（无线电物理专业论文）带高阻面结构的新型折叠槽天线的设计.pdf

摘要 本论文是在结合现有的研究成果基础上对折叠槽天线进行进一步的研究和 性能改善。该研究课题受到了国家自然科学基金课题“用于移动终端的紧凑型可 重构平面天线”的支持。 为了适应现代信息社会对无线通信的大容量、超宽带的要求，又因为折叠槽 天线( f o l d e ds l o ta n t e n n a ) 的特点和优势，折叠槽天线在无线通信系统中的 应用得到了日益重视。这就构成了本论文的研究背景。 在第二章中，首先介绍了折叠槽天线的基本概念，对折叠槽天线的设计原理 和方法做了分析。然后，根据具体的设计参数要求，经过仿真得到了天线的设计 原型。 为了加入p h o t o n i cb a n d g a p ( p b g ) 中h i g hi m p e d a n c eg r o u n dp l a n e ( h i g p ) 结构以改善天线的辐射特性，第三章特别总结了h i g p 的相关理论。其中重点介 绍了p b g 的基本概念，分析了p b g 的分类、用途和高阻抗表面结构，对高阻抗表 面的设计理论做了总结。 在第四章中，根据研究目的，将h i g p 结构加入到天线的设计原型中对折叠 槽天线进行深入研究。此部分总结了天线的设计步骤，设计了天线的实际三维结 构，并且，利用仿真得出结果符合设计要求。 在第四部分的基础上，第五章再次对该天线设计做性能改善，使用二元折叠 槽阵列天线。首先，分析和总结了二元折叠槽阵列天线的理论和设计方法。然后 设计实现，经过仿真发现引入该设计后的天线不但达到设计要求，而且与之前的 设计相比较，性能得到很大改善。 在介绍了前面各部分的基础上，本论文在篼六章对课题阶段所做的工作做了 系统小结。 本论文分析和总结了折叠槽天线的理论和设计方法。并且，在此基础上，结 合相关理论，对天线进行深入的设计。先后加入h i g p 结构和使用二元阵列天线， 极大的改善和提高了天线的性能。 关键词：折叠槽天线，二元折叠槽天线阵列，高阻面结构 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s eo ff o r m a lr e s e a r c hp r o d u c t i o n s ，h a saf u r t h e r r e s e a r c ho nt h et h e s i so ff o l d e ds l o ta n t e n n a ，a n da i m sa ti m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e o ff o l d e ds l o ta n t e n n a t h i sw o r ki s s u p p o r t e db yt h er e s e a r c hf u n d “c o m p a c t r e c o n f i g u r a b l ep l a n a ra n t e n n ai nm o b i l e ”，w h i c hb e l o n g st ot h en a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ef u n d 。 f o rt h es a k eo fa d a p t i n gt oh i g hc a p a b i l i t ya n du w b ( u l t r a w i d eb a n d ) o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sr e q u i r e db ym o d e r ni n f o r m a t i o ns o c i e t y ，a l s oa c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so ff o l d e ds l o ta n t e n n a ，t h ea p p l i c a t i o n so ff o l d e d s l o ta n t e n n ai nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er e g a r d e db yr e s e a r c h e r s s u c h h e r e i n b e f o r ei sj u s tt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do l t h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e rt w o ，f i r s to fa l l ，t h eb a s i cc o n c e p t i o n so ff o l d e ds l o ta n t e n n aa r e g e n e r a l i z e d ，a n dt h ed e s i g np r i n c i p l e sa n dm e a n sa r ea n a l y z e d a n dt h e n ，b a s e do l lt h e m a t e r i a lp a r a m e t e r sr e q u i r e db yt h ed e s i g n s ，t h ep r o t o t y p eo fa n t e n n ai sd e s i g n e db y e m u l a t i n g b yt h ew a yo l a p p l y i n gh i g hi m p e d a n c eg r o u n dp l a n e ( h i g p ) o fp h o t o n i c b a n d g a p ( p b g ) t o i m p r o v e t h er a d i a t i o no f t h ea n t e n n a c h a p t e r t h r e eg e n e r a l i z e s t h e c o r r e l a t i v ep r i n c i p l e so fh i g pt h eb a s i cc o n c e p t i o no fp b gi s b r m u l a t e d t h e c l a s s i f i c a t i o n u s ea n dh i g hi m p e d a n c eg r o u n dp l a n eo fp b ga r ea n a l y z e d ，a n dd e s i g n p r i n c i p l e so l i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ea r eg e n e r a l i z e d i nc h a p t e rf o u r ，o na c c o u n to ft h er e s e a r c ha i m ，h i g pi sa p p l i e di nt h ep r o t o t y p e o fa n t e n n at of u r t h e rr e s e a l 。c ho nf o l d e ds l o ta n t e n n at h i sc h a p t e rg e n e r a l i z e st h e d e s i g np r o c e s so fa n t e n n a d e s i g n st h et h r e e d i m e n s i o n a lc o n f i g u r a t i o no fa n t e n n a ， a n dg a i n st h er e s u l t sr u t f i l l i n gt h ed e s i g nr e q u e s tb ys i m u l a t i o n o nt h eb a s i so fc h a p t e rf o u r ，c h p a t e rf i v ei m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h i s a n t e n n a d e s i g nb ya p p l y i n g d o u b l ef o l d e ds l o ta n t e n n a st o b e g i nw i t h ，t h e c o n c e p t i o n sa n dd e s i g nm e a n so fd o u b l ef o l d e ds l o ta n t e n n a sa r ea n a l y z e da n d g e n e r a l i z e d i na d d i t i o n ，t h ed e s i g ni si m p l e m e n t e db ys i m u l a t i o n ，t h ea n t e n n a ，w h i c h a p p l i e st h i sd e s i g n ，n o to n l y f u l f i l l st h er e q u e s t ，b u ta l s oh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e c o m p a r i n gt ot h e b r m e rd e s i g n t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e sa n dg e n e r a l i z e st h ec o n c e p t i o n sm a dd e s i g nm e a n so f f o l d e ds l o t a n t e n n a ，p r e s e n t st h ep r o t o t y p e o fa n t e n n a a n dc o n n e c t i n gw i t h c o r r e l a t i v ep r i n c i p l e s ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a saf u r t h e rr e s e a r c ho nt h et h e s i so ff o l d e d s l o ta n t e n n a ，b ya p p l y i n gh i g ps t r u c t u r ea n da n t e n n aa r r a yo ft w oe l e m e n t s s u c c e s s i v e l y ，t h ep e r f o r m a n c eo fa n t e n n ai sa m e l i o r a t e da n di m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：f o l d e ds l o ta n t e n n a ( f s a ) ，d o u b l ef o l d e d s l o ta n t e n n a s ( d f s ) ， h i g hi m p e d a n c eg r o u n dp l a n e ( h i g p 电子群技大学硬圭论文 。 硒究骛豢 第一章前言 科技的迅猛发展使现代社会融经步入信息社会，信息社会的主要标惑之一 是信息快速丽广泛的传递。从本质上说，信息传递必须通过两种方式：有线传输 方式和无线传输方式。目前的固定电话、有线电视、有线互联网络等都属于有线 传竣。现代移霸通信、卫星运稼、蠢线本遗通绩和蠢耱军，民曩雷达豹睡惑传递 方式藏属于秃线传辕方式“4 。隧答辩学技术的遴一步发震，无线傣输竣术将发 挥越来越重嚣的作用。 一切无线通信、军民用雷达等各种无线系统都怒利用无线电波来谶行工作 的，而无线电波的接受和发射则是侬靠天线来完成。天线的主要功能有两点：第 一点是能量转他功能，第二点楚定国辐射( 或者接收) 功能。1 3 。英特靛整接影 璃至无线系绞的工奄荽穗往，鬣魏窀楚无线系统懿关键黎传之一。蠡获1 8 8 7 年赫 兹设计出第一副天线以来，特别魑第二次世界大战以厝，天线理论、设计和应用 得到了迅猛的发展o 。5 ，并进入了一个相对成熟的阶段。但是人们在对无线电技 术的研究、探索和应用中仍然在不断地对天线提出新的要求”。 髫前，蛋释综合信息系统发展的重要方向之一怒：丈容量、多功熊、超宽 豢”1 。缀臻嚣，透过疆毫系襞器登、增葫系统功麓、扩浸系统赘宽，一方瑟霹 以满足日盏膨胀的实际需求，另一方面也可以降低系统成本“”。但是强代大容量、 多功能、趣宽带综合信息系统的迅猛发展，使得在同平台上搭载的信息子系统 数量增加。作为无线系统中信息出入的必然通道天线，其数量也相应增加。 但从降低综合信息系统的整体成本、减轻重量、减小象统酌雷达散射截灏、实现 蹇磐熬迄磁蔌签特连等方嚣寒纛，这耱现象 豢耷豢，瞧藏为裁终综合蘩戆系统 进一步向大蜜蹩、多功能、趣宽帮方向发展和应用的大“瓶颈”。因此，开始 对各种天线本身进行深入研究，希望从改善天线性能上找到突破口。在这种情况 下，无线通信系统开始对折叠槽天线( f o l d e ds l o ta n t e n n a ) 感兴趣，这是因 为它们具有平面、低成本、轻黧擞、尺寸紧凑、容易制造和容易同微波电路结合 等一系列绫点。嚣蘧着天线搂魄技拳鳕发震，共嚣波导( c o p l a n a rw a v e g u i d e ) 馈电天线在这几年被广泛遣研究腹用。 共面波导( c p w ) 相对于微带线，具有低辐射损耗、更小的离散、荤平面结 构以及容易装配并联集总参数绒有源器件等优点。在h m i c 和m m i c 中，共筒波导 正在得到广泛的应用。将共面波导应用于m i c 中，增加了电路设讨的灵活性，荠 电子科技大学硕士论文 可改善某些功能电路的性能。用共面波导便于设计制作非互易铁氧体元件、定向 耦合器等，能与介质基片另一面的微带线或槽线相结合使用，还可以用于设计耦 合器、滤波器、过渡电路等组合元件。而c p w 馈电的折叠槽天线( f s a ) 在微波 和毫米波中的地位日渐重要也是由于c p w 传输线的日益受欢迎。综上，这种天线 总的来说具有体积小、共平面、轻重量、制造简单、同有源器件容易结合以及提 供更宽的带宽的特点。所以，这种天线在未来的应用主要是作为低成本的无线通 信系统的辐射元。 本论文所研究的课题正是基于这背景提出的，论文所涉及的内容包括： 高阻面结构的研究，首先在普通折叠槽天线下面加高阻面结构，并且在此基础上 设计了加高阻面结构的二元阵列天线。 1 2 国内外已经研究的o p w 馈电的f s a s i n g es l o ta n t e n n a ( 缩写为s s a ) 也称为开槽天线，是一种在金属板( 或 圆筒、圆锥、球面等) 和波导壁上开一个或多个缝隙，用以辐射或接收电磁波的 天线。结构就是在一个导体板上挖一个细长的缝隙而构成。 将开槽天线折合起来，就出现了f s a 这种折叠槽天线。它的结构如图1 1 ： 图1 1 折叠槽天线的几何结构图 现在已经设计了一个毫米波段的共面地板f s a “，选择其谐振频率为3 0 g h z ， 介质层是相对介电常数比较低的s i ( 1 欧一c m ) ，其上层涂的一层很薄的环氧树脂 ( p o l y i m i d e ) 是用于吸收表面波的。其横截面如图1 2 ，尺寸如表11 所示。 文献中的这个结构，天线在谐振频率点的输入阻抗是2 5 0 欧姆，而馈线的特 性阻抗是6 0 欧姆，于是用了一个四分之一波长阻抗变换器来匹配天线和馈线， 如图13 所示。 2 电子科技大学硕士论文 c 州潮e 图12 共面波导馈电模式的横截面 表11 折叠槽天线的设计参数 图1 3 插入的图为k 4 的馈线和天线馈线的结合处 用h f s s 仿真此结构，介质厚度是5 0 0 肼，导体带和介质之间的是2 0 聊厚 的p o l y i m i d e ，在天线空气盒的上面和周围是辐射边界，介质硅的底部是理想导 体。s 1 l 的仿真结果如图1 4 所示，测试结果如图1 5 所示。 另外，在应用中希望天线的e 面方向性辐射更强，出现了把2 个贴片天线元 排列在一起而形成的二元贴片天线阵“，结构如图1 6 所示。 电子科技大学硕士论文 l 一 f h # j 图14 折叠槽天线回波损耗的仿真结果 图1 5 折叠槽天线回波损耗的测试结果 1 3 本文的研究内容和主要工作 本论文的研究工作是在已有的文献基础上对折叠槽天线进行进一步的研究 和性能改善。本论文研究课题受到了国家自然科学基金课题：“用于移动终端的 紧凑型可重构平面天线”( 2 0 0 4 年一2 0 0 6 年) 的支持。近一年来，通过对该课题 的潜心研究，取得一系列的重要成果，这些成果构成了本论文的主要工作，概括 起来，主要包括以下几个方面： 4 电子科技大学硕士论文 图16 二元共面贴片天线阵 1 共面波导c p w 馈电的折叠槽天线的基本原理探索 槽天线虽然是非常熟悉的天线，但是关于c p w 馈电的折叠槽天线在文献中介 绍得还不是很多，特别是不用外接匹配网络或是阻抗变换器而能直接和c p w 馈电 线相接的折叠槽天线的设计更是几乎没有出现。为了设计一个能用5 0 欧姆的c p w 直接馈电的折叠槽天线，本论文结合大量的文献，根据折叠槽天线设计原理的试 验研究，设计出了不对称的特性阻抗为5 0 欧姆的符合要求的天线。 2 高阻抗表面结构的研究和运用 近来，随着光子晶体概念在电磁领域的不断拓展，新型电磁带隙结构材料得 到了广泛的研究和应用。电磁带隙微带天线是这种新材料的重要应用者之一。根 据晶格结构在天线中的不同位置，目前已形成了四种电磁带隙结构微带天线：基 底钻孑l 型、地面刻蚀型、高阻抗表面型和u c p b g ( u n i p a l a rc o m p a c t p h o t o n i c b a n d g a p ) 型。这些结构都在一定程度上改善了微带天线的性能。本论 文选择其中的周期结构h i g hi m p e d a n c eg r o u n dp l a n e ( h i g p 高阻面) 进行了研 究，并且第一次将它应用于槽天线结构，克服了天线表面波的影响并且证明即使 采用低介电常数基片也能提高天线增益。 3 二元天线阵的研究 某些特定用途要求天线有较强的方向性和增益，要求天线的方向图能够扫描 或是具有其他特殊的性能，这时单个辐射器往往难以胜任，解决问题的主要方法 就是采用由多个辐射器按一定方式排列而组成的天线阵列( 或称阵列天线) 。我 们为了增强天线的辐射特性，根据现在已有的二元贴片天线阵，将2 个折叠槽天 5 电子科技大学硕士论文 线放在一起，也组成2 元天线阵，这个阵列天线比f s a 的方向性更强而且带宽增 加了许多。 本论文通过以上几个部分的研究，我们设计的天线最终基本达到要求，并且 天线性能比以前的天线提高很多，不能不说是一大进步。下面几章我们将分章节 详细介绍这几个部分的内容。 电子科技大学硕士论文 图2 1 微带天线的结构图 由于微带天线的突出优点是易于共形设计，再加上体积小、重量轻、成本 低、制造工艺简单，薄的平面结构，可以和集成电路兼容等优点，所以微带天线 得到了广泛的研究和进一步的发展，从而使它在i o o m h z 至5 0 g l l z 的极宽的频率 范围内获得了多种多样的应用。它在电气上的特点是能得到单方向的宽方向图， 最大辐射基本上在平面的法线方向，易于实现线极化或圆极化和双频率工作。然 而，与常规的微波天线相比，其主要缺点是频带窄，有较大的介质损耗及效率低、 增益下降，这是因为微带天线实质上接近于封闭的谐振系统“。 微带天线的辐射原理可以用图2 2 简单说明“。图中2 2a 所示，假定电 场沿着微带结构的宽度和高度方向没有变化，则辐射器的电场结构可以由图 2 ，2 ，b 表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度方向变化。辐射基本上是由贴片开 路边沿的边缘场引起的，在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分 量，因为贴片的长度是半波长，所以法向分量反向，由它们产生的远区场在正面 方向上互相抵消。平行于接地板的切向分量同向，因此，合成场增强，从而使得 垂直于贴片的方向上辐射最强。所以，贴片可以表示为相距半波长，同向激励并 7 电子科技大学硕士论文 向上半空间辐射的两个缝隙。 啦”辐射珏 图22a ) 矩形微带贴片b ) 侧视图c ) 俯视图 2 2c 刚馈电的折叠槽天线 共面传输线分共面波导( c o p l a n a rw a v e g u i d e ，缩写为c p w ) 和共面带状线 ( c o d 】a n a rs t r i p l i n e ，缩写为c p s ) ，两者为互补结构。在这种共面传输线中， 所有导体位于同一平面内( 即在介质基片的同一表面上) 。这两种传输线的重要 优点之一，是安装并联或串联形式的有源或无源集总参数元件都非常方便，而用 不着在基片上运用通孔技术来实现。现在，随着天线馈电技术的日益发展，共面 波导( c o d l a n a rw a v e g u i d e ) 馈电线已经被广泛地研究和运用，因为它还具有比 微带线更低的辐射损耗、更小的散射，而且其1 1 1 特性和相速对介质层厚度的依 赖性很小，而更多地依靠导体表面的平面尺寸。 在微波频段，最常用的天线是矩形贴片微带天线。在更高的微波和毫米波 频段，槽天线的使用更是频繁，它的结构图类似于微带贴片天线，图2 3 ”是共 面波导馈电的贴片天线的结构图。 8 1 蠡b 舞 纛 电子科技大学硕士论文 图2 3 共面波导馈电的共面贴片天线结构图 共面贴片天线是由一个周围围绕导体地板的贴片和一个c p w 馈线，沉积在薄的介 质板上组成的，具有和环槽天线相似的几何结构。它的背面金属导体可以使它只 有单向辐射，并且更易同其他微波电路仪器安装、包裹和集成在起。这个天线 看起来非常像环天线，但是天线所表现出的特点却更像一个微带天线，因为它的 谐振频率是由贴片的长度w 决定，输入阻抗的匹配是调节它的宽度l 来完成的。 c p w 馈电的共面贴片天线沿槽分布电场如下图所示“： 图24c p w 馈电的共面贴片天线的贴片周围的电场分布图 图2 4 表示的是天线在谐振频率点时磁流沿槽的分布。靠近馈线这边的槽中 的场和另外一边槽中的场分布是同相的，并且大小在水平方向几乎是均匀的“。 而左边和右边的槽中的场是反相分布，如图2 4 中的电流曲线所示。 9 电子科技大学硕士论文 根据这些种种特点分析，出现了在微波频段内的c p wf o l d e d s l o t 天线，而 我们希望逐步改进其结构尺寸，使得天线特性取得进一步的进展。 2 2 1 折叠槽天线 缝隙天线也称为开槽天线( s i n g l es l o ta n t e n n a ) ，是一种在金属板( 或圆 筒、圆锥、球面等 和波导壁上开有一个或多个缝隙，用以辐射或接收电磁波的 天线。它既可以单独用作天线，也可作为面天线的辐射器。这种天线的突出优点 是结构简单、轻巧，表面无突出部分，因而特别适用于安装在高速飞行器上作为 嵌装式天线。在微波波段可代替振子天线阵以解决振子太小，制造与馈电等方面 的困难，但这种天线频带较窄，单独一个天线的方向性不够尖锐，使用大功率时， 容易发生击穿。图2 5 左边是中心馈电的单槽天线，右边是c p w 馈电的单槽天线 i 们 a ) 雕 m 图25a ) 中心馈电的槽天线b ) c p w 馈电的槽天线 图2 5 ( a ) 的槽长度( ，。) 和宽度( w 。) 分别为2 l o u m 和 o u m ，工作频率在5 0 g h z 。 两种结构介质常数都是1 1 ，7 ( s 儿i c o n ) 和1 ( a i r ) 。通过仿真证明，当c p w 的 内导体的宽度同中心馈电电流宽度相同的时候，共面波导馈电槽天线是中心馈电 槽天线的特殊实现“。 将开槽天线折合起来，就出现了折叠槽天线，折叠槽天线也可以认为是由矩 形贴片微带天线演变过来的。折合的开槽天线的输入阻抗是简单开槽天线的四分 之一“。同时，文献中也有测试的比较结果可查阅。图2 6 中，f s a 同s s a 的物 理尺寸几乎相同，在第一个谐振点，从图中实部( z 。，) 的顶点可以看出，它的 输入阻抗比单槽天线小4 倍。因此，同s s a 比较，f s a 更适合在毫米波中的应用。 o 趱蠖鹤一黼熊 电子科技大学硕士论文 图2 6 折叠槽天线和单槽天线自阻抗的比较图 基于天线基本理论分析，当折叠槽天线槽的长度近似等于半个波导波长时，有第 一个谐振点。这个谐振点能够同时存在激励偶模的共面波导馈电和激励奇模的槽 线馈电。槽内的偶模场分量同折叠偶极子的电流分量相似，而且槽辐射是同相的。 关于c p w 传输线馈电的折叠槽天线的研究已经做了很多，在 1 7 中介绍了 f s a 的特点，【1 8 中描述了分析这种天线结构时所遇到的问题。 1 7 中还记录了 c p w 馈电的f s a 同中心馈电的槽天线的比较结果。 2 2 2 折叠槽天线的有关设计理论 根据天线基本理论知道天线谐振长度为半波波长工。( 如图2 7 ) ，所以折叠槽 天线的槽的周长上。约为一个介质波导波长，其输入阻抗为一般开槽天线的四分 之一。从文献 1 8 中的仿真和测量工作我们还知道了一些有用的内容。频率为 1 0 g h z 的f s a ，其介质层为高介电常数( ，= 9 8 ) 的氧化铝( a l u m i n a ) ，厚度h 是0 6 3 5 m m ，槽的尺寸为l = 7 2 m m ，w = s = g = 0 3 m m 。研究f s a 是为了确定尺寸设计 和介质层参数对天线输入阻抗和带宽的影响。对于提出的传输线模型折叠槽，仿 真证明：槽的外围总长度决定天线的谐振频率；增加介质层的厚度会使谐振频率 减小；输入阻抗会随介质厚度的增加而增大；此外，槽的宽度对天线的带宽也有 影响。 一照圈g当高圈匙舀一目_l强 电子科技大学硕士论文 图2 7 折叠槽天线的结构示意图 1 8 中还介绍了通过开多槽的方法在一个大范围内控制阻抗。在h l o4 的 范围内，阻抗是随厚度h 增加而增大的变量。图28 举例说明了阻抗大小与槽数 的关系。图中，折叠槽( 2 个槽) 天线的输入阻抗大约】1 8 欧姆“：5 卜槽产生 的阻抗大约为5 0 欧姆。由此发现，额外的寄生槽可以在很大的范围内调节输入 阻抗。但是这个方法的局限性是寄生槽必须距离有馈电端的源槽很近，而且添加 槽后必须保持每个槽电流相等和相位相同。 图28 多槽天线阻抗的数值范围示意图。a ) 多槽天线图示b ) 仿真结果 为了避免文献 1 8 中技术的局限性，一种关于f s a 的新型阻抗匹配技术 电子科技大学硕士论文 ( i m t ) 在 1 9 中出现了。由图27 可知，折叠槽天线主要有7 个设计参数：。、 、峨，、呜，、晶、s l 、町，其中s l 和竹主要是影响共面波导馈线特性阻抗的 参数。通过文献仿真的几种天线对比，我们得到了后面比较重要的结果。这几种 天线的介质层的介电常数分别为2 3 3 、6 1 5 和l o 2 ，厚度分别是06 4 、1 3 0 和1 9 0 r a m 的3 种天线，谐振频率点分别为5 g h z 、9 g h z 和1 2 g h z 。由各参数变化 而引起的天线在谐振频率点上的阻抗变化的详细数据列在了图2 8 中。 图2 8 文献中对天线输入阻抗有影响的各参数值列表 从列表的情况看出，矗、：、，对天线的输入阻抗都有显著的影响。 但是，一般在其他条件一定的情况下，增大岛和。都能增大天线输入阻抗；增 大，不仅会增大天线输入阻抗，同时会使中心频率增大；只有增大既，会使其输 入阻抗减小。通过这个试验设计技术( d e s i g no fe x p e r i m e n tt e c h n i q u e ) ，我们 得知，是调整天线输入阻抗的关键参数，而且在文献 1 9 中通过应用这种技术 大大提高了设计天线的灵活性。i m t 技术超越多槽技术最大的优点就是：天线的 输入阻抗可以同任何所需要的加载相匹配，而且这样使得天线更容易制造。而从 图29 的数据可以看出介质对天线输入阻抗的影响。 从文献仿真结果可以看出，具有相对高的介电常数的介质板需要更大的哆。 来获得较小的输入阻抗：而在大多数情况，介质层越厚，输入阻抗减小得越慢； 调整呢、的结果并不会影响天线的辐射特性。从图2 9 中看到，对于s ，= 2 3 3 ，厚 度h = 1 3 m m 的介质层，w ，的宽度从0 2 5 r a m 变到1 i m m ，相对于槽的长度三。从 0 5 8 变宽到2 5 6 1 4 时，输入阻抗就从1 2 8 0 5 欧姆减小到了5 0 7 欧姆。 13 电子科技大学硕士论文 h 时抽州揪竹w b 附f 糊d 蛳 删o 。，o 瞰 图29 中心频率在3 g h z 的不同介质和，时的天线所对应的不同的输入阻抗值 这种只改变一个参数来匹配阻抗的技术很方便，并且可以得到比较精确的输 入阻抗值。 2 2 3 折叠槽天线的设计 我们根据天线的基本理论和以上总结的方法，先初步设计我们需要的天线。 要求天线的谐振频率为3 0 g h z ，介质常数占，= 4 ，介质厚度3 0 0 u m 。 1 首先我们确定天线的馈线共面波导的尺寸。由软件t e x l i n e 根据已有的 物理参数，例如介质的介电常数，介质厚度，工作频率等来初步确定馈线c p w 的导体带和缝隙的宽度，要求设计的输入端口的特性阻抗为5 0 欧姆左右。 影响c p w 特性阻抗的主要几何参数是导体带宽度s ，、缝隙宽度w ，和高度h 。 由软件得出的数据( 图2 1 0 ) 知道，s ，= 0 2 4 6 5 m m ，w ，= 0 0 7 5 m m ，= 0 3 m m 。 2 根据t e x l i n e 所得到的c p w 的缝宽和导体带宽度来设计天线的尺寸。根据公 式五。= 一瓜丽) 可以得到丑。= 6 3 2 m m ，天线的谐振长度初步定为 0 5 兄= 3 1 6 m m 。根据c p w 的尺寸，我们假设天线其他部分的尺寸是 s 。= = k ：= k ，= 5r = o 2 5 m m ，即天线缝宽全部和导体带宽度初始值一样。 设围绕天线的周围金属板长6 m m ，宽3 m m ，然后用c s t 仿真软件进行第一次 仿真计算。 4 善一；l#81 电子科技大学硕士论文 图21 0t e x l i n e 所得o p w 的初始值 3 天线尺寸的初步改进根据初步设计的尺寸用c s t 仿真，得到端口阻抗不 是5 0 欧姆，只有3 l 欧姆，于是扫描( 在一定范围内变化参数) s ，当s ，= o 3 5 r r a n 时，天线的阻抗为4 7 4 欧姆。此时，将天线s 。= w 。= w 。，= w 。，也改 为0 3 5 m m ，重新仿真确定端口阻抗不变，仍为4 7 4 欧姆，只是此时谐振频 率和s 没有达到要求，所以继续扫描其他参数。 ( 1 ) 响天线匹配好坏的因素主要是毗，先扫描，使s 。有所提高。但是从上 文已经知道影响天线谐振频率的因素主要是谐振长度，我们还得先变化工， 使天线的谐振频率在靠近3 0 g h z 的地方，得到三。= 2 5 m m ： ( 2 ) 现在天线的谐振频率在2 6 g 附近，仍没有达到要求3 0 g ，如图2 11 所示。 于是接着扫描对谐振长度也有影响的w 。结果为0 3 m m ： ( 3 ) 接下来扫频：，为0 1 5 m m ，此时天线频率基本到3 0 g ，但s 。仍不满足要求， 于是在前面已经扫描更改的参数下再次扫描m ，最后确定为0 1 2 m m ； ( 4 ) 最后扫描s 。，在s 。= o 0 7 6 m m 时，重新仿真新的尺寸得到j 。结果如图2 1 2 所示。 到此，我们已经初步设计出此天线的原型，为了提高微带天线本身存在的某 些缺陷，我们在下面将要介绍如何加入p h o t o n i cb a n d g a p ( p b g ) 中 h i g hi m p e d a n c eg r o u n dp l a b e ( h i g p ) 结构来改善天线的辐射特性。 5 电子科技大学硕士论文 2 0 1 0 0 1 0 3 0 4 0 5 0 s - p a r a m e t erm a g n i t u d ei nd b 2 5 d 5 z o 。 s 1 j 1 ：一8 5 4 3 l r - 、- m f i 2 0 3 0 4 05 0 f r e q u e n c yfg h z 图21 1 没有匹配时得到的天线的端口反射系数 s - p ar a m e t e rm a g n i t u d ei nd b 2 9 8 3 5 。、厂 s 1 1 ：一5 1 5 2 03 0 4 0 5 0 f r e q u e n c yjg h z 图21 2 匹配后得到的天线的端口反射系 s 1 ，1 s 1 ，1 电子科技大学硕士论文 3 i 引言 第三耄h i g p 的榈关理论 在当今信息技术离速发展的时代，通信的信息内容正向多媒体方向袭展，不 仅包含声音，还要求可视化以及与i n t e r n e t 网相通。低端溅波频率远不能满足 通信倍息量技术的袋枣，因面通过向高端载波频率及微波段延馋来扩展载波频率 夔容熬。同时睫羞徽渡孛爨逶整及翌星逶售遥猿发震，徽波电路静结构委趋子集 成化及小型化，要球微波电路元件和天线集成在同一片高介电常数的基片上，但 这样翁在介质基片中产生表面波，导致电路元件或天线的寄生耦合或辐射，并增 麴损耗。为妻| 3 刳该袋嚣波的传撵，凝鞭豹p b g ( p h o t o n i cb a n dg a p ) 结稳楚一秘 有效的新技术。 p b g 结构是由周期性的介质、金属、或介质一金属混合材料所组成，对特定 的频段呈现带阻特性。b e l l c o r e 实验室的e y a b l o n o r i t c h t 和p r i n c e t o n 大学 懿s j o h n 在1 9 8 7 年几乎嗣时发现了三维p b g 结褥其畜全方囱带疆特穗的袭象 。1 “。随后的十几年星，p b g 结构的研究成了学术界的热点课题。p b g 懿构根据 其不同特点和性能，可分为很多种类，按结构周期性的维数分有：一维、二维及 三终p b g 结秘( 蚕3 。1 ) ：按躅麓靛形拔分毒：立方形、三囊形、嚣心形、体，0 影、 和钻石形等：按媒质材料分有：介质、金属、及金属介震混合体等：按材料的 性质分有：各向同性、各向异性、旋波( c hj r a l ) 媒质、及敢各向异性等：按周 期单元的结构实现分有：接地投 虫孔p b g 结构( 焉于微波电踌) 、及基片上钻孔、 奔囊戏金藩秆蓊 确( 髑予天线中) 等。尽管p b g 缝稳的种类及彩式繁多，僵蒺共两 基本原理是能有效地抑制阻带范围内的电磁淤，借以提高电路元件或天线的性 能。 3 2p b g 结构的基本概念 p b g 是p h o t o n i cb a n d g a p 瓣罐写，中文愚毙子带骧叉g 瞧磁螽落。竞予繁骧 材料鼹一种在微波步员段具有比较宽的带通和带阻特性的周期结构。p b g 材料是通 过引入周期摄动物质例如绝缘短榉，或是在波肆和p c b 介质中挖各种形式的通孔 嚣形成滟。在p b g 绻稳中，电磁波魏传播模式篡有帮在塞囊空间完全不嗣躲场分 量和散射分量。根据p b g 材料的这些唯一特佼，我们看囊了它们在天线、放大器、 滤波器，功率合成器、相控阵列，e m c 测试和许多微波仪器中可能的运用。具体 7 电子科技大学磺士谂文 说，由予p b g 结构能够阻止电磁波在巢些频率段内传播，邋种特性在设计微带天 线时被稻来掭壹介质屡中激起表疆渡i 鬻遮壹，褥虽溜此提高了天线翁髋憨。一 些相关形式斡微沓天线设计也已经有文献提出，这些天线在辐射性能方殛有了缀 大改善。最近，单平面的紧凑光子带隙( u c p b g ) 的发展对这些应用很有帮助。 u c - p b g 的通带特性被使用在慢波介质中减小电路体积。还出现了用u c p b b 做介 屡的平磷浸渡结聿奄和背面带有低漏导体匏共赢波导结梅。其中p b g 缔丰奄影成个 具有将熊谐援频搴的分布式l c 网络。闷时u c p b g 材料也懿有赛豢传竣特性积能 够抑止浆面波传播等这些新颖特性，在可羹构印刷天线设计中起到了重要作用， 因此用u c p b g 材料设计微带天线明显提高了带宽和增益。 一霪 豳3 1p b g 结梅示意强 3 3p b g 的结构分类和他们的用途 近几年，随糟人们对p b g 结构的理论及工程应用范围的进步发展和拓宽， p b g 结构的应用渐渐进入微波工程领域，如微波电路、微波带阻滤波器、微波职 工器、微波功率敖太嚣、天线、谐振验等。各辫p b g 褥鼗结构在搬波设计中被广 泛翅来改善其特性，利甥p b g 鲍些特殊憋性来获德所霭要的结果。下慰我们将 常用的p b g 按其结构分成几类稍加介绍“，之后再介绍其主要功能。 3 3 1 几种常用的p b g l + 第一毒孛缝嫡是在介质中键周期形式的孔袋是在地板上蚀刻周期性的凰髑露形 成崎岖不平的表面。这种不平整的金属表面会有很窄的表面波带隙，如图3 2 1 8 电子科技大学硕士论文 ( a ) 所示的是突出物之间的带隙表面的下边界电场，图3 2 ( b ) 是围绕突出物的 带隙表面的上边界电场，由此形成一个慢波结构。 e 盆盆盆盆金盆 ( a ) ，、。厂、，、厂、 - _ _ - _ i _ l _ - 。 m j 图32 崎岖不平的金属薄片。( a ) 突出物外包裹的电场( b ) 突出物之间的电场 2 褶皱的表面结构：如图3 3 所示，在个金属厚板上垂直开一系列的槽缝形 成了褶皱的表面结构。由于槽缝很窄( ( ) ，所以这种结构的工作波长大多 是在一个波长内。每一个槽可以被看作是平行板传输线，深入到厚板中，在 底部短路。如果槽的深度有四分之一波长深，底部的短路则是由槽的顶端开 路转换形成的，所以可知顶部的表面阻抗非常高。在这种情况下，表面阻抗 可以看作电容，能够抑止t m 表面电磁波的传播。而且，极化平面波在边沿的 垂直电场分量能够被无相移的反射。 图33 褶皱的表面结构 z 3 金属衬垫或是高阻抗表面：一个紧凑而有效的方法是利用三角形或矩形的金 属衬垫格子或将它们通孔同地板相连接。这个方法最近已经发表。”2 ，并且 被运用来提高平面天线的增益。这些结构是第一次用紧凑的平面电磁晶体来 实现的，使在微波频段内具有一个完美的阻带。图3 4 是其中一种结构图， 图3 5 是从第一种p b g 到h i g p 的演变过程图。 电子科技大学硕士论文 工工工工工工工 e a ) 图3 4 两层的高阻面结果图。( a ) 横截面图( b ) 俯视图 e b u m p s c a p a c i k r s 图35 从一般的崎岖表面到h i g p 的演变图 以上几种是比较常见的p b g 结构，下面我们在介绍下p b g 结构在天线方面的 主要用途。 3 3 2p b g 的用途 p b g 结构的应用渐渐进入了微波工程领域，如微波电路、微波带阻滤波器、 微波双工器、微波功率放大器、天线、谐振腔等，这里我们主要介绍它们在天线 中起到的主要作用。 l 控制平面波的相位：当一个天线安装在距离导体表面非常近的时候，由于虚 2 0 电子秘援大学蕊士论文 鬈毫滚款楼位胡反嚣襞效搴降低。瑟在p b g 分质土巍冬零平天线，寝帮宅凌褒 带隙内是同相的”。图3 6 是测得在两层的高阻抗表面上反射的相位图。 鑫矗 谨8 ：4 啪洲e 噼瓣h 蹬 醋3 6 溺# 得的两髅高瞪抗蓑蕾反辩稽位蟊。 2 。帮圣表面滚：挺离徽带精鸶天线的帮宽可以逮遘增熬介质孬度来实琵。但是， 这将产生更多的表两波，表面波的损耗会使天线功举急剧下降。而且，在有 藤钓分痰投上，表鬻波在介簇透瀣黪多重反瓣会导羧辐藜方淘国有滚纹。当 同一个地板上安装多个天线时，这蝗表面电流相互还会产生不需要的耦合。 露在p 8 g 缘穆中，传播豹袭嚣渡在疆带内被簿盘“3 。銎3 ? 是豫装嚣渡奁 光滑金属表面传播和在两屡高阻抗表面传播的比较图。我们可以看刹在p b 6 结秘上有一个疆显黪阻豢。 这里粗略地看看如果不抑制表面波，表面波对天线的影响。图3 8 是文 献 1 2 中撼到豹已经设诗测试款f s a 兹辐瓣功率。扶圈中霹以看出在0 。黔 近有一个主要的突出部分，但是辐射功率以表面波形式又存在于8 3 。附近。 毽楚在h f s s 豹仿粪结果星劳没有怒现此秘滋象，瑷亲在h f s s 星空气 ：蒌| | 鑫是 辐射边界，并且以无限地板为底，丽测试中就是因为周边地板的有限才激励 起强烈豹袋遂波。瘗i 此还知道地投的宽度迄会阉接影蹰天线远场懿辐射，也 是通过表面波来实现的，如图3 9 所示。 。 啦 。 舱 噜 觜。讲硒量街荨案萋蒜显嚣舢l舢燃 电子科技大学硕士论文 061 21 8 2 4 f f 矧“捌妫，l g h z 3 扣) 3 0 l 5 一 l 斗 f蛳b , b n d ： 删、 051 21 8 2 43 口 f