（电磁场与微波技术专业论文）圆极化可重构微带天线的研究.pdfVIP

摘要 可重构天线技术是目前天线领域的研究热点。可重构天线可以在同一副天线 上实现多副天线的功能，这一技术是为了满足近年来无线通信系统进一步向大容 量、多功能、超宽带方向发展的需求而提出的。目前这一研究领域还处于发展阶 段，仍然有许多难题需要解决。 本文对可重构天线其中的一种形式一一极化可重构天线做了初步的探索。在 简要介绍了微带天线和极化的相关知识后，本文分析了无线通信系统尤其是 m i m o 系统采用圆极化天线的优势，随后，在归纳总结了近年来极化可重构天线 研究成果的基础上，采用圆环缝隙结构设计极化可重构天线。 首先通过理论分析和软件数值仿真，分析了圆环缝隙天线参数变化对其性能 的影响，并通过仿真验证了文中提出的两种扩展天线带宽的方法，两种方法可将 天线带宽提高将近4 倍。然后根据圆极化形成的基本原理，改变圆环缝隙结构天 线馈电网络，分别设计了右旋圆极化和左旋圆极化的天线。 随后，基于右旋和左旋圆极化天线结构上的对称性，在天线上引入m e m s 开关，设计了左右旋圆极化可重构天线。借助仿真软件，分析影响该天线性能的 因素并在结构上加以改进和重新设计，得到性能上满足要求的天线结构。最后， 将扩展带宽的方法应用到该天线上面，通过仿真和实测，证明该方法在不明显增 加天线体积情况下，有效提高了天线带宽。 关键词：可重构天线圆极化圆环缝隙结构宽带与小型化 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n at e c h n o l o g yi so n eo ft h eh o ts p o t i n a n t e n n af i e l dn o w a d a y s t h er e c o n f i g u r a b l e a n t e n n ac a nf u l f i l lf u n c t i o n so f m u l t i a n t e n n ao no n l yo na n t e n n a ，i no r d e rt oi n c r e a s et h ec a p a b i l i t i e sa n df u n c t i o n s o fw i r e l e s si n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e m sa n dw i d e nt h e i rb a n d w i d t h s ，o v e r c o m et h e d r a w b a c k s ，t h ec o n c e p to fr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n ai sp r e s e n t e d a tp r e s e n t ，t h i s w o r ki s s t i l la td e v e l o p i n gs t a g e ，a n dm u c hu n k n o w nd o m a i n sn e e dt ob eo v e r c o m e i nt h i sp a p e r , o n ek i n do fr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a - - p o l a r i z a t i o nr e c o n f i g u r a b l e a n t e n n ai sa n a l y z e dp r e l i m i n a r y ，a f t e rb r i e fi n t r o d u c t i o no fm i c r o s t r i pa n t e n n aa n d p o l a r i z a t i o n ，a d v a n t a g e s o fa d o p t i n gc i r c u l a r p o l a r i z a t i o n a n t e n n ai nw 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 se s p e c i a l l ym 1 m os y s t e mi sa n a l y z e d b a s e do nt h es u m m a r y o fr e s e a r c hr e s u l t so np o l a r i z a t i o nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n ao ft h ew o r l di nr e c e n ty e a r s ， r i n gs l o ts t r u c t u r ei sa d o p t e dt od e s i g np o l a r i z a t i o nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a t h r o u g ht h et h e o r e t i c a l l ya n a l y z ea n dn u m e r i c a le m u l a t i o n ，e f f e c to fp a r a m e t e r s m o d i f i c a t i o no nr i n gs l o ts t r u c t u r ea n t e n n ai sa n a l y z e d t w ok i n d so fm e t h o dw h i c h c a nw i d e na n t e n n a - sb a n d w i d t h sf o r4t i m e si sp r e s e n t e da n dv a l i d a t e dt h r o u g h e m u l a t i o n t h e r e a f t e r , b a s e do nt h et h e o r yo fc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ，t h r o u g hm o d i f y i n g f e e dn e 柳o r l ( o fa n t e n n a c l o c k w i s ea n dc o u n t e r - c l o c k w i s ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o n a n t e n n aa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h es y m m e t r i c a lo fc l o c k w i s e a n dc o u n t e r - c l o c k w i s ec i r c u l a r p o l a r i z a t i o na n t e n n as t r u c t u r e ，m e m ss w i t c ha r eu s e d o na n t e n n a ，c l o c k w i s ea n d c o u n t e r - c l o c k w i s ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n ai sd e s i g n e d r e s o r t e d t oe m u l a t o rs o f t w a r e ，e f f e c t so fp a r a m e t e r so i la n t e n n ap e r f o r m a n c ea n a l y z ea n d s t r u c t u r eo fa n t e n n am o d i f i e d ，t h e nt h es t r u c t u r es a t i s f i e dr e q u e s ti so b t a i n e d a tl a s t ， t h em e t h o do fw i d e na n t e n n a sb a n d w i d t hi sa d o p t e d ，t h r o u g he m u l a t i o na n dm e a s u r e d ， t h i sm e t h o di sp r o v e dt ob ea v a i l a b i l i t y k e yw o r d s ：r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a ，c i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ，r i n gs l o ts t r u c t u r e ， w i d eb a n da n dm i n i a t u r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：时碴簿 签字日期：劲圹年多月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：泸暾 导师签名：爹瑶 签字日期：砌汐年乡月f 日 签字日期：少p 矿年衫月r 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及可重构天线简介 近年来，科学技术的迅猛发展带领人类进入了信息社会，通信系统尤其是无 线通信系统在人们的生活中日益起到举足轻重的作用，例如手机、无线网卡等移 动终端已深入千家万户，并且还以惊人的速度增长着。作为一种用来发射或接收 无线电波的部件，天线是无线通信系统中不可缺少的组成部分。 天线的主要功能有二：一个是能量转换功能，另一个是定向辐射( 或者接收) 功能【1 2 1 。天线的特性直接影响到整个无线系统的工作特性，因此天线在无线通 信系统中的重要性不言而喻。自从十九世纪八十年代赫兹证实电磁场的存在并设 计出第一副天线以来，天线已经存在1 2 0 多年了，随着科学技术的进步，天线的 理论、设计和应用也得到了进一步的发剧引，并进入一个相对成熟的阶段。然而 科学技术的发展不会停息，尤其是进入二十一世纪以来，无线通信系统的普及对 天线提出了新的要求。 从无线通信方面来说，近年来，提高系统容量、增加系统功能、扩展系统带 宽日益成为重点发展方向，这样一方面可以满足日益膨胀的实际需求，另一方面 可以降低系统成本【4 ，5 】。不过，大容量、多功能、超宽带无线通信系统的迅猛发 展，使得在同一平台上搭载的信息子系统数量增加。作为无线系统中信息出入必 然通道的天线，其数量也相应增加，这与降低系统复杂性以及成本的要求背道而 驰，另外，从消除干扰噪声，实现良好的电磁兼容特性方面来看，天线的数量和 复杂度也应该限制在一定数量范围内。因此天线数量增加成为制约通信系统进一 步向大容量、多功能、超宽带方向发展的一大“瓶颈”。 为了克服这个“瓶颈”，使整个通信系统的特性尽可能少地受到天线的制约， “可重构天线”( r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a ) 的概念应运而生并得到了发展7 | 。可 重构天线就是采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其 具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。可重构天线的研究旨 在使天线能根据实际环境的需求实时重构天线特性，使一个天线能工作在多个频 段，多个模式以同时满足无线系统的不同需求。 另外，近两年来，多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，简写为 m i m o ) 无线通信技术的研究成为无线通信研究的重要内容，其核心思想是在通 第一章绪论 信系统发射机和接收机两端同时使用多个天线，充分利用无线多径信道的空间自 由度( s p a t i a ld e g r e eo f f r e e d o m ) 提高系统容量与传输速率，以增加系统复杂程 度为代价换取更高的频谱利用率，被认为是在丰富多径的环境中实现不断增长的 容量需求的强有力的解决方法【8 0 。m i m o 无线通信系统通过应用多径信道的空 间特性，来提供一个新的维度以使之提高系统的性能。与传统的单天线系统相比， m i m o 系统具有显著的信道容量增益。在不同的发送接收天线对间信道衰落特性 互不相关的条件下，m i m o 系统可以实现其容量增益的最大化。正是由于m i m o 具有以上特性，它即将成为4 g 的核心技术之一，目前世界各国学者对其的研究 正进行的如火如荼，有大量的文献发表。 不过目前大多数关于m i m o 的研究成果都是基于一种假设：即不同的发送或 接收天线之间是完全独立不相关的，而且一般均假定天线是理想的，其辐射方向 图是全向的。这种假设简化了问题的分析过程，使研究者可以将目光集中在 m i m o 的信道处理方面。然而，实际的天线系统是不可能做到理想的全向辐射的， 而且由于天线间存在互耦等因素，不同天线间的相关性只可能尽量降低而不能达 到零。这就使得实际的m i m o 系统与理论的系统在性能上有出入。那么，既然 m i m o 系统本来就涉及信号处理，能不能在m i m o 系统的处理器中再添加一部 分信号处理单元，用来弥补天线特性不理想导致的整个系统性能的降低呢? 甚至 进一步的，通过这部分处理单元控制天线的某些特性参数，根据信道的实际情况 动态进行调整，以达到实际系统增益最大化呢? 事实证明这种想法可能的，这也 正是目前清华大学与天津大学共同进行的9 7 3 课题一一“基带处理与天线协同” 其中的一部分研究内容。 参考可重构天线的定义可以知道，上面提到的第二种想法其实是可以借助可 重构天线实现的。基于上面这些原因，这种新颖的天线技术一经提出，就引起了 天线设计领域的广泛关注，国内外均有许多相关成果问世，这将在第三章中详细 阐述。 广义的可重构天线技术包括机械可重构和电可重构两种。其中电可重构天线 能够在不改变其机械结构的情况下，通过非机械的手段来改变其关键的特性参 数，如工作频率、辐射方向图、极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等等，具有 不用人工干预，便于实现控制等特点，关于可重构天线的文献也主要集中在这类 可重构天线上面。下文如不加特别提示，可重构天线特指电可重构天线。 可重构天线主要是采用电控开关改变天线辐射结构来实现工作模式的转换 的。具体的方法就是用开关元件控制天线的关键部位如控制天线与地的连接与断 开、控制天线馈电方式的选择等实现天线的重构。最开始采用的开关元件有 m e s f e t 开关和p i n 一- 极管开关。这两种开关的开关性能并不是很理想，引入开 2 第一章绪论 关对天线性能影响较大，限制了它们在可重构天线中的应用。同时对于可重构天 线技术来说，寻找一种接近理想开关特性的实用开关，也成为其取得更大发展的 前提。近些年来，高性能、低功耗的微电子机械( m e m s ) 开关技术的发展，使 这一理想成为可能。m e m s 开关所具有的低导通电阻、高断开隔离度、低寄生电 容、超宽带、高度线性性，以及便于与平面电路集成等诸多优良的射频性能，恰 巧能够满足可重构天线对开关的要求，因此现在m e m s 开关广泛地应用于可重构 天线设计当中，并且极大地推动了可重构天线的发展【1 2 - 2 1 1 。 1 2 本文主要贡献及内容安排 本文的主要研究内容是圆极化可重构微带天线，包括相关知识介绍和天线的 设计。该研究课题为国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 课题：“基带处理与天线 协同”的一部分研究内容，具有重要的意义。 “可重构天线”是天线领域一个崭新的概念，目前仍处于发展阶段，相关理 论以及设计方法仍未成熟，作为其中后起之秀的极化可重构天线，更是具有广阔 的发展空间。而将极化可重构与宽带、小型化等微带天线自身发展要求联合考虑 的研究内容，目前还鲜有报道，本文将在这一方面进行初步的探索。 论文的主要贡献有： 1 采用圆环缝隙结构设计圆极化可重构微带天线，首先借助理论分析以及仿 真软件，研究圆环缝隙天线的相关参数变化对带宽的影响，得到扩展带宽的实际 方法一一在环缝上面添加矩形槽或十字形槽，通过仿真软件得出，采用这两种方 法可将环缝天线的带宽进一步扩宽4 倍左右。 2 根据微带天线圆极化产生机理，分别设计了左旋和右旋圆极化天线，基于 两者结构上的对称性，采用m e m s 开关设计了圆极化可重构天线，分析影响该 天线阻抗带宽和轴比带宽的因素，合理调整相关参数并通过结构上的改进，提高 性能。 3 分析了限制该天线性能进一步提高的因素，通过精心设计天线的馈线网 络，提出一种新型结构的圆极化可重构天线，通过仿真得出新型结构天线匹配程 度上有较大改善。然后将十字形槽结构引入天线，调整相关参数，在保证极化可 重构性能的同时，合理兼顾了宽带与小型化的要求，即在天线体积仅为3 2 3 0 o 8 m m 3 的情况下，将相对带宽提高将近1 倍( 达到1 6 ) 。 论文的内容安排如下： 第一章即本章，为绪论内容。概述了可重构天线的发展和目前研究情况， 介绍了本文研究内容等。 第一章绪论 第二章介绍微带天线基本理论，重点介绍其馈电方法以及发展方向。讨论 了微带天线带宽与小型化之间的矛盾以及权衡问题。 第三章本章内容为可重构天线基础知识以及在国内外的发展过程，比较详 细的阐述了圆极化的产生方法、采用圆极化的优势和极化可重构天线的研究进 程。 第四章采用理论方法以及数值仿真两种方式对圆环缝隙结构天线进行分 析。借助h f s s 电磁仿真软件，观察天线参数改变对其性能的影响，分析性能改 变的原因，得到改变天线频率和匹配情况的有效途径。在此基础上通过在环缝上 附加矩形槽或十字形槽，扩展天线带宽，经实际仿真，证明方法有效。 第五章首先根据圆极化产生的基本原理，通过合理设计圆环缝隙天线的馈 电结构，实现了圆环缝隙天线从线极化到圆极化的转变；然后基于左旋圆极化和 右旋圆极化天线的结构是对称的这一原则，利用m e m s 开关设计了圆极化可重 构天线，得到仿真结果，并在此基础上对馈电结构加以改进，改善天线的匹配情 况，分析限制该天线性能的因素，并以此设计了新型结构的圆极化可重构天线， 较明显的改善了天线的匹配；最后，将上一章验证的扩展天线带宽的方法应用到 该天线结构上，在保证天线体积不增加很多的同时，有效的扩展了天线带宽。 第二章微带天线基本理论 第二章微带天线基本理论 可重构天线作为天线领域一个崭新的研究课题，近年来从理论到实际上都得 到越来越多的关注。不过，可重构天线的理论基础仍然离不开传统的电磁辐射理 论，尤其是微带结构的可重构天线，仍然是在微带天线的基础上发展起来的。因 此为了更深入的理解可重构天线，本章首先介绍微带天线的相关理论，包括其优 缺点、应用、辐射机理和分析方法等等，然后讨论微带天线的馈电方法和两个发 展方向一一宽带和小型化，为后面天线的设计做好理论铺垫。 2 1 微带天线理论基础 微带天线是在带有金属接地板的介质基片上添加辐射片而形成的平面天线。 它是利用馈电信号在贴片与接地板之间激励起电磁场，并通过贴片四周与接地板 间的缝隙向外辐射电磁波，从而实现天线功能的。自1 9 7 2 年，芒森( r e m u n s o n ) 和豪威尔( j q h o w e l l ) 等研究者制成第一批实用的微带天线以来，国际上对微 带天线的研究和应用日益广泛。 2 1 1 微带天线种类和结构 最普通的微带天线即前面定义中提到的微带贴片天线，辐射贴片是规则形状 的面积单元，如图2 1 ( a ) 所示；如辐射贴片采用细长条形的导体阵子，称为微带 振子天线，如图2 1 ( b ) 所示；另一种微带天线如图2 - 1 ( c ) ，由于这种天线沿线传 输行波，故称为微带行波天线；还有一种微带天线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，称为微带缝隙天线，如图 2 1 ( d ) 所示。由以上各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线。 2 1 2 微带天线的优缺点及应用 相比于常规的微波天线，微带天线的主要优点有：剖面低，体积小，重量轻， 容易做成共形天线；制造工艺简单，成本低，易于大量生产；馈线与匹配网络可 与天线结构一同制作；此外还可以方便地实现线极化或圆极化以及双频工作等。 微带天线也有如下一些缺点：频带比较窄，与目前宽带通信要求相悖；有损 耗，使增益和效率降低；交叉极化强；功率容量低；介质基片对性能影响较大等。 第二章微带天线基本理论 不过在许多实际应用中，微带天线的优点大大超过其缺点，另外，通过一些 技术，还可以尽力克服或减少上述的缺点，比如，目前已有多种方法来扩展微带 天线的带宽，甚至可能将其应用于超宽带领域，具体方法2 4 节有详细介绍。另 外，合理采用有源微带阵子组成微带天线阵列，可获得相当大的总辐射功率。通 过这些改进措施，微带天线应用的范围日益扩大。 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，目前已应用到 大约从1 0 0 m h z 到1 0 0 g h z 频率范围的无线通信设备中，包括卫星通信、雷达、 遥感、电子对抗、医用设备等等。 徽 接地扳 接 接地板 槽线 f 6 ) 图2 1 微带天线形式 ( a ) 微带贴片天线( b ) 微带振子天线 ( c ) 微带行波天线( d ) 微带缝隙天线 2 2 微带天线的辐射机理和分析方法 微带天线的辐射可以用矩形微带贴片天线来简单说明。如图2 - 2 ( a ) 所示，贴 片尺寸为a b ，介质基片厚度为h ，h k o ，x o 为自由空间波长。微带贴片可看 作宽度为a 、长度为b 的一段微带传输线，沿a 边终端处因为呈现开路，将形成电 压波腹。另外，通常取b l j 2 ，k 为微带线上等效波长，因此贴片b 边也将呈现 电压波腹。此时贴片与接地板间的电场分布如图2 - 2 ( b ) 所示，天线的辐射主要就 由贴片与接地板之间沿这两端的a 边缝隙形成，于是矩形贴片可表示为相距为b 的两条具有复导纳的缝隙。将两条缝隙的辐射场相叠加，便得到天线的总辐射场。 图2 - 2 ( c ) 、( d ) 分别表示其h 面和e 面方向副2 2 】。 6 第二章微带天线基本理论 胃掰 二 f 6 l 0 e 面 簇瓣 c if 曲 图2 2 矩形微带天线及其主面方向图 ( a ) 天线结构及电流磁流分布( b ) 电场分布 ( c ) h 面方向图( d ) e 面方向图 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。分析微带天线的基本理论大致 可分3 类【2 3 】。 第l 类为传输线模型( t l m 一- - t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) ，分析过程类似于 上面微带天线辐射机理的分析，将一矩形天线等效为一段微带传输线，两端由辐 射缝隙的等效导纳加载。这一模型最早出现，也最简单，但仅适用于矩形贴片天 线。 第2 类为空腔模型( c m 一- - c a v i t ym o d e l ) ，由罗远祉教授提出。这种方法 将微带天线的贴片下空间看成是由上下为电壁、四周为磁壁围成的漏波谐振空 腔。这一模型可用于各种规则贴片，对微带天线的工作特性有了更为深入的理解， 但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。 第3 类为全波分析法( f w 一- - f u l lw a v e ) 或称积分方程法( i e m 一- - i n t e g r a l e q u a t i o nm e t h o d ) ，这种方法首先利用并矢格林函数导出对电流密度的积分方程， 然后对电流选择适当的基函数展开式和试验函数，将积分方程化为矩阵方程，从 而可解出贴片电流并用来计算天线特性。这种处理成为空域矩量法，后来又发展 第二章微带天线基本理论 了频域矩量法、时域有限差分法等数值解法。这类方法都是基于电磁边值问题的 数值求解，从原理上说，可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受到计 算模型的精度和机器时长的限制。 从数学上纵向比较这几种方法，第1 种方法把微带天线的分析简化为一维的 传输线问题；第2 种方法则发展到基于二维边值问题的解析求解；第3 种方法又 进了一步，可计入第三维的变化，成为三维边值问题的数值求解，最为严格，也 复杂的多。由于这种方法比较复杂，后来又发展了一些对积分方程进行简化的方 法，如格林函数法( g f a 一- - g r e e n sf u n c t i o na p p r o a c h ) 。另外，对空腔模型进 行扩展，又产生了多端网络法( m na p p r o a c h ) 。 2 3 微带天线的馈电方式 微带天线的激励也就是馈电方式可以分为4 种：边沿馈电、探针馈电、口径 耦合馈电以及临近耦合馈电例。其中前两种为直接接触法，后两种为非接触法。 下面对各种方法做简要介绍。 2 3 1 边沿馈电 边沿馈电( 又称侧馈) 这一种馈电方式出现最早，如图2 3 所示。其中微带 馈线与矩形贴片直接连接。 微带馈线 图2 - 3 边沿馈电示意图 介质基板 这种方法最主要的一个优点是：馈电单元与贴片可以制作在同一块介质板 上，工艺简单。另外，馈电点在辐射边上移动可以方便的调谐阻抗大小，便于调 节输入电平。 不过侧馈的缺点也比较明显，由于天线的阻抗是随着工作频率的变化而变化 的，这会导致天线带宽较窄，另外侧馈还存在表面波效应和寄生辐射。 8 第二章微带天线基本理论 2 3 2 探针馈电 另一种出现较早的馈电方式是探针馈电( 又称背馈) 。如图2 4 ，其中半径为 r o 的探针插入介质层并与贴片导体相连。探针或馈电针通常是同轴线的内导体， 因此一般背馈指同轴线馈电。通过探针位置来控制阻抗大小，与侧馈类似。 图2 4 探针馈电示意图 背馈具有重要的优点。首先，馈电网络通过一个接地面与辐射部分隔离，这 使其可以分别对每一层进行优化。其次，这种方式可能是几种方法中最有效的， 因为背馈馈电部分直接与天线接触，且馈电网络大部分与贴片隔离，其寄生辐射 最小。 与侧馈类似，背馈带宽较窄，存在表面波。另一个缺点是连接上比较复杂， 因此制作起来复杂得多。 2 3 3 口径耦合馈电 由于直接接触馈电技术具有明显的缺点一一带宽较窄和表面波效应，人们引 入了非接触式馈电方式。其中之一是口径耦合馈电。如图2 5 ，表明了分离的薄 层怎样用于馈电网络和贴片。这种方式两层介质板间通过接地面分开，馈线( 这 里为微带线) 与贴片天线间通过接地面上的窄缝进行耦合。 图2 - 5 口径耦合馈电示意图 9 贴片 天线基板 口径 接地面 馈电基板 微带馈线 第二章微带天线基本理论 与直接馈电相比，口径耦合具有一些优点。与侧馈不同，它可以分别对馈线 和基板进行优化。与背馈相比，它不需要垂直互联，从而简化了制造工艺但同时 保持了印刷电路技术的共形特征。还有，相对直接馈电方式，口径耦合具有更多 的设计参数，具有更灵活的选择空间。由于口径耦合没有剧烈的电流不连续点， 因而相对容易准确建模。另外一个很明显的优点是口径耦合使天线的带宽特性获 得明显改善。 这种方法主要的缺点是由于采用多层结构，天线体积受到限制，制作天线时， 多层之间的定位对齐也是个重要问题。 2 3 4 临近耦合馈电 非接触馈电另一种方式是临近耦合馈电。图2 - 6 给出这种馈电方式示意图。 微带馈线位于底层基板上，贴片蚀刻在介质板上，两个介质层中间没有基板，馈 电网络与贴片间通过电磁作用进行耦合。因此这种方式也称为电磁耦合。 图2 - 6 临近耦合馈电示意图 贴片 天线介质 微带馈线 馈电基板 临近耦合的关键特性在于它的耦合机制本质上是电容性的，这不同于直接接 触方法的电感特性，两种方式的差异影响了它们的阻抗带宽，与口径耦合类似， 临近耦合的带宽也明显宽于直接耦合方式。 如同口径耦合，对临近耦合天线进行全波分析也不困难。不过，由于这种方 式两个介质层之间采用的是空气间隙，它面临着比口径耦合更为困难的定位对齐 问题。 2 4 微带天线的发展方向 微带天线技术经过4 0 多年的发展，相关理论与实践已取得巨大进展，并且 随着无线通信技术的发展而不断前进着，在这个过程中，两个比较明确的发展方 l o 第二章微带天线基本理论 向逐渐形成，即宽频带和小型化，这两个方面互相制约又彼此促进，影响着微带 天线的技术变革，下面分别对其实现方法进行归纳总结2 5 1 。 2 4 1 微带天线宽频带技术 宽频带，又称宽带。了解宽带之前，首先来看一下带宽的定义：带宽是输人 电压驻波比s ( v s w r ) 在某一容限值以内的频率范围。带宽的定义公式如下： b w ：娶 ( 2 1 ) q 7 s 从公式中可以看出，谐振电路的品质因数q 7 是影响带宽的主要因素，因此展宽 带宽的基本途径是降低等效谐振电路的g 值。这主要体现在介质板的改变上， 具体方法如下： 2 4 1 1 介质板的改变 1 采用占，较小或t a n 8 较大的基板 微带天线等效谐振电路的品质因数可以表示为： 绋：之a ( 2 2 ) p 冲 其中，是介电常数，脶是导磁率，h 是介质厚度( h = 曩+ 绣) ，a 为常数。 从式( 2 2 ) 可以看出，采用较小的相对介电常数s ，或较大的基板t a n 万可以降低 绋。例如用铁氧体材料作基片可以明显展宽频带。 2 采用厚基板或多层介质基板 一通过增大基板厚度可以使得辐射电导也随之增大，从而辐射对应的品质因数 g 及总的品质因数绋值下降。由公式( 2 1 ) 可知这种方法可以展宽带宽。采用多 层基板的方法与之等效。 3 采用楔形或阶梯形基板 这两种基板形状的变化使频带展宽的物理意义可解释为：由于两辐射端口处 基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容耦合产生双回路现象造成的。 2 4 1 2 接地板和贴片结构改变 也可以从接地板和贴片结构上入手对微带天线带宽加以改善。这类方法有： 1 在贴片或接地板上面开槽 在微带贴片或接地板上的不同位置开不同形状的槽( 如u 形槽、e 形槽) 可 第二章微带天线基本理论 等效成引入阻抗匹配元件，可以扩展频带。 2 贴片采用分形结构 几何属性上具有分形特征( 最主要的两个特征就是自相似和分数维) 的天线 被称为分形天线，它的显著特性在于能够增加天线的工作频带，可在宽频带或多 频带的情况下良好工作。 2 4 1 3 馈电结构改变 另外，还可以改变天线的馈电结构，实现频带展宽。通过2 3 节所述，我们 知道，非接触式馈电的带宽就要比直接馈电方法的带宽要宽一些。还有一些方法 包括： 1 附加阻抗匹配网络 利用匹配网络的调谐功能对频带进行展宽。用切比雪夫网络来综合宽频带阻 抗匹配网络，可将v s w r 2 的天线的带宽增大到原来的四倍左右【2 6 j 。 2 在同轴探针的项部附加小的平板电容 通过在同轴探针的顶部附加小的平板电容对微带贴片天线进行馈电，并适当 的选择电容片的直径，可以显著的增加圆形微带贴片天线的带宽。 2 4 2 微带天线小型化技术 微带天线小型化的目标是在尽可能缩减天线体积的前提下，保证天线的辐射 效率等参数不受影响。比较常用的方法有： 1 采用高介电常数s ，的介质 高介电常数的介质可以降低天线谐振频率，从而减小天线体积。 2 在贴片或接地板上开槽 开槽可以引导贴片或接地板中的电流发生弯曲，从而增加电流路径的有效长 度，降低谐振频率，减小天线体积。 3 采用特殊形式的贴片 如采用蝶形、l 形等形状的贴片，另外分形天线也可以归纳到这一类当中【2 丌。 这类方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。 另外，采用直接馈电方式，降低馈电网络复杂度，减少天线所用介质板厚度 以及层数，也有利于微带天线的小型化。 2 4 3 宽带与小型化的权衡 从上面总结的宽带和小型化方法中可以看出，这些方法并不是独立的，其中 有些是互相促进的，还有些则互相制约。首先来看可以同时扩展带宽和小型化天 第二章微带天线基本理论 线的方法，其一是在贴片或接地板上面开槽，这种方法因为效果明显，目前已被 广泛应用。不过这种方法对天线进行小型化的程度有限，如果用这种方法将天线 尺寸过分缩减，将会引起性能的急剧恶化，尤其对带宽和增益的降低。因此开槽 要在小型化与性能之间合理折衷考虑。第二种同时促进的方法是采用分形天线。 这种天线结构由于理论基础比较复杂，而且采用分集图形的贴片对制造工艺要求 比较高，因此目前还只是在特殊场合采用。 下面分析一下引起带宽和小型化两者互相制约的方法。第一个就是介质板的 介电常数值的改变。占，较小，可以降低等效电路品质因数，扩展微带天线带宽， 而较大，可以有效减小微带天线体积，这使得带宽和小型化不可兼得，因此一 般如果要同时兼顾带宽和小型化，占，通常取比较适中的值，如4 4 。第二个是天 线的馈电网络，如果要求小型化，馈电部分就不能过于复杂，最好采用侧馈或背 馈，然而这会大大限制天线带宽；如果采用非接触式馈电或匹配网络，则带宽可 以保证，而天线体积将会加大。因此在实际天线设计当中，就要充分权衡这些互 为制约的因素，根据系统对天线的要求，选择合理方法设计天线。本论文的设计 中就涉及这个过程，在尽量限制天线体积基础上，有效扩展带宽，而且不影响天 线整体性能。 第三章可重构天线 第三章可重构天线 如绪论中对可重构天线的定义，这是采用开关等器件，通过动态改变天线结 构，从而使一副天线实现多副天线功能的一种技术。近年来，随着无线通信实际 需要和微电子机械技术的发展，这一技术得到了越来越多人的重视。本章内容安 排如下：由于本文的主要内容是极化可重构天线，因此首先介绍天线极化的一些 基础知识；然后是采用圆极化的好处和微带天线圆极化的一些实现方法；接下来 是可重构天线从天线功能上的分类，重点的还是极化可重构；最后是目前国内外 可重构天线研究的现状。分析了几种极化可重构方法后，决定采用圆环缝隙结构 设计圆极化可重构天线。 3 1 天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场组成，电磁场是一个矢量 场，作为一种时变场，电磁波的场量不仅幅度、相位随时间、空间变化，其场矢 量的方向也随时间、空间变化。定义电场强度矢量终端端点的轨迹为电磁波的极 化，相应地，天线辐射场中电场矢量的方向就是天线极化方向。 按电场强度矢量终端端点轨迹形状可将极化分为线极化、圆极化和椭圆极化 三种。轨迹在一条直线上的极化称为线极化，轨迹在一个圆或一个椭圆上，相应 称为圆极化和椭圆极化。其中，圆极化和椭圆极化按照其旋转方向还可分为右旋 和左旋两种。按照i e e e 标准的极化定义，当观察者沿波的传播方向由发送端向 接收端看去，在某一固定横截面上电场矢量的旋转方向为顺时针时极化方向称为 右旋，否则为左旋。需要特别注意的是，场矢量在某一固定截面上的旋转方向与 瞬时场矢量螺旋线旋转方向不同，在某一固定截面内随时间逆时针旋转的场矢量 在空间呈现为右手螺旋。场极化方向是根据横截面内场矢量的旋转方向定义的， 因此，一右手螺旋线产生一左旋极化波。 三种极化方式还可以相互分解组合，比如将两个尺寸相同，激励电流幅度相 同、相位相差9 0 。的电流或磁流元( 它们的极化方式均为线极化) 正交放置， 就可构成圆极化。任一线极化可分为两个振幅相等、旋向相反的圆极化；任一圆 极化可分为两个振幅相等，相位差9 0 。的线极化：任一椭圆极化可分为两个振 幅不等，旋向相反的圆极化。这一特性使得任意极化的来波都能被圆极化天线接 收，反之亦然，只是在接收信号的能量上有3 d b 的损失。 1 4 第三章可重构天线 线极化和圆极化可以看成是椭圆极化的两种特殊形式。如图3 1 所示，椭圆 极化特性可以用三个参数表示：轴比、倾角( 参考方向与椭圆长轴间夹角，即图 3 - 1 中的) 和旋转方向。其中轴比a r ( a x i a lr a t i o ) 是最重要的一个参数， 图3 1 极化椭圆示意图 定义为极化椭圆的长轴与短轴之比： a r ( 船) = 2 0 l g ( 詈) x ( 3 - 1 ) 其中2 a 为长轴长度，2 b 为短轴长度。当轴比等于1 的时候，即为理想的圆极 化；而当轴比趋于正无穷的时候，即为理想的线极化。实际应用中，通常认为轴 比在3 d b 以下即为圆极化了。 通常称一对垂直极化和水平极化互为交叉极化，类似的，一对左旋圆极化( 简 写为l h c p ) 和右旋圆极化( 简写为r h c p ) 也互为交叉极化。理想情况下，互 为交叉极化的一对极化是互相隔离的，比如，用l h c p 的天线接收r h c p 的来 波，理论上是无法接收到任何信号的，这称为极化隔离。为了衡量极化隔离程度， 引入了交叉极化鉴别率( x p d ) 这个参数，它表示接收点接收到的预期极化的功 率密度与接收到的交叉极化的功率密度之比。定义为： 脚= 丧 ( 3 - 2 ) 其中巴为接收点接收到的预期极化的功率密度，为接收点接收到的交叉极 化的功率密度。 第三章可重构天线 3 2 圆极化的特性 传统的分集天线大多采用线极化天线，主要由于其设计灵活、加工容易以及 成本较低，但是线极化的电磁波经过空间无线信道的随机散射、绕射和反射，在 接收端将变成极化旋转速率和轴比都是随机的椭圆极化波1 2 8 j ，故采用线极化天线 接收时，总存在极化失配，而且接收天线的极化方向不同时，失配程度也不一样， 另外，在m i m o 通信系统中，通过实际测试证明，在接收端，正交极化的场分量 间的功率差一般较大，往往高达6 - 2 0 d b 2 9 3 0 j 。这是由于无线通信中，水平极化 波容易被地表吸收，故在建筑物少的空旷地带，水平分量的波会有更严重的损耗； 即使在建筑物丰富的地带，当发射天线为垂直极化波时，经过多径传播，到达接 收端的波分量往往是垂直分量的功率高于水平分量的功率，这种现象使两路分支 产生严重的接收功率差。若两接收天线分别采用4 5 。的极化方向，虽能有效降 低接收功率差，但此时需要付出增大相关性的代价，而且对于移动终端，其天线 的极化方向并非固定的，也使该方法失去可实现性。此时如果采用圆极化天线接 收，不仅利用了极化间的独立性获取较低的相关性，还可以取得平衡的接收功率， 有利于后端的空时处理技术。 圆极化天线还具有一些显著的优点1 3 l j ： 1 如3 1 节所述，圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任 意极化天线收到( 这里的任意极化理解为包括不同方向的线极化、椭圆极化和与 其同旋向的圆极化，而与其正交的圆极化除外) 。 2 在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的 旋向正交性，即天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋 圆极化波；反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波而不接收左 旋圆极化波。利用旋向正交性可达到比较理想的极化隔离。 3 圆极化波入射到对称导体目标( 如平面、球面等) 时旋向逆转，即左旋圆 极化变成右旋圆极化或反之。图3 2 表示圆极化波入射于导体平面和导体球面的 情形。设入射波是左旋圆极化波，入射电场可表示为： = e y e 一加伪 ( 3 3 ) 根据电磁场理论的边界条件，导体平面上切线电场为零，因此： e th = 一e h e = e v 1 6 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 第三章可重构天线 于是： e 7 = 一e f ，p 7 一j r 7 2 ) = e i ，p 石7 2 ) 式( 3 6 ) 说明，反射波是右旋圆极化波，即发生了极化旋转。 e ( 3 - 6 ) 图3 2 圆极化波入射到平面或球面发生旋向逆转示意图 根据极化旋转这一特性，圆极化天线用于移动通信、g p s 等能抑制雨雾干扰 和抗多径反射。 以上的这些特点使圆极化天线获得广泛的应用，本人的设计即为圆极化的可 重构天线，可以在同一天线上实现左旋和右旋圆极化的可重构。 3 3 微带天线圆极化产生方法 在第3 1 节中提到：任一圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等 幅线极化波，由此得到实现圆极化的基本原理：产生两个幅度相等、相位相差 9 0 。的空间正交线极化电场分量。尽管圆极化天线形式各异，但产生机理万变不 离其宗，对于微带天线也是这样。 这一原理可解释如下： 根据电磁场基本理论，沿z 轴方向传播的均匀平面电磁波，电场。和e 。分 量都存在，一般情况下这两个分量的振幅和相位不一定相同，表示为 e = k c o s ( c o t k z 一仍) b = 互帅c o s ( c o t 一乜一仍) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 其中e 。和分别为t 和弓分量的幅值，缈= 2 7 r f 为角频率，k = 2 万五为波数， 第三章可重构天线 仍和仍分别为e 和巨分量的相位。 在式( 3 - 7 ) 和式( 3 8 ) 中，取z = 0 的给定点来讨论。令= k = 既， 仍= 9 0 。，即电场e 和e ，分量幅度相等，相位差为9 0 。，两式简化为 e x = e m c o s o a t 故合成电场为 e y = e m s i ng o t 合成场与x 轴夹角口的正切值 t a n 口：曼：切n 耐 e x 仍= 0 0 ， ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) f 3 - 1 2 ) 从式( 3 1 1 ) 和式( 3 1 2 ) 中可以看出，合成电场的幅度不随时间改变，但方向也 就是相位随时间而变。合成电场矢量终端轨迹在一个圆上并以角速度c o 逆时针旋 转，因此这一电磁波为圆极化波，而且是右