貼片天線

貼片天線是一個餅狀的定向天線，由兩個金屬板（其中一個金屬板比另一個大）疊加組成的，中間有個片狀介電質，比較適用於覆蓋單層小型辦公室、小型商店及其他接入點不能放在中央的室內地點。貼片天線產生半球覆蓋面，從安裝點傳播，傳播範圍在30度至180度之間。

基本介紹

• 中文名：貼片天線
• 外文名：patch antenna
• 別名：平板、面板或微帶天線
• 特點：平、薄且重量輕
• 傳播範圍：30度至180度之間，半球覆蓋面
• 微帶貼片天線：相對效率高、分析方法成熟

貼片天線介紹

外觀特點

貼片天線是一個餅狀的定向天線，也稱為面板（panel）、平板（flat panel）或微帶天線（microstrip antennas）。它們是由兩個金屬板（其中一個金屬板比另一個大）疊加組成的，中間有個片狀介電質。這種天線通常裝在白色或黑色塑膠中，這樣不僅可以保護天線，還可以方便安裝。因為它們平、薄且重量輕，貼片天線常常掛在牆壁或天花板上。

適用場景

貼片天線適用於覆蓋單層小型辦公室、小型商店及其他接入點不能放在中央的室內地點。貼片天線產生半球覆蓋面，從安裝點傳播，傳播範圍在30度至180度之間。

雙頻貼片天線

由於雙頻貼片天線的饋電網路相對來說比較複雜，尤其在陣列中更為突出，因而長期以來很少有人注意這類天線。隨著現代通信的飛速發展，雙頻段貼片天線已引起人們越來越濃厚的興趣。除在重量、空間以及費用上的優勢外，雙頻段貼片天線能夠保證收/發信道的分離和匹配。它在結構上有多種形式，原理上可歸納為: 正交模雙頻- 雙極化貼片天線(單層結構)、多貼片雙頻天線及電抗載入雙頻貼片天線和小陣列雙頻天線。饋電方法有單饋和雙饋兩類，饋電結構也很靈活，有同軸探針饋電、微帶線饋電、耦合饋電等。

雙頻貼片天線是否需要解決雙頻工作下尤其是雙線性極化下的饋電網路主要取決於輻射部分的結構，它不僅要保證有足夠的物理空間來印製微帶線，而且要保證兩個頻率間的隔離和雙極化間的隔離一樣好。

正交模雙頻貼片天線

雙頻天線在兩個頻率上的輻射及阻抗匹配特性都應該相似。獲得雙頻工作的最簡單的方法是利用矩形貼片長、寬兩個尺寸的第一諧振點,在這種情況下,雙頻的頻率比( FR)幾乎等於貼片的長寬比。這種方法在低成本、對極化要求不高的場合是可用的,需注意的是,單路饋點時兩個頻率的輸入阻抗同時匹配。單饋雙匹配也可以通過槽耦合來獲得,槽相對於微帶饋線是傾斜的,它投影到貼片的兩個正交方向上,從而可以被認為是兩個等效槽以各自的極化方式激勵貼片。

正交模也可以用獨立的微帶分雙路饋電。圓腔內的兩個模可以用兩個正交模來激勵,兩個輸入端之間可以達到35dB的隔離,但在設計頻率上缺乏靈活性。

感抗載入貼片天線

感抗載入貼片天線最簡單的方法是把一個短截線連到輻射邊上(圖a) ,從而拉大第二諧振點的位置,這種結構比較容易調節和設計FR,但只適用於低頻段。圖( b)是一種比較實用的結構,它可以縮小天線尺寸,但FR不能超過1. 2,否則方向圖將會惡化,而且交叉極化變大。

感抗載入雙頻貼片天線

圖2是線極化雙頻感抗載入貼片天線。

低端工作頻率幾乎和沒有開槽的矩形貼片天線一樣,高端工作頻率可以由槽的長度控制。需要注意的是,槽的長度不能太短,而且也不能離輻射邊太遠,否則當工作在高端時,天線方向圖可能會產生畸變。槽的長度約束著雙頻貼片的頻率比。其第一諧振頻率可由計算矩形貼片天線諧振頻率的半經驗公式求出; 第二諧振頻率可由傳輸線模型求出。這種結構可獲得1. 6- 2. 0的頻率比。

探針饋電的槽載入貼片天

如何使雙頻工作下的單層結構有較大的頻寬,近年來也有一些報導。S. Maci等人針對上面結構,給出了一種改進的方法〔2〕: 用帶狀線饋電,在地板的下方介質板上印製兩個微帶諧振短截線,並用銷釘和輻射貼片連起來,輻射貼片上連線的位置在槽和輻射邊緣之間。高低端頻率比可以通過控制槽的尺寸和微帶短截線,從而獲得更好的FR。對開槽的十字貼片天線(圖3)。由於同時縮小了槽的長度和貼片的長度,因而減小了引起方向圖畸變的電流,擴大了頻率比的範圍。槽和貼片輻射邊之間的距離是很重要的,該距離應小到能避免TM₁₀₀模擾動。該天線在低頻處兩個正交端的隔離要改善5- 6dB。用單個探針饋電可以同時獲得良好的阻抗匹配。

多貼片結構的雙頻天線

僅僅獲得雙頻特性或使雙頻工作有大的頻率比還不夠,在實際套用中,應使這兩個頻率段都要有足夠的頻頻寬度。圖是由三個矩形貼片組成的微帶天線結構。左右貼片通過兩截微帶線被耦合到中間貼片,中間貼片用探針饋電。這三個貼片的長度和寬度決定了兩個諧振頻率。對於這種長度大於寬度的矩形貼片天線,其低頻端極化方向是Y方向;而在高頻端極化方向是X方向,這種雙頻天線為正交極化。

　三矩形貼片組成的雙頻微帶天線

疊層電磁耦合貼片( EMCP)一直被用於寬頻帶或雙頻段工作。如果兩個疊層貼片的諧振頻率相差得遠,就可以獲得雙頻工作。當用探針給下貼片饋電,且保持下貼片位置不動,讓上貼片在一定的範圍內沿著饋電點所在的軸線平移,則諧振頻率的低端就向更低端走,而高端則向更高端走,從而實現寬頻帶或雙頻工作。一種帶有交叉槽的斜槽耦合微帶天線可以把給定的雙頻段天線的尺寸減小40% ,而且交叉槽的長度對頻率比影響不大。其結構是: 最底層是一個用於饋電的微帶線,上面是接地板,接地板上開一個斜槽,接地板上面是矩形貼片,貼片上開交叉槽,貼片的長寬比確定了兩個工作頻率的比。

微帶貼片天線

微帶天線分為三大類: 微帶貼片天線,微帶縫天線,微帶行波天線。此處,微帶貼片天線是指諧振式微帶貼片天線。這種天線最大的特點是效率高,但阻抗頻帶較窄。

微帶貼片天線以其相對效率高、分析方法成熟而得到廣泛的套用,但由於這種天線的頻寬較窄,使其套用領域受到限制。微帶貼片天線除套用于軍事方面外,還可以套用於移動通信系統、衛星通信系統、全球定位系統和遠程遙感系統。若套用於移動通信系統,可以作為手機天線與手機機身共型,從而解決了鞭狀天線的功率低、不易於攜帶和電磁輻射對人腦的影響等問題。

微帶貼片天線的窄頻特性,是由其高Q的諧振本性所決定。這意味著當在諧振時實現了匹配而當頻率偏離諧振時電抗分量急劇變動使之失配。故展寬頻帶的方法可以由降低Q值的各個方面去探求,也可以考慮用附加的匹配措施來實現。常用的方法有採用厚基板,採用X_r較小或tanW較大(有耗)的基板,附加阻抗匹配網路,採用多層結構,在貼片或接地板“開窗” ,非線性基板材料,非線性調整元件,楔形或階梯形基板等。