（通信与信息系统专业论文）用于高速列车内gsmr频段的宽带微带天线设计与研究.pdf

中文摘要 摘要：本文的主要目的是根据在列车上测量g s m r 频段电磁信号的实际需 要，设计一款工作在8 8 5 m h z 9 3 5 m h z 的接收天线，要求在该工作频段内天线的 驻波比飚胀2 ( 回波损耗s 1 0 扭) 、各频点的最高增益都高于3 扭、且半功率 波瓣宽度大于6 0 0 。考虑到在列车上测量电磁信号的便携性，这里采用物理结构尺 寸相对较小的宽频带微带天线来实现。因此，本文首先介绍了微带天线的基本理 论和分析方法，然后通过h f s s 软件仿真建模，根据天线理论对等效偶极子天线结 构进入深入研究改进，并设计出一款满足上述指标的新型宽频带天线。最后利用 实验室的天线测量系统对制作的天线进行实际测量，发现天线的方向图与仿真结 果有一定误差，并对产生误差的原因进行分析。 论文的主要工作内容和创新如下： 首先，介绍了微带天线的基本理论，其中包括微带天线的定义、结构类型、 优缺点及应用、辐射原理、馈电方法、宽频带技术等。 其次，阐述了微带天线常用的三种分析方法，传输线法、腔模理论、有限元 法，为后面的微带天线设计提供理论基础。 第三，根据天线的性能指标，设计了一款工作频带覆盖7 8 2 m h z 9 3 8 m h z ， 相对带宽达到1 8 8 2 的新型天线。天线的整个设计流程从最典型的矩形微带贴片 天线开始，然后根据天线理论，将微带贴片天线改进为等效偶极子天线，使其具 有宽频带特性。并针对等效偶极子天线的方向性向多个方向辐射的问题，根据天 线理论中反向器和引向器的理论，对等效偶极子天线的结构优化改进，使微带天 线同时具有宽频带和定向测量的良好性能，并最终确定天线的各个尺寸。同时， 对天线结构的物理参数对天线性能指标的影响进行了深入的研究讨论。整个设计 过程都通过h f s s 软件仿真实现。 最后，根据传输线理论，提出了一种测量介质板相对介电常数的方法。在电 波暗室测试环境中，利用天线测量系统对制作出的天线的驻波比、方向图、增益、 天线系数进行测量，并将测量结果和仿真结果进行比较，除天线的方向图与仿真 结果有一定误差外，其它性能吻合很好，并对产生误差的原因进行分析讨论。 关键词：g s m r ；微带天线；宽带 分类号：8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 em a i l lp u r p o s eo f 仳sp a p e ri st 0d e s i 印锄觚t e m l af o rm eg s m - r s i g 砌t e s t 证t l l e 砌n t h e 舶q u e n c yb 锄do f t l l e 锄t e l l l l ai s 纳m8 8 5 m h zt 09 3 5 m h z n l ea n t e 衄a sp a 阳m e t e r sn e e ds a t i s 匆m a t 也ev o l t a g e 咖dw a v er a t i o 飚眦2 ( r e t 咖l o s s s l 一1 0 如) ，也em a x i i i l u l l lg 咖m o r em 觚3 如，趾dm eh a l o p o 、v e r b a n d 蜥d t l lo fm a j nl o b em o 他t l l 孤6 0 0h l 廿l e 丘e q u e n c yb a i l d c o n s i d e r i n g 廿l e p o n a b i l i t ) ，o ft c s t i n gi i lm e 砌i l ，廿l e 、i d eb r o a d b a n dm i c r 0 - s t r i pa n t e r u mi sa d o p t e dt 0 r e a l i z et l l eo 巧e c t i v ef 0 ri t ss m a l l e r 蚰m c t u 佗t h e r e f 0 陀，f i r s tt l l ep a p e ri n t r o d u c e dt l l e b 鹤i ct l l e 0 巧加d 姐a l y s i sm e m o d so f 血ei i l i c r 0 - 嘶p 觚t e i u 瓯锄dt l l e ns i i i l u l a t e dt 1 1 e 锄t e n n am o d e lb yh f s ss o f 呐a r e a 舭rt h 她t l 圮a u t l l o rd e 印l ys t u d i e d 锄di m p r 0 v e d m ee q u i v a l e n td i p o l e 趴t e m ms 叽c n 鹏，锄dd e s i 印e dan e wt ) ，l b r o a d b a n d 枷e 皿a 、) l ，：t l i c hm e t 廿l ea t 0 v ep 龇a m e t e 璐f 酬l y ，t l l ep r a c t i c a lm a n u f - a c t u r e d 锄i t e m l aw 觞 m e 弱u r e db yt 1 1 e 锄t e l m am e 雒咖e n ts y 啦m ，锄dt l l e 锄t e i m - ap a n e m s h a ds o m ee 玎o r s b e t w e e nm e 懿u r c d 陀s u l t sa n ds 妇u l a t i e dr c s u l t s t h e 卸胁o r 如a 1 ) ，z e dt l l er e 鹊o no ft l l e e r 】r s t h em a i nw o r k 锄d 妇o v a t i o no f 也ep a p e ra 佗嬲f o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t l l ep a p e ri n 仃0 l d u c e d t h eb 硒i cm e o 拶o fm i c r 0 一妤p 狮t e i l i l 毛州c h c o n t a i n e dd e f 疏t i o n s 仇l c t u r et y p e s ，a d v 锄t a g e s ，d i s a d v 锄n a g e s ，a p p l i c a t i o 璐，m d i a t i o n t l l e o 巧，f e e dm e t l l o d s 觚db r o a d b 觚dt e c l l i l o l o 西e se t i c s e c o n d l y t l l ep a p e rp r e s e n t e dt l l i 优c o m m o i d y 缸a l y s i sm 劬o d s ，i i l c l u d i n g t i 锄s m i s s i o nl i i l em e t l l o d ，c a v 畸m o d e ln l e o 巧，f i i l i t ee l e m e mm e t l l o d ，w 】 l i c hp r o v i d e d at l l e o r e t i c a lb a s i sf o rt h em i c r 0 - s 仃i pa n t e n n ad e s i g n t h i r d l y ，c o r d i n gt 0m ea n t e m l a sp e r f i o h n 锄c ep 啪e t e r s ，t l l ep 印e ri r l 仃o d u c c da n c wd e s i 印e dm i c r 0 嘶p 觚t e l l l l aw h j c hw o r k e d 舶m7 8 2 m h zt 09 38 m h z ，锄dt l l e 陀l a t i v eb 锄d 诵d t l lr e a c h e dt 018 8 2 n l ee n t i r ed e s i 印p r o c e s sw 嬲b e g i r 血n g 晰t l l m et y p i c a l 陀c 切n g u l a rm i c r 0 一s t r i pp a t c ha i l t e m 地觚dt l l e na c c o r d i n gt ot l l ea n t e 衄a m e o d r ，t 1 1 em i c r o - 妤pp a t c h 锄t e l m aw 缎i m p r 0 v e dt 0t l l ee q u i v 出e n td i p o l e 锄t e n n as 0 t h a ti tk 印tt l l eb r o a u i b 姐dc h a r a c t e r i s t i c s f o rs o l v i n gt l l em u l t i p l ed i r e c t i o 嬲o ft h e e q u i v a l e n td i p o l ea n t e m 忱， t l l es n l l c t u r eo ft l l ee q u i v a j e n td i p o l e 锄t e m mw 嬲o p t i m i z e d 妯di m p r 0 v e dt 0m a k et l l em i c r 0 - 矧p 锄t e 衄ak e e pb 锄d 州d t h 锄dg o o dp e 墒n 1 1 锄c eo f d i r e c t i o n 2 l la tt l l es 锄et i m e ，o nm eb 嬲i so fm ei n v e r t e r 饥dd i r e c t o ro fm e 锄t e 皿a t 1 1 e o 巧a n du l t i m a t e l ye a c hs i z eo ft l l ea n t e 彻aw 觞d e t e m i n e d m e a n w h i l e ，t l l e 卸t l l o r l v d e e p l ys t u d i e dt 1 1 ei i l f l u e n c eo fm ep h y s i c a lp 砒锄e t e r s t h ee n t i r ed e s i g np r o c e s sw a s s i l t l u l a t e db yh f s ss o 觚a r e f i n a l l y ，b 勰e do n1 r r a n s m i s s i o nl i n et l l e o 巧，t h ea u t h o rp r o p o s e dam e t l l o df o r m e 嬲l l r i n gt l l er e l a t i v ep e n n i t t i v i t ) ，o fm e d i u mp l a t e t h ea n t e 彻a sp a 姗e t e r s ( v o l t a g e s t a l l d i n gw a | v er a t i o ，r a d i a t i o np a _ t t e m ，g a 氓a n t e n n af 砬t o re t c ) w e r em e 嬲u r e di i l 觚e c h o i cc h 锄b e rt l l r o u 曲m ea i l t e n n am e 懿u r e m e n ts y s t 锄c o m p 删谢n lt l l e s i i n u la t i e dr e s u l t s ，t h em e 嬲u r e dr e s u l t sw e r ei i lg o o da g r e e m e n tw i t l lt l l ee x c e p t i o no f t l l ea 1 1 t e i l i l ap 甜锄1 s a m dm ea u t l l o ra l l a l y z e d 也ec a u s eo ft l l ee n 0 溉 k e y w o i t d s ：g s m r ；m i c r 0 - s t r i p 觚e 衄a ；b r o a d b 锄d c l a s s n o ：t n 8 2 v 致谢 本文是在周克生老师的精心指导下完成的，我衷心感谢周老师在论文的选题、 研究和撰写过程中给我悉心的指导，以及攻读硕士研究生期间在生活、学习、工 作等方面给予的教育和培养。周老师渊博的知识、和蔼的性格、严谨求实的治学 态度和勤奋的工作态度给我留下了深刻的印象，将近三年的谆谆教诲，必将使我 终生受益。 感谢电磁兼容实验室的闻映红老师，在论文的研究过程中给我提出了宝贵的 建议，使我的论文能够顺利展开，使我受益匪浅，在此表示衷心感谢。 电磁兼容实验室沙斐、王国栋、王风兰、朱云、崔勇、陈嵩老师在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向各位老师表示衷心的谢意。 在实验室学习及撰写论文期间，张强、叶畅、李哲、杨永亮、柳海明、王显 文、卢怡、霍宏艳、王钱矾、李新坡等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 在此表示衷心感谢。 最后，向所有给予我关心、支持和帮助的人表示衷心的感谢! n 1 绪论 1 1 研究背景 进入新世纪以来，随着国民经济的迅速发展，我国相继建成了京津城际铁路、 郑西高铁、武广高铁等一批高速铁路。为了保证高速列车的安全运行，我们需要 在列车上对电磁骚扰信号( 如g s m r 频段信号) 进行测量。 目前在列车上电磁骚扰信号的测试中，仍然使用对数周期天线( 如图1 1 所 示) 、双锥天线等现有天线测试g s m r 频段信号，但是上述两种天线尺寸比较大， 所以在远途的出差过程中不方便携带。而在火车厢内部测量g s m r 信号时，需要 把对数周期天线架设在车厢内部，因此占的空间比较大，所以只能在专门安排的 无乘客车厢中进行测试，这不能满足我们想随时随地测量骚扰信号的需求。而对 于磁场探头之类的线天线，由于尺寸比较小，方向性不高，天线的灵敏度比较差， 达不到测试所需的精度。而微带天线由于体积小，重量轻等优点，正是基于这样 的实用背景，本文旨在设计一款具有尺寸小、灵敏度高、方向性好，专门用于测 量g s m r 频段附近干扰信号的微带天线，使其满足g s m r 干扰信号的测量中方 便、实用的要求，图1 2 所示为微带天线贴在列车车窗位置测试g s m r 信号示意 图。 一 _ 一 纠 笔记本电脑 图1 1 对数周期天线图1 2 微带天线测试示意图 f i g 1 - ll 0 9 - p e r i o d i c 锄t e n n a ；f 唔l - 2t h ed i a g 姗o fm i c r 0 一s 仃i p 锄t e n n at e s t 从图1 1 和图1 2 我们可以明显感觉到，在列车上使用微带天线测量g s m r 频段信号，测试时不像对数周期天线那样占用太大的空间，明显比对数周期天线 方便，所以不会影响乘客乘车。因此利用微带天线测量干扰信号，可以不需要专 门安排一节无人车厢，直接在普通运行的列车上测量，这将大大提高测试效率， 降低测试成本。 1 2 宽带微带天线国内外研究现状 微带天线由于具有平面结构，易于集成，并且体积小，重量轻等优点，越来 越受到人们的关注，并且在航天、通信、医疗等领域得到广泛应用。但是微带天 线由于具有频带窄、功率容量小等缺点，如普通微带贴片天线的带宽仅有中心频 率的o 6 3 ，微带缝隙天线可以达到1 ( 窄缝) 1 0 ( 宽缝) n 3 ，因此目 前微带天线技术的研究主要集中在宽频带技术上。 目前的展宽频带措施主要通过选择低介电常数的基板、改变天线的结构、阻 抗匹配技术来展宽微带天线的频带宽度。如脊形接地板结构口1 就是利用空气作为填 充介质，大大提高了天线频带宽度，相对带宽达到9 0 1 ；u w b 微带天线广泛采 用截短接地板跟辐射贴片构成等效偶极子天线，也使天线的带宽达到13 0 以上d 3 。 此外，人们往往希望天线能够在多个频段工作，微带天线的另一个发展方向 多频段技术应运而生。通过特殊的设计可以使微带天线在多个频点工作。 1 3论文内容安排 本文共有六章。第一章主要介绍g s m r 微带天线的研究背景及应用意义。第 二章主要介绍微带天线的基本理论，包括微带天线的发展、结构、优缺点以及应 用；微带天线的辐射原理：微带天线的三种馈电方法( 微带线馈电、同轴馈电、 电磁耦合馈电) 、宽频带技术等。第三章主要介绍了微带天线的分析方法，如传输 线法、腔模理论、有限元法。第四章根据天线性能设计指标，利用等效偶极子天 线结构和天线理论，详细介绍了本文设计天线的设计流程，以及天线的改进措施 和各种参数( 如缝隙等参数的位置、尺寸) 对天线性能的影响。第五章介绍了介 质板相对介电常数、驻波比、天线方向图、增益、天线系数的测量方法以及误差 分析。第六章对本文的工作做出了总结。 2 微带天线基本理论 2 1微带天线概述 早在上世纪5 0 年代德尚( ga d e s c h 锄p s ) 教授就提出了微带天线的概念， 但在当时并未引起工程界的重视，在随后的2 0 年中对微带天线只有一些零星的研 究h 1 。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得 到了工艺保证：而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线元。1 9 7 0 年出现了 第一批实用的微带天线。从此以后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和 新性能的微带天线不断涌现。由于微带天线独特的结构和多样化的性能，它在 1 0 0 m h z 1 0 0 g h z 的广阔频段内的各种无线电设备上得到越来越广泛的应用。 2 1 1微带天线结构和分类 微带天线是指在带有金属接地板的介质基板上贴加一层金属薄片而形成的天 线。微带天线利用微带线或同轴线等馈线馈电，在金属贴片与接地板之间激励起 电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此微带天线也可看作 为一种缝隙天线，通常介质基板的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维 小型化。微带天线根据天线的结构可以分为微带贴片天线、微带振子天线、微带 行波天线和微带缝隙天线，各种天线结构如图2 1 所示。 ( a ) 接地扳 槽线 接地板 ( b ) 接地 微带线介质板 ( c )( d ) 图2 1 微带天线形式 ( a ) 微带贴片天线：( b ) 微带振子天线 ( c ) 微带行波天线；( d ) 微带缝隙天线 f i 吕2 - 11 1 1 ef 0 册o f m i c 肛s c r i p 绷t e 彻a ：( a ) m i c 阶矧pp a t c h 锄t e n 峨( b ) m i c 洽矧pd i p o l e a n 劬a ；( c ) m i c r o s t r i p 仃a v e l i n gw 孙，ea m e m l a ；( d ) m i c r 0 - s 仃i ps l o t 锄t e n n a 微带贴片天线的金属贴片部分一般是规则形状的面积单元，如矩形、三角形、 圆形或圆环型薄片等；微带振子天线上的金属贴片则是窄长条形的薄片振子( 如偶 极子) 。微带行波天线则是是利用微带线的某种形变( 如弯曲、直角弯头等) 来形成 辐射。微带天线中的缝隙天线是利用开在接地板上的缝隙，由介质基板另一侧的 微带线或其他馈线( 如槽线) 对其馈电称之为微带缝隙天线。由各种微带辐射单 元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线等。 2 1 2微带天线优缺点与应用 与普通微波天线相比，微带天线具有如下优点h 1 ：( 1 ) 体积小，重量轻，低 剖面；( 2 ) 具有平面结构，能与导弹、卫星等载体共形；( 3 ) 其馈电网络可与 天线结构一起制成，因此适合于用印刷电路技术大批量生产：( 4 ) 不同设计的微 带元，其最大辐射方向可以到从边射到端射范围内调整，便于获得圆极化，容易 实现双频段、双极化等多功能工作。 微带天线除了具有以上的优点外，也具有一定的缺点。比如频带窄；有导体 和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；功率容量较小，一般用于 中、小功率场合；性能受基板材料影响大。不过，目前已发展了不少技术来克服 或减小上述缺点。例如，已有多途径来展宽微带天线的频带，常规设计的相对带 宽约为中心频率的1 6 ，新一代设计的典型值为1 5 2 0 h 1 ，而采用新型天 4 线结构的微带天线的相对带宽能达到中心频率的9 0 以上，如脊形接地板结构比1 等。若利用带固态功率放大器的有源微带阵来组阵，可获得相当大的总辐射功率。 正是由于微带天线有其独特的优点，它的一些缺点正在研究克服，因此它有 广阔的应用前景。目前微带天线现已应用于大约1 0 0 m h z 1 0 0 g h z 的宽广频域上 的大量无线电设备中，特别是在地面便携式设备和飞行器上，已应用微带天线的 系统有：导弹遥测遥控、电子对抗、卫星通信、雷达、遥感、武器引信、飞机高 度表、环境检测仪表、医用微波辐射计等。 2 2微带天线辐射原理 对任何天线来说，辐射场和方向图的计算都是非常重要的，微带天线也不例 外。通过辐射场的计算我们不仅可以确定天线的辐射性能并且天线的阻抗特性也 与之相关。 天线在自由空间中场的辐射可以看作自由空间中电流源和磁流源的辐射。所 谓自由空间是指媒质鳓、民的均匀无界空间。在此空间中若存在电流，、磁流m 、 电荷p 和磁荷p 。，则麦克斯韦方程为 v e = 一_ ，毗日一m ( 2 - 1 ) v 日= - ，e + - ， ( 2 2 ) v e 2 p 氏 ( 2 3 ) v 日2 p 。心 ( 2 _ 4 ) 若均匀媒质参数为、占，则在式( 2 1 ) ( 2 - 4 ) 中取相应的代替量。由源膨、 ，所建立的场可用矢量位法确定，即 矢量电位产击p 争y ( 2 5 ) 矢量磁位4 = 击户争y ( 2 6 ) 日= - 垃，+ _ l v ( v f ) + v 彳 ( 2 7 ) ) p q e = - - ，4 + v ( v 彳) 一v f ( 2 - 8 ) j ( ) 毛。 式中y 为源所在的区域，r 为从源点到观察点( 场点) 的距离 尺= i ，一，l = ( x x ) 2 + ( y y ) 2 + ( z z ) 2 ( 2 - 9 ) 按照式( 2 8 ) 所算得的场既包括辐射场也包括感应场，通常我们最感兴趣的 是远区( r 专) 辐射场，如图2 2 所示。 5 图2 - 2 自由空间中场的计算 f i g 2 - 2c a l c u i a t i o no ff i e l d si nt h e 丘优s p a 设源，、膨分布在砂平面上，辐射场用球坐标分量表示，在场点p ( ，秒，缈) 处辐射场为 毛= 一1 2 0 万彳 c o s p c o s 缈i + c o s 9 s i n 伊 + 彳 s i l l 伊o - c o s 伊 ( 2 1 0 ) 乓= 1 2 0 万 s i n 9 一c o s 9 儿 + 彳 c o s 秒c o s 9 纛+ c o s 乡s i n 妒0 ef 一赤；协= 志 式中，彳= 訾，辐射矢量 以2 p ( 训炉呦蛐 2 肛( w 妙呜? 蛐 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 下标f 代表x 或y 。 颤= s i n p c o s 伊，七，= s i l l 秒s i n 矽。 微带天线的辐射原理可以通过矩形微带贴片天线来理解。如图2 3 所示，贴片 尺寸为w ，介质基板厚度为厅，j l 远远小于自由空间波长 。因此微带贴片可以 看作为一段宽w 长，的微带传输线，其终端( w 边) 因为呈现开路，将形成电压波 腹。一般取，厶2 ，乙为微带线内波长。于是另一端( w 边) 处也呈现电压波 腹，该处磁场几乎为零。此时贴片与接地板间的电场分布图2 3 ( a ) 所示。该电 场可近似表达为( 沿微带贴片宽度和基板厚度方向电场无变化) e = 岛c o s ( 万y z ) ( 2 - 1 5 ) 6 ( a ) o 、o 凇、r 1 最分布 ( b ) 图2 - 3 矩形微带贴片天线辐射原理 f i g 2 - 3r a d i a ：c i o nm e o 哆o fr e 咖g u l 甜m i c r o - 矧pp a t c h 锄t e 眦 微带天线的辐射由微带贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理n 可以知 道，窄缝上电场的辐射可以等效为面磁流的辐射。等效的面磁流密度为 t = 一蠢e ( 2 - 1 6 ) 式中e = 乏e ，其中乏为z 方向单位矢量；j i ；是缝隙表面( 辐射口径) 的外法 线方向矢量，这些等效磁流的方向已在图2 3 ( b ) 中用虚线标出，可以看到沿两 条w 边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向( z 轴) 同相相加呈现最大值， 且随偏离此方向的角度的增大而减小，从而形成辐射方向图。由上可知，矩形微 带天线的辐射只要是由沿两w 边的缝隙产生。由于接地板的存在，天线主要向上 半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流朋。的正镜像。 由于而远远小于自由空间波长五，因此它只相当于将肘。加倍，辐射图基本不变。 2 3 微带天线馈电方法 微带天线的馈电方法目前有三种：( 1 ) 微带线馈电；( 2 ) 同轴线馈电：( 3 ) 电磁耦合馈电。 2 3 1微带线馈电 用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便地在一起光刻，制 作简便。但这时馈线本身也要引起辐射，从而干扰天线方向图，降低增益。为此， 一般要求微带线宽度w 不能太宽，希望w 远远小于名。这要求微带天线特性阻抗乙 要高些或基板厚度i l l 要小，介电常数s ，要大。 天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配可由适当选择馈电点位置来实现。当馈 电点沿矩形贴片的两边移动时，天线谐振电阻变化。对于t m ，。模，馈电点沿馈电 7 边( 图2 3 中y 轴) 移动时阻抗调节范围很大哺1 。 馈电点位置的改变将使馈线与天线间的耦合改变，因而使谐振频率有一个小 的漂移，但只要能保证主模工作，方向图一般不会受影响。频率的小偏移可以通 过稍稍改变贴片尺寸来补偿。 在理论计算中，微带馈源的模型可等效为沿z 轴方向的一个薄电流片，其背后 为空腔磁壁。为计入边缘效应，此电流片的宽度反比微带宽度w 宽( 取有效宽度) 。 微带馈线本身的激励往往利用同轴一微带过渡。有两种形式：背馈( 垂直过 渡) 和边馈( 平行过渡) 。如图2 - 4 所示： 5 0 q 同轴接口 ( a ) 背馈 5 0 q 同轴接口 己! 。 1 ? ， i 。 ( b ) 边馈 图2 _ 4 同轴一微带过渡 f i g 2 - 4c o 戤i a l m i c 玲矧p 仃如s i t i ：( a ) f e e d b k f e e ds i d e 2 3 2同轴线馈电 板 相比较微带线馈电而言，用同轴线馈电有如下优点：( 1 ) 馈电点可以选在贴 片内任何所需位置，因此便于阻抗匹配；( 2 ) 同轴电缆置于接地板上方，避免了 对天线辐射的影响。缺点是结构不便于集成，制作麻烦。其馈电类型类似于图2 4 所示。 2 3 3 电磁耦合型馈电 自上世纪8 0 年代以来，出现了多种电磁耦合型馈电方式。在馈电结构上它们 的共同特点是贴近( 无接触) 馈电，可利用馈线本身，也可通过一个缝隙( 口径) 来形成馈线与天线间的电磁耦合。因此它们也可统称为贴近式馈电。这对于解决 多层阵中的层间连接问题，是一种非常有效的方法，并且大多还能够获得宽频带 的驻波比特性。 利用缝隙耦合的电磁耦合型馈电结构拍1 是把贴片印制在天线基板上，然后置放 在刻蚀有微带馈线的馈源基板上。二者之间有一带有矩形缝隙的接地板。微带线 通过此缝隙来对贴片馈电。缝隙尺寸将控制馈线与贴片之间的耦合，采用长度上 8 比贴片稍小的缝隙一般可获得良好的阻抗匹配。电磁耦合馈电的典型结构如图2 5 所示。 2 4 宽频带技术 微带天线的最大缺点就是频带窄，近年来通过对微带天线进行分析研究，学 者们提出了很多展宽微带天线的频带宽度的技术。 ( 1 ) 降低等效谐振电路的q 值，低介电常数，高厚度介质板1 天线的特性参数在规定的容许范围内的频率范围称作频带。对线极化微带天 线来说，我们通常考虑的特性参数有方向图、增益、阻抗。其中阻抗最容易受频 率变化影响，也就是说线极化微带天线频带主要受其阻抗带宽限制。我们知道， 微带天线是一种谐振式天线，这是其阻抗频带窄的根本原因。微带天线的谐振特 性犹如一个高q 值的并联谐振电路。 薄微带天线的馈线驻波比不大于p 的相对带宽的计算公式h 3 为： 胛2 镑砌 协 天线的总品质因数qn 3 满足二= 二+ + 二 ( 2 1 8 ) 。 qq ，qq c 其中q ，伤，q c 分别为辐射、介质、和导体这些损耗引起的相应q 值。 从公式( 2 1 7 ) 我们可以看出，展宽天线频带的基本途径是降低等效谐振电路 的q 值，即降低介质基板的相对介电常数g ，增大基板厚度乃及增大w ，( 矩形微 带天线情况) 。由于因辐射引起的q 值q ，几乎与电厚度办凡成反比，因此加厚基 板厚度是展宽微带天线频带的有效手段h 】。但是厅九过大会引起表面波的明显激 励。但是如果采用背馈方式馈电，过厚的基板将导致探针过长，而引入太大的电 感，也将降低频带宽度，所以不能一味加厚基板厚度办。 9 设探针长度为反，则 探针电感爿，：兰鲨l n 卑 ( 2 1 9 ) 氏 氕d q _ s ， 然而，降低f ，的潜力也是有限的，因为其最小值占，= 1 ，即采用空气作为介质。 为了获得低介电常数，现已发展了采用蜂窝结构或泡沫材料的基板。值得一提的 是，脊形接地板结构微带天线就是采用此种方法，结构分别如图2 6 所示。从图中 我们可以看到，脊形接地板结构采用非金属的紧固螺丝将印刷有金属贴片的基板 和金属接地板固定构成微带天线，采用空气作为微带贴片与接地板之间的介质， 其等效介电常数将大大降低。为了防止基板厚度过大，采用背馈方式馈电时，引 入探针电感过大，将接地板焊接探针部分采用脊形结构，这样既保证探针电感不 是过大，又能够使中间空气层加厚，从而获得很大的带宽，已经设计好的相对带 宽达到9 0 1 心1 。 啊上些 t 伊“ 馈电点 脊形 ( a ) 俯视图 r - j ， 工 y 贴片 ( b ) 侧视图 图2 6 脊形接地板结构微带天线示意图 f 嘻2 - 61 1 1 es 仃u c t 眦o fp a l c h 柚t e 仰aw i t hr i d g e s h a p e dg r o 岫dp l a t e ：( a ) t 0 pv i e w ；( b ) s i d ev i e w 搔地板 图2 7 接地板边缘开缝或内部开缝示意图 f i g 2 7t h ed i a g r 锄o fs 1 0 钍e d 印叽dp l a t e 此外，将接地板边缘或者内部开缝( 如图2 7 所示) ，使接地板中电流路径增 加，也可以降低天线电路的q 值，从而增加阻抗带宽。 另外，一个不常用但能非常简单的降低q 值的方法是采用大损耗基板或附加 有耗材料n 3 。但是此方法由于损耗大，天线效率比较低。 ( 2 ) 修改等效电路：附加寄生贴片，采用电磁耦合馈电等 l o 展宽阻抗频带的第二种途径是设法修改微带天线的等效谐振电路，例如将简 单l 也c 电路修改为多谐振点的耦合谐振电路。一种有效措施是附加寄生贴片。它 可以是共面配置的，也可以是上下配置的，其共面配置的如下图2 8 所示，在矩形 贴片两侧各置放一寄生元，其能实现双调谐特性，从而增加阻抗带宽h 】。这种措施 的进一步发展是，不但附加寄生贴片，而且加直接耦合的贴片，或者四周都外接 一耦合元的贴片( 如图2 9 ) ，使每一个贴片谐振在邻近的频点，从而增大天线的 带宽。但是采用直接耦合呻1 或者间接耦合阻】，天线的尺寸将很大，故在限制天线尺 寸大小的场合不宜使用。 介质板介质板 图2 8 有寄生元的微带贴片天线图2 9 间接耦合微带贴片天线 f i g 2 - 8m i 盼s 研pp a t c h 柚t e 肌aw 孙p 觚强i t i ce l e m e n t ；f i g 2 - 9i n d i r 。c t l yc o u p l e dp a t c h 锄t e 彻a 另一种有效措施是结合馈电电路进行谐振电路的修改，例如采用电磁耦合馈 电方式等，都能获得宽频带的驻波比特性，如图2 1 0 所示的l 型探针馈电结构n 帕。 r + y 工 巳y 砧r 5 0 qs m a 图2 1 0l 型探针馈电微带天线结构示意图 f i g 2 - l0t h e 蛐r i l c t u 陀0 fl p r o b ef e dp a t c h 锄t e 册a 它相当于空气介质基板微带贴片天线，其辐射机理为：l 型探针垂直部分产生 感抗，水平部分和贴片之间产生容抗，两者相消产生谐振，使天线呈现宽频带或 者多频带。通过与同轴电缆相连，l 型探针上将存在交变电场，电场方向为探针水 平臂所指方向，交变电场将引起变化的磁场，磁场方向与电场方向垂直。当磁力 线垂直穿过贴片时，又将产生变化的电场，变化的电磁场经过金属底板的反射后 辐射出去。 ( 3 ) 附加阻抗匹配网络 第三条途径是采用阻抗匹配网络。值得说明的是，这实际上并不属于天线本 身的问题，而是馈线匹配问题。由于线极化微带天线的工作带宽主要受其阻抗带 宽限制，因此采用馈线匹配技术就能使它工作于较宽频带上。采用简单的双枝节 ( 开路微带线) 匹配技术，可使带宽增大到两倍左右砸1 。若用切比雪夫网络来综合 宽频带阻抗匹配网络，可将塔脓2 的带宽增大为原来的四倍左右u 。利用参量 放大器设计中的电抗补偿技术，由外加串联电容与天线馈电探针的电感来构成串 联谐振电路，并使它与圆形微带天线所等效的并联谐振电路在同一谐振频率上谐 振，将能获得很宽频带的匹配。 ( 4 ) 其他途径 除了以上几种方法可以增加天线带宽外，我们还可以通过改变天线构造或者 利用天线阵等结构来增加天线的带宽。其中，如果将矩形贴片的纵横截面改成阶 梯形或劈形，带宽能增加一倍n 羽。 目前常用的天线阵主要有微带面阵、对数周期阵等，其中对数周期阵的每个 振子的周期都是前面周期的缩尺，这意味着，在各自所对应的工作频率上，各个 周期的辐射特性是相同的。当利用很多这样的周期时，便能够获得很宽的工作带 宽，图2 1 2 所示为对数周期偶极天线( l d p a ) h 羽。 馈线 - 一 j “ 介质板 图2 1 l 阶梯形微带天线图2 1 2 对数周期偶极天线( l d p a ) f i g 2 - 1 ll a d d e r - s h a p e dm i c r 小矧p 锄t e 彻蜀f i g 2 - 1 2l o g - p e r i o d i cd i p o l e 锄t e n n a 2 5小结 本章主要介绍了微带天线的基本理论，包括微带天线结构和分类、微带天线的 优缺点与应用、微带天线的辐射原理、微带天线的三种馈电方法( 微带线馈电、 同轴馈电、电磁耦合馈电) 、宽频带技术等。其中宽频带技术详细介绍了目前采用 的几种宽频带措施，包括降低等效谐振电路的q 值；修改等效电路，如附加寄生 贴片，采用电磁耦合馈电等；附加阻抗匹配网络；改变天线结构或采用天线阵等。 1 2 3 微带天线分析方法 设计微带天线时，我们需要预先估算天线的性能参数( 如输入阻抗、驻波比、 方向图、增益等) ，这样可以大大提高天线研制的效率跟质量，并降低天线研制的 成本。天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，在求得电磁场 后，进而得出其输入阻抗、驻波比、方向图和增益等特性指标。分析微带天线的 基本方法有：最早出现也是最简单的是传输线法( ，m t r 锄s m i s s i o nl i n e m e 廿1 0 d ) ，主要用于矩形贴片微带天线分析；更严格更有用的是腔模理论或空腔模 型，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况；另外还有 有限元法、矩量法、格林函数法、和积分方程法等数值方法。这些方法互相补充， 各有所长。 本文设计的微带天线就是基于有限元法的高频仿真软件a n s o r 耶s s 设计的， 限于篇幅，本章将主要介绍传输线法、腔模理论、有限元法。 3 1传输线法 传输线方法是比较早期的微带天线分析方法，图3 1 所示为传输线物理模型， 其基本假设是： ( 1 ) 将微带贴片和接地板看成一段微带传输线，传输准t e m 波，波的传输方 向取决于馈电点。微带贴片长度咆2 ，丸为微带线中准t e m 波的波长。场在 传输方向呈现驻波分布，而在其垂直方向( 图3 1 中的宽度方向) 是常数。 ( 2 ) 将传输线的两个开口端( 即微带天线的馈电端和终端) 等效为两个辐射 缝，长为形，宽为厅，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带贴 片两端的延伸面上，即是将开口面向上折转9 0 0 ，因而开口场强随之折转。 图3 1 传输线法物理模型 f i g 3 - 1p h y s i c a lm o d e lo f m et r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d 由以上两条基本假设我们可以知道，当三= 以2 时，两缝上切向电场均为童方 向，且等幅同相。它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上 半空间辐射。缝上等效磁流密度为 膨= 夕2 y 而 ( 3 1 ) 其中y 为传输线开口端电压。 传输线法的便利之处是当缝放平时， 卜卜_ ，_ 一 ) 卜：jc 可以按照自由空间计算上半空间辐射场。 卜_ 兰i _ 一 ( a ) 微带线馈电( b ) 同轴馈电 图3 - 2 微带天线的等效电路 f i g 3 - 21 r h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fm i c 胁妯p 觚t e 肌a 图3 2 所示为按传输线法建立的微带天线等效电路。( a ) 为微带线馈电方式， 图中k 为微带贴片特性导纳，z 为缝辐射导纳；( b ) 为同轴线馈电方式，探针采 用背馈方式从接地板穿孔引出。等效电路与图( a ) 不同之处是它在微带贴片开口 端之间馈电，激励源离始端距离五；探针本身要引入感抗，用y ：，表示。 3 1 1 辐射场和方向图的计算 从图3 一l 甲找们口j 以看剑，徽带大线的辐射等双为二兀缝阵阴辐射，开且缝上 等效磁流是均匀的。利用式( 2 1 0 ) ( 2 一1 4 ) ，我们可以得到天线的辐射场n 1 为： 岛叫警c o s 妒rr 一训咖，幼( 1 + p 舭刚哪) ：彳c 。s 9 c 。s ( ! 筝s i n 口c o s 缈) e ( 口，妒) 五( 秒，矽) ( 3 2 ) 式中， s i n ( 华s i n 弛n 9 ) 昧见咖2 飞东赢了 。 s i n ( 掣s i n s 缈) 纵只纠2 飞蠹 。4 其中彳：罢孚口喁，r ，是微带片中心到场点的距离，缈为删面与x 轴夹角， 口为与z 轴实角。 1 4 由于缝宽度厅远远小于波长允，故e ( 秒，缈) 1 同理可得 fr 乓= 彳c o s 护s i n 伊c o s ( 竺等竺s i l l 秒c o s 矽) 互( 臼，伊) e ( p ，伊) ( 3 5 ) 二 由式( 3 2 ) 和( 3 5 ) 我们可以看出，如果缈= 0 ，则在此平面上仅有日分量， 故此平面为e 面，这是包含准t e m 波传播方向及z 轴的平面。而在矽= 9 0o 平面， 易= 0 ，仅有色分量故为h 面，这是与波传播方向垂直的平面。因此我们可以通 过控制波传播方向取得不用的极化状态。最大辐射方向在秒= 0 即z 轴，这是同相 激励二元阵的特点。由于微带天线尺寸一般比较小，即形，三 o ，此时三称为正算子， 则方程( 3 4 2 ) 与解下列泛函的变分等价n 町 ，u ) = ( 可，) 一2 ( g ，厂) ( 3 - 4 3 ) 里兹变分法是将厂分解为在域内解析的线性无关的基函数系列： 厂= 厂。 ( 3 “) 将上式代入( 3 4 2 ) ，则泛函，( 厂) 的变分就化为下列极值问题： 型业：o ，f ：l ，2 ，刀 ( 3 - 4 5 ) 帆 对于二次微分方程的泛函，就化作刀个线性代数方程的方程组，利用矩阵求逆， 就可得到系数矩阵口1 ，从而得出厂的近似解，我们可以知道这是个稳定的解。 与里兹变分法不同的是，有限元法把整个求解区域划分为若干个单元，在每 个单元内规定一个基函数，这些基函数在各自的单元内是解析的，但是在其他区 域为零，这就是用分片解析函数代替了全域解析函数。对于二维问题，单元可以 取作三角形、矩形等，并且以三角形适应性最广，对于三维问题，单元可取作四 面体、六面体等，每个单元的形状都可视具体问题灵活规定。 图3 5 有限元法的单元划分 f i g 3 - 5f i n i t ee l e m e n tm e t h o df o ru n i