線極化微帶天線

1、第三章 線極化微帶天線矩形微帶天線一、結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求矩形微帶天線如圖3-1所示，其與設(shè)計有關(guān)參量包括：輻射元長度L，輻射元寬度W，介質(zhì)板厚度h，介質(zhì)板的長度LG和寬度WG，介質(zhì)的相對介電常數(shù)和損耗正切。圖中所示的饋線是所謂“側(cè)饋”的微帶線，后面將要論述到矩形微帶貼片也可以用同軸接頭的芯線穿過接地面和介質(zhì)板的所謂“背饋”來激勵。矩形微帶天線可以單獨(dú)作為天線，也可用作各種微帶天線陣中的陣元，后一種情況將在第七章中論述。對矩形貼片微帶天線的設(shè)計要求，總的來說要滿足使用部門所提出的一系列技術(shù)指標(biāo)，其中包括：（1）中心工作頻率及頻帶寬度。（2）方向特性，即方向性系數(shù)D，增益G及波束寬度。（3）阻抗特性，

2、一般以天線輸入端電壓駐波系數(shù)小于某一給定值的頻帶范圍表示。（4）極化特性，線極化時往往給定允許的交叉極化電平。（5）機(jī)械結(jié)構(gòu)要求，包括最大的安裝面積和高度限制、安裝條件及對天線保護(hù)蓋板的技術(shù)要求。（6）環(huán)境條件下的工作特性，其中包括在給定的振動、沖擊、高低溫、濕度、低氣壓及運(yùn)輸?shù)葪l件下所必須滿足的各項電氣的和機(jī)械的性能指標(biāo)。（7）外部調(diào)整手段，這一般是指中心工作頻率和輸入阻抗的可調(diào)性。二、介質(zhì)基板的選取作為微帶天線設(shè)計的第一步就是要選定介質(zhì)基板并確定其厚度h，這是因?yàn)榛宀牧系暮椭导捌浜穸萮直接影響著微帶天線的一系列性能指標(biāo)。1.對尺寸及體積重量的影響工作于主模模矩形微帶天線貼片長度L近似為，

3、為介質(zhì)內(nèi)波長。,為自由空間波長，為有效介電常數(shù)，可表示為：可見L值與直接相關(guān)。當(dāng)L、W取定后，則h的取值決定著天線的體積和重量。顯然，當(dāng)要求天線工作于較低的頻段時，如果安裝面積或體積重量有限制，應(yīng)選用較大的基板。2.對方向特性的影響如在傳輸線模型分析法中所述，矩形微帶天線的E面方向圖寬度與兩輻射邊間距L有關(guān)。對于相同的工作頻率采用不同的基板則由式知對應(yīng)的L值不同，所以E面的波束寬度也就不同。E面波束寬度可根據(jù)二元陣公式算出，式中A是每個元的激勵幅度，是用電角度表示的元的間隔。3.基板厚度h對頻帶的影響頻帶窄是微帶天線的主要缺點(diǎn)之一，對矩形微帶天線其原因可理解為兩個輻射縫之間低的傳輸線特性阻抗（

4、110）所致。h的增大使傳輸線特性阻抗增大從而使頻帶變寬。當(dāng)厚度時，VSWR2的頻帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式為：頻帶（MHz）式中f是以GHz為單位的頻率，h是以毫米為單位。4.基板厚度h對效率的影響在本節(jié)式中看到h的增加使輻射效率增大。在上述諸因素中有的是相互制約的。例如為了展寬頻帶和提高效率而增大基板厚度h，單h的增加不但使重量增加而且破壞了低剖面特性，這在某些飛行器天線的應(yīng)用是很忌諱的。三、單元寬度W的選取在確定介質(zhì)基板材料及其厚度h后，應(yīng)先確定單元寬度W的尺寸。因?yàn)橛墒街?dāng)及h已知時取決于W，而單元長度L的尺寸又取決于。W的尺寸影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻和輸入阻抗，從而也就影響著頻帶寬

5、度和輻射效率。另外，W的尺寸直接地支配著微帶天線的總尺寸。在安裝尺寸允許的條件下W取得適當(dāng)大些對頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W尺寸大于下式給出的值時將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變：式中c是光速，是諧振頻率，由上式知W總是小于的值。四.單元長度L的確定矩形微帶天線的長度L在理論上取，但實(shí)際上由于邊緣場的影響在設(shè)計L的尺寸時應(yīng)從中減去。的值由式給出。于是：或五.基板尺寸的確定下圖所示為兩種饋電形式的矩形微帶天線的頂視圖。所謂基板尺寸，是指圖中的WG和LG。由液晶射頻場顯示表明輻射的口徑場集中在輻射邊附近很小的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)的過多向外延伸對這種場分布沒有明顯影響。在較低頻段工作時，從減小天線重量及

6、安裝面積和降低成本著眼，WG和LG的尺寸應(yīng)盡可能小，試驗(yàn)表明沿輻射元各邊向外延伸就可以了。因此對于背饋情況可取：對于側(cè)饋情況，而LG則視饋線及阻抗變換器的配置而定。六.饋電方式的確定及阻抗匹配矩形微帶天線的饋電方式基本上分成側(cè)饋和背饋兩種。顯然，當(dāng)工作于相同頻率時側(cè)饋所需的面積大于背饋。這是因?yàn)閭?cè)饋時即使對于的微帶元，其諧振輸入電阻也有120左右，而一般的微帶元W取值小于，即更大，為使與50饋電系統(tǒng)相匹配，則阻抗變換器是不可少的，從而增大了天線的面積。因此，當(dāng)天線元的面積是主要限制時以選背饋為宜。由工作于主模的矩形微帶天線的場結(jié)構(gòu)可知，沿長度方向諧振輸入電阻從側(cè)饋時的最大值到中心時變?yōu)榱?，即?/p>

7、中為側(cè)饋時的輸入電阻，是背饋點(diǎn)離側(cè)饋邊的距離。于是，可以用試驗(yàn)方法方便地在某一個處實(shí)現(xiàn)與50饋電線的匹配，省去了阻抗變換器。當(dāng)矩形微帶天線作為獨(dú)立的天線應(yīng)用時背饋方式是常被采用的；而當(dāng)它作為單板微帶天線陣的陣元時又勢必采用側(cè)饋。在制作側(cè)饋的矩形微帶天線時，可按下述方法實(shí)現(xiàn)匹配：將中心饋電天線的貼片同50饋線一起光刻制作，實(shí)測其輸入阻抗并設(shè)計出匹配變換器，然后在天線輻射元與微帶饋線間接入該變換器就做成所需的天線了。七.輻射方向圖的計算計算方向圖所用坐標(biāo)系如圖所示。圖中M是磁流密度矢量。作為工程計算，用傳輸線模型或腔模理論所得出的公式已夠用了。當(dāng)時即E面的歸一化方向圖為當(dāng)時即H面的歸一化方向圖為八.輸入阻抗的計算輸入阻抗的計算在天線設(shè)計中是關(guān)鍵性步驟，它對饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及匹配的實(shí)現(xiàn)起重要作用。九.輻射電阻、Q值和天線效率矩形微帶天線的輻射電阻可根據(jù)得出，由式求出。天線的總的品質(zhì)因素可表示成：其中、和分別為對應(yīng)于輻射、介質(zhì)和導(dǎo)體損耗的Q值。天線效率定義為輻射功率和輸入功率之比，即或其中和可由式算出。由式其中為平板電容，即式中為諧振時腔內(nèi)