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(jì)要求矩形微帶天線如圖3-1所示，其與設(shè)計(jì)有關(guān)參量包括：輻射元長(zhǎng)度L，輻射元寬度W，介質(zhì)板厚度h，介質(zhì)板的長(zhǎng)度LG和寬度WG，介質(zhì)的相對(duì)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(guò)接地面和介質(zhì)板的所謂“背饋”來(lái)激勵(lì)。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(duì)矩形貼片微帶天線的設(shè)計(jì)要求，總的來(lái)說(shuō)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(shí)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(duì)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(dòng)、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(xiàng)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(jì)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(duì)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(zhǎng)度L近似為，

3、為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)。,為自由空間波長(zhǎng)，為有效介電常數(shù)，可表示為：可見(jiàn)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(shí)，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(duì)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(duì)于相同的工作頻率采用不同的基板則由式知對(duì)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(gè)元的激勵(lì)幅度，是用電角度表示的元的間隔。3.基板厚度h對(duì)頻帶的影響頻帶窄是微帶天線的主要缺點(diǎn)之一，對(duì)矩形微帶天線其原因可理解為兩個(gè)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(shí)，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(duì)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(shí)取決于W，而單元長(zhǎng)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(duì)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(shí)將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)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(zhǎng)度L的確定矩形微帶天線的長(zhǎng)度L在理論上取，但實(shí)際上由于邊緣場(chǎng)的影響在設(shè)計(jì)L的尺寸時(shí)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(chǎng)顯示表明輻射的口徑場(chǎng)集中在輻射邊附近很小的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)的過(guò)多向外延伸對(duì)這種場(chǎng)分布沒(méi)有明顯影響。在較低頻段工作時(shí)，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(duì)于背饋情況可?。簩?duì)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(shí)側(cè)饋所需的面積大于背饋。這是因?yàn)閭?cè)饋時(shí)即使對(duì)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(shí)以選背饋為宜。由工作于主模的矩形微帶天線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)可知，沿長(zhǎng)度方向諧振輸入電阻從側(cè)饋時(shí)的最大值到中心時(shí)變?yōu)榱?，即?/p>

7、中為側(cè)饋時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)又勢(shì)必采用側(cè)饋。在制作側(cè)饋的矩形微帶天線時(shí)，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(cè)其輸入阻抗并設(shè)計(jì)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(jì)算計(jì)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(jì)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(shí)即E面的歸一化方向圖為當(dāng)時(shí)即H面的歸一化方向圖為八.輸入阻抗的計(jì)算輸入阻抗的計(jì)算在天線設(shè)計(jì)中是關(guān)鍵性步驟，它對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)腔內(nèi)