| 单词 | 微带天线技术 |
| 释义 | 【微带天线技术】 微带天线是将微带辐射器制作在一块薄介质基片(其厚度取决于工作频率，在微波频段上它通常小于工作波长的5%。厚度的选择应满足传输主模，所产生的高次模和表面波应尽量小)上，采用同轴线(探针)或微带线馈电。由于微波集成技术的发展，可以采用印刷电路(光刻)技术和微波集成技术将微带辐射器与其馈电网络及其它电路一起印制在同一块介质基片上，形成一个天线单元或一个可以整体馈电的微带阵列天线。其优点是结构剖面低、体积小、重量轻、成本低、容易进行微波集成和极化分集、合理形成各种形状的共形天线和各种形式的天线或阵列。但也存在一些问题，如频带窄、损耗大、功率容量小、效率低、互耦影响大等。微带天线可分为微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线和微带阵列天线等四大类。微带贴片天线是将金属贴片制作在基片上，优点是容易设计和加工成任意形状，容易实现线极化或圆极化，可以双频工作。微带缝隙天线是在接地板上开缝，并使缝隙垂直于馈电的微带线，其优点是可以产生单向或双向辐射，寄生辐射和表面波激励都不重复，而且对制造公差的要求不象贴片天线那样严格。另外，宽缝隙天线的带宽也比较宽。微带行波天线是在基片上安装周期结构(一端输入，一端接负载)或传输特殊模式(准TEM波)的传输线，它类似于一般的行波天线，具有馈电简单、波束窄、波束方向随频率可变的优点，可在宽频带工作。随着微波技术的发展和工程的需求，微波系统往往要求天线具有高增益、高功率、低副瓣、波扫或波控、多极化或多频率工作等性能。因为微带天线具有体积小、重量轻、容易进行微波集成和容易共形的特点，所以可以将所有辐射单元及其馈电网络和其它电路都制作在一块或数块基片上构成微带阵列天线或子阵。 传统微带天线通常是采用直接连接的接触式馈电方式，分微带线馈电和同轴线馈电两种。由于天线输入阻抗不等于通常的传输线阻抗(50Ω)，所以一般通过选择适当的馈电位置来实现阻抗匹配。馈电位置则对天线的辐射特性也有影响，在确定馈电位置时要在阻抗匹配和辐射特性二者间进行权衡折衷。微带天线分析方法有：传输线法，其基本原理是把矩形辐射器等效为低阻抗的一段传输线(开路辐射)；谐振腔法，其基本原理是把辐射器等效为上、下电壁，辐射器的边缘等效为磁壁的微带谐振腔，在腔体谐振时(产生包括主模和高次模在内的多种谐振模)向空间辐射(此时腔体近似为理想的开路壁)；多模展开法，在很多方面类似于谐振腔法，所不同的是对辐射器四周边缘使用了阻抗边界条件；线栅法，是把微带贴片与接地板的关系等效为镜象，然后用导线栅格来模拟。此外，还有一些其它的数值方法。分析方法的难易程度往往与其所能达到的精确度和通用性密切相关，在实际工程设计中应根据系统要求的精度来选择适当的分析方法。新型微带天线，其馈电方式采用无触点的耦合式馈电。这种馈电方式通常要求微带天线的结构为双层(或多层)结构。邻近耦合馈电是将馈电用的微带线制作在底层基片上，将端接开路短线的贴片制作在上层基片上。口径耦合馈电是用一块接地板隔开二块平行的基片，底层基片上的微带线通过接地板上的小口径耦合到上层基片的贴片上。由于耦合馈电方式允许在一块介电常数高的薄基片上进行馈电，而在另外一块介电常数低的厚基片上安装天线，因此，采用双层结构，耦合馈电，可以分别对微带天线的馈电性能和辐射性能进行优化。这种结构能够减小甚至消除馈源的寄生辐射对天线方向图和极化纯度的影响。尽管这种结构没有焊点，可以提高微带天线的可靠性，但由于双层基片需要精确对准，所以，双层基片的制作还是有一定难度的。与直接馈电方法相同，耦合馈电也是用单点馈电产生线极化(在带宽很窄时，单点馈电也有可能产生圆极化)，用两个其间相差为90℃的馈电点在发射器上激励起两个正交模，以产生圆极化。增加微带天线带宽最直接的方法，是使用低介电常数的厚基片，但这又不可避免地要引起馈源的寄生辐射，并由此产生表面波和馈线电感。由于天线带宽通常是由阻抗变化决定的(方向图带宽一般要比阻抗带宽好得多)，所以，可以采用有两维自由度的阻抗匹配网络来增加带宽。用此方法，同轴线馈电可以增加9%～12%的带宽；微带线馈电可增加15%的带宽。采用多层结构，把辐射单元和基片网络分别制作在不同的基片上，这样既减小了它们之间的互耦和电路损耗，也便于设计、安装和替换。采用多层结构需要解决的一个关键问题就是连通孔的精密加工和多层基片的精确对准。目前，比较常用的分析方法是全波分析法。它假定基片在水平面内是无穷大的，而在空气与介质的交界面上则是通常的边界条件。全波分析法采用严格的格林函数，可以提供精确的空间辐射波、表面波模式、介质损耗以及单元耦合等参数。格林函数的积分可以在空域(开放空间)或谱域(频谱)里进行，通常采用矩量法求解。尽管为了得到参数的精确解，该方法的计算量很大，但由于工程需要和高速度计算机的出现，这种方法已得到了高度重视，并被广泛使用。微带天线将朝着以下的方面发展。1．介质材料研究。微带天线的电、热、机械性能(尤其是带宽)主要取决于其所使用的介质基片的性能和结构。所以，多年来，低耗介质材料一直是微带天线研究领域里的热点。随着电子技术和材料科学及其合成技术的发展，能够满足高性能微带天线使用的低耗介质材料和新型材料(如高温超导体和铁氧体等)不断出现，从而有望提高微带天线的整体水平。2．单片微带相控阵天线。是把辐射单元、馈电网络、移相器、放大器及其它电路都集成在一块介质基片上，形成相控天线阵或子阵。由于众多参数(如天线带宽、表面波效应、馈电损耗、有源电路增益、有源器件功率容量、基片材料性能和阵列结构等等)相互关联、互相制约，所以，在设计单片微带相控阵天线时，必须根据工程需要和系统要求，对这些参数进行折衷和优化设计。在这里，基片的选择是至关重要的，因为基片将决定单片微带相控阵天线的大部分电、热和机械性能。3．多功能微带阵列天线。由于微带天线制作容易，而且成本很低，因此可以采用微波集成技术制作各种具有多功能的微带阵列天线，如多波束微带阵列天线、多极化微带阵列天线以及将多种功能集于一身的新型微带阵列天线等。4．微带天线的计算机辅助设计。微带天线与传统天线的不同之处就在于其辐射系统和电路系统衬托于介质基片上，而两者对基片的要求又是截然不同的。因此，在设计微带天线时，必须要根据系统要求和基片性能，在辐射器的类型及形状、馈电方式、基片材料的性能和结构的选择方面，进行综合考虑、折衷和优化。计算机辅助设计(CAD)在现代工程或系统设计中已被广泛使用(微波系统设计也不例外)。与传统微波系统的计算机辅助设计不同的是，微带天线计算机辅助设计的难点是它要对介质材料进行分析和设计，即要根据要求的天线电性能，选择合适的介质材料做基片，并要确定基片的技术参数。另外，计算机辅助设计与计算机辅助制造(程控精密加工机械)相结合，能够制作出精度高、性能优良的微带天线。5．毫米波微带天线。在微波频段，基片厚度与波长相比很小，制作在薄基片上的天线几乎是紧靠接地面工作，为了将辐射阻抗提高到适当的数值，必须使用高Q值的谐振型天线，这必将使天线工作在窄带宽上。而在毫米波段上，基片的典型厚度一般在波长的1／4左右，因此，不需要使用高Q值的谐振型天线，而可以使用能够提供宽频带的其它类型的微带天线。为了减少毫米波微带电路的损耗，必须使用介电常数较低的材料做基片。经过反复试验和比较，最后确认石英晶体(有效介电常数为4．4)是微带天线较为理想的基片材料。用石英晶体做基片的微带天线的最大优点是在相当苛刻的环境条件下，其上的集成电路的物理特性相当稳定。目前，可用石英基片集成的毫米波系统有耦合器、混频器、限幅器、放大器、环行器、隔离器混合电路、PIN开关、振荡器以及雷达前端和探测器等。(跟踪与通讯技术研究所马明撰) |
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