Проектирование микрополосковых антенн

 

 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Инженерно-технологическая академия 

А. О. КАСЬЯНОВ 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  

МИКРОПОЛОСКОВЫХ  

АНТЕНН  

Учебное пособие 

Ростов-на-Дону – Таганрог 

Издательство Южного федерального университета 

2022 
 

 

 

УДК 621.396.67(07) 
ББК  32.845я73 

   К289 

Печатается по решению кафедры радиотехнических и телекоммуника-

ционных систем Института радиотехнических систем и управления  

Южного федерального университета (протокол № 10 от 27 мая 2022 г.) 

Рецензенты: 

доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры  

радиоэлектроники Донского государственного технического университета 

М. Ю. Звездина 

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информатики и  

информационных таможенных технологий Ростовского филиала  

Российской таможенной академии П. Н. Башлы 

Касьянов, А. О. 

К289        Проектирование микрополосковых антенн : учебное пособие / 

А. О. Касьянов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-
Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2022. – 136  с. 

ISBN 978-5-9275-4295-6 

Учебное пособие посвящено вопросам проектирования микрополосковых 

антенн, использующих технологию изготовления объемных интегральных микросхем (
ОИС) СВЧ. Большинство вопросов, подробно рассмотренных в данном 
пособии, ранее в учебной литературе не рассматривались и освещались лишь в 
периодических изданиях и трудах научных конференций, которые были практически 
недоступны студентам. 

Целесообразность издания настоящего пособия, имеющего междисципли-

нарный характер, обусловлена необходимостью обеспечения учебного процесса 
по образовательным программам бакалавриата и специалитета по дисциплинам 
«Электроника» и «Специальные радиоэлектронные устройства». 

Пособие предназначено для студентов специальности 11.05.01 «Радиоэлек-

тронные системы и комплексы» и студентов направления подготовки 11.05.02 
«Инфокоммуникационные технологии». 

УДК 621.396.67(07) 

ББК 32.845я73 

ISBN 978-5-9275-4295-6 

© Южный федеральный университет, 2022 
© Касьянов А. О., 2022 
© Оформление. Макет. Издательство 
    Южного федерального университета, 2022 

СОДЕРЖАНИЕ 

 
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….………..…8

 
1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ АНТЕНН
В ПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ……………………..…...…....
………….9

 
2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН В ПОЛОСКОВОМ
ИСПОЛНЕНИИ И ИХ ПРИНЦИП РАБОТЫ………………...…..…….....11

 
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И РАСЧЕТ АНТЕНН 
РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА…………………………………..……..……...…17

 

3.1. Диаграмма направленности антенны …..………………..……….……18
3.2. Входная проводимость антенны ……………………………………..…20
3.3. Коэффициенты направленного действия, полезного 
действия и усиления антенны …………………………………...…………26

3.3.1. Микрополосковая антенна с прямоугольным 
излучающим элементом …………………………………......………..…26
3.3.2. Микрополосковая антенна с излучающим
элементом в виде диска ….……………………..…………....
………...…28

3.4. Порядок расчета антенны и ее характеристики ……...………
………..…29

 
4. ЛИНЕЙНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ 
С ЭЛЕМЕНТАМИ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА …………………….……35

 

4.1. Основные соотношения для линейной решетки …………......
…………35

4.2. Расчет антенны по заданным параметрам диаграммы
направленности …………………………………………………..….
….......….37

4.3. Способы возбуждения элементов резонаторного типа 
в составе решетки …………………………………………….…………...….38

4.3.1. Микрополосковая антенная решетка 
с последовательным возбуждением ………………................…………38
4.3.2. Микрополосковая антенная решетка с параллельным 
возбуждением ….………………………….................................
…………40

4.4. Делители Уилкинсона …………………………………..…….……….42

4.4.1. Полосковый делитель мощности с равным делением 
мощности …...……………………………..................................
…………42

4.4.2. Полосковый делитель мощности с неодинаковым 
распределением мощности ….……………………...................
…………43

Содержание  

4 

4.5. Порядок расчета линейной решетки ……………………….….
….……..44

 
5. ПЛОСКИЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ЭЛЕМЕНТАМИ
РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА ……………………………………...……………47

 

5.1. Основные определения для плоской решетки ………………..
…………47

5.2. Множитель направленности плоской синфазной антенной
решетки …………………………………….………………………..……..…47
5.3. Способы возбуждения элементов резонаторного типа 
в составе плоской решетки …………………………………………
………...49

5.3.1. Способы возбуждения МПИ в составе плоской 
антенной решетки ……………………….................................…………49
5.3.2. Возбуждение МПИ из состава плоской МПАР 
посредством МПЛ ….……………………..................................
…………50

5.4. Порядок расчета плоской решетки ……………………………
……..….54

5.4.1. Расчет антенной решетки …...………...…………...........
…………54

5.4.2. Расчет схемы питания ….…………..………...................…………55

 
6. ДРУГИЕ ПОЛОСКОВЫЕ ИЗЛУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ…
…………..58

 

6.1. Вибраторные системы с дискретным питанием ……………...
…………58

6.2. Вибраторные системы с резонансным возбуждением ……...…………59
6.3. Излучающие системы бегущих волн ………………………….……..…60
6.4. Щелевые антенны с полосковой линией питания …………………..…61

 
7. ПЕЧАТНЫЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ 
РЕШЕТКИ КАК ИСКУССТВЕННЫЕ ИМПЕДАНСНЫЕ 
ПОВЕРХНОСТИ ………………………………………………………………63

 

7.1. Искусственные импедансные поверхности …………………..
…………63

7.2. Моделирование искусственной импедансной поверхности ...
…...…….63

7.2.1. Метод расчета Z на основе вычисления 
поверхностного интеграла отношения напряженностей 
полей .………………………………………………...…….......…………64
7.2.2. Метод расчета Z на основе определения показателя 
преломления для импедансной поверхности ….……............…………65
7.2.3. Метод расчета Z на основе вычисления 
коэффициента отражения волн ….………...............................…………67

7.3. Синтез топологии печатной структуры голографическим 
методом ………………………..……………………..………….…..
……....…69

Содержание 

5 

7.4. Искусственные анизотропные импедансные поверхности ….
……...….74

7.5. Голографическое восстановление волнового фронта  
с помощью анизотропно-проводящей поверхности ………………
…………79

7.6. Итоговые рекомендации по проектированию печатных 
отражательных антенных решеток как искусственных 
импедансных поверхностей ……………………………………….…………87

 
8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛОСКОСТНОЙ ЛИНЗЫ 
ЛЮНЕБЕРГА НА ОСНОВЕ ИМПЕДАНСНОЙ 
ПОВЕРХНОСТИ В ВИДЕ ПЕЧАТНОЙ 
ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ …………...…..……..……88

 

8.1. Области применения и принцип работы линзы Люнеберга………….88
8.2. Модуляция поверхностного импеданса с помощью 
печатной решетки отражательного типа ……………………..………...….90
8.3. Конструктивная реализация плоскостной линзы 
Люнеберга на основе микрополосковой отражательной 
антенной решетки…………..........………….....……...……….... ……...….95
8.4. Конструирование линзовых антенн Люнеберга на основе 
импедансных поверхностей в виде микрополосковых ОАР ……
……...….103

8.5. Итоговые рекомендации по проектированию линзовых 
антенн Люнеберга на основе импедансных поверхностей 
в виде микрополосковых ОАР ………………………………..…..
……..….111

 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………….……..……….…112

 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………...…………..
……..…114

 
ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………….……………...……..……..…117

 

П1. Зависимость основных параметров диаграммы
направленности антенны от амплитудно-фазового
распределения тока на её раскрыве …………………………………
П2. Пример расчета полоскового восьмиканального делителя 
мощности……………………………………………………………

……...…117

……...…120

П3. Эквивалентные схемы микрополосковых дифракционных 
решеток …………………..………………………………….……...………128

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 

 

CST – технология компьютерного моделирования (Computer Simulation 
Technology) 
dBi – изотропные децибеллы (decibel Isotropic) 
HFSS – среда компьютерного электродинамического  
моделирования на СВЧ (High Frequency Structures Simulator) 
MW – микроволны (MicroWaves) 
PMC – идеальный магнитный проводник (Perfect Magnetic Conductor) 
SIW – волновод, интегрированный в подложку (Substrate Integrated Wave-
guide) 
T – поперечный (Transversal) 
БЗ – ближняя зона 
ГУ – граничные условия 
ДЗ – дальняя зона 
ДМВ – дециметровые волны 
ДН – диаграмма направленности 
ДСК – декартова система координат 
ИУ – интегральное уравнение 
КНД – коэффициент направленного действия 
КПД – коэффициент полезного действия 
КРЛ – коэффициент расширения луча 
КУ – коэффициент усиления 
МДР – микрополосковая дифракционная решетка 
ММВ – миллиметровые волны 
МПА – микрополосковая антенна 
МПАР – микрополосковая антенная решетка 
МПИ – микрополосковый излучатель 
МПОАР – микрополосковая отражательная антенная решетка 
МПЭ – микрополосковый элемент 
ОАР – отражательная антенная решетка 
ОИС – объемная интегральная схема 
ПМР – поляризационная матрица рассеяния 
РТС – радиотехническая система 
РЭА – радиоэлектронная аппаратура 
САПР – система автоматизированного проектирования 

 Список принятых обозначений и сокращений 

7 

СВЧ – сверхвысокие частоты 
ТЭПИ – тензор эквивалентного поверхностного импеданса 
УБЛ – уровень боковых лепестков 
ФАР – фазированная антенная решетка 
ЭДС – электродинамическая структура 
ЭМВ – электромагнитная волна 
МПЛ – микрополосковая линия 
СПЛ – симметричная полосковая линия 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
Современные радиофизика и радиоэлектроника неуклонно следуют 

по пути изучения и освоения все более коротковолновых диапазонов электромагнитных 
волн. В последнее десятилетие весьма интенсивно исследу-
ются и технически осваиваются диапазоны коротких волн – сантиметровых, 
миллиметровых, сублимированных и световых. Эффективность научного 
и технического освоения и использования в прикладных проблемах 
достижений радиофизики и радиоэлектроники существенно зависит от состояния 
и возможностей элементной базы: источников и приемников излучения, 
канализирующих, излучающих и колебательных систем и других 
компонентов аппаратуры. Особое значение приобретают новые методы построения 
устройств СВЧ, основанные на технологии производства интегральных 
схем. 
 
Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать 

задачи по созданию антенно-фидерных устройств при весьма жестких и 
противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, 
габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам. 
В особенности это относится к бортовым антенно-фидерным устройствам, 
где нередко предельные возможности радиоэлектронной аппаратуры 
определяются инженерно-техническим уровнем разработки антенной 
структуры. Очевидно, что выполнить многочисленные и жесткие требования 
к антенно-фидерным устройствам можно при наличии печатных конформных 
структур малой толщины. Следовательно, разработка методов 
проектирования печатных антенн является совершенно необходимой. 
 
В настоящее время отдельные сведения по расчету и проектированию 

микрополосковых антенн имеются в основном в журнальных статьях и излагаются 
в форме, доступной лишь специалисту. Настоящее пособие ставит 
целью систематическое изложение основных принципов проектирования 
микрополосковых антенн, которые находят широкое практическое применение, 
а также принципов расчета решеток из микрополосковых излучателей. 
 

По объему и содержанию пособие содержит все сведения, необходи-

мые для проведения курсового проектирования. Разделы пособия написаны 
в соответствии с учебными программами бакалавриата, специалитета и магистратуры 
направлений подготовки: «Радиотехника» и «Информационные 
и телекоммуникационные технологии». 

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ АНТЕНН  

В ПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ 

 
 
Отличительным признаком антенн в полосковом исполнении в срав-

нении с другими видами антенн СВЧ-диапазона является конструкция, использующая 
технологию изготовления пленочных интегральных схем. 

Указанным способом могут быть выполнены излучающие элементы, 

линии передачи, элементы их согласования и т.д. Полосковые антенны в 
наибольшей мере, чем другие антенны указанного диапазона, отвечают 
требованиям миниатюризации (в части устройства возбуждения), которые 
являются одними из основных требований для бортовой радиоэлектронной 
аппаратуры (РЭА). Этим объясняется все более широкое применение полосковых  
антенн при современном проектировании РЭА. 

Основные преимущества антенн в полосковом исполнении: 
– простота конструкции, малые объем и масса, низкая стоимость из-

готовления и эксплуатации; 

– высокая точность изготовления и, как следствие, хорошая воспро-

изводимость характеристик антенн; 

– удобство совмещения антенн с полосковыми линиями передачи и 

устройствами; 

– возможность создания невыступающих и маловыступающих кон-

струкций антенн для летательных аппаратов, в частности конструкций, не 
изменяющих их прочностных характеристик. 
 
К недостаткам антенн в полосковом исполнении относятся понижен-

ная электрическая прочность, трудность конструирования ряда перестраиваемых 
устройств, сложность отдельных измерений, а также трудность 
строгого теоретического анализа, что, в свою очередь, требует трудоемкой 
экспериментальной обработки. 
 
Область применения антенн в полосковом исполнении составляет 

диапазон частот от 100 до 30 000 МГц при малых и средних уровнях мощности. 
На очень низких частотах размеры и вес резонансных элементов антенн 
становятся весьма значительными. На более высоких частотах эти антенны 
становятся весьма значительными. На более высоких частотах эти 
антенны не имеют преимуществ в сравнении с другими видами антенн. 

1. Назначение и особенности антенн в полосковом исполнении  

10 

Обычно антенны в полосковом исполнении являются слабонаправленными. 
Наиболее часто они применяются в составе антенных решеток. Перспективным 
типом остронаправленных антенн являются фазированные антенные 
решетки с элементами в полосковом исполнении. 

2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН В ПОЛОСКОВОМ  

ИСПОЛНЕНИИ И ИХ ПРИНЦИП РАБОТЫ 

 
 
Основными элементами, составляющими антенну, являются излуча-

тель (собственно антенна) и устройство возбуждения. В зависимости от 
этих элементов антенны в полосковом исполнении различаются типом фидерной (
питающей) линии, принципом работы излучателя и способом его 
возбуждения. 

Составными частями простейшего полоскового излучателя (рис. 2.1) 

являются металлическая пластина 1, экран 3 и диэлектрическое основание 
2 (подложка).  

 

 

Рис. 2.1. Топология МПА и силовые линии вектора напряженности  

электрического поля в микрополосковой антенне 

 

Металлические пластины-излучатели (МПИ) могут иметь различную 

форму. Наиболее распространены пластины прямоугольной, круглой и эллиптической 
формы. Возбуждение пластин может осуществляться либо коаксиальной 
линией через отверстие в экране и подложке, либо полосковой 
линией в плоскости пластины (см. рис. 2.1). 

В первом случае экран коаксиального кабеля присоединяется к экрану, 

а центральный проводник пропускается через подложку и соединяется с 
металлической пластиной в специально подбираемой точке. Во втором 
случае возбуждение к точке питания подводится несимметричной полосковой 
линией, для чего в пластине делается соответствующий вырез (вырез 
не обязателен, если точка питания смещена к краю пластины). В качестве 

2. Основные типы антенн в полосковом исполнении и их принцип работы  

12 

диэлектрического основания обычно используются диэлектрики с параметрами:  

 
r

2 5 100
,
,  и tg 10-4 10-3, где  r = 



д

о

 – относительная диэлектриче-

ская проницаемость материала подложки, tg  – тангенс угла потерь в материале 
подложки. Толщина основания h может составлять (0,1  0,01) . 

Широкое применение находят антенны резонаторного типа, построен-

ные на базе несимметричных полосковых линий. Другим, более традиционным 
типом антенн в полосковом исполнении, являются вибраторы различной 
конфигурации и щели, прорезанные в металлической стенке питающей 
полосковой линии симметричного типа. Развитием этих антенн являются 
плоские ленточные спирали и криволинейные излучатели. 

Микрополосковые излучатели (МПИ) относятся к резонансным ан-

теннам. Пример антенны резонансного типа приведен на рис.1. Упрощенно 
можно считать, что объемный резонатор МПИ ограничен вертикальными 
стенками из идеального магнитопроводящего материала, расположенными 
по периметру пластины. Края резонатора, перпендикулярные питающей 
линии, образуют две щели А и Б, которые отстоят друг от друга на расстоянии 
l, приблизительно равном д /2, где д  – длина волны в диэлектрике. 
Структура поля на указанных краях показана на рис. 2.1. 

Поле излучения такой антенны можно определить по принципу экви-

валентности, рассматривая излучение электрических и магнитных токов на 
замкнутой поверхности, охватывающей антенну. При строгом подходе 
определение указанных токов представляет весьма сложную задачу. И используя 
конструктивные особенности антенны и результаты экспериментального 
исследования, можно принять предположения, которые существенно 
упрощают расчетную модель антенны. Согласно упрощенной модели, 
микрополосковая антенна трактуется как эквивалентная щелевая антенна 
в плоском бесконечном экране без диэлектрика. Форма эквивалентной 
щели полагается совпадающей с формой краев металлической пластины. 


На рис. 2.2 показано распределение магнитных токов j y

M  и j z

M  в экви-

валентной щели, построенное исходя из картины распределения поля Е в 
резонаторе прямоугольной микрополосковой антенны. Главную роль в 
формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные син-

 2. Основные типы антенн в полосковом исполнении и их принцип работы 

13 

фазные токи j y

M

1  и j y

M

3 , создающие линейно поляризованное излучение с век-

тором Е, параллельным оси z. Токи j z

M
2  и j z

M
4  содержат на каждой боковой 

стороне пластины по два противофазных участка, излучение которых в 
значительной степени взаимно компенсируется (точная компенсация имеет 
место в плоскостях XОZ и XОУ). 

 

 

 

Рис. 2.2. Распределение поверхностных магнитных токов  

в прямоугольном микрополосковом излучателе 

 

В общем случае в рассматриваемом прямоугольном резонаторе с 

магнитными боковыми стенками могут устанавливаться колебания как 
четного, так и нечетного типа. Тип колебания определяется числом полуволн, 
укладывающихся по длине резонатора L. Если в резонаторе устанавливаются 
колебания нечетного типа, то главный лепесток ДН направлен по 
нормали к плоскости антенны. Для колебаний четного типа в направлении 
нормали излучения нет. При принятых предположениях поле излучения 
имеет линейную поляризацию, и кроссполяризационное излучение отсутствует. 


Излучатель, описанный выше, позволяет получить также поле вра-

щающейся поляризации. Для этого необходимы две пары излучающих щелей, 
расположенных ортогонально друг другу в пространстве и запитанных 
со сдвигом фаз 90. Для этого выбирается квадратный излучатель. Питание 
к нему подводится в двух точках в середине соседних сторон ленточного 
проводника со сдвигом по фазе на 90.