（通信与信息系统专业论文）宽频带高增益天线的设计与实现.pdf

一 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名： 巫蛰琵 e l期：皇! ! ! ：堇：三i 导师签名：二粹日期：趔 宽频带高增益天线的设计与实现中文摘要 宽频带高增益天线的设计与实现 中文摘要 由于微带天线具有很多诱人的特性，比如体积小、重量轻、易加工等。然而，普 通的微带天线有一些诸如窄带宽和低效率的主要缺点。在详细研究天线展宽频带和提 高增益的原理和实现手段的基础上，本文重点对双层弧形缝隙微带天线、l 型探针馈 电的开缝微带天线、宽带e b g 结构及介质谐振器天线进行了研究分析，在此基础上 提出了三款宽频带高增益的天线，并对其中的两款进行了加工，测试结果表明这些天 线都有良好的带宽、增益和方向图。 论文共分为五个部分。首先，论文说明了研究宽频带高增益天线的意义和现状， 并介绍了所使用的数值计算方法以及三维仿真软件。 其次，提出了一款新型的带有弧形缝隙的微带天线，这款天线主要用来拓展微带 天线的带宽。然后，这款天线与双层结构相结合，成为一款宽带高增益的微带天线。 通过仿真软件仿真、优化设计了一款普通的微带天线，用来与本文所提出的天线做比 较。测试结果表明：本文所设计的双层天线，具有较宽的带宽和较高的增益。 接着，论文采用l 型探针馈电，使用空气填充介质的贴片结构以及贴片开缝等技 术，设计了一款小面积、宽带、高增益、结构紧凑的天线。测试结果表明，这款天线 可以达到2 7 3 的带宽( 中心频率为2 6g h z ) ，最大增益可达8 4d b 。 然后，论文分析了电磁带隙结构的等效电路，研究了展宽电磁带隙的方法，提出 了一种宽带电磁带隙( e b g ) 结构，并将这种结构用于提高介质谐振器天线的增益。 仿真结果表明，这种宽带e b g 结构使介质谐振器天线的增益在1 8 0 m h z 的频带范围 内高于8 d b ，比文献 5 3 】中的环形e b g 结构具有更好的效果。 最后，论文总结了全部工作，并对未来相关研究工作做了展望。 宽频带高增益天线的设计与实现 ：宽带，高增益，弧形缝隙，双层结构，l 型探针馈电，介质谐振器天线， 展宽带隙 作者：尤伟 指导老师：郭辉萍 i i 1 一一一 宽频带高增益天线的设 t h e d e i g n t h e r ei sc o n s a t t r a c t i v ef e a t u r e s ， m i c r o s t d pa n t e n n ah a sm a j o rd r a w b a c k ss u c ha sn a r r o wb a n d w i d t ha n dl o we f f i c i e n c y o n t h eb a s i so fa n a l y s i so fb r o a d b a n da n t e n n a sa n dh i g h - g a i na n t e n n a s ，t h i st h e s i sf o c u s e so n t h ea n a l y s i so fas t a c k e dc u r v e ds l o t t e dm i c r o s t r i pa n t e n n a ，al - p r o b ef e ds l o t t e dm i c r o s t r i p a n t e n n a ,b r o a d b a n de b gs t r u c t u r e sa n dd i e l e c t r i cr e s o n a t o ra n t e n n a s m ek i n d so f b r o a d b a n da n dh i g hg a i na n t e n n a sa r ep r o p o s e d ，t w oo fw h i c ha r ef a b r i c a t e da n dm e a s u r e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ea n t e n n a sh a v eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fb a n d w i d t h ，g a i n ，a n d r a d i a t i o np a t t e m t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c e a n ds t a t u so fb r o a d b a n da n dh i g hg a i na n t e n n a s ，a n dd i s c u s s e st h eu s e dn u m e r i c a lc a l c u l u s m e t h o da n d3 ds i m u l a t i o ns o f t w a r e s e c o n d l y ，an e wk i n d o fm i c r o s t r i pa n t e n n a 诹t hc u r v e ds l o t sw h i c hi su s e dt o b r o a d e nt h eb a n d w i d t hi sp r o p o s e d t h e n ，t h i sa n t e n n ai sc o m b i n e dw i t hat w o - l a y e r s t r u c t u r e ，b e c o m i n gab r o a d b a n dh i g h - g a i nm i c r o s t r i pa n t e n n a b yu s i n gt h e3 dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a no r d i n a r yr e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai s s i m u l a t e d ， o p t i m i z e da n dc o m p a r e d 、 r i t ht h ep r o p o s e do n e t 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 si n d i c a t et h a tt h es t a c k e da n t e n n ah a saw i d e rb a n d w i d t ha n dh i g h e r g a i nt h a na no r d i n a r yo n e t h i r d l y ，ak i n do fl p r o b ef e ds l o t t e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai sa n a l y z e d t h e d e s i g na d o p t sc o n t e m p o r a r yt e c h n i q u e s ：l p r o b ef e e d i n g ，p a t c hs t r u c t u r ew i t ha i r - f i l l e d d i e l e c t r i c ，a n ds l o t t e dp a t c h t h ec o m p o s i t ee f f e c to fi n t e g r a t i n gt h e s et e c h n i q u e sa n db y u s i n gt h es l o t t e dp a t c h ，o f f e ral o wp r o f i l e ，b r o a d b a n d ，h i g hg a i n ，a n dc o m p a c ta n t e n n a e l e m e n t s i m u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a ta2 7 3 f r a c t i o n a l i m p e d a n c eb a n d w i d t hi s a c h i e v e dw i t hr e s p e c tt ot h ec e n t r ef r e q u e n c yo f2 6g h za n dt h em a x i m u ma c h i e v a b l e g a i n i s8 4d b i i i a b s t r a c t 宽频带高增益天线的设计与实现 n e x t ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o re l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a ps t r u c t u r ei sa n a l y z e d ， a n da l s ot h em e t h o d so fb r o a d e n i n gt h eb a n d w i d t ho fb a n d g a pa r es t u d i e d ab r o a d b a n d e b gs t r u c t u r ei sp r o p o s e da n du s e dt oi n c r e a s et h eg a i no fad i e l e c t r i cr e s o n a t o ra n t e n n a t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do fb r o a d b a n de b gs t r u c t u r ei n c r e a s e st h eg a i n o ft h ed i e l e c t r i cr e s o n a t o ra n t e n n au pt o8 d bi naf r e q u e n c yr a n g eo f18 0 m h z ，w h i c hi s b e t t e rt h a nt h ec i r c u l a re b gs t r u c t u r ep r o p o s e di n 5 3 1 f i n a l l y ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ee n t i r ew o r ka n d t h ef u t u r ep r o s p e c to ft h er e l e v a n t r e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：w i d e - b a n d ，h i 曲一g a i n ，a r c - s h a p e ds l o t ，t w o l a y e rs t r u c t u r e ，l p r o b ef e d ， d i e l e c t r i cr e s o n a t o ra n t e n n a ， e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ， e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p b r o a d e n i n g i v w r i t t e nb y ：y o uw e i s u p e r v i s e db y ：g u oh u i p i n g 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 微带天线2 1 3 介质谐振器天线3 1 4 天线设计中的数值软件介绍3 1 5 本论文主要内容与结构安排4 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法6 2 1 天线的电参数6 2 2 宽频带与高增益天线的实现方法9 2 3 本章小结1 5 第三章双层弧形缝隙微带天线的分析与实现1 6 3 1 矩形微带贴片天线。1 6 3 1 1 响应频率及设计尺寸计算方法1 6 3 1 2 等效模型与带宽特性1 7 3 1 3 贴片形状对谐振频率的影响1 8 3 2 带有d 形结构的贴片天线一2 0 3 2 1 天线模型及参数分析2 0 3 2 2 天线的实物加工与测量结果2 2 3 3 弧形缝隙微带天线2 4 3 3 1 天线模型及参数分析2 4 3 3 2 天线的仿真结果2 5 3 4 双层弧形缝隙天线2 6 3 4 1 微带天线的双层结构2 6 3 4 2 双层弧形缝隙天线2 8 3 4 3 实物制作及测试结果2 9 3 5 本章小结3 2 第四章l 型探针馈电微带天线3 3 4 1 微带天线的馈电方式3 3 4 2l 型探针馈电方式3 4 4 3l 型探针馈电微带天线3 5 4 4l 型探针馈电微带天线的分析3 7 4 5 开槽贴片天线。4 0 4 6 用l 型探针馈电的开槽贴片天线一4 1 4 7 本章小结4 3 五章e b g 结构对介质谐振器天线影响的研究4 4 5 1 介质谐振器天线( d r a ) 一4 4 5 1 1 介质谐振器天线概述4 4 5 1 2 同轴馈圆柱体d r a 的模型分析4 5 5 1 3 介质板参数和d r a 结构参数对天线带宽的影响4 7 5 2 电磁带隙结构5 0 5 2 1 微波光子晶体概述5 0 5 2 2 微波光子晶体分类5 1 5 2 3 高阻表面型微波光子晶体5 2 5 2 4 二维e b g 带隙仿真模型一5 4 5 2 5 宽带e b g 结构5 6 5 3 带有e b g 结构的d r a 5 8 5 4 本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 6 1 本论文的主要工作6 0 6 2 未来工作展望6 l 参考文献一6 2 作者攻读硕士学位期间的学术成果6 6 鸳l 谢6 7 宽频带高增益天线的设计与实现 本章首先阐述了本文的研究 的发展历史及宽频带高增益的实 真软件；最后给出了本文所做的 1 1 研究背景及意义 近年来，随着科学技术的飞速发展和人们生活的日益现代化和社会化，无线通信 的应用越来越广泛，通信系统对天线的要求也越来越高。 无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段，其信道容量不断扩充、传输速率 不断提高、服务方式也日渐灵活。而在军事通信系统中，为了实现保密通信，消除干 扰，多频段、多功能电台和宽带跳频电台将广泛应用。天线作为无线通信系统中发射 和接收的重要组成部分，其宽带化的研究显然有着重要的现实意义。 另外，在现代军事中，电子对抗是不可或缺的一部分，而天线则是电子对抗系统 中不可缺少的部分。它的工作带宽、增益等重要的特性参数，很大程度上决定了其作 用距离，包括侦察距离、干扰距离和测向距离等。在同样的损耗环境下，天线增益高， 作用距离就远，反之作用距离就近。然而，天线的增益不是可以无限制提高的，有时 为了在原有的基础上提高天线增益，需要付出很大的代价，因此电子对抗装备急需要 高性能的天线来满足要求【l 】。 再者，随着无线通信技术的迅猛发展，电磁环境也变得异常复杂。正当人们在充 分享受电磁科技迅猛发展所带来的无限便利时，电磁环境污染受到大众的广泛关注。 天线的高增益无疑会降低发射机的发射功率，减少环境污染。因此，高增益天线的研 究有着重大的意义。 综上所述，研究宽频带高增益天线技术，无论是在军事上还是在民用上都有着广 泛的应用前景和重大的现实意义。 宽频带高增益天线的设计与实现 就已提出利用微带线的辐射来制成微带 对此只有一些零星的研究。直到1 9 7 2 术对低剖面天线的迫切需求，芒森 ( r e m u n s o n ) 和豪威尔( j q h o w e l l ) 等研究者制成了第一批实用微带天线。随之 国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用【2 】。常用的一类微带天线是在一个薄介质 基板( 如聚四氟乙烯玻璃纤维压层) 上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光 刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电，这就构 成了微带天线。微带天线也可看作为一种缝隙天线【2 】。微带天线的辐射元形状可以是 方形、矩形、圆形和椭圆形等等1 3 j 。 由于微带天线剖面薄，体积小，重量轻，造价低，能简便地置于仪器面板上，且 能与导弹等载体共形。特别是，它可方便地与馈电网络和器件集成成块，与微电子技 术紧密结合，功能强，已显示出作为新一代天线形式的巨大活力。微带天线已大量用 于约1 0 0 m h z 至1 0 0 g h z 的宽广频域上，包括卫星通信、雷达、遥感、导弹、遥测遥 控、环境监测、生物医学，便携式无线电设备等，近年来应用愈加广泛【4 】。 微带天线的主要缺点是阻抗带宽窄，损耗较大，因此增益低，效率不高【2 】。为了 扩展带宽和提高增益，许多学者进行了大量的研究。上世纪8 0 、9 0 年代，拓展微带 天线带宽的方式主要有：( 1 ) 采用厚基板。基板厚度增加辐射电导也随之增大，使辐 射对应的品质因素q 及总品质因素绋下降，从而拓展带宽；( 2 ) 采用介电常数s ，较小 或损耗角正切t a n 6 较大的基板。s ，较小时，介质对场的“束缚”较小，易于辐射； 且天线的贮能也因s ，的减小而变小，这样将使辐射对应的9 ，下降，从而使频带变宽。 t a n 8 的增加使介质损耗加大，品质因素下降，也使频带展宽。但s ，的变小将使所需 的基板尺寸加大；而t a n 8 的增加必然使天线的效率降低网；( 3 ) 附加阻抗匹配网络。 但这种方式也增加了天线的尺寸和复杂度；( 4 ) 采用楔形或阶梯型基板。这是一种简 单而有效的方法，突破了常规贴片天线的模式；( 5 ) 采用非线性材料、采用多层结构、 采用c p w 馈电缝隙耦合方式、使用周期加载及阵列天线等。 近些年来，对微带天线的研究进一步深入，拓展带宽的方式多种多样，同时，人 2 宽频带高增益天线的设计与实现 们在关注天线带宽的同时，也 或多层结构来提高天线的增益。而如今，人们寻求到更多的方式在展宽频带的同时 不降低增益，如使用u 型寄生单元【12 1 ，多缝隙结构1 3 1 ，缝隙耦合与多层结构1 4 】【15 1 ， 空气填充介质【1 6 1 、l 型探针馈电【1 7 】等都可以达到既拓展带宽又不降低增益的目的。 如今，随着研究的逐步深入，大带宽高增益的微带天线逐渐向小型化、结构简单 化方向发展。 1 3 介质谐振器天线 以往，介质谐振器广泛应用于滤波器、振荡器等多种微波元器件中，但直到1 9 8 3 年，s a l o n g 等人提出在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的情况下，介质谐 振器可以作为天线来使用之后，介质谐振器天线才被人们普遍接受。随着无线通信事 业的飞速发展，对天线小型化、宽频带、低损耗等性能的要求更高了。虽然各种各样 的微带天线因其低轮廓、质量轻等优点已经得到了深入的研究和广泛的应用，但由于 在高频段金属损耗高的技术瓶颈的存在，其发展和应用受到了一定的限制。而介质谐 振器天线由于不存在导体损耗和表面波损耗，其辐射效率很高，因此在近十年里得到 了广泛的关注。 介质谐振器天线领域的研究热点主要包括圆极化技术、宽频带技术、双极化技术 以及天线阵列技术等。在拓展介质谐振器天线带宽的方式中，有些通过改变介质的形 状来实现，包括l 型介质谐振器天线、十字形介质谐振器天线等；有些通过改变馈电 方式来实现，包括缝隙耦合方式，l 型探针馈电方式等；有些通过使用不同介电常数 的介质堆叠来实现。介质谐振器天线的宽频带技术多种多样，而提高天线增益技术的 提出却较少。 介质谐振器天线与微带天线有很多相似的特性，微带天线的一些技术也可用于介 质谐振器天线，本文就是借鉴了微带天线技术中的宽带e b g 结构来提高介质谐振器 天线的增益，对介质谐振器天线的研究来说很有意义。 1 4 天线设计中的数值软件介绍 a n s o f th f s s 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任 3 第一章绪论宽频带高增益天线的设计与实现 意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、s 参数及电磁场、 辐射场、天线方向图等结果。h f s s 提供了一个简洁直观的用户设计界面、精确自适 应的场解器、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。当前所有的电磁问题基本都可以使用h f s s 进行计算， 其特有的自适应网格划分保证了它具有其它软件很难达到的准确性和方便性，解决了 由于网格划分不正确引起的计算错误问题。当然，由于其计算方法本身缺陷和为实现 强大功能而带来的其它问题，h f s s 计算速度较慢，精确计算复杂结构的超宽频带问 题的能力差，对计算平台的配置要求较古【1 8 j 。 c s t 工作室套装是面向3 d 电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款有效、 精确的专业仿真软件包，共包含七个工作室子软件，集成在同一平台上。可以为用户 提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时 域和频域全波算法。其强大的实体建模前端基于著名的a c i s 建模内核，结构输入过 程非常简便，再加上完善的图形化反馈，极大地简化了对各种器件的定义，在所有器 件建模完成后，会自动进行一个基于专家系统的全自动网格剖分，然后才开始进行正 式的仿真【1 9 1 。c s t 具有强大的天线设计及后处理的功能，它可以计算天线的频域参 量，如增益、方向性、远场方向图、远场3 d 图和3 d b 带宽等。 在本论文中，对天线的设计和相关问题的分析，主要使用了以上两种商业软件： h f s s l l 0 和c s t2 0 0 6 ，由于两种软件各有特点，在设计过程中结合使用。 1 5 本论文主要内容与结构安排 本文的主要工作是在研究天线拓展带宽和提高增益方法的基础上，设计并实现宽 带高增益天线。重点工作主要有： 第一是研究微带天线的特性，提出了一种弧形缝隙结构，并对该结构进行分析、 优化，达到拓展带宽的目的，然后将这种结构应用到双层结构中，设计并实现了一款 双层高增益和宽频的天线。 第二是重点研究了近年来出现的l 型探针馈电结构，并将该结构与开缝贴片天线 相结合，经过仿真、优化，设计了一款l 型探针馈电的宽带高增益微带天线。 第三是研究了介质谐振器天线和宽带e b g 结构，将微带天线技术中的e b g 结构 4 宽频带高增益天线的设计与实现第一章绪论 与宽带介质天线相结合，通过仿真和优化，设计出了一款宽带高增益的介质谐振器天 线。 本文内容结构安排如下： 第一章为绪论，阐明本文的选题背景，介绍了微带天线和介质谐振器天线的历史 以及发展现状，简要介绍论文设计中所使用的仿真软件。 第二章介绍了天线设计过程中所设计的各项参数，并列出拓展带宽和提高增益的 方法。 第三章研究了双层结构，提出了弧形缝隙天线，并将之设计成双层天线，达到拓 展带宽和提高增益的目的。通过仿真软件对天线的各电性能指标进行了仿真比较，并 加工出了天线实物进行验证。 第四章重点研究了l 型探针馈电对微带天线的影响。在将之与普通微带天线对比 之后，对辐射贴片进行改进，通过仿真、优化，达到宽带高增益的要求，然后制作出 实物加以验证。 第五章介绍了介质谐振器天线的特性，以及e b g 结构的特性。设计出一款宽频 带的介质谐振器天线和相应的宽带e b g 结构，将宽带e b g 结构应用于介质谐振器天 线，通过仿真、优化出一款增益带宽较宽的介质谐振器天线。 第六章为结论与展望，对全文的工作加以总结，并提出了文中尚未解决、需要改 进和进一步研究与探索的问题。 二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法宽频带高增益天线的设计与实现 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法 本章首先介绍了天线的电参数，包括：辐射功率和辐射电阻、输入阻抗与驻波比、 率、方向图、增益系数、带宽、极化等；然后讨论了目前提高天线增益与扩展带宽 方法，并说明了其中的优缺点，为后续研究奠定基础。 2 1 天线的电参数 天线参数是反映天线性能的物理量。就发射天线来说，它是一个能量转换器。为 了确定一个天线会将多大的功率辐射出去，就要有反映这种能力的参数，这就是由辐 射功率导出的辐射电阻。天线作为传输线的负载，需要和传输线匹配，为此必须确定 它的输入阻抗。为了便于比较不同天线的定向辐射能力，需要引入方向系数。在计入 天线损耗时要采用效率这一参数。计入效率的定向性能可用增益表示。天线的宽频带 工作能力可以用各参数与波长的关系曲线来表示【2 0 1 。下面分别说明【2 】【2 1 】： 1 辐射功率和辐射电阻 天线的辐射功率是离开波源而不再返回的能量。从这一意义来说，可以把它比做 电路上电阻的功率损耗。因为，电阻的功率损耗也是一种无法收回的能量。因此，天 线的发射能力可用辐射电阻来表示。 2 输入阻抗与驻波比 一个天线在工作时，除脱离波源而辐射的电磁场外还有依附于天线而振荡的电磁 波。前者可以等效为电阻，后者可以等效为电抗。因此，从电路的观点看，天线是一 个阻抗。从天线与传输线匹配的观点来看，需要具体地确定天线的阻抗，以便于采取 措施使天线和传输线匹配良好。所以对于每一种天线，确定它的阻抗计算关系是很重 要的工作。 要使天线辐射效率高，就必须使天线与馈线良好地匹配，也就是天线的输入阻抗 等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。 设天线输入端的反射系数为f ( 或散射参数为s ，) ，则天线的电压驻波比为 飚眦：驾 ( 2 1 ) 1 一i r l 6 宽频带高增益天线的设计与实现第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法 回波损耗为 l ，= - 2 0 l g l f l ( 2 2 ) 输入阻抗为 z m = z 0 等 ( 2 3 ) 其中z 0 为馈线的特性阻抗。一般将v s w r 2 的带宽称为输入阻抗带宽。 3 效率 天线的效率玑用以度量天线转换能量的有效性，它也是天线的重要指标之一。 它的定义是：天线辐射功率和输入功率的比值，即 玑= 乏 晓2 ， 天线的效率玑的取值范围通常在0 1 0 0 之间。天线输入功率一部分转化为辐 射功率，另一部分转化为损耗功率。一般来说，对于加载天线或电小天线，天线的效 率比较低。 4 方向图和主瓣宽度 所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强( 归一化模值) 随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向 图来表示。通常天线的方向性用两个特定的互相垂直的平面上的方向图来表示，即e 面和h 面。 所谓e 面，就是电场矢量所在的平面。对于沿z 轴放置的电基本振子而言，子午 平面是e 面。 所谓h 面，就是磁场矢量所在的平面。对于沿z 轴放置的电基本振子而言，赤 道平面是h 面。 根据方向图可以确定主瓣宽度。所谓主瓣宽度，即是辐射功率密度降至最大辐射 方向一半时的两个发射方向之间的夹角。 5 前后比 前后比是指最大辐射方向电平与其相反方向电平之比，通常以分贝为单位。 6 方向系数 上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态，但由于这些参数未 r。1。-。_ 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法宽频带高增益天线的设计与实现 能反映辐射在全空间的总效果，因此都不能单独体现天线集束能量的能力。因此，需 要另一个电参数来表示天线集束能量的能力，这就是方向系数。它的定义为：在离天 线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度s 一与相同辐射功率的理想 无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度& 之比，记为d ，即 d ：垒( 2 3 ) s o 需要说明的是，一般方向系数用分贝来表示，这需要一个参考源，常用的参考源 是各向同性辐射源，分贝表示为d b i ，通常情况下，若不加说明，d b 指的就是d b i 。 7 增益系数( g a i n ) 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率 的乘积，记为g ，即 g = d r 一 ( 2 4 ) 天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输 入功率放大的倍数。 8 极化 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地 说，就是在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间按变化所描绘的图形。如此 按照电场的极化形式可分为线极化、圆极化和椭圆极化。在垂直于传播方向的某一固 定平面上观察电磁波的电场矢量，如果它的端点始终在一个直线上振动，则是线极化； 如果它的端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是圆，则是圆极化，如果某一时刻 沿着传播方向把各处的电场矢量画出来，则圆极化波中的电场矢量端点的轨迹为螺旋 线，矢量端点旋转方向与波传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化，成左手螺旋关 系的叫左旋圆极化；同样的，如果电场矢量的端点随着时间变化所画出的轨迹是椭圆， 则是椭圆极化。需要指出的是，当圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋 向的。在同一系统中，收、发天线的极化必须相同，若接收天线的极化与入射平面波 的极化一致，则称极化匹配。 9 频带宽度 天线频带宽度是指天线的主要指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极 8 壅塑翌堑望堇蒌垡竺堡生皇壅堡墨三兰丕垡箜鱼茎鍪皇壅垫堂童望垄堕茎里立鎏 化特性等均满足设计要求时的频带范引2 2 1 。通常用到的带宽概念又分为绝对带宽和相 对带宽，绝对带宽是： = 以一彳 ( 2 5 ) 其中石，五分别指天线满足其电气技术指标的下限和上限频率。相对带宽是指天线 的绝对带宽矽与工作频带内的中心频率五之比，即： 召= 警= 2 无l + - f 万, ( 2 6 ) 。 、 h 七 t jj 五为中心频率：f o = ( 以+ 彳) 2 ，是上下限频率的算术中值。我们通常说的窄带天线 是指相对带宽小于1 的天线；宽带天线是指相对带宽在1 到2 5 之间的天线；而 超宽带天线是指相对带宽高大于2 5 的天线。 工程研制中要求天线在规定的频率范围内，它的主要电性能如电压驻波比、增益、 主瓣宽度、副瓣电平、极化特性等必须满足技术指标。通常情况下天线的有些指标是 相互矛盾的。比如，对于一定尺寸的天线，它的带宽和增益就是一对相互矛盾的指标， 要拓宽天线的带宽就需要牺牲一定的增益；而要提高天线的增益，天线的带宽就会变 窄。换句话说，对于同一天线来说，既要宽频带，又要增益高，就只有牺牲天线的尺 寸。 总之，天线的性能是一项综合性的技术指标。为了系统使用的需要，有时要顾及 到多项指标，需要采取折中的办法。 2 2 宽频带与高增益天线的实现方法 微带天线由于其特有的优点而被广泛使用，但是微带天线本身也有固有的缺点限 制了它在某些领域的应用，最显著的缺点就是窄频带和低效率。而同样的，介质谐振 器天线也存在同样的问题，尤其是窄带宽的缺点。7 0 年代以来，人们就不断探索拓 展天线带宽和提高增益的方式。近些年来有一些新的方法被人们所研究，克服了微带 天线和介质谐振器天线的这些缺点，满足了各个领域对天线的要求。下面介绍几种近 年来倍受关注的方法。 ( 1 ) 微带天线拓宽频带的方法： 1 间隙耦合方式 9 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法 宽频带高增益天线的设计与实现 这种方式的特点是，直接馈电的贴片只有一块，而其他一块或多块辐射单元是通 过耦合方式来馈电的。如图2 1 所示的三种天线，都是由其中一块贴片直接馈电，另 一块贴片则是由直接馈电贴片耦合馈电的【2 2 1 。不同形状的天线适用于不同的场合，使 用间隙耦合的方式比使用厚介质板的方式更加有效。 图2 1 间隙耦合微带天线。( a ) 矩形( b ) 半圆形( c ) 三角形。 2 缝隙耦合馈电 采用缝隙耦合馈电方式，往往能大大拓展带宽，一般采用微带馈线缝隙耦合方式， 或c p w ( 共面波导) 缝隙耦合馈电方式2 3 1 。图2 2 所示即为微带馈线缝隙耦合方式， 这种方式通常会由两层或多层基板构成，在图中所示结构之外还有一块基板用来放置 辐射贴片。 | 鼍 j i 图2 2 缝隙耦合方式 缝隙耦合可大大拓展微带天线的带宽，但是由于缝隙本身会产生谐振，会导致后 向辐射较大，因此，可在馈线的底部多增加一层反射面，或一个谐振腔，用于减小后 向辐射。 1 0 宽频带高增益天线的设计与实现 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法 3 特殊的贴片形状 改变微带贴片的形状，有可能激发多频率谐振，当这些谐振频率非常接近，即可 拓宽频带。 图2 3 宽带e 型贴片 如图2 3 所示e 型贴片微带天线，该天线会在3 个频率产生谐振，且彼此靠近， 故可以达到拓展带宽的目的。 4 u 形缝隙天线 近年来，对于u 形缝隙天线的研究特别多，在贴片上镂刻一个u 形的缝隙，可 以大大改善天线的性能。 图2 4u 型缝隙天线 如图2 4 t 2 5 1 所示是u 形缝隙天线的一种基本形式，进过多年的研究，人们将u 形 缝隙天线加以拓展，产生了多种u 形缝隙天线的应用。 5 宽缝贴片天线与特殊形状的微带馈线 与缝隙耦合天线不同，宽缝天线的缝隙比较大，天线的谐振频率由缝隙的大小、 形状来决定，因此这种天线又叫做补偿天线【2 6 】。缝隙的形状可以是普通的矩形，也可 1 l 宽频带高增益天线的设计与实现 所示的就是两种宽缝微带天线【2 6 】【2 7 1 及其馈 ( a )f b l 图2 5 宽缝微带天线。( a ) 交叉型馈线；( b ) e 型微带馈线。 6 使用短路针 众所周知，对于一个简单的矩形贴片来说，可以看作是一个谐振腔。如果选择馈 电位置恰当，一个馈点就可以激励两个相互正交的谐振模。在贴片的一端，用几根短 路针使其短路，当馈电点的坐标选择合适，也可以激励两种模。然而，当矩形贴片被 改为方形，其中一端用三根对称的短路针进行短路，则可以得到相互靠近的三个谐振 模f 2 8 】，如图2 6 所示。用这种方式也可以得到相对较宽的带宽。而且使用短路针也可 以起到缩小天线尺寸的作用。 图2 6 使用短路针的微带贴片天线 7 其他方法 除了上述几种方法之外，扩展微带天线带宽的方法还有很多，例如使用渐变式微 带缝隙结构1 2 9 ，多层结构或阵列天线等都可以达到拓展带宽的目的。需要我们在不同 的要求下进行选择。 1 2 宽频带高增益天线的设计与实现第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法 ( 2 ) 介质谐振器天线宽带的实现方法 一般来说，所有的谐振天线的带宽都会比较窄，这是由它们的谐振特性所决定的。 拓展d r a 带宽的诸多方法中，从本质上来说可以分为三类：通过降低谐振器的品质 因素q 来增加带宽；使用附加的匹配网络；以及使用多谐振器的方式。 降低谐振天线品质因素的方法也有多种。比如，对于微带天线来说，最简单的方 法就是降低介质板的介电常数。q 值与介电常数有关，介电常数的降低也会引起q 值 的降低，从而可以增加带宽。对于一个给定的频率，介电常数的降低必然导致天线尺 寸的增加，对于需要设计紧凑的小型天线的设计者来说，这是不愿出现的；而且这也 会使天线的耦合存在困难，在使用缝隙耦合馈电时，较大尺寸的天线就需要使用相对 较宽的缝隙，这会导致后向漏射的增加；如果使用的是探针耦合馈电方式，探针的长 度将会增长，从而产生杂波，干扰方向图。加载也可以降低q 值。比如，在贴片天线 上加一些过孔或者挖一些缝隙就可以影响天线的谐振频率和q 值大小，这样做的好处 是不会导致天线尺寸的增加。然而，不管使用什么方式来拓展阻抗带宽，都有可能会 使方向图变差，因此在设计天线时，应当兼顾方向图。 匹配网络有多种方式，比如1 4 波长阻抗变换、匹配支节、t c h e b y s h e v 阻抗网络 等，都可以通过变换天线的输入阻抗使天线与馈电网络更好地匹配，实现扩展带宽的 目的。通常情况下，匹配网络是天线的附加结构，对于设计者来说最好是不要，因为 它占用了空间，并且会增加插入损耗，使方向图变差。 最后一类方法是用多谐振器的结构来增加谐振天线的带宽。使用两个或者多个谐 振器，各自工作于不同的频段，将这些频段结合在一起就会形成宽带的或者多频的天 线。这种天线的好处是各个谐振器可以相对地单独调节，这多多少少会给设计带来一 些方便。而这种天线的缺点是不容易排阵。 ( 3 ) 提高增益的方法： 1 添加覆盖层 由图2 7 所示，当电磁波经过介电常数不同的介质，会发生折射现象，当介质的 介电常数以及介质的厚度满足一定条件3 0 】【3 l 】【3 2 1 时，可以提高增益，这种现象也被人 们用传输线理论所解释1 3 3 】。 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法宽频带高增益天线的设计与实现 介质层1 介质层2 图2 7 覆盖层模型 最近，对于覆盖层的研究更进一步，提出了以特殊结构替代高介电常数的覆盖层， 可达到较好效果 川。 2 使用短路针构成短路壁 有人提出，在方形贴片的中间放置短路壁可得到高增益天线。在此基础上，又 出现了使用共面波导馈电的使用短路壁的高增益微带天线【3 6 】，如图2 8 所示，增益可 达1 0 d b i 。 一0 0 0 0 0 0 0 0 图2 8 共面波导馈电高增益微带天线 3 在贴片的背面构架一个空气腔体 上贴片 介质柱 微带馈线 图2 9 空气腔体构成的高增益微带天线 1 4 介质板 宽频带高增益天线的设计与实现 第二章天线的电参数与宽频带高增益的实现方法 如图2 9 所示，在支撑贴片天线的介质板背面，架构一个腔体，使空气腔体成为 耦合腔【3 7 】，以这种方式可获得高增益，并对带宽也有扩展。 4 微波光子晶体结构 由于周期性排列的光子晶体结构会产生频率带隙，若在微带天线的地面构建光子 晶体结构，则可以有效抑制表面波，从而达到提高增益的目的。如下图2 1 0 所示， 为高阻表面型微波光子晶体【3 8 】。 图2 1 0 高阻表面型e b g 结构 5 其他方法 近年来，出现了不少提高增益的方法，如使用喇叭型结构【3 9 1 ，多层e b g 结构等， 但总的来讲，单独提高增益的结构一般较复杂，往往需要架构多层结构。 ( 4 ) 宽带高增益微带天线的实现 目前出现的宽带高增益的微带天线通常是结合了拓展频带宽度和提高或保留增 益的方法，往往是将合适的两种或多种方法综合起来，共同达到拓展带宽和提高增益 的目的。 2 3 本章小结 本章首先介绍了天线的辐射功率和辐射电阻、输入阻抗与驻波比、效率、方向图、 增益系数、带