板狀天線原理及分析

1、工學院課程考核論文 課程名稱： 微波技術與天線 題 目： 板狀天線基本原理及分析 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 08級1班 姓 名： 李亮亮 學 號： 1665080115 任課教師： 張平娟 摘要本文主要介紹了板狀天線的原理以及做出相應的分析。由于微帶天線具有重量輕、低剖面、成本低、易于制造、封裝和安裝等許多固有的優(yōu)點，本文選用微帶貼片天線作為天線單元。首先采用傳輸線法和腔模理論對矩形微帶天線進行分析，計算出矩形貼片的長，寬，并選擇基板材料和高度。然后針對設計指標詳細討論了各種因素對微帶貼片天線性能的影響，用背饋的方式完成了微帶貼片天線單元的設計方案，從而簡化饋電網(wǎng)絡。 板狀天線基本原理

2、及分析一 板狀天線基本原理板狀天線的基本知識：無論是GSM還是CDMA，板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠以及使用壽命長。板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應選擇相應的天線型號。圖1-1板狀天線的基本形式如圖所示，板狀天線是在陣列天線或者天線單元的下方加上一塊反射板，使波束往前方發(fā)射，利用反射板可把輻射能控制到單側方向，平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的圖12說明了反射面的作用，反射面把功率反射到單側方向，提高了增益。天線的基本知識全向陣（垂直陣

3、列不帶平面反射板）。拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構成包括兩個基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源，基站天線可供設計的參數(shù)是天線的垂直波瓣和水平波瓣，垂直波瓣是通過陣列天線來實現(xiàn)的，而水平波瓣是由所采用的天線單元樣式和相應的反射板所決定。 圖1-2水平面方向圖板狀天線高增益的形成：1.采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣，如圖1-3圖1-3直線陣的方向和模型2.在直線陣的一側加一塊反射板（以帶反射板的二半波振子垂直陣為例），如圖2-4 圖1-4帶反射板直線陣的方向和模型板狀天線是由

4、徽帶天線發(fā)展而來。天線單元可以選擇半波振子和微帶天線元，微帶天線是當今天線技術的發(fā)展趨勢,將微帶天線用于移動通信系統(tǒng)是非常有意義的。因此本文選擇微帶天線作為天線元，而采用單片微帶天線很難達到系統(tǒng)所要求的增益等指標,故本文采用線陣作為天線陣列中的陣列單元。1.1 反射板的形狀基站天線的輻射單元有對稱振子、印刷偶極子和微帶天線等。為簡化分析模型，這里以對稱振子加反射板為例進行分析，其中反射板的橫截面形狀如圖2.1所示。對稱振子的諧振頻率約為GSM通信中的1.gGHz。振子天線與反射板間的距離均設為。常見的幾種反射板形狀(如圖2-5所示)包括矩形平板，角形反射板，帶側邊緣的矩形平板，變形角形反射板，

5、帶側邊緣的變形角形反射板等。通過改變每種反射板結構的尺寸參數(shù)，可以得到所需的天線水平面輻射方向圖和最優(yōu)的前后比特性，其中前后比特性即后向士300之間的方向特性。7圖1-5基站天線幾種發(fā)射板形狀1.2 蜂窩基站天線單元蜂窩系統(tǒng)中基站天線最常采用的天線形式是印制振子天線，此類半波振子天線在駐波比（VSWR, voltage standing wave ratio）小于2.0時有大于15的頻帶寬度。通過在天線的下方加反射板的辦法可以把振子天線的H面全向方向圖壓制成一個扇區(qū)波瓣形狀。在垂直面內(nèi)組陣時，天線的饋電網(wǎng)絡由微帶線組成。由于饋電網(wǎng)絡的微帶線是非平衡結構，而天線需要平衡饋電，因而在微帶線和天線之

6、間應引入一個非平衡平衡變換裝置（巴倫）。天線為了適合批量生產(chǎn)，平衡巴倫與天線振子采用一體化設計技術。印制振子天線安裝在一塊反射板上可以在水平面方向形成一個扇區(qū)波瓣。反射板的形狀主要用來調(diào)整水平面波瓣寬度。在日本的個人數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（PDC）中，天線的水平面半功率波瓣寬度為120或90。60波瓣寬度的天線用于IMT2000。寬的頻帶不只是對輸入阻抗特性而言，同時要求水平面的方向圖也要有好的寬帶性能，附加于印制振子天線上的寄生單元可使水平面的輻射方向圖在頻帶內(nèi)保持一致。如果要求更窄的波瓣寬度，可以采用兩個天線單元組合的方式。微帶天線的半功率波瓣寬度小于90。微帶天線的缺點是它的頻帶窄。對一個微帶天線

7、而言，如果基板的厚度在0.8mm3.2mm之間，其帶寬約為23，而在蜂窩系統(tǒng)中用于分集接收的天線要求具有813的帶寬。為了展寬微帶天線的頻帶，可以采取在輻射單元上方加寄生單元的方法。蜂窩系統(tǒng)中主要采用垂直極化，然而水平極化和45斜極化常用于極化分集系統(tǒng)。一種印制雙振子天線既用于垂直極化分集系統(tǒng)又用于水平極化分集系統(tǒng)。全向天線用于用戶相對較少的市郊。要求增益較低時，天線采用套筒振子形式；要求增益較高時，天線采用共線陣列形式。設計陣列時，從結構簡單化的角度考慮，單元可以采用這樣一種形式：對于全向天線，在基板上蝕刻一條一個波長的槽。為了獲得寬頻帶特性，可以把單元嵌入一個導體圓柱面中，這時候，導體圓柱

8、面起著寄生單元的作用。3二微帶天線概述 對于陣列天線而言，可作為陣列天線陣元的單元天線有很多種如振子天線、環(huán)天線、縫隙天線、螺旋天線、背射天線等。結合我們近年來實驗室的科研項目和實驗研究。單元天線主要選取了微帶天線、振子天線、背射天線作為天線陣元進行組陣研究。重點的研究對象為微帶天線。因為微帶天線固有的特點，它很適合進行天線組陣的研究。在天線組陣中，目前己有本實驗室研制的圓環(huán)背射天線的二元陣列投入工程應用，并有相應產(chǎn)品面世。但主要的研究方向還是集中于微帶天線的組陣方案，現(xiàn)對微帶天線進行理論和實驗的分析。微帶輻射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。但是過了二十年，當較好的理論模型

9、及對敷銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術發(fā)展之后，實際的天線才制造出來。這種基片介電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特性和機械特性及低損耗角正切。最早的實際的微帶天線是Howen和Munsno在二十世紀七十年代初期研制成的。在此之后，由于微帶天線的許多優(yōu)點，諸如重量輕、體積小、成本低，平面結構可以和集成電路兼容等，微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，從而使微帶天線獲得了多種應用，并且在微波天線中作為一個分立領域獲得了很大的發(fā)展。目前，已研制成了各種類型平面結構的印制天線，例如，微帶天線、帶線縫隙天線、背腔印制天線以及印制偶極子天線。而一般所指的微帶天線，可分為三種基本類型:微帶貼片天線、微帶行波天線、微帶縫隙天線

10、。它們的輻射機理是由微帶貼片、或準TEM模傳輸線、或開在地板上的縫隙產(chǎn)生輻射。同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點。因而，在大約10OMHz到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應用。與通常的微彼天線相比，微帶天線具有很多優(yōu)點：1.重量輕、體積小、剖面薄的平面結構，可以做成共形天線；2.制造成本低，易于大量生產(chǎn)；3.可以做得很薄，因此，不擾動裝載的宇宙飛船等飛行器的空氣動力學性能；4.無需作大的變動，天線就很容易地裝在導彈、火箭和衛(wèi)星上;5.天線的散射截面較??；6.稍微改變饋電位置就可獲得線極化和圓極化(左旋和右旋);7.不需要背腔，微帶天線適合于組合式設計(固體器件如振蕩器、放大器、可變衰

11、減器、開關、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上。微帶天線 與通常的微波天線相比，也有一些缺點:1.頻帶窄;2.有損耗，因而增益較低;3.大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射;4.最大增益實際上受限制(約為20dB);5.饋線與輻射元之間的隔離差;6.端射性能差;7.可能存在表面波，功率容量較低。但是，采取一些辦法可減少某些缺點，例如，只要在設計和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。在實際應用中，微帶天線的優(yōu)點遠遠超過它的缺點。微帶天線已廣泛應用于各個領域，其主要應用范圍如下:衛(wèi)星通信、多普勒及其它雷達、無線電測高計、指揮和控制系統(tǒng)、導彈遙測、武器信管、便攜裝置、環(huán)境檢測儀表和遙感、復雜

12、天線中的饋電單元、衛(wèi)星導航接收機、生物醫(yī)學輻射器等。但在目前，由于無線通信的飛速發(fā)展，微帶天線在無線通信中已獲得廣泛應用，它還將繼續(xù)在無線通信中發(fā)揮重要的作用，而且將進一步擴大其應用領域2.1 微帶天線的輻射機理微帶天線的輻射可以用圖2-1（a）所示的簡單情況來說明。圖2-1 矩形微帶貼片天線 (b)側視圖 (c)頂視圖這是一個一個矩形微帶貼片，與地板相距幾分之一波長。假定電場沿微帶結構的寬度和厚度方向沒有變化，則輻射器的電場結構可由圖1-6(b)表示，電場僅沿約為半波長的貼片長度方向變化。輻射基片上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。在兩端的場相對于地板可以分解為法向分量和切向分量，因為貼片長為

13、半波長，所以法向分量反相，由它們產(chǎn)生的遠區(qū)場在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成場增強，從而使垂直于結構表面的方向，上輻射場最強。所以，貼片可表示為相距半波長、同相激勵并向地板以上空間輻射的兩個縫隙圖2-1(c)。也可以考慮電場沿貼片寬度的變化。這時微帶貼片天線可以用貼片周圍的四個縫隙來表示。同樣，其它微帶天線結構也可用等效的縫隙來表示。2.2 微帶天線的饋電方法大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當?shù)剡x取饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。因此，

14、可用格林函數(shù)法來確定微帶線饋電和同軸饋電位置的影響。1.微帶線饋電微帶饋電分為中心微帶饋電和偏心微帶饋電結構示于。饋電點的位置也決定激勵哪種模式。當天線元的尺寸確定后可按下法進行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設計出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新作成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線模可用許多方法激勵。如果場沿矩形貼片的寬度變化，則當饋線沿寬度變化時，輸入阻抗隨之改變，從而提供了一種阻抗匹配的簡單方法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移，而輻

15、射方向圖仍然保持不變。不過稍加改變貼片尺寸或天線尺寸，可補償諧振頻率的漂移。2. 同軸線饋電同軸饋電可以有中心、偏心、任意位置饋電。在所有情況中，同軸插座安裝在印刷電路的背面，而同軸線內(nèi)的位置可由經(jīng)驗去找，以便產(chǎn)生最好的匹配。這種饋源的理論模型，可表示為z向電流圓柱和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)。其簡化處理是略去磁流的作用，并用中心位于圓柱中心軸的電流片來等效電流柱。一中更嚴格的處理，是把接地板上的同軸開口作為傳TEM波的激勵源，而把圓柱探針的效應按邊界條件來處理。微帶輻射器的輸入阻抗或輸入導納是一個基本參數(shù)。因此應精確知道輸入導納，以便在單元和饋線之間做到良好的匹配。83. 微帶縫隙饋電微帶

16、縫隙饋電饋電方式如圖2-2： 圖2-2微帶縫隙饋點2.3 矩形微帶天線及其分析方法最簡單的微帶貼片結構是矩形微帶天線，如圖2-3所示。其基本天線元是薄介質(zhì)基片上的帶狀導體，介質(zhì)基片的背面是地板。由于這種天線結構簡單，因而成為大量研究論文的課題，并且作了許多努力來預計和計算矩形微帶天線的輻射特性。它們從復雜的數(shù)學表達式到簡單的模型，現(xiàn)已證明，這些數(shù)學表示式和模型已經(jīng)足夠了，但還不能得到精確解。圖2-3矩形微帶貼片天線微帶貼片輻射器的特性可由輻射方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬、波瓣寬度 、效率、損耗和Q因數(shù)來表征。因而，雖然方法很多，但是，就設計成本和性能推算而論，有一個最佳方法，既可以用簡單的表示

17、式推算天線參數(shù)并與實驗得到的結果相一致。下面將介紹腔體模型和傳輸線模型。2.4 腔體模型理論圖2-4空腔模型幾何關系如圖2-4所示微帶貼片天線微帶片和接地板之間的盒形區(qū)域可看作諧振腔它的上下壁為微帶片和面積相同的接地板周圍的柱形面為側璧。這個模型的提出是基于觀察到：在以微帶和地板為邊界的區(qū)域內(nèi)，電場只有z分量，而磁場只有x和y分量；在此區(qū)域中，對于所有有意義的頻率，場都和z坐標無關；在邊緣的任何點上，微帶中的電流都沒有正交于邊緣的分量，這意味著沿邊緣的切向分量可以忽略。因而，微帶和地板之間的區(qū)域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下兩面的電壁圍成的腔體。天線中的場可以假定為腔體的場，從而可求出輻射方

18、向圖、輻射功率和饋電點在任何位置的輸入導納。用下面的關系式可求得腔體模型的電場和磁場 （2-1） （2-2） （2-3）在磁壁上， （2-4）式中，是相對于z軸的橫向算子，是矩形微帶貼片輻射器場的解，對于TMmn模，其諧振波數(shù)kmn為 （2-5）當微帶天線用微帶線或同軸線饋電時，將激勵起許多模，如在解中考慮的不夠，就產(chǎn)生錯誤的結論。假定微帶天線的周界可用理想導磁體圍起來而不擾動場分布，則場可用模函數(shù)展開。對此，圖2.5結構中的Ez分量可寫成 (2-6)式子中，；是介質(zhì)的損耗角正切；。 (2-7)和是黎曼（Neumann）數(shù)，定義為 (2-8)d是沿z方向一安培均勻饋電電流帶的有效寬度。 當知道

19、了場分布時，可將惠更斯原理用于腔體磁壁以確定在周界上的磁流源 (2-9)于是，方向圖、輻射功率、輸入阻抗等均可很容易的求出。由上述討論不難看出基本的腔模理論應用上的限制h的條件是很重要。2.3 傳輸線模型理論Munson和Derneryd的傳輸線模型可得出適合大多數(shù)工程應用的結果，并且需要的計算量不大。但是，這種模型也有其缺點，特別是它僅適用于矩形（或正方形）貼片。微帶輻射器單元可看作一個場沒有橫向變化的傳輸線諧振器，場只沿長度變化，通常長度是半個波長，輻射主要由開路端的邊緣場產(chǎn)生。輻射器可表示成在x-y平面內(nèi)，間距為L的兩個縫隙（見圖2-10）。每個縫隙的輻射場同具有磁流的磁偶極子輻射場一樣

20、 （2-10） 式中，因數(shù)2是由于接近地板的正像所引出；V0是縫隙兩端的電壓，在整個縫寬上，V0不隨x變化。對于單個縫隙，離原點為r處的遠區(qū)場為 （2-11） （2-12）式中 （2-13）當/2時，E面的方向性F()為 （2-14）同樣，當/2時，F(xiàn)()表示H面的方向性并可寫為 （2.15）因此，間距為L的兩個縫隙，其E面的輻射方向性為 （2.16）而H面方向性和L無關，可由式（2.15）給出。 圖2-5 用兩個輻射縫隙表示的微帶天線及縫隙的幾何形狀和坐標系三矩形微帶天線的性能分析1.方向圖對于大多數(shù)工程應用來說，簡單的傳輸線模型給出的結果已足夠滿意。因此，輻射方向圖可由式（2.14）和（2

21、.15）畫出。見圖2.5。 圖3-1 矩形微帶天線理論方向圖E面方向圖計算公式： （3-1） H面方向圖計算公式： （3-2）2.帶寬饋線的電壓駐波比（VSWR）小于S時，微帶天線帶寬為 （3-3）式中QT為品質(zhì)因數(shù)計算證明，當頻率一定時，選用較大的h和較低值可得到較寬的帶寬。通常微帶天線的帶寬約為百分之幾的量級。為了增加帶寬，可增加輻射單元的電感、在微帶天線上挖孔或開槽、或者附加電感分量以及改善輻射單元同饋線的匹配等方法。3.波瓣寬度微帶天線主瓣的半功率角寬度可近似由下式計算 （3-4） （3-5）由式可見，選較小的輻射單元尺寸可加寬微帶天線的主瓣寬度。上述表達式對微帶天線提供了一個很好的預

22、算和設計方法。但設計值不一定和測量值相吻合，其原因很多，如地板的大小，介質(zhì)基片性質(zhì)的容許偏差以及制造誤差等。4.方向性系數(shù)及增益：將矩形微帶天線看成一段傳輸線分開的兩個縫隙所構成，其中一個縫隙的方向性系數(shù)可表示成 （3-6）則整個矩形微帶天線的方向性系數(shù)可表示為 （3-7）其中為歸一化互導，可由下式求出 （3-8）其中為單縫的輻射電導，為以x為自變量的零階貝塞爾函數(shù)。要求出天線的增益，就必須知道矩形微帶天線的效率。效率公式可表示為 （3-9）為輻射電導，為導體電導，為介質(zhì)電導，P為它們相應的功率，則增益可表示為： （3-10）四 基站天線的改善技術波束下傾技術的主要目的是傾斜主波束以壓縮朝重用

23、頻率的蜂窩方向的輻射電平而增加信嗓比。在這種情況下，雖然在區(qū)域邊緣載波電平也降低了，但是干擾電平比載波電平降低得更多，所以總的信噪比增加了。從系統(tǒng)設計的觀點來看，這是一個優(yōu)點。全球多數(shù)蜂窩系統(tǒng)都采用了這項技術.通過對有波束傾斜天線和無波束傾斜天線的比較，同樣證明了波束傾斜技術是有效的，波束傾斜天線使得從基站內(nèi)干擾電平超過系統(tǒng)門限電平的距離顯著縮短。實現(xiàn)波束傾斜的技術主要有兩種:一種是通過調(diào)整天線陣的激勵系數(shù)實現(xiàn)波束傾斜:另一種是通過機械辦法來實現(xiàn)。機械天線指機械調(diào)整下傾角的天線.機械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網(wǎng)絡優(yōu)化的需要，豁調(diào)整天線的下傾角，就得通過調(diào)整天線背面的支架來完成。調(diào)整后雖然

24、天線主瓣方向理蓋距離明顯變化，但天線的垂直分量和水平分t的幅值不變，因此天線方向圖容易變形.實踐證明:機械下調(diào)天線的最佳下傾角為15； 當下傾角度在510變化時，其天線方向圖稍有變形但變化不大，當下傾角在1015變化時，天線方向圖變化較大；當機械下傾15后，天線方向圖形狀改變很大，雖然主瓣方向扭蓋距離明顯縮短，但是整個天線方向圖不是都在基本扇區(qū)內(nèi)，在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會收到該基站的信號，從而造成嚴重的系統(tǒng)內(nèi)干擾.另外機械天線調(diào)整傾角的步進度數(shù)為1，在調(diào)整時整個系統(tǒng)都要關機，不能在調(diào)整天線傾角時同時進行監(jiān)測，機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值，同實際最佳下傾角度有一定的偏差。而且，機械天線調(diào)整下