微帶天線

微帶天線有著體積小、重量輕、製造工藝簡單、容易實現共形等優點，而被廣泛地應用。微帶天線可等效為一個諧振腔，在其諧振頻率附近即工作頻段內有較高的值。雖然目前對於微帶天線的研究和應用已經很成熟，然而對於微帶天線電磁散射特性的分析研究還有許多值得研究的問題。到目前為止，還沒有找到一種十分理想的方式，不僅可以降低天線散射然而對其輻射特性沒有影響。

微帶天線是近30年來逐漸發展起來的一類新型天線。早在1953年就提出了微帶天線的概念，但並未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發 展和使用是在70年代。常用的一類微帶天線是在一個薄介質基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，這就構成了微帶天線。當貼片是一面積單元時，稱它為微帶天線；若貼片是一細長帶條則稱其為微帶振子天線。圖1所示為一基本矩形微帶天線元。長為L，寬為W2的矩形微帶天線元可看作一般低阻傳輸線連接兩個輻射縫組成。L為半個微帶波長即為λg/2時，在低阻傳輸線兩端形成兩個縫隙a-a和b-b，構成一二元縫陣，向外輻射。

另一類微帶天線是微帶縫隙天線。它是把上述接地板刻出窗口即縫隙，而在介質基片的另一面印刷出微帶線對縫隙饋電。

按結構特徵把微帶天線分為兩大類，即微帶貼片天線和微帶縫隙天線；按形狀分類，可分為矩形、圓形、環形微帶天線等。按工作原理分類，無論那一種天線都可分成諧振型(駐波型)和非揩振型(行波型)微帶天線。前一類天線有特定的諧振尺寸，一般只能工作在諧振頻率附近；而後一類天線無諧振尺寸的限制，它的末端要加匹配負載以保證傳輸行波。

微帶天線一般應用在1～50GHz頻率範圍，特殊的天線也可用於幾十兆赫。和常用微波天線相比，有如下優點：

（1）體積小，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形

（2）電性能多樣化。不同設計的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射範圍內調整；易於得到各種極化

（3）易集成。能和有源器件、電路集成為統一的組件。

貼片形狀是多種多樣的，實際應用中由於某些特殊的性能要求和安裝條件的限制，必須用到其他形狀的微帶貼片天線。例如，國外某型炮彈引信天線要求半球覆蓋的方向圖，即E面和H面方向圖在端射方向()的電平也要求在半功率電平以上，而規則的矩形或圓形貼片無法滿足。因此，為使微帶天線適用於各種特殊用途，對各種幾何形狀的微帶貼片天線進行分析就具有相當的重要性。

雷達散射截面（RCS）是衡量目標散射特性的重要參數。對於微帶天線RCS縮減的研究，各國學者已經提出了許多方法，可以歸納為以下幾種：

目前在微帶天線RCS縮減方法的研究中，典型的載入技術有變容二極體載入技術和阻抗載入技術。採用變容二極體對微帶天線進行電抗性載入，可以使天線獲得比較寬的頻率帶寬和阻抗帶寬，通過改變變容二極體上的偏置電壓，在一定的頻率上，使天線具有最小的散射響應。變容二極體一般載入在場強最大的位置處。當天線不工作時，減小或斷開偏置電壓可以使天線的效率明顯降低，從而降低天線的散射效率，達到減小的效果。據報道，釆用這種方法能夠有效降低天線RCS達10dBsm以上。阻抗載入技術在微帶天線RCS縮減中有以下幾種方式：一種是在天線的饋源處載入電阻，一種是在貼片的邊緣載入集總參數阻抗，還有一種是在天線的邊緣載入垂直於邊緣的分散式阻抗。這些方法能夠使天線在諧振頻率的RCS獲得較大的縮減，但是對於帶外的RCS縮減收效甚微。在微帶天線四周載入一圈窄裙式的阻抗，能夠使天線在增益損失不多的情況下，在較寬的頻帶內實現RCS的大幅縮減。

微帶天線散射的降低通常伴隨著天線增益的下降，或者是帶寬的減小，因此可以將損耗介質基片和有損耗介質覆蓋層應用於微帶天線RCS縮減中，以適當降低天線的轄射性能為代價，達到降低的目的。損耗介質的使用會導致諧振頻率的降低以及輸入阻抗的減小，但是在一定的可承受範圍內，將一定材料尺寸的有損耗介質覆蓋在微帶天線上，可以實現其對微帶天線的縮減的目的。一般情況下將鐵氧體材料作為覆蓋層載入在微帶天線上，這種材料對微帶天線的輻射特性和散射特性都會產生影響。對於具有互易性的微帶天線，其RCS的降低必然會引起天線輻射性能的下降。但是對於非互易性鐵氧體覆蓋層來說，鐵氧體層能夠顯著地減小微帶天線表面的感應電流，從而起到降低微帶天線RCS的效果。另一方面，當微帶天線工作於輻射狀態時，鐵氧體層能夠將場強放大，確保天線有足夠高的增益。這種方法的缺點在於，需要在安裝一個產生偏置磁場的裝置微帶天線的地板下方，這大大地增加了天線的體積與重量。它的優點在於，能夠通過改變偏置磁場的方式，實現對任意頻率處的控制。

近幾年來許多研究者將周期性結構技術應用在微帶天線RCS的縮減中，例如使用周期性的頻率選擇表面作為天線罩或使用超材料結構。這種天線罩只允許天線工作頻段內的電磁波的傳播，對於非工作頻段內的電磁波起到很好的濾波作用，能夠有效抑制工作頻段外的散射。還有使用超材料結構來縮減天線RCS，例如周期性的電磁帶隙結構，應用它的高阻抗特性來降低微帶天及微帶陣列天線的RCS，也可以達到較好的效果。

對於陣列天線而言，陣列的散射是陣列中各個單元共同作用的結果，陣列研究的複雜性在於饋電網路。陣列的散射不是各個單元散射簡單地疊加，饋電網路中每—個相互連接的部分都會有能量反射回到饋源，這些反射回來的能量，一部分會通過天線單元反射出去，一部分則會在此反射回到饋電網路，這些反射回來的能量又會經歷反射和反射的過程，這個過程相當複雜。目前，關於微帶陣列天線RCS縮減技術的研究主要是研究不考慮饋電網路的陣列結構。也有一些文獻研究了考慮饋電結構的微帶天線和陣列天線的RCS計算方法。

微帶天線進行工程設計時，要對天線的性能參數(例如方向圖、方向性係數、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等)預先估算，這將大大提高天線研製的質量和效率，降低研製的成本。這種理論工作的開展，帶來了多種分析微帶天線的方法，例如傳輸線、腔模理論、格林函數法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計算微帶天線的方向圖，其結果是一致的，特別是主波束。本部分將對一般的矩形微帶天線進行分析討論，為特殊形狀要求的微帶天線做好理論分析基礎。利用傳輸線模式 分析微帶天線是比較早期的方法，也較簡單，其精確度可以滿足一般工程設計要求。

微帶天線在民用上面常見於微波雷達感測器，如：24GHz雷達感測器，相對於傳統的喇叭天線，感測器具有體積小，方向性好，使用方便等特點