矩形微带天线简介[搬运]

本文翻译自https://www.antenna-theory.com。英文够用的朋友可以直接移步。感谢网站创始人Peter Joseph Bevelacqua教授无私的分享。

矩形微带天线

如今微带天线的应用范围越来越广，因为它们可以直接印在电路板上，其在手机市场中变得非常普遍。微带天线成本低，外形小巧且易于制造。本文介绍一下矩形微带天线的基本知识。

考虑由微带传输线馈电的微带天线。微带传输线和接地层均由高电导率金属（通常为铜）制成。该贴片的长度为L，宽度为W，并位于介电常数为εr，厚度为h的基板（某些介电电路板）的顶部。接地层或微带的厚度不是至关重要的。通常，高度h远小于工作波长，但不应远小于波长的0.025（波长的1/40），否则天线效率会降低。

上图所示微带天线的工作频率由长度L决定。中心频率大约为：
上式表示微带天线的长度应等于电介质（基板）介质内波长的一半。

微带天线的宽度W控制输入阻抗。较大的宽度也可以增加带宽。对于以上述方式馈电的方形贴片天线，输入阻抗约为300欧姆。通过增加宽度，可以减小阻抗。但是，将输入阻抗减小到50欧姆通常需要非常宽的贴片天线，这会占用大量宝贵的空间。宽度进一步控制辐射图。归一化辐射方向图大致由下式给出：
上式中，k是自由空间中的波数。k=2pi/λ。方向图的幅值由下式决定：
对于W = L = 0.5λ的微带天线，其方向图在下图中绘制：贴片天线的方向性约为5-7 dB。如图a所示，当观察微带天线时，磁场呈线极化，并且沿水平方向极化。接下来，我们将考虑涉及微带天线的更多方面。

微带天线的边缘场

考虑像图1那样在末端馈电的方形贴片天线。假设介质是空气（或泡沫塑料，介电常数等于1），且L = W = 1.5米，以使贴片在100 MHz处共振。高度h取为3cm。请注意，微带通常用于更高的频率，因此在实践中它们要小得多。当与200欧姆负载匹配时，S11的大小如图所示。从图中可以看到一些值得注意的观察结果。首先，微带天线的带宽非常小。众所周知，矩形微带天线是窄带的。矩形微带天线的相对带宽通常为3％。其次，微带天线被设计为以100 MHz的频率工作，但是它会在大约96 MHz的频率下谐振。这种偏移是由于天线周围的边缘场造成的，从而使贴片显得更长(末端效应)。因此，在设计微带天线时，通常将其削减2-4％，以实现所需频率的谐振。

天线周围的边缘场可以帮助解释微带天线辐射的原因。考虑下图所示的贴片天线的侧视图。请注意，由于贴片末端的电流为零（开路端），因此在贴片的中心（理论上）电流最大而在始端电流为零。馈电端的电流值很低，部分解释了为什么末端馈电时输入阻抗很高（我们下一章会再解决这个问题）。

由于贴片天线可以看作是一条开路的传输线，因此电压反射系数为1。发生这种情况时，电压和电流反相。因此，在贴片的末端，电压为最大值（例如+ V伏）。在贴片天线的起点（半波长处），电压一定最小（-V伏）。因此，微带线下方的场将类似于上图，上图大致显示了边缘场的分布。

边缘场是辐射的原因。 请注意，贴片天线表面附近的边缘场都在+ y方向。因此，微带天线边缘上的边缘电场同相相加并产生微带天线的辐射。本段对于理解微带天线至关重要。电流也会在微带天线上相加，但是水平面上的电流大小相等但方向相反，因此互相抵消了。这也解释了为什么微带天线会辐射而微带传输线不会辐射。微带天线的辐射来自边缘场，这是由于有利的电压分布所致。因此，辐射是由于电压而不是电流产生的。因此，与线天线相反，微带天线是“电压辐射器”，而线天线的辐射是因为电流同相相加，因此是“电流辐射器”。

顺便一提，介电常数越小，边缘场就变得越“弯曲”；反之，它们会从微带线处延伸得更远。因此，使用介电常数较小的介质会产生较好的辐射。 相反，当制作微带传输线（不辐射功率）时，需要较高的ε值，以便更紧密地在空间上限制电场，从而减少辐射。这是贴片天线设计的矛盾（trade-off）之一。已有论文研究过，可以在微带天线和传输线部分使用不同的电介质（不同的介电常数）来解决这个问题。

接下来，我们来看一下几种不同的馈电方法。（见下篇）