天線與電波傳播理論論文

天線與電波傳播理論論文關(guān)于微帶天線姓名：何探學(xué)號：309073112601級：通信09-11指導(dǎo)教師：X月紅砸著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線矜動通信技術(shù)己引起了人們的極大關(guān)注，在整個無線通爪系統(tǒng)中，天線是將射^信號轉(zhuǎn)化為無線信號的關(guān)謎器杵，其性能的優(yōu)良對無線通信工程的成敗起到重要作用。快速發(fā)展的矜動通信系坑需要的是小塑化、寬^帶、多功能（多履段、多股化）、高性能的天線。攢帶天線作為天線家祖的重要一員，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜的進步，在楊和終端中采用內(nèi)置微帶天線，不但可以減小天線對干人體的輻射，還可使手機的外形設(shè)廿多樣化，因此內(nèi)置撤帶天線將是未來手機天線技術(shù)的發(fā)展方向之一，但其固有的窄帶特性（常規(guī)做帶天線約為2%左右）在很名悄猊下成了斟約其應(yīng)用的一個筋頸，因此設(shè)it出具有寬順帶小里化的愧帶天線不但具有一定的理論價值而目具有重要的應(yīng)用價值，這也成為當(dāng)前國際天線界研究的熱點之一。本論文的iii作是Ift述做帶天線。一撤帶天線的發(fā)展歷程早在1953年箔尚（G.A.DcDhamps）教授就提出利用彳散帶線的輻射來制成撤帶做波天線的閥念。但是，在接下來的近20年里，對此只有一些零星的研究。直到1972年，由于攢波集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對低剖面天線的迫切需求，芒森(R.E.Munson)豪威爾(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批實用的仿攵帶天線。I?之，國際上展開了文寸攢帶天線的廣泛研究和應(yīng)用。1979年在美國新墨西哥州大學(xué)舉IlT?帶天線的專題目際會15(,1981年IEEE天線與傳播會刊在1月號上刊裁了微帶天線專輯。至此，攢帶天線已形成為天線領(lǐng)域中的一f專門分支，兩本攢帶天線專輯也相纜間世，至今已有近十本書?？梢?，70年代是做帶天線取得突破11進展的時期；在80年代中，微帶天線無論在理論與應(yīng)用的深度上和廣度上都獲得了進一步的發(fā)展；今天，這一新塑天線已趟干成熟，其應(yīng)用正在與日ffllgo二微帶天線的結(jié)構(gòu)與種類攢帶天線是在帶有導(dǎo)It接地極的介質(zhì)基片上姑導(dǎo)體薄片而形成的天線。它一般利用攢帶筑或同軸線等債線債電，在導(dǎo)體IB片與接地扳之同激麗起射頤電儲場，并通11站片E1周與接地板間的縫隙向外輻射。Hit』放帶天線也可看作是一種縫隙天線。其典型結(jié)溝血圖2.1所示通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現(xiàn)了一維小塑化，屬于電小天線的一類。另外，蝴著技術(shù)的進步，現(xiàn)在許名手機天線都是采用曲折線塑的撤帶天線實現(xiàn)了手機天線的小塑化。導(dǎo)休艮6片一般是規(guī)則形狀的面枳單元，如拒形、圓形或同壞形薄片等；也可以是窄長條形的薄片振子（偶股子）。由這兩種單元形成的彳散帶天線分別稱為fit帶貼片天線和條帶振子天纜,如圖1-3但）、（b）所示。彳散帶天線的另一種形式是利用IS帶線的某種形變（如彎曲、直軸彎頭等）來形成輻射，稱之為彳散帶線里天線，如圖1-3（0所示，放種天線因為沿線傳輸行股,Q稱為彳散帶行波天線。愉帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一H的做帶線或其它債線頃帶狀線）對其饋電，稱之為彳散帶行波天線,如圖1-3（d）所示。由各種愧帶輻射單元可構(gòu)成名種多樣的眸列天線，如彳散帶月占片陣天線，做帶振子眸天線,等等。三微帶天線的輻射原理像帶天線中有一址的尺寸遠遠小于波長，因而天線剖面很低（天線?。欣诠残卧O(shè)計保迅優(yōu)良的空氣動力特性。圖1所示的長為L,寬為W2的葩形做帶天線元可以看作一股的傳輸線連接兩個福射縫fflffioKlttlPfltt的傳輸線是由攢帶債線擴展其寬W1為W2而成，其長度L為半ffa帶波長，即入M2。在低陽傳輸線兩常形成兩個繾隙（“,b-b）,J5里的電場分解為兩個分量，其中En與接地極垂直；另_個與接地極并行，記作臼〃，由TL=Ag/2,垂直分量反相，平行分量同相，因此在垂ITS射源的方向上，水平分量有最大輻射分量，而垂直分量相互抵消。試驗表明，電場的水平分量在福射源的兩個端部，各向外延伸一個介質(zhì)板厚度h的長度內(nèi)存在。送樣就可近做認為彳散帶天線元的輻射等于兩個長度為W2,寬度為h,同距為L的裂縫組成的二元陣的福射。裂縫平面與接地面平行，裂縫受水平電場Ey的IMoEy沿裂縫是均勻分布的(即沿x均勻分布)。裂縫的激M場Ey可以等效為沿x方向的魏流。磁流密度，其中為裂縫面的法向單位矢量(iSz方向)?？紤]接地板的反射髀，則瀾的《?流密度,由于裂縫寬度h<J,所訣y沿y方向也是常數(shù)，故相應(yīng)的ig^lm可寫為于是裂縫的輻射就等效為磁流弓魚度Im相同的一系列脫基本陣子沿著x軸排列的連續(xù)陣的福射。ffl彳散帶天線的優(yōu)缺點與應(yīng)用號普通像波天線相比，攢帶天線有血下優(yōu)點：(Dlt枳小，重量經(jīng)；平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等表面相共形的結(jié)構(gòu)；饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)枸一起集成，適合于用印劃電路枝術(shù)am批量生產(chǎn)；能與有溫器件和電路集成為單一的配件；便于獲得懼1股化，容易實現(xiàn)雙原段、雙股化等多功能工作；沒有作大的變動，天線此能很容易地裝在導(dǎo)卿、火箭和衛(wèi)星。天線的做射截面較??；稍梢改變饋電位置就可以獲得線股化和同股化(左旋和右旋)。13帶天線適合于組合式設(shè)廿(固體器件，如振蒲器、故大器、混^器、功分器、矜相器、可變衰減器、調(diào)制器、開關(guān)等可以其接加到天線基片上)；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線給構(gòu)同時設(shè)計和UDlo但是與通常的撤波天線相比，微帶天線也有一些缺點：1）弟俱帶窄；2）有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，并且會激M表面波，導(dǎo)致輻射效率降低；3）助率容量較小，適用于中、小功率場合；4）性能受基片林料影喑大；5）饋線與福射元之間的隔離差；盡管如此，有一些方法可以用來減小某些缺點。例如，采用一些寬頻帶枝術(shù)可以有效地展寬頤帶；在設(shè)廿和制造過程中特別注崽并采取一些措葩就可抑制或消除表面波。在許名實際設(shè)廿中，彳散帶天線的優(yōu)點遠超過它的缺點。甚至在仍被認為是愧帶天線發(fā)展幼年時期的80年代時，0帶天線已有多種成功的應(yīng)用。盛著傲帶天線的逵續(xù)研究和發(fā)展以及日益增多的便用需求，可以預(yù)料，對于大名數(shù)的應(yīng)用，它將最終取代常規(guī)的天線。在一些顯要的系貌中已經(jīng)應(yīng)用攢帶天線的有：衛(wèi)星通訊；多普鞘及其它雷達，無線電測高廿，指揮和控制系筑導(dǎo)卑遙測；武器信管；便攜裝置；壞境檢測儀表；夏雜天線中的《!電單元；衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線；生物醫(yī)學(xué)輻射器；寺寺。相信砸著對鎖帶天線應(yīng)用可能性從識的提高，以及各種電路系統(tǒng)對天纜的小塑化集成化要求的提高，做帶天線的優(yōu)點日益占顯，其應(yīng)用場合將會繼續(xù)增名。五撤帶天線的分析方法攢帶天線的分析方法有很多，但是大依上可以分為解橋方法fllSffi方法兩大類。第一類方法基干圍繞站片邊緣的等效施流分布來計算輻射場，色桔傳輸線模里、腔體模型、多端網(wǎng)絡(luò)模里等。而第二類方法基于站片和地扳上的電流分布來it算輻射場，包括葩量法、有限元法Aiwa有眼差分法等。1解橋方法天線間題的嚴(yán)格分析是一個電磁場邊值里間題，需要根弼其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線的嚴(yán)格分析將是非常復(fù)雜的，而通常根據(jù)I3帶天線的實際特征他某些方面的IfJgfn近做進而得出分林模里SM不失為一種簡單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分折微帶天線的解折方法，這里我們主要介紹以下三種模里，它們由于其簡單實用而在規(guī)則姑片天線的分林中獲得了廣泛的應(yīng)用。傳輸線模型傳輸線模塑很簡單，并目有助干理解I3帶天線的基本特性，因此首先介^這種模塑方法。在建種模塑中，撤帶只占片天線被視為場沿著偷向沒有變化而沿著傳輸圾的延伸方向呈駐波分布的一個傳輸線諧振器。天線的福射主要源自兩個開胳終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距骷片長度的縫隙，其上分布有面譙渣。利用矢量位函數(shù)便可由/1蚤流汁算出天線的遠場福射和其它的電參數(shù)。盡管傳輸線模型易干使用，但是很多結(jié)構(gòu)類塑不能使用它來分析，這是因為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。腔體模型如果說傳輸線模塑因為有場汨傳《1線橫向無變化的限胃而只是仿攵帶天線在一維下近俶的話，那么腔體模塑就可以稱為二維近眥。因為腔體模里基于一維電小的基本假設(shè)（即介質(zhì)基片的I?度遠小干波長），需18帶^片與地板之同的空間等效為上下是電壁而四周是巍壁的諧振空腔。在腔休中，場沿基片厚度方向保持不變，并目它是該等效的二維諧振器中所有諧振模武之和。天線的瓦場輻射及其它電參數(shù)可以通11空腔E1周的等效磁流來得到。多端網(wǎng)絡(luò)模塑多端啊絡(luò)模塑實際上是腔體模型的一種柘展，在送種模里中，站片被等效為一個具有名個端口分布在^片四周的二絨平面網(wǎng)絡(luò)。通過二維揚林函數(shù)可以計算出該網(wǎng)絡(luò)的多端01杭拒陣，再添加一個等效的邊緣導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，便可以將邊緣場和福射場朕系起來，然后利用分割方法it算出全局皿捕拒陣，由站片皿周的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效施流it算出輻射場。利用等高線枳分技術(shù)可以使其在不規(guī)側(cè)形狀的^片天線中獲舄應(yīng)用。2數(shù)值方法雖然以上介紹的解折方法具有簡潔性和較為明確的物理恿義，但是它們不能用來分折任恿形狀的攢帶天線，同時微帶天線工程^確度的提高也對以上簡化模型分折方法提出了考騎。然而計算機技術(shù)的發(fā)展給攢帶天線的分折帶來了新的思路，即依據(jù)攢帶天線的電磁場邊值間題，將求解麥克斯韋攢分方程轉(zhuǎn)化為利用廿算機來求解矩眸代數(shù)方程。由此也產(chǎn)生了鄉(xiāng)種數(shù)值方法，它們各具有一些優(yōu)覦點和適用性，這里我們僅介給幾種典型的分折方法。矩量法分折18帶天線的基本思想是利用并矢怡林函數(shù)建立關(guān)于彳散帶舊片和地版上的表面電潦的枳分方程，然后利用函數(shù)展開法將此枳分方程轉(zhuǎn)化為拒陣方程，利用廿算機便可得出近做解。拒量法因為考慮了貼片周田的物理邊界的邊緣場而具有較高的IOo有限元法有限元法的原理是先將整個連續(xù)求解區(qū)損劃分為很名小的離散單元（如在二維結(jié)構(gòu)中選取三軸形單元，在三絨結(jié)枸中選取四面體單元等），在子域中將未知函數(shù)（如電儲場量、位函數(shù)或電流等）表示為子域基函數(shù)的JS值，根據(jù)變分原理或遇略金方法便可建立一彳、關(guān)干未知函數(shù)展開系數(shù)的拒陣方程，利用it算機便可方便求解該代數(shù)方程。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模抓任愆形狀的優(yōu)點，但是其求解猜度要受求解區(qū)域剖分猜細程度的影喑。WH有限差分法時域有限差分法的基本思想是把求解空間進行離散化，并冷麥克斯韋方程中的電感場量進行時間和空同的離散化，由此將麥克斯韋徼分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激刖源）和汁算空間的ill界條件，便可以得到fifiW間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通il離散傅里葉變換還可以得到三維空間的顓域解。時域有眼差分法的優(yōu)點是其離散比較簡單（空同網(wǎng)能大小一致、時同步長恒定），并目通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶x圍內(nèi)特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時間步長和空同步長的限翎。結(jié)語：13帶天線由于具有體枳小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易干加工、易與有源器件和電路集成為單一模挾等諸多優(yōu)點，因而自其逆生以來就得到社會各界的廣泛研究與應(yīng)用。但通常的做帶天線主要是一種諧振武天線，相對帶寬較窄。同時，砸著通爪技術(shù)的發(fā)展，寬帶的應(yīng)用越來