天線學(xué)習(xí)是比較深奧的，需要非常扎實(shí)的射頻技術(shù)基礎(chǔ)作為支撐，天線調(diào)試是天線學(xué)習(xí)中非常重要的一部分。微帶貼片天線是由介質(zhì)基板、地板、貼片導(dǎo)體層等組成，通常采用微帶線(側(cè)饋)或者同軸線(背饋)饋電。該類型天線因具有易于與平面電路集成以及制造成本低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。今天將給大家簡述如何調(diào)試一個矩形微帶貼片天線。
0 1兩種理論分析方法
對于微帶貼片天線，大部分教材都詳細(xì)講解了傳輸線分析法和腔模理論分析法，前者將輻射源等效為相距L的兩個輻射槽，這種分析方法主要適用于矩形貼片；后者假設(shè)貼片和地板之間的縱向場恒定(當(dāng)基板厚度遠(yuǎn)小于工作波長時)，將場求解問題簡化為二維邊值問題(貼片和地板為電臂，腔體四周為磁臂)，因此可用于各種規(guī)則貼片的求解。
傳輸線分析法（左）腔模理論分析法（右）
對于下面三種類型的微帶貼片的求解，傳輸線分析法顯然是無能為力的。如果不借助于電磁仿真軟件，那么腔模理論分析法就可以派上用場了。
根據(jù)模型選擇好合適的坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系，柱坐標(biāo)系等)，將電場和磁場分量用磁矢量位進(jìn)行表示，找出邊界條件。求解齊次波動方程的關(guān)鍵就是利用數(shù)學(xué)物理方程中的分離變量法求出通解，然后結(jié)合邊界條件定波數(shù)，最后的場分布可由無數(shù)組正交基函數(shù)(常用的正交基函數(shù)有正余弦函數(shù)，貝塞爾函數(shù)或勒讓德函數(shù))疊加組成。
0 2尺寸設(shè)計依據(jù)
對于生活中常用的矩形微帶貼片天線，網(wǎng)上也有相應(yīng)的貼片天線計算器供使用，無外乎套用下面的計算公式（參考推文貼片天線的HFSS和CST仿真對比），輸入天線的工作頻率，基板的介電常數(shù)和厚度即可自動計算出矩形貼片天線的長、寬尺寸。
對于背饋的矩形微帶天線，我們?yōu)榱吮苊饧ぐl(fā)其他模式影響交叉極化，一般饋電點(diǎn)的位置選取在沿著x軸方向的寬邊中心。此時需要調(diào)試Probe_dy這個參量(即饋電探針與貼片中心的縱向距離)以及饋電探針的粗細(xì)(高頻時對阻抗匹配比較敏感)。
對于主模TM010而言，由于其電場在中心處最小、兩邊最大，因此天線的輸入阻抗從中心點(diǎn)到兩側(cè)會逐漸變大。輸入阻抗等于50Ω的饋點(diǎn)位置(Probe_dy)則可由下面公式簡單計算得到：
理論公式并非萬能，阻抗匹配最優(yōu)位置可以在調(diào)參時用最經(jīng)典的二分法去不斷逼近，不過S11≤-10dB(即VSWR≤2)基本能滿足實(shí)際工程需求。
對于側(cè)饋的矩形微帶天線，主要是調(diào)節(jié)1/4波長匹配枝節(jié)的寬度和長度。
對于四分之一波長匹配枝節(jié)，其寬度取決于待匹配矩形貼片的輸入阻抗，其對應(yīng)的特性阻抗值滿足：
假設(shè)工作頻率為5.8GHz，該頻點(diǎn)處微帶天線的輸入阻抗為150歐姆，則該匹配枝節(jié)的阻抗值為86.6Ω。枝節(jié)的長度可以用txline這個工具計算得出(輸入基板介電常數(shù)和厚度，微帶線的阻抗值，工作頻率，并設(shè)置相位為90°，即代表1/4波長)：
利用傳輸線分析法得出前面的等效電路導(dǎo)納值如下所示：
若天線諧振時不考慮兩條等效輻射槽之間的互耦因素等，可以將側(cè)饋天線的輸入阻抗簡化為(為自由空間波長)：
從上述公式也不難發(fā)現(xiàn)，寬邊(非輻射邊)W越大，其輸入阻抗值越低；寬邊尺寸過小時其輸入阻抗與W呈現(xiàn)平方反比關(guān)系，較高的天線輸入阻抗也不利于進(jìn)行阻抗匹配的調(diào)試(高阻抗微帶線工程實(shí)現(xiàn)困難)。看到這里，很多人可能會問了，為什么優(yōu)先來調(diào)試匹配，而不是頻偏呢？這是因?yàn)槔霉接嬎愕馁N片尺寸雖然不一定剛好在帶內(nèi)諧振，但是不會偏離太多。除此之外，多次掃參將這種窄帶天線的阻抗匹配特性調(diào)試好后，稍微修正一下貼片的長度，即可在不影響諧振頻率處阻抗匹配性能的情況下，進(jìn)行天線諧振頻率的搬移。
0 2實(shí)調(diào)修正手段
簡單的微帶貼片天線屬于窄帶天線，很容易因?yàn)榉抡婢群图庸ふ`差導(dǎo)致頻偏和匹配惡化，因此天線實(shí)物往往需要工程師進(jìn)行手動修正。這里我們簡單介紹下背饋和側(cè)饋的矩形微帶貼片天線的幾種實(shí)調(diào)修正手段。
背饋的矩形微帶貼片天線
由于加工實(shí)物的饋電位置已經(jīng)固定，因此實(shí)調(diào)時往往通過割銅皮(實(shí)際工作頻率低于目標(biāo)值)或者貼銅皮(實(shí)際工作頻率高于目標(biāo)值)的方法來進(jìn)行頻率修正。除此之外呢，還可以在貼片寬邊邊緣中心位置增加一個矩形長條（寬度為stub_W，長度為stub_L），后期用刻刀一點(diǎn)點(diǎn)割掉來修正諧振頻率。
從上面的掃參分析不難看出，貼片天線的諧振頻率隨著矩形長條的長度減小而升高。因此可以將加工前仿真的諧振頻率調(diào)試到偏向低頻，實(shí)際調(diào)試時發(fā)揮割銅皮手藝，修正諧振頻率至目標(biāo)值即可。
側(cè)饋的矩形微帶貼片天線
對于側(cè)饋的矩形微帶貼片而言，其除了可以用割銅皮方法之外，還可以通過預(yù)留LC匹配位的方式來修正頻偏和匹配(類似下圖所示結(jié)構(gòu))。此時相當(dāng)于是地線-信號線-地線(GSG)布局，構(gòu)成了共面波導(dǎo)傳輸線饋電結(jié)構(gòu)。
對于這種窄帶天線而言，理論上一個L型匹配電路即可完成良好的阻抗匹配。（①先串L再并L，②先串L再并C，③先串C再并L，④先串C再并C，⑤先并L再串L；⑥先并L再串C，⑦先并C再串L，⑧先并C再串C，8種形式）。
實(shí)際使用的電容電感元件不是連續(xù)的，因此需要根據(jù)測試結(jié)果來選定合適的匹配方案。如果空間位置足夠，可以選用雙L匹配位，不需要的地方NC掉或者用0R電阻串過去即可，使得匹配方法更加靈活。
本文轉(zhuǎn)載自微波射頻網(wǎng)公眾號，作者： 94巨蟹座少年
