（电磁场与微波技术专业论文）高增益微带天线与同轴腔体滤波器的研究.pdf

南京邮电大学 - 学位论文摘要 学科、专业：工科电磁场与微波技术 研究方向：移动通信与射频技术 i i i i i illlllllllllllll l l l f l l l l l l l i i i l f f l l l l l y 17 5 5 0 5 3 作者：刘剑 指导教师：于映教授 题目：高增益微带天线与同轴腔体滤波器的研究 英文题目：r e s e a r c ho n m i c r o s t r i pa n t e n n a sa n dc o a x i a lc a v i t yf i l t e r s 主题词：微带天线，高增益，腔体滤波器，波导一共面波导变换器 k e y w o r d s ：m i c r o s t r i pa n t e n n a ，h i g hg a i n ，c a v i t yf i l t e r , w a v e g u i d e t oc p w t r a n s i t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 天线与腔体滤波器是通信系统的重要组成部分，它们的性能对于整个通信系统影响 巨大。近些年来，对于天线的体积，增益等指标提出越来越高的要求。微带天线作为天 线里面的一种已经得到广泛应用，研制出高增益小体积的微带天线用来做成阵列时，既 可以减小天线阵列的单元数，又可以实现阵列的小型化。腔体滤波器是用在射频前端的 常用滤波结构，具有损耗小，隔离度高，反射好的优点。本论文将集中研究不同带宽的 高增益微带天线以及一款矩形波导馈电的同轴双工器，另外还研制出一款可将微带天线 与双工器相连接的低损耗、结构简单、便于加工和安装的新型波导一共面波导变换器， 从而该天线与双工器的模块结构可应用于通信系统中。本论文主要内容与贡献如下： 1 以高增益微带天线为研究对象，采用短路墙结构的微带贴片来提高天线增益，通过 改变天线馈电方式，使用h f s s 进行仿真计算，分别设计了c p w 馈电的宽带与窄带高 增益天线，微带线馈电的高增益天线。这几款微带天线的最大仿真增益均在1 2 d b 以上。 2 腔体滤波器的研究，利用s e r e n a d e 8 7 电路仿真，在用h f s s 进行腔体仿真，研制出 体积小，插入损耗小，隔离度高，反射损耗好的矩形波导馈电的同轴腔体滤波器。该滤 波器的公共端为矩形波导馈电，非公共端使用同轴探针馈电。 3 工作在8 g h z 频段上的新型波导一共面波导变换器，在工作带宽内具有结构简单， 损耗小，反射好的优点。并将变换器与天线相连，观察天线性能变化。 关键词：微带天线高增益腔体滤波器波导一共面波导变换器 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t m c t a b s t r a c t a n t e n n a sa n df i l t e r sa r ev e r yi m p o r t a n t p a r t so ft e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e c e n ty e a r s ， g r e a ti n t e r e s tw a sf o c u s e do nm i c r o s t r i pa n t e n n a sf o rt h e i rs m a l lv o l u m e sa n dl o wc o s t s i n o r d e rt oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c ea n ds a v ec o s t s ，i th a sb e c o m ea v e r yi m p o r t a n t s u q e c tt h a ts t u d y i n ga n dd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo fh i g h g a i na n ds m a l lv o l u m em i c r o s t r i p a n t e n n a s t h eh i g h g a i nm i c r o s t r i pa n t e n n ac e l lc a nr e d u c e a r r a yc e l ln u m b e r sa n da l s o m i n i m i z et h ea r r a yi nl a r g ed e g r e e c a v i t yf i l t e r sa r ew i d e l yu s e di nr f f r o n t e ds t r u c t u r e sf o rt h e i rs m a l li n s e r t i o n ，g o o d i s o l a t i o na n dr e t u r nl o s s i nt h i sp a p e rw ew i l ld i s c u s st h e d e s i g nm e t h o do fh i g h g a i n m i c r o s t r i pa n t e n n a sw i t hd i f f e r e n tb a n d w i d t ha n dar e c t a n g l ew a v e g u i d ef e dc o a x i a ld u p l e x e r ia l s od e s i g n e daw a v e g u i d et oc p wt r a n s i t i o nt oc o n n e c tt h ea n t e n n aa n df i l t e rt o g e t h e r s o t h es t r u c t u r ea n db eu s e di nr ft e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h em a i nc o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： f i r s t ，b a s e do nt h et h e o r yo nh i g h - g a i nm i c r o s t r i pa n t e n n a s ，t h r e ek i n d so fh i g h g a i n a n t e n n a sa r ed e s i g n e dw i t hd i f f e r e n tf e e d i n gs t r u c t u r e s ，i n c l u d i n gc p wf e da n dm i c r o s t r i p l i n ef e d ，a l lo ft h e ma r eu s i n gac e n t e r - s h o r t e dm e t a lw a l ls t r u c t u r ea n da n a l y z e db yu s i n g f u l l - w a v ee ms i m u l a t o r a l lo ft h ep r o p o s e da n t e n n a sa n do b t a i ng a i nv a l u e h i g h e r12 d b s e c o n d ，d u r i n gt h ec a v i t yf i l t e rr e s e a r c hp r o c e s s ，iu s e ds e r e n a d e 8 7t op e r f o r mc i r c u i t s i m u l a t i o na n dt h e nu s ef u l l w a v ee ms i m u l a t o rt op e r f o r mc a v i t ys i m u l a t i o n i nt h ee n d ，a d u p l e x e rw i t hs m a l lv o l u m e ，s m a l li n s e r t i o n ，h i g hi s o l a t i o n , g o o dr e t u r nl o s si sf a b r i c a t e d f i n a l l y , an e ww a v e g u i d et oc p wt r a n s i t i o nw i t hs m a l li n s e r t i o nl o s sa n dg o o dr e t u r n l o s si s d e s i g n e dt oc o n n e c tt h ea n t e n n aa n df i l t e rt o g e t h e ra n dt h e nw i l ld i s c u s st h e p e r f o r m a n c eo f t h ea n t e n n a 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀之i i i 第一章绪论1 1 1 微带天线简介1 1 2 同轴腔体滤波器概况2 1 3 本文的主要工作3 第二章微带天线与同轴滤波器原理5 2 1微带天线原理。5 2 1 1微带天线的辐射机理及性能参数5 2 1 2微带天线的分析方法7 2 1 - 3微带天线的馈电9 2 1 4 高增益微带天线的发展1 1 2 2同轴滤波器原理1 3 2 2 1 滤波器基本理论1 3 2 2 2耦合谐振器带通滤波器的原理1 5 2 2 3 k 变换器的实现17 2 3 本章小结18 第三章高增益微带天线的设计1 9 3 1矩形微带天线的设计方法1 9 3 1 1介质基板的选择1 9 3 1 2贴片的尺寸选择一2 0 3 1 3 基板尺寸的选择2 1 3 2 探针馈电高增益宽带微带天线的设计2 l 3 2 1微带天线的结构2 1 3 2 2天线的仿真结果j 2 2 3 2 3 天线结构参数对天线性能的影响2 2 3 3 共面波导馈电的高增益天线的设计2 5 i i i 南京邮电大掌硕士研究生学位论文 目录 3 3 1 共面波导馈电的天线结构2 5 3 3 2天线的仿真结果2 5 3 - 3 3 天线的结构参数对天线性能的影响2 6 3 4 宽带高增益微带天线的研究2 9 3 4 1天线的结构。2 9 3 4 2天线的仿真结果与实际测量结果3 0 3 4 3天线结构参数对天线性能的影响3l 3 5本章小结3 3 第四章腔体滤波器的设计3 4 4 1滤波器设计流程3 4 4 2滤波器的电路仿真3 5 4 2 1 电路优化法的仿真结果3 5 4 2 2网络综合法仿真结果3 8 4 3滤波器的腔体仿真3 9 4 3 1 滤波器单腔仿真一3 9 4 3 2 腔间耦合系数的仿真4 0 4 3 3 天线端口与输入输出端的仿真4 1 4 4双工器实测结果4 2 4 5 本章小结。一4 4 第五章波导一共面波导变换器的设计4 5 5 1 常见的波导一微带变换器4 5 5 2 波导一共面波导变换器的设计：4 6 5 3天线与变换器的整体仿真4 7 5 4本章小结4 7 第六章全文总结4 8 致谢4 9 参考文献5 0 硕士阶段公开发表论文。5 3 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 微带天线简介 第一章绪论 天线是一种接收和发射无线电波的设备，是用于各种通信设备中必须的射频器件，电 磁波的接收发射都需要用到它。而微带天线是天线中很有发展前途的一种天线。 用微带传输线开路端的辐射特性制作微带天线的概念，早在二十世纪中叶的时候就由 g a d c s c h a m p s 提出【1 】，但是当时并没有引起工程界的注意。在随后的2 0 多年中，虽有一 些零散的研究，却并没有什么实质性的工作。一直至l j 7 0 年代末，由于微波单片集成电路、 微波混合集成电路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 艺的改进，比如光刻敷铜敷金的制作工艺，新材料的出现，第一批实用的微带天线制作了 出来。最初微带天线是作为火箭和导弹上的全向共形天线，发展到现阶段已经大量应用于 1 0 0 m h z 一1 0 0 g h z 的无线电通信设备中【2 】。 作为一种非常有应用前景的天线，与其他天线相比较，微带天线具有如下一些自己的 优势【3 】_ 4 】： ( 1 ) 体积小，重量轻，剖面低，成本低： ( 2 ) 馈电简单，并且易于实现线极化，圆极化和双极化； ( 3 ) 馈电结构易集成，容易用于印刷电路批量生产，易于微波电路集成化； ( 4 ) 一般不需要用到背腔结构； ( 5 ) 馈电结构匹配结构等易于与天线集成安装。 但是同时，微带天线也存在自身的一些弱势： ( 1 ) 首先是带宽窄，因为是驻波形式的天线，品质因数高，导致带宽窄； 。 ( 2 ) 因为存在导体和欧姆损耗，容易激发表面波，使辐射效率降低； ( 3 ) 增益一般不高，大约为仁8 d b ； ( 4 ) 馈线以及一些网络会产生辐射，从而影响贴片的辐射； ( 5 ) 微带结构导致功率容量比较小。 面对以上微带天线的一些弱点，天线研究人员做了很多努力工作。对于上面提到的带 宽偏窄的问题，可以采用介电常数小，厚的基板，更有学者提出了通过在贴片和接地板采 用u 型结构 5 】，使天线带宽超过4 0 。对于微带线损耗大的问题，可以采用低损耗的介质基 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 板。对于天线增益较低的问题，可以采用多层天线结构 6 ，或者采用阵列的形式，文章 7 提出的短路墙结构天线更是使天线增益达到了1 2 d b 。 对于微带天线的研究方法目前主要是靠各种数值分析方法进行天线的设计仿真。矩量 法、有限元法、时域有限差分法是目前最主要使用的方法，各自的代表软件有i e 3 d 、h f s s 和c s t ，本人在微带天线的研究中，主要使用了h f s s 软件，h f s s 的用户界面简单直接， 具有各种求解器，可以计算近场远场辐射问题，端口的特征阻抗，s 参数，仿真模型的谐 振频率等。在使用h f s s 做过的各种射频器件中，例如电桥，各种微带线滤波器，腔体带阻 滤波器等，实物与仿真结果一致性比较好，因此在仿真微带天线的时候首选了该软件，事 实证明仿真结果与实际加工的天线性能差别不大，准确度较高。 微带天线最近主要的研究方向有： ( 1 ) 小型化。也是微带天线的一个优势。 ( 2 ) 高增益低旁瓣特性。高增益定义通俗的说就是天线定向辐射的能力；低旁瓣能提 高天线区分有用主瓣信号与干扰旁瓣信号的能力【8 。 ( 3 ) 宽带技术。也是目前微带天线发展的主要方向之一，针对于目前各种宽带通信系 统以及多频带通信的需要，宽带天线有利于减小天线的体积 9 】【l o 】。 ( 4 ) 极化技术。包括天线的圆极化，线极化，双极化等。 ( 5 ) 多频带与分形天线的研究。现在的通讯系统很多都是多频带工作了，为了减小天 线体积，通常要求单个天线具有多频同时可以工作的能力；分形天线主要是用于 实现天线的超宽带工作特性。 1 2 同轴腔体滤波器概况 微波滤波器是通信系统中一个非常重要的射频器件，例如通常在基站中，腔体滤波器 严。 后面直接连接天线，其性能对整机性能有至关重要的作用。随着近些年微波毫米波技术的 发展，特别是无线电通信频率资源日益紧张，无源滤波器的高抑制特性对于分隔各个通信 频道有着显著的作用。随着半导体技术的发展，各种新技术新工艺的出现，研制高性能体 积小的器件，是目前微波通信领域的重要环节之一。在移动通信系统前端，由于要兼顾收 发，t x 与r x 一般需要有比较高的隔离度，而t x 与r x 带外抑制要求相对宽松，滤波器 的非对称抑制特性越显重要。 广义切比雪夫滤波器的性能通常可以做的比较好，传输零点也比较容易实现，即能实 现对称的带外抑制，也能实现非对称的带外抑制。广义切比雪夫滤波器的矩形系数也可以 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 做的很好，可以达到接近与椭圆函数滤波器的性能。它的函数形式可以由多项式来展开， 因为它的传输零点可以在任意位置移动，因此分析设计该滤波器相对椭圆函数的滤波器更 加容易。广义切比雪夫滤波器的低通原型可以综合出来，再由低通原型原件值得到耦合矩 阵。零点的物理实现也比较简单，可以通过谐振腔之间加感性或者容性的器件来实现相应 的电感和电容，控制电感和电容的大小即可以移动零点的位置。另外其功率容量的大小可 以类似同轴线来考虑，腔的体积越大功率容量也就越高。 滤波器的一个重要环节是根据指标来确定合适的滤波器的阶数，以及零点的个数，每 一组滤波器的耦合矩阵对应着该矩阵得到的滤波器波形。因此耦合矩阵的计算即滤波器的 综合方法是一个重要的设计阶段。在上世纪8 0 年代到9 0 年代初，主要是研究关于传输零 点的数目小于等于n 2 ( n 为广义切比雪夫滤波函数的阶数) 的广义切比雪夫滤波器的综合 和设计，以及n 维耦合矩阵的综合。用实数传输零点来分析和综合广义切比雪夫滤波函数 低通原型元件值的综合为研究对象【1 l 】 1 3 】。后来c a m e r o n 将传输零点的计算扩展到复数， 用循环递归的方法来构成广义切比雪夫的传输和反射函数多项式，但是计算量非常大 1 4 】。 在2 0 0 3 年，c a m e r o n 将耦合矩阵的维数由n 维扩展到了n + 2 维 1 5 】。另外还有一种方法 可以计算腔体耦合矩阵，即电路仿真的方法。本设计使用了电路仿真的方法得到滤波器的 耦合矩阵，然后将两种方法得到的耦合矩阵和滤波器的传输与反射曲线进行比较。最后使 用h f s s 软件进行腔体电磁仿真，加工出了该腔体滤波器，并将实物的传输反射特性与仿 真结果进行比较。 1 3 本文的主要工作 本论文根据三种不同的馈电方式，主要研究设计了三款微带天线，一款窄带天线，单 个天线仿真增益最大超过1 3 d b ；另外一款带宽超过1 0 ，仿真增益超过1 2 5 d b ；最后一 款带宽超过2 0 ，仿真增益最大值为1 2 d b 。制作了一款矩形波导馈电的同轴腔体滤波器， 并加工实物使用网络分析仪测试传输与反射曲线。最后制作了一款波导一共面波导变换 器，可以将天线与滤波器相连接用于射频前端。该天线滤波器模块可以用于无线接入系统 室外单元( o d u ) ，该模块具有体积小，指标好等优点。 第一章主要阐述了微带天线与腔体滤波器的发展概况。 第二章分析了微带天线以及滤波器的设计方法。 第三章详细描述了高增益微带天线的设计过程，根据馈电方式的不同，设计出三款高 增益微带天线：探针馈电的宽带高增益微带天线，共面波导馈电的窄带高增益微带天线以 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 及共面波导短路柱结构的高增益宽带微带天线，并研究天线参数变化过程中，天线性能的 变化。 第四章叙述了该滤波器的设计方法，首先是电路仿真确定滤波器的耦合矩阵并与 c a m e r o n 滤波器综合方法得到的矩阵作对比，并比较两种方法的理想滤波器s 参数曲线， 然后进行腔体h f s s 建模确定腔体的尺寸，最后加工实物得到测试曲线。 第五章首先给出常见的波导一微带变换器，然后设计波导一共面波导变换器，并将其 与微带天线相连接，分析天线的性能变化。 第六章中总结了研究过程中存在的问题以及提出以后工作的展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 第二章微带天线与同轴滤波器原理 2 1 微带天线原理 2 1 1 微带天线的辐射机理及性能参数 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0 、宽度为，介质基板的厚度为，典型结构如图2 1 所示。可将辐射贴片看作为一段长度为t ，宽度为的低阻抗、终端开路的微带传输线， 在j i i ，“凡( 凡是真空中的波长) 的情况下，可以假定电场沿厚度方向z 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0 = 以2 ( 考虑到边沿效应后，长度略微小些， 可以按照乙= o 4 9 以进行设计) ，由长线理论 1 6 - 1 7 】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 2 所示，图中示出了电荷的分布情况，电场的近似表达式为： t = e oe o s ( ，r y 三。) ( 2 1 ) 天线的辐射是由于贴片开路边沿的边缘场造成的。两端场相对于地可等效为法向与切 向分量，由于贴片长度为二分之一波长，法向矢量相反，所以它们远场相互抵消。平行于 地的切向矢量同相则合成场变强，辐射机理相当于两个半波阵子组成的天线阵列。 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 ，z ( 2 2 ) 其中，一e ：；e ，z 是：方向的单位矢量，二是缝隙的外法线单位矢量。分析可知，在 两条边上，否和二均反向，根据式( 2 2 ) 采用右手螺旋定则可知，沿两条边的磁流同 向，辐射场在贴片中心法线方向( z 轴) 同相叠加，为最大值，并且随着偏离此方向角度秒的 增加而减小，形成边射阵。沿每条边口的磁流由两个反对称的部分组成，他们在h 面( x z 面) 上产生的场互相抵消；两条。边的磁流彼此之间又呈现反对称分布，因此在e 面( y z 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， 气 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带天线与同轴滤波器原理 但是与沿w p 边的辐射相比，己经相当小，电场和磁流等效分布如图2 3 所示。 钹地般 图2 1 矩形微带天线结构 + 正电膂 一负电葑 图2 2 微带天线内部z 方向电流分布 图2 3 微带天线内部电场与磁流分布 微带天线的主要性能参数包括：增益与定向性，极化，方向图，主瓣宽度，副瓣电平， 带宽，反射损耗，交叉极化，辐射效率等。 ( 1 ) 天线增益，定向性与辐射效率 天线定向性是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其平均值之比，天线增益是 一个实际参量，该参量由于天线的欧姆损耗而小于定向性，增益与定向性之比是天线的效 率。 ( 2 ) 天线极化方式 天线的极化方式是天线辐射电磁波的极化形式。一般包括线极化天线和圆极化天线。 有地面作为参考时，线极化可以分为垂直极化和水平极化。圆极化分为左旋和右旋极化。 ( 3 ) 方向图 天线方向图是指天线在空间各点辐射功率大小的分布图。它能透彻的表明天线不同方 向辐射的相对大小。一般用两个正交的平面的对天线的三维增益图切两刀，这两个平面称 为e 面和h 面。e 面是平行于电场的平面，h 面是垂直于电场的平面。 ( 4 ) 主瓣宽度 天线方向图最大辐射方向的波瓣称为主瓣。主瓣宽度定义为主瓣中辐射能量比最大能 量小3 d b ( 即小一半) 两个方向之间的夹角。 ( 5 ) 副瓣电平 副瓣是指方向图中除了主瓣的其他的最大辐射的波瓣，副瓣最大值与主瓣最大值之比 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带天线与同轴滤波器原理 为副瓣电平。 ( 6 ) 带宽 一般有两种定义，一种是反射小于1 0 d b 的带宽，另外一种是指频带内增益比最大增 益小3 d b 之间频段的带宽。 ( 7 ) 反射损耗 即由于失配造成馈入天线的能量反射回来的能量与馈入天线总能量之比。 ( 8 ) 交叉极化 交叉极化定义为交叉极化场强度与主极化场强度之比的平方，它是天线极化纯度的一 个量。 2 1 2 微带天线的分析方法 目前微带天线的主要分析方法有：传输线法，腔模理论，积分分析法与多端网络法。 其中最常用的是传输线法与腔模理论。 1 传输线法 传输线法是分析微带天线比较早的方法，也是最简单的方法。如图2 4 所示，方法的 基本假设为：( 1 ) 贴片与接地板共同构成一段微带传输线，传输准t e m 波，传输方向决定 于馈点位置。线长度为l = 以2 ，以是准t e m 波的波长。场在传输方向是驻波分布，在 宽度方向是常数。( 2 ) 传输线两个开口端等效为两个辐射缝隙，长为w ，宽为h ，缝隙口径场 为传输线开口端场强。缝隙平面看作是位于微带贴片两端延伸面上，即将开口面向上折9 0 度，开口场强随之转动。 jl 产 ， 缝隙 工 图2 4 微带天线传输线模型 根据上面的假设可得，当= 以2 是，两个缝隙切向电场均为；方向，并且幅度相等 相位同相。把电场等效为磁流，由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上半空间辐射。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带天线与同轴滤波器原理 缝隙上的电流密度为： m = y 2 v h ( 2 3 ) 岛= 一了v e - j rc 。s 缈rr e 风( 施口咧哪s i n 口咖矽) 出砂( 1 + e j k 。l s i n o e 。s 妒) ：a c 。s 缈c 。s ( 掣s i n 臼c 。s 妙) 肥缈) 最( 秒，缈) 2 舢 式中互c 秒，缈，= 兰兰箬，最c p ，力= 鬻k o h 彳：翌华p 一。，是微带贴片中心到场点的距离。 易：么c 。s 口s i n 缈c 。s 【k _ o hs i n 秒c 。s 伊) 互( 口，缈) 最( 臼，伊) ( 2 5 ) 向以及z 轴的平面。在妒= 9 0 。平面，易= o ，值含有色分量，所以称为h 面。 板。周围柱形面为侧壁，h 为基板厚度。其基本腔模理论作如下假设( 1 ) 由于腔高五旯， 可以认为腔内电场只有疋分量，并且丘不随z 变化，还假设皿= 0 ，因此腔内的场是与z 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 无关的二维场。对z 轴而言，腔内只有t m 波。( 2 ) 微带贴片的边界上，片电流没有垂直 于边界的分量，这意味着沿侧壁磁场切向分量为零，所以腔的侧壁可假设为磁壁，即谐振 腔可以看作是上下为电壁周围是磁壁的腔体。 理论上封闭的磁壁与电壁都一样能将区域内外的场相互隔离，但这里，腔的侧壁虽然 等效为磁壁，它实际上是连续空间的一部分，对计算外部空间场而言，侧壁上的e ，可以等 效为磁流。 m = t z x 柞 ( 2 6 ) 上述基本假设如果用更加严密的理论验证，不难发现相似之处。另外腔模理论的场的 二维场假设设计仅有t m 波假设都是近似的。同样侧壁切向磁场为零也是近似的。因为贴 片内壁电流可以通过边界流向外壁面，因此在边界的内壁面法向电流严格说不是零( 尽管 总法向电流即内壁外壁法向电流之和为零) ，只是在h 旯条件下接近零。由上述讨论可以 看出基本腔模理论应用上的限制，h z 条件很重要，不满足此条件时，上面的假设要作 适当修改。 以上是关于微带天线分析方法的一些概述，其实由于目前对于天线指标越来越高的要 求，微带天线的形状样式五花j k f - j ，很多时候只能通过各种仿真软件来优化。 2 1 3 微带天线的馈电 微带天线常用馈电方式有下面几种：( 1 ) 微带线馈电；( 2 ) 同轴线馈电；( 3 ) 电磁耦合型 馈电。 1 微带线馈电( 侧馈) 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，故也称为侧馈。其 中包括辐射边馈电和非辐射边馈电两种方式，结构如图2 5 所示。在侧馈结构中，馈线和 与贴片光刻在介质基板的同一侧，即两者集成共面，但是由于微带馈线本身处于两种介质 的交界面上，电磁波在两种介质交界面上传播时会向外辐射，将会影响天线方向图引起旁 瓣并造成交叉极化，同时也会影响天线增益。一般情况下，要求侧馈的微带馈线的宽度应 该尽量小，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f ，尽量小些，使 得易于产生边缘场：但是，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s ，的大小。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 目一 图2 5 微带线馈电的微带天线示意图 天线的阻抗匹配可以通过调节馈电点的位置来实现，当馈电点沿着贴片边缘移动时， 天线的阻抗会随之发生变化，馈电点位置会使馈线与天线间耦合改变，从而使谐振频率有 微小漂移，但一般天线方向图不会受影响( 在保证主模工作情况下) ，频率微小的漂移可 以通过调整贴片尺寸来挽回。 微带馈线本身激励往往可以利用同轴一微带过渡。有两种形式：垂直过渡和平行过渡。 垂直过渡即同轴线内导体垂直焊接在微带馈线一端，平行过渡即同轴线内导体平行焊接于 微带馈线上。这两种方式主要是为了方便微带天线与同轴射频器件相连接。 侧馈的微带天线通常用于制作单板微带天线阵列，制作侧馈的矩形微带天线时，可以 用下面方法实现阻抗匹配：把中心馈电天线的贴片与5 0 欧姆馈线以其光刻制作，实测其 输入阻抗并设计出阻抗变换器，然后再把天线辐射单元与微带馈线之间接入该变换器就可 以得到所需要的天线了。 2 同轴线馈电( 背馈) 同轴线馈电又称为背馈，是同轴线外导体接地，而内导体穿过基板垂直焊接于贴片的 一种馈电方式。这种馈电方式的优点是：馈电可以选择在贴片的任何位置，匹配比较容易； 同轴线位于接地板一侧，避免了对天线方向图的影响。缺点是不利于集成，制作麻烦，其 馈电形式如图2 6 所示。 图2 6 同轴馈电示意图 该馈电理论模型，可表示为z 方向电流圆柱与接地板上同轴开口处的小磁流环。简化 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 处理时略去磁流作用，用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。更严格的处理是把 接地板上的同轴开口作为传播t e m 波的激励源，把圆柱探针的效应按照边界条件处理。 当天线元的面积是主要限制时采用背馈为宜。由工作于主模的矩形微带天线场结构可 知，沿着长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，即 如= 端c o s 2 ( 7 r r o 化) ( 2 7 ) 式中r ；o 为侧馈时的输入电阻，r o 是背馈点离侧馈边的距离。于是可以用实验方法方便 在某一个r o 处实现与5 0 欧姆馈线的匹配。 3 电磁耦合型馈电 8 0 年代以后出现了多种电磁耦合馈电方式，结构共同点是贴近无接触馈电，可利用馈 线本身，也可以通过一个缝隙实现馈线与天线间的耦合，典型馈电方式如图2 7 所示。这 对于多层阵列中的层间连接问题，是一种有效的解决方法，并且大多能获得宽频带的反射 特性。对于阻抗匹配的调节也可以通过在馈线上增加调谐直接来调节阻抗匹配。 图2 7 电磁耦合馈电微带天线示意图 2 1 4 高增益微带天线的发展 传统的微带贴片天线增益都比较低，一般不超过6 d b ，目前已经有很多种提高微带天 线增益的方法出现，比较典型的有以下几种： 1 多层贴片的结构： 如图2 8 所示 1 8 1 ，该贴片结构是由两个叠在一起的辐射贴片叠加而成，通过调节贴片 之间距离等尺寸，实现阻抗匹配，增益可以超过8 d b ，但是该结构相对复杂，而且增益增 加有限。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带天线与同轴滤波器原理 图2 8 多层贴片结构微带天线示意图 2 贴片辐射方向增加喇叭结构 如图2 9 所示 1 9 】，该结构的作用能使贴片辐射的能量更加集中，天线的增益一般可以 提高至少3 d b ，但是该结构也比较复杂并且增大了天线体积，与微带天线的体积小的优势 相悖。 g r o u n dp k 舶i e m i i a r o s t r i pf e e d 图2 9 带有喇叭结构的微带天线示意图 3 采用短路墙贴片结构的方法 如图2 1 0 所示 2 0 ，该结构是将贴片中心短路接地，从而抑制表面波t m o 的辐射，而 达到了提高天线增益的效果。该天线的结构增益一般可以超过ll d b ，本文的微带天线均采 用该结构来实现，一方面可以做到比较高的增益，另方面天线的体积仍然比较紧凑。 抛 舢 孓个v 第二章微带天线与同轴滤波器原理 0 卫一| o 鱼_ | |i 匕互工= = = j 捌一 蓄 | 2 2 同轴滤波器原理 图2 1 0 短路墙结构的微带天线示意图 2 2 1 滤波器基本理论 集总元件低通原型滤波器是用现代网络综合法设计微波滤波器的基础，像其他的各种 低通、高通、带通、带阻滤波器都是依据此原型推到出来的。正是该理论是微波滤波器设 计得以简化，精度得到提到 2 1 】。 如图2 1 1 所示，是一种双终端低通原型滤波器的梯形电路，岛，g ，邑，晶+ 。为 电路各元件的数值，是由网络综合法得到的。图中两电路互为对偶，两者都可以用作低通 原型滤波器。由于该电路可逆，所以可以把左边的电阻看成信号源内阻，也可把右边电阻 换成信号源内阻。图中各元件物理意义如下： i 串联电感 b 一2 1 或并联电容， f 若g 。= c ( 即电容输入) ，则为信号源的电阻r 6 0 i 若g l = l - ( 即电感输入) ，则为信号源的电阻g 。 2 ：j 若邑= e ，则为负载电阻r + - 鳓+ 1 【若既= 厶，则为负载电导g 州t 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 一岛 g o 名g o 厶，= 。g ，- c 3 = 9 3 厶- ：g l厶：白 n 为偶数 c ：= & n 为偶数n 为奇数 图2 1 l 低通原型滤波器电路 在实际应用中，通常把低通原型元件数值对9 0 归一化，频率 c o l 归一化，即g o - - 1 ， c o i - - 1 。这样的归一化原型很容易变换成其他阻抗和频率标度的滤波器，变化公式如下： 对于电阻或者电导， 肚c 静廓= c 对于电感， 三= 可八百( _ 0 1t = ( 导) ( 挚 对于电容， c = 可r o 八犁( 0 i w c = ( 旦g o w - - 型q ) - c 这些公式里，带“撇”的是归一化原型，不带“撇”的是需要变换的电路的。对于上 图的归一化原型，g o = r = 1 或者岛= c o = 1 ，q i _ 1 。 低通经过频率变换到带通的过程如下，如图2 1 2 ，设低通原型频率变量为国，带通滤 波器频率变量为缈。由于缈- 0 的点变换成国- c o o 的点，而c o = 的点变换成= 0 和 0 3 = 的点。所以由低通到带通的变换公式是： 缈t ：型( 旦一c o o ) ( 2 8 ) 式中竺堕是带通滤波器相对带宽，：0 画是通带中心频率，哆是上边带频率， 纸 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 q 是下边带频率。 耳 泰 v 弋 区 泰 v t oi l t 图2 1 2 低速原型响厦以及相应带通滤波器响应 低通原型电感的感抗经过( 2 8 ) 式变换后可得 此f - 罢c 云一争毗一壶c o g 亿9 ， 彩纸 国 式中t 2 等p 而c o 可见，低通原型的电容元件变到带通滤波器中为电感和电容并联，元件值可以由上式 来确定。 2 2 2 耦合谐振器带通滤波器的原理 从图2 1 1 只有一种电抗原件的低通原型出发，经过低通到带通的频率变换，即可以得 到所需要的设计公式。图2 1 3 的两个电路互为对偶，图2 1 4 的耦合谐振器带通滤波器电 路是从图2 1 3 ( a ) 经过频率变换得到的，图中的厶，g 是第i 各谐振器的串联电感和电容， k 川是个谐振器间的阻抗变换器，用它们使各串联谐振器相互耦合起来，从而构成带通滤 波器。因为目前常用( a ) 图的电路形式用的比较多，所以下面主要以图( a ) 的电路来做分析。 ( b ) 图2 1 3 只有一种电抗元件的低通滤波器 1 5 g | 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带天线与同轴滤波器原理 其中 k o i = 厶。= 舷 小川= ，以“lb l = ，疋肿i = ，以肿。= k 和j 分别是阻抗变换器的阻抗和导纳变换器的导纳 厶，和e 。分别是低通原型滤波器的电感和电容值。 由( 2 8 ) 式把图2 1 3 ( a ) 中元件乞的电抗经过频率变换后成为图2 1 4 的第i 个串联 谐振器的电抗。即 冰m k 2 鲁( 罢一铲彩厶一土( - 0 c r , ( 2 1 0 ) 国 国 ” r j 从而可以得到厶= 业，g ：寺 彩c o o c o l k 定义k ：鲁竺墨坐l 。嘞为第f 各谐振腔的电抗斜率参数，有 zd 国 ” 五2 譬警k 钒= 老 k 2 等 将( 2 1 2 ) 代入( 2 1 3 ) 的公式中可得，耦合谐振器腔带通滤波器的阻抗变换器阻抗k 廊为 k o l = k k i + if 矧，。一i = k 卅i = 1 6 ( 2 1 3 ) 旺匿 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章微带天线与同轴滤波器原理 e h 此只要知道低通原型的元件数值，滤波器的相对带宽以及各串联谐振器的电抗斜率 参数，滤波器的阻抗变换器阻抗k 即可以算出来。 计算滤波器终端的时候有时候会用到外界q 值和谐振器间的耦合系数，外界o 值的定 义是终端电阻反射到第一个串联谐振器所得到的q 值。左端终端电阻反射到第一个串联谐 振器的电阻是k o 。2 r 。，串联谐振器的感抗t ，= 五，所以得到外界q 值是 c 鱿2 去= 掣 同理可以得到第n 个谐振器的外界q 值为 c 眈5 去。掣 旺 至于任意两个相邻耦合器间的耦合系数砖“，它的定义是两个相邻谐振器间的阻抗 k 川与它们的感抗几何平均值之比，即 t斗-=丽kid+l=孺051ix l g i 1 ( 2 1 6 ) q x i x | + 国1 jg h 2 2 3k 变换器的实现 目前比较普遍的形式是并联电抗耦合阻抗变换器，如图2 1 5 所示，在图( a ) 和( b ) 两臂 上的l 和c 是负的，它们必须用在相邻具有同样类型正值串联元件( 正电容或者电感) 补 偿，从而得到一个正值元件的电路。图( c ) 和( d ) 的变换器必须用相邻电路有同样阻抗的传输 线，使其本身正值或者负值的电长度缈可以加到临近的传输线上，可以抵消负长度。( a ) 和 ( c ) 的电路有一9 0 度相移；( b ) 和( d ) 有+ 9 0 度相移。它们元件参数和阻抗变换器的关系为： k 诹啊心筹，l 争 1 7 ( 2 1 7 ) 一户 竺生 一 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微带天线与同轴滤波器原理 一ll x 芦掰l c a ) 圣为负 ( c ) 一c c 一掣卜 【