰与底座成一定角度。

规格参数

微带天线规格参数包括以下内容：

• 其谐振频率为1.176GHz。
• 微带天线的频率范围为2.26GHz至2.38 GHz。
• 基板的介电常数为5.9。
• 介质基板的高度为635um。
• 馈电方式为微带线馈电。
• 损耗角正切为0.00 12。
• 导体是银。
• 导体厚度为25um。
• 其带宽为±10GHz。
• 其增益在5dB以上。
• 其轴比在4dB以下。
• 其回波损耗优于15dB。

功能特性

微带天线的主要特性包括以下内容：

• 微带天线贴片是一个极薄的导电区域。
• 与贴片相比，接地平面应具有相当大的尺寸。
• 在基板上进行光蚀刻以构建辐射元件和馈线。
• 介电常数在2.2至12范围内的厚介电基板可提供出色的天线性能。
• 微带天线设计中的微带元件阵列提供卓越的方向性。
• 微带天线提供高波束宽度。
• 提供极高的品质因数，因为高Q因数会导致低效率和较小的带宽。但是这可以通过简单地增加基板的宽度来补偿。然而，宽度的增加超过特定限制将导致不必要的功率损耗。

常见类型

目前有不同类型的微带天线可供使用，下面将分别进行详细介绍。

微带贴片天线

该类型的天线是薄型天线，其中金属贴片通过中间的介电材料布置在地面上，包括条状（或）贴片天线。这些天线是尺寸极小的天线，辐射低。该天线在电介质基板的一个面上包括一个辐射贴片，在另一侧上有一个接地平面。

一般情况下，贴片由金或铜等导电材料制成。这些类型的天线可以通过简单地在PCB上制造而采用微带方法形成。这些天线用于频率高于100 MHz的微波频率应用。

微带偶极子天线

微带偶极子天线是一种薄的微带导体，放置在基板的实际部分上，并且在称为接地面的一个面上完全覆盖有金属。这些天线用于计算机和WLAN节点等数字通信设备。此类天线的宽度较小，因此可以在WLAN系统的入口点使用。

印刷缝隙天线

印刷缝隙天线在增强天线带宽和双向辐射方向图方面发挥着关键作用。与普通天线相比，该天线的灵敏度较低。整个馈线都需要这些天线，该馈线布置为与基板相反并垂直于贴片上方提供的槽轴。

微带行波天线

微带行波天线主要采用具有足够宽度的长微带线设计，以支持TE连接。这些类型的微芯片天线的设计方式使得主波束位于从侧射到端射的任何路线内。

馈电方式

微带天线有两种馈电方式，分别是接触式馈电和非接触式馈电。

接触式馈电

接触馈电中的功率直接提供给辐射元件。因此这可以通过同轴线/微带线来完成。这种馈电方式又分为两种：下面讨论微带馈电和同轴馈电。

• 微带馈电；微带馈电是一种宽度比辐射元件宽度非常小的导电带。由于条带具有较薄的尺寸，馈线在基板上方提供简单的蚀刻。这种饲料安排的好处是：可以在类似的基板顶部蚀刻进料以提供平面结构。朝向结构的馈电线设置在中间、偏移或插入处。贴片内嵌入切口的主要目的是使馈线的阻抗与贴片匹配，而不需要任何额外的匹配元件。
• 同轴馈电；这种馈电方式是最常用的一种，是一种非平面馈电方式，采用z同轴电缆对贴片进行馈电。微带天线的这种馈电方法是内部导体直接连接到贴片，而外部导体连接到接地平面。

阻抗会随着同轴馈电布置的不同而变化。一旦馈线连接到贴片中的任何位置，就有助于阻抗匹配。然而，连接整个接地层的馈线有点困难，因为这需要在基板内钻一个孔。这种馈电方法制造起来非常简单并且杂散辐射较少。但是，它的主要缺点是它连接到接地平面连接器。

非接触式馈电

通过电磁耦合从馈线向辐射元件提供功率。这些馈电方法可分为三种类型：孔径耦合、邻近耦合和支线馈电。

• 孔径耦合馈电；孔径馈电技术包括两个电介质基板（如天线电介质基板）和馈电电介质基板，它们通过接地平面简单地分开并且中间具有间隙。金属贴片位于天线基板上方，而接地平面位于天线电介质的另一面上。为了提供隔离，馈线和馈电电介质位于接地层的另一侧。这种馈电技术提供了其他馈电技术无法实现的出色的偏振纯度。孔径耦合馈电提供高带宽，对于我们不想使用从单层到另一层的电线的应用非常有用。这种喂料技术的主要缺点是，它需要多层制造。
• 邻近耦合馈电；邻近耦合馈电也称为不存在接地层的间接馈电。与孔径耦合馈电天线相比，它的制造非常简单。在天线的导电面上有一个槽，并通过微带线进行耦合。这种馈电方法提供低杂散辐射和巨大的带宽。该方法中的馈线位于两个介电基板之间。馈线边缘布置在微带天线的输入阻抗为50欧姆的某个点处。与其他类型的方法相比，这种馈送技术提高了带宽效率。该技术的主要缺点是：多层制造是可能的，并且它提供了较差的偏振纯度。
• 分支线路馈电；在支线馈电技术中，导电带直接连接至微带线的贴片边缘。与贴片相比，导电条的宽度较小。这种喂养技术的主要好处是；将进料蚀刻在类似的基板上以形成平面结构。可以将嵌入切口集成到贴片中以获得出色的阻抗匹配，而不需要任何额外的匹配元件。这可以通过适当控制插入位置来实现，否则，我们可以将槽切开并从贴片上蚀刻出合适尺寸的槽。此外，这种进料技术被利用并称为支线进料技术。

辐射方向图

天线辐射特性的图形表示称为辐射方向图，它解释了天线如何将能量发射到空间中。在天线的远场中监测作为到达角函数的功率变化。

微带天线辐射方向图宽，辐射功率小，频率带宽窄。微带天线的辐射方向图如下所示，方向性较小。通过使用这些天线，可以形成具有优异方向性的阵列。

优缺点

微带天线的优点包括以下几点内容：

• 微带天线非常小。
• 重量更轻。
• 制造过程很简单。
• 由于其尺寸和体积小，安装非常容易。
• 提供了与其它设备的简单集成。
• 可以执行双频和三频操作。
• 微带天线阵列可以很容易地构建。
• 在坚固的表面上具有很高的鲁棒性。
• 可以实现线性和圆极化。
• 它与单片微波IC兼容。
• 只需提高介电材料的宽度即可扩大带宽。

微带天线的缺点包括以下几点内容：

• 增益较小。
• 由于导体和介电损耗，此类天线的效率较低。
• 具有大范围的交叉极化辐射。
• 功率处理能力较低。
• 阻抗带宽较小。
• 结构从馈源和其他连接点辐射。
• 对生态因素表现出极其敏感的性能。
• 微带天线更容易出现伪造的馈电辐射。
• 具有更多的导体和介电损耗。

应用领域

微带天线的用途或应用包括以下内容：

• 微带天线适用于不同领域，例如导弹、卫星、航天器、飞机、无线通信系统、移动电话、遥感和雷达。
• 用于无线通信，可以显示与手机和寻呼机等手持设备的兼容性。
• GPS是微带天线的主要优点之一，因为它可以轻松跟踪车辆和海军陆战队。
• 这些用于相控阵雷达，以处理等于一定百分比的带宽容差。

常见问题

如何提高微带天线的带宽？

答：微带天线的带宽可以通过不同的技术来增强，例如通过低介电常数增加基板厚度、槽切割、通过槽口切割馈入探针以及不同形式的天线

微带天线为什么会辐射？

答：微带贴片天线的辐射主要是由于贴片边缘和接地平面之间的边缘场造成的。

如何提高微带天线的增益？

答：微带天线的增益可以通过馈电贴片和接地平面之间的寄生贴片和气隙来增加。

总之，微带天线是一项相当现代的发明，可以方便地将天线和通信系统的其它驱动电路集成在公共 PCB或半导体芯片上。它们广泛用于当前千兆赫范围内的各种微波系统。该天线的主要优点是重量轻、成本低、形状适形且与单片和混合微波IC兼容。