微带天线的设计实例和实现步骤

微带天线的基本原理

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线（光刻、腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片）。它采用微带线或同轴线等馈电，在导体贴片上与接地板之间激起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线可以看成是一种缝隙天线。由于介质基片的厚度往往远小于波长，故它实现了一维小型化，属于电小天线。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的偶极子，由这两种单元形成的微带天线分别称之为微带贴片天线和微带振子天线。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形式（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射，称之为微带型天线。而利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或者其他馈线对其馈电，称之为微带线缝隙天线。此外，还可以构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线等。

由于微带天线的种类繁多，故以最具代表性的矩形微带线分析其特征参数。导体贴片为矩形的微带天线，由传输线或同轴探针馈电，在贴片与接地板之间激起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。

微带天线的应用与发展前景

同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点，在大约从100MHz~50GHz的带宽上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是：重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做的很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无须做大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭或卫星上；天线的散射截面较小；稍稍改变馈电位置就可以获得线和圆极化（左旋和右旋）；比较容易制成双频率工作的天线；不需要背腔；微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

与微波天线相比，微带天线也有一些缺点：频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空辐射；最大增益实际上受限制（约为20dB）；馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。但是有一些办法可以克服微带天线的某些缺点。例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。在许多实际设计中，微带天线的优点远远大于它的缺点。

在一些显要的系统中已经应用微带天线有：移动通信；卫星通信；多普勒及其他雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；编写装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。这些应用绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增加。

ADS微带天线设计实例

矩形微带天线设计指标如下：

采用陶瓷基片（εr=9.8）

厚度h=1.27mm

工作频率：f=2.4GHz

实现步骤

微带天线的计算

1、微带天线宽度的计算

微带天线宽度W的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也影响着频带宽度和辐射频率。另外，W的大小直接支配着微带线的总尺寸。在条件允许的情况下W值取适当大一些，这样对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当W的尺寸大于下式时，将产生高次模，从而引起场的畸变。

式中，c为光速；εr为介质薄板的介电常数；fr为谐振频率，且：

2、微带线长度的计算

矩形微带天线的单元长度L在理论上应该选取其波长的一半，但考虑到边缘场的影响，应该从L=λg/2-2ΔL。

式中，λg为介质内波长；εr是有效介电常数；ΔL是实际受边缘场的影响而算出的一个修正公式。

3、馈线宽度W

ADS中自带了一个计算微带线宽度和长度的工具

ADS微带天线的设计仿真

1、新建“antenna_ads”工程，和一个layout窗口。

2、新建一个“Substrate”

3、设置[Mesh]

4、设置频率后仿真

通过该微带天线S(1,1)参数可以看出天线谐振在设计频率2.4GHz，但是功率反射很大（S(1,1)=-2dB），阻抗不匹配。只有天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗时，馈线终端才没有功率反射，馈线上没有驻波，天线才能获得最大功率。从下图可以看出，在2.4GHz时天线输入阻抗实部为0.226Z0，虚部为-0.791Z0，与50Ω馈电系统不匹配，这实质也是利用史密斯圆图进行阻抗匹配的理论。微带线匹配法就是计算串联微带线传输线和并联的微带传输线的长度。

ADS匹配过程

（1）等效电容电阻的计算

天线输入阻抗为11.3-j39.55，这样天线可以等效为一个电容和电阻的串联，设电阻为R1，电容为C。

，R1=11.3Ω，C1=1.67pF

（2）新建一个“ADS_sim_1”的工程，将原理图保存为“match_antenna”的原理图。在这个原理图中添加一个MLIN元件和一个MLEF元件，其中，MLIN元件代表串联传输线，MLEF元件代表并联传输线，设定这两个元件的宽度为1.23mm，长度初值为10mm，并设定优化范围为1~20mm。再添加一个三端口连接器MTEE_ADS，3个端口的宽度都设定为1.23mm。将电容、电阻、MLEF元件，MLIN元件以及MTEE_ADS连接起来，完成原理图。

在原理图中，依次插入元件，并分别设置参数

（3）最终天线的输出阻抗的匹配目标是50Ω，[Term]插入一个终端，整体电路图如下：

(4)、仿真结果如下：

(5)、保存结果：

在匹配电路设计完成后，需要把匹配电路和矩形贴片结合到一起，做整体的微带天线仿真。经过我不断地调整，仿真的结果在2.405GHz时匹配如下：

好不容易调出来的，好像位置有一丁点变化都会影响结果。一小格一小格的调，感觉自己太棒了。先通过原理图的优化选择大体的值，再通过微调，使在2.4G时有个比较好的阻抗匹配。

从仿真结果可以看出在2.4GHz上，S11=-21.035dB，反射很小。

（6）、查看微带天线的参数(这个我还没有找到在ADS2020上怎么看，下次找到了再记录)

本小节的流程是，首先介绍了微带天线的基本原理，接着利用ADS软件建立一个2.4GHz天线模型，然后对天线辐射进行仿真，并通过不断调整天线模型的物理尺寸参数，对其进行优化匹配，使设计出的2.4GHz微带天线的各项性能参数都达到设计要求。

下面简要总结一下设计流程：

（1）明确微带天线的参数，如工作频率等。

（2）根据微带天线经验公式计算微带天线的基本参数。

（3）利用ADS对微带天线进行初步仿真设计，对天线尺寸微调，使天线谐振点符合指标要求。

（4）根据具体情况进行匹配电路的设计

（5）匹配电路和微带天线进行整体仿真。

在微带天线的仿真设计过程中，一定要遵守上述步骤，当匹配电路和微带天线整体仿真时，如果效果不佳，这时应尽在匹配电路上继续仿真优化，不要大幅度改动微带天线尺寸，否则可能造成匹配很好，天线辐射性能较差，整个设计需要重新开始的结果。