（电磁场与微波技术专业论文）宽带双极化探头阵列的研制.pdf

摘要 摘要 本文主要设计了宽带双极化探头阵列天线，它涵盖了调制散射技术的研究、 宽带单极化印刷振子的设计、宽带双极化印刷振子的设计、馈电系统的设计、双 极化印刷振子阵列的分析与设计和探头阵列的研究等。 在天线的近场测量中，调制散射技术的使用克服了传统近场测量技术中探头 接收到的信号很弱的缺陷，而用探头阵列代替移动的单探头技术，可以大大减小 测量时间。在采用调制散射技术的近场测量系统中，应选择合适的天线作为探头， 本文中探头天线采用印刷振子天线的形式。 印刷振子天线有着结构简单，易于制作、便于排阵等优点，本文先对单极化 印刷振子的结构作了仿真优化，进一步展宽了它的频带宽度。在此基础上，主要 通过对巴伦馈线的处理，设计了能工作在两种线极化方式下的双极化印刷振子， 并对它的结构进行仿真优化，使其工作在尽可能大的频带宽度下，而且一致性和 隔离度保持良好。 双极化探头阵列天线的馈电系统是一个一分四w i l k i n s o n 功分器，功分器采 用了微带线结构。在功分器的几何形状上，第一段阻抗变换线采用圆弧过度的形 式。圆弧过度可以减少功分器的不连续度，改善输入口的驻波，展宽功分器的工 作频带，以及减少互耦的影响。 双极化探头阵列是由四个双极化印刷振子天线组成的直线阵列。本文通过对 其间距进行仿真优化和对整个阵列结构进行调整，使阵列中相同和不同极化方式 的单元间隔离度较大，减小了阵列中单元问的互耦影响，保证了探头阵列的一致 性和工作带宽。 关键字：调制散射宽频带双极化阵列天线 耦合 a b s t r a c t 一1 1 1 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb r o a d b a n dd u a l p o l a r i z e dp r o b ea r r a ya n t e n n ai sd e s i g n e d ， w h i c hi n c l u d e st h es t u d yo fm o d u l a t i o ns c a t t e r i n gt e c h n i q u e ，t h ed e s i g no fb r o a d b a n d s i n g l e p o l a r i z e dp r i n t e dd i p o l e ，t h ed e s i g no fb r o a d b a n dd u a l p o l a r i z e dp r i n t e dd i p o l e ， t h ed e s i g no ff e e d e rs y s t e m ，t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fd u a l p o l a r i z e dp r i n t e dd i p o l e a r r a y ，t h er e s e a r c ho fp r o b ea r r a ya n ds oo n i nt h en e a r - f i e l da n t e n n am e a s u r e m e n t ，t h es i g n a lo fp r o b ei sv e r yw e a l qt h eu s e o fm o d u l a t i o ns c a t t e r i n gt e c h n i q u ec a l lo v e r c o m et h i sd e f e c t a n dt h ep r o b ea r r a y i n s t e a do fas i n g l ep r o b em o b i l et e c h n o l o g yc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c em e a s u r e m e n tt i m e t h en e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hu s e sm o d u l a t i o ns c a t t e r i n gt e c h n i q u es h o u l d c h o o s eas u i t a b l ea n t e n n aa sap r o b e i nt h i sp a p e r , p r i n t e dd i p o l ea n t e n n ai sc h o s ea s p r o b e p r i n t e dd i p o l eh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yp r o d u c t i o na n de a s yt o f o r ma r r a y t h i sp a p e rf i r s ts i m u l a t e sa n do p t i m i z e st h es t r u c t u r eo fs i n g l e - p o l a r i z e d p r i n t e dd i p o l e ，f u r t h e rb r o a d e n i n gi t sb a n d w i d t h o nt h i sb a s i s ，ad u a l p o l a r i z a t i o n p r i n t e dd i p o l ei sd e s i g n e d ，w h i c hc o u l dw o r ki nb o t hl i n e a rp o l a r i z a t i o nm o d e s ， p r i m a r i l yt h r o u g ht h eh a n d l i n go ft h eb a l u nf e e d e r i no r d e rt om a k ei tw o r ki nt h e g r e a t e s tp o s s i b l eb a n d w i d t h ，t h es t r u c t u r eo fi t i ss i m u l a t e da n do p t i m i z e d a n dt h e c o n s i s t e n c ya n di s o l a t i o no fi tm u s tm a i n t a i ng o o d t h ef e e ds y s t e mo fd u a l p o l a r i z e dp r o b ea r r a ya n t e n n ai sao n e f o u rw i l k i n s o n p o w e rd i v i d e rt h ep o w e rd i v i d e ru s e st h em i c r o s t r i pl i n es t r u c t u r e i nt h eg e o m e t r i c s h a p eo fp o w e rd i v i d e r , t h ef i r s ti m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nl i n eu s e st h ef o r mo fa r c t h ef o r mo fa r cc a nr e d u c et h ed i s c o n t i n u o u so fp o w e rd i v i d e r , i m p r o v et h ei n p u t v s w r ，b r o a d e nt h ew o r k i n gb a n do fp o w e rd i v i d e ra n dr e d u c et h ei m p a c to fm u t u a l c o u p l i n g d u a l - p o l a r i z e dp r o b ea r r a yi s al i n e a r a r r a y , w h i c hi sc o n s i s t i n g o ff o u r d u a l p o l a r i z e dp r i n t e dd i p o l e s i no r d e rt og e tm o r eb i gi s o l a t i o nb e t w e e nt h ee l e m e n t s o fa r r a y ，t h ep i t c ho fa r r a yi ss i m u l a t e da n do p t i m i z e d ，a n dt h es t r u c t u r eo fa r r a yi s a d j u s t e d b i gi s o l a t i o nc a nr e d u c et h em u t u a lc o u p l i n go fa r r a ye l e m e n t s i te n s u r e st h e c o n s i s t e n c ya n db a n d w i d t ho fp r o b ea r r a y k e y w o r d ：m o d u l a t i o ns c a t t e r i n g b r o a d b a n d d u a l - p o l a r i z e d a n t e n n a a r r a yc o u p l i n g 创新性声明 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： 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 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。 本人签名： 导师签名： 日期2 立必! 主! 占 e tg q ! 堕：! ：受 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 传统的近场测量系统有着明显的缺陷，由于接收探头与接收机是通过高频电 缆线直接相连的，因此当移动探头进行测量时很容易对待测电磁场产生干扰，不 能够进行高精确度的测量。用调制散射技术可以克服这一缺陷，但单探头技术不 能满足快速测量的需要，而探头阵列的应用则大大缩短了测量时间。 1 1 研究背景和意义 近场测量是伴随着网络分析和接收探头进行的，在传统的近场测量系统中， 待测天线通常保持固定，使探头围绕着它转，从而得到不同的平面，柱面，球面的场 图。排除距离的差别，这种测量的设置和标准的天线测量是很相近的，接收到的 信号是经过探头相应耦合过的信号，为了得到场中离散点处的场值，探头做的必 须相当小，但是又不能特别的小。因为当探头非常小时，它接收到的信号是很微 弱的，微弱的信号会产生无效的测量，当探头小于波长很多时，信号会在探头中 心产生相似场。调制散射技术【l 】的应用克服了传统直接测量的缺陷，其基本原理 就是把信号调制，使其具备一种特征，而这种特征为接收机所识别，通过无线传 送，由接收机通过相干解调收回。调制散射技术系统里的零差接收机是工作在相 对宽的频带上，如果要用探头快速地记录下场的轮廓，为了使测量能在较宽的频 带上进行，采用的探头应工作在尽可能大的频带宽度上。 调制散射技术最早是用来减小探头带来的微扰效应和在困难的操作条件下进 行近场测量的连接问题。这项技术是由c u l l e n 和r i c h m o n d 开创的，接着以i i z u k a 为先锋，他提出了许多测量设置的构思，k i n g 再把这项技术的应用扩展到现实的 工业探测器中。最近的应用是为测试和诊断电路、印刷天线和填充着液体介质的 大型微波带状线提供场图。为减小由设备的连接带来的微扰，还可以使用光调制， 这种方法是用光学纤维和光调制探头，但是由于低频调制和效率问题使得这种方 法不切实际。 调制散射技术解决了天线近场测量中信号微弱的缺陷，提供了一个精确度和 灵敏度间的最佳折中，但是此程序会消耗过多的时间，人们关心的是怎样才能减 少测量时间。在近场测量系统中，用移动的单探头技术花费的时间很长，尤其是 要对大型天线进行测量时。而且当测量数量的增加，要测量电磁场的各自三个分 量和记录所有参数值时，这个过程也会导致一个相当大的数据。用探头阵列来代 替单探头技术，大大减少了测量时间，但是这也会带来新的问题，那就是探头阵 2 一 宽带双极化探头阵列的研制 列和待测天线之间的影响，以及探头之间的互耦。在近场测量中，待测天线和探 头之间的影响关系到探头的精度，在测量中很难补偿这种作用。探头阵列的尺寸 比单探头要大，所以探头阵列和待测天线的互耦也会变得很大，探头阵列中探头 之间的耦合也会影响测量的精度，对于探头阵列的使用来说，减小阵列中探头之 间的互耦是最重要、最关键的。 总之，在近场测量系统中，人们最关心的是测量精确度和灵敏度，以及测量 时间问题。要解决测量的精确度和灵敏度问题，可以采用调制散射技术，且采用 的探头天线应工作在尽可能大的工作频带上。要缩短近场测量过程的时间，可以 采用探头阵列技术，而且要尽可能大地减小探头之间的互耦影响。本文对宽带双 极化探头阵列研制的整个流程作了详尽的介绍，这为以后近场测量中实际探头阵 列的设计提供了一定的参考价值。 1 2 1 传统的近场测量 1 2 近场测量技术介绍 传统的近场测量系统一般都是采用直接测量法，如图1 1 描绘的标准近场测 量设备，探头必须连接在接收机上。它们之间用能承载高频和微波信号的传输线 或波导连接，这将呈现出两大问题： 图1 1 标准的近场测量设备 ( 1 ) 靠近待测天线的金属传输线会严重的影响场的分布，因为它能使切向电场局 部的短路。即使采用很细的电缆线时，也会产生这样的情况。 ( 2 ) 在承载高频信号测量时，易变形的传输线将不能提供充分的幅度和相位信息， 第一章绪论 不能够进行精确的近场测量。出于这两种原因，直接测量不适合在天线的近场区 域进行。 1 2 2 散射体技术 由于传统的直接测量法会对待测场产生干扰，不能提供准确的信息。我们可 以用间接的方法在场的局部进行扰动得到相干场，如图1 2 所示。这种测量是借 助介入场中很小的散射体来完成的，用很细的尼龙引线连接散射体，这样就不至于 对场产生很大的影响。这种散射体必须满足两个条件： ( 1 ) 它必须相当小，不至于使我们要测量的场发生极端的改变。通过微扰体我们可 以测量到一个平均场，因此测量的精确度直接取决于散射体的空间尺寸。 ( 2 ) 但是它必须又要求足够大，这样才能探测到被测信号。这就是说，测量信号在 探头产生的作用要远大于噪声产生的作用，以有利于精确的分析。 因为这两个要求是相互矛盾的，因此必须采取一个折中，这种微扰测量能探测到 很小的场值，而决不会被噪声影响太多。因此测量过程中选取的探头必须具有很 高的灵敏度，以至于场中微小的变化都能感应到。 输入信号 反射信号 1 2 3 调制散射技术 辐射波 图1 2 散射技术的原理 细尼龙绳 散射体 虽然散射技术对待测场的干扰比较小，但是如此前所提到的，由探头散射的 信号往往会非常小，而且会被寄生信号所掩盖。为了改进这种方法，必须使散射 信号具备一种特征，而这种特征为接收机所识别，这就是调制散射技术的原理。 调制散射技术可以减少干扰和提高测量速度。 库仑和帕尔用一种机械调制方案，就是在低频条件下使散射体振动或自旋。 4 一 宽带双极化探头阵列的研制 这个运动指令由系住散射体的尼龙线传递，因此在图1 2 所描绘的设备里要加入 合适的振动器或发动机。这种机械的运动就会调制散射信号，接着由零差接收机 通过锁相放大器从未调制的信号中把它提取出来。 r i c h m o d 发明了另一种途径，就是用电调制散射体。低频调制散射信号由电 阻金属线或光学纤维传送到和小天线或探头连接着的非线性设备( 半导体) ，如图 1 3 所示。由探头散射的信号在这里也一样，由零差接收机通过锁相放大器从未调 制的信号中提取它。和图1 2 的直接测量设备刚好相反，连接到探头的线在图1 3 不传送高频信号。因此低干扰线可以用来做低频调制的馈线。 未调制入射信号 一 ：调制和已调制的 反射信号 辐射波 调制散射波 ，一 一一 图1 3 调制散射技术的原理 1 3 本文主要工作及内容安排 装有二极管 的散射体 ( 探头) 本文的研究工作主要分为三个部分： 第一部分为宽带单极化和双极化探头天线的设计，根据调制散射技术对探头 的要求，首先选择合适的天线形式作为探头，设计先从单极化着手，单极化探头 的结构尺寸确定后，在单极化的基础上设计双极化探头，设计的目标为天线工作 在尽可能宽的频带下，而且在双极化情况下天线一致性要保持良好。实测结果表 明，在输入电压驻波l g d , 于3 的约束下，单极化天线工作频率约为1 4 - - 一3 g h z ， 双极化天线工作频率约为1 2 9 - 3 g h z ，两端口间的隔离度在工作频率范围内高于 2 0 d b 。 第二部分为馈电网络的设计，根据双极化探头阵列的需要，设计一个一分四 的微带型w i l k i n s o n 功分器，实测的传输损耗基本满足要求。 第三部分为宽带双极化探头阵列的设计，根据对近场测量系统中探头阵列的 分析，调制散射技术下的探头阵列要求单元的一致性要良好，单元间的耦合要尽 可能的小，工作带宽要大。所以，排阵的目标是减小单元间的互耦，保持探头的 致性。 第一章绪论 本文的内容安排如下： 第一章阐述了本文研究的背景及意义，并简单地介绍了近场测量技术，给出 了本文的主要工作与内容安排。 第二章概述了调制散射技术。主要讲述了调制散射技术的原理和调制散射技 术对探头的要求及探头种类的选择。 第三章讲述了宽带单极化和双极化探头天线的设计流程。主要讲述了实现微 带天线宽频带的途径、印刷振子的工作原理、宽带单极化和双极化印刷振子的分 析与设计。 第四章讲述了馈电网络的设计。主要讲述了功分器的基本原理及一分四微带 型w i l k i n s o n 功分器的设计。 第五章讲述了宽带双极化探头阵列的设计。主要讲述了探头阵列在近场测量 系统中的应用和双极化印刷振子天线阵列的设计。 第六章结束语。对本文的工作进行总结，并提出了文中需要进一步研究的问 题。 第二章调制散射技术 第二章调制散射技术 本章主要讲述调制散射技术的原理和调制散射技术对探头的需要，得出本文 探头天线的形式。 2 1 调制散射技术原理 2 1 1 直接测量和间接测量 7 一 传统的近场测量一般采用的是直接测量法，即探头和接收机是通过高频电缆 线直接连起来的，如图1 1 所示。调制散射技术采用的是间接测量法，即探头和 接收机间是以无线的形式来传输信号的，如图1 3 所示。任何测量的目的都是得 到器件和系统的确切的特征，比如电流，电压和电场等。得到这些量的最简单方 法就是进行直接测量。然而有时候直接测量是不可行或不切实际的。我们需要的 测量可能是物理上难以接近的，也可能由于当前测量设备的影响而严重地干扰待 测场。我们可能在测量中用到一些辅助参数，使测量值更接近真实值。由于引进 了辅助参数，所以我们的测量取决于辅助参数的测量，这时的测量我们称为间接 测量，但是这一过程需要大量的计算。在图1 1 的直接测量法里，探头获取的信 号直接由一条低损耗传输线传送到接收机。在图1 3 的间接测量法里，探头获取 的信号中的一部分被散射回去，而仅有部分直接到达接收机。在直接测量法里， 探头和接收机通过电缆线直接连接，在间接测量法里是无线的，而且接收功率很 小。为调制散射测量设计的仪器必须能补偿很大的传输损耗。一方面应给待测天 线提供更大的功率( 内在原因) ；另一方面，接收机应该能对微弱的信号起响应， 锁相探测器能够在一个更低的信噪比条件下工作，并提高接收机的灵敏度。测量 可以在屏蔽和消音室里进行，以防止泄漏到外界和减少散射。大量功率丢失的缺 陷由调制散射的优势抵消了。当用探头移动进行直接测量时，连接探头的高频传 输线也跟着移动和弯曲，它的传输参数也随着位置的变化而改变，而低频传输线 对线的位置变化不敏感。另外，用调制散射技术可以进行非常近的场的测量，而 用直接法则不行。 2 1 2 调制散射原理 由于探头散射的信号很微弱，因为探头必须是很小的，这样才不会对待测场 8 一 宽带双极化探头阵列的研制 产生太大的干扰，这个信号很容易被寄生信号所掩盖。温度的变化或设备机械的 变形，以及放在测量设备周围的支撑结构，这些都有可能对散射信号产生干扰。 所以，必须要采取措施来减小噪声影响，辨别信号真伪，提高灵敏度。这就需要 一些附加的鉴别标签，让散射信号具备一种特征，而这种特征为接收机所识别。 散射信号通过无线传送到接收机后，接收机把己调信号从未调制的噪声信号中提 取出来，滤波通常是用相干解调来实现的，用这种方法，可以提高灵敏度和辨别 寄生信号的能力。 2 1 3 机械调制散射 调制散射信号的一种简单方法是机械地移动探头或用交变方式使探头变形： 当一个弹簧线圈颤动或伸展时，一个偶极子能如图2 1 所示那样旋转。用这种方 法可以在达到一个高的调制效率的同时，把干扰保持在一个非常低的水平上。散 射体可以用尼龙绳来悬挂，这样就不会对场产生干扰。由于改变探头的外形也会 改变它的散射方向图，当使用谐振散射体时，探头尺寸的一个微小变化( 在一个固 定频率) 或在工作频率上的变化( 尺寸为常数) 都可以产生一个大的失调，因此可以 调制散射场。另外，移动散射体也会改变反射信号。机械调制方案需要复杂和灵 活的实验装置，使用细尼龙绳，而且必须为探头的移动提供一个专门的空间区域。 图2 1 机械调制散射设置 机械调制散射的确很吸引人，因为它对待测场产生的扰动非常小，但在实际 运用中它却面临着许多困难，因为测量设备的操作是非常精密的。正是由于这些 原因使得它们很少被应用。 2 1 4 电调制散射 图2 2 描述了一个电调制散射的单基设置，探头负载一个非线性半导体设备， 第二章调制散射技术 它有可能是一个肖特基或一个p i n 二极管。探头用一个低频方波来调制，使得二 极管连续的处于偏振和不偏振的状态中，以及在近似短路和近似开路的条件间振 荡。接收机获取的反射信号中包含了用低频调制的信号。 要传送调制信号到半导体二极管，没必要用厚的高频传输线，因为在这种情 况下只有低频信号通过导体。可以使用高阻电线，它几乎不产生电场，因此它可 以消除连接可能产生的影响，而不影响到测量的灵敏度或精确度。为了提高调制 效率，可以让探头同时负载几个非线性元件。另外，用不同频率的调制信号同时 对几个探头进行调制，可以同时测量不同极化下的成分。 2 1 5 光调制散射 图2 2 电调制散射设置 9 一 在某种情况下，当期望得到非常高的精确度时，而由于调制用到的电线的存 在，即使是用高阻系数材料也仍不能满足要求。这时可以通过用光学的方法输送 调制信号到探头来减小更深的潜在扰动，使用激光光束或光学纤维来调制。光学 纤维完全由介质材料( 玻璃) 组成，实际上不会干扰待测场。探头的负载元件是一 个感光设备，有可能是一个光敏电阻，光电二极管，或光电晶体管。但是长期以 来，大多数商业用的设备比探头的尺寸大得多，这样会减小空间分辨能力和产生 别的扰动。另外，感光设备对调制频率有限制的能力，它的使用限制了应用的动 态范围。正是由于这些限制的存在，使得电调制散射成为大多数实验装置的最佳 选择。技术的不断发展使光调制的技术特点得到改进提高，使其成为调制散射测 量的一个有用途径。 2 1 6 调制散射技术的特征 在所有调制方案的实际应用中，电调制或光调制更容易实现，把一个非线性 1 0 宽带双极化探头阵列的研制 或感光元件( p i n ，肖特基二极管，或光电二极管) 装在一个散射探头上很容易。而 机械旋转和拉伸或振动方案需要复杂和灵活的测量装置，这样更难于实现和操作， 尤其是探头要扫描指定区域的场必须进行大范围地移动。调制散射技术的使用使 得探头和接收机之间不需要高频传输线来连接，高频传输线的省略大大减小了对 测量的干扰，提高了测量精度。调制散射技术的优点如下： ( 1 ) 它为区别来自待测天线周围的未调制寄生信号和噪声提供一条有效途径，接 收机通过滤波提取出已调的散射信号，提高了测量精度。 ( 2 ) 它可以提高测量灵敏度，通过在调制频率下用一个锁相环来相干解调。 而且，调制使人们能识别和分离出由几个探头产生的响应，这些响应可以是 同时在不同频率被调制，或者是在相同频率连续地被调制，这种方法为应用在快 速测量上的大探头阵列的实现铺好了道路。 2 2 调制散射探头 为了尽可能大地避免测量误差的干扰，探头和调制散射信号所需的连接元件 的尺寸应缩小。由于调制散射的幅度和天线的尺寸有着严格的依赖关系，天线的 尺寸要符合接收机的灵敏度要求。调制散射探头在用户优化尺寸，灵敏性，干扰 性，频率和带宽之间有很大的弹性。 在一些实际应用的设计方案中，细长的金属丝会影响平行于它的电场分量， 所以短电偶极子探头能应用在近场测量中，它能很精确地测量电场，但是由于散 射的存在，测量的精度将受到很大的影响。这种影响在探头产生谐振时，可能产 生更大的作用，这种作用包含下面两方面： ( 1 ) 探头长度被限定在谐振长度内，经典的是2 2 。探头长度是很重要的因素，测 量的场值是在探头长度上平均的，给定一定的物理长度，探头将在一个固定的频 率上谐振。 ( 2 ) 电抗性的元件可以被装入小型探头中，比如电容。但是由于探头尺寸很小，所 以装入的元件要限定尺寸，这点必须注意到。 在这两种情况下，谐振探头均是窄带元件，不适合进行宽带测量。另外，各种相 互作用会使它们的响应失调，因此产生错误的结果。 用线圈测量磁场时，应该保持其尺寸比一个波长小得多，以避免电场的寄生 影响。当使用大型线圈时，所有部件必须对称性放置，或者增加一个平衡一不平 衡变换器，以减少电场的影响，线圈可以用金属线或印刷板上的微带线来实现。 开槽结构的器件也能作为探头设计的依据，通常各种形状的印刷线路天线都 能作为探头，负载着电介质的波导也适合作为探头。 选择何种天线形式作为探头，主要是基于如下三个方面的考虑，第一是要符 第二章调制散射技术 合调制散射技术的要求，第二是天线的工作频带应尽可能宽，第三结构形式要简 单、可靠、耐用。印刷天线以其独特的优势近年来得到了飞速发展。它克服了原 来可靠性不高、损耗大、易老化等缺点，具有结构简单易制作和批量生产的优点。 而且各种事实证明印刷振子对待测场的干扰很小，在尺寸上也符合调制散射的要 求，而且许多传统的近场测量系统都采用印刷振子作为接收探头，所以可以选择 印刷振子作为调制散射探头，而且印刷振子的工作频带要尽可能的宽。 第三章宽带单极化和双极化探头天线的设计 旦 第三章宽带单极化和双极化探头天线的设计 本章主要讲述宽带单极化和双极化探头天线的设计。调制散射探头和接收机 之间是通过无线的方式来传输信号的，所以它和传统近场测量系统中的扫描探头 有很大的不同。由于调制散射技术系统里接收机是工作在相当宽的频带上，系统 所采用的接收探头也应工作在尽可能大的频带宽度上。因此本文要设计宽带单极 化和双极化探头天线，天线的形式采用印刷振子结构，印刷振子的工作频率五为 2 g h z ，技术指标要求为：在驻波比小于3 的约束下，在l 3g h z 的频率范围内， 设计个工作频带尽可能宽的印刷振子。 3 1 印刷振子天线 微带振子天线又称印刷振子或印刷偶极子，是除微带贴片外的又一类微带辐 射元。其近似处理是假定振子电流分布进行分析，如果基片厚度远小于介质中波 长或者振子为谐振长度，假设微带振子的电流为正弦分布是有效的。但许多应用 不是这类情况，例如在亚毫米波段，这种天线己用于远红外探测器，其基片厚度 为几个波长。为此，亚历克索普洛斯等人已发展了一种积分方程法分析【2 】，并作 了大量数值计算，择要介绍如下。 设微带振子沿圣方向，宽度w 远小于长度三，如图3 1 所示。由于w 五，只 需考虑竞向电流，于是得e 的x 分量为： e = 露q + 嘉( g x g ) 】，( x ) 出( 3 - 1 ) 式中 q 2 器j c o 撕力蒜嘭 g = 甏( 叫) f 小丽s h y 丽h 而c h y h 吩 厶( 尼。，办) = y o s h y h + y c h y h 【j - 印 五( k ，h ) = e ，y o c h y h + y s h y h p = ( x x 7 ) 2 + ( y y ) 2 1 1 7 2 = 乃= ( 砖一k 2 ， i 2 ，y = 儿= ( 磅一瑶0 ) 2 在振子表面应有& = 0 ，于是由上式便得到关于，( x ) 的积分方程。现在用伽略金 法求解积分方程。首先，把振子分成n 段，每段长度为a = l n 。用分段正弦基 1 4 宽带双极化探头阵列的研制 函数展开电流： 式中 n ，( x 7 ) = 乞厶( x 7 ) n=1 ( 3 3 ) f ( x ，) ：兰塑! 奠竺s 竺i n 趔k o z ，x 一 9 0 城墙 1 5 94 4 6 0 贴片线阵 厚贴片3 0 1 9 9 0 变参 1 5 94 0 数阵 多层 3 6 81 8 8 0 对数1 5 94 ：17 9 贴片周期阵 螺旋 1 5 94 0 5 0 形贴片 3 3 宽带单极化印刷振子的设计 根据调制散射技术对探头的要求，本文选择了印刷振子天线的形式。基于上 节对微带天线宽频带途径的分析，本节将讲述宽带印刷振子的分析与设计5 ，6 1 ， 印刷振子的工作频率五为2 g h z ，在输入电压驻波比小于3 的约束下，在1 - - 3 g h z 的频率范围内设计一个工作频带尽可能宽的印刷振子。 1 8 宽带双极化探头阵列的研制 3 3 1f p , 昂u 振子的分析 印刷振子天线一般采用微带线巴伦进行耦合馈电，克服了平面天线带宽窄的 缺点，这种结构在驻波l l d , 于2 的约束下，带宽可大于4 0 ，该结构最初由r o b e r t 以同轴线的形式提出，后由b a w e r 和w o l f e 应用于微带。二者都曾论述过b a l u n 匹配 一个不随频率变化的阻抗的原理，o l t m a n 贝j j 研究了如何选择各段传输线的特性阻 抗在有限带宽上对一个随频率变化的负载实现匹配。印刷振子和平衡馈电器复合 结构使其精确分析变得十分困难，为了分析其性能，把二者分成两部分处理【7 1 。一 部分是印刷振子辐射臂。另一部分是平衡馈电部分【钔。对辐射臂可以等效为一个半 径为d 、长度为2 ，的对称振子。对单元平衡馈电部分可用同轴电路来等效。 l 、印刷振子辐射臂 印刷振子辐射臂，可利用等效半径的概念，等效为半径为d ，长度为2 名的对 称振子。根据文献，中心馈电的带状振子的等效半径为： d ，= 0 2 5 ( c o + f )( 3 - 8 ) 式中，反广带状振子的宽度；f 带线厚度。振子辐射臂长度2 ，考虑到带状 振子两个端头效应，振子的长度应当修正。修正量为振子宽度的四分之一，即： 21p=2l+ico(3-9) p4 式中，2 ，振子实际几何长度。 求出辐射臂的等效半径和等效长度后，利用h a l l e n 方程的矩量法解可以求出振 子的电流分布，输入阻抗和辐射方向图。 2 、平衡馈电b a l u n 部分 利用简单的传输线理论，对平衡馈电( b a l u n ) 部分进行分析，给出了同轴等 效电路【9 ，1 0 1 ，如图3 3 所示。在同轴等效电路中，有限直径的振子输入阻抗简单描 述为一个复数( z 厶) ，它是一个随工作频率变化的量。则振子的输入阻抗可以 表示为【l l 】： = 乙丽z + j z b t g o b ( 3 - 1 0 ) 肚珊盼箍 p 式( 3 1 0 ) 和式( 3 一1 1 ) 中，乙、铭、乙6 、o a b 、z b 、锡分别为微带线和耦合微带 线的特性阻抗和长度【1 2 】。印刷振子一般都具有双谐特性，即在带宽内有两个谐振 点，当两个谐振点相距较远时，每个谐振点附近的驻波曲线较尖锐，谐振点之间 第三章宽带单极化和双极化探头天线的设计 旦 的频率点上驻波较大，只有在两个谐振区部分重合时，才有可能在满足驻波要求 的条件下获得较大的带宽。通过调节参数铭、t g a b 并f lo b ( 即开路线长度和槽的长 度及匹配段的长度) ，可以使其阻抗在很宽的频带内匹配。 图3 3 平衡馈电( b a l u n ) 等效电路 3 3 2 印刷振子天线的设计 z | n 印刷振子天线采用双面板结构，二面是印刷振子臂和平衡馈电巴伦【1 3 】，另一 面是微带线和匹配网络。印刷振子天线采用的馈电方式是电磁耦合馈电，这种馈 电方式可以在一定程度上展宽印刷振子的频带。 巴伦是一种将平衡双导线接到非平衡同轴线的器件。一偶极子天线的中点直 接受同轴线馈电，这样同轴线的外导体表面一部分电流分流成辐射系统的一部分。 本文印刷振子采用微带馈电的i i i 巴伦【1 4 1 ，i i i 伦具有某些令人满意的优点，它能 够提供完善的平衡和很宽的频带。它的等效电路如图3 4 所示。 一, 1 1 一- - - - - - - - - - - - - 图3 4i l l 巴伦的等效电路 在此处的巴伦有两个作用：一是平衡电流分布，这也是巴伦的最主要的作用。 二是附加电抗补偿，输入口的电阻为( 乙j x 尸) ，在恰使乞= 7 r 2 的频率上，输 入阻抗( 乙) 可简化为乙。在较低的频率上，膨呈感性，而半波振子的乙在 宽带双极化探头阵列的研制 低于谐振的频率上呈容性，因此，附加感性成分p 能补偿半波振子阻抗z 。的容 性成分。在较高频率上，p 呈容性，而半波振子的z 。在高于谐振频率上呈感性， 附加容性成分，能补偿半波振子阻抗z 。的感性成分。因此，i i i 巴伦在一定程度 上展宽了印刷振子的频带宽度。在此处印刷振子天线采用电磁耦合的方式馈电， 馈线采用微带线。减短振子臂之间的缝隙，以抑制馈线跨越式的寄生辐射，在馈 线中加入开路枝节匹配，这进一步扩展了印刷振子天线的频带宽度。 印刷振子天线的几何结构如图3 5 所示，基本工作原理【”】是微波信号通过巴伦 馈电，从微带线耦合到振子贴片上，再由振子臂辐射到自由空间。振子臂长三设 置在孙2 附近；末端开路线么的长度及槽底到微带线巴伦中心线的长度设置在 砧4 附近( 如为工作波长) ，调节两个振子臂的电流平衡；馈电微带线宽度呖满足 6 w 1 b ，b 在0 4 l o 5 三之间取值；引入嘶_ 吻的阻抗变换，可以更好地调节 振子天线与同轴线馈电的匹配，在印刷振子的馈线中间加入了开路匹配短截线，是 为了满足天线的宽频带要求，这样可以进一步降低输入口的驻波和展宽印刷振子 频带；天线使用在上半空间，由镜像原理，振子中心高度( 日一o 5 r ) 应设置在小4 附近。 天线工作频率局为2 g h z ，对应自由空间波长为确，介质基片采用厚度为2 m m 的聚四氟乙烯双面覆铜板，相对介电常数昂= 2 6 5 ，尺寸为：0 4 8 2 0 o 3 7 2 0 。天 线的具体参数：l = 0 4 5 3 2 0 ，h = 0 3 4 8 2 0 ，b = 0 1 8 4 2 0 ，r = 0 1 3 7 2 0 ，f = 0 0 1 3 2 0 ， w 1 = o 0 1 7 2 0 ，w 2 = 0 0 3 1 绚，w 3 = 0 0 3 8 知，乞= o 1 4 7 2 0 ，拓= 0 1 9 3 2 0 ， t a b = 0 2 3 2 2 0 ，如= 0 0 3 3 2 0 。 印刷振子贴片 图3 5 印刷振子天线的结构图 在此，采用a n s o f t l 0 o 对天线进行仿真计算，并主要对参数三、r 、日、坛、 岛、易6 、b 进行优化，优化目标为天线的阻抗带宽。优化过程中发现，乞、t b 、 第三章宽带单极化和双极化探头天线的设计 丝 乞6 和b 的调节可以改变天线的谐振频率及两臂电流的平衡，加宽振子臂r 可提高 天线的频带宽度，降低振子臂高度日有利于方向图的对称。 由于带宽受多种因素的影响，是一个多元函数，在优化过程中，考虑到单元 变量较多和一些实际情况无法考虑在内， 部分量，求得较佳值后逐步调整固定量， 本身的数学模型又比较粗糙，先固定一 使驻波趋于优化。印刷振子的驻波曲线 表明其具有双谐特性，即在带宽内有两个谐振点，两个谐振点相距较远时，每个 谐振点附近的驻波曲线较尖锐，谐振点之间的频率点上驻波较大，只有在两个谐 振区部分重合时，才有可能在满足驻波要求的条件下获得较大的带宽。 3 3 3 实验结果与分析 印刷振子天线的驻波比如图3 6 所示。图中看出，实测的驻波比曲线与仿真的 结果一致，