如何調(diào)試一個(gè)矩形微帶貼片天線

學(xué)個(gè)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(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問(wèn)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(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本次推文將簡(jiǎn)述如何調(diào)試一個(gè)矩形微帶貼片天線。

0 1 兩種理論分析方法

對(duì)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(gè)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(chǎng)恒定(當(dāng)基板厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí))，將場(chǎng)求解問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維邊值問(wèn)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(duì)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(wú)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(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)分量用磁矢量位進(jìn)行表示，找出邊界條件。求解齊次波動(dòng)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(chǎng)分布可由無(wú)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(dòng)方程 0 2 尺寸設(shè)計(jì)依據(jù) 對(duì)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(jì)算器供使用，無(wú)外乎套用下面的計(jì)算公式（參考推文貼片天線的HFSS和CST仿真對(duì)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(dòng)計(jì)算出矩形貼片天線的長(zhǎng)、寬尺寸。

對(duì)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(diǎn)的位置選取在沿著x軸方向的寬邊中心。此時(shí)需要調(diào)試Probe_dy這個(gè)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(shí)對(duì)阻抗匹配比較敏感)。

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

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

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

對(duì)于四分之一波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的特性阻抗值滿足：

假設(shè)工作頻率為5.8GHz，該頻點(diǎn)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(zhǎng)度可以用txline這個(gè)工具計(jì)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(zhǎng))：

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(shí)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(jiǎn)化為(為自由空間波長(zhǎng))：

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(guò)小時(shí)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(shí)現(xiàn)困難)。 看到這里，很多人可能會(huì)問(wèn)了，為什么優(yōu)先來(lái)調(diào)試匹配，而不是頻偏呢？這是因?yàn)槔霉接?jì)算的貼片尺寸雖然不一定剛好在帶內(nèi)諧振，但是不會(huì)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(zhǎng)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(shí)調(diào)修正手段

簡(jiǎn)單的微帶貼片天線屬于窄帶天線，很容易因?yàn)榉抡婢群图庸ふ`差導(dǎo)致頻偏和匹配惡化，因此天線實(shí)物往往需要工程師進(jìn)行手動(dòng)修正。這里我們簡(jiǎn)單介紹下背饋和側(cè)饋的矩形微帶貼片天線的幾種實(shí)調(diào)修正手段。

背饋的矩形微帶貼片天線

由于加工實(shí)物的饋電位置已經(jīng)固定，因此實(shí)調(diào)時(shí)往往通過(guò)割銅皮(實(shí)際工作頻率低于目標(biāo)值)或者貼銅皮(實(shí)際工作頻率高于目標(biāo)值)的方法來(lái)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(gè)矩形長(zhǎng)條（寬度為stub_W，長(zhǎng)度為stub_L），后期用刻刀一點(diǎn)點(diǎn)割掉來(lái)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(zhǎng)條的長(zhǎng)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(shí)際調(diào)試時(shí)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(duì)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(guò)預(yù)留LC匹配位的方式來(lái)修正頻偏和匹配(類似下圖所示結(jié)構(gòu))。此時(shí)相當(dāng)于是地線-信號(hào)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(duì)于這種窄帶天線而言，理論上一個(gè)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(shí)際使用的電容電感元件不是連續(xù)的，因此需要根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)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(guò)去即可，使得匹配方法更加靈活。

審核編輯 ：李倩