微帶裂縫漏波天線的fdd分析

微帶裂縫漏波天線的fdd分析

1微帶漏波傳播系數(shù)的數(shù)值仿真fmdd的基本一個近年來，由于微帶漏波天線的特點，其電源頻率清潔功能已廣泛應(yīng)用于許多方面，如交通費、防洪雷達等。微帶漏波天線工作于第一高階模TE01,能量以空間波的形式向外輻射。微帶漏波天線的主波束方向可由θ=90°-sin-1(β/k0)給出,β為第一高階模下漏波相位常數(shù),k0為自由空間波數(shù)。相對于傳統(tǒng)的智能天線(波束可調(diào)天線),微帶漏波天線具有波束寬度較窄、結(jié)構(gòu)簡單、剖面低、饋電方便等特點。微帶漏波天線輻射特性使用相對漏波傳播系數(shù)γ/k0=α/k0+jβ/k0(α為漏波衰減常數(shù))來說明。當β/k0<1時,天線工作于第一高階模TE01,輻射主波束方向隨著工作頻率的增大向端射方向偏移。一般把相對漏波傳播系數(shù)曲線中主波束開始掃描的頻率點到sin(90°-θ)=β/k0=1頻率點間的區(qū)域稱為漏波區(qū),即微帶漏波天線的工作區(qū)域,微帶漏波天線性能主要由此區(qū)域內(nèi)的相對漏波傳播系數(shù)(γ/k0=α/k0+jβ/k0)中的相對漏波相位常數(shù)β/k0決定。在以往的研究中,微帶漏波天線工作頻段較高,無法直接應(yīng)用于個人通信系統(tǒng)中。微帶縫隙天線是微帶天線的一種,最近開始有研究將縫隙技術(shù)應(yīng)用于微帶漏波天線上,取得了較好的效果。實驗證明,在微帶漏波天線上開縫可以有效地低頻化微帶漏波天線的漏波區(qū),使微帶漏波天線工作于較低的頻帶,而且可以縮小天線尺寸。但是,對微帶縫隙漏波天線的研究還停留在實驗驗證階段,缺乏理論上的驗證與分析。在以往的工作中,對微帶漏波天線應(yīng)用時域有限差分法FDTD數(shù)值仿真,通過一條經(jīng)驗公式成功地得到了微帶漏波天線的漏波傳播系數(shù),較好地說明了微帶漏波天線的各項性質(zhì)特點。本文中,應(yīng)用時域有限差分法(FDTD),對適用于移動通信頻段的微帶縫隙漏波天線作了初步的討論,得到了微帶縫隙漏波天線內(nèi)部電場分布,提出了一條有效的經(jīng)驗公式,成功地計算了微帶縫隙漏波天線的漏波傳播系數(shù)曲線,與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。通過數(shù)值仿真證明了在微帶漏波天線上開縫可以有效地降低漏波區(qū)頻率,使微帶漏波天線工作于較低的工作頻率。同時也對微帶縫隙漏波天線性能受縫隙寬度以及微帶寬度的影響作了初步研究。工作于移動通信頻段內(nèi)時,達到類似天線性能的微帶縫隙漏波天線尺寸比微帶漏波天線尺寸大約減少10%。2微帶滲透膜內(nèi)場分布使用FDTD方法對微帶縫隙漏波天線進行數(shù)值仿真,在微帶天線上開縫對微帶縫隙漏波天線的電場分布有直接的影響。如圖1所示為微帶縫隙漏波天線在工作頻率F=900MHz時的電場分布,在天線寬度為W=110mm,高度為h=5mm,長度為L=310mm,相對介電常數(shù)為εr=2.25的微帶漏波天線中央開縫,縫隙寬度為d=10mm。由諧振腔模理論可知,在微帶天線上開縫,縫隙寬度直接影響著微帶天線內(nèi)的電場分布。由仿真可知,當縫隙寬度小于某個特定數(shù)值,微帶縫隙漏波天線的電場分布與未開縫前相類似。而當縫隙寬度大于某一數(shù)值,電場分布出現(xiàn)劇烈變化。由圖1可見,當縫隙寬度d=10mm時,微帶上的縫隙嚴重影響微帶天線介質(zhì)板內(nèi)電場分布,不僅僅在長邊,在縫隙上電場也出現(xiàn)劇烈震動。在微帶天線上開縫,使同樣尺寸的微帶天線在相同工作頻率下,微帶天線相位發(fā)生了變化,漏波傳播系數(shù)曲線亦隨之變化。3微帶滲波天線時域仿真微帶縫隙漏波天線示意圖見圖1。由于微帶縫隙天線實際上是微帶天線的一種,適用于微帶漏波天線的理論分析工具也應(yīng)可適用于微帶縫隙漏波天線。吸收邊界條件使用二階Mur吸收邊界,激勵源使用時諧場激勵源。對于微帶縫隙漏波天線理論分析而言,最重要在于準確以及方便地得到微帶漏波傳播系數(shù)γ=α+jβ。通過使用FDTD對微帶縫隙漏波天線進行時域仿真,可以得到第一高階模下的瞬時電場值,可以從中提取微帶縫隙漏波天線中電磁波的波長nλ,kx=2π/λn(kx為TE01模下電波的傳播波數(shù))。根據(jù)諧振腔理論,可以把微帶天線看作為填充均勻介質(zhì)的雙導(dǎo)體平板傳輸線,板寬W,板間距h,有kc2=k2+γ2為傳播系統(tǒng)的本征值,k為確定的均勻媒質(zhì)中的波數(shù),γ為傳播系數(shù),所以有當kc2<k2,工作頻率f高于介質(zhì)頻率fC時,,β為實數(shù),為漏波傳播系數(shù)γ=α+jβ中的漏波相位常數(shù),電磁波為行波狀態(tài),可以在微帶漏波天線內(nèi)傳播以及向外輻射;當kc2>k2,工作頻率f低于介質(zhì)頻率fC時,,為漏波傳播系數(shù)γ=α+jβ中的衰減常數(shù)α,電磁波在微帶漏波天線內(nèi)截止,天線內(nèi)部只存在衰弱的電磁場。根據(jù)式(1),得到了一條有效計算微帶縫隙漏波天線傳播系數(shù)γ=α+jβ的經(jīng)驗公式其中,為自由空間波數(shù);λn為微帶縫隙漏波天線中電磁波的波長,為TE01模下電波的波數(shù);W為微帶縫隙漏波天線寬度,則為微帶縫隙漏波天線的截止波數(shù)。進而可得到一條計算相對漏波傳播系數(shù)(γ/k0=α/k0+jβ/k0)的經(jīng)驗公式4微帶裂隙漏波天線的數(shù)值計算對于微帶縫隙漏波天線而言,其最主要的性質(zhì)在于電控頻掃特性。微帶縫隙漏波天線工作于漏波區(qū)內(nèi)時,天線輻射主波束方向隨著工作頻率的增大向端射方向偏移,微帶縫隙漏波天線的主波束方向由θ=90°-sin-1(β/k0)給出。所以,位于漏波區(qū)內(nèi)的相對漏波相位常數(shù)β/k0已可以大體上說明天線的性能。在此,我們著重討論微帶縫隙漏波天線的相對漏波相位常數(shù)β/k0。以圖1所示天線結(jié)構(gòu)尺寸為例說明如何計算單一頻點時的相對漏波相位常數(shù)β/k0,當其工作于F=900MHz時,使用FDTD方法仿真得到電場分布,從中提取微帶縫隙漏波天線的波導(dǎo)波長nλ,代入式(3)就可得到天線寬度為W=110mm,高度為h=5mm,長度為L=310mm,相對介電常數(shù)為εr=2.25,縫隙寬度為d=10mm的微帶縫隙漏波天線在工作頻率為F=900MHz時的相對漏波相位常數(shù)β/k0數(shù)值計算數(shù)據(jù)。通過對同一結(jié)構(gòu)尺寸微帶縫隙漏波天線工作于不同工作頻率進行FDTD仿真,得到不同的波導(dǎo)波長nλ,代入式(3)計算相對漏波相位常數(shù)β/k0,就可以得到一條連續(xù)的工作頻率與相對漏波相位常數(shù)β/k0關(guān)系曲線。不同結(jié)構(gòu)尺寸的微帶縫隙漏波天線對應(yīng)不同的相對漏波相位常數(shù)β/k0曲線。而由微帶縫隙漏波天線的基本概念可知,天線主波束方向角θ=90°-sin-1(β/k0),通過測量微帶縫隙漏波天線在漏波區(qū)內(nèi)不同工作頻率下的主波束方向角θ,可以得到微帶縫隙漏波天線的相對漏波相位常數(shù)β/k0的實驗數(shù)據(jù)。圖2中對分別工作于840～980MHz以及1120～1200MHz的微帶縫隙漏波天線使用式(3)進行數(shù)值計算,同時亦對它們的遠場區(qū)方向圖進行了測量,得到了微帶縫隙漏波天線的相對漏波相位常數(shù)β/k0數(shù)值計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。工作于840～980MHz頻段,亦即移動通信頻段的微帶縫隙漏波天線其縫隙寬度為d=10mm,天線寬度為W=110mm;而工作于1120～1200MHz頻段的微帶縫隙漏波天線其縫隙寬度為d=10mm,天線寬度則為W=80mm,其余天線結(jié)構(gòu)參數(shù)兩者相同。為了滿足微帶漏波天線第一高階模條件,選取微帶縫隙漏波天線其它結(jié)構(gòu)參數(shù)為高度h=5mm,長度L=310mm,相對介電常數(shù)εr=2.25。圖2中可見,實驗數(shù)據(jù)與使用式(3)計算得到的數(shù)值計算數(shù)據(jù)進行了比較,實驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)吻合較好,證明式(3)可精確地計算微帶縫隙漏波天線的相對漏波相位常數(shù)β/k0。當縫隙寬度d=10mm保持不變的情況下,微帶縫隙漏波天線的微帶寬度分別為W=110mm和W=80mm時,相同縫隙寬度下,微帶寬度越大,相對相位常數(shù)曲線越向低頻區(qū)偏移,微帶縫隙漏波天線可以在較低的頻段上工作。改變微帶縫隙漏波天線的縫隙寬度或者微帶寬度可以使漏波傳播系數(shù)曲線發(fā)生平移。在某一工作頻率下,可以通過加載電容等方式改變縫隙或微帶天線的等效寬度,實現(xiàn)微帶縫隙漏波天線的主波束定頻掃描。圖3中可見,對于寬度同為W=110mm的兩塊微帶漏波天線,在其中一塊上開縫,縫隙寬度為d=10mm,縫隙對微帶漏波天線內(nèi)的電場產(chǎn)生嚴重影響,漏波相位常數(shù)曲線向低頻方向偏移,漏波區(qū)向低頻方向平移。在微帶漏波天線上開縫形成的微帶縫隙漏波天線,縫隙寬度達到某個數(shù)值之后,可以有效地使微帶漏波天線的漏波區(qū)低頻化,使微帶漏波天線工作于較低的頻段。圖3中同時指出,在相同的工作頻段中,使用微帶寬度為W=110mm,縫隙寬度為d=10mm微帶縫隙漏波天線就已經(jīng)可以達到微帶寬度為W=110mm微帶漏波天線的性能?？梢?使用縫隙天線可以大大減少微帶漏波天線尺寸。在移動通信頻段內(nèi),使用縫隙技術(shù)的微帶漏波天線的尺寸至少可以減少約10%。5開縫寬度、微帶寬度與天線性能的關(guān)系通過使用時域有限差分法對適用于移動通信頻段的微帶縫隙漏波天線進行了初步分析,得到了一條有效計算微帶縫隙漏波天線漏波傳播系數(shù)的經(jīng)驗公式,計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。通過數(shù)值仿真計算得到了微帶縫隙開縫寬度以及微帶寬度對微帶縫隙漏波天線性能影響的規(guī)律。在微帶漏波天線上開縫可以有效地降低微帶漏波天線的工作頻