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微带天线

基本结构

微带天线的基本结构

如图所示,微带天线由辐射贴片、接地板和介质基板组成。辐射贴片可以有多种形状,最常用的有矩形、偶极子形和圆形等。

介质基板一般由介电常数在 2.2εr122.2\leq \varepsilon_\text r\leq12 的材料组成。这里存在一个取舍:低介电常数(或者厚的基板厚度)会带来更低的损耗、更高的效率和更宽的带宽,但是天线尺寸会比较大;在微波电路设计中,如果需要较紧凑的设计,则可以选择高介电常数的介质基板,但这样损耗更高、带宽更窄。

馈电方式

微带线馈电

微带线馈电结构

如图所示,为微带线馈电的微带天线。这是一种简单、易于制造的馈电方式。图中可以看到,在贴片边缘开了一个槽口,将微带线伸进槽内进行馈电,这是为了获得更好的阻抗匹配。后文将会描述微带贴片的阻抗变化规律,即在中心处为零,两个边缘处阻抗最高。

微带线馈电的缺点是带宽很窄,且有杂散辐射。

同轴探针馈电

同轴探针馈电结构

如图所示,为一个同轴探针馈电的圆形微带天线。同轴线分为内导体和外导体,内导体接辐射贴片,外导体接地板。

同轴探针馈电的微带天线杂散辐射较少,因为馈电结构并没有暴露在外。但是这种馈电方式同样存在带宽过窄的问题。


上面的两种馈电方式虽然简单,但都会引入先天的不对称性,而基模是对称的。这种不对称性容易激励高次模,产生交叉极化。为了解决这个问题,我们有其他的非接触馈电方式。

临近耦合馈电

临近耦合馈电结构

临近耦合馈电使用了 2 层介质基板。馈电微带线放置在下层基板上方,贴片放置在上层基板上方。这样的好处是分离了馈电和辐射结构,可以分别优化调整。比如,可以增加上层基板厚度的同时不影响馈电结构,也就不会增加杂散辐射。

口径耦合馈电

口径耦合馈电结构

上图为口径耦合馈电的示意图。共有两层介质,中间夹着接地板。上层介质的表面为辐射贴片,下层介质的底面为馈电的微带线,微带线的能量通过接地板上开的槽耦合到辐射贴片上。通常情况下,下层介质的介电常数较高,上层介质的介电常数较低。中间的接地板能够防止杂散辐射,因为隔离了馈电结构。

能量传输通过槽的耦合进行。关于电磁场在通过缝隙时的行为,可以用 Bethe 的理论解释。Bethe 在 1944 年发表在 Physical Review 上的文章 *Theory of Diffractions by Small Holes * 指出,当电磁场穿过缝隙时,可以等效为一个电偶极子和一个磁偶极子的辐射。电偶极子用于描述与缝隙平面垂直的电场的耦合效应,磁偶极子用于描述与缝隙平面平行的磁场的耦合效应。如果将缝隙放在贴片的中央,此处的电场为零,而磁场达到最大值,此时磁偶极子发挥主导作用,这样极化纯度更好,交叉极化水平更低。

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