微帶天線的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用

微帶天線是在一種薄的介質(zhì)板上一面附上某種金屬層作為接地板，另一面用蝕刻的方法可制成某種需要的形狀，利用微帶線或者同軸線等饋電方式饋電的天線形式。本文將圍繞微帶天線的分類、工作原理、性能定義、優(yōu)缺點(diǎn)等角度，對微帶天線進(jìn)行基礎(chǔ)的介紹。

一、微帶天線的分類

微帶貼片天線是最常見的形式，如圖（a）所示。它由帶導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片形成。通常利用微帶線與同軸線一類饋線饋電，使在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。其基片厚度與波長相比一般很小，因而它實(shí)現(xiàn)了一維小型化。

導(dǎo)體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環(huán)形薄片等；也可以是窄長條形的薄片陣子，此時形成的天線便稱為微帶振子天線，如圖（b）所示。

如果利用微帶線的某種形變（如直角彎頭、弧形彎曲等）來產(chǎn)生輻射，便稱為微帶線性天線，如圖（c）所示，這種天線大多沿線傳輸行波，它們又稱為微帶行波天線。

還可利用開在接地板上的縫隙來輻射，此時由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其他饋線對其饋電。這種單元形成的天線稱為微帶縫隙天線或微帶開槽天線，如圖（d）所示。

除此四種單元及其陣列之外，還有一些變形、混合型或其他形式。

二、微帶天線的工作原理

我們將微帶天線近似看作傳輸線模型進(jìn)而加以分析，假設(shè)圖(a) 中輻射貼片的長度近似為半波長，寬度為w，介質(zhì)基片的厚度為h，天線的工作波長為λ。

當(dāng)我們把輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板視作一段長度為0.5λ的低阻抗傳輸線，且傳輸線的兩端形成開路。由于介質(zhì)基片的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，所以電場的強(qiáng)度在厚度這一方向基本保持不變。

在最簡單的情況下，我們同樣假設(shè)電場強(qiáng)度沿著寬度w方向也沒有變化。那么，在只考慮主模激勵的(TM10模)的情況下，該天線的電場結(jié)構(gòu)如圖(b)所示，輻射基本是可以認(rèn)為是由輻射貼片開路邊的邊緣引起的。

在兩開路端的電場可以分解為相對于接地板的水平分量和垂直分量。由于輻射貼片長度約為半個波長，因此兩開路端電場的垂直分量方向相反，水平分量方向相同。所以，兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫隙的寬度為ΔL，長度為w，兩縫隙間距為半波長，縫隙的電場沿著w方向均勻分布，電場垂直于w方向，如圖（c）所示。

三、微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用

與普通微波天線相比，微帶天線有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 剖面低、體積小、重量輕；

2. 具有平面結(jié)構(gòu)，易于導(dǎo)彈、衛(wèi)星等載體表面共形；

3. 適合于印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)；

4. 能與有源器件和電路集成為單一的模塊；

5. 便于獲得圓極化、容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。

微帶天線缺點(diǎn)有：

1. 頻帶窄；

2. 有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，會激勵起表面波，導(dǎo)致輻射效率降低；；

3. 功率容量小，一般適用于中、小功率場合

4. 性能受基片材料影響大。

微帶天線目前已應(yīng)用于100MHz—100GHz的寬廣頻域上的大量無線電設(shè)備中，特別是飛行器上和地面便攜式設(shè)備中。