微带贴片天线（microstrip patch antenna）

基本结构：微带贴片天线是由介质基片、辐射贴片和接地板构成。

设计参数主要包括贴片的材料，尺寸，工作频率。

（1）贴片尺寸：微带贴片天线的尺寸影响其性能，如增益、频率等。

（2）材料：介电常数表示了电介质电容器电容与真空电容器电容的比率，它在宏观上表示出这种绝缘材料储存电能能力的大小，介电常数 ε 的同义词则为“电容率（Permittivity）”，由字面上也可以体会到介电常数与电容之间的关系含义，当基板材料的介电常数 ε 较大时，即表示信号线中传输能量已有不少被“蓄容”在基材材料中。

基板材料的介电常数 ε 的大小，直接影响着高频电路中的信号传输速度， ε 值越大，信号传输速度v越小

（3）工作频率：工作频率是微带贴片天线的基本参数之一，根据预先设定的工作频率来计算贴片尺寸。

性能参数：

（1）反射系数（S11），驻波比（VSWR）：天线反射系数又称为输入反射系数， 它反映了天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配程度。要求在使用频段范围S11≤-10dB，VSWR≤2 

（2）辐射方向图：简称方向图，给出了 天线固定距离处（通常是远场）辐射随角度的变化。

（3）增益：在同一距离及相同输入功率条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度与无方向性天线 （点源）的辐射功率密度之比。

其他参数定义：

低剖面天线:微带天线的高度远小于辐射贴片的尺寸，属于低剖面天线，相当于在高度方向上是小型化的。

电尺寸/电长度：L/⋋

E面:电场强度矢量所在的并包含最大辐射方向的平面。

H面:磁场强度矢量所在的并包含最大辐射方向的平面。

半功率波束宽度：也称为3dB波束宽度或半功率角，是描述天线方向图主瓣在给定主截面上特性的重要参数。在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，当相对最大辐射方向的功率密度下降到一半（即功率下降3dB）时，两点之间的夹角定义为半功率波束宽度。这个角度区域表示在最大辐射方向上，天线的相对辐射功率大于二分之一的角度范围。

前后比--F/B:主瓣与后瓣最大值之比。前后比越大,天线的后向辐射(或接收)越小。F/B=10lg{(前向功率密度)/(后向功率密度)}典型值为(18～30)dB,特殊情况下达(35～40)dB。

方向系数:表征天线在最大辐射方向上比全向性天线（理想点源）把辐射功率增大的倍数;只是衡量天线定向辐射特性的参数,决定于方向图。

天线效率：天线辐射功率与输入功率之比。

增益系数:表示天线的定向收益程度。把天线的方向系数和效率结合起来全面表示天线性能。

极化：电磁波的极化指沿传播方向观察时,在空间某一固定位置上电场矢量随时间运动的轨迹。（判断方式：左右手定则），如右旋圆极化。

主极化和交叉极化的定义(垂直于主极化的是交叉极化，主极化是想要的极化方向)。

输入阻抗

轴比：，圆极化要求AR≤3。

相对带宽：工作的最大与最小频率的差值是绝对带宽，绝对带宽除以中心频率就是相对带宽。

偶极天线也叫做振子天线、对称振子。有对称双臂的线天线。

天线阵列、阵元：为了加强天线的定向辐射能力，将若干个单元天线（相似元）按一定方式排列进行天线组阵，利用方向图乘积定理实现阵列天线方向性的控制。（阵因子再乘以单元天线的方向图）

宽波束，指电磁波在空间传输时波前展宽的形式。为了实现宽波束通信，需要使用宽波束天线。宽波束天线的特点是较宽的波束角度和相对较低的增益。因此，它可以在较广的方向上传输信号。

窄波束是指电磁波在空间传输时波前集中的形式

辐射机理：

微带天线贴片厚度t取决于电路板，一般300um，利用微带线、同轴线等馈线馈电,在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射，因此微带天线可看作是一种缝隙天线。辐射主要是沿着两条w边的缝隙产生,该二边称为辐射边。

微带贴片也可看作为宽为W、长为L的一段微带传输线,其终端(y=L边)处因为呈现开路,将形成电压波腹和电流的波节。

不同类别：

缝隙天线，理想缝隙天线：缝隙的宽度w<<入，长度2L=入/2缝隙等效为一个片状的、沿z轴放置的、与缝隙等长的磁对称振子；

微带振子天线：可看成是矩形贴片天线一条边的宽度趋于零形成的。应用在亚毫米波段至远红外波段。

微带缝隙天线：在微带线或带状线的接地板上开缝构成的天线,缝隙由微带线或带状线激励。窄缝微带天线的缝宽比缝长小得多;窄缝微带天线可看成是线状振子天线的对偶形式。

微带行波天线：是一个一边传输一边不断向空间辐射电磁波的结构。微带行波天线一般为具有周期不连续性或传输特殊模式的端接匹配负载的微带传输线。

单极子与偶极子天线：

1.偶极子天线:

由两根相同的直导体导体，长度均为1/4波长，共1/2波长，两导体直径和间距远小于波长;

2.单极子天线:

偶极子天线引入接地面，单根1/4波长的导体和接地面组成，功率为偶极子天线的一半;如下图

电基本振子又称为电流元,指的是一段理想的细直导线，导线上面加载了高频电流。可以看成线天线组成单元

横电磁波(TEM):当电磁波的传播方向与E场和H场都垂直时;T是transverse的缩写，本意为“横向”。在模式中特指“与传输方向垂直的方向”。

TEM波

磁基本振子的实际模型是小电流环,其周长远小于波长,环上电流的幅度和相位处处相等。

微带贴片天线性能改进方法：

圆极化方法：单点馈电法、多点馈电法和多元法。

单点馈电法只有一个馈电点，它主要采用微扰动技术。通过对天线引入微扰单元，改变天线的电场平衡，并使天线表面电流相位发生改变，使其相差90°，从而满足圆极化条件。具体的实现操作是对天线的辐射贴片添加枝节、进行切角、开槽、引入寄生贴片等。

多点馈电法是使用2个及以上的馈电点，一般利用复杂的馈电网络（如相移网络和功率分配器）来使两个模式的振幅相等、相位差90°，从而达到圆极化条件。此方法可提高阻抗带宽及圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比。缺点是馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大。

多元法则是多个线极化辐射单元按一定位置排列来实现圆极化辐射，它具备多馈法的优点，而馈电网络较为简化，增益高。缺点是结构复杂，成本较高，尺寸大。

拓宽3dB轴比波束带宽方法,从研究设计的基本思想出发,主要通过调整远场的两个正交场分量合成的波束形状或者波束宽度,实现在一定宽角范围内保持几乎相等的辐射强度。以此来提高3dB轴比波束宽度,提高无线系统的通信范围和质量。

(1)应用三维地板的立体结构,比如多层堆叠、倒金字塔结构、金属壳结构以及背腔地面结构等。采用三维地板立体结构拓宽3dB轴比波束宽度,其原理利用电磁波在有限地板的衍射效应来改变轴比波束宽度。

(2)通过激励出在高介电常数介质基板和垂直电介质附近贴片的表面波的方法,来拓宽3dB轴比波束宽度。然而,表面波不仅增大后向辐射电平,而且加大天线和其他馈电网络电路的干扰。

(3)利用正交排列两对平行的的偶极子形成一个方形的区域,通过折叠振子来减少辐射面积,提高3dB轴比波束宽度。其原理主要利用圆极化基本原理,幅值相等相位相差90°合成圆极化波。

(4)采用在靠近主辐射贴片附近附加垂直电流分量,比如加载短路针,提高天线低仰角辐射增益。

加载短路针,可有效的拓宽3dB轴比波束带宽,但是以牺牲天线频带带宽为代价,使天线的频带带宽变窄。因为短路针与天线同轴线的金属内芯形成电磁强耦合,类似给天线等效的RLC谐振电路加载一个电荷量大的电容,改变天线阻抗的容值,从而改变天线的输入阻抗,降低天线馈电网络输入端口与天线辐射贴片之间的匹配度。短路片

四点馈电的方法在原两点馈电的基础上，増加了两个与原两馈电点相位相差180°的反向激励，消除了馈电探针有可能带来的不必要的福射，从而使得天线会获得较好的轴比。

宽频带方法:1宽缝隙结构2微带单极子结构3引入寄生贴片4引入有源或无源器件

有许多众所周知的方法来增加天线的带宽，包括增加基板厚度，使用低介电基板，使用各种阻抗匹配和馈电技术，使用多个谐振器，以及使用缝隙天线几何形状。然而，天线的带宽和尺寸通常是相互冲突的特性。

1.间隙耦合方式：这种方式的特点是,直接馈电的贴片只有一块,而其他一块或多块辐射单元是通过耦合方式来馈电的。

2.缝隙耦合可大大拓展微带天线的带宽,但是由于缝隙本身会产生谐振,会导致后向辐射较大,因此,可在馈线的底部多增加一层反射面,或一个谐振腔,用于减小后向辐射。

3.特殊的贴片形状改变微带贴片的形状,有可能激发多频率谐振,当这些谐振频率非常接近,即可拓宽频带。

4.U形缝隙天线近年来,对于U形缝隙天线的研究特别多,在贴片上镂刻一个U形的缝隙,可以大大改善天线的性能。

5.宽缝贴片天线与特殊形状的微带馈线与缝隙耦合天线不同,宽缝天线的缝隙比较大,天线的谐振频率由缝隙的大小、形状来决定,因此这种天线又叫做补偿天线。

6.使用短路针众所周知,对于一个简单的矩形贴片来说,可以看作是一个谐振腔。如果选择馈电位置恰当,一个馈点就可以激励两个相互正交的谐振模。（降低了天线的阻抗带宽）

7.其他方法除了上述几种方法之外,扩展微带天线带宽的方法还有很多,例如使用渐变式微带缝隙结构,多层结构或阵列天线等都可以达到拓展带宽的目的。

小型化方法：采用高介电常数介质基板、曲流技术、短路针加载技术、人工电磁超材料、分形理论、半尺寸结构方法来实现小型化。

曲流技术是指在微带天线辐射贴片上开槽的一种方法。通过在辐射贴片开矩形槽或者U型槽等，可以使电流流动路径更长，相当于增加了式中的L，从而降低天线的谐振频率，实现小型化。

辐射贴片开槽研究发现，对辐射贴片进行开槽，贴片表面电流的路径将发生弯曲，导致有效路径变长。因此，在贴片几何尺寸保持不变的情况下，采用开槽贴片可以增大天线有效长度，降低天线的谐振频率，从而实现天线小型化。不过，辐射贴片表面开槽也有相应的缺点。天线表面开槽后会有垂直于主激发面电流的额外电流分布。导致天线的辐射效率变差。而且由于表面开槽使天线的辐射面积减小，从而导致天线的增益下降。

加载短路探针改变短路探针的数量和短路探针之间相互的位置关系可以调整短路微带天线的谐振频率。也就是说，在微带天线的辐射贴片和接地板之间可以加载几个短路探针，通过调整短路探针之间的位置关系，可以得到谐振频率的最小值，以此实现微带天线的小型化。另外，除了短路探针的数量以外，短路探针直径的大小，短路探针的长度和短路探针的相对磁导率及相对介电常数也会刘天线的性能产生重要的影响。

新颖的馈电结构：比如孔径耦合馈电、L形探针馈电、十字形探针馈电等

（1）临近耦合馈电。天线馈电结构分为上、下两层介质基板。天线的辐射贴片位于上层介质基板上，馈线位于下层介质基板上，两层介质基板之间为空气层。辐射贴片与馈线之间通过电磁耦合来产生所需的激励，因此，这种方法又成为电磁耦合方法。

（2）口径耦合馈电同样也是一种非接触式的馈电方式，在辐射贴片与馈线间插入开有窄缝的接地板，通过接地板上的窄缝，可以将馈线上的能量耦合到辐射贴片，产生激励，从而进行馈电。

（3）缝隙耦合馈电一般为双层结构，天线的辐射贴片位于上层介质板上表面，缝隙单元位于下层介质板上表面，馈电网络位于下层介质板下表面。天线能量通过微带线馈入下层介质板后再经缝隙耦合的方式对辐射贴片进行激励，不同的缝隙形状对耦合强度的影响不同，增加缝隙尺寸可以提高能量耦合，但后向辐射也会随之加强。

（4）L形探针馈电与同轴馈电不同的是，其馈电探针弯曲成L形，并且探针不与贴片直接接触，而是通过电磁耦合进行馈电。L形探针与上层辐射贴片之间形成电容效应，抵消探针过长引入的等效电感，从而增大带宽。L型馈电模型(探针+微带线)

共形天线并不是指一种新的天线形式,而是指与载体表面相共形的众多天线单元组成的天线阵列