（环境科学专业论文）可穿戴微带共形天线阵的研究.pdf

a b s t r a c t i i i a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r k sa r em a d ew i t hs c i e n t i f i cp r o j e c t s ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h e w e a r a b l ec o n f o r m a lm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y si sp r e s e n t e d i ti n c l u d e st w op a r t si nt h i s t h e s i s ：t h ee n g i n e e r i n gs a m p l eo fw e a r a b l ec o n f o r m a la n t e n n aa r r a y sc a r r i e do nt h e g i r d l ea r em a d ei nt h ef i r s tp a r t ，a n da n o t h e re n g i n e e r i n gs a m p l eo fw e a r a b l ec o n f o r m a l a n t e n n aa r r a y sc a r d e do nt h ev e s ta r em a d ei nt h es e c o n dp a r t f i r s t l y ，t h ed e f i n i t i o no fc o n f o r m a la n t e n n ai sp r e s e n t e d ，t h eh i s t o r ya n dr e s e a r c h s t a t u so ft h ec o n f o r m a la n t e n n aa r r a yt e c h n o l o g ya r eg i v e n f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt o i n t r o d u c et h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t so fw e a r a b l ea n t e n n aa sar e s e a r c hb a c k g r o u n d ， t h ed e s i g nm e t h o d so fm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y sc o n f o r m a lo nt h ew a i s ta r ea l s ou n d e r d i s c u s s i o n am o d i f i e de s h a p e dm i c r o s t r i pa n t e n n ae l e m e n ti sd e s i g n e dt os a t i s f yt h e w i d e b a n dr e q u i r e m e n to fc o n _ f o r m a la n t e n n aa r r a y s t h ew e a r a b l ec o n f o r m a la n t e n n a a r r a y sc a r r i e do nt h eg i r d l ea r es i m u l a t e da n do p t i m i z e db yc o m m e r c i a le d a s o f t w a r e a n s o f th f s s t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a r a c t e r so ft h i sa n t e n n aa r ee n o u g h t oc o n t e n ta p p l i c a t i o n t h e nt h ee n g i n e e r i n gp r o t o t y p eo ft h ea n t e n n ai sf a b r i c a t e da n d m e a s u r e d t h ep r o p o s e dw e a r a b l ea n t e n n aw o r k i n gf r o m2 4 g h zt o2 4 8 g h zh a s c h a r a c t e r st h a tv s w ri sl e s st h a n2 ，a n dt h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci so m n i d i r e c t i o n a l i nh - p l a n e i ti sa v a i l a b l ef o rt h i sd e s i g nm e t h o dt ob ea p p l i e di ne n g i n e e r i n g s e c o n d l y ，b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tc a r r i e r st h a ta n t e n n a sa r ea p p l i e dt o ，t h ed e s i g n m e t h o do fw e a r a b l ec o n f o r m a la n t e n n aa r r a y sc a r r i e do nt h ev e s ti sp r e s e n t e d t h e s t r u c t u r eo ft h ea n t e n n ai st h a tt h ee l e m e n t sa n dt h ep o w e rs p l i t t e r sa r ei n d e p e n d e n to f e a c ho t h e r , w h i c hm a k et h eu s e rm o r ec o m f o r t a b l ea n df r e e a n di tm a k ea n t e n n a c o n c e a lb e t t e r t h ew e a r a b l ec o n f o r m a la n t e n n aa r r a y sc a r r i e do nt h ev e s ta r es i m u l a t e d a n do p t i m i z e db yc o m m e r c i a le d as o f t w a r ea n s o f lh f s s t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h ec h a r a c t e r so ft h i sa n t e n n aa r ee n o u g ht oc o n t e n ta p p l i c a t i o n o nt h i sc o n d i t i o n ， t h ep r o t o t y p eo ft h i sa n t e n n ai sf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o w t h a tt h i sa n t e n n aw o r k i n gf r o m2 4 g h zt o2 4 8 g h zh a sc h a r a c t e r st h a tv s w ri sl e s s t h a n2 ，a n dt h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci so m n i d i r e c t i o n a li nh p l a n e i na d d i t i o n ，t h e m e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h i sd e s i g nm e t h o di sv a l i da n di tc a nb ea p p l i e d k e y w o r d ：w e a r a b l em i e r o s t r i pa n t e n n a c o n f o r m a la r r a y s 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：奚绉日期丝丝：主：f 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签 导师签 日期丝z 呈：呈： 日期幽：主。 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】：本章讨论了可穿戴天线及共形阵列天线的概念；说明了共形 阵列天线的研究及发展现状；阐述了课题研究背景及其意义；最后给 出了本文所作的研究工作以及论文的组成结构 1 1 可穿戴天线的概念及特点 所谓可穿戴天线，是指采用特殊的方式或者特殊的材料，将天线集成于人体 所经常穿戴的载体上，如：衣服，帽子以及背包等。 所集成的天线应与人体保持良好的共形，尽量不影响载体的正常使用以及人 体的舒适度。工作频段也较多得针对称之为i s m 的2 4 g h z - 2 4 8 g h z 频段，即蓝 牙、w i f i 等以人体为中心的短距离无线通信技术的工作频段。 近年来，随着编织材料( t e x t i l e ) 天线的出现，由于具有能够完全与人体共形的 特性，可穿戴天线技术受到越来越多的关注，并在众多领域得到了广泛的应用。 例如，在医学方面，研究利用可穿戴天线进行乳腺癌的探测以及其他一些实时的 医学诊断系统的研制【l 】；在军事方面，一些单兵作战的背包雷达以及单兵通信系统 都采用了可穿戴天线技术 2 1 。当然，可穿戴天线在移动通信中也得到了极大的关注， 已有文献报道将其应用于g s m 系统【引、w l a n 系统【4 】以及其他一些系统当中。但 可以看出，国外在该领域的研究也不是很成熟，研制的天线产品结构较为简单， 因而对于实际的产品开发与天线设计还有很大的发展空间。国内更是刚刚接触到 该领域，正处于探索阶段，目前还没有可穿戴天线成品产出。 考虑到人体健康，可穿戴天线的设计要求相对于普通天线而言更加严格，其 特点及技术要求有以下几点： 1 由于要随身携带，天线尺寸要小、质量要轻； 2 天线结构形式一定要合理，尽量减小天线对人体的辐射和影响； 3 其位置要接近移动终端设备，便于与它们连接； 4 天线尽量采用与人体共形的结构方式，不影响载体的正常使用以及人体的 舒适度； 5 选择人体必备且使用广泛的物品作为天线载体，便于控制成本和提高天线 的隐蔽性。 根据以上特点，为了实现可穿戴天线的小型化、水平全向、与复杂曲面共形 的要求，微带共形阵列的天线形式成为最合适的选择，所以本文对小型化、全向 可穿戴微带共形天线阵的研究 微带共形阵列天线进行了研究。 1 2 共形阵列天线的含义 天线系统是向空间辐射或从空间接受电磁波的装置，是无线通信系统中的一 个非常关键的部分，其特性的好坏直接影响着整个通信系统的工作性能。随着现 代无线通信技术的飞速发展，对于天线性能的要求也越来越高。无论是在军事国 防还是民用通信领域，对于天线的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了 更加苛刻的要求。在实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、 波束扫描或波束控制等特性，采用特定形式的阵列天线则非常容易获得这些特性。 因此，阵列技术在实际中获得了广泛的应用【5 。7 1 ，这也大大促进了阵列理论和技术 的发展。 根据天线阵列单元的排列形式，阵列天线可以分为直线阵列、平面阵列和共 形阵列等。直线阵列和平面阵列的结构较为简单，被广泛的应用于实际工程，许 多技术都已经相当成熟，但它们也存在一些不足之处。例如，在使用直线和平面 阵列形式的相控阵时，其最大扫描角受到结构的限制，当扫描角度较大时，天线 阵列在扫描角度上的投影孔径会急剧减小，很难实现大角度的扫描。实际应用中 经常需要实现宽角域的阵列覆盖，而采用直线阵或平面阵往往很难实现以上角域 覆盖的要求。而且，考虑到空气动力学的要求，常常要求阵列天线与某些形状的 载体共形，即需要将阵列天线整体平稳地弯曲在圆柱、球形或是其他一些形状表 面，从而形成非平面的共形天线阵【l 引。 i e e e 天线标准( i e e es t d l 4 5 1 9 9 3 ) 给出了如下定义： 2 7 4 共形天线或者共形阵列在与物体的表面共形时候不仅仅要考虑天线的 电磁特性，同时更重要的是考虑空气动力学特性和水力学特性。 2 7 5 共形天线阵列的标准可参考共形天线。 设计共形阵天线的目的是使天线与物体成为一个完整的结构而不至于在高速 运动中分离，同时可以降低外界环境对天线的干扰以及在当今城市生活中的视觉 污染。 与直线阵和平面阵列相比，共形阵列的主要优点表现在i l 副： 1 可提供宽角度覆盖； 2 具有低剖面特性，不影响载体的空气动力学性能； 3 增加了可用口径，可以提供较窄的波束，并可以实现较高的天线增益； 4 提高天线安装自由度，降低雷达散射截面积( r c s ) ； 5 节约载体有限的空间。 由于共形阵列与平面阵列相比有着很多优点，因此在雷达、通信和导航等方 第一章绪论 面得到了越来越广泛的应用。 1 3 共形阵列天线的研究及发展现状 i31 共形阵列天线的发展现状 麸形阵列最初的起源可以追溯到上世纪3 0 年代。1 9 3 6 年c h i r e i x 研究分析了 一个由偶极子排列成圆环的阵列，随后又陆续发表了一些基于这个课题的研究性 文章”。这个圆环阵列之所以受到广泛关注是因为这个结构是旋转对称的，通过 调整相位可以产生一个有3 6 0 。扫描角的定向辐射。由全向单元组成的空间曲面阵 和共形圆环阵具有相似的形式，因而，在研究中也常常把这种空问曲面圆环阵归 于共形阵列中。这种圆环阵列最初被用在广播通信方面，后来被用在了导航定位 方面。 在二战期问，高频圆环阵列在德国被成功地应用于无线信号的智能采集和定 位。这种被称为w u l l e n w e b e r 的圆环阵列半径达到1 0 0 米通过采用适当的相位馈 电，能够方便地实现水平面全向覆盖。战后，美国i l l i n o i s 大学对w u l l c n w c b e r 阵 列进行了研究，如图1l 所示。他们在一个反射面上放置了1 2 0 个辐射单元，圆环 阵列的直径达到了3 0 0 米”“。在冷战期间，相似的圆环阵列被广泛地安装于世界 各地，用于警戒和获取情报，至今有好多系统仍在正常工作。 圈l l 美国i l l i n o i s 大学直径达3 0 0 m 的w u l l e n w e b e r 天线 上世纪7 0 年代以来，微波集成电路技术的发展为实现操纵复杂阵列所必需的 馈电方法提供了支持，电子扫描丰日控眸天线成为了一个非常活跃的研究领域。而 通常情况下，共形阵列天线广泛应用于相控阵，这也太大促进了共形阵列天线的 可穿戴儆带北形火线阵的研究 研究。在这个时期，共形阵列天线的电磁场模型和设计也有了非常大的发展，一 批先驱者为此做出了很多上作。 在昂近】0 到2 0 年的时间旱，电磁分析方法和对天线存曲面上的研究都有了 根显著的成果，其一1 ，最重要的一个发展是对弯曲表面电磁波的衍射分析以及对源 的辐射模式分析。随着航空航天工业以及移动通信的飞速发展，共形阵列天线得 到了越来越广泛的应用，其阵列形式也由最初的圆环陴等简单结构变得越来越多 样化，出现了锥面热形阵i 、椭圆柱面j e 形阵1 1 8 1 、球形曲脚共形阵等各种形 式的共彤阵列。罔12 所示的是一个工作存3 0 0 m i t z 到1 3 g h z 的与椭圆曲面共形 的阵列天线。 图l2 一种3 0 0 m h z 到13 g h z 的茫形天线 随着科研技术的发展，新颖的共形阵列天线越来越多。最新的种叫做“智 能皮肤”的天线1 2 “。这种天线的构成更像是一个r f 系统，包括了辐射单元馈电 网络，放大器，功率分配器，耦台器，滤波器等等。所有的这些设计都可以与任 意形状共彤。 在可穿戴技术领域，共形阵列天线也得到越来越多的应用，研究人员将阵列 天线共形于人体复杂曲面，已制成多种可穿戴共形阵列天线设备，例如头盔共形 犬线 2 1 - 2 4 i 。头盔表面为非规则曲面，目前，时用于通讯的头稿共形天线的研究还 处于比较初级的阶段。头镊兆形灭线外形隐蔽，在工作环境中，能克服传统鞭状 天线隐蔽性差容易暴露目标的缺点。而且在一些比较复杂的环境，例如丛林、 室内时，传统鞭状天线不利_ 1 快速运动，而与头盔共形的天线，则能够有效地克 服这些缺点。如图l3 所不的是一个安装十头盎上的f i 适应天线阵 2 3 1 ，这个阵 列也含5 个巾儿，通过阵列的宽角度覆盖和白适应切换波束来实现全向覆盖。该 第一章绪论 天线能够有效地抑制多径效应和人员移动带来的干扰 图13 应用于通信的头盔共形阵天线 32 共形阵列天线的分析综合方法 共形阵列的研究与平面阵列相比，起步较晚，而且，由于共形阵列的结构复 杂其分析和综合还没有达到与平面阵相同的程度。与平面阵相比，共彤阵列天 线存在着理论分析和工程设计上的诸多困难： 1 共形阵列各天线单元的最大辐射方向并不相同，不能运用方向图乘积定理 和周期结构理论来分析计算共形阵的方向图； 2 共形曲面的结构使得阵列馈电系统的设计及实现变得复杂而困难； 3 由于共形阵结构复杂，单元指向各不相同，要保持所需角域中所有辐射单 元相同的极化是很困难的； 4 由于共形阵列单元分布的非对称性以及单元问的多路径耦合，共形阵的互 耦分析十分复杂，难以计算。 在各类共形阵列天线中，圆环阵列一般具有均匀的单元分布，阵列结构相对 来说比较简单，应用也较为广泛8 5 羽。自从上世纪七十年代以来，圆环阵列的方 向图综台方法、波束控制方法和馈电方式都得到了广泛研究。研究中发现，圆环 阵的阵列圆环半径、阵列单元的弧面间距等参数对圆环阵的水平面方向图影响报 大。 对于复杂载体上的共形阵列，由于阵列单元指向不同，并且单元问的互耦计 算相当困难，因此，对于它们方向圈的分析是十分复杂的，只能通过数值方法进 6 可穿戴微带共形天线阵的研究 行分析，现有常见的共形阵天线的数值分析方法主要有以下几种：对于圆柱、圆 锥和球体等规则结构，可以求得其对应的格林函数，因而可以采用矩量法( m o m ) 和谱域法有效、准确地分析共形天线和阵列【2 8 】；而对于宽频带微带天线，可采用 时域方法进行分析计算【2 9 1 ，经一次计算就可得到整个频带特性；对于复杂结构， 可以采用时域有限差分( f d t d ) 法或有限元( f e m ) 方法进行求解【3 们，也可以与矩量 法等方法结合求解；对于电大尺寸的物体和更为复杂的结构，可以采用矩量法、 几何光学法和有限元边界积分相结合的方法进行求解。 一般说来，共形阵列的综合问题比分析问题更为复杂，在很多情况下问题的 解并不唯一。对共形阵列的综合并不仅仅是对其方向图的综合，而是在设计开始 时就要考虑共形阵列天线的形状、共形阵列单元的形式以及阵列单元的分布等问 题，另外在设计中还要考虑共形载体以及单元间互耦效应对阵列及阵列单元的谐 振频率、带宽和极化等问题的影响。因此，共形阵列的综合问题是一个复杂的系 统问题，对该问题很难有一个严格而精确的解决方法。 目前，共形阵列的综合方法主要有：傅里叶综合方法、进化算法综合方法、 自适应阵列综合方法、极化方向图综合法、非线性优化综合法、道尔一切比雪夫综 合方法以及最d - - - 乘综合法等。 1 4 课题研究背景及其意义 由上述内容可以看出，共形天线已经广泛应用于各类通信系统和军用监视雷 达领域，而微带共形天线阵剖面低、体积小、重量轻、易与复杂曲面共形的优点 非常符合可穿戴天线的要求。这使得可穿戴共形天线有着非常广阔的发展及应用 前景，而可穿戴共形天线的研究设计工作对于国防事业的发展也具有极为重要的 现实意义和实用价值。 传统的微带共形天线都是采用近似的方法来仿真计算的，也就是用很多小的 平面来代替一个曲面，这就要求所共形的曲面具有规则的形状或是较为明确的曲 面方程。但可穿戴共形天线要求在复杂的人体表面共形，这就存在很多难点需要 解决： 1 共形面不规则，对共形面上的天线单元以及单元间的互耦分析十分困难； 2 共形阵列要满足一定的带宽，从而限制了一些低剖面共形贴片单元的使 用，同时共形阵列也需要满足低剖面的结构，这是需要解决的一组矛盾问题； 3 载体形状具有非旋转对称性，从而影响共形阵列水平面的全向覆盖； 4 共形载体可用面积有限，难以安装足够数量的单元，使得共形阵列不易实 现全向辐射； 5 为了不影响人体的舒适度，对天线重量有较严格的控制，这进一步限制了 第一章绪论 单元的数量，同时也限制了一些类型天线单元的使用，并且对天线的馈电系统设 计也提出了一定的要求。 针对上述问题，本文从实验的角度给出了与人体腰部共形的微带共形阵列天 线的设计方案，研制了水平面全向辐射的可穿戴共形天线阵的具体实验样机，并 且设计研制出了一个基于马甲载体的可穿戴共形天线。本文利用数值分析技术和 商用软件对问题进行计算机仿真和优化，既简便又灵活，而且设计过程的费用少、 周期短。另外对实物样机进行了实测，从而保证了整个结果的可靠性。 1 5 本文的主要工作和内容安排 论文密切结合科研项目进行研究， 是对腰带式可穿戴共形天线阵的研究； 阵的研究。 研究工作主要分为两部分：第一部分内容 第二部分内容是对马甲式可穿戴共形天线 论文的第一个研究工作是以可穿戴天线的工程要求为研究背景，讨论了与人 体腰部共形的微带共形天线阵的设计方法。为保证天线的电性能要求，特别是频 带宽度要求，设计了一种改进型e 形微带天线，并将其作为单元组成共形阵列。 利用a n s o f th f s s 软件对该可穿戴天线进行了优化仿真，设计出了腰带式可穿戴共 形天线阵。在此基础上，研制了天线实物样机，并对该天线实物样机进行了测试。 测试结果表明，这种可穿戴天线满足频带宽度以及水平面全向辐射的设计要求。 论文的第二个研究工作是基于马甲载体的可穿戴共形天线阵的研究。利用 a n s o f th f s s 软件对马甲式可穿戴共形天线阵进行了优化仿真。仿真分析结果说 明，该天线阵的电特性能够满足实际工程应用要求。在此基础上，研制了天线实 物样机，并对该天线实物样机进行了测试，测试结果表明，这种可穿戴共形天线 的设计方法是行之有效的。 本文的具体内容安排如下： 第一章讨论了可穿戴天线及共形阵列天线的概念；说明了共形阵列天线的研 究及发展现状；阐述了课题研究背景及其意义；最后给出了本文所作的研究工作 以及论文的组成结构。 第二章讨论了微带天线的相关理论及空腔模型理论分析方法；同时，以矩形 微带贴片天线为例，阐述了微带天线的设计方法以及微带共形阵列的特性。 第三章研究了腰带式可穿戴共形天线阵的设计方法。在理论分析的基础上， 利用a n s o f th f s s 软件对该天线阵进行了优化仿真分析，并对该天线实物样机进行 了测试。 第四章研究了马甲式可穿戴共形天线阵的设计方法。在理论分析的基础上， 利用a n s o f ih f s s 软件对该天线阵列进行了优化仿真分析，并对该天线实物样机进 8 可穿戴微带共形天线阵的研究 行了测试。 第五章对全文工作进行了总结和概括，并提出了需要改进或有待于进一步研 究的问题。 第二章微带天线及微带阵列天线的相关理论 9 第二章微带天线及微带阵列天线的相关理论 【摘要】：本章讨论了微带天线的相关理论及空腔模型理论分析方法； 同时，以矩形微带贴片天线为例，阐述了微带天线的设计方法以及微 带共形阵列的特性 2 1 引言 为了使本文具有白包含性，本章给出了可穿戴共形天线设计所要用到的理论 知识，阐述了共形阵列中所使用的微带天线的基本理论及其分析方法，并对微带 阵列天线的特性进行了理论分析，其目的是为后续的可穿戴天线设计奠定理论基 础。 2 2 微带天线的基本理论 现代通讯系统往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束 控制等特性。与单个天线相比，天线阵列则更容易达到这些要求。天线阵列在实 际中的广泛应用，大大促进了阵列理论和技术的发展。而随着微带天线的出现和 发展，人们对以微带线馈电的微带天线阵产生了浓厚的兴趣。 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它 利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过 贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射【3 。虽然微带天线提出至今不过5 0 年的历 史，但由于其具有尺寸小、低剖面、成本低和工艺简单等优点，同时还可方便的 实现线极化或圆极化以及双频工作，因而被广泛应用于通信、广播和航空航天等 领域，并成为了天线领域中一个专门的分支。 和常用的天线相比，微带天线有如下一些优点： 1 结构简单，易于制作和生产； 2 重量轻、体积小和成本低； 3 低剖面，易共形，不影响安装平台的空气动力学性能，能方便地安装于导 弹、火箭和卫星上； 4 易于得到各种极化，可以在双频或多频工作； 5 能和有源器件及微带电路集成为统一的组件。 缺点主要是：频带窄，主要是谐振式微带天线：导体和介质损耗较大，因此 效率较低；单个微带天线的功率容量较小；由于工艺条件的限制，批量生产的介 可穿蛾微带共形天线阵的研究 质基h 的均匀性和一致性还有欠缺。 由于微带天线所固有的这些特点，因而易于做成与各种曲面共形的微带天线 阵，即微带兆形天线阵。而微带共形天线阵作为平面微带天线阵的一种延伸，分 析微带共形天线阵的第步就是要对平面的微带灭线进行分析，进而考虑弯曲表 面对天线性能的影响，通过复杂的计算得出共形天线的辐射机理。 m 上 一 ，e 目；儿俪 ， 蚓21 矩形微带天线发其等效融流分布 微带天线的基丰工作原理可由考盎矩形微带贴片来理解。如剧21 ( a ) 所示 是一个微带线馈电的矩形微带天线，贴片尺寸为0 b ，介质基片厚度为h ，h o ( 。为自由空问波长) 。矩形微带天线的辐射主要由两条d 边与接地板之叫的窄 缝隙产生，这两条边被称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐 射。 对微带天线进行工程设计时，需要对天线的4 阽能参数如方向图、方向性系数、 输入阻抗、频带宽度、极化和效率等进行分析估算这将大大提高天线研制的质 量和效率降低研制成本。至今，已经出现了多种微带天线分析方法，主要有以 下几种： 1 传输线模型理论，这是一种一维近似，主要用于矩形贴片： 2空腔模型理论，这是一种二维近似可用于各种规则形状的贴片，但基本 上限于天线厚度远小于波长的情况： 3 积分方程法，即全波理论，可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而 要受到计算模型的精度和机时的限制。 4 格林函数法，经积分方程法简化而产生； 5 由空腔模型的扩展，又出现了多端口网络法等。 奉文主要介绍空腔模型理论分析方法。 乡掳 第二章微带天线及微带阵列天线的相关理论 儿 2 3 矩形微带天线的腔模理论分析 腔模理论【3 2 】是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的，把矩形微带天线等效 为四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔，推导出腔内场的一般表达式。 2 3 1 空腔模型理论的基础假设 如图2 1 所示，当h x o 时，矩形微带贴片和接地板之间的盒形区域可看作谐 振腔，其上下壁是微带贴片和面积相等的接地板，四周为侧壁。在分析腔内场时， 可作如下假设： 1 由于腔高度h x o ，可假定电场只有e z 分量，并且e ：不随z 坐标变化，磁 场只有h x 和h v 分量，即腔内场是与z 无关的二维场，对z 轴而言，这是t m 型场； 2 在微带贴片的四周边缘处，电流无垂直于周界的分量，即边缘处切向磁场 为零，故空腔四周可假设为磁壁。 根据这些假设，即可将谐振腔视为上、下为电壁，四周为磁壁的腔体。 在这里，二维场假设及仅有t m 波假设都是近似的，另外，侧壁上切向磁场 为零也是近似的，因为微带片内壁的电流可以通过周界面流向外壁面，因此在周 界处内壁面法向电流严格来说不是零，只有在h x o 条件下接近零。因此，h x o 的条件是非常重要的。 2 3 2 单模理论 在谐振腔内的无源区域，波动方程为： ( v 2 + 七2 ) 三= o ；k - - c o f 石 式中豆为电场强度矢量( v m ) ，为媒质的磁导率( h m ) ， 常数( f m ) 。由基本假设e = z e a x ，j ，) ，上式可改写为 式( 2 - 1 ) 为媒质的介电 ( v ，2 + j j 2 ) 丘= o h = 一z x v ，e 2 j c o # 式( 2 2 ) 式中疗为磁场强度矢量( a m ) ，下标t 表示运算仅对横坐标进行。上式的解 为 聊7 rn 丌 丘，1 1 乜nc o s c o s 口d 以= 警c o s 仁x ) s i n 洋y ) 式( 2 3 ) c o “dad 片。：一jm j r e os i n 仁x ) c o s ( t 腑- y ) 。6 【) “以a， 可穿戴微带共形天线阵的研究 式中m ，n 是不全为零的任意整数，并且 芦) 2 + ( 孚) 2 ：k 2式( 2 4 ) 口d 其中，e o = v h ，v 为激励电压。 当m = 0 ，n = l 时，这就是常用的基模。代入上式后可见此模式与传输线法所得 出的场相同( 在b = k 2 时) 。至于辐射场的计算，单模法同样只计算两端( y - - 0 ，b ) 磁流的辐射，两侧边的磁流相等而且反相，它们的辐射是交叉极化成分，并且基 本上互相抵消，是可以忽略的。因此对于矩形微带天线来说，在常用的基模上， 单模分析与传输线法基本一致。 2 3 3 多模理论 在单模理论中认为谐振腔内只存在一种模式，但当考虑到具体的激励源时， 这往往是不成立的，仅在激励源和该模式的场完全匹配，或者工作正处于该模式 的谐振频率上时，才是严格准确的。当微带天线用微带线或同轴探针激励时，一 般都会激励出多种模。 根据腔模理论的基本假设及边界条件，空腔内场满足下列m a x w e l l 方程组： v x h = j c o s e + j v x e 一= 一御。日 式( 2 - 5 ) v h = 0 v 雷：0 这里已经考虑到馈源是沿z 方向的电流源，并因为基片很薄，设，不随z 坐 标而变化，n 此v - y = 一 c o p = 0 ，从而有第四式v 云= 0 ，推导可得腔内电场的 波动方程为： v 2 豆+ 七2 豆= o o # o y 式( 2 - 6 ) 式中： k = 心s = s ，( 1 一以6 ) 式( 2 7 ) t g & 是介质损耗角正切。由于了= 红，豆= 趣，式( 2 - 6 ) 化为： ( v 2 + 尼2 ) e = ，掣。正 式( 2 8 ) 用模展开法，即把上式的解表示为各本征模的叠加。由求解无源区域的奇次 波动方程和空腔边界条件可知： f ( v 2 + 七2 。) l f ，。= o 监：o 式2 母) 第二章微带天线及微带阵，4 天线的相关理论 1 3 将e 展开为正交模无穷级数即令： t = k y 。 式( 2 1 0 ) m j 则由式( 2 8 ) ，式( 2 - 9 ) 和式( 2 - i 0 ) 可得： 如( k 。一女2 。) y 。= 阚正 式( 2 _ 1 1 ) 用咿胁的共扼复数v 。乘以上式两边，并积分，1 8 q 有卅；卅，h = 时，y 舢 和y 胁的内积不为零( 其它v 删和v 脚在积分域内是正交的) ，可得： 屯= 避蹦 式中： ( 矿。) = l j 。出；扣。胛) = f v ，。v + 肌出 式啦) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 一i 0 ) ，就能得到腔内电场的一般表达式； 丘2 风蕃走 v 。 式( 2 一1 4 ) 式中吼= 。= 1 2 0 x ，岛= 2 九。女= k o , j s ，( 1 一l t 9 8 ) 是近于实数的复 数( t a r l 6 1 ，典型值为00 0 1 ) ，由工作频率决定；吒。是谐振模的截止波数，为 实数，由天线尺寸和模序导m 、n 决定。当工作频率选得使k 很接近于某册值时， 分母上的k 2 一也很小而使第( m 、n ) 项振幅变得很大，内场基本上就由这个项决定， 这时我们就说该天线工作于第( m 、n ) 模，或者说对，m 册模谐振。其狄，该式也表 明，对任一妒。分布不同的：位置( 激励条件) 将导致不同的激励振幅( 展开系 数) ，从而将得到不同的内场。 图2 2 空腔模型几何关系 如图22 所示，馈源为同轴探针，它可以表示为由接地板流向贴片的= 向电流 和接地板上同轴开口处的小磁流环。后者很小，可以略去；前者可等效为中心在 0 习业 帮 1 4 可穿戴微带共形天线阵的研究 ( ，y o ) ，宽为a o 的电流片。设总电流为i o ，即有： 以：脍，矿d z o x x o + d z o 【0 ， 其他 而对于矩形贴片，则： y m 2 c mc o s c o s r ：二- 一 m 7 r x7 r 1 ， k = 式( 2 1 5 ) 式( 2 1 6 ) 式( 2 - 1 7 ) 删。模的谐振可由上式得出( 取s ，= k 。) ： 厶2 素悖睁 柳8 ， 若将上式的s ，用。代替，则能获得更近于结果的谐振频率值，即： 厶2 赤悖睁 柳9 ， 或者 厶( 虢) 2 而1 丽5 庙2 + ( 汐 却珈) 上式中的a 、b 应该为等效尺寸，它比物理尺寸a 、b 稍大： 髓一二2 拟6 ；式(2-21b b2 m ( a ， l =7+ 7 ) 7 其中： 化。+ 0 3 ) ( 二 4 - 0 2 6 4 ) w 耿计观4 1 2 乃i 蒜 式( 2 - 2 2 ) 0 ( s 。一o 2 5 8 ) ( f +8 ) s 。可按下式取值： s 。( 口) ，当m = 0 s 。( 6 ) ，当疗= 0式( 2 - 2 3 ) 生塑生塑，其它 s ， s p ( w ) 可由式8 e ( w ) ：生岩+ 生( 1 + 坐) 州z 算出。 zzw 由磁流分布可以定性地预计天线的方向图和极化。而磁流分布有以下规律： 第二章微带天线及微带阵列天线的相关理论 埘。模的磁流沿口边有m 个零点，沿6 边有n 个零点 两个相邻零点的间隔为丸2 ； 每经过一个零点， f 便改变方向： 贴片四角处m 为最大值； t 沿周边分布是连续的，按正弦分布或均匀分布。 24 微带天线设计方法 本文以工作于主模的矩形微带天线为例，阐述微带天线的设计方法，在设计 工作于其它模式下的贴片时只需将计算贴片边长的公式改为相应于工作模式的公 式即可。 24 1 结构和设计要求 矩形贴片微带天线如图2 _ 3 所示，其有关设计参量包括：辐射贴片宽度a ，辐射 贴片长度b ，介质板厚度h ，介质板的长度a g 和宽度b g 、介质的相对介电常数和 损耗角正切衄t 5 。 ( a ) 背馈( b ) 侧馈 图23 两种馈电形式的微带天线 对于贴片天线的设计要求，总的来说就是要满足使用部门所提出的一系列技 术指标，这其中包括：中心工作频率及频带宽度；方向特性，即方向性系数d 、增 益g 及波束宽度；极化特性；阻抗特性：晟丈的安装面积和高度、安装条件等机械 结构要求；中心工作频率和输入阻抗的可调性：特定环境条件下的工作特性，其 中包括在给定的振动、冲击、高低温、湿度等环境条件下所必须满足的各项电气 和机械性能指标。 满足上述要求的设计过程需要兼用理论和实验的手段，比如其中的方向函数 1 6 可穿戴微带共形天线阵的研究 及输入阻抗数据可以用理论公式进行计算，而介质板的介电常数则必须要实测。 将理论和实验手段结合能够有效提高设计研制的速度，从而降低天线成本。 2 4 2 介质基板的选取 作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板并确定其厚度，这是因为介 质板材料的s ，和t a n s 以及其厚度h 直接影响着微带天线的一系列性能指标。 工作于主模的矩形微带天线贴片长度b 近似为弛，k 为介质内波长。即 以= z o s 。，h 为自由空间波长，s 。为有效介电常数，s 。可表示成： 铲掣+ 掣( 1 + 丝) 圳2 式( 2 - 2 4 ) zz口 由此可见，边长与s 直接相关。当边长取定后，h 的取值则决定着天线的体 积和重量。显然，当要求天线工作于较低的频段时，如果安装面积或体积重量有 限制，则应该选用s ，较大的基板。 矩形微带天线的e 面方向图波瓣宽度与两辐射边间距b 有关。相同的工作频 率下，不同s ，的基板对应不同的b 值，所以e 面的波束宽度也就不同。e 面波束 宽度可根据二元阵公式算出： 厂 。0 厂( 日) = 2 ac o s ( 2 9 - s i no ) i式( 2 - 2 5 ) l 二 j 其中，a 是每个单元的激励幅度，s o 是用电角度表示的元的间隔。随着，的 增大，半功率波瓣宽度也会增大。 介质基板厚度h 的增大能使传输线特性阻抗增大，从而使频带变宽。当厚度 h a 1 6 时，v s w r 2 的频带宽度的经验公式为： b w ( m h z ) = 5 0 4 f ( g h z ) 2 h ( m m ) 式( 2 - 2 6 ) h 的增加还将使辐射效率增大。为了达到展宽频带和提高效率的目的可以增大 基板厚度h ，但是h 的增加不但使重量增加而且破坏了低剖面特性，所以基板材料 还是要根据具体要求来权衡选定。 2 4 3 单元宽度a 的选取 在确定介质基板材料及其厚度h 后，应该先确定单元宽度a 的尺寸。这是因 为由式( 2 - 2 4 ) 可知，当e ，及h 已知时s 。取决于a ，而单元长度b 的尺寸又取决于 。及a 。而且a 的尺寸影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而 也就影响着频带宽度和辐射效率。另外，a 的尺寸直接支配着微带天线的总尺寸。 在安装尺寸允许的条件下a 取的适当大点对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当a 第二章微带天线及微带阵列天线的相关理论 1 7 尺寸大于下式给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变： 口= 方( 孚) - l 坨 5 戋( 2 - 2 7 ， 式中c 是光速，z 是谐振频率，由式( 2 2 7 ) 可知a 总是取小于九2 的值。 2 4 4 单元长度b 的选取 工作于主模的矩形微带天线的贴片长度b 在理论上取弛，但实际上由于边缘 场的影响，在设计b 的尺寸时应从弛中减去2 址。址由式( 2 2 2 ) 给出，即： ( s 。+ o 3 ) ( 孚+ o 2 6 4 ) 址= o 4l2 向旦一 式( 2 2 8 ) ( 占。- 0 2 5 8 ) ( 等+ o 8 ) 于是可得： 扣吉以_ 2 缸舶2 赤。2 址 岚2 功) 一般情况下，址的值比较小，所以也可以将贴片边长b 的初值定为，在 仿真软件里进行仿真设计，对边长b 进行微调以确定贴片尺寸。 2 4 5 基板尺寸的确定 所谓基板尺寸，就是指图2 3 中所示的a g 和b g 。测试证明微带天线辐射的 口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质的过多向外延伸对这种场分布没有 明显的影响。因此，为了减小天线重量及安装面积，a g 和b g 的尺寸应该尽可能 小。实验表明沿辐射元各边向外延伸v 1 0 就可以了。因此对于背馈情况可取： a g = a + o 2 以 式( 2 3 0 ) b g = b + o 2 以 式( 2 - 3 1 ) 而对于侧馈情况，a g 仍由式( 2 3 0 ) 确定，b g 则视馈线及阻抗变换器的配 置而定。 2 4 6 馈电方式的确定及阻抗匹配 矩形微带天线的馈电方式基本上分成图2 3 所示的侧馈和背馈两种。当工作于 相同频率时，侧馈所需的面积大于背馈。这是因为侧馈时即使对于6 = 九2 的微带 天线单元，其谐振输入电阻如也有1 2 0 q 左右，而一般的微带天线单元的长度值b 1 8 可穿戴微带共形天线阵的研究 小于批，所以r 。更大，为了使如与5 0 q 馈电系统相匹配，天线单元与馈电系统 之间必须要加入阻抗变换器，这就增大了天线的面积。因此，当天线元的面积是 主要限制时应选择背馈方式。由工作于主模的矩形微带天线的场可知，沿长度方 向输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，即： 如= r oc o s 2 何k b ) 式( 2 - 3 2 ) 式中r ；o 为侧馈时的输入电阻，r o 是背馈点离侧馈边的距离。这样就可以利用 实验的方法方便地在某一个r o 处实现与5 0 q 馈电线的匹配，省去了阻抗变换器。 当矩形微带天线作为独立的天线应用时背馈方式是常被采用的，