（电磁场与微波技术专业论文）宽带和共形印刷天线的研究.pdf

摘要 通信系统的迅速发展带米了天线的繁荣，在众多的天线类型中有两种天线极具研究前景和 实用意义，已成为当前国际研究的前沿之一。其一是宽带印刷天线，这种天线由于频带宽能覆 盖多个通信频段，因此可以减少通信系统所需天线的数目，进而降低系统造价、减轻重量，并 有利丁系统的电磁兼容；另一种是共形印刷天线，它可满足e 行器等高速运动物体的空气动力 学要求，并具有可靠、耐用和美观的优良特性。本论文提出了儿种新型的宽带印刷天线设计， 并对圆柱共形印刷天线作了一些创新性的研究，给出了实验验证。论文主要包括以下内容： 首先，对宽带印刷天线和共形微带天线的研究现状进行了综述。并介缁了用于分析这些天 线的时域有限差分法、矩簧法和有限元法等数值计算方法，给出了上述三种方法的比较。 其次，基丁- 对共面波导的研究，通过对共面波导至辐射缝隙的过渡区进行渐变，给出了两 种新型宽带印刷缝隙天线设计，对不同渐变形式下天线的阻抗特性和方向图进行了研究，讨论 了渐变段对于天线特性的影响。在理论计算的基础上，制作了实验模型天线，仿真结果和实验 结果吻台良好，- - n 天线的一1 0 d b 反射损耗带宽分别达3 7 和4 0 。 第三，提出了一种共面波导问的过渡连接( c p w - c p w 变换) ，这种变换在保持共面波导特 性阻抗不变的前提下改变其具体尺寸，可用来将上述印刷缝隙天线或其它特定的共面波导馈线 与给定尺寸的同轴接头相连接。研究了不同的渐变角对过渡变换传输特性的影响，给出实际应 用中可以采用的渐变角范围。进而分析了采用共面波导变换段对宽带印刷缝隙天线性能的影响。 第四，研究了小曲率半径有限长度圆柱体上共形蝶形微带天线的特性。为了精确计算这种 结构复杂的共形微带天线，对天线的建模和准确求解问题进行了研究。然后给出了不同曲率半 径下的柱面共形蝶形微带天线反射损失和方向图的仿真结果，得出其变化规律。实际制作和测 试了小曲率半径柱面共形微带天线的单元l i l _ - 元阵列天线，仿真结果与实测结果相当吻合。结 果表明，小曲率半径圆牛 面不仅会对天线的方向图造成强烈影响，而且会改变天线的输入阻抗， 随曲率、r 径的减小，天线的谐振频率下降，阻抗带宽变帘。冈此，将平面徽带天线的设汁应用 于小曲率半径圆柱面时必须加以修改。 关键诃：印刷天线，缝隙天线，共面波导，共面波导问渐变连接，柱面共形天线。蝶形微带天 线，宽频带，方向图 a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n ti nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sl e dt ot h ep r o s p e r i t yo fa n t e n n a s ，a m o n g w h i c ht w oi m p o r t a n tt y p e so f a n t e n n a sa t ep r o m i s i n ga n dv a l u a b l ef o ra p p l i c a t i o n sa n dh a v eb e e nt h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf r o n t i e r s o n ei sb r o a d b a n dp r i n t e da n t e n n a s ，w h i c hc a r lc o v e rm u l t i c o m m u n i c a t i o nb a n d s ，t h u st h en u m b e ro f a n t e n n a su s e di nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a nb er e d u c e d g r e a t l y a sar e s u l t ，t h ec o s t s ，w e i g h t ，a n dp r o b l e m sw i t he l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n ds a f e t y a s p e c t si nt h es y s t e m sw i l lb ed e c r e a s e d t h eo t h e ri sc o n f o r m a lp r i n t e da n t e n n a s ，w h i c hc a ns a t i s f y a e r o d y n a m i cc o n s t r a i n t so fh i g hs p e e da i r c m f l sa n dv e h i c l e sa n da r er e l i a b l e ，d u r a b l ea n da e s t h e t i c a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a ln o v e ld e s i g n so f b r o a d b a n dp r i n t e da n t e n n a sa r ep r e s e n t e d ，i na d d i t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n f o r m a lp r i n t e da n t e n n a sa r cs t u d i e da n dt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n sa r eg i v e n t h ed i s s e r t a t i o nw i l li n c l u d et h ef o l l o w i n gc o n t e n t s f i r s t l y ，as u r v e yo nt h eb r o a d b a n dp r i n t e da n t e n n aa n dc o n f o r m a lm i c r o s t r i pa n t e n n ai sp r e s e n t e d t h e n , t h en u m e r i c a lm e t h o d ss u c ha sf i n i t e - d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d ( f d t d ) ，m e t h o do f m o m e n t s ( m o m ) a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s ，w h i c ha g eu s e dt o a n a l y s i st h en o v e la n t e n n a s f u a h e rm o r e ，t h ea b o v et h r e em e t h o d sr r ec o m p a r e d ， s e c o n d l y ，b a s e do nt h es t u d yo fc o p l a n a rw a v e g u i d e ( c p w ) ，b yl i n e a r l yt a p e r i n gt h ec o n n e c t i o n a e ab e t w e e nt h ec p wf e e dl i n ea n dt h er a d i a t i o ns l o b ，w eg e tt w on e wd e s i g n so fb r o a d b a n dp r i n t e d s l o ta n t e n n a s t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr a d i a t i o np a a e m so ft h es l o ta n t e n n a sw i t hd i f f e r e n t s i z eo f t a p e r sa r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e d f o rt h e i rt e s ta n t e n n a s ，s i m u l a t e dr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h e m e a s u r e do n e s ，a n dt h ei m p e d a n c eb a n d w i d t ho f 一1 0d br e t u ml o s sr e a c h e s3 7 a n d4 0 r e s p e c t i v e l y t h i r d l y , ac p w - c p w t r a n s i t i o ni sp r e s e n t e d ，w h i c hc h a n g e st h es i z eo fc p ww h i l ek e e p i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c si m p e d a n c eo f c p wu n c h a n g e da n dc a nb eu s e dt oc o n n e c tt h ep r i n t e da n t e n n aa b o v eo r o t h e rc p wf e e dl i n et oag i v e ns i z ec o a x t h e n ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt a p e r e da n g l e so nt h e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a n s i t i o ni sa n a l y z e d ，a n dt h er e a s o n a b l er a n g eo f t h et a p e r e da n g l e f o ra p p l i c a t i o ni sg i v e n m o r e o v e r , t h ep e r f o r m a n c e so fb r o a d b a n dp r i n t e ds l o ta n t e n n a sw i t h c p w - c p wt r a n s i t i o n sa r ea n a l y z e d l a s t l y , b o w - t i em i c r o s t r i pa n t e n n a s ( b m a ) c o n f o r m a lt oc y l i n d e r sw i t hs m a l lr a d i u sa r es t u d i e d i no r d e rt os i m u l a t et h i sc o m p l i c a t e da n t e n n aa c c u r a t e l y , h o wt os e tu pt h ea n t e n n aa n a l y s i sm o d e la n d t h es o l v i n gd e t a i l sa r ep r e s e n t e d t h e n ，b o t ht h er a d i a t i o np a t t e r n sa n dt h er e t u r nl o s so ft h ea n t e n n a w i t hd i f f e r e n tc y l i n d e rc u r v a t u r er a d i u sa n dl e n g t ha r ec a l c u l a t e d t h eo n e 。e l e m e n tb m aa n d t w o e l e m e n tb m aa r r a yc o n f o r m a lt oc y l i n d e r sw i t hs m a l lr a d i u sa n df i n i t el e n g t ha r ef a b r i c a t e da n d m e a s u r e d t h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s h o w i n gg o o da g r e e m e n t i ti s o b s e r v e dt h a tn o to n l yt h er a d i a t i o np a t t e r n sa r ec h a n g e d ，b u ta l s ot h er e s o n a n tf r e q u e n c yi sl o w e r e d a n dt h ei m p e d a n c eb a n d w i d t hi sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l yw h e nc y l i n d e rr a d i u sd e c r e a s e d t h e r e f o r e ，t h e p l a n a rm i c r o s t r i pa n t e n n as h o u l db em o d i f i e dw h e nt ob em o u n t e do nt h es u r f a c eo fa c y l i n d e rw i t h s m a 】1c u r v a t u r er a d i u s k e yw o r d s ：p r i n t e da n t e n n a ，s l o ta n t e n n a ，c p w , c p w - c p wt r a n s i t i o n ，c y l i n d r i c a lc o n f o r m a la n t e n n a , b o w t i em i c r o s t r i pa n t e n n a ，b r o a d b a n d ，r a d i a t i o np a t t e r n 上海大学 6 7 8 2 5 7 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学博士学位 论文质量要求。 答辩委员会签名： 主任：受阄。 委员： 乒孚 肇恢中 可分、一 缸撒 ，4 r 导 j ；口 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 聊繇锋p 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 绪沦 第一章绪论 天线作为自由空间电磁波和电路信号的转换器，在无线通信系统中起着关键性的作用。随 着移动通信事业的发展，对天线提出了越来越高的要求。以汽车为例，一部配置优良的汽车至 少拥有五副天线，分别用于广播、移动电话、卫星导航、自动驾驶控制和遥控开锁等。众多的 天线会增加汽车系统的造价，并会对电磁兼容产生不利影响。在不降低系统性能的前提下，拓 展天线带宽以覆盖多个通信频段是减少天线数日的有效手段。因此，对宽带印刷天线的研究是 很有必要的l 。 不仅研究如何展宽印刷天线的频带是一个急待解决的问题，对共形天线的研究也是当今的 一个热点。上述的汽车工业不仅对天线的带宽有需求，而且要求天线形式简单、结构可靠、外 形美观。共形天线正具有这样的优点，非常适合作为车载通信天线使用【3 】。 不仅在汽车领域存在这样的需求，在其它领域扮清况也是如此。航空航天一直是国家高科 技发展的桥头堡，在卫星、火箭、飞机等各种飞行器上都可以看到共形天线的身影。共形天线 有稳定的结构，能适应恶劣的太空环境要求。而且由于天线和飞行器表面共形，可满足空气动 力学的要求【4 】。 而且，共形天线的触角已经深入到日常生活中的方方面面。对于消防队员、森林护林员、 边境巡逻和军事人员而言，将天线安置在头盔上是一个极佳的选择。但通常使用的用于便携战 术通信的传统鞭状天线带宽不够，而且鞭状天线易于损坏，且有明显的视觉轮廓会暴露使用者 的位置。头盔共形天线是解决这个问题的最佳选择( 5 - s l 。 综上所述，拥有上面两者优点的宽带共形印刷天线有极大的研究价值和广阔的市场应用前 景。例如，在汽车工业领域，宽带共形印刷天线可以满足汽车对天线系统的苛刻要求；在航空 航天领域，采用宽频带技术的共形印刷天线可以减轻飞行器的载荷，以降低极其昂贵的航天发 射费用；在军事领域，宽带共形印刷天线能为军事行动带来更人的隐蔽性和安全性 但刘共形印刷天线的分析远比接地板为平面的印刷_ 人线复杂，这使得共形天线的研究远远 滞后下平面印刷天线。而且，为了降低共形印刷天线研究的复杂度，人们采用了各种近似方法。 这些方法通常只能求解某些特殊的问题，而且往往由于建模的简单化，从而导致不能精确计算 共形印刷天线的特性。本文采用全波分析方法，首先对平面印刷天线进行研究，得到几种新型 宽带印刷天线。然后，研究小曲率圆柱面上宽带共形印刷天线的特性。最后，给出复杂几何体 1 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 上共形印刷天线的研究结果。 本论文得到了国防科技重点实验室基金资助( o o j s 0 7 6 i q t 0 6 0 5 ) 。 1 1 宽带微带天线的研究 作为印刷天线的重要成员，微带天线具有低削面、低成本、易共形、易集成等优点，得到 了广泛地应用。但其固有的窄带特性一直困扰着天线设计工程师。许多学者致力于展宽微带天 线的频带，提出了各种各样的解决方法。本节简要介绍研究进展。 1 1 1 采用厚基片 微带天线是一种谐振式天线，它的谐振特性犹如一个高q 并联谐振电路，导致其阻抗频带 窄。对于薄微带天线，其馈线驻波比不大于p 的相对带宽的计算公式为 b ：曼兰1 0 0 ( 1 - n 4 p q 这说明，通过降低等效谐振电路的q 值，可以展宽微带天线频带。由于因辐射引起的q 值近似 反比丁基片厚度所以采用厚基片可以有效地展宽微带天线的阻抗带宽9 - i l l 。图卜1 和图卜2 给出了两种新颖的展宽微带天线频带的方法f 1 2 , 13 1 ，天线贴片和接地板之间填充空气，可以将空 气层视为介电常数为1 的厚介质基片，而且基片的厚度是变化的。这种天线设计方法具有很大 的灵活性，克服了传统印刷微带天线很难改变基片厚度的缺点。前者v s w r 一 1 5 的阻抗带宽 为1 8 ，而后者的带宽也是相应均匀厚度介质基片微带天线带宽的两倍。虽然这种类型微带天 线具有优良的阻抗带宽特性，但其加工制作比常规微带天线复杂，而且，当h 2 值较大时，会破 坏微带天线固有的易于和曲面共形的特性。 c 乒跏。鲋。， 图卜1 宽带v 形微带天线 图1 - 2 宽带楔形微带天线 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 绪论 1 1 2 采用电磁耦台馈电 通过选择合适的馈电方式可以展宽微带天线频带。电磁耦合馈电技术具有很大的调节自由 度，可以方便地改变缝隙的长度、宽度和形状等参数。p o z e r 对电磁耦合微带天线做了许多开创 性的工作，图1 - 3 就是其提出的一种电磁耦合微带天线的示意图。天线包含一个尺寸为口x 6 的矩形贴片，微带线通过共同接地面上的缝隙利用电磁耦合对微带贴片进行馈电。利用电磁耦 合馈电，不仅可以比较容易地得到大带宽”“”，而且还能实现宽带圆极化、双频双极化0 1 及 宽带双极化2 “。图1 4 给出的一种利用缝隙耦合形式的宽带双极化微带贴片天线，利用微带 线通过h 形缝隙对矩形贴片进行角馈。其v s w r 2 的阻抗带宽实验值为2 4 4 ，而且天线具 有带内高于3 0d b 的隔离度，交叉极化电平小于_ 2 3d b ，前后向辐射比大于2 2d b 。 为了迸一步增大缝隙耦合微带天线的带宽，可咀采用大缝隙多层贴片天线结构 2 3 - 2 5 j 。缝隙 多层微带天线如图卜5 所示。多层结构由于增加了定向贴片，改善了天线前后向辐射比，而且 这种天线的设计过程很简单。就目前而言，缝隙多层微带天线是带宽最大的微带印刷天线之一， 它基本上具备了宽带工作天线的所有优点，例如良好的阻抗和增益带宽、易于极化控制、满足 小型化需求和制作简单等。就本质而言，可以将缝隙多层微带天线视为垂直放置的对数周期印 刷天线。虽然这种天线电厚度较大，但其表面波损失却很小，原因在于相邻的贴片耦合表面波 能量，并将其辐射到自由空间中。缝隙多层微带天线的实验模型如图l - 6 所示，微带馈线的一 端接同轴接头。 p o c th 图卜3 缝隙耦合微带天线 图i - - 4 缝隙耦合宽带双极化微带贴片天线 3 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 图卜5 缝隙耦台多层微带天线图l _ 6 缝隙耦合多层微带天线照片 1 1 3 采用徽带贴片开槽 如上所述，缝隙耦合多层微带天线能得到较宽的频带和优良的电特性，但采用多层形式增 加了天线的厚度，要占用较大的空间不适用于某些对天线尺寸有严格要求的场合。如果想在 薄基片上展宽微带天线频带，则可采用槽加载方法，利用这样的方法通常可以将带宽提高到未 开槽前的微带天线带宽的2 到3 倍口”。 h u y n h 等提出了具有u 槽结构的探针馈电矩形微带天线这种天线具有单层结构和均匀介 电常数，获得了4 7 的带宽”j 。这种天线以其简单的结构，优良的性能得到了广泛地关注，但 不足之处在于使用泡沫材料作为基片。k - et o n g 等研究了u 形槽贴片在常规微波基片上的性 能，如图卜7 所示。当选用介电常数2 3 3 的基片，中心频率为3 1g h z 时，获得了2 7 的阻抗 带宽旧。 - 4 - 图1 7 矩形u 槽微带天线圈1 - 8 e 形贴片微带天线 2 0 0 4 年上海大学博上学位论文 由于开槽简单易行，而且对微带天线进行合理的开槽收效十分显著，各国天线设计专家不 断尝试用开槽来改善微带天线性能。图1 - 8 给出了一种e 形贴片微带天线，在矩形贴片上开两 个平行的槽而获得e 形贴片形状，通过优化调节槽的宽度、长度和位置来获得最大的阻抗带宽。 文中得到了3 0 4 的阻抗带宽，覆盖了1 9g h z 和2 4g h z 频率o ”。 1 1 4 采用共面寄生元 在常规微带贴片旁边分布一些谐振频率稍有不同的寄生贴片，能够有效地展宽微带天线的带 宽”1 3 ”。图卜9 是最基本的具有共面寄生贴片的微带天线形式，通过引入寄生贴片，使其驻波 曲线呈现双调谐特性，天线的阻抗带宽增大到原先的5 倍 4 0 1 。图卜1 0 中给出了具有寄生贴片 的微带天线详细结构示意图。调节这种天线的主要参数是贴片尺寸和单元间缝隙的大小。缝隙 的大小主要影响贴片间的耦合，从而改变阻抗曲线的轨迹，此种天线能取得约2 0 量级的带宽。 采用寄生贴片技术的微带天线虽然利用寄生耦台得到了相对较大的带宽，但同样也因为寄生贴 片而存在使用上的缺陷。首先，为了获得较大的带宽，通常要使用尺寸较大的寄生贴片，这使 得天线总尺寸增大，不利于组阵。另外，存在寄生贴片的微带天线在结构上往往不关于中心馈 电贴片对称，这使得在整个频带内天线方向图的稳定性较差，不同带内频率点的天线方向图存 在一定的差异【4 1 4 2 】。 金属贴片 簟盛辩， 图1 9 有寄生元的微带贴片图1 - 1 0 具有寄生元的微带天线结构图 芏 d i 上面给出了几种常见的宽带微带天线，除此之外，还有多种展宽微带天线频带的方法，例 如还可以采用螺旋型或蝶形贴片形式获得大的带宽，或者采用对数周期阵列实现微带天线的宽 带工作，在此不再逐一详细论述。应当指出的是，展宽微带天线带宽往往是以降低其它方面的 性能为代价的，例如拓宽频带的同时导致天线体积增大、结构复杂或成本提高等等。微带天线 作为天线的一个重要分支，其设计指导思想和常规的线天线和面天线是完全一样的，由于天线 _k?王 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文绪论 的带宽、方向图和增益总是存在着矛盾。天线设计工作者在不断探索中寻找满足设计指标要求 的解决方案。对于宽带微带天线，我们将天线的带宽放在了首要的位置，宽带的实现必然会多 少影响到其它方面的性能，而好的宽带微带天线设计在满足系统需求的前提下。将这种影响降 到了最小。 1 ，2 宽带印刷缝煦天线的研究 印刷天线的另一个重要分支是印刷缝隙天线，它同样具有微带天线轮廓低、加工简单和易 于批量生产等优点。不仅如此，利用印刷缝隙天线可以较容易地得到双向或全向辐射方向图。 更重要的是，印刷缝隙天线往往具有相对徽带天线更大的带宽。印刷缝隙天线不需要像微带天 线那样对加工精度有严格的要求它对加工误差没有微带天线那么敏感。正是由于印刷缝隙天 线的诸多优点，此方面的研究成果越来越多地见诸于科技期刊和会议。而且，人们对印刷缝隙 天线的应用范围也在不断地拓宽，其已经被成功地用做移动通信车载天线。本节简要介绍宽带 印刷缝隙天线的研究进展。 1 2 1 渐变印刷缝隙天线 渐变印刷缝隙天线( t s a ) 最早由m a h a p a r r a 和g i b s o n 提出，由于尺寸较大。通常工作于 毫米波频段，属于端射天线阻“。按照缝隙渐变的规律不同。这种天线主要有以下三种形式： 指数渐变印刷缝隙天线( v i v a l d i 天线) ，直线渐变印刷缝隙天线( l t s a 天线) 和非渐变印刷缝 隙天线( c w s a 天线) ，分别如图1 1 l a ，b 和c 所示。在上述三种形式中v i v a l d i 天线使用晟 广1 4 “”。由于v i v a l d i 天线同时具有宽频带和高增益，常常被用于阵列天线【5 0 。i 。例如，长渐变 印刷缝隙天线单元具有1 5 0 量级上的主瓣宽度，因此其增益高达约1 6d b 。渐变印刷缝隙天线能 获得3 倍频程的阻抗带宽，而且具有高达2 倍频程的方向图带宽。图卜1 2 给出的微带线馈电 v i v a l d i 阵列天线由4 至8 个天线单元组成，天线单元连接压电式换能相移器和功分器。这个相 控阵天线在8 到2 6 5g h z ( 覆盖了x 、k u 羊k 波段) 的宽频带范围内实现2 7 0 区间内的宽波 束扫描。渐变印刷缝隙天线能在根宽频带内稳定工作，但是，这种天线的应用也受到一定的 限制，因为它是一种端射天线，纵向尺寸大，不便与平面电路集成。 6 - 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 ( a 国忙 图l - 11 三种渐变印刷缝隙天线 图1 1 2 微带线馈电v i v a l d i 阵列天线 1 2 2 共面波导馈电印刷缝隙天线 共面波导是一种平面传输线，通常用在微波集成电路或微波单片集成电路之中5 5 - 5 ”。传统 的共面波导由中心导体、缝隙和地面组成，可以方便地将这种结构作为馈线，对印刷缝隙天线 馈电。利用共面波导对印刷缝隙天线馈电的想法由来已久，共面波导馈电的印刷缝隙天线具有 大带宽、容易阻抗匹配、辐射损耗较低和易于和有源器件集成等优点。近年来由于计算机技术 的飞速发展，人们能够更高效地仿真这种类型天线的性能，大大缩短了研制的时间，新的设计 方案不断涌现，人们采用了多种技术以提高共面波导馈电缝隙天线的带宽。下面对这种类型的 天线进行简要介绍。 共面波导与辐射缝隙能够组合而成多种宽带天线单元形式【5 “，利用共面波导还可以对渐 变缝隙天线馈电6 ”，而且还能实现双频段6 ”、三频段6 9 】乃至多频段【7 0 】工作。图卜1 3 给 出了一种共面波导馈电混合耦合缝隙天线，其具有双频段宽频带的特性川。天线的结构巧妙， 由一个共面波导馈电电容耦合环缝隙天线和共面波导馈电电感耦合振子缝隙天线组成。两种不 同的缝隙分别决定天线的两个频段，其- 1 0d b 阻抗带宽约为3 5 。 7 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文绪论 图卜1 4 给出了一种共面波导馈电的适用于射频和微波传感器的小型多缝隙天线0 7 “。这种天 线具有和共面波导槽线相垂直的一系列长度渐变的缝隙，通过调节缝隙的长度和间隔，可以得 到以1 0g h z 为中心频率的高达5 0 的输入阻抗带宽。而且带宽基本不受共面波导馈线长度的 影响。就本质而言，这种天线类属于非频变天线。共面波导结构特别适合用于串馈，例如，共 面波导馈电的对数周期缝隙天线已被广泛研究 7 3 , 7 4 1 。 w s g w g 图1 1 3 共面波导馈电双频宽带缝隙天线图1 - 1 4 共面波导馈电多缝隙天线 上面介绍的共面波导馈电的印刷缝隙天线的共同点在于所采用的印刷缝隙基本上都是窄 缝，采用窄缝结构的印刷缝隙天线一般都是借助于阵列天线的思想实现天线的宽带工作。当把 缝隙加宽时，另一种类型的共面波导馈电印刷缝隙天线就进入了我们的视野，在这里，我们暂 且将具有宽缝隙的共面波导馈电天线称为共面波导馈电宽缝天线。我们将会看到，共面波导馈 电宽缝天线在大带宽的实现方式上和窄缝天线不同，前者往往利用一个缝隙进行结构渐变来拓 宽天线的频带，而不是利用组阵的方式，例如辐射缝隙可以采用常见的矩形【7 7 ”，或蝶形1 7 ”8 。i 以及在蝶形基础上发展出的正方形【8 t , s 2 l 。图1 一1 5 是一个典型的共面波导馈电印刷宽缝天线，它 采用蝶形宽缝隙，微波基片厚i 5 8m r n ，介电常数为1 0 1 。天线的设计思路十分简洁明了，共 面波导的两个缝隙槽分；5 和两个蝶形宽缝隙相连，共面波导的中心导体在蝶形缝隙的中心位置 横向伸展为一个矩形金属贴片。调节金属贴片的阪宽尺寸，可以方便地调节天线的输入阻抗和 方向图的交叉极化。此文作者加工了系列中心贴片尺寸的蝶形缝隙天线，通过实验的方法得 到了4 0 的阻抗带宽”。 8 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文绪论 共面波导馈电的缝隙天线不仅能实现宽带线极化，还可以实现宽带圆极化。图卜1 6 给出了 一种共面波导馈电的宽带圆极化缝隙天线。天线利用共面波导对矩形缝隙馈电，并在矩形缝隙 的一个相邻边中点从接地面向矩形缝隙中心引入一个t 形金属贴片，其和共面波导馈线相垂直。 图中共面波导内导体和t 形金属贴片的相关尺寸都被视为调节天线性能的参数，共有6 个变量 参于对天线性能的优化。经过大量工作，作者得到的3d b 和l d b 轴比带宽分别为1 8 和1 3 。 而且天线的带内最大增益约为4d b ，整个带内增益起伏小于l d b 岬j 。 图卜1 5 共面波导馈电宽缝隙天线图1 - 1 6 共面波导馈电宽带圆极化矩形缝隙天线 上文筒述了共面波导馈电缝隙天线的研究现状可知，共面波导是一种具有优良特性的平 面传输线，而印刷缝隙天线是特点突出、性能优越的天线形式，将共面波导和印刷缝隙天线相 结台，必然会产生一系列高性能的新型天线。 最后，评价- n 天线的好坏，只看诸如带宽、方向图和增益等指标是远远不够的，最能满 足用户需求的天线才是设计最成功的天线，而不同用户的需求也是不同的。虽然印刷缝隙天线 相对微带贴片天线而言，有很多自身的优点，但也存在一些不足。例如，在天线设计灵活性上 印刷缝隙天线就不如微带贴片天线。利用微带线馈电可以比较容易地对微带贴片阵列进行井馈， 但如果用共面波导对印刷缝隙天线进行并馈，不仅难度大，而且结构复杂。再者，当天线的使 用环境发生改变时，天线在某些方面的优点就有可能变成劣势。例如，利用印刷缝隙天线很容 易得到双向辐射的方向图，但当我们只需要接收一个方向的信号时，双向辐射方向图会给系统 带来更多的干扰信号，而且，双向辐射会降低天线增益。 综上所述，印刷缝隙天线作为天线大家庭中的一员，有其自身的优点和不足。当天线的带 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 宽和交叉极化等指标是系统的首要需求时，印刷缝隙天线的优势就显现了出来。本文将在前入 的基础上，对共面波导馈电宽带印刷缝隙天线进行研究。 1 3 共形微带天线的研究 微带天线最初作为火箭和导弹上的共形全向天线获得了应用1 1 1 。一方面，对于高速飞行器， 由于严格的空气动力学限制，要求天线共形于其表面f 踟：而另一方面，非平面天线在某些方面 具有比平面天线优越的性能。因此，共形微带天线一直都是人们研究的热点。 共形微带天线的研究远远滞后于平面微带天线【8 6 】。共形微带天线具有其自身的特殊性，不 同于平面微带天线，因此，两者的研究方法存在差异。以柱面共形微带天线为例，当微带天线 所在圆柱体的曲率半径相对于工作波长较小时，平面模型和实验性的方法已不再适用【”i 。因此， 要准确地对共形微带天线进行分析，必须考虑到地面曲率对天线的影响。同时可以看到，对曲 面的精确模拟比平面复杂，所以分析共形微带天线具有一定的难度。不仅如此，共形微带天线 的制作过程也比平面微带天线困难。 不仅传统的航空航天工业对高性能的共形微带天线有着强烈的需求。而且随着移动通信的 飞速发展，共形微带天线作为基站天线或便携式天线，都有着良好的应用前景。 本文将集中论述共形微带天线的研究进展和常用的研究方法并给出几种典型几何体上的 共形微带天线，最后介绍几种新型的共形微带天线。 1 3 1 研究方法 随着计算机技术的发展，人们利用各种计算方法，能够越来越精确的仿真共形微带天线的 特胜，极大地降低了共形微带天线的研究成本，缩短了开发研制周期。 腔模理论是分析微带天线的一种经典的方法。在微带天线基片厚度远小于波长的情况下， 已经成功地分析了各种规则贴片【l i 。在微带天线尺寸远小于其所共形的曲面曲率半径的情况下， 腔模理论仍然是一种行之有效的简单方法。 利用全波分析方法，可以更加准确地模拟共形微带天线的特性。分析微带天线最为常见的 全波分析方法分别是矩量法( m o m ) 、时域有限差分法( f d t d ) 和有限元法( f e m ) 。这几种 方法都可以用于计算共形微带天线。对于圆柱体等简单几何体上的微带天线，可以得到对应的 格林函数，进而可以用m o m 求解。利用f d t d ，从时域入手可以一次得到天线在整个频带内的 - 1 0 - 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文 特性，很适合共形微带天线的宽带特性研究。由于精确模拟曲面具有一定的复杂性，所以用f d t d 直接计算形状复杂的共形微带天线具有一定的难度，共形时域有限差分法( c f d t d ) 用于模拟 曲面【s s , s g 。并成功的计算了共形微带天线。f e m 在机械和力学领域的应用较广，近年来在计算 电磁学中有着越来越广的应用。t ( ) z d e m i r 等9 1 墚用三棱柱作为基本单元，利用f e m ，分析了 多种共形微带天线。j m j i n 等p 2 1 将有限元和矩量法相结合，研究了任意截面柱体上的微带天 线方向图。 利用微带天线所共形曲面的特点。可将天线单元组成相应的阵列。能采用最小二乘法和模 拟退火法等多种方法对共形阵列进行综合【9 7 1 ，共形阵列中馈线的设计与平面时有所差异 9 s , 9 9 ) 。 现代通信系统不断对天线提出更高的要求，采用全波分析方法设计高性能的共形微带天线 已经是种潮流。但同时也应该看到，由于涉及对曲面的精确模拟，全波分析方法往往对计算 机的运算速度和内存等提出更高的要求，因此，要充分利用问题的对称性等减小问题的规模， 以缩短求解时间。 1 3 2 典型共形微带天线 共形于柱体、锥体和球体的微带天线是最为常见的共形微带天线的形式。下面分别简要介 绍。 l _ 柱面共形微带天线 柱体是构成各种飞行器的基本结构，柱面共形微带天线是最为常见的一种共形微带天线形 式，其中柱面环绕式徽带天线和柱面矩形徽带天线最引入关注。 柱面环绕式天线有着悠久的历史【”“。为了提高天线增益，环绕式微带天线在柱面上可以组 成阵列的形式，利用矩量法可以对这种类型的微带天线进行有效的分析 1 0 1 , 1 0 2 1 。柱面螺旋微带天 线 1 0 3 , 1 0 4 j 也是柱面环绕式微带天线的一种，对于中心馈电的特殊形式，f ”1 给出了远区辐射场的 解析表达式。 柱面矩形微带天线具有简单的形式，应用极其广泛。腔模理论是近似求解柱面共形微带天 线的有力丁贝 1 ”，较严格分析常采用矩量法f ”j 和时域有限差分法1 1 1 “。 i i 锥面共形微带天线 宇宙航空飞行器等具有锥体结构，微带天线同样可以与之良好共形。在对实际问题进行简 化的基础上，利用腔模理论，锥面矩形叫j 和环绕式4 微带天线得n t 分析。 i i i 球面共形微带天线 1 1 - 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文绪论 在雷达应用领域，实现相控阵的半球面圆极化扫描非常重要，而球面阵列能提供大角度范 围的扫描。而且，使用球面阵列可以实现不同卫星间的数据通信f 1 1 5 1 。球面圆环微带天线f i f 6 、 球面圆形微带天线【1 1 7 】和球面矩形微带天线阵f l l g 埏常见的球面共形微带天线，可以用矩量法对 它们进行分析。 1 3 3 几种新型共形微带天线 共形微带天线的形式多样，不仅局限于上述三种基本形式，而且有时为了精确得到共形微 带天线的特性，不能将微带天线所在的地面近似视为理想的柱面、锥面和球面。下面给出几种 特殊形式的共形微带天线。 i 头盔共形微带天线 头盔表面是一个复杂的曲面，对于消防队员、森林护林员、边境巡逻和军事人员而言，头 盔是放置天线的天然平台。鞭状天线结构简单，但在战场等恶劣工作环境下，鞭状天线隐蔽性 不好，并易暴露目标，所以在头盔表面不宜采用。共形于头盔结构的微带天线以其优良的特性 引起了人们地关注【6 1 。 j j h w a n g 等给出了一个安装于头盔上的智能天线的初步设计，如图卜1 7 所示。为了在 不稳定的环境中维持射频链接，在设计中使用自适应的5 元半球阵列。天线单元采用s m m ( s p i r a l - m o d em i c r o s t r i p ) 天线，其具有共形、低轮廓和宽带的特点。一个单元在头盔的顶端， 用于接收g p s 信号。其余的在头盔的侧面，利用阵列的宽角覆盖和自适应切换波束来实现稳定 的全向覆盖。在广播模式，所有的单元都同时工作；在通信模式利用简单的切换算法，使阵 列在任一时刻仅有一个单元处于收发状态。此种天线能有效地抑【l 多径干扰和人员移动造成的 干扰。 图卜1 7 头盔共形微带天线 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文绪论 i i 圆柱扇形共形微带天线 在移动通信中，基站天线有着极其重要的作用。共形微带天线作为基站天线使用，有着良 好的应用前景。m t h i e l “9 】给出了一种圆柱扇形共形微带天线，如图1 1 8 所示，在假设分割圆 柱的电壁为无穷大的前提下，利用矩量法和镜像原理对天线特性接行分析，研究了微带单元间 的互耦和天线的方向系数。 这种天线可以作为室外基站天线使用，而且可以方便地安装在墙角等特殊场合。 r j 图卜1 8 圆柱扇形共形微带天线 i i i 椭圆柱面共形微带天线 机翼等结构为椭圆柱，ga m e n d o l a 1 2 0 i 在椭圆柱坐标下研究了与椭圆柱共形微带天线，如图 卜1 9 所示。由于在椭圆柱前提下得到并矢格林函数极为困难，不宜采用矩量法。文中利用腔模 理论，在薄基片情况下对椭圆柱面矩形微带天线进行了分析。 缘 1 一7 10 孓1 图卜1 9 椭圆柱面共形微带天线 上文简要论述了共形微带天线的研究方法， 一定应用前景的新型共形微带天线。可以看到， 并分类介绍了常见的共形微带天线及三种具有 共形微带天线从最初与飞行器共形，到现在作 2 0 0 4 年上海大学博士学位论文绪论 为头盔天线、基站天线和车载天线，其触角已经深入到现代通信的各个领域。共形微带天线的 设计具有一定复杂性。精确地仿真出天线的性能，能极大地缩短天线设计周期，进而降低成本。 腔模理论仍然是分析共形微带天线问题的有效工具与此同时，全波分析方法得到越来越多的 应用，其中矩量法、有限元法和时域有限差分法是分析共形微带天线的主流方法。在很多场合， 往往需要综合使用多种方法，以达到最佳的求解效果。 共形微带天线就其本质而言，是一种严格考虑周围环境对其性能影响的天线形式。当对天 线的建模越接近于其工作的实际环境时，我们就越能更为精确地预测其工作特性。然而，同时 也应该看到，精确求解实际环境下的天线辐射问题，需要有很强劲的计算机资源支持，这也是 对共形微带天线的研究滞后于平面微带天线的很重要的原因。近年来，随着计算机水平提高， 人们已经不满足于只对共形天线进行粗略地设计，因为这将导致天线制作和实验阶段付出更大 的人力物力。 共形微带天线的研究还有很多尚待解决的问题，例如对于柱面共形微带天线而言，已有的 文献一般都是在假设圆柱体是无限长的基础上对天线进行分析而在实际中，柱体的长度都是 有限的。有限长圆柱体对天线的性能有何影响? 再者，当圆柱体的曲率半径减小时，对微带天 线的输入和辐射特性有何影响? 如何实现圆柱面微带天线的宽带工作? 本文将对小曲率半径有 限长度圆柱体上的微带天线进行研究，并给出相应的计算和实验结果- 1 2 ”。 1 4 本论文的研究内容和主要贡献 本论文研究内容： 第一章概述宽带微带天