現(xiàn)代天線技術(shù)

1、微帶縫隙天線的分析班級(jí)：0413101學(xué)號(hào)：041300425姓名：袁振宇摘 要微帶縫隙天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、體積小、寬頻帶等特性，在微波毫米波系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。文中計(jì)算了天線的回波損耗和方向圖，與文獻(xiàn)結(jié)果比較吻合，證明了仿真方法的正確性，可為 微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。關(guān)鍵詞 微帶縫隙天線 回波損耗 方向圖 Abstract Slot antenna has a simple structure, easy to process, small size, broadband and other characteristics, widely used in microwave,

2、 millimeter wave systems. In this paper, Ansoft HFSS 12.0 is used to analyze the slot antenna on a 50 × 80 mm2 open ground .The size of the slot is about quarterwavelength, cut in the finite ground plane edge, fed by a microstrip transmission line. The paper calculated the return loss and anten

3、na radation pattern. Good agreement with the literature results proved the correctness of the simulation method can provide some reference for the design of the microstrip slot antenna.Keywords microstrip slot antenna S11 radiation pattern第1章 緒 論1.1 研究背景及意義天線是在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電

4、子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號(hào)的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。天線按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。 按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線等。 按工作波長(zhǎng)可分為超長(zhǎng)波天線、長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。 按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻微帶天線的概念早在1

5、953年就由GADeSchamps提出，在20世紀(jì)50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世紀(jì)70年代初期，當(dāng)微帶傳輸線的理論模型及對(duì)敷銅的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，第一批具有許多設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)用的微帶天線才被制造出來?？p隙天線最早是在1946年HGBooker提出的，同微帶天線一樣最初沒有引起太多的注意?？p隙天線可以借助同軸電纜很方便地饋送能量，也可用波導(dǎo)饋電來實(shí)現(xiàn)朝向大平片單側(cè)的輻射，還可以在波導(dǎo)壁上切割出縫隙的陣列?？p隙開在導(dǎo)電平片上，稱為平板縫隙天線； 開在圓柱面上，稱為開縫圓柱天線。開縫圓柱導(dǎo)體面是開縫導(dǎo)體片至開縫圓柱導(dǎo)體面的進(jìn)化。波導(dǎo)縫陣天線由于其低損耗、高輻射效率和性能等一

6、系列突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用；而平板縫隙天線卻因?yàn)閾p耗較大，功率容量低，效率不高，導(dǎo)致發(fā)展較為緩慢。到1972年，YYoshimura明確提出微帶饋電縫隙天線的概念。從微帶天線的概念提出以來，由于它剖面薄、重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是，微帶天線頻帶較窄的突出缺點(diǎn)又限制了它的實(shí)際應(yīng)用。目前在高頻應(yīng)用上，采用更多的是微帶縫隙天線，它具有對(duì)加工精度要求低，可用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)在敷銅電路板上進(jìn)行生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是微帶寬縫天線更是有效地拓寬了頻帶。目前縫隙天線(包括波導(dǎo)縫隙天線)已被廣泛地應(yīng)用于無線移動(dòng)通信天線以及衛(wèi)星直播電視天線。1.2 天線特

7、性的主要參數(shù)天線的特性參數(shù)主要有方向函數(shù)或方向圖，極化特性，頻帶寬度，輸入阻抗等，為了方便對(duì)天線的方向圖進(jìn)行比較，就需要規(guī)定一些表示方向圖特性的參數(shù)。這些參數(shù)有：天線增益G（或方向性Gd）、波束寬度（或主瓣寬度）、旁瓣電平等。下面就簡(jiǎn)單介紹一下天線特性參數(shù)。1.極化特性指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。按天線所輻射的電場(chǎng)的極化形式，可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化；圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。2.輸入阻抗天線阻抗簡(jiǎn)單地講就是在天線部分上的電壓和電流比率。由于在天線各點(diǎn)的電壓和電流的分配不盡相同，各點(diǎn)的阻抗也不相同，其

8、中饋電點(diǎn)的阻抗最為重要，對(duì)半波長(zhǎng)偶極子天線來說就是中央天線。為使無線電收發(fā)器具有最佳的功率傳送，這點(diǎn)的阻抗應(yīng)該和饋線電纜的阻抗相同。天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率。3.帶寬天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。4.遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)如果所觀測(cè)點(diǎn)離開波源很遠(yuǎn)、很遠(yuǎn)，波源可近似為點(diǎn)源。從點(diǎn)源輻射的波其波陣面是球面。因?yàn)橛^測(cè)點(diǎn)離開點(diǎn)源很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，在觀察者所在的局部區(qū)域，其波陣面可近似為平面，當(dāng)作平面波處理。符合這一條件的場(chǎng)通常稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。這里所謂很遠(yuǎn)

9、很遠(yuǎn)都是以波長(zhǎng)來計(jì)量的。5.方向函數(shù)或方向圖離開天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的相對(duì)分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為天線的方向性函數(shù)；在離開天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的相對(duì)分布的圖形就叫天線的方向圖。最大輻射波束通常稱為方向圖的主瓣。主瓣旁邊的幾個(gè)小的波束叫旁瓣。天線增益是在波陣面某一給定方向天線輻射強(qiáng)度的量度。它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強(qiáng)度與被研究天線具有同等輸入功率的各向同性天線在同一點(diǎn)所產(chǎn)生的最大輻射強(qiáng)度之比。 (1.1天線方向性與天線增益類似但與天線增益定義略有不同。 (1.2)因?yàn)樘炀€總有損耗，天線輻射功率比饋入功率總要小一些，所以天線增益總要比天線

10、方向性小一些。理想天線能把全部饋入天線的功率限制在某一立體角內(nèi)輻射出去，且在立體角內(nèi)均勻分布。這種情況下天線增益與天線方向性相等。 (1.3) 理想的天線輻射波束立體角及波束寬度 圖1.1 立體角及波束寬度實(shí)際天線的輻射功率有時(shí)并不限制在一個(gè)波束中，在一個(gè)波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強(qiáng)度最大，偏離波束中心，輻射強(qiáng)度減小。輻射強(qiáng)度減小到3db時(shí)的立體角即定義為。波束寬度與立體角關(guān)系為 : （1.4）旁瓣電平是指主瓣最近且電平最高的。第一旁瓣電平，一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)一般是不需要輻射的區(qū)域，其電平應(yīng)盡可能的低。天線效率定義為： (1.5） 式中，為輸入功率；為歐姆損耗；為輻射功率。

11、天線的輻射電阻用來度量天線輻射功率的能力，它是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一個(gè)電阻，當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于輻射功率。顯然，輻射電阻越大，天線的輻射能力越強(qiáng)。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為 （1.6）即輻射電阻為 （1.7） 仿照引入輻射電阻的辦法，損耗電阻R1為 （1.8）將上述兩式代入效率公式，得天線效率為 （1.9）可見，要提高天線效率，應(yīng)盡可能提高，降低。6.駐波系數(shù)和行波系數(shù)為了定量描述傳輸線上的行波分量和駐波分量，引入駐波系數(shù)和行波系數(shù)。傳輸線上最大電壓(或電流)與最小電壓(或電流)的比值，定義為駐波系數(shù)或駐波比，表示為 （1.10）駐波系數(shù)

12、和反射系數(shù)的關(guān)系可導(dǎo)出如下 （1.11） 故得 （1.12） （1.13）行波系數(shù)定義為傳輸線上最小電壓(或電流)與最大電壓(或電流)的比值，即 （1.14）顯然： （1.15）7.效率效率有輻射效率與天線效率之分。由于入射波反射的存在，天線不可能把入射功率全部提供到天線的輸入端口作為天線的輸入功率。同時(shí)，天線也不可能把從饋線輸入給他的輸入功率全部輻射出去，總有一部分要損耗掉，如天線導(dǎo)線中的熱損耗、介質(zhì)中的介質(zhì)損耗、地電流的損耗以及天線近旁物體吸收電磁波一起的損耗等等。為了便于對(duì)概念的理解，先將天線的有關(guān)的基本功率定義如下：入射功率：指發(fā)射機(jī)等提供給天線的功率。反射功率：指天線反射回來的功率。

13、輸入功率：指收發(fā)機(jī)等提供給天線的功率。損耗功率：指由于導(dǎo)線、介質(zhì)或者地電流等存在而損耗的功率。輻射功率：指天線把發(fā)射機(jī)提供的功率扣除損耗輻射出去的功率。根據(jù)以上定義，很容易得到： （1.16）1.3 微帶縫隙天線的應(yīng)用微帶縫隙天線在航天器飛行、衛(wèi)星直播電視以及醫(yī)學(xué)診斷中得到了應(yīng)用。在衛(wèi)星直播電視接受中，11.1712.5GHz頻帶內(nèi)的寬縫微帶天線陣得到了應(yīng)用。人們以矩形寬縫微帶天線作為作為陣元，作出了2，4，16，64以及512單元平面陣。在H面內(nèi)，單元縫隙間距為，E面縫隙間距為/2?？p隙是由微帶分路器饋電。圖1.2表示512單元寬縫隙組成的陣方向圖和增益。這種天線的缺點(diǎn)是單元多，饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜

14、。 (a)方向圖 (b)增益與頻率的關(guān)系圖1.2 512單元縫陣的方向圖和增益近來，人們制作了一種寬帶高增益圓縫陣。陣元圓縫結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。 圖1.3 圓縫的結(jié)構(gòu)圓縫直徑與波長(zhǎng)可比，因此它也屬于寬縫。他是由兩介質(zhì)板之間帶線激勵(lì)的，下面有一段圓波導(dǎo)狀金屬導(dǎo)體。調(diào)整帶線寬度和深入縫中的長(zhǎng)度可以獲得帶寬匹配。為了提到增益，在圓縫上金屬表面加一層直徑大一些的厚金屬板，形成短圓喇叭狀。一個(gè)4×4圓縫陣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是：基板厚度1.75mm；相對(duì)介電常數(shù)2.32；用50歐姆帶線饋電。縫隙的工作模式為TEM，中心頻率為12GHz，駐波系數(shù)為2：1的帶寬可達(dá)2GHz；單縫增益為10dB。陣的增益為2

15、0.6dB。在11.1712.5GHz頻率范圍內(nèi)，天線效率可達(dá)到57%67%。交叉極化低于最大增益25 dB。上述數(shù)據(jù)表明，在同樣指標(biāo)要求下，圓縫隙陣優(yōu)于矩形寬縫隙陣。圖1.4為醫(yī)用寬縫隙微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖。單縫的增益可達(dá)到6dB。工作頻率為S波段。 圖1.4 醫(yī)用寬縫微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖這種天線放在人體組織附近進(jìn)行診斷。因此，場(chǎng)強(qiáng)隨縫隙表面與人體組織間距離變化的數(shù)據(jù)是重要的。圖表示場(chǎng)強(qiáng)隨縫隙表面與水平面距離的變化。在醫(yī)療診斷和治療中，把微帶縫隙天線表面貼在人體有關(guān)部位或與有關(guān)部委保持一定距離，目的是在人體有關(guān)部位上產(chǎn)生一定形狀和強(qiáng)度的熱區(qū)。 第2章 縫隙天線的理論分析如果在同軸線、波導(dǎo)管或空腔

16、諧振器的導(dǎo)體壁上開一條或數(shù)條窄縫，可使電磁波通過縫隙向外空間輻射，而形成一種天線，這種天線稱為縫隙天線。這種天線可以單獨(dú)使用，也可以作天線陣的輻射單元。2.1 理想縫隙天線實(shí)際上理想縫隙天線是有外加電壓或場(chǎng)激勵(lì)的。不論激勵(lì)方式如何，縫隙中的電場(chǎng)垂直于縫的長(zhǎng)邊，并在縫的中點(diǎn)呈上下對(duì)稱分布，如圖2.1（a）所示。不過，由于，縫隙內(nèi)外兩表面的等效磁流反向，理想縫隙天線的場(chǎng)與前述磁流源激勵(lì)時(shí)的場(chǎng)若在y>0的半空間相同，則在y<0的半空間相差一個(gè)負(fù)號(hào)。由于在同一表面上，等效磁流亦對(duì)縫中點(diǎn)呈上下對(duì)稱分布，理想縫隙天線可等效為由磁流源激勵(lì)的對(duì)稱縫隙，如圖2.1(b)所示。當(dāng)然，這個(gè)磁流源的方向在

17、內(nèi)外兩表面上也應(yīng)當(dāng)相反。與之互補(bǔ)對(duì)稱的顯然是尺寸相同的板狀對(duì)稱振子。圖2.1 理想縫隙天線與板狀對(duì)稱陣子2.2 微帶縫隙天線2.2.1 微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)在50年代，人們?cè)谌寰€的一個(gè)接地板上開縫構(gòu)成輻射器，這就是微帶縫隙天線，并且以此為陣元構(gòu)成縫陣。許多人對(duì)這種天線進(jìn)行了研究。隨著微波集成電路工藝的發(fā)展，人們?cè)谖Ь€接地板上光刻成縫隙構(gòu)成微帶縫隙天線。圖2.5表示出了微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)。 圖2.5 微帶縫隙天線微帶縫隙天線產(chǎn)生雙向輻射；對(duì)制作公差要求低；與微帶振子天線組合起來可以構(gòu)成圓極化天線。他也是一種比較常見的天線。微帶縫隙天線常見的的縫隙形狀有矩形，圓形，或者環(huán)形(a)窄縫 (b)圓環(huán)

18、縫 (c)寬縫 (d)圓貼縫圖2.6 縫隙形狀2.2.2 微帶模型微帶饋電縫隙天線的基本模型，是在微帶線的接地平面上蝕刻單個(gè)縫隙或縫隙陣列作為輻射單元，該縫隙與微帶線的帶狀導(dǎo)體成直角，微帶線的電場(chǎng)經(jīng)微帶傳播到達(dá)縫隙處通過耦合激勵(lì)該縫隙，向外輻射能量。為了能有效激勵(lì)縫隙，可采用兩種激勵(lì)方式：帶狀導(dǎo)體或者穿過介質(zhì)基板到縫隙邊緣并短路，如圖2.7所示，或者該帶狀導(dǎo)體終止于個(gè)遠(yuǎn)離縫隙邊緣的開路短線，如圖2.7所示，在縫隙外邊緣實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有效短路。（a） （b）圖2.7 微帶模型、參考文獻(xiàn)1. 王新穩(wěn)、李萍，微波技術(shù)與天線，北京，電子工業(yè)出版社，20032. 萬偉，微波技術(shù)與天線，高等教育出版社，1986.6 3盧萬錚，天線理論與技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社，20044周朝棟、王元坤，天線與電波，西安電子科技大學(xué)出版社，19945馬