如何調(diào)試一個矩形微帶貼片天線

學(xué)個Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設(shè)計、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

微帶貼片天線是由介質(zhì)基板、地板、貼片導(dǎo)體層等組成，通常采用微帶線(側(cè)饋)或者同軸線(背饋)饋電。該類型天線因具有易于與平面電路集成以及制造成本低等特點而得到廣泛應(yīng)用。本次推文將簡述如何調(diào)試一個矩形微帶貼片天線。

0 1 兩種理論分析方法

對于微帶貼片天線，大部分教材都詳細(xì)講解了傳輸線分析法和腔模理論分析法，前者將輻射源等效為相距L的兩個輻射槽，這種分析方法主要適用于矩形貼片；后者假設(shè)貼片和地板之間的縱向場恒定(當(dāng)基板厚度遠(yuǎn)小于工作波長時)，將場求解問題簡化為二維邊值問題(貼片和地板為電臂，腔體四周為磁臂)，因此可用于各種規(guī)則貼片的求解。

傳輸線分析法（左）

腔模理論分析法（右）

對于下面三種類型的微帶貼片的求解，傳輸線分析法顯然是無能為力的。如果不借助于電磁仿真軟件，那么腔模理論分析法就可以派上用場了。

根據(jù)模型選擇好合適的坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系，柱坐標(biāo)系等)，將電場和磁場分量用磁矢量位進(jìn)行表示，找出邊界條件。求解齊次波動方程的關(guān)鍵就是利用數(shù)學(xué)物理方程中的分離變量法求出通解，然后結(jié)合邊界條件定波數(shù)，最后的場分布可由無數(shù)組正交基函數(shù)(常用的正交基函數(shù)有正余弦函數(shù)，貝塞爾函數(shù)或勒讓德函數(shù))疊加組成。

柱坐標(biāo)系下的齊次波動方程 0 2 尺寸設(shè)計依據(jù) 對于生活中常用的矩形微帶貼片天線，網(wǎng)上也有相應(yīng)的貼片天線計算器供使用，無外乎套用下面的計算公式（參考推文貼片天線的HFSS和CST仿真對比），輸入天線的工作頻率，基板的介電常數(shù)和厚度即可自動計算出矩形貼片天線的長、寬尺寸。

對于背饋的矩形微帶天線，我們?yōu)榱吮苊饧ぐl(fā)其他模式影響交叉極化，一般饋電點的位置選取在沿著x軸方向的寬邊中心。此時需要調(diào)試Probe_dy這個參量(即饋電探針與貼片中心的縱向距離)以及饋電探針的粗細(xì)(高頻時對阻抗匹配比較敏感)。

對于主模TM010而言，由于其電場在中心處最小、兩邊最大，因此天線的輸入阻抗從中心點到兩側(cè)會逐漸變大。輸入阻抗等于50Ω的饋點位置(Probe_dy)則可由下面公式簡單計算得到(右滑公式可看完整版)：

理論公式并非萬能，阻抗匹配最優(yōu)位置可以在調(diào)參時用最經(jīng)典的二分法去不斷逼近，不過S11≤-10dB(即VSWR≤2)基本能滿足實際工程需求。

對于側(cè)饋的矩形微帶天線，主要是調(diào)節(jié)1/4波長匹配枝節(jié)的寬度和長度。

對于四分之一波長匹配枝節(jié)，其寬度取決于待匹配矩形貼片的輸入阻抗，其對應(yīng)的特性阻抗值滿足：

假設(shè)工作頻率為5.8GHz，該頻點處微帶天線的輸入阻抗為150歐姆，則該匹配枝節(jié)的阻抗值為86.6Ω。枝節(jié)的長度可以用txline這個工具計算得出(輸入基板介電常數(shù)和厚度，微帶線的阻抗值，工作頻率，并設(shè)置相位為90°，即代表1/4波長)：

利用傳輸線分析法得出前面的等效電路導(dǎo)納值如下所示：

若天線諧振時不考慮兩條等效輻射槽之間的互耦因素等，可以將側(cè)饋天線的輸入阻抗簡化為(為自由空間波長)：

從上述公式也不難發(fā)現(xiàn)，寬邊(非輻射邊)W越大，其輸入阻抗值越低；寬邊尺寸過小時其輸入阻抗與W呈現(xiàn)平方反比關(guān)系，較高的天線輸入阻抗也不利于進(jìn)行阻抗匹配的調(diào)試(高阻抗微帶線工程實現(xiàn)困難)。 看到這里，很多人可能會問了，為什么優(yōu)先來調(diào)試匹配，而不是頻偏呢？這是因為利用公式計算的貼片尺寸雖然不一定剛好在帶內(nèi)諧振，但是不會偏離太多。除此之外，多次掃參將這種窄帶天線的阻抗匹配特性調(diào)試好后，稍微修正一下貼片的長度，即可在不影響諧振頻率處阻抗匹配性能的情況下，進(jìn)行天線諧振頻率的搬移。

0 2 實調(diào)修正手段

簡單的微帶貼片天線屬于窄帶天線，很容易因為仿真精度和加工誤差導(dǎo)致頻偏和匹配惡化，因此天線實物往往需要工程師進(jìn)行手動修正。這里我們簡單介紹下背饋和側(cè)饋的矩形微帶貼片天線的幾種實調(diào)修正手段。

背饋的矩形微帶貼片天線

由于加工實物的饋電位置已經(jīng)固定，因此實調(diào)時往往通過割銅皮(實際工作頻率低于目標(biāo)值)或者貼銅皮(實際工作頻率高于目標(biāo)值)的方法來進(jìn)行頻率修正。除此之外呢，還可以在貼片寬邊邊緣中心位置增加一個矩形長條（寬度為stub_W，長度為stub_L），后期用刻刀一點點割掉來修正諧振頻率。

從上面的掃參分析不難看出，貼片天線的諧振頻率隨著矩形長條的長度減小而升高。因此可以將加工前仿真的諧振頻率調(diào)試到偏向低頻，實際調(diào)試時發(fā)揮割銅皮手藝，修正諧振頻率至目標(biāo)值即可。

側(cè)饋的矩形微帶貼片天線

對于側(cè)饋的矩形微帶貼片而言，其除了可以用割銅皮方法之外，還可以通過預(yù)留LC匹配位的方式來修正頻偏和匹配(類似下圖所示結(jié)構(gòu))。此時相當(dāng)于是地線-信號線-地線(GSG)布局，構(gòu)成了共面波導(dǎo)傳輸線饋電結(jié)構(gòu)。

對于這種窄帶天線而言，理論上一個L型匹配電路即可完成良好的阻抗匹配。（①先串L再并L，②先串L再并C，③先串C再并L，④先串C再并C，⑤先并L再串L；⑥先并L再串C，⑦先并C再串L，⑧先并C再串C，8種形式）。

實際使用的電容電感元件不是連續(xù)的，因此需要根據(jù)測試結(jié)果來選定合適的匹配方案。如果空間位置足夠，可以選用雙L匹配位，不需要的地方NC掉或者用0R電阻串過去即可，使得匹配方法更加靈活。

審核編輯 ：李倩