微带天线报告_微带天线的报告

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HEFEI UNIVERSITY 电磁场与电磁波微带天线课程学习报告

系

别 专

业 10班 级 姓

名 学 号 1005072019 成 绩

电子信息与电气工程系

级电子信息工程

电子信息工程（2）班

刘国琦

2012年12月8日

摘要

现代电子技术向通讯、广播、电视导航、雷达等都离不开电磁学的发展。一直以来电磁学这门课程一直都是我们学习的重点。微带天线在其中更是一个不可或缺的部分。天线的作用是辐射（发射）电磁波。辐射和接受电磁能量的装置称为天线。在现代的社会，天线是家喻户晓的东西。在这里介绍的微带天线则就是其中的精髓。它主要应用于高科技领域，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。关键字

微带天线，电磁场与电磁波，通信 正文

1.微带天线的发展情况

微带辐射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出来的。最早的实际的微带天线是Howellt和Munson在1972年研制成的（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）。

随着无线电技术的发展，微带天线在各个领域得到越来越广泛的应用（无线通讯技术，包括手机、蓝牙（BlueTooth）、无线局域网（WLAN）等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；无线电测高仪；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机；生物医学辐射器等）。当今对于微带天线技术的研究热点高增益、低副瓣设计小型化、宽带设计多极化、多频段设计超宽带天线设计光子带隙PBG技术应用于微带天线设计。2.微带天线的定义

微带天线，英文名称microstrip antenna，是在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。主要应用于航空科技（一级学科）；航空电子与机载计算机系统（二级学科）。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线(光刻、腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片)。它采用微带线或同轴线等馈电，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，微带天线可以看成是一种缝隙天线。由于介质基片的厚度往往远小于波长，故它实现了一维小型化，属于电小天线。3.微带天线的分类

微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。

微带贴片天线（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的导电贴片和另一面的地平面构成。常见实际使用的基本结构如图(a)，其中矩形和圆形贴片天线应用最广。典型的贴片天线的增益为5-7dB，3dB波束宽度在70゜-90゜范围内)

实际使用的各种微带天线图形

微带天线其它可能的几何图形

微带行波天线（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由链形周期性导体或足够宽度以支持TE模式的一个长微带线构成。它沿线传输行波，天线的另一端是一个匹配电阻性负载，用来避免天线上的驻波。可以将行波微带天线设计成使得主波束位于从侧面到端射的任何一个方向）。

微带缝隙天线（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如槽线）对其馈电的天线。裂缝实际上可以是任何形状，但通常只对一些基本的微带裂缝的形状进行研究，如矩形裂缝，环形裂缝，矩形环裂缝和锥形裂缝。裂缝天线在它们裂缝的两侧辐射，因此可称之为双向辐射器。利用裂缝的一个侧面上的反射器板，就可以获得单向辐射器）。

微带行波天线

微带缝隙天线

4.微带天线的工作原理

贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h。微带贴片可看作为宽a长b的一段微

b 带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取

 m / 2， m 为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）：E z 

E 0 cos（ x /b)。

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为 M

s   n  E。

沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。

沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。

矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 M

s的正镜像。由于h



0，因此它只相当于将M

s 加倍，辐射图形基本不变。

最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmiion Line Model)理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。

从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Green’s Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。5.微带天线的优缺点

和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：

⑴ 体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。

⑵ 性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式下工作。

⑶ 能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。

和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：

⑴ 相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线。

⑵ 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。

⑶ 单个微带天线的功率容量较小。

⑷ 介质基片对性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。6.微带天线的应用

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—调频体制引信，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。

在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信；卫星通讯；多普勒及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。总结

经过一学期的学习，终于圆满的节束了电磁场与电磁波这门课程。关于微带天线的报告，老师很早就提出了要求。在上课的内容中没有微带天线，全部资料得自己搜索。快要考试了，报告就得交了，所以得先放下课程的复习来完成报告。首先先总结一下我关于课程学习的感受。学完了这门课程，虽然基础学科想大学物理、矢量分析等我们都学过了，但是总体学起来还是有些费劲。特别是关于时变电磁场和平面电磁波的学习，感觉尤其费劲。在前面的知识点中，也有许多不熟的地方。在这门课程整体的学习中，让我头疼的一点就是方向的判断，不知道自己怎么回事，基础知识掌握的太差了。

下面就是关于报告的问题了。刚开始老师布置这个课程题目时，真的感觉是丈二的和尚摸不着头脑，头疼啊。那时还没有接触电磁场与电磁波，这也正常。上课的期间也一直想着报告的问题，究竟微带天线与电磁场电磁波有什么联系，后来就上网查了一下就知道了。在写这篇报告的时候，综合网上和图书馆的资料，就写出了这份报告。

14周课程结束，与老师12周相处的日子也结束了。老师很好，教的也好，每次上课的时候都能把全部的上课内容精简的写在黑板上，这让我们很佩服，更重要的是这样能让我们更好的了解，不至于糊涂。

我想说：老师，您很好。谢谢您带领我们的这12周的日子。附录

1.王军礼.电磁场与电磁波（第三版）.西安电子科技大学出版社，2009.8 2.王军礼.《电磁场与电磁波（第三版）》学习指导.西安电子科技大学出版社，2011.10