[科普中国]-贴片天线

贴片天线是一个饼状的定向天线，也称为面板（panel）、平板（flat panel）或微带天线（microstrip antennas）。它们是由两个金属板（其中一个金属板比另一个大）叠加组成的，中间有个片状介电质。这种天线通常装在白色或黑色塑料中，这样不仅可以保护天线，还可以方便安装。因为它们平、薄且重量轻，贴片天线常常挂在墙壁或天花板上。

贴片天线适用于覆盖单层小型办公室、小型商店及其他接入点不能放在中央的室内地点。贴片天线产生半球覆盖面，从安装点传播，传播范围在30度至180度之间。

由于双频贴片天线的馈电网络相对来说比较复杂，尤其在阵列中更为突出，因而长期以来很少有人注意这类天线。随着现代通信的飞速发展，双频段贴片天线已引起人们越来越浓厚的兴趣。除在重量、空间以及费用上的优势外，双频段贴片天线能够保证收/发信道的分离和匹配。它在结构上有多种形式，原理上可归纳为: 正交模双频- 双极化贴片天线(单层结构)、多贴片双频天线及电抗加载双频贴片天线和小阵列双频天线。馈电方法有单馈和双馈两类，馈电结构也很灵活，有同轴探针馈电、微带线馈电、耦合馈电等。

双频贴片天线是否需要解决双频工作下尤其是双线性极化下的馈电网络主要取决于辐射部分的结构，它不仅要保证有足够的物理空间来印制微带线，而且要保证两个频率间的隔离和双极化间的隔离一样好。1

双频天线在两个频率上的辐射及阻抗匹配特性都应该相似。获得双频工作的最简单的方法是利用矩形贴片长、宽两个尺寸的第一谐振点,在这种情况下,双频的频率比( FR)几乎等于贴片的长宽比。这种方法在低成本、对极化要求不高的场合是可用的,需注意的是,单路馈点时两个频率的输入阻抗同时匹配。单馈双匹配也可以通过槽耦合来获得,槽相对于微带馈线是倾斜的,它投影到贴片的两个正交方向上,从而可以被认为是两个等效槽以各自的极化方式激励贴片。

正交模也可以用独立的微带分双路馈电。圆腔内的两个模可以用两个正交模来激励,两个输入端之间可以达到35dB的隔离,但在设计频率上缺乏灵活性。1

感抗加载贴片天线最简单的方法是把一个短截线连到辐射边上(图a) ,从而拉大第二谐振点的位置,这种结构比较容易调节和设计FR,但只适用于低频段。图( b)是一种比较实用的结构,它可以缩小天线尺寸,但FR不能超过1. 2,否则方向图将会恶化,而且交叉极化变大。

图2是线极化双频感抗加载贴片天线。

低端工作频率几乎和没有开槽的矩形贴片天线一样,高端工作频率可以由槽的长度控制。需要注意的是,槽的长度不能太短,而且也不能离辐射边太远,否则当工作在高端时,天线方向图可能会产生畸变。槽的长度约束着双频贴片的频率比。其第一谐振频率可由计算矩形贴片天线谐振频率的半经验公式求出; 第二谐振频率可由传输线模型求出。这种结构可获得1. 6- 2. 0的频率比。

如何使双频工作下的单层结构有较大的带宽,近年来也有一些报道。S. Maci等人针对上面结构,给出了一种改进的方法〔2〕: 用带状线馈电,在地板的下方介质板上印制两个微带谐振短截线,并用销钉和辐射贴片连起来,辐射贴片上连接的位置在槽和辐射边缘之间。高低端频率比可以通过控制槽的尺寸和微带短截线,从而获得更好的FR。对开槽的十字贴片天线(图3)。由于同时缩小了槽的长度和贴片的长度,因而减小了引起方向图畸变的电流,扩大了频率比的范围。槽和贴片辐射边之间的距离是很重要的,该距离应小到能避免TM100模扰动。该天线在低频处两个正交端的隔离要改善5- 6dB。用单个探针馈电可以同时获得良好的阻抗匹配。1

仅仅获得双频特性或使双频工作有大的频率比还不够,在实际应用中,应使这两个频率段都要有足够的频带宽度。图是由三个矩形贴片组成的微带天线结构。左右贴片通过两截微带线被耦合到中间贴片,中间贴片用探针馈电。这三个贴片的长度和宽度决定了两个谐振频率。对于这种长度大于宽度的矩形贴片天线,其低频端极化方向是Y方向;而在高频端极化方向是X方向,这种双频天线为正交极化。

叠层电磁耦合贴片( EMCP)一直被用于宽频带或双频段工作。如果两个叠层贴片的谐振频率相差得远,就可以获得双频工作。当用探针给下贴片馈电,且保持下贴片位置不动,让上贴片在一定的范围内沿着馈电点所在的轴线平移,则谐振频率的低端就向更低端走,而高端则向更高端走,从而实现宽频带或双频工作。一种带有交叉槽的斜槽耦合微带天线可以把给定的双频段天线的尺寸减小40% ,而且交叉槽的长度对频率比影响不大。其结构是: 最底层是一个用于馈电的微带线,上面是接地板,接地板上开一个斜槽,接地板上面是矩形贴片,贴片上开交叉槽,贴片的长宽比确定了两个工作频率的比。1

微带天线分为三大类: 微带贴片天线,微带缝天线,微带行波天线。此处,微带贴片天线是指谐振式微带贴片天线。这种天线最大的特点是效率高,但阻抗频带较窄。

微带贴片天线以其相对效率高、分析方法成熟而得到广泛的应用,但由于这种天线的带宽较窄,使其应用领域受到限制。微带贴片天线除应用于军事方面外,还可以应用于移动通信系统、卫星通信系统、全球定位系统和远程遥感系统。若应用于移动通信系统,可以作为手机天线与手机机身共型,从而解决了鞭状天线的功率低、不易于携带和电磁辐射对人脑的影响等问题。2

微带贴片天线的窄频特性,是由其高Q的谐振本性所决定。这意味着当在谐振时实现了匹配而当频率偏离谐振时电抗分量急剧变动使之失配。故展宽频带的方法可以由降低Q值的各个方面去探求,也可以考虑用附加的匹配措施来实现。常用的方法有采用厚基板,采用Xr较小或tanW较大(有耗)的基板,附加阻抗匹配网络,采用多层结构,在贴片或接地板“开窗” ,非线性基板材料,非线性调整元件,楔形或阶梯形基板等。2