[科普中国]-微带天线

微带天线（microstrip antenna）在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。

简介微带天线有着体积小、重量轻、制造工艺简单、容易实现共形等优点，而被广泛地应用。微带天线可等效为一个谐振腔，在其谐振频率附近即工作频段内有较高的值。虽然目前对于微带天线的研究和应用已经很成熟，然而对于微带天线电磁散射特性的分析研究还有许多值得研究的问题。到目前为止，还没有找到一种十分理想的方式，不仅可以降低天线散射然而对其辐射特性没有影响。1

结构与分类微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。图1所示为一基本矩形微带天线元。长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。

另一类微带天线是微带缝隙天线。它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。

按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。2

微带天线的性能微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点：

（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形

（2）电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化

（3）易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。2

微带贴片形状贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此，为使微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。2

微带天线RCS缩减技术雷达散射截面（RCS）是衡量目标散射特性的重要参数。对于微带天线RCS缩减的研究，各国学者已经提出了许多方法，可以归纳为以下几种：

加载技术目前在微带天线RCS缩减方法的研究中，典型的加载技术有变容二极管加载技术和阻抗加载技术。采用变容二极管对微带天线进行电抗性加载，可以使天线获得比较宽的频率带宽和阻抗带宽，通过改变变容二极管上的偏置电压，在一定的频率上，使天线具有最小的散射响应。变容二极管一般加载在场强最大的位置处。当天线不工作时，减小或断开偏置电压可以使天线的效率明显降低，从而降低天线的散射效率，达到减小的效果。据报道，釆用这种方法能够有效降低天线RCS达10dBsm以上。阻抗加载技术在微带天线RCS缩减中有以下几种方式：一种是在天线的馈源处加载电阻，一种是在贴片的边缘加载集总参数阻抗，还有一种是在天线的边缘加载垂直于边缘的分布式阻抗。这些方法能够使天线在谐振频率的RCS获得较大的缩减，但是对于带外的RCS缩减收效甚微。在微带天线四周加载一圈窄裙式的阻抗，能够使天线在增益损失不多的情况下，在较宽的频带内实现RCS的大幅缩减。1

改变天线基片和覆盖层技术微带天线散射的降低通常伴随着天线增益的下降，或者是带宽的减小，因此可以将损耗介质基片和有损耗介质覆盖层应用于微带天线RCS缩减中，以适当降低天线的辖射性能为代价，达到降低的目的。损耗介质的使用会导致谐振频率的降低以及输入阻抗的减小，但是在一定的可承受范围内，将一定材料尺寸的有损耗介质覆盖在微带天线上，可以实现其对微带天线的缩减的目的。一般情况下将铁氧体材料作为覆盖层加载在微带天线上，这种材料对微带天线的辐射特性和散射特性都会产生影响。对于具有互易性的微带天线，其RCS的降低必然会引起天线福射性能的下降。但是对于非互易性铁氧体覆盖层来说，铁氧体层能够显著地减小微带天线表面的感应电流，从而起到降低微带天线RCS的效果。另一方面，当微带天线工作于辐射状态时，铁氧体层能够将场强放大，确保天线有足够高的增益。这种方法的缺点在于，需要在安装一个产生偏置磁场的装置微带天线的地板下方，这大大地增加了天线的体积与重量。它的优点在于，能够通过改变偏置磁场的方式，实现对任意频率处的控制。1

周期性结构技术近几年来许多研究者将周期性结构技术应用在微带天线RCS的缩减中，例如使用周期性的频率选择表面作为天线罩或使用超材料结构。这种天线罩只允许天线工作频段内的电磁波的传播，对于非工作频段内的电磁波起到很好的滤波作用，能够有效抑制工作频段外的散射。还有使用超材料结构来缩减天线RCS，例如周期性的电磁带隙结构，应用它的高阻抗特性来降低微带天及微带阵列天线的RCS，也可以达到较好的效果。

对于阵列天线而言，阵列的散射是阵列中各个单元共同作用的结果，阵列研究的复杂性在于馈电网络。阵列的散射不是各个单元散射简单地叠加，馈电网络中每—个相互连接的部分都会有能量反射回到馈源，这些反射回来的能量，一部分会通过天线单元福射出去，一部分则会在此反射回到馈电网络，这些反射回来的能量又会经历辖射和反射的过程，这个过程相当复杂。目前，关于微带阵列天线RCS缩减技术的研究主要是研究不考虑馈电网络的阵列结构。也有一些文献研究了考虑馈电结构的微带天线和阵列天线的RCS计算方法。1

分析微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。本部分将对一般的矩形微带天线进行分析讨论，为特殊形状要求的微带天线做好理论分析基础。利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也较简单，其精确度可以满足一般工程设计要求。1

运用微带天线在民用上面常见于微波雷达传感器，如：24GHz雷达传感器，相对于传统的喇叭天线，传感器具有体积小，方向性好，使用方便等特点1

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学