（电磁场与微波技术专业论文）无线通信系统中双频及宽带陈列天线的研究.pdf

摘要! ji i ii irl r l ffrl li i iiu i y 2 0 6 6 8 0 5 摘要 近年来，无线通信技术得到了突飞猛进的发展，对于应用于无线通信系统的 天线也提出了小型化，多频，宽带等要求。平面印刷对称振子天线具有体积小， 重量轻，成本低，易于和其他微波电路集成的优点，再加上它易于实现多频和宽 频特性，因此在无线通信系统中得到了广泛的应用。 本论文主要完成以下两方面的工作： 第一，针对于无线局域网终端设备，以平面e p , 罹u 对称振子天线为研究对象， 研究了两种应用于w l a n 系统的双频全向天线。天线采用渐变结构来实现宽带阻 抗特性，利用贴片开槽的方式来实现双频和小型化。其中第一种天线采用的是l 形缝隙，而第二种天线利用一些平行的矩形细缝形成蜿蜒线状结构使得天线具有 更小的尺寸。这两种天线不仅能够完全覆盖w l a n 所需的两个工作频段 ( 2 4 2 4 8 4g h z ，5 1 5 5 8 2 5g h z ) ，具有良好的阻抗带宽特性，而且在天线的工 作频段上有良好的水平方向全向特性和低交叉极化特性。最后，我们加工了天线 实物并进行了测试，实测结果和仿真结果吻合良好。 第二，针对于无线通信系统的大容量要求，研制了一种宽带的印刷对称振子 阵列天线。本文详细介绍了阵列天线设计的整个流程，在宽带天线单元设计的基 础上，设计了宽带的阵列天线。最后根据仿真结果加工了天线实物并进行了测试， 该阵列天线具有很宽的阻抗带宽特性( 4 3 ) ，实验结果充分验证了该方法的正确 性。 关键词：双频全向对称振子宽带w l a n a b s t r a c t i i i 一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n t e n n aw h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fm i n i a t u r i z a t i o n ，m u t i f r e q u e n c ya n db r o a d b a n di s i ng r e a td e m a n d p r i n t e dd i p o l ea n t e n n ah a st h eo u t s t a n d i n gp r o p e r t i e so fs m a l ls i z e ， l i g h tw e i g h t ，e a s i l yf a b r i c a t e da n di n t e g r a t e di n t oo t h e rm i c r o w a v ec i r c u i t s ，b e s i d e s ，i t i se a s yt oi m p l e m e n tm u t i b a n da n db r o a d b a n dc h a r a c t e r i s t i c s ，s oi t h a sb e e nw i d e l y u s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sp a p e ri sm a i n l yo nt w oa s p e c t s ： f i r s t l t w od u a l b a n da n do r n n i d i r e c t i o n a lp r i n t e dd i p o l ea n t e n n a sf o rw l a n t e r m i n a le q u i p m e n ta r ep r o p o s e d e m p l o y i n gt h eu n i q u et a p e r e ds t r u c t u r e ，g o o d w i d e i m p e d a n c em a t c h i n gc a n b ea c h i e v e dc o n v e n i e n t l y w ea l s oi m p l e m e n tm i n i a t u r i z a t i o n a n dd u a l f r e q u e n c yp r o p e r t i e st h r o u g he t c h i n gs e v e r a ls l o t so nt h ea r m so ft h ed i p o l e a 1 1 t e 肌a s f o rt l l ef i r s ta n t e n n a ，w ee t c ht w ol s l o t so ne a c ha r m ，a n df o rt h es e c o n d a n t e n n a ，w ea d o p te t c h i n gs e v e r a lp a r a l l e ls l o t st oo b t a i nm o r ec o m p a c ts i z ec o m p a r e d w i t ht h ef i r s to n e t h ep r o p o s e da n t e n n a sa r eb o t hc a p a b l eo fc o v e r i n gt h et w o o d e r a t i n gb a n d w i d t h s o fw l a n b e s i d e s ，t h e yh a v e an e a r l yo m n i - d i r e c t i o n a l r a d i a t i o np a t t e mi nt h eh p l a n ea n du l t r al o wc r o s s p o l a r i z a t i o nl e v e l sa t t h et w o p r i n c i p a lp l a n e sa c r o s st h ee n t i r eb a n d w i d t h a tl a s t , t h ea n t e n n a sa r ef a b r i c a t e da n d m e a s u r e d ，b o t ht h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n t s e c o n d l y ，i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h el a r g ec a p a c i t yf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，ab r o a d b a n dp r i n t e dd i p o l ea r r a yi sp r e s e n t e d t h ee n t i r e p r o c e s so fd e s i g n i n gi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i s o ft h ew i d e b a n du n i ta n d p o w e rd i v i d e r ，w ed e s i g nab r o a d b a n dp r i n t e dd i p o l ea r r a y f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t st h ea n t e n n ai sf a b r i c a t e da n dt e s t e d ，t h ep r o p o s e da r r a ya n t e n n ah a s a w i d ei m p e d a n c eb a n d w i d t ho f4 3 a t2 2g h z ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf u l l y v e r i f yt h ec o n c e p t k e yw o r d s ：d u a l b a n d o m n i d i r e c t i o n a ld i p o l e b r o a d b a n dw l a n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 通信，雷达，导航，广播，电视等无线电技术设备，都是通过无线电波来传 递信息的，都需要有无线电波的辐射和接收川。在无线电技术设备中，用来辐射 和接收无线电波的装置我们把它称为天线。然而，通过馈线发射机送入天线的并 不是无线电波，而且接收天线也不能直接经馈线把无线电波送入接收机，这中间 必须进行能量的转换。图1 1 为进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路 的简单方框图。在发射端，发射机产生的已调制的高频振荡电流( 能量) 经馈电 设备传输到发射天线，发射天线将高频电流或导波( 能量) 转变成无线电波一自 d 1 电磁波向周围空问辐射；在接收端，无线电波通过接收天线转变成高频电流或 导波( 能量) 经馈电设备传送到接收机。所以，天线还是一个能量转换器。 发射天线 电波传泰 z ：l 接收天线 图1 1 无线电通信系统中的信号通道简单方框图 近年来，移动通信业的飞速发展令世界瞩口，功能强大的便携式移动终端设 稀得到了广泛的应用，这些终端设帑使得用j 、能够在任何时问，任何地点进行数 据通信，冈此，无线局域网技术【2 1 得到了空前的发展。无线局域网( w l a n ) 的英文 全称是w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，它是利用无线技术在空中传输数据，话音， 和视频信号，是计算机网络和无线通信技术相结合的产物。与有线网络市兀比，它 的优点主要体现在可移动性，不需要线缆即可接入网络。但是无线局域网也存在 着不足，例如：射频信号干扰，安全性等。 无线局域网的标准近年来一直在不断地修订和完善中。1 9 9 9 年8 月，i e e e 8 0 2 1 l 标准增加了两项内容，一是l e ei e e e8 0 2 1 l a ，传输速率为6 m b s 5 6 m b s ， 支持语音，数据，图像业务。另一种是i e e e8 0 2 1 l b 标准，该标准可提供1 1 m b p s 的数据速率，大约是原来i e e e 标准无线局域网速度的5 倍。目前，无线局域网 2 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 ( w l a n ) 的通信标准主要有：i e e e8 0 2 1 1 a ( 5 1 5 5 3 5g h z ，5 7 2 5 5 8 2 5g h z ) ，i e e e 8 0 2 1 1b 儋( 2 2 l 一2 4 8 4g h z ) 。 天线作为无线通信系统的一部分，它的性能好坏直接影响整个通信系统的质 量。所以应用于无线通信系统中天线的研究显得尤为重要。基于无线局域网的通 信标准，我们往往要求单个天线具有多频，宽带等特性。同样，在远距离无线通 信系统中，应用于无线局域网中的天线往往需要较高的增益，这样才能满足点对 点之间的通信要求，所以天线系统常常采用阵列天线的形式。 基于以上说明，本文设计了两种应用于w l a n 系统的双频印刷偶极子天线，这 两种天线不仅具有宽频以及全向特性，且具有体积小，成本低，易于和馈电网络 集成等优点。除此之外，本文还设计了一种宽带的印刷偶极子天线阵列，实验证 明，该阵列天线具有很好的阻抗带宽特性。 1 2 应用于无线局域网的多频天线的研究现状 目前，国内外对于应用于w l a n 系统的多频天线已经进行了广泛地研究，提 出了很多具有双频特性的天线形式3 羽。例如p i f a 天线【7 1 【羽( p l a n a ri n v e r t e d f a n t e n n a ) ，平而单极子天线9 j 【1 0 1 ( p l a n a rm o n o p o l ea n t e n n a ) ，偶极子天线【1 3 】 ( d i p o l ea n t e n n a ) 等。 1 2 1p i f a 天线 图1 2 为一种用于w l a n 系统的p i f a 天线的几何结构【7 1 。这个p i f a 天线采 用c p w 馈电结构，d 1 两个类似于对称阵子的带状枝节组成，其中一个枝节和两 个短路的枝节相连，这两个短路枝节具有不同的宽度和长度，形成附加的谐振模 式，可以增大天线的阻抗带宽。通过调节这两个短路枝节和每段带状线的尺寸， 可以得到很好的阻抗带宽特性。图1 - 3 为这个p i f a 天线的回波损耗曲线。 第一章绪论 3 工酗 c o ) 图1 2 平而倒f 天线的结构 f r e q u e n c y ( g l l z ) 图1 3 天线回波损耗的仿真和实测曲线 1 2 2 平而单极子天线 4 5 1 5 2 蜡 1 5 2 1 4 图1 4 为一种应用于w l a n 系统的平而单极子天线【9 j 。该天线是双而结构， 印刷在相对介电常数为3 6 ，厚度为1 5 m m 的介质板上。天线由一段5 0 q 的微带 线馈电，辐射贴片部分是一个单极子连接折叠的带状线结构，分别印刷在介质板 的两个面上，然后通过介质板上的穿孔来相连。折叠带状线的末端和单极子之问 有一段狭窄的缝隙。该缝隙等效于一个耦合电容，当天线工作在低频2 4g h z 时， 该耦合电容可以忽略，折叠的带状线末端相当于一段开路结构，可以调节从馈电 端到带状线的末端的长度为低频波长的二分之一。当天线工作在高频5 5g h z 时， 4 无线通信系统巾双频及宽带阵列天线的研究 该耦合电容相当于一个小的电抗，电流可以流到折叠的带状线末端，这时天线相 当于一个t 形的单极子结构，在高频处形成宽带的阻抗特性。该天线的回波损耗 曲线如图1 5 所示。 - i3 31 4 -1 5 rr _ 西_ 1 f r o n tv i e w s i d ev i e w b a c k v i e w 图1 4 平而单极子天线的结构 2 02 53 03 54 0 4 55 05 5b 06 5 扣吗啦蚋c 弘g h z 图1 5 平而单极子天线的回波损耗的仿真和实测曲线对比 1 2 3 偶极子天线 图1 6 为应用于w l a n 系统的一种印刷偶极子天线的几何结构【l l 】。该天线是 双面印刷结构，由两个长度不同的偶极子天线组成，这两个偶极子天线分别工作 在w l a n 系统所需的两个频段上。天线由一段弯曲的微带线来馈电，这样就减少 了天线的整体尺寸，实现小型化。图1 7 为这种天线的回波损耗曲线。 o o o o o 啦 啦 瑚 m弓，器olo墨iek 第一章绪论 5 图1 6 偶极子天线的结构和实物图 1 52o 253 035 4 04 55 0 5 56 06 5 7 075 f r e q u e n c y , g h z 图1 7 偶极子天线的回波损耗曲线 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 本论文根据无线局域网的需要，利用a n s o f th f s s 仿真软件设计出了两种应 用于w l a n 系统的双频印刷对称阵子天线。除此之外，对应于无线通信系统的高 增益和宽带需求，设计出了一种宽带的印刷偶极子阵列天线。为了验证仿真结果 的正确性，加工了天线实物并进行了测试，实验结果充分证明了该方法的有效性。 本论文内容安排如下： 第一章介绍了论文的选题背景及研究意义，叙述了应用于w l a n 系统的多 频天线的研究现状，并列出了本论文的主要工作和内容安排。 第二章简要介绍了天线的一些基本理论，包括天线的分析方法，天线的一些 基本性能参数，并详细介绍了本论文所研究的对称振子天线的一些基本理论。 第三章针对无线局域网的应用，研制了两种应用于w l a n 系统的双频印刷 偶极子天线，对影响天线性能的各项参数进行了详细分析，并给出了实验结果。 第四章研制了一种宽带的印刷偶极子阵列天线，介绍了平而阵列天线的一些 0 5 o 5 o 5 o 一 一 叫 铂 砣 西刁1一协 6 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 基本理论，详细叙述了阵列天线的整个设计流程，包括天线单元的设计，功分器 的设计，并给出了实验结果。 第五章对全文工作的总结。 第二章天线的分析方法及对称振子的基本理论 7 第二章天线的分析方法及对称振子的基本理论 2 1 天线分析方法 电磁场基本方程【1 4 】是由麦克斯韦( m a x w e l l ) 在1 8 7 3 建立的，所以电磁波理 论的应用和发展已有百年的历史。而现在，各个领域对于电磁波已经进行了深入 的研究，它的应用也非常广泛，如无线电波传播，移动通信和光纤通信，雷达技 术，微波，天线，电磁成像，地下电磁探测，电磁兼容等。在实际环境中电磁波 的传播过程非常复杂，如各种各样复杂目标的散射，具有复杂结构天线的辐射， 在微带结构及波导巾的传播，在实际通信中城市的特殊环境，复杂地形以及海面 对电磁波传播的影响等。所以，根据实际情况来研究电磁波的特性对于我们具有 非常重要的意义。实验和理论分析计算是相辅相成的重要手段。随着计算机技术 的发展，已经提出求解麦克斯韦方程的许多有意义的数值解方法，例如矩量法 ( m o m ) ，有限元法( f e m ) 以及时域有限差分( f d t d ) 方法等，下面对这三种 方法做一简单介绍。 2 1 1 矩量法( m o m ) 1 5 1 自r f h a r r i n g t o n 将矩量法引入到电磁计算后，矩量法已经在大量的实际电 磁问题求解f f l 获得广泛应用。 考虑女i i 下的非齐次线性算子方程： 彳( 厂) = g ( q )( 2 一1 ) 式中：a 是线性算子；f 是未知函数( 响应) ；g 是已知函数( 激励) ；q 是算 子a 的定义域( 未知函数f 的定义域) 。 上面方程是否可解，取决于已知函数g 的伉域是否位于算子a 的值域内。即 使当函数g 的值域位于算子a 的值域内，未知函数f 也不一定是唯一的，还需要 结合边界条件确定方程的解。要得到方程( 2 1 ) 的精确解对于我们来说非常困难， 所以我们需要通过近似的求解方法来得到方程的近似解。 方程( 2 1 ) 的一般求解方法是将未知函数f 在a 的定义域内通过近似方法展开 为已知函数z ，五，六的组合，如 f f = 口，六 ( 2 2 ) 8 无线通信系统巾双频及宽带阵列天线的研究 式中：是展开系数；l ( n = l ，2 ，忉为一组相互线性无关的已知函数( 称 为展开函数，基函数或者形函数) 。 对于方程的精确解，n 通常为无穷大。因此，当n 为有限时，式( 2 2 ) 中厂 是未知函数f 的近似表示。若我们展开未知函数时选取的基函数较合适时，随基 函数数目的增大，厂会越逼近精确解f ，也就是说满足收敛特性。 我们把未知函数展开为已知函数( 基函数) 的过程称为对未知函数的离散。 离散后的函数厂为原函数精确解f 的近似表示，把离散得到的近似函数厂代入 式( 2 2 ) ，一般来说方程不能准确成立。定义其差或者余量( 残量) r 为 ，n、n r = a i 彰al g = 彰彳( z ) 一g ( 2 3 ) n = l n = l 用余量来定量地表示因为近似解的误差所引起的算子方程两端的误差。 如果在线性函数空间中定义了内积之后，在算子值域内选择一组相互之问线 性无关的函数w l ，w 2 ，w ，通过这些函数对余量进行检验，我们得到下面线性方 程组 ( 嵋，r ) = o ( 江l ，2 ，加 ( 2 - 4 ) 其中：函数w i ，w 2 ，称为权函数，试验函数或检验函数。方程组可以写成 下面的矩阵方程组 【l m 。】 】= 【g 。】 ( 2 - 5 ) 式中 【k 】= ( w z ，彳( z ) ) ( ，彳( 五) ) ( m ，4 ( 厶) ) ( ，彳( 石) ) ( w 2 ，么( 五) ) ( w 2 ，a ( f n ) ) ； ； ( w n ，么( 彳) ) ( ，么( 五) ) ( w n ，彳( 厶) ) k 】- a ? 。 仅： ： 仪蕊 【g 。】= ( w ，g ) ( ，g ) ( ，g ) ( 2 6 ) ( 2 _ 7 ) 如果矩阵 k 】是非奇异时，其逆【k 】- l 存在，则【】可以通过下式计算得到 【】= 砭 【g m 】 ( 2 8 ) 原方程的近似解可通过式( 2 2 ) 计算得到。我们把上面所说的方程的求解方法 叫做加权余量法。当选取z = 时，该方法称为伽略金方法。基函数z 的选取决 第二章天线的分析方法及对称振子的基本理论 9 定了近似解的函数空问，近似解对精确解的收敛特性也就由基函数疋的选取决 定。近似解对基函数的展开系数是巾检验函数比的选取决定的。检验函数和基函 数的选取对于算子方程的求解是非常重要的，直接决定了算子方程近似解的精确 性，甚至于方程的可解性。因此，对于任何一个给定的特定问题，要求解方程的 关键就是选择合适的基函数和检验函数。 2 1 2 有限元法( f e m ) 【1 6 】 有限元方法是近似求解数值边值问题的一种数值技术。这种方法首先在2 0 世纪4 0 年代被提出，在5 0 年代开始用于飞机设计。有限元方法是建立在变分基 础上的，该方法的原理是用若干子域来表示整个连续区域。在子域中，我们用带 有未知系数的简单插值函数来表示未知函数。所以，我们将无限个自由度的原边 值问题转化为有限个自由度的问题，也就是说，我们用有限数目的未知系数近似 来表示整个系统的解。然后，通过里兹变分或伽辽金方法得到一组代数方程( 即 方程组) 。最后，边值问题的解可以通过求解方程组来得到。所以，要用有限元方 法分析边伉问题应包括以下基本步骤： ( 1 ) 区域的离散和子域的划分； ( 2 ) 选择插值函数； ( 3 ) 建立方程组； ( 4 ) 求解方程组； 有限元法是数值分析方法研究领域内的巨大进展，是应用最广泛的工程电磁 场数伉分析方法之一，它最突出的优点是： ( 1 ) 有限元网格有着很大的灵活性，我们可以根据一定的条件来构造各种不 同类型的单元。在一个求解场域中我们既可以使用同一种单元，也可以将不同类 型的单元结合使用，而同一类型的单元可以具有各种不同的形状。所以，有限元 网格可以很方便地模拟不同形状的边界而和交界而。 ( 2 ) 有限元法得出的离散化方程组具有稀疏对称的系数矩阵，使方程纽的求 解得以简化，计算机存储量和计算时问也丰兀应地大大减少。 ( 3 ) 边界条件的处理容易并入有限元数学模型，便于编写通用的计算程序。 2 1 3 时域有限差分法( f d t d ) 1 9 6 6 年k s y e e 首次提出一种电磁场数值计算的新方法一时域有限差分 ( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，f d t d ) 方法i l 。对电磁场e ，h 分量在时间和 空间上采取交粹抽样的离散方式，每一个e ( 或h ) 场分量周同有四个h ( 或e ) 场分量环绕，含时问变量的麦克斯韦旋度方程可以通过这种离散方式转化为一组 差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。f d t d 方法是求解麦克斯 1 0 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 韦微分方程的枝节时域方法。在计算中将空间某一样本点的电场( 或磁场) 与周 围格点的磁场( 或电场) 直接相关联，且截止参数已经赋值给空间每一个元胞， 因此这种方法可以用来处理具有复杂形状目标或非均匀介质物质的电磁散射，辐 射等问题。同时，电磁场的时问演化过程可以通过f d t d 随时间推进方便地给出， 并以伪彩色方式显示，这种电磁场可视化结果能够清楚地显示该物理过程，使得 分析和设计更为简便。 2 2 天线的主要特性参量 为了衡量- - n 天线接收或辐射电磁波的能力，工程上我们常采用一些特性参 量来表征这些特性，下面我们对其中几个主要的特性参量做一简单介绍。 2 2 1 方向图主瓣宽度与副瓣电平【1 8 】 天线的辐射功率有的方向大，有的方向小。表示这种辐射功率大小在空问的 分布图，n l 做方向图。天线的型式不同，方向图也不尽相同。我们用从原点出发 的矢量长短来表示天线在各方向辐射的强度，则连接全部矢量端点而形成的包面， 就是天线的方向图。它表示天线在不同方向辐射的相对大小。这种方向图是一个 三维的立体图形，因而被称为立体方向图。任何通过原点的平面，与立体方向图 相交的轮廓线称为天线在该平面的平面方向图。在工程上天线的方向性用两个相 互正交的主平面上的方向图来表示，这两个主面分别称为e 面和h 面。e 面是通 过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；h 面是通过天线最大辐射方向并 垂直于e 面的平而。图2 1 表示在这种平面上的方向图。向径的方向代表辐射的 方向，向径的长短代表辐射的强度。我们看到，方向图中有许多波瓣，其中包含 最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他的依次称为第- n 瓣，第- n 瓣等等。 图2 1 天线方向图 瓣 瓣 第二章天线的分析方法及对称振子的基本理论 1 1 天线辐射的集中程度可以用主瓣宽度这一参量来进行表示。主瓣中的辐射强 度( 即功率密度) 为最大值一半的两个向径2 _ i n 的夹角( 即图2 1 中的2 妒) 称 为主瓣宽度。主瓣宽度越小，方向图越尖锐，则天线辐射越集中。 副瓣的最大值相当于主瓣最大值的比称为副瓣电平，单位通常为分贝。 2 2 2 方向性系数与增益 天线集中辐射的程度也可以用方向性系数来表示。方向性系数的概念是指在 相同的总辐射功率下，某天线在最大辐射方向的辐射强度与某一理想的无方向性 天线( 即理想的点源) 在同一点的辐射强度的比值。天线辐射越集中，则方向性 系数越大。 天线还有另外一个非常重要的特性参量就是增益，它和天线的方向性关系密 切。增益的概念是在同一输入功率下，天线在最大辐射方向的辐射强度与一理想 的无方向性天线在同一点产生的辐射强度的比值。天线的总辐射功率等于天线的 输入功率与效率的乘积，即天线的增益等于天线的方向性系数与天线的效率的乘 积。 2 2 3 极化【1 】 天线在某方向的极化是指发射天线在该方向所辐射电波的极化，或接收天线 在极化匹配时在该方向入射平而波的极化。天线的极化与讨论的空问方向密切相 关，一般情况下我们所说的天线极化就是指发射天线最大辐射方向或接收天线最 大接收方向的极化。 通常我们所说波的极化，是指无线电波的特定场矢量的极化。在工程上这个 场矢量一般是电场矢量。在空间某一同定点，单一频率的电场矢量的极化是指场 矢量端点运动轨迹的形状，取向及旋转方向。也可以说，极化是时变电场矢量端 点的运动状态。我们规定沿着波传播方向所观察到的旋转方向为电场矢量端点轨 迹的旋转方向。 设有一无衰减均匀平面波沿负z 方向传播【l 】，其瞬时电场可表示为 e ( z ，t ) = r e ( e e “w 地) ( 2 - 9 ) 在垂直于传播方向的平而( 称为极化平面) 内，可以将s ( z ，f ) 分解为两个相 互垂直的分量，即 e ( z ，) = x e ，( z ，f ) + y 占。( z ，t ) ( 2 1 0 ) 比较式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，得 1 2 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 式中e x 。和e 。一电场x 分量和y 分量的复振幅值，丸和丸一初始相位。按 照互相垂直的两场分量之间振幅和相位的关系，可以将极化分为三类：线极化， 圆极化和椭圆极化。 当= 丸一丸= m r ( n = 0 ，1 ，2 ) 时，合成场矢量的方向和x 轴之问的夹角为常 数，这时电场矢量端点的运动轨迹是条直线，且这条直线与x 轴之问的夹角不 随时问变化。这就是我们所说的线极化波。 当i k i - i i = 磊，且 = 丸一吮= 时，合成电场矢量端点的运动轨迹是一个在垂直于传播方向的平面内的同。 这就是所谓的团极化。 当i i f i 且 i + ( 去+ 2 甩) 刀( 右旋) 矿2 力一吮2 1 一 + 2 船) 万( 左旋) 玎= 。，1 2 2 1 3 或者 = 力一丸兰万 三三 茎蓑；c n = o , 1 , 2 - - ， c 2 - 4 ， 不管i 艮i 是否等于i i ，合成电场矢量端点的运动轨迹都是一个倾斜的椭 圆，这种极化称为椭圆极化。 在同一个系统中，发射天线和接收天线的极化方式应该相同。若不匹配，将 会影响接收效果。 2 2 4 天线阻抗【1 9 】 输入阻抗 我们把天线在馈电点的电压与电流的比值称作天线的输入阻抗。即z l = v 仉l 二 纯办 垃 舷 ： 八叭 吨 也 叭 烈 0 0 q 0 22 、 2 0 l l 圪 ) ) 旋 旋 右 左，l，l 巩 瘐 甩 聆 2 2 + + 1 2 1 2 ，l + 一 第二章天线的分析方法及对称振子的基本理论 1 3 它与天线的型式，应用的波长及周围物体的情况等因素有关。如果输入电压与输 入电流保持同相，输入阻抗为纯阻性，通常情况下输入阻抗具有电阻及电抗两个 部分。对于连接到发射机和接收机的天线，输入阻抗等效为发射机或接收机的负 载。因此，天线与发射机或接收机的匹配情况就可以用输入阻抗值的大小来表示， 也就表示了导行波与辐射波之间能量转换的优劣，所以我们说它是天线的一个重 要电路参数。 一 辐射电阻 如果我们把天线所辐射的功率看作是被一个等效电阻所“吸收 的功率时， 天线的辐射电阻就等于这个假想的等效电阻。 辐射功率与辐射电阻的关系为 r ，= p r 1 2 ( 2 1 5 ) 式中，i 是天线上某参考点处电流的有效值。 当天线辐射功率为已知时，则辐射电阻r r 的大小与电流i 参考点的选取有关。 我们通常选取的归算电流为天线电流驻波的波腹电流i m 或输入电流i i ，由此得到 的电阻被称为“归算于波腹点电流的辐射电阻”和“归算于输入点电流的辐射电 阻”，前者用r 丌n 表示，后者用r i m 表示，线天线的电流分布为正弦分布，它们之 间的关系为 r 胁= r i m s i n 2 1 3 l ( 2 - 1 6 ) 式中，是天线臂长。 天线辐射能力或接收能力的强弱也可以用辐射电阻的大小来表示。 损耗电阻 若把天线系统巾的损耗功率( 包括绝缘介质中的介质损耗，导体中的热损耗， 地电流损耗等) 也看作是被一个等效电阻r 所吸收的功率，则损耗电阻为 弓= 0 1 2 ( 2 1 7 ) 式中，p 为损耗功率，i 为天线上参考点电流的有效值。计算损耗电阻时，通常参 考点取波腹点电流i m 为归算电流。 显然，天线输入电阻r i ，辐射电阻r f 及损耗电阻足有如下关系 r i = r r + 马 ( 2 1 8 ) 驻波系数与反射功率 阻抗的概念对中低频天线非常有用，因为在中低频天线中确定一对输入点比 较容易，阻抗是单值的而且测量不难。阻抗概念虽在较高的频率上也仍有效，但 直接确定和测量阻抗值却比较困难。例如，在微波频率上，天线大都与波导孝n 连， 波导阻抗具有多伉特性，所以直接对天线的阻抗伉进行测量几乎不可能，所以一 般先测量天线的驻波系数或者反射损耗然后来计算出天线的输入阻抗。因为 1 4 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 z l 一- - - z 0 等 ( 2 - 1 9 ) 式中，z o 为传输线特性阻抗，r 为反射系数，它是一个复数。 我们常用电压驻波系数v s w r 来表示天线与馈线的匹配状况，它与反射 系数模的关系为 一 v s w r = 哿 2 。， = 斗斗 ( 一2 0 ) 1 一l r i 从驻波系数或反射系数的大小我们可以计算从天线反射回发射机( 或接收机) 的功率多少，同样也可以直接在阻抗圆图上得到天线阻抗的准确值。 2 2 5 天线有效长度和有效面积1 9 】 有效长度 发射天线的有效长度定义为在天线最大辐射方向产生相同场强条件下，用一 均匀电流分布代替该天线，那么这个电流分布均匀的天线的长度为该天线的有效 长度。 接收天线的有效长度定义为天线输出到接收机输入端的电压与所接收的电场 强度之比值，它等于该天线作发射时的有效长度。 我们可以用下式来计算对称线天线的有效长度 l = - - - 2l g k ( 2 2 1 ) 7 l 2 式中，k = 2 “l 是自由空间波数，是对称天线一臂的长度。 有效面积 发射天线的有效而积为该天线辐射场强在保持不变的条件下，设天线孔径场 为均匀分布时的孔径等效而积，接收天线的有效面积为接收天线所截获的电磁波 总功率与电磁波通量密度之比值。这就是说，假设接收点处有一个垂直于来波方 向的口面，该几而将电磁波能量全部吸收，并转变为接收天线的输出功率并送给 接收机，则这个i 面的大小就是该天线的有效面积。 天线的有效面积与天线工作波长及增益的关系如下 九= g 妤4 兀( 2 2 2 ) 孔径天线的有效面积一般都小于天线的几何孔径而积，它们的比值称为孔径 利用系数或孔径效率。 2 2 6 天线效率 一般我们把天线效率定义为天线的辐射功率与输入功率的比值，即 第二章天线的分析方法及对称振予的基本理论 15 ，7 ：兰：土 zc + 弓 对应的电阻关系可以表示为 刀：生：j l 。 足母+ 弓 由于天线效率是辐射功率与输入功率的比值， 增益有了联系，其关系为 ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) 很自然地它就和方向性系数和 g 1 d ( 2 2 5 ) 高增益孔径天线的总效率1 1 。与天线增益之问的关系为 g = 4 万n 彳 ( 2 2 6 ) 式中，天线效率应是多个因子相乘，即 = r r 7 i r 2 r 3 ( 2 2 7 ) 式中，t 1 是式( 2 2 3 ) 所述的辐射效率，r l i 是式( 2 2 2 ) 所述的孔径效率， r i r ：r h 其中包含其他一些影响天线增益的冈子，如照射漏失，孔径遮挡，表 面公差等等。 2 2 7 交叉极化 天线可能会在非预定的极化上辐射( 或接收) 不需要的极化分量能量，例如 辐射( 或接收) 水平极化波的天线，也可能辐射( 或接收) 不需要的垂直极化波， 交叉极化定义为这种不需要的辐射极化波。对线极化天线来说，交叉极化与我们 想要的极化方向垂直；对圆极化波来说，交叉极化与我们想要的极化旋向相反； 对椭圆极化波来说，交叉极化与需要的极化轴比相同，长轴正交，旋向相反。所 以，交叉极化又称为正交极化。 2 2 8 极化损失 我们把接收天线的极化与发射天线辐射的来波极化失配时，接收功率的损失 称为极化损失。表2 1 给出了几种典型的情况。 1 6 无线通信系统巾双频及宽带阵列天线的研究 表2 - i 极化损失的典型实例 发射( 或接收) 天线接收( 或发射) 天线接收功率p p m 戕 垂直( 或水平) 极化垂直( 或水平) 极化 l 垂直( 或水平) 极化水平( 或垂直) 极化 0 垂直( 或水平) 极化团极化 l 2 左旋( 或右旋) 圆极化左旋( 或右旋) 圆极化 1 左旋( 或右旋) 圆极化右旋( 或左旋) 圆极化 o 通常对于椭圆极化波之间极化损失的情况，我们可以用下式进行计算 卫：! 一拿堕娶一+ 巡逊墼c o s 2 a ( 2 2 8 ) 。2 ( 么群+ 1 ) ( 么+ 1 ) 2 ( a r ( + 1 ) ( 彳+ 1 ) 式中，a r l 和a r 2 分别为接收，发射天线的轴比，a 为接收，发射天线极化 椭圆长轴问的夹角。接收，发射极化波的旋向相同时，取式中的“+ 号，若旋 向相反，取式中的“一”号。 2 2 9 天线带宽 在系统提出的要求和给定巾心频率的情况下，人们可以设计一个符合指标要 求的天线。但如果偏离了中心工作频率，天线的一些电性能会下降，天线的频带 宽度为电性能下降到容许值的频率范同。 不同系统自然对天线工作频带的要求不同，例如，中波广播发射天线通常对 频带要求不高；但短波定点通信天线由于电波昼夜，四季变化需要常常改变工作 频率，则需要有较大的带宽；电子对抗设备为进行干扰或抗干扰通常需要天线有 很宽的带宽。 不同型式天线的电性能对频率的敏感程度也不相同。例如，当频率变化时， 一般偶极子天线的方向图，增益等参数性能变化不明显，但输入阻抗却变化很大， 所以对称振子的匹配程度受频率变化的影响较大，所以如果在系统对方向图形状 要求不高时，我们主要致力于解决阻抗带宽的问题。在某些阵列天线中，频率发 生变化会使主瓣偏离预定方向，副瓣电平增高，甚至出现栅瓣，所以方向图带宽 问题就成了主要矛盾。 可见，对不同的系统，不同用途的天线我们所要求的带宽标准是不同的。有 的要求方向图带宽，有的要求增益带宽，有的要求阻抗带宽等，所以没有一个统 一的规定。 天线带宽的表示方法主要有两种：一种是绝对带宽，主要是指天线能够实际 第二章天线的分析方法及对称振子的基本理论 17 工作的频率范围，也就是高端频率与低端频率之差；另一种则是市n 对带宽，是绝 对带宽与中心频率之比的百分数，即 ， 一， 天线相对带宽= 血坠 ( 2 2 9 ) ) q 式中，晶为中心工作频率。 2 2 1 0 天线噪声温度 通信距离的增大使得信号变得很弱，这个时候各种噪声将越来越明显，在有 严重噪声的情况下我们如果要接收微弱信号必须提高接收系统的信噪比。这时我 们不能只用增益( 或有效面积) 来衡量天线的优劣，而必须考虑噪声因素来评价 天线的接收质量。天线接收到的信号功率用天线的增益来衡量，而天线接收到的 噪声功率用天线的噪声温度来衡量。 天线噪声一般主要有两种：一种是热噪声，这是由于天线的热损耗导致的， 另一种是天线接收到的外来噪声，例如，人为噪声，大地和天线周同物体的辐射 噪声，大气辐射噪声及天体或地球大气圈以外的辐射噪声。一般情况下我们可以 设法避免人为的噪声，所以外来噪声的主要来自于银河系天体，地球大气层以及 地球表面的热辐射等。 太空中的高温星体均能辐射电磁波；天线周围的吸收物体通常在吸收电磁波 的同时也把一部分能量以噪声得形式辐射出去。天线噪声温度参量是用来衡量天 线接收噪声功率大小的，它是频率，天线方向图以及空问指向的函数，而且随着 时间( 日，月，年等) 和地点的变化而变化，所以我们在系统中通常采用天线噪 声温度的平均值。 天线的噪声温度可以用下式来表示 l = 石1r 。f g ( 0 ，妒) 丁s ( 目，缈) s i n o d o d ( , o ( 2 3 0 ) 式中，g ( 0 ，9 ) 是天线的增益方向图，t s ( 0 ，p ) 是环境的噪声温度分布，天线的 指向改变，t s ( 0 ，( p ) 也将发生变化。 如果我们考虑到连接天线与接收机之间的传输损耗所引起的热噪声，则天线 馈线系统的噪声温度可以用下式表示 下1 = + ( 卜) 瓦 ( 2 3 1 ) l fl f 式巾，l f 为传输线的损耗，t o 为环境温度。 天空的噪声温度不到5 0 k ，地而的噪声温度大约为3 0 0 k 。天空的噪声温度主 要和天线的工作频率及指向角有关。当天线主波束指向与地而接近垂直的情况下， 1 8 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 噪声温度约为3 k ；接近平行时，因为大气地而噪声的影响，噪声温度也将升高。 2 3 对称振子的基本原理【1 】 对称振子结构简单，所以被广泛应用于通信，雷达等各种无线电设备中。就 使用波段而言，它可以应用于短波，超短波甚至微波波段。或者作为独立天线使 用，或者作为复杂天线( 如天线阵) 的组成单元或面天线的组成部分( 如馈源) 。 对称振子的结构如图2 2 所示，由一段开路长线张开而成的，对称振子上的电流 一近似地按正弦分布，分布波形取决于臂的电长度。 图2 2 对称振子的缔构不葸图 选取对称振子的中心为坐标原点，振子轴沿z 轴。那么下式就是对称振子的 电流分布的近似表示 ，( z ) = i ms i n a , , ( 1 一帅h ，在计算各个单元基本振子产生的辐射场的振幅时，可以认为 r 2 ，。但是各个单元的辐射场由射线长度差引起的栩位差不能忽略。 将式( 2 3 4 ) 代入式( 2 3 3 ) ，对整个振子积分，得到对称振子的辐射场 e ( 口) = f ( 峨+ 强) = _ 6 0 i c o s ( k c 五o s 8 厂) - c o s k e 一归刍 ( 2 - 3 5 ) 利用s = e x h 和驯h = r v o ，可以得出 ( 秒) ：i m c o s ( c o s o ) - c o s k p 一弦参( 2 3 6 )、7 。2 x rs i n 0 、 对于半波振子来说，2 l _ 0 5 五，代入式( 2 3 5 ) 和式( 2 - 3 6 ) ，得半波振子的 辐射场为 m l ：警c o s ( 号, c o s o ) ( 2 - 3 7 ， 图2 5 为d 1 上式得到的半波振子的辐射方向图，在e 而为8 字形，在h 而为 全向。 2 0 无线通信系统中双频及宽带阵列天线的研究 - - - - 一ep l a n e 理r