（信号与信息处理专业论文）高增益及宽带微带天线研究.pdf

硕 士 论 文高增益及宽带微带天线研究 ab s tra c t the g a inan d b an d 初d thare two i m port ant p al 田 n e t er s o f 而cros tri p antenn as ， and th e m e th ods o f e l d l an c 目 g a l nan d 加p r o v 目 b an d w i d t hi nx b an d( l l g 石 阮 一 1 3 汀 众) ar e stodi edm ai 川 y in而s thes i s ， f i rs dy， th e tr a n s n 石 5 5 1 0 时i n e m ode l i s used认the an al ys i s o f aper to r e cou p i 目而cro s trip ant e n n a ， 翻d th e 闪u l val ent c ir c u i t andc al cul ation fo rmulasof it are d edu c ed.s eco ndl y，b as e d o n th e anal vsis o f micris trip s l o t ant c n n a，using th e c a v i ty 山 印叮， 伪m b i n ed the ti m e . h a rmo ni c五 e l dt 即eo f maxwel l ， 5鞠u at i o ns， 由e d i s trib u t i o n expres s io no fel c c t ri cfi e l din th e加t erior o fthe c a v l ty andth ecoe 币d ents o fthe ex p r 已 铝 i onare g en er a l ed.then. b as 比onthe sp e c tr aldom 眨 n a p p ro a c h ， w ith 阮 m ix ed p o t ent i allnte gra1 e q uat i o ns( m p i e ) 胡 d c o mpl ex加a g es ， co mbi n ed th e d y 目 i c g r e en， 5 丘 川 d i o ns ， a brie ll y an al ys isl 1 a s b een done a b o utth e a 户 汀 tu r e coupi 曰而crostripp a t c h an t e ll l l a，th e e x p r es si ons o f r a d i atio n fi el dsinth e r e g o nso f ra d i ationp a t c h ad d 而cro而p 介 曰 n e b 刀 0 比h a v e b e e ng e n er a t ed， 山 讹 th e u hi v ers alm 日 山 1 d fo r di月 贻 r ent el ectric 。 山 rr ent 即d m a 助e 万 c c u 厅 ent dis t 朽 b ut i o n isp r o v i d 目 d u eto th es l n gle而cro stri pp a t c hant e n n ai saki nd o f s 加 叮 d i n gw avea n t e n n 入a n 别 比 。 wb and w i d thi s r e s u l ted .t ol m p ro ve i tsb andw i d th， as 加p l er e ct a n gul aral 姆 rtur e 叨 u p l ed m i cro面pantennawitht hr 比l a y o rsisin tr o d u 以 刃五 r st l y，明 da b a n d w i d t h of 1 2 . 2 5 % i sobtain 曰 b as ed on the ana 】 ysiso fthe soft w are o fh f s s ， 八 dsi nthis th es i s .s econdl y，b and w i d t hso fl 3 7 0 %、1 3 3 6 % are o b ta in eds 印山 月 t el y by usin g 。 邢 0 ki nds o f如p ro v ed sl ot s tr u 引 泊 r es.t h l rdly，b ased on thep r o pos ed d esi gn o f aper tu r e c o u pl ed 而ero stri pant e n n aa b o ve， as tru引 泊 re s i m i l arto the hom ant e n n aisd esign曰 田 u n dth esin gl e r adi atio np a t c hel o n ent ， 明dth esi m ula l曰 r e s u 】 t in dic a t es a4. 64db 即h anc ed g ain h asb een a c h i e v ed b yth es tr u c tu r e ， w hj leth e b asicc h ar a c t eristicsr o m ha the s aj . e asthe ant enn a with0 u t th e d i e l ectric add ing at l ast ， we s t u l l l l l a rize the res e ar c ho f th e th esisand p r o pose， o r n e n e 目ed i m p rov 目 p ro b l ems ul teri o d y. k e y w o r d : m i c ro s tri p ante nna ， s lo t ( 即e 咖r e ) c o upl e ， b r o a dband ， g ain ， d i e le c tri c add i n g 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中 作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向有关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅 或上网公 布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕 士 论 文 高增益及宽带徽带天线研究 1绪论 l i徽带天 线的发展概况 利用 微带传输线开路端的 辐射 特性制成 微带天线的概 念， 早在1 9 53年就由 g 人 众 朋抽 叨 p s 提出 图 ， 但 是 当 时 并 没 有 引 起 工 程 界 的 注 惫 。 在 随 后的 20多 年 中， 虽 有 一 些零散的 研究， 但是并 没有什么实 质性的工作。 70年代以 后， 由 于微波单片集成电 路 m m i c 、 微波混合集成电 路h m i c 、 m c m等技术的成熟 和空间 技术对低剖面天线的需 求， 加上各种先进的制造工艺 ( 光刻技 术) 的改进， 低损耗介 质材料的出 现， 新型 材 料 的 出 现 及 应 用 1匆 ， 理 论 分 析 方 法 ( 腔 体 模 型 法、 传 输 线模 型 法 等) 的 出 现 113 .i4 ，ls ，16. ，7.4 1 和日 趋完 替、 成熟， 第一批实用的 微带 天线制造了出 来。 19 79年， 微带天线的专题 会 议在美国 新墨 西哥州大 学举行 l 01 。国内 于1 9 83年5 月 在长沙召开了微带天 线的专 题会 议 161 . 这 一 阶 段， 许多 与 微 带天 线 相 关 的 著 作 相 继问 世 6.n。 随 后 对 微 带 天 线 的 研 究 工 作方兴未艾， 特别是移动通信业务的需 求， 致使微带天 线的 研究工作达到了 前所未有 的 热度， 微带天线也从最初作为火箭和 导弹上的全向 共形天线， 发展到现阶段应用于 1 00 五 打 五 一 1 0c 心 石 。 的 无 线 电 通 信 设 备中 21 .60l; 目 前， 微带 天 线 还 广 泛 应 用 于 移 动 通 信 、 个人通信、医疗 和遥感等众多民 用领域中，并且得到了 极大的 发展1291. 微带天 线作为一种新型的天 线， 与普通的天线 相比， 具有以 下一些优点: ( 1) 体积小、重量轻、剖面低、 易于做成平面结构; ( 2 )成本低; ( 3 )通过简单馈电易于实现 线极化和圆极化: (4) 易于实现双频双极化: ( 5 )不需要背腔: ( 6 ) 易于和微波电路集成化; ( 7 ) 馈线和匹配网络可和天 线结 构同时安装: 与此同时，微带天线也存在以 下一些缺点: ( 1) 频带窄，因为其是一个驻 波形式天 线，导致品 质因 数高、频带窄; ( 2 )增益不大，一般情况下约为6 一 5 以 召 ; . (3) 阵列馈线结构中馈线的欧 姆损耗比较 大， 而 且高性能的天线， 其 馈电网络设 计比较复杂; ( 4 )由于接地板的存在， 只向 半个空间 辐射: ( 5) 理想的极化很难实现，一 般都会发 生一定 程度的 畸变; ( 6 ) 嫂线和接头产生的辐射对贴 片辐射 有一定 程度的 影响: ( 7 ) 在频率较高情况下，增益、 效率、 交叉极化以 及互祸都会降 低: . 硕 上 论文高增益及宽带微带天线研究 ( 8 )容易激励表面波，而且功率容量比较小。 这些缺点使微带天线在使用中受到了一定程度上的限制， 对此， 天线研究工作者 做了 很多 研究工作， 天线的形式也出 现了 较多 变化， 缝 隙祸合微带天线就是其中一 种， 首先由 p oz ar 提出， 随后受到广 泛研究 和使用llj 。 这 种形 式的天线，主 要由 三部 分组 成:辐射贴片及介质基片、金属接地板及光刻其上的缝隙、微带馈线及其介质基片。 针对这三个部分， 国内 外的许多学者专家 进行了 大量的 研究， 文献【 16 对缝隙的阻 抗 进行了 研究; 文献 3 81 中 采用在辐射贴片和接地板 上同 时开u 型结构， 并引入空 气层， 在ku波段获得了41，27%的带宽: 文献 3 2、 3 41 通 过开h 型槽，并引入空 气层在k u 波 段 获 得了 2 7 一4 %、 3 7 一6 % 的 带宽 ; 文 献 12 2 通 过 引 入 多 层 辐射 贴 片 ， 并 采 用 空 气 层 结构获得了2 0. 5 %的带宽; 文献 4 9 、 5 0 中 采用 几何绕射理论( g eom 而c ai theoryof di 份 a cti on， g t d ) 分 析了 有限 接 地 板 对 方 向 图 特 性的 影 响; 文 献 61 对 接 地 板 的 厚 度 做了分析，得到了谐振阻抗与接地板厚度之间关系曲线;在传统单一缝隙的基础上， 引 入两个缝隙形成垂 直分布形式， 得到了 双极化，文 献t 2 5 、3 刀 对高隔离 度的 实现 进行了 分析: 文献 3 1 采用了h 型 槽结构， 对槽的参数 进行了 分析， 得到了 参数对天 线性能的 影响:文献 411 中 给出了 较多 设计方面的实 例; 文献 6 7 中采用一 种新型结 构“ 50 作s u ri 触 ce” ， 对介质基片的厚度 没限制， 将单一辐射单元的增益提高到了g db ; 文献 21 中在 ltc c 工艺的基础上，在不同的 层上放置不同的元件，然后采用 在辐射 贴片四周加金属片表面 “ soft 一 沁d 油 “”，在金属片的下面介质中通过金属腔体的柱子 与 导体接地板连接， 来抑制表面波向 空间的辐射，获 得的结 果是增益提高了2. s db ; 文献 6 5， 6 6 采用p b g 、 e b g 结构抑制天线的表面波， 进而提高天线的增益， 但是由 于 这种结构中， 一般需 要三个周期性结构， 故总体结构 将比 较大， 同 时这种结构 仅适合 于 介 质 基 片 的 厚 度 为 h = 人 / 4 的 情 况 ， 故 对 天 线 基 片 的 厚 度 有 较 大 要 求 。 对微带天线的分析， 基本方法有传输线模型法、 腔体模型法和全波分析法。 传输 线模型法和腔体模型法都是 解析方法， 适 合于对几何形状规则的贴片进行分 析。 前者 把 微 带 天 线 看 作 是 一 段 特 性 阻 抗 为耳 ， 相 移 常 数 为r 的 微 带 传 输 线， 属 于 一 维 的 近 似; 后者把微带天线看 作是 一个有耗腔体， 通过分析腔体内 部的电流或磁流的 分布， 进而 求得远场中电 磁场的分 布， 属于二维的近似。 在 工程上， 由 于设计的 精度要求 不是 很 高， 且两种方法的设 计精度均能 达到要求，设计过 程比 较简单， 计算量也不是很大， 故在实际设计中， 仍为 较为常用的 方法。 全波分析法 从原理上说， 适用于任何厚度、 各种结构形状的天线， 但是受到计算模型的精度和机时的限制， 且理论分析较为复杂， 随着天线形状的多 样化，传统的微带天线 分析方法己 经不能满足现代天线的需 求， 只能借助于数 值分析方法。 矩量法( m o m ) 、 有限 元法(f e m) 、时 域有限 差分法 (f d td) 等 便 是 常 用的 分 析 方 法 1劫 ，6，5 31 。 矩 量 法 将 积 分 方 程 转 化 为 矩 阵 方 程 ， 利 用 矩 阵的 代数运算直接 进行频域求解。 有限元 法把整 个求解区域划分为若干 个单 元， 在每 硕士论文 高增益及宽带徽带天线研究 个单元内规定一个基函数. 基函 数在各自 的单元内 解析， 在其他区域内 为零， 这样可 以用分片解析函数代替全域解析函数.对于二维问题，单元的划分可以取为三角形、 矩形等，但三角形单元适应性最广;对于三维问题，单元可取作四面体、六面体。每 个单 元的形状都可视具体问 题灵活规定。时域有限差分 方法将m ax w e l l 方 程在直角坐 标系中展开成六个标量场的分量方程，再将问题空间沿三个轴向分成很多网格单元， 每 个单元 长度作为空间变元， 相应得出时间 变元。 用 有限差 分式表示场分量对时 间和 空间变量的微分，即可得到f d i ，d 基本方程。选取合适的场初值和计算空间的边界条 件，可以得到包括时间变量的max叭 吧 1 1 方程四维数值解，通过傅立叶变换可得到三维 空间的谱域解。 近年来， 随着无线技术的发展和空间技术的应用， 微波和毫米波得到了广泛地应 用，如射频识别技术( r f id) 、无线局域网( wl a n ) 和卫星通信、空间技术等。在这 些应 用中， 迫切需要一种体积小， 重量轻的天线， 以避免传 统天线( 抛物面天线) 的 体 积大，重量大，难以调整的缺点，微带天线在此发挥了重要作用。 微带天线的发展方向: ( 1)小型化是微带天线的 今后的发展方向 之一。 分析结果表明， 减小 微带天线尺 寸的方法主要有以下几种:一是采用高介电常数的介质。当天线的谐振频率固定时， 由 谐 振 时 计 算 公 式 可 知 ， 尺 寸 与 沂成 反 比 ， 介 电 常 数 增 大 ， 天 线 的 尺 寸 将 减 小 ， 但 是 微 带 天 线的 增 益 和带 宽 也 随次的 增 大 而 减小 ， 限 制了 这 种 方 法的 应 用; 二 是 采 用 短路探 针1 9.41 ， 附加短路探针并将其 靠近馈电 探针时， 可以 在 很大 程度上 减小贴片尺 寸.这是减小尺寸最明显的方法，原理是利用短路探针和同轴探针之间形成强祸合， 等 效于一 个电 容加载， 进行阻抗补 偿， 但是 短路 探针和馈电 探针 之间 距离 很近， 对输 入阻 抗的 特性影响非常敏感， 不易加工 和调试， 另外 这种 天线的 频带窄， 增益 低， 也 限 制 了 其 应 用 ; 三 是 在 微 带 贴 片 上 开 槽 【3 劫 5 ， 以 延 长 贴 片 表 面 的 电 流路 径， 等 效 获 得 较大 的贴片尺寸， 从而降低天线的 谐振频率， 这是目 前小型化技术中的主 要方法， 因 为开 槽不仅能够降低天线的谐振频率， 而且还能 够保证一定的 增益和带宽， 对天线性 能的 影响不大，也易于实现圆 极化 和双频 双极化 特性。 (2) 宽频带工 作是微带天线的发展方向 之一， 也是现阶段研究的热点120邓 ，0.当 天线的工作频带较宽时， 其能应用的场合较广， 避免了 在不同的频段采用不同天线的 带来的体积增大问题。 (3) 高 增 益 、 低 旁 瓣 特 性。 高 增 益 特性 能 够 保 证 天 线 较高 的 定 向 辐 射能 力 121 门， 提高 了天线的抗干扰能力; 低旁瓣 特性保证了 天线阵列中旁 瓣对 主瓣的 较低影响， 可 通过一 系列的加权形式实 现。 ( 4 ) 极化技术。 为了实现圆极 化、 线极 化甚至 双极化， 现阶段采用了各种加载技 术， 其中 包括各种缝隙开槽的 应用， 短路探针的 引入， 多馈点技术 等等， 实现天线在 硕 卜 论文 高增益及宽带微带天线研究 固定的波 束范围内 保持高纯度极化， 以 适应固态 有源集 成电 路辐射单元的需要. 由 于 双极化能 够在同 一频带内， 实现多路信号的复 用， 故在频带不 增加的 情况下， 大大提 高 通信 的 容 量， 近 年 来 受 到了 广 泛 地 关 注 125 ，40 .48 10 ( 5) 微带天线的馈电网络也是一个研究方向。 采用探针或槽孔祸合的背馈方式将 辐射贴片部分与馈电网络部分通过接地板隔离， 是优先考虑的结构方案。 微带线馈电 网络会引入明显的导体损耗和具有色散性; 非色散的带状线不便与电路集成一体; 介 质波导馈电的方案将各辐射单元直接与t 瓜组件连接，减少了馈线长度，接收通道的 放大器还 可补偿其传输损耗， 将成为大规 模阵 列系统的发展主流。 ( 6) 有源集成微带天线也是一个研究 方向. 有源集成天线是将有源电 路和无源 辐射单元( 天线) 集成在同一介质板上， 接收或者发射电磁波的装置。 近几年， 随着微 波集成电路( mi c)和空间功率合成技术的日益成熟，有源集成天线受到了广泛的关 注。同时，mlc 技术的成熟使得有源集成天线工作在微波波段成为可能，而应用空 间功率合成技术的有源集成天线阵提高了 a 认 阵的空间辐射功率。有源集成天线技 术越来越受到人们的关注，并且在雷达、通讯以及电子系统中有着广泛的应用前景。 有源集成 天线按 照不同的用途， 可以 分成下面的 三类: 振荡型 有源集成天线( 发 射) 、 放大型有源集成天线 ( 接收) 和变频型有源集成天线。 现在先进的芯片加工工艺和成 熟的m m lc制造 工艺， 使得这一领域成为毫米波段 研究的 热点。 (7) 多频段和分形微带天线也是一个研究方向。 g s m等通讯系统要求终端能够工 作于多个频段上. 这就 要求设计出多 频段工作的微带天线。 分形技术应用于天线设计， 可以实现天线的超宽带性能。已经有分形微带天线使用在 mof o r o l a 手机上的报道。 在微带天线的设计过程中，可以采用不同的软件进行优化设计， 以减少设计所需 时间和避免cut. s h o rt 所需的 经费问 题。 这些软件中，有基于矩量 法( m o m ) 的 a d s m o m e n tu in 、 i e 3 d 、c s t ， 基于有限 元法( f e m ) 的 h f s s 和基于时域有限 差分法的 fdt d 。 h f ss是一 种功能强大的三维 场仿真软 件， 能 计算具有任意三维形状的天线结 构，而且计算的精度比较高;a d sr n o n 即加 m 、ie3 d 是2. 5 维软件，可以仿真单层或 多层结构的微带电路、微带天线及其天线阵列，需求内存较少、 速度较快，但是其计 算的精度有时难以达到要求的指标。 在天线的实际设计过程中， 应根据天线的特点和 设计的要求选择 合适的 仿真软件。 本文中，由于 天线的 结构复杂， 且立体结构较强， 采用h f s s 软件进行设计。 l z本文的主要工作 本文 研究了 缝隙 祸合形式的微带天线， 主要进行了宽带、 高增益形式的天线设计 工作，包括两点: ( 1) 在传统微 带贴片 天线基 本理论的 基础上，研究了矩形缝隙祸合微带天线， 硕 1 : 论 文 高增益及宽带微带天线研究 着重分析了 天线参数的 变化对天线 性能的影响， 并通过合 理设 计各参数数值， 获 得了 较好的工作带宽 ( 12 .2 5 %); 通过在矩形缝隙的两 端开圆 形槽， 进一步改善了 缝隙 的祸合量， 在谐振特性不变的情况下，获得了13 7 0 %的 工作带宽; 通过 将矩形 缝隙 改变成渐变线形式， 在终端开宽度一定的矩形槽， 在谐振特性不变的情况下， 获得了 13 3 6 %的 带宽， 同时将天 线的 后向 辐射减小3 db 。 ( 2) 进行了高增益形式天线的设计工作，并给出了一般的设计图表。传统的单 一微带贴片单元的天线，增益一般在6 一 s db 左右，为了提高增益，一般都要采用阵 列的形式， 这样在一定程度上增加其物理尺寸，即其体积将会增加。本文中采用类似 喇叭天线的结构来提高单一单元的增益，既不会大大增加其体积， 又可以较好地提高 增益。 1 .3 木文的结构安排 第一部分序论， 主要介绍了当 今国内 外的 研究 背景和发展趋 势， 以 及本文主要做 的工作，论文的结构安排等; 第二部分主要叙述了微带天线的基本理论， 主要包括辐射基本原理、 馈电机理和 分类、 缝隙祸合 微带 天线的 传输线模型法、 腔体模型 法以 及数值分析， 缝隙天线的分 析等等， 给出了 一些常用的设计公 式， 为第三部分的缝隙 祸合微带天线设计做一准备; 第三部分详细叙述了缝隙祸合微带天线的设计过程、 一些主要参数选取及其相关 的设计公式及工程修正公式等等，基于上述理论， 研究了在天线参数变化过程中，天 线性能的改变， 最后合理设计了一个频带较宽的缝隙祸合微带天线，同时通过对缝隙 的结构的改进，获得了更宽的频带宽度; 第四部分介绍了问题的研究背景，主 要研究了 介质加载形式的 缝隙祸合微带天 线， 着重分析了 加载结构的 参数对天线性能指标的影响; 第五部分总结了全文的工作，并提出了一些待改进的地方。 硕士论文高增益及宽带微带天线研究 2微带天线基本理论 微带天线是由具有一定厚度的介质基片、 较薄的导体接地板及光刻的辐射贴片 三部分组成。 一 般情况下， 采用同轴线馈电 或微带线馈电， 在辐射贴片 和导 体接地板 之间激励起高频电磁场，并通过贴片与导体接地板之间的缝隙向外辐射电磁波能量。 一般情况下，贴片是具有规则几何形状的金属片，几种常见的形状为: 矩形、 三 角形、圆形、 矩形环、圆环等。为了减小介质基片对电磁波的束缚、增加边缘场的辐 射， 常采用介电常数较小的介质基片， 但是在一些特殊的场合，由于受到物理体积方 面的限 制，为了最大限 度的 减小贴片的尺寸， 或者在m mic电路、 ltc c 工艺中，也 可以 选用介电 常数较大的 g a as、 51 、 a12 o3等 介质基片。 在大多数情况下， 单一辐射单元就可以满足性能指标的要求， 但是在一些特殊的 应用场合中，为了达到要求的指标， 也可以采用多个辐射单元组成阵列， 常用的有微 带贴片阵列天线和微带阵子阵列天线。 2.1微带天线的分类 对微带天线的分类，有较多的方法， 可以按照结构特征、 工作原理等进行，一般 情况下， 微带天线可以分成以下四类:微带贴片天线、 微带振子天线、 微带缝隙天线 和微带行波天线。 微带贴片天线由介质基片一侧的具有一定规则形状的辐射贴片、 介 质基片和另一侧的接地板组成; 微带振子天线由辐射振子、 介质基片、导体接地板和 蚀刻在导体接地板上馈电的槽线组成; 微带缝隙天线由介质基片、 接地板上的辐射缝 隙、 微带馈线组成; 微带行波天线由介质基片、 一侧上传辐 汀e m波的周期结构和另一 侧的导体接地板组成。典型结构如图2 . 1 所示。 微带贴片天线微带振子天线 微带缝隙天线微带行波天线 图2 . 1常见的微带天线形式 硕 士 论 文高增益及宽带微带天线研究 2. 2微带 天线的 馈电 根据应用场合的不同， 对微带天线的馈电可以 采用不同 的形式， 几种常 用的 馈电 方式为: 2. 2. 1微带线馈电 在微带线馈电方式中， 将微带线直接连接到辐射贴片的边缘上， 故也称为边馈( 侧 馈) ， 其中包括 辐射 边馈电 和非辐射边馈电两种方式， 典型结构如图 2. 2 所示。 在这种 结构中，将微带馈线和辐射贴片光刻在介质基板的同一侧，因此容易做成共型结构， 但是由 于微带馈线本身 处于两种介质的交界面上， 电磁 波在其中 传播时 将在一定程度 上向 外辐射， 将会对贴片的辐射 产生 干扰， 进而影响到远 场中的场强方向图的旁 瓣电 平和交叉极化。一般情况下， 要求微带馈线的宽度要尽量小，以减小对远场方向图的 影响。 为了 提高 贴片的辐 射效率， 要求乓 尽量小 些， 使得易 于产生 边缘 场; 另一 方面， 对于微带馈线， 要求尽量大些， 尽量减小微带 馈线的宽 度， 降 低辐射干扰， 但是同 时也降低了贴片的辐射效率， 增加了表面波损耗。由于对微带线和贴片的要求是相反 的， 对两 者不宜同时进 行优化. 在设计 过程中， 要同时 兼顾效率和表面波等因素， 合 理选择合适的介质厚度h 和介电 常数凡 的大小。 辐射贴片 微带馈幸 辐射 贴 接地板 ( a) 侧视图( b )俯视图 图2. 2 微带线馈电 2 :2同 轴线馈电 同轴线馈电是一种比较简单、 传统的馈电方式， 现在一些场合中仍是一种比较常 用的方式，也称为底馈，典型结构如图2.3 所示。在同轴线馈电方式中，同轴线的内 导体和辐射贴片相接， 外导体和接地板相接。 此种方式中， 首 先通过同轴导 体的内 外 半 径 数 值 计 算 出 同 轴 线 的 特 性 阻 抗 ( 20 = ( 00/ 杯) 叫 同时也不适合在天线阵列设计中应用。 辐射贴片 介质基片 ( a )侧视图( b )俯视图 图2. 3同轴线馈电 2. 2 ) 临近祸合锁电 临近祸合馈电结构把馈线和贴片放置于不同的层上， 或者放在同一平面上， 通过 对其中一个贴片进行直接馈电， 而其余贴片 通过祸 合馈电 ，典型结构如图 2. 4 、 2. 5 所示。在这种结构中，天线的工作带宽可以明显增加。图2. 4中，馈线层使用高介电 常数、 薄介质基片可以 降低馈线的辐射; 贴片 层采用低介电 常数、 厚 介质基片可以 增 加贴片的辐射。由于馈线不是放置在介质的表面上， 故不宜将其它电路、 器件和馈线 相连。图 2 . 5 中，使用同轴馈电的方式对位于中心的贴片进行馈电，四周的贴片通过 直接祸合或间接祸合进行馈电。 通过合理设置四周贴片的谐振频率， 使得彼此靠近主 馈电贴片的谐振频率来展宽微带天线的带宽。 这种结构同时存在一定的问题，由于四 周的 辐射贴片在结构上往往关于中心馈电贴片不 对称， 使得在整 个频带范围内， 天线 的方向图 的稳定性较差， 不同 频带内 频率点的方向图 存在一定差异 1 62 10 图2. 4不同层临近祸合馈电 硕 仁 论 文 高增益及宽带微带天线研究 一昭 。 巩 . 门 司卜一 -一 -价 叭 几下.卫1.t 几. 图 2. 5同一层临近祸合馈电 2 之 .4缝隙 ( 口 径) 祸合馈电 缝隙 ( 口 径) 祸合微带天线 ( a c ms a )由 p o zar等提出 。 21 ， 并广泛应用于 集成相 控阵系统和m m lc电路中， 典型结构如图 2. 6 所示。 将辐射贴片和微带 馈线分 别放置于 接地板的两侧， 在接地板上蚀刻一定几何形状的槽孔， 贴片和馈线之间的祸合通过接 地板上的缝隙获得。 在这种结构中， 由 于接地板的屏 蔽作用， 终端开路微带 馈线的 辐 射，将不会影响贴片的辐射场。同时由于微带馈线和辐射贴片的介质基板不同， 因此 避免了在 微带线 馈电 过 程中出 现的要折中考 虑介电 常数的问题， 而且 可以 通过在馈线 下 面 距 离 / 4 人处 放置 另 一 接 地 板， 使 得 馈 线 的 辐 射 完 全 被 隔 离 。 图2. 6缝隙 ( 口 径) 祸合馈电 硕 卜 论文高增益及宽带微带天线研究 z j微带天线的辐射机理 为了更好地了解微带天线的工作， 我们将对矩形贴片与接地板之间的电磁场分布 进 行 简 短 分 析 。 设 矩 形 贴 片的 长 度 为 今、 宽 度为 巩， 介 质 基 板 的 厚 度 为娜， 典 型 结 构 如图 2 7 所 示 。 可 将 辐射 贴 片 看 作 为 一 段 长 度为 今， 宽 度为 阵的 低阻 抗、 终 端 开 路 的 微 带 传 输 线 ， 在h ， 凡 ( 凡是 真 空 中的 波长) 的 情 况 下， 可以 假 定 电 场 沿 厚 度方 向 : 没 有 变 化， 只 沿 传播 方向 y 发 生 变 化。 一般 情况 下 ， 贴 片 长 度为 斗= 心 / 2 ( 考虑 到 边 沿 效 应 后 ， 长 度 略 微 小 些 ， 可 以 按 照今= 0. 49 凡进 行 设 计 ) ， 由 长 线 理 论 11 月 可 知 ， 在终端开路时，电磁波呈驻波分布且为波腹，经过半个波长变换后，仍为波腹情况， 中间存在一个波节。贴片和接地板之间的电场分布如图2. 8 所示，图中示出了电荷的 分布情况，电场的近似表达式为: 凡= eocos ( 汀 y / 斗)( 2 . 1 ) 天线的辐射是由贴片和接地板四周之间的四个缝隙形成的.由等效性原理可知， 缝隙上电场的辐射可以由面磁流( 虽然不存在真实的面磁流， 为了数学上方便而引入) 的辐射进行等效，等效的面磁流表达式为: m. =e x n( 2 . 2 ) 其 中， 万 = 斌 ， 牙 是: 方向 的 单 位 矢 量 ， 元 是 缝隙 的 外 法 线 单 位 矢 量 。 分 析 可 知， 在 两 条阵边上 ， 云 、 五 均 反向 ， 按 照 式( 2 .2 ) 采 用 右 手 螺 旋 定 则 可 知 ， 沿 两条 阵边 的 磁流则同向，辐射场在贴片中心法线方向 ( 2 轴)同相叠加，为最大值，并且随着偏 离 此 方向 角 度夕 的 增 加 而 减小 ， 形 成 边 射 阵。 沿 每 条斗边的 磁 流由 两 个 反 对 称 的 部 分 组 成， 他 们 在 h 面 ( 龙面 ) 上 产 生 的 场 互 相 抵 消; 两 条环边 的 磁 流 彼 此 之 间 又 呈 现 反对称分布， 因此在 e 面 ( 声面) 上的各处， 它们产生的场也彼 此抵消。 在其它平面 上， 这 些 磁 流 的 辐 射 虽 然 不 会 完 全 抵 消， 但 是与 沿阵边 的 辐 射 相比 ， 已 经 相当 小， 电场和磁流等效分布如图2. 9 所示。 接地板 图2. 7微带贴片天线的一般结构 硕 士 论 文 高增益及宽带微带天线研究 + 正电荷 负 电荷 图2. 8微带贴片 天线内 部ez分布 一 、 哗 图 2. 9微带贴片天线内部电场与磁流分布 2. 4缝隙藕合微带天线的分析 在弄 清楚 贴片天线工作的基本辐 射原理 之后， 针 对不同的应用 场合， 复杂 程度的 不同， 有较严格的 解法和比 较简单的 解法。 在微带 天线中常用的 几种解析方法为: ( 1) 传输线模型法 (2)腔体模型法 ( 3) 多端口网络模型法 (4)模式展开法。针对本文 所要研究的缝隙祸合微带天线， 这里主要介绍下传输线模型法和腔体模型法在其中的 应用。 为了更好地了解缝隙藕合微带天线的辐射机理，在上述2 3 节中对单一辐射单元 分析的基础上， 首先 研究下缝隙祸 合微带天线组成的组成， 以 及缝隙中的电 场分布规 律。 2. 4. 1缝隙藕合微带天线组成 缝 隙 祸 合 微 带 天 线( a c m s a ) 分 为 三 层结 构: 厚 度为 h ; 、 相 对 介 电 常 数 为气的 上 层 介 质 ; 厚 度 为h. 、 相 对 介 电 常 数 为 今的 下 层 介 质; 中 间 的 导 体 接 地 板 。 微 带 馈 线 的 宽 度 为界， 一 般 放置 在 下 层 介 质 基 片的 下 侧 ; 尺 寸 为弥x 阵的 辐 射 贴 片 放 置 在 上层介质基片的上侧; 在中间接地板上蚀刻一定形状的缝隙进行祸合馈电， 缝隙和馈 线相互垂直， 并由 微 带线中的 场激励缝隙 进行辐射，典型结构如图 2 . 10 所示。 为了 高 效地激励缝隙， 微带 馈线通 过下层介质基片短接到接地板上， 或者终端开 路， 开路 硕 士论 文高增益及宽带微带天线研究 终 端的 长 度一 般为 人 / 4，通 过 传 输 线 理 论 可 知， 人 / 4 变 换 后 仍 为 短 路 情 况 。 由 于中 心馈电缝隙祸合天线具有较大的辐射阻抗， 一般情况都需要附加阻抗匹配网络， 使得 和微带 馈线的 特性阻 抗匹 配。 为了 降低阻抗， 也可以 采用偏心馈电， 即馈线中 心和缝 隙中心不重合，或者缝隙倾斜馈电形式，典型结构如图2. 11所示。 微带馈线 图2 . 1 0微带缝隙 祸合天线结构图 缝隙 ( a )偏心馈电 缝隙 ( b )倾斜馈电 图2 . 11 缝隙的两种形式 2. 4. 2 微带缝隙天线的结构 分析及等效 模型 为了更 好地了 解缝隙 祸合微带天线 ( a c m s a ) 的工作机 理， 首先对微 带缝隙 天 线作一 些分 析. 微带 缝隙 天线的一般结构及传输线 模型的 等效电路如图2 . 12 所示。 缝隙 巩洲_ 广 缝隙 ( a) 硕士论文高增益及宽带微带天线研究 仪 zl = 田 20。 ， 几20。 ， 几 + 】 k 2= r七不 丫 + 端口 1几了 ， 几 气 端 dz ( b) 图2 . 12 微带缝隙天 线 ( a) 结构 ( b ) 等效电 路 微带 缝隙 天线可以 看作是 微带线的不 连续性， 并 可以由 图2. 12( b) 的电路代替。 主要包 含一个理想的电 压变换器、 辐射电导和一个两 端短路的 缝隙传输 线。 进一步考 虑 ， 缝 隙 可 以 看 作为 两 段 特 性阻 抗为 20 。 ， 传 播 常 数 为 戏的 缝 隙 传 输 线 的 并 联。 缝 隙 的 辐 射 功 率 用 辐 射电 导 q表 示。 考 虑 到 边 缘 效 应 后 ， 缝 隙 的 有 效 长 度 为 几十 峨 一 人， 几 为 缝 隙 的 实 际 长 度， 峨 为 两 个 短 路 终 端 的 非 零 电 导 引 起的 等 效 长 度 ， lc是 考 虑 到 微带线的 近似效应而采用的 一个抵消长 度。 对于较窄的 缝隙， 在图 2 . 12 ( a) 的坐标 系 中 ， 缝隙 中 的 感 应电 场瓦表 述 如 下: 凡= 一 巩几( 2 . 3 ) ( 24) 一 几 / 2 y d 9 ( 夕 ) ( 2 . 5) d 少 几/ 2 缝隙中电 压与位置之间的 关系如图2 . 13所示。 其中 馈电点为y = d ， 缝隙电 压为 硕士论文高增益及宽带微带天线研究 凡= 一一 五 ” s i n 几( 几/ 2 + d ) 一 占 _上 y = 一 la/ 20 一 准 y= d y ， 几1 2 图2 . 13 缝隙中电 压分布 2. 4 3传输线模型法 在微带缝隙天线分析的基础上，我们采用传输线模型对缝隙祸合微带天线 ( a c m s a ) 进行分 析， 其网 络端口 等效 模型如图2 . 14所示。 在这 个模型中， 若辐 射 贴 片 用 导 纳爪 以 表 示 ， 缝 隙 用 导 纳几表 示 ， 贴 片 和 缝 隙 之 间 的 祸 合 用 转换 比 为 1 冰的 转换器表示， 贴片和微带 线之间的藕合 用转换比 为1 : 凡的转 换器表 示， 则得到缝隙 祸 合微带天线 ( a c ms a )的等效电路如图2 . 巧所示。 输入端开路端 图2 . 1 4网络端口等效模型 硕 士 论 文 高增益及宽带徽带天线研究 丘 飞开路调谐枝节 图2 ， 15 等效电 路 其总体设计步骤如下: 第一步， 考虑贴片的等效模型. 把图2 . 10中的 辐射贴片看 作为 沿x 方向 传输t e m 模的传 输线， 等效电 路如图2 . 16所示。 图2 . 16 贴片等效电 路 由 于 终 端 是 开 路 情况 ， 故 将 产 生 反 射 。 假 设 从 馈电 点 帆，y0) 距 离 贴片 两端 的 长 度 分 别 为 乌 、 乌， 人+ 乌= lp， 从 缝隙 中 心向 两 端 看 进 去 的 输 入阻 抗 分 别 为乙 和几， 贴片的输入阻抗为: 2 闷 = 乙+ 21= v k + v 儿( 2. 6 ) 、 = 、 豁 合 溃黯 、 一 、 豁 合 眯黯 人= 凡 ( 2 .7 ) 人= 与一 石 ( 2. 8 ) 这 里 ， ( 儿 ，川是 矩 形 贴 片 在 宽 度 为 叽 时 的 特 性 阻 抗 和 相 移 常 数 ， ( c 十 了 民 阳 ) 是 辐 射 导 纳 g，、 双 和 : 的 计 算 公 式为 : g.= g.( 2. 9 ) 硕 1: 论 文 高增益及宽带微带天线研究 !|少 阵一凡1 生90玉凡 。 _二 一2” 阵 0 3 5 凡 6 0 万 2 1阵 1 2 0凡 0. 3 5 凡 磷 2 凡 ( 2 . 1 0) 2 凡 界 电 纳殊. 是由 于 边 缘效 应引 起 的 ， 由 于 是 对 能 量 的 存 储 作 用， 故 呈 现 容 性， 其电 纳 的大小可用延伸长度配来表示: 凡。 = 礼 tan ( 那2 )( 2 1 1 ) 这样就可以完全求得缝隙两端的负载导纳。配的计算公式为式 (33)o 第 二 步， 考 虑 缝 隙 的 等 效 模 型 。 缝 隙 电 纳几反 映 了 缝 隙 存 储 的 能 量 由 于 缝隙 在 尺 寸 上 是电 小 的 ， 故 在 本 质上 是 感 性 的。 缝隙 电 纳几可以 通 过 传 输 线 模 型 法 求 得， 以 缝隙中 心为馈电点， 缝隙 两端 短路， 忽略边缘效 应后，由 长线理 论川 可以 求得: 称= 一 了 2 兀 。 cot( 几 几1 2 )( 2 1 2 ) 兀 。 是 缝 隙 作 为 传 输 线 时 的 特 性 阻 抗; 几是缝隙 的相移常数; 第三步，考虑转换器的转换比。这里共有两个转换比:贴片和缝隙之间的祸合， 即 第 一 个 转换 器的 转 换 比 马 ; 贴 片 和 微 带 馈 线 之 间 的 祸 合， 即 第 二 个 转 换比 几。 由 于 缝 隙 切 断 了 贴 片 上 的 电 流 分 布 ， 在 忽 略 沿x 方向 的 干 扰电 流后 ， n . 可 以 通 过 求 缝 隙 截 取的电流和总的贴片电流之比获得，即 n ， = 几/ 珠( 2 . 1 3 ) 第二 个转换比热可以 通过前 面所述的 微带线的电 压不连续性求 得，即 n : = 犷 / k( 2 . 1 4 ) 气是 缝隙电 压， 犷 是缝隙电压的不 连续 值。 对 于 一 个 有 限 长的 缝 隙， 、 的 计 算 公 式 为 15 ，43: 几 =几 ( 几 巩 2 ) j o ( 八 巩 / 2 )八2气 今 几 2 十 巧 ， 朴 一 叫卫选 一一 气c o s 凡 h ， + 气s i n 气 凡 ( 2 . 1 5) 几( .) 是 零 阶贝 塞 尔 函 数 。 气=ko ( 2. 1 6) 气= ko ( 2. 1 7) 几 一 撅乃= ko 瓜 ( 2 . 1 8 ) ( 玛，肠、 八 ，20，) 是 微 带 线 的 参 数 ; ( 巩 ， ， 几 ， yoo) 是 缝 隙 的 参 数 。 硕士论文高增益及宽带微带天线研究 在 近 似 的 情 况 下 ，、 的 计 算 公 式 为 l3 】 : 、 = 几 / 派可 凡是 微 带 馈 线 介 质 基 板 的 厚 度， 甲 而 . 是 微 带 馈 线 考 虑 到 边 缘 效 应 后 的 有 效 宽 度 。 第四 步， 考虑调 谐枝节 和天线谐振问 题。 调谐枝节是一 个终端开路的微带传输线， 其 长 度 为几 泌 ， 从 馈电 中 心 看 进 去 的 输 入 导 纳 为 : zl一 少 2 0厂 叫八 l.to)(2. 19: 总的输入阻抗为: 凡 = n :， 今 + 称 ( 2 . 2 0) 在 天 线 谐振 时 ，