Ku波段微带贴片天线设计与实现

乔贯宇 山西工程技术学院

微带天线自身具备比较轻、耗费比较少、体积也比较小、平面结构、能够与集成电路一起使用，且易于制成共形天线等优势，在无线通信自身的技术之中，包含蓝牙、手机、无线局域网等终端小型的卫星通讯设施；多普勒及其他制式雷达；无线电测高计；指挥以及管控系统情况；无线电的引信；环境检测仪表以及遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航的接收机设施；生物医学辐射器等领域得到了广泛的研究和应用。

1 微带天线的分析理论

与其他天线相同的是，微带天线开展工程设计的时候，要对天线自身的性能特点（例如方向图、效率、输入阻抗、方向性特电、输入阻抗提前预算，这会极大的提升天线研发的质量水平以及收益，减少研发的成本费用。许多人致力于这种理论工作，获得了显著的成果。研究微带天线的基础原理主要可以分成三大类：传输线模型的基本理论知识，腔模理论，全波理论。从理论层面说，积分方程法能够用在对各种结构，随意厚度微带天线的答案解答。可知，作为数值解法很明显要受到计算模型的精准度以及时间的约束。

1.1 传输线理论

微带线包含有介质还有地板、金属微带线以及这个基片的上方的空气介质形成的。在空间方面属于比较开放性的构造，电磁场能够分布到各个空间范围之中。因为空气介质是在不同界面都有的，微带里面的传输模式具备电场以及磁场以及三个不同分量的混合型的模。所以，不能够传播单纯的横电磁波—TEM模。但是，在频率并不是十分理想的情况下（小于10G），在符合基片的厚度要低于工作波长的时候，能量大部分都集中在导体带之下的介质基片里面，这个时候传播的就是确定好的TEM模。

针对矩形形状的贴片天线使用端缝辐射的概念清晰的阐述了辐射的基本原理。能够将辐射元，介质基片以及接地板看作是一段半波长的传输射线。辐射大部分认定是包含矩形贴片传播方向方面的两个开路边缘场产生的。因为辐射元的长度大概是半波的长度，两开路端边缘场的垂直分量方向是不同的，然而水平分量的方向是一致的。针对远场区来讲，两边开路的同方向的辐射场就好比是大平面中彼此鼓励的两个槽。

1.2 腔模理论

腔模理论产生于1979年的时候，是Y.T.LO等人提出来的比较典型的研究方法。这个理论知识建立在薄微带天线的假定，把微带的贴片和基地班彼此之间的空间看作是四面都是墙壁，上面和下面是电壁的谐振空腔。天线辐射场包含空腔四面的等能效磁流构成的。天线输入阻止能够结合空腔内部以及周边环境获得。空腔理论是对传输线的不断发展与扩展，它可以运用在范围更加大的微带天线里面，而且因为弄了高次模，计算阻抗的曲线的校准，并且计算的工作量并不是特别的多，比较符合工程设计的基本需求。因为使用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在大多数情况下这不成问题。但对于近来采用厚介质基板提高宽带天线设计就不适用。

1.3 全波理论

全波理论也被叫做积分方程法。一般要先算出专门的边界条件之下单位点源所形成的场，也就是格林函数。之后结合叠加原理，将其乘以源进行分布以后，在源所处的地区开展积分而获得的总场。由于一般源是不确定的，所以要受到边界条件获得源分布以后的积分方程，在算出源分布之后再经由积分算式算出总场情况。

积分方程的方法是在开放的空间之中的格林函数来当成是基准，它的基本方程是十分系统的。但是因为严苛的格林函数要在频谱里面开展下去，求算积分方程具备比较高的难度，并且工作量也比较大。针对主要的问题，积分方程法发展起来了一种比较简单的处置办法。并不是通过求解积分方程获得场源的分布，而是建立在最初的知识来假设场源的分布设计，比如借助空腔模型或者是传输线模型的已经具备的结果来得出等效磁流分布伙食贴片电流的设计，之后将格林函数和源分布进行乘法计算，在源所在区域积分而得出总场。这种方法的优点是省却了积分方程的求解，而又获得了较严格的计入微带基片效应的结果，但其应用受到磁场源分布的先验假设条件限制。

2 微带天线的数值分析方法

微带天线的数值分析方法主要是指全波分析中的数值分析方法。其主要包括矩量法，有限元法、时域有限差分法，而且随着计算条件的不断改善，新的方法也不断涌现。在这些数值分析方法中，矩量法最常用，时域有限差分法，有限元法也运用的较为广泛。

2.1 矩量法

矩量法是现在微带天线研究中使用最宽泛的办法。矩量法所处置的问题能够概括为解线性非齐次的方程，可统一的写为：Lf=g；其中L为线性算子，g为已知函数，f为待求解函数。在微带天线使用矩量法进行数据分析的时候，存在空间域以及谱域矩量法两个相对的理论。也就是在我们在使用矩量法算答案的时候，选择合适的方法。在待定的问题里面，矩量法的重点就是选择权函数以及基函数。

2.2 有限元法

有限元法就是创建在变分发发的条件下进行的，它将所有求解地区氛围很多个单元，在每一个单元中要求一个基本的函数。这种基函数在彼此的单元中分析。在别的范围选择为0，这种能够分成解析函数替换所有解析函数。针对三维的问题，单元能够选取当成是四面体、六面体等，每一个单元的形状都能够看做是主要情况来确定。有限元法最关键的优势就是它不受物理模型形状的约束，这从基函数以及具体单元的选择就能够清楚了。Ansoft HFSS软件就是Ansoft这个公司研发的软件。

3 几种不同形状微带贴片天线

微带贴片天线包含有介质基片，并且基片的一个面上面包含有随意形状的导电贴片以及基片在另外一个面上面的地板组成的。实际上，能够算出贴片图形是有形状的，圆形、正方形、五角形、圆环形、正三角形、半圆形。下面是圆形和三角形微带贴片天线的设计参数。

3.1 圆形微带贴片天线

圆形微带贴片天线在腔模理论研究中得出它的主模就是TM11模。TMmn模事实上就是没有太大的作用。然而在TMmn模里面仅仅是TM11模处在和天线平面方向成90度方向的时候辐射是最高的，并且别的模需要在这个方向的辐射是0。因为比较多见的就是工作在主要模里面的圆形微带天线，所以如下分析的设计是在这种情况下思考的。

圆形微带贴片的半径由式（1）给出为

其中c为光速，在比较高的频段的时候，也就是比2Ghz高的时候，还和基板的厚度有着一定的关系。因为基板的厚度影响的等效的半径是：

3.2 正三角形微带贴片天线

就好比研究圆形状的微带贴片这种天线那样，用周围是磁壁围成的三角形腔体模型，可以求得场的解。最低阶模的谐振频率是

这个式子没有考虑终端效应或边缘效应，但误差不是很大，在天线设计过程中可以先由上式计算出三角形的边长a，再进行微调。

4 结论

采用HFSS电磁仿真原件进行贴片天线的设计，简便易行，该软件能够快速的对天线进行仿真，便于对天线的参数分析。通过对不同形状的贴片天线的设计，在不断的实验和仿真完成符合谐振频率的微带贴片天线。在这一过程中得出以下结论：

(1）贴片天线的缺点是频带较窄，而对于给定的频率，介质基片选择使用较小的相对的数值，频带较宽，介质基片的厚度增加，频带加宽。

(2）在介质基片的厚度比波长少的时候，让介质基片变厚，可以增加辐射的整体效率，得到更小的反射系数。但基片厚度也影响其他参数。

(3）在利用HFSS软件对三角形圆形进行设计过程中，不能直接利用多边形，而是需要先利用多边形画出需要的图形，然后用直线进行连接，围成需要的图形。