現(xiàn)代天線技術

1、微帶縫隙天線的分析班級：0413101學號：041300425姓名：袁振宇摘 要微帶縫隙天線具有結構簡單、加工方便、體積小、寬頻帶等特性，在微波毫米波系統(tǒng)應用廣泛。文中計算了天線的回波損耗和方向圖，與文獻結果比較吻合，證明了仿真方法的正確性，可為 微帶縫隙天線的設計工作提供一定的參考。關鍵詞 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、導航、電

4、子對抗、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，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號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、雷達天線等。 按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。 按結構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50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世紀70年代初期，當微帶傳輸線的理論模型及對敷銅的介質(zhì)基片的光刻技術發(fā)展之后，第一批具有許多設計結構的實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。縫隙天線可以借助同軸電纜很方便地饋送能量，也可用波導饋電來實現(xiàn)朝向大平片單側(cè)的輻射，還可以在波導壁上切割出縫隙的陣列?？p隙開在導電平片上，稱為平板縫隙天線； 開在圓柱面上，稱為開縫圓柱天線。開縫圓柱導體面是開縫導體片至開縫圓柱導體面的進化。波導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)點而得到廣泛應用；而平板縫隙天線卻因為損耗較大，功率容量低，效率不高，導致發(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，已經(jīng)被廣泛地應用于衛(wèi)星通信、導航等領域。但是，微帶天線頻帶較窄的突出缺點又限制了它的實際應用。目前在高頻應用上，采用更多的是微帶縫隙天線，它具有對加工精度要求低，可用標準的光刻技術在敷銅電路板上進行生產(chǎn)的優(yōu)點，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(包括波導縫隙天線)已被廣泛地應用于無線移動通信天線以及衛(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，為了方便對天線的方向圖進行比較，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矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。按天線所輻射的電場的極化形式，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。由于在天線各點的電壓和電流的分配不盡相同，各點的阻抗也不相同，其

8、中饋電點的阻抗最為重要，對半波長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，這點的阻抗應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，當工作頻率偏離設計頻率時，往往要引起天線參數(shù)的變化。當工作頻率變化時，天線的有關電參數(shù)不應超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡稱為天線的帶寬。4.遠區(qū)場如果所觀測點離開波源很遠、很遠，波源可近似為點源。從點源輻射的波其波陣面是球面。因為觀測點離開點源很遠很遠，在觀察者所在的局部區(qū)域，其波陣面可近似為平面，當作平面波處理。符合這一條件的場通常稱為遠區(qū)場。這里所謂很遠

9、很遠都是以波長來計量的。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強度在空間的相對分布的數(shù)學表達式，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強度在空間的相對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度的量度。它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強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所產(chǎn)生的最大輻射強度之比。 (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)因為天線總有損耗，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際天線的輻射功率有時并不限制在一個波束中，在一個波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強度最大，偏離波束中心，輻射強度減小。輻射強度減小到3db時的立體角即定義為。波束寬度與立體角關系為 : （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，它是一個虛擬的量，定義如下：設有一個電阻，當通過它的電流等于天線上的最大電流時，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。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關系為 （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)的關系可導出如下 （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，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。為了便于對概念的理解，先將天線的有關的基本功率定義如下：入射功率：指發(fā)射機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)機等提供給天線的功率。損耗功率：指由于導線、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)學診斷中得到了應用。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。縫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。這種天線的缺點是單元多，饋電網(wǎng)絡復雜

14、。 (a)方向圖 (b)增益與頻率的關系圖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。陣元圓縫結構如圖1.3所示。 圖1.3 圓縫的結構圓縫直徑與波長可比，因此它也屬于寬縫。他是由兩介質(zhì)板之間帶線激勵的，下面有一段圓波導狀金屬導體。調(diào)整帶線寬度和深入縫中的長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4×4圓縫陣的實驗數(shù)據(jù)是：基板厚度1.75mm；相對介電常數(shù)2.32；用50歐姆帶線饋電?？p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構示意圖。單縫的增益可達到6dB。工作頻率為S波段。 圖1.4 醫(yī)用寬縫微帶天線結構示意圖這種天線放在人體組織附近進行診斷。因此，場強隨縫隙表面與人體組織間距離變化的數(shù)據(jù)是重要的。圖表示場強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部位或與有關部委保持一定距離，目的是在人體有關部位上產(chǎn)生一定形狀和強度的熱區(qū)。 第2章 縫隙天線的理論分析如果在同軸線、波導管或空腔

16、諧振器的導體壁上開一條或數(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。這種天線可以單獨使用，也可以作天線陣的輻射單元。2.1 理想縫隙天線實際上理想縫隙天線是有外加電壓或場激勵的。不論激勵方式如何，縫隙中的電場垂直于縫的長邊，并在縫的中點呈上下對稱分布，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，理想縫隙天線的場與前述磁流源激勵時的場若在y>0的半空間相同，則在y<0的半空間相差一個負號。由于在同一表面上，等效磁流亦對縫中點呈上下對稱分布，理想縫隙天線可等效為由磁流源激勵的對稱縫隙，如圖2.1(b)所示。當然，這個磁流源的方向在

17、內(nèi)外兩表面上也應當相反。與之互補對稱的顯然是尺寸相同的板狀對稱振子。圖2.1 理想縫隙天線與板狀對稱陣子2.2 微帶縫隙天線2.2.1 微帶縫隙天線的結構在50年代，人們在三板線的一個接地板上開縫構成輻射器，這就是微帶縫隙天線，并且以此為陣元構成縫陣。許多人對這種天線進行了研究。隨著微波集成電路工藝的發(fā)展，人們在微帶線接地板上光刻成縫隙構成微帶縫隙天線。圖2.5表示出了微帶縫隙天線的結構。 圖2.5 微帶縫隙天線微帶縫隙天線產(chǎn)生雙向輻射；對制作公差要求低；與微帶振子天線組合起來可以構成圓極化天線。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縫隙或縫隙陣列作為輻射單元，該縫隙與微帶線的帶狀導體成直角，微帶線的電場經(jīng)微帶傳播到達縫隙處通過耦合激勵該縫隙，向外輻射能量。為了能有效激勵縫隙，可采用兩種激勵方式：帶狀導體或者穿過介質(zhì)基板到縫隙邊緣并短路，如圖2.7所示，或者該帶狀導體終止于個遠離縫隙邊緣的開路短線，如圖2.7所示，在縫隙外邊緣實現(xiàn)了一個有效短路。（a） （b）圖2.7 微帶模型、參考文獻1. 王新穩(wěn)、李萍，微波技術與天線，北京，電子工業(yè)出版社，20032. 萬偉，微波技術與天線，高等教育出版社，1986.6 3盧萬錚，天線理論與技術，西安電子科技大學出版社，20044周朝棟、王元坤，天線與電波，西安電子科技大學出版社，19945馬