（电磁场与微波技术专业论文）l型探针馈电的贴片天线的应用研究.pdf

， l 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：电磁场与微波技术 研究方向：移动通信与射频技术 作者： 指导教师： 朱亮 程勇副教授 4 i i i1 1 111l ui l li i i i i i i i iii ii i y 17 5 5 0 5 4 题 目：l 型探针馈电的贴片天线的应用研究 英文题目：s t u d y o nt h ep a t c ha n t e n n af e d b yl - p r o b e 主题词：宽带，高增益，l 型探针，双极化，圆极化 k e y w o r d s ：w i d e b a n d ，h i g h g a i n ，l - p r o b e ，d u a l p o l a r i z a t i o n ， c i r c u l a r p o l a r i z e d 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着移动通讯服务的逐渐增加和发展，市场需要更先进的基站天线以进一步提升网络 覆盖及提供更大的容量。由于微带贴片天线有设计弹性大、重量轻、平面结构和容易安装 的优点，至今已被广泛地应用于现代的无线通讯系统中。然而，微带贴片天线的阻抗频宽 狭窄，只有大约百分之二至三。本论文将利用l 型探针馈电方法来克服传统微带贴片天线 频宽狭窄的问题。使用l 型探针馈电的微带贴片天线能用于单极化或双极化的天线设计。 本论文将集中研究使用l 型探针馈电的宽带高增益微带贴片天线单元，具体工作与贡献如 下： ( 1 ) 本文研究和设计了一种新型的双l 探针馈电、贴片中心处短路的矩形环贴片宽带高增 益天线。用h f s s 仿真软件对天线性能进行仿真计算。并根据仿真结果加工出实际天线， 测试结果与仿真结果较好地吻合。天线的工作带宽超过4 0 ( s l l 1 0 d b ) ，最大增益可达 l1 5 d b i 。1 d b i 增益带宽超过1 8 。 ( 2 ) 基于等幅反相理论，设计了一种l 探针馈电的宽带高增益双极化贴片天线。采用在两 个边上同时进行等幅反相馈电来提高两个极化端口的隔离度。天线的阻抗带宽可达 2 0 8 ( a l l ( 1 0 d b ) ，最大增益可达1 0 2 1 d b i ，并且在整个阻抗带宽内，两端口的隔离度小 于- 2 5 d b 。 ( 3 ) 结合实现圆极化的基本方法，本论文又提出了一种宽带高增益的圆极化天线。该设计 利用t 型功分器对两个正交的l 型探针进行馈电，并且利用t 型功分器两个臂长的不同使 得到达两个l 型探针的电流的相位相差9 0 。，实现双正交馈电，从而实现圆极化。天线的 阻抗带宽可以达到1 8 3 ( s l l 1 0 d b ) ，轴比带宽可以达到1 6 7 ( a r 3 d b ) ，天线增益在 2 4 g h z 处为8 3 5 d b i ，且增益在整个带宽内较为平稳。 i 主题词：宽带，高增益，l 型探针，双极化，圆极化 堕京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gg r o w t ho fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，t h e r ei san e e dt ob u il db a s e s t a t i o n sw i t hm o r es o p h i s t i c a t e da n t e n n a st of u r t h e re n h a n c en e t w o r kc o v e r a g ea n dt o p r o v i d e g r e a t e rc a p a c i t y o w i n gt ot h e i rv e r s a t i l i t yi nd e s i g n ，l i g h t n e s so fw e i g h t ，l o wp r o f i l e ，p l a n a r s t r u c t u r ea n de a s eo fi n s t a l l a t i o n ，p a t c ha n t e n n a sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm o d e r nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r ，t h e yo n l yh a v ean a r r o wi m p e d a n c e ：b a n d w i d t ho fa r o u n d2 3 t h e l p r o b ef e e d i n gm e c h a n i s mi su t i l i z e dh e r et oo v e r c o m et h en a r r o wb a n d w i d t hp r o b l e mo f t r a d i t i o n a lp a t c ha n t e n n a s b a s e do np l e n t yo fn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w i d e b a n da n d h i g hg a i np a t c ha n t e n n a sf e db yl p r o b ea r ep r o p o s e da n di n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，t h em a i n c o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h ea r t i c l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) an o v e lh i g h g a i n ，w i d e b a n dc e n t r a l s h o r t e dr e c t a n g u l a rp a t c ha n t e n n af e d b y t w i n - l - 。p r o b ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n aw a sc a l c u l a t e db yu s i n g t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fh f s s ap r o t o t y p ea n t e n n ai s f a b r i c a t e da n dm e a s u r e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ta g r e e sq u i t ew e l lw i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t i ti ss h o w nt h a tt h ea n t e n n ah a sa w i d eo p e r a t i o n a lb a n d w i d t ho fo v e r4 0 ( s ll 一10 d b ) a n dm a x i m u mg a i nu pt o11 5d b i t h e ld b g a i n b a n d w i d t hi sa r o u n d18 ( 2 ) o nt h eb a s i so fa b o v es t u d y i n g ，ad u a l p o la r i z e dp a t c ha n t e n n af e db yt h r e el p r o b e s w i t hh i g h g a i na n dw i d e b a n dc h a r a c t e rw a sd e v e l o p e dw i t ht h ea i do ff u l l w a v ee ms i m u l a t o ri n d e t a i l t h er e s u l ts h o wt h a tt h ea n t e n n ah a saw i d eo p e r a t i o n a lb a n d w i d t ho fa r o u n d2 0 8 ( a l l 一l o d b ) a n dm a x i m u mg a i nu pt o1 0 2 1 d b i t h ei s o l a t i o nb e t w e e nt w op o r t si sl e s st h a n 一2 5 d bw i t h i nt h eo p e r a t i o n a lb a n d w i d t h ( 3 ) ac i r c u l a r p o l a r i z e dp a t c ha n t e n n af e db yl p r o b e sw i t hh i g h g a i na n dw i d e b a n d c h a r a c t e rw a sa l s od e s i g n e dh e r e t h et - ju n c t i o np o w e r s p l i t t e ri se m p l o y e dt os p l i tt h ei n p u t i n t ot w ol 。p r o b e sw i t he q u a la m p l i t u d eb u t9 0 。o u to fp h a s e i th a st h ec h a r a c t e ro f h i g h g a i n a n dw i d e b a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n aw a sc a l c u l a t e db yu s i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e o fh f ss t h ea n t e n n ai ss h o w nt oa t t a i ns i m u l a t e d i m p e n d e n c e ( sii 一10 d b ) a n d a x i a lr a t i o ( a r 3d b ) b a n d w i d t h so f18 3 a n d1 6 7 ，r e s p e c t i v e l y ： k e y w o r d s ：w i d e b a n d ，h i g h g a i n ，l - p r o b e ，d u a l p o l a r i z a t i o n ，c i r c u l a r p o l a r i z e d i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 微带贴片天线概述j 。1 1 1 1 微带贴片天线简介1 1 1 2 微带贴片天线的现状及发展方向2 1 1 3 微带贴片天线研究方法介绍：3 1 2 本文的主要工作及结构安排5 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理6 2 1 微带贴片天线的分析方法6 2 1 1 传输线模型分析方法6 2 1 2 腔模理论8 2 2 l 型探针馈电的贴片天线分析9 2 2 1l 型探针馈电的贴片天线结构一9 2 2 2l 型探针馈电的贴片天线的基本原理9 2 3 高增益微带贴片天线概述_ 1 1 2 4 本章小结13 第三章双l 型探针馈电的宽带高增益贴片天线的设计1 4 3 1 一般矩形微带贴片天线的设计流程1 4 3 1 1 介质板的选取1 4 3 1 2 单元尺寸的确定：1 5 3 1 3 基板尺寸的确定1 5 3 1 4 实现阻抗匹配1 6 3 2 双l 型探针馈电的宽带高增益贴片天线的设计与仿真计算1 6 3 2 1 天线指标与天线结构1 6 3 2 2 天线参数对天线性能的影响1 7 i i i 壅塞塑皇奎兰堕主婴窒生兰篁论文 目录 3 2 3 天线仿真值和实测结果的比较2 2 3 3 本章小结j 2 5 第四章宽带高增益双极化贴片天线的设计2 6 4 1 双极化微带贴片天线的研究：2 6 4 1 1 双极化天线隔离度的概述2 6 4 1 2 等幅反相理论：2 9 4 2 采用w i l k i n s o n 功分器馈电的双极化贴片天线的设计2 9 4 2 1 天线结构2 9 4 2 2 天线结构参数对天线性能的影响3 0 4 2 3 天线的仿真结果一3 2 4 3 采用t 型功分器馈电的双极化贴片天线的设计3 5 4 3 1 天线结构3 5 4 3 2 仿真结果3 6 4 4 本章小结j 3 9 第五章宽带高增益圆极化贴片天线的设计j j 4 0 5 1 圆极化微带贴片天线的实现方法4 0 5 2l 型探针馈电的宽带高增益圆极化微带贴片天线的设计4 1 5 2 1l 型探针馈电的宽带高增益圆极化微带贴片天线结构4 1 5 2 2 天线结构参数对天线性能的影响4 2 5 2 3l 型探针馈电宽带高增益圆极化微带贴片天线仿真结果4 4 5 3 本章小结4 7 第六章全文总结与展望4 8 6 1 全文总结4 8 6 2 论文中的几点感受4 8 6 3 未来工作展望4 9 致谢5 0 参考文献51 硕士阶段公开发表的论文5 5 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 微带贴片天线概述 第一章绪论 1 1 1 微带贴片天线简介 微- - 巾u + 寸田射器的概念首先是g a d e s c h a m p s 1 1 在1 9 5 3 年提出来的，1 9 5 5 年h g u t t o n 和 g b a i s s i n o t 申请了专利。但在随后的二十年里，微带天线的发展步伐缓慢。直到2 0 世纪 7 0 年代初，当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天 线才制造出来。最早加工的微带贴片天线是h o w e l l t 和m u n s o n 在1 9 7 2 年研制成的【2 】【3 1 。 从此国际上开展了对微带贴片天线的广泛研究和应用。由于微带贴片天线具有质量轻、体 积小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容及可以做成共形结构等一系列优点，使它 得到了广泛的研究和发展，获得了多种应用，并且成为微波天线这个广阔的领域里的一个 重要的分支。 微带贴片天线是在带有导体接地板的介质上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带 线或同轴线等馈线馈电，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 接地板间的缝隙向外辐射。因此微带贴片天线也可以看作为一种缝隙天线。通常介质基片 的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。 导体贴片一般是形状规则的面积单元，如方形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长 条形的薄片振子( 偶极子) 。由这两种单元形成的微带贴片天线分别称为微带贴片天线和微 带振子天线。微带贴片天线的另一种形式是利用微带线的某种形变( 如弯曲、直角弯头等) 来形成辐射，称之为微带线型天线。这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。 微带贴片天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其 它馈线( 如槽线) 对其馈电，称之为微带缝隙天线。 和常用的微波天线相比，它有如下一些优点： ( 1 ) 体积小、重量轻、剖面低、易于做成平面结构； ( 2 ) 成本低： ( 3 ) 通过简单馈电易于实现线极化和圆极化： ( 4 ) 易于实现双频双极化： i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 不需要背腔； ( 6 ) 易于和微波电路集成化； ( 7 ) 馈线和匹配网络可以和天线结构同时安装。 但是和普通的微波天线相比，微带贴片天线也有一些缺点： ( 1 ) 频带窄，因为其是一个驻波形式天线，导致品质因数高、频带窄： ( 2 ) 增益不大，一般情况下约为6 - 8 d b i ； ( 3 ) 阵列馈线结构中馈线的欧姆损耗比较大，而且高性能的天线，其馈电网络设计比较 复杂： ( 4 ) d a - 于接地板的存在，只向半个空间辐射； ( 5 ) n 想的极化很难实现，一般都会发生一定程度的畸变： ( 6 ) 馈线和接头产生的辐射对贴片辐射有一定程度的影响： ( 7 ) 在频率较高情况下，增益、效率、交叉极化以及互耦都会降低； ( 8 ) 容易激励表面波，而且功率容量比较小。 1 1 2 微带贴片天线的现状及发展方向 近年来，随着无线技术的发展和空间技术的应用，微波和毫米波得到了广泛地应用， 如射频识别技术( r f i d ) 、无线局域网( w l a n ) 和卫星通信、空间技术等。在这些应用中， 迫切需要一种体积小，重量轻的天线，以避免传统天线( 抛物面天线) 的体积大、重量大、 难以调整的缺点，微带贴片天线在此发挥了重要作用。 微带贴片天线的发展方向： ( 1 ) 小型化是微带天线今后的发展方向之一。分析结果表明，减小微带贴片天线尺寸的 方法主要有以下几种：一是采用高介电常数的介质。当天线的谐振频率固定时，由谐振时 计- g 公式可知，尺寸与s ，成反比，介电常数增大，天线的尺寸将减小，但是微带贴片天 线的增益和带宽也随i 的增大而减小，限制了这种方法的应用；二是采用短路探针f 4 】f 5 1 ， 附加短路探针并将其靠近馈电探针时，可以在很大程度上减小贴片尺寸。这是减小尺寸最 明显的方法，原理是利用短路探针和同轴探针之间形成强耦合，等效于一个电容加载，进 行阻抗补偿，但是短路探针和馈电探针之间距离很近，对输入阻抗特性的影响非常敏感， 不易加工和调试，另外这种天线的频带窄，增益低，也限制了其应用；三是在贴片上开槽 【6 】【”，以延长贴片表面的电流路径，等效获得较大的贴片尺寸，从而降低天线的谐振频率， 这是目前小型化技术中的主要方法，因为开槽不仅能够降低天线的谐振频率，而且还能够 保证一定的增益和带宽，对天线性能的影响不大，也易于实现圆极化和双频双极化特性。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 宽频带工作是微带贴片天线的发展方向之一，也是现阶段研究的热点【8 】【9 】【l o 】。当天 线的工作频带较宽时，其能应用的场合较广，避免了在不同频段采用不同天线带来的体积 增大问题。 ( 3 ) 高增益、低旁瓣特性。高增益特性能够保证天线较高的定向辐射能力【1 1 】【1 2 】，提高了 天线的抗干扰能力；低旁瓣特性保证了天线阵列中旁瓣对主瓣的较低影响，可通过一系列 的加权形式实现。 ( 4 ) 极化技术。为了实现圆极化、线极化甚至双极化，现阶段采用了各种加载技术，其 中包括各种缝隙开槽的应用，短路探针的引入，多馈点技术等等，实现天线在固定的波束 范围内保持高纯度极化，以适应固态有源集成电路辐射单元的需要。由于双极化能够在同 一频带内，实现多路信号的复用，故在频带不增加的情况下，大大提高通信系统的容量， 近年来受到了广泛地关注。 ( 5 ) 微带贴片天线的馈电网络也是一个研究方向o 采用探针或槽孑l 耦合的背馈方式将辐 射贴片部分与馈电网络部分通过接地板隔离，是优先考虑的结构方案。微带线馈电网络会 引入明显的导体损耗和具有色散性；非色散的带状线不便与电路集成一体：介质波导馈电 的方案将各辐射单元直接与t r 组件连接，减少了馈线长度，接收通道的放大器还可补偿 其传输损耗，将成为大规模阵列系统的发展主流。 ： ( 6 ) 有源集成微带贴片天线也是一个研究方向。有源集成天线是将有源电路和无源辐射 单元( 天线) 集成在同一介质板上，接收或者发射电磁波的装置。近几年，随着微波集成电 路( m i c ) 和空间功率合成技术的日益成熟，有源集成天线受到了广泛的关注。同时，m i c 技 术的成熟使得有源集成天线工作在微波波段成为可能，而应用空间功率合成技术的有源集 成天线阵提高了a i a 阵的空间辐射功率。有源集成天线技术越来越受到人们的关注，并且 在雷达、通讯以及电子系统中有着广泛的应用前景。有源集成天线按照不同的用途，可以 分成下面的三类：振荡型有源集成天线( 发射) 、放大型有源集成天线( 接收) 和变频型有源 集成天线。现在先进的芯片加工工艺和成熟的m m i c 制造工艺，使得这一领域成为毫米波 段研究的热点。 ( 7 ) 多频段和分形微带贴片天线也是一个研究方向。g s m 等通讯系统要求终端能够工作 于多个频段上。这就要求设计出多频段工作的微带贴片天线。分形技术应用于天线设计， 可以实现天线的超宽带性能。己经有分形微带天线使用在m o t o r o l a 手机上的报道。 1 1 3 微带贴片天线研究方法介绍 微波元器件的设计越来越复杂，各种新型天线层出不穷、结构干差万别。若仍然借助 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 传统的解析计算方法或单纯的工程估算：结合实验调试，不仅繁琐耗时、工作量巨大，而 且成本高昂、效率低下、精度相当有限，难以满足新型超宽带天线设计、分析的迫切需要。 所以使用微波c a d 软件【1 3 】进行天线的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。 微波电路c a d 工具与电磁场的数值算法密切相关。根据算法的差异，微波电路c a d 仿真软件主要可以分成以下三大类： 第一类是基于矩量法( m o m ) 的全波分析软件。这类软件的主要代表是美国z e l a n d 公司 的i e 3 d 和德国a n s y s 公司开发的f e k o 软件等。它们均基于最传统的频域矩量法，因此 具有边界型数值计算方法求解速度快、占用计算机资源少的特点，但是也存在求逆速度慢、 矩阵条件数过大、出现病态等边界型数值计算方法的固有缺点。其中特别突出、在行业内 特别是各大研究所中应用极广的软件是i e 3 d ，该软件的部分核心算法是基于积分方程的矩 量法，采用离散复镜像法和迭代法求解矩阵方程而大大提高计算的效率和精度；该软件对 多层介质、金属混合结构平面电路的分析特别有效，已被广泛用于各种平面电路与单片微 波集成电路( m m i ) 设计、高速电路封装互连的参数提取、微波电路不连续性分析、平面天 线设计等领域中。该软件以其计算速度快、精度高、节省资源等优点而于上世纪9 0 年代 初被列为平面微波电路的标准计算软件之一。 对于电大尺寸问题处理较好的是f e k o 软件，它将矩量法与高频方法如物理光学( p o ) 、 一致性几何绕射理论( u t d ) 方法相结合，用于处理电大尺寸问题的雷达散射截面( r c s ) 计 算，据称，它对1 0 0 个波长尺度的电大尺寸物体( 包括飞机、舰船等大型目标) r c s 计算有 着足够高的精度与足够快的速度，号称“电大尺寸问题的终结者”。 第二类软件是基于有限差分( 积分) 法的全波分析软件。这类软件主要有德国c o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 公司推出的高频电磁场仿真软件c s tm i c r o w a v es t u d i o 和r e m c o m 公 司推出的基于时域有限差分法( f d t d ) 的三维全波电磁场仿真软件x f d t d 。c s t 的核心算法 是场域型方法，因此与基于边界型算法的软件相比，必然对计算机主频、内存空间提出更 高的要求，此外，网格剖分的精细程度也会直接影响它们的速度、精度和稳定性。c s t 广 泛应用于移动通信、无线通信( 蓝牙系统) 、信号集成和电磁兼容等领域。微波工作室使用 简洁，能为用户的高频设计提供直观的电磁特性。微波工作室除了主要的时域求解器模块 外，还为某些特殊应用提供本征模及频域求解器模块。另外，由于c s t 设计工作室的开放 性体系结构能为其它仿真软件提供链接，使微波工作室与其它设计环境相集成。x f d t d 用 户界面友好、计算准确：但x f d t d 本身没有优化功能，须通过第三方软件e n g i n e o u s 完成 优化。该软件最早用于仿真蜂窝电话，长于手机天线军h s a r 计算。现在广泛用于无线、微 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 波电路、雷达散射计算，化学、光学、陆基警戒雷达和生物组织仿真。 第三类软件是基于有限元法的全波分析软件。最典型的软件当数美 n a n s o f i 公司推出 的h f s s 软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。h f s s 提供了简洁 直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处 理器，能计算任意形状三维无源结构的s 参数和全波电磁场。h f s s 软件拥有强大的天线设 计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3 d 图矛d 3 d b 带宽； 绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、l u d w i g 第三定义场分量和轴比。 从上述的简单介绍可知，实际上可用于天线计算机辅助设计的软件是非常多的，这些 软件各具优缺点。在后续章节的研究工作中，将主要采用h f s s 电磁场计算软件，进行各种 天线的研制开发以及天线工作机理的分析。 1 2 本文的主要工作及结构安排 本论文的主要内容是针对微带贴片天线的宽带高增益特性进行研究，并基于l 型探针 馈电方式设计了三种宽带高增益贴片天线，其中后两种天线是在第一种天线的基础上分别 实现了双极化与圆极化特性。根据目前的研究基础与软硬件条件，研究工作将集中体现在 剖析微带贴片天线的工作机理，总结天线的设计方法和设计原则。具体工作如下所述： 论文的内容共分五章。第一章为绪论，介绍了微带贴片天线的基础知识以及天线的基 本仿真软件。第二章从微带贴片天线常用的几种分析方法出发，说明了l 型探针馈电的宽 带微带贴片天线单元的基本原理，对微带贴片天线实现高增益的方法进行了概述，并且介 绍了本文用来提高增益的方法一通过让辐射单元短路接地，抑制表面波，来提高天线的增 益。第三章首先叙述了一般矩形微带贴片天线的设计流程，并给出了一些重要参数的计算 公式及工程修正公式；在此基础上根据设计指标的要求设计出天线模型，利用h f s s 对其 进行仿真实验，研究了几个重要参数对天线性能的影响，最后设计出了达到指标要求的宽 带高增益贴片天线，并加工出天线实物，通过实际测量，该天线的性能能达到设计指标的 要求。第四章和第五章介绍了微带贴片天线的双极化技术及圆极化技术，分别设计了具有 宽带高增益特性的双极化和圆极化天线。最后第六章是对全文的全面总结，阐明了作者的 主要研究成果以及有待深入研究的问题。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 2 1 微带贴片天线的分析方法 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，求得电磁场后，进而得出 其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。分析微带贴片天线的基本理论大致分为三类：传 输线模型理论、空腔模型理论、积分方程法即全波理论。从数学处理上看，第一种理论把 微带贴片天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的 求解：第三类理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时，基于对积分方程 法的简化，产生了格林函数法；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法【1 4 】等方法。 本节主要以微带贴片天线为例，简单阐述了微带贴片天线的准解析分析方法，包括传 输线模型分析法与腔模理论。 2 1 1 传输线模型分析方法 分析微带矩形贴片天线最简单而又具有一定精度的方法是传输线模型，这种方法首先 由m u n s o n 在1 9 7 4 年提出【1 5 】，后来又经过a gd e r n e r y d 和k c g u p t a 等人的发展。这个 模型将矩形贴片看成是沿横向没有变化的传输线谐振器，场沿着纵向呈驻波变化，辐射主 要由两开路端的边缘场产生。如图2 1 ( a ) 所示的矩形微带天线，场沿a 边( z 方向) 没有变化， 沿着b 边( y 方向) 则呈现驻波分布，又假定贴片所在的基片厚度为h ，贴片与接地板之间存 在有相对介电常数为f ，的介质材料，则该矩形贴片的辐射可以等效看作是由相距为b 、两 条长为a 、宽为h 的平行缝隙上磁流密度为m 。的磁偶极子( 如图2 1 ( a ) e o 的虚线双箭头所示) 所产生的，其等效电路可以用图2 1 ( b ) 所示的传输线模型表示： z k 九m 一2 号+ ? ，：。v 、“+ ： 了一 i t。 ： ：，。 ，。 、-、 ：y f，： 、 + ：一，；，0 上 哥 1 一i ii i s 一h l 一 ( a ) 天线模型 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 y i n 卜昂b 一 ( b ) 传输线模型 图2 1 矩形贴片天线的结构与传输线模型 图2 1 ( b ) 中，y i 。表示天线的输入导纳，g 。和b 。分别表示缝隙的辐射电导和辐射电纳， y 。表示宽度为a 的微带线的特性导纳，p 表示这段微带线中的相位常数。 由于实际情况下微带开路端的缝隙还存在边缘场，因此，实际的辐射导纳中还存在相 应的容性电纳分量。为了考虑这种不连续性引入的效果，在计算中一般采取等效延伸长度 a l 的办法估算。f 的一个经验公式是： 此叫m 器2 5 8 等 亿， t o 竺+ f 1r 、。 w 为微带线的宽度，占) - b 等效介电常数，可由式( 2 2 ) 估算： 铲孚+ 孚”2 h ) - i + 0 0 4 ( t 一胡 皿2 ， 因此，边缘场引入的电纳b 。可以表示成： e = t a n ( b a z ) ( 2 3 ) 根据图2 1 的等效电路，并将微带两侧开路端的不连续性引入的延伸长度考虑在内， 根据传输线理论很容易就能得到输入导纳的表达式： 圪卸j b , + 艺黔黟鬻 ( 2 4 ) 贴片谐振的情况下，圪的电纳分量为零，即可根据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 计算出天线的谐振频 率f ： 肛面盍而 q 5 由上可见，传输线模型简明，物理直观性强，但是它的应用范围受到很大的限制。首 先传输线模型限制了它只能用于矩形微带贴片天线及微带振子。虽然圆形微带贴片天线也 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 可以有径向传输线与之对应，但是由于中心馈电的圆形贴片辐射特性不好，故一般不用。 传输线法的另一个主要缺点是，除了谐振点外，输入阻抗( 导纳) 随频率变化的曲线不 准确。由于传输线模型是一维的，因此当馈电点位置在与波垂直的方向上变化时，阻抗不 变：其次，传输线模型相当于个单谐振回路，在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称 的，用圆图表示的阻抗曲线对称于实轴。实验表明，阻抗曲线与馈电点的二维位置有关， 并且当馈电点由边缘向中心移动时阻抗曲线的不对称逐渐显著，并向电感区收缩。这种计 算与实测的差异来源于传输线法本质性的缺陷。因为微带贴片天线并非只存在最低阶的传 输线模式，还有其他高次模式的场存在，在失谐时这些模式将显示其作用。 实践证明它只能适用于一般工程应用的精度。但是，模型采用了较多的经验公式，这 些公式都是在一定近似条件下才成立的：进一步从物理本质上考虑，微带贴片天线可以等 效为一个谐振腔，从波动理论可知它可以有多个工作模式，而传输线模型仅仅考虑了其中 一个模式且没有考虑贴片天线中存在的交叉极化分量。因此，这个模型虽然具有一定的精 度和物理意义，但局限性也很明显。在其基础上，下面介绍另一种更为精确和严格的准解 析模型腔模理论。 2 1 2 腔模理论 腔模理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的，实际上谐振式微带贴片天线的形 状与谐振腔并无显著区别。该理论的首要假设前提是天线所在的基片足够薄( 即h 凡) ， 从而可以认为微带贴片与接地板形成一个上下两面为理想电壁、四周为理想磁壁的漏波空 腔，天线的辐射场由空腔四周的等效磁流产生，输入阻抗特性则可以根据内场边界条件与 馈电源的边界条件得到。从数学与波动方程的角度也可以这样理解：空腔的边界条件决定 了其内波动方程的通解形式，也就是齐次解：馈电源及其边界条件相当于非齐次波动方程 的激励向量，它影响的是波动方程的特解，即非齐次解。因此可见，空腔模型是直接与波 动方程联系在一起的，比起传输线模型所描述的“一维电路”情况，它可以刻画更高维数 的电磁场分布情况，因此理论上更为严格和准确。 根据上述的近似假设，微带贴片天线的问题可以经过下面两个步骤解决：首先，根据 边界条件，可以确定天线近区的场源分布情况，这就是所谓的天线“内问题”；然后根据 近场场源的分布情况，求解天线的远区辐射特性，也就是所谓的天线“外问题”。也就是 说，首先根据贴片和激励源的边界条件，找出可能存在的工作模式，然后根据这些模式的 场源分布，确定它们在远区场的贡献。空腔模型已经成功用于分析厚度为电小尺寸的微带 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 贴片天线，它与传输线模型相比具有物理意义更加明显、更加准确的优点。这个模型不仅 可以用于分析矩形贴片，也能用于分析其他规则的贴片。 2 2 l 型探针馈电的贴片天线分析 2 2 1 l 型探针馈电的贴片天线结构 工作频带较窄是传统微带贴片天线的弱点( 普通微带贴片天线相对带宽仅为 o 5 3 ) ，大大限制了其应用范围。经过数十年的发展。很多研究学者提出了拓展微带 贴片天线带宽的方法，其中i e e e 会士陆贵文教授于1 9 9 8 年左右发明设计了l 型探针馈电 微带贴片天线系列，其各种变形在很多文献中都有过介绍【1 6 】【1 7 】 i s 】。其一般的结构如图2 3 所示： 图2 2l 型探针馈电贴片天线结构 l 型探针馈电的贴片天线由辐射贴片、l 型探针、机械支撑结构和地平面组成。信号 通过同轴馈线直接连接到同轴探针，探针穿过打孔的地板，在地板上方的空气中延伸一段 距离并折弯，形成l 型，在折弯探针上方的贴片依靠探针的耦合产生辐射。该贴片天线以 其结构简单和优良的宽带性能而备受关注。 2 2 2l 型探针馈电的贴片天线的基本原理 l 型探针馈电的等效电路图如图2 3 所示。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，水平部分分别和贴片以及地面产生容抗，两者 相消产生谐振，使天线呈现宽频带或者多频带。通过与同轴电缆或微带线相连，l 型探针 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 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。这种变化的电磁 场经过金属底板的反射后辐射出去。 z 砸 图2 - 3l 型探针馈电贴片天线等效电路 图2 - 3 中，互。为端口的输入阻抗，t 为l 型探针的等效电感，e 表示l 型探针水平 部分对贴片天线的等效电容，c 表示l 型探针水平部分对地的等效电容，r ，、三。和c p 分 别代表贴片天线的辐射电阻、等效电感和等效电容。由阻抗的定义，不难得出从端口处看 入的输入阻抗为： 互n ：j 砒s 七斋“峦枷_ r f i j w l , , i i - - 七- d - ) j w c j 乙lj w l cd 砒+ 丽丽考篇导若等丽 6 ， 式中丘、e 、c c 、l p 、r ，以及c p 均为不确定量，也就意味着我们可以通过调节上述可变 参数的大小，来调节微带贴片天线的谐振以及拓展微带贴片天线的带宽。 如果已知天线的谐振频率，则贴片天线的大概尺寸可以通过以下公式来确定： 厂= 下 ( 2 7 )。 2 ( w + 2 ，) 占。 。 疋= 竽+ 字”2 h i - 1 + 0 0 4 ( 一酬 8 ， 4 一o 4 ，2 怒碟- i - 0 s e u z ) 芍竺 r ( 2 9 ) 本论文中采用了空气介质，即占，= s 。= 1 ，整理上述三个方程可以得到贴片天线辐射边 长度关于贴片天线的高度以及贴片天线谐振频率的二元_ 次方程： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 旷+ ( 2 2 4 4 h - 寺f ) w + 0 3 8 半= 。 求解该方程，可以得出： 矿：扣加肌正4 2 0 2 - 巫2 5 7 6 九李h + 1 孚4 0 6 h 2 式中厶对应贴片吞线谐振波长。 ： 2 3 高增益微带贴片天线概述 ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 普通微带贴片天线的增益一般只有5 - 6 d b i ，关于微带贴片天线增益的提高目前也已经 提出了不少方法：文献 1 9 提出采用多层贴片结构，如图2 - 4 所示。文献 2 0 提出采用加载 上层基板的方法实现天线的高增益，如图2 5 所示，但这种方法需要较厚的绝缘层，会 使天线变重。 图2 4 多层贴片结构 坛一 i o pv i e w i a ) d e t a i l e dr a d 丑l h 口e i e m 醐t n o t s h o w i n g t h e s u p e r 曲铆ef o ) s i n g i ea n t e n n as t n j c t u r e w i t h as u p e r s l r a l e 图2 5 加载上层基板结构 文献 2 1 】介绍的是用异性材料做成的高增益天线，通过材料本身的特点，将电磁场能 “ 甜h 嘣 证 m 鬻i l 晰 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带贴片天线的分析方法与设计原理 量聚焦，达到高增益的效果。 图2 - 6 异性材料天线结构 文献 2 2 的结构类似于喇叭天线，在普通的微带贴片天线周围再安装一个金属斜劈， 使原来的天线所辐射的能量集中辐射，天线增益可以提高3 5 d b - 4 5 d b ，但是这样又增大 了天线的体积。 c i r c u l l rp a t c h c r o s s - $ 1 m 罾立 0 酝、 燃鞣鹣k1 f _ 懿惑蕊惑黧t j i 黧篡黼 誉辫黼一中鞘f 鬻鬻 f c c di i mg f “n dp i a m 图2 7 加载金属斜劈的天线结构 文献 2 3 采用有源天线技术来增加天线的增益。文献 2 4 对圆形天线进行了详细的理 论推导，得出结论：当圆形贴片上磁流环半径为一个特定的临界值时，可以抑制天线表 面波t m o 模的辐射，在此基础上提出了两种仅有较少表面波激发的圆形天线。基于这种 设计思想，文献 2 5 儿2 6 通过对表面波的抑制来