ghz四元微带天线阵设计方案

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1、天线方案在设计2.4GHz单向无线通信系统中，鉴于传输信号带宽较窄，对天线小型化要求不高（不大于），因此收发天线采用设计制作简单、材料廉价易得的微带阵列天线，而且由于收发天线互易性，发射与接收天线采用同一设计方案。天线单元采用矩形贴片设计，最后组成2*2的四元微带天线阵列。该天线具体设计性能指标如下：工作频率：2.44~2.45GHz增益：>6dB下文介绍本微带阵列天线相关的设计理论与设计过程。上世纪50年代微带辐射器的概念被人提出，70年代初出现了第一批使用的微带天线。微带天线的最基本形式是在有金属导体接地的介质基片上贴加金属导体薄片。贴片可以是任意形状，它是利用微带天线、同轴

2、探针等结构对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片周围与接地板之间的缝隙向外辐射。因此可认为微带天线是一种缝隙天线。可用不同的天线单元来组成阵列天线，提高其性能来满足不同的需要。1.贴片单元设计结构最简单的微带天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片所构成的。贴片导体通常是铜或金，它可取任意形状。但是通常都采用常规的形状以简化分析和预期其性能。基片的介电常数应较低，这样可以增强产生辐射的边缘场。微带天线单元货微带天线阵列其结构通常都比较简单，但其电磁场的分析却很复杂。一方面，微带天线的品质因数很高，使得较难得到精确的阻抗特性；并且，戒指的各向异性、加载

3、、损耗、表面波效应等影响也较严重。另一方面，微带天线的几何结构也是多种多样的，包括不同的贴片形状、馈电方法，以及寄生单元或层叠单元的应用，共面馈电网络与有缘线路的集成等。微带天线的分析方法主要氛围基于简化假设的近似方法和全波分析方法两大类。全波分析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。第一类方法包括传输线模型，空腔模型和分段模型。这种方法将贴片单元当做一段传输线或是空腔谐振器，简化了分析和计算，提高了速度，并且物理概念清晰，可以提供设计的初始数据。1.1微带天线的传输线模型图1传输线法物理模型利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图1传输线法物理模型

4、所示为传输线法物理模型。传输线模型的基本假设是：1）微带片和金属底板构成一段微带传输线，传输准TEM波，博得传输方向决定于馈电点。线段长度，为准TEM波的波长。常在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两个辐射缝长为W，宽为h，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上，即是将开口面向上折转90o,而开口场强随之折转。由以上两条基本假设可以看出，当时，二缝上切向电场均为x方向，且等幅同相、它们等效为磁流，由于金属底板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射。缝上等效磁流密度为，式中，V为传输线开口端电压。由于缝已放平，在计算上半

5、空间辐射场时，就可按自由空间处理，这是这种方法的方便之处。1.2微带天线单元设计微带天线的贴片形状可采用矩形、圆形、环形、三角形等，他们都各有特点，但考虑到制板以及微带线馈电和匹配，通常大多采用矩形贴片。一般矩形微带天线的馈电方式都是从贴片某一边的中心点馈电由于馈电点所在的边和辐射边平行，辐射边是均匀分布，因此激励的工作模为TM01。这样形成的极化形式为线极化。矩形微带天线单元坐标示意图如图2所示。其与设计有关参量包括：辐射元长度L，辐射元宽度W，介质板厚度h，介质板的长度LG和宽度WG，介质的相对介电常数和损耗角正切，馈电方式及阻抗匹配。图2矩形微带天线单元坐标示意图1.2.1

6、介质基板的选取作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板并确定其厚度h。这是因为基板材料的和值及其厚度h直接影响这微带天线的一系列性能指标：1.对尺寸及体积重量的影响工作于主模TM01模矩形微带天线贴片长度近似为，为介质内波长。，为自由空间波长，为等效介电常数，实质上就是用某一均匀介质充填全部空间而微带分布电容不变时，该介质的相对介电常数。可表示成(1)可见L值与直接相关。当L、W确定后，则h的取值决定着天线的体积和重量。1.对微带线特性阻抗的影响本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相关，为了使微带天线单元与传输线较好地匹配，需要特定阻抗的微带

7、线对其进行馈电。微带线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。导体带宽度为w，介质基片厚度为h，相对介电常数为。微带线传输准TEM模。当及已知时，微带线的特性阻抗取决于比值，随增大而减小。给定特性阻抗，可用下列公式求得所需微带线的宽度w:(2)2.对方向特性的影响如在传输线模型分析法中所述，矩形微带天线的E面方向图与两边辐射边间距L有关。对于相同的工作频率采用不同的基板则由式(1)知对应的L值不同，所以E面的波束宽度也就不同。E面波束宽度可根据二元阵公式算出，(3)式中，A