微帶天線的設(shè)計實例和實現(xiàn)步驟

微帶天線的基本原理

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線（光刻、腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片）。它采用微帶線或同軸線等饋電，在導(dǎo)體貼片上與接地板之間激起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線可以看成是一種縫隙天線。由于介質(zhì)基片的厚度往往遠小于波長，故它實現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線。

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偶極子，由這兩種單元形成的微帶天線分別稱之為微帶貼片天線和微帶振子天線。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形式（如彎曲、直角彎頭等）來形成輻射，稱之為微帶型天線。而利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或者其他饋線對其饋電，稱之為微帶線縫隙天線。此外，還可以構(gòu)成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天線等。

由于微帶天線的種類繁多，故以最具代表性的矩形微帶線分析其特征參數(shù)。導(dǎo)體貼片為矩形的微帶天線，由傳輸線或同軸探針饋電，在貼片與接地板之間激起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。

微帶天線的應(yīng)用與發(fā)展前景

同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點，在大約從100MHz~50GHz的帶寬上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點是：重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做的很薄，因此，不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學(xué)性能；無須做大的變動，天線就很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭或衛(wèi)星上；天線的散射截面較?。簧陨愿淖凁侂娢恢镁涂梢垣@得線和圓極化（左旋和右旋）；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設(shè)計（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時制作。

與微波天線相比，微帶天線也有一些缺點：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數(shù)微帶天線只向半空輻射；最大增益實際上受限制（約為20dB）；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。但是有一些辦法可以克服微帶天線的某些缺點。例如，只要在設(shè)計和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。在許多實際設(shè)計中，微帶天線的優(yōu)點遠遠大于它的缺點。

在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線有：移動通信；衛(wèi)星通信；多普勒及其他雷達；無線電測高計；指揮和控制系統(tǒng)；導(dǎo)彈遙測；武器信管；編寫裝置；環(huán)境檢測儀表和遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；衛(wèi)星導(dǎo)航接收機；生物醫(yī)學(xué)輻射器。這些應(yīng)用絕沒有列全，隨著對微帶天線應(yīng)用可能性認識的提高，微帶天線的應(yīng)用場合將繼續(xù)增加。

ADS微帶天線設(shè)計實例

矩形微帶天線設(shè)計指標(biāo)如下：

采用陶瓷基片（εr=9.8）

厚度h=1.27mm

工作頻率：f=2.4GHz

實現(xiàn)步驟

微帶天線的計算

1、微帶天線寬度的計算

微帶天線寬度W的大小影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而也影響著頻帶寬度和輻射頻率。另外，W的大小直接支配著微帶線的總尺寸。在條件允許的情況下W值取適當(dāng)大一些，這樣對頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W的尺寸大于下式時，將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。

式中，c為光速；εr為介質(zhì)薄板的介電常數(shù)；fr為諧振頻率，且：

2、微帶線長度的計算

矩形微帶天線的單元長度L在理論上應(yīng)該選取其波長的一半，但考慮到邊緣場的影響，應(yīng)該從L=λg/2-2ΔL。

式中，λg為介質(zhì)內(nèi)波長；εr是有效介電常數(shù)；ΔL是實際受邊緣場的影響而算出的一個修正公式。

3、饋線寬度W

ADS中自帶了一個計算微帶線寬度和長度的工具

ADS微帶天線的設(shè)計仿真

1、新建“antenna_ads”工程，和一個layout窗口。

2、新建一個“Substrate”

3、設(shè)置[Mesh]

4、設(shè)置頻率后仿真

通過該微帶天線S(1,1)參數(shù)可以看出天線諧振在設(shè)計頻率2.4GHz，但是功率反射很大（S(1,1)=-2dB），阻抗不匹配。只有天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時，饋線終端才沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線才能獲得最大功率。從下圖可以看出，在2.4GHz時天線輸入阻抗實部為0.226Z0，虛部為-0.791Z0，與50Ω饋電系統(tǒng)不匹配，這實質(zhì)也是利用史密斯圓圖進行阻抗匹配的理論。微帶線匹配法就是計算串聯(lián)微帶線傳輸線和并聯(lián)的微帶傳輸線的長度。

ADS匹配過程

（1）等效電容電阻的計算

天線輸入阻抗為11.3-j39.55，這樣天線可以等效為一個電容和電阻的串聯(lián)，設(shè)電阻為R1，電容為C。

，R1=11.3Ω，C1=1.67pF

（2）新建一個“ADS_sim_1”的工程，將原理圖保存為“match_antenna”的原理圖。在這個原理圖中添加一個MLIN元件和一個MLEF元件，其中，MLIN元件代表串聯(lián)傳輸線，MLEF元件代表并聯(lián)傳輸線，設(shè)定這兩個元件的寬度為1.23mm，長度初值為10mm，并設(shè)定優(yōu)化范圍為1~20mm。再添加一個三端口連接器MTEE_ADS，3個端口的寬度都設(shè)定為1.23mm。將電容、電阻、MLEF元件，MLIN元件以及MTEE_ADS連接起來，完成原理圖。

在原理圖中，依次插入元件，并分別設(shè)置參數(shù)

（3）最終天線的輸出阻抗的匹配目標(biāo)是50Ω，[Term]插入一個終端，整體電路圖如下：

(4)、仿真結(jié)果如下：

(5)、保存結(jié)果：

在匹配電路設(shè)計完成后，需要把匹配電路和矩形貼片結(jié)合到一起，做整體的微帶天線仿真。經(jīng)過我不斷地調(diào)整，仿真的結(jié)果在2.405GHz時匹配如下：

好不容易調(diào)出來的，好像位置有一丁點變化都會影響結(jié)果。一小格一小格的調(diào)，感覺自己太棒了。先通過原理圖的優(yōu)化選擇大體的值，再通過微調(diào)，使在2.4G時有個比較好的阻抗匹配。

從仿真結(jié)果可以看出在2.4GHz上，S11=-21.035dB，反射很小。

（6）、查看微帶天線的參數(shù)(這個我還沒有找到在ADS2020上怎么看，下次找到了再記錄)

本小節(jié)的流程是，首先介紹了微帶天線的基本原理，接著利用ADS軟件建立一個2.4GHz天線模型，然后對天線輻射進行仿真，并通過不斷調(diào)整天線模型的物理尺寸參數(shù)，對其進行優(yōu)化匹配，使設(shè)計出的2.4GHz微帶天線的各項性能參數(shù)都達到設(shè)計要求。

下面簡要總結(jié)一下設(shè)計流程：

（1）明確微帶天線的參數(shù)，如工作頻率等。

（2）根據(jù)微帶天線經(jīng)驗公式計算微帶天線的基本參數(shù)。

（3）利用ADS對微帶天線進行初步仿真設(shè)計，對天線尺寸微調(diào)，使天線諧振點符合指標(biāo)要求。

（4）根據(jù)具體情況進行匹配電路的設(shè)計

（5）匹配電路和微帶天線進行整體仿真。

在微帶天線的仿真設(shè)計過程中，一定要遵守上述步驟，當(dāng)匹配電路和微帶天線整體仿真時，如果效果不佳，這時應(yīng)盡在匹配電路上繼續(xù)仿真優(yōu)化，不要大幅度改動微帶天線尺寸，否則可能造成匹配很好，天線輻射性能較差，整個設(shè)計需要重新開始的結(jié)果。