（电磁场与微波技术专业论文）宽带电小天线的初步探讨及验证.pdf

塑垩盔兰堡主兰堡丝塞 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t st h et h e o r yl i m i to n a n t e n n a s g a i na n db a n d w i d t h ，a sw e l la s h o wt oi m p r o v et h eb a n d w i d t ha n d m i n i a t u r i z et h e m ，e s p e c i a l l ym i c r o - s t r i pa n t e n n ai s e l a b o r a t e d n o r m a lm i c r o s t r i pa n t e n n ai sw i d e l y u s e df o ri t sl o w p r o f i l e 、w e i g h ta n dv o l u m e ， b u ti t sb a n d w i d t hi sal i t t l ep o o r i nt h i sp a p e r , a nm i c r o s t r i pa n t e n n a b a s e do nn o v e l e l e c t r o m a g n e t i c ( p h o t o n ) s t r u c t u r ei sd e s i g n e d ，n u m e r i c a le x p e r i m e n t ss h o w t h a t s u c hk i n do fs t r u c t u r ec a nd e c r e a s et h es u r f a c e - w a v ec a u s e db y t h i c ks u b s t r a t e ，t h u s t h eb a n d w i d t ha n dg a i no fa n t e n n aa r ei m p r o v e de v i d e n t l y e l e c t r o m a g n e t i c ( p h o t o n ) s t r u c t u r ei sd r a w i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h e o r i e s i nt h i sf i e l d w i l lb e n e f i tal o tf o rt h ee n h a n c e m e n to f a n t e n n ap e r f o r m a n c e f d t d a l g o r i t h mi s a l s oa d d r e s s e di nt h i sp a p e ra n di sa p p l i e di nap r o g r a m m e a f t e ram i c r o - s t r i pa n t e n n ai sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，i t st e s tr e s u l ti sc o m p a r e d w i t hr e s u l tf r o mc o m m e r c i a ls o f t w a r ea n dt h ep r o g r a mb a s e do nf d t d ，i ts h o w s t h a t f d t di sa h i g h l ye f f i c i e n tt e c h n i q u e f o rn u m e r i c a la p p l i c a t i o ni ne l e c t r o m a g n e t i c s k e y w o r d i b r o a d b a n d ；m i n i a t u r i z a t i o n ；m i c r o - s t r i p a n t e n n a ；s u r f a c e w a v e ； e l e c t r o m a g n e t i c ( p h o t o n ) ； f d t d 3 浙江大学硕士学位论文 摘要 本文讨论了天线带宽和增益的理论极限，以及如何提高天线带宽、实现小型 化的各种方法，特别对微带贴片天线进行了介绍。 常用的微带贴片天线有剖面薄，体积小，重量轻等优点，因而得到广泛的应 用。但是，带宽小是它固有的缺点。本文设计了一种加入新型电磁( 光子) 晶体 结构的微带天线，通过数值仿真，证明它消除了大量由厚介质带来的表面波效应， 从而明显增加了天线的带宽和增益。电磁( 光子) 晶体正受到越来越多人的关注， 这方面理论研究的加深必将进一步促进天线性能的提高。 本文还讨论了时域有限差分法f d t d ，编程实现这一算法。在制作出一个贴 片天线后，将实验结果与商用软件和自己编的软件计算结果进行比较，证明 f d t d 法是一种行之有效的电磁场数值计算方法。 【关键诃】 基 宽带；小型化；微带贴片天线；表面波；电磁飞、菇亲；晶体；f d l d 浙江大学硕士学位论文 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 移动通信，作为2 0 世纪9 0 年代通信行业最活跃、增长最快、商业前景最 好的领域，得到了突飞猛进的发展，实现了移动通信手机的重量从上公斤到几十 克，移动通信网络从地区覆盖到全球覆盖的梦想。回顾这段令人吃惊的发展历程， 我们看到了来自各方面的重要推动作用：其一是技术发展动力，集成技术、数字 技术、软件技术和网络技术是最重要的，它们是移动通信实现轻小手机、高性能 大容量、全球联网的基础。其二是应用发展动力，移动通信是依附于人们的应用 需求而发展起来的，通信方便、手机便宜、使用简捷是最受欢迎的。其三是社会 发展动力，商业活动、相互通信和彼此交流的频繁，它们在社会经济生活中的地 位越来越重要，形成了移动通信的现有需求和潜在的巨大市场，以前所未有的能 力和作用推动了移动通信的高速发展。移动通信业务之所以发展迅猛主要是其满 足了人们在任何时间、任何地点与任何个人进行通信的愿望【】。 在第二代移动通信系统推出仅仅十多年时间里，第三代移动通信即将投入 运营，第二代移动通信系统的主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业 务，而即将出现的第三代系统则提供多种业务，包括话音、可变速率的数据、活 动视频非话业务，并以提供移动环境下的多媒体业务和宽带数据业务为主。 由此看出，第三代移动通信对数据的速率提出了很高的要求，比如室内环 境至少要2 m b i t s ，这无疑产生了对提高天线带宽进行研究的需求，而且由于移 动通信固有的特点，要求天线的体积也必须尽量地小。 1 2 天线的发展状况 近代电磁学历t - - 百多年的发展过程。十九世纪到二十世纪初相继建立了 电场高斯定理( 1 8 1 3 ) 、磁通连续性原理和安培环路定律( 1 8 2 5 ) 、以及法拉弟电磁 感应定律( 1 8 1 3 ) 、经麦克斯韦方程组的数学归纳预示了电磁波的存在( 1 8 6 4 ) ， 后被赫兹的著名实验所证实( 1 8 6 6 ) ，二十世纪由于马可尼试验越洋通信的成功 而开创了无线电技术的新纪元。天线作为实现无线电应用的关键设备，顺应着通 浙江大学硕士学位论文 信、广播、雷达、制导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展，形式多 样、性能各异，组成了庞大的天线家族，并突现出”线天线”、”面天线”、”阵列天 线”三条平行的发展轨迹1 2 。 在地面移动通信系统中，频谱利用正从v h f 、u h f 上升到微波和毫米波， 网站结构有宏区、微区、微微区、以及屋内通信。固定基台的天线设计已引进了 电视广播天线的波束下倾和零点填充、以及辐射方向性图赋形等技术；其实现 智能化( s m a r t a n t e n n a ) 的研究被融入了测向跟踪、自适应置零抗干扰、数字波 束形成空分多址等起源于导航、雷达、电子对抗的专门技术。 移动手机的天线面临着更严峻的挑战，要求以低轮廊加载的小型化结构实 现天线的基本功能；在紧凑空间内设计抗衰落的分集天线；实现双频段、双极化、 双工作模式等多功能天线；符合能避免对人体辐射伤害的环保标准等等。 此外，移动天线的设计不再局限于在一个轮廓分明的平坦基面上实现小型 化、轻重量、薄剖面或平嵌安装的全向天线，而是建立一个复杂的电磁结构，使 其在信号处理中发挥重要作用，并通常在不确定的时间变换环境中工作【3 】。如 图1 1 所示，天线已成为系统设计的一个有机部分。 广人机界面 人为故障6 图1 1 作为移动系统组成部分的天线 落 扰 浙江大学硕士学位论文 可见，天线的设计涉及传播特性、本地环境条件、系统的组成和性能、信号 噪声比和带宽特性、天线本身的机械结构、与制作技术的适应性以及使用的方便 性等。天线学科与其它学科的交叉、渗透和结合将成为廿一世纪的发展特色。 1 3 本文研究的主要内容 由前面的叙述可看出，移动通信的发展推动了天线技术的发展。典型的例 子就是小型天线的发展。民用移动通信的快速增长，特别是个人移动通信终端的 增加，要求研制小型移动设备和小型辐射系统。 众所周知，天线尺寸越小，天线效率越低，带宽越窄。本文就此分析了天 线带宽等性能受尺寸限制的原理，对近年来增加天线带宽、效率等性能的实际方 法进行了较为深入的研究。 作为小型化、集成化的线天线主角，微带贴片天线以其三维结构的灵活性 受到各种不同设计目标的全方位开发。它既被单独用于手机天线、医疗辐射器场 合，也被广泛用做各种阵列天线的单元：既在工程设计中以形式多样而取胜，又 多见于被电磁场数值分析作为典型实例。本文也将对它进行研究，并制作出一个 贴片天线进行测试。 在微波毫米波单片集成系统中，高介电常数的基片迫使贴片的几何尺寸进 一步减小，困难转化为如何抑制相对电厚的基片中存在的表面波效应。将贴片嵌 入导体腔或是给贴片围上短路销栅的措旋不仅结构复杂，而且效果有限。近年来 光电子带隙p g b ( p h o t o n i cb a n d g a p ) 基片材料可以有效地抑制表面波，解除 了用较厚基片的限制，也提高了天线的增益、减弱了阵元间的互耦效应。本文也 对这种天线加以研究并用e n s e m b l e 电磁仿真软件仿真了一种新型的加入了光 子晶体结构的贴片天线，将它与常规天线的各项性能进行了比较。 本研究作为浙江省自然科学基金重点项目( z d 0 0 0 2 ) ”电磁( 光子) 晶 体天线的研究”的一部分，对基于电磁( 光子) 晶体天线理论的成熟，对最终实 现工业上可应用的实用天线，都将有一定的参考价值。相信光子晶体贴片天线这 种集低剖面，易共形以及良好的辐射性能于一身的新型天线，必将在卫星，导弹， 航空航天，移动通信等众多应用领域发挥它的作用。 此外，本文也对分析天线的数值方法尤其是时域有限差分法( f i ) 1 d ) 的原 浙江大学硕士学位论文 理、数学建模、程序设计有了一定的研究，并对一个实例与商用软件结果进行了 比较，获得了较好的结果。 浙江大学硕士学位论文 第二章宽带电小天线的基本理论 2 1 天线带宽和增益的理论极限 天线的最大带宽和增益决定于它的尺寸，其极限值已被推导出来。【4 】 计算增益和品质因数的主要困难在于从总场中分离出辐射场来，因为能量 是非线性的，不能使用近区场的电场和磁场分量。 c h u 【5 】是第一个导出精确理论的人，他用一个等效电路表示各种模式下 的波阻抗。h a r r i n g t o n 9 1 6 用了相同的原理，而c o l l i n 和r o t h s c h i l d 【7 1 、m c l e a n 【8 】和f a n t e 【9 】也提出了重要理论，但他们没用电路模型而是直接从场中提 取出感应场。 2 1 1 影响带宽的因素 带宽b 跟天线的q 值成反比，q 一般定义为 q = w p ( 2 一1 ) 其中w 是储存能量的时间平均值，p 是耗散功率。 根据c h u 的理论【5 】，由等效电路模型，由等效电路模型，推出了不 同模式下天线的q 值极限，比如，在线极化时 对于t m0 1 模式， q l = 瓦1 + 丽1 ( 2 2 ) 对于t m 。2 模式 q ：= 瓦3 + 两6 + 丽1 8 ( 2 3 ) 在圆极化时 t e 0 1 + t m0 1 模式 q = 面1 而+ 3 ( k 丽a ) 2 而 2 _ 4 ) 。 2 ( 切) 3 ( 1 + ( 肠) 2 ) 9 浙江大学硕士学位论文 约为线极化的一半 m c l e a n 用场的方法也推出了类似的结论【8 】 2 1 2 影响增益的因素 天线的增益一般定义为 g ：4 n r 2 s ,( 2 5 ) p f 其中s 表示r 方向的p o y n t i n g 矢量 h a r r i n g t o n 用他的方法【1 0 】，推出了比较方适用的增益极限的公式 g = ( 刎2 + 2 k a ( 2 6 ) 这里k 是波数，a 是天线半径。 实际中，一般比理论的小3 d b ，这是由欧姆损耗和天线的形状决定的。 此外，低次模可得宽带，高次模存在可有大增益，但带宽窄。 由以上分析可看出，我们在设计天线时，在考虑天线带宽和增益极限的同 时，也要考虑两者的制约关系，因为他们的乘积是一定的，带宽的增加是以增益 的牺牲为代价的，反之亦然。 在理论上增益带宽乘积存在极限的情况下，我们只能尽量争取让天线的带 宽增益乘积趋近这个极限值，而不能超越它。 2 2 几种主要的宽带天线 习惯上，当天线的波瓣图和阻抗在一倍频左右或更高时没有显著的变化， 则把这类天线称为宽频带天线【1 1 】。螺旋天线就是一种。 若天线的波瓣图和阻抗能在一个更宽的频带范围内( 例如，频带宽度为1 0 或更高) 保持不变或稍有变化，则把这类天线称为非频变天线 ( f r e n q u e n c y - i n d e p e n d e n t a n t e n n a ) ，无限长的双圆锥天线就是个典型例子。 微波天线中改善频带宽度的方法目前可归纳为：( 1 ) 用某种形式的负载串 接或并接在天线的段端电端或末端来达到这一目的，即加载的方法：( 2 ) 在线性 天线的馈电端附近改变天线的结构形状，以改善谐振天线输入阻抗对频率的晌 浙江大学硕士学位论文 应：( 3 ) 用天线的相似原理来改变天线的形状为自相似结构，即任一天线的形状 按比例的变换后，仍相似于它原来的结构形状。 下边是几种典型的实际结构。 线性宽带天线 这种天线例如套筒天线。谐振式天线的频率响应是非常敏感的，限制这种 天线的带宽远小于一个倍频的关键是天线的输入阻抗随频率的变化有明显的改 变，如果在对称振子或单极天线的外面加一个套筒，就可以将它们的带宽增加到 大于一倍频。套筒天线就是在辐射元外增加一个管状的套筒。 有时当线性对称振子的尺寸给定的情况下，为了改善天线的电性能，可以 采用在振子终端加载的办法来改变振子上的电流分布。常用分布电容加载的方法 来改善其带宽。这种对称振子一般可有倍频的带宽。 双圆锥天线 双圆锥天线是由共轴线的两个无限长的圆锥导体面，且其两顶端相对而构成 的天线，相对两端的间隙处作为馈电点。由于这种天线的结构是无限长，因此， 可把双圆锥天线看成是无限长的由理想导体构成的波导传输线。 经分析可看出，无限长双圆锥天线是一种与频率无关的天线，它是非频变天 线的典型例子。 等角螺旋天线 等角螺旋天线是指具有螺线形状的金属导线或金属片而构成的天线。等角螺 旋天线基本上有平面螺旋天线和圆锥形等角螺旋天线两大类。具有螺线形状的金 属导体位于同一平面上而构成的天线就是平面螺旋天线；若将螺线形状的金属导 体与圆锥形的表面相吻合，就形成了圆锥形等角螺线。 用等角螺线构成的天线是自相似结构天线，因而它可以满足宽带天线所要求 的角度条件。另外，等角螺线两端都是可以无限延伸的螺线，这对于由它构成的 天线能满足宽带天线的要求提供了有利条件，可近似地认为它在一定频率范围内 有非频变天线的特性。 对数周期天线 为了解决蝴蝶结天线的较强终端影响，加宽天线的工作频率宽度，可以把蝴 浙江大学硕士学位论文 蝶结每一翼的两侧加上周期性排列的齿状金属片，每一齿状金属片的内外边缘均 呈圆弧状。这些齿引起了电流骚动，改善了天线的特性。 对数周期天线的结构按某一特定的比例因子f 变换后，仍与原来的结构相 似，使天线在频率为矿及，时具有相同的电性能( 如波瓣宽度、阻抗、极化等) ， 它也是一种自相似的结构。 此外还有对数周期振子天线，原理也类似。 2 3 天线小型化的主要方法 电小天线是指比其工作波长短的天线，w h e d e r 曾将它定义为小于半径为 2 的圆球体的天线【1 2 1 ，一般最大尺寸小于 2 就可看作电小天线了，例如 偶极子天线。 随着移动通信的迅速发展，天线小型化的方法也不停地增加，这里列举的是 一些主要的技术。 2 3 1 线天线 最简单的线天线就是单极子或偶极子天线，它们通常长度为a 2 ，当由于空 间的需要，要缩小尺寸时，它们与馈电网络的匹配变得困难了，就必须采用加载 或弯曲的方法来改普。尽管这会影响带宽和增益，但总能在一定程度上满足要求。 加载的方法有金属加载，如倒l 天线( i l a ) ：也可以用介质加载，因为天线 的尺寸跟它周围的t 和所有关： ， ，=：!(2-7) sr pr 其中厶是原始长度。 所以可以在天线的周围敷上一定的介质来改变天线的尺寸，但要注意，覆盖 层的形状应该与天线形状相似，否则对有效带宽的改善没有作用。 2 3 2 印刷微带天线 微带贴片天线减小尺寸的方法主要有以下几种： a 介质加载。增加介质的介电常数而减小尺寸。 浙江大学硕士学位论文 b 用微带片短路。因为开路的微带天线在中间有个零电压的线，所以可将 这里短路，于是尺寸可减少一半，如果把短路片设计得更窄，可以增加天线的电 感，降低了谐振频率，从而可以将天线设计得更小【1 3 】。如下图2 1 所示 图2 - 1 加上短路片的徽带贴片天线 c 用短路棒的方法。天线在谐振频率以下呈感性，而在馈电的同轴线馈点 附近加上短路棒，相当于加了个电容，从而将谐振频率降低，也就可以缩小天线 的尺寸了。这种方法在带宽和增益的影响方面优于介质加载的方法。 d 加缝隙。缝隙的宽度对频率没多大影响，所以可以开的窄些，开缝的目 的是增加电流的流动路径。对线极化加两条缝隙就可以了，而对院极化可加四条。 用加缝隙的方法还可弥补加短路杆对带宽的影响。 对微带贴片天线的进一步讨论讲在下一章进行。 2 3 3 平面倒f 天线 平面倒f 天线( p i f a ) 可看作短路的用空气做介质的矩形微带天线，也可 看作是折叠的单极天线( 倒l 天线) ，它有低耗、适应性好、带宽大、s a r 小等 优点。 在文献【1 4 中，对p i f a 的设计进行了详细阐述。 如果天线高度为h ，短路片宽度为w ，水平微带宽度为厶，长度为三：，如 下图2 - 2 所示 浙江大学硕士学位论文 图2 - 2 p i f a 的结构 则有： h + l 2 + 卜矽= 鲁 当w 2 厶时， h + 上：= 鲁 而谐振频率由下式确定： 厶= 萌+ ( 1 吖) 以 f o r 皂 1 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 厶一，_ + ( 1 一，f o r 争1 ( 2 - 1 1 ) 这里一詈，拈鲁。_ 戳分别蚴_ 9 ) 和( 2 _ 8 ) 确定。 由上面式子可推出，如果w 是厶的十分之一时，谐振频率可下降4 0 h 菇， 从而也可减小天线尺寸了。 2 3 4 介质震荡器天线 介质震荡器是由高介电常数、低损耗( t a n 6 1 0 。) 的材料制成，它的好处 是： a 尺寸在鲁数量级上，高介电常数可减小尺寸。 r b 工作频带窬摩在1 到1 0 乡闻。 浙江大学硕士学位论文 c 无导体损耗，从而效益高。 d 场分布可变换。因为它有多种模式，各个模式有不周场分布。 2 3 5 缝隙天线 基本的缝隙天线也是昙长，也可像微带贴片天线那样选高介电常数的介质而 缩短其尺寸。不过它还有特殊的地方，比如可在缝隙里面加介质，还可在缝隙背 后加介质腔，这里面的介质都将影响谐振频率。 不过它尺寸的变化并不象微带天线那样正比于占，s c h r o e d e r 给出了下面 的关系式【1 5 1 ： f = 等 ( 2 1 2 ) 足 、 这里l , g = l 石，k * j 半 2 3 6 螺旋天线 螺旋天线是k s o u s 【1 6 1 在1 9 4 6 年发明的，从那以后它被广泛使用，因为 它适用于低频、卫星通信、地面链路、甚至成为移动手机的一个标准。这种螺旋 结构有很多优点，如低耗、生产简便、圆极化、尺寸小、重量轻、成本低等。 它可以直接在其一个末端用同轴线馈电，螺旋天线可工作于轴向模式和垂直 模式。 轴向模式时，天线一个螺旋的周长( 一个平面上) 一般是0 7 5 旯1 3 五，这 时它是圆极化【1 6 。天线的开放端对增益没什么贡献但对带宽很有影响，而其 中部v s w r 很小，是主要的辐射区域。采用一种有残缺形状的螺线结构可在不 改变其特性的情况下缩短螺线长度【1 7 1 。 在垂直模式时，它类似改变了形状的单极天线，辐射方向图垂直于轴向，呈 个圆环状，而它的周长远小与波长，轴向长度也小到2 , 2 0 ，所以它被移动手机 大量采用。 除上面列举的天线外，还有刀绕毛琵鳕、殍片刃爹馏、履频段哭：缠等 由上面的各种小型天线可看出，天线缩小的方法最简单的方法就是加载，增 加其电长度而不增加外围尺寸，无论是增加介质或是改变几何形状都可以。 浙江大学硕士学位论文 第三章微带贴片天线 早在1 9 5 3 年d e s c h a m p s 就提出了微带辐射器的概念，但到7 0 年代才制作 出实际的天线。近年来微带贴片天线发展迅猛，作为小型化、集成化的线天线主 角，微带贴片天线以其三维结构的灵活性受到各种不同设计目标的全方位开发。 它既被单独用于手机天线、医用辐射器等场合，也被广泛用作各种阵列天线的单 元；既在工程设计中以型式多样而取胜，又多见于被电磁场数值分析用作典型实 例。连年来在会议交流的以天线为主题的论文中，涉及微带贴片天线者约占四成 之多【2 】。 3 1 微带贴片天线的结构 典型的微带贴片天线由金属基地板、薄的介质或空气条片以及介质衬底顶部 条形导体贴片组成。微带贴片天线可做的与金属表面保形并可用成本较底的照相 蚀刻技术生产。实际应用中，辐射器的典型形状是圆形和矩形的。 微带天线的馈电分为侧馈和底馈两种【1 8 j 。所谓侧馈是指馈线从辐射元的 侧面馈入，底馈是指馈线从微带天线底部接入，通常是用同轴线，内导体穿过接 地板和基片与辐射元连接，外导体直接连接到接地板上。 3 2 微带贴片天线的优点和缺点 微带天线的优点主要是 2 0 1 ： a 剖面薄，体积小，重量轻； b 具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面共形的结构； c 馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产 d 能与有源器件和电路集成为单一的模件； e 便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。 它的主要缺点是： a 频带窄，一般仅约为2 。 b 有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低； c 功率容量较小，一般用于中、小功率场合： 浙江大学硕士学位论文 d 性能受基片材料影响大。 e 只能向半面辐射。 3 3 微带贴片天线的发展近况 a 频带特性 近年来所开发并经优化设计的双层贴片和u 型槽贴片无论在探针或槽孔耦 合的馈电方式下都获得高达4 0 的阻抗匹配频带，使制约贴片频带的因素转化为 辐射方向性和极化特性( 仅达2 0 以上) 。此外，微带贴片结构可实现( 较窄频 带的) 双频或多频工作，其下一步目标是获得大频率比和可控频率比的双宽频带 特性。 b 极化特性 各种利用贴片形状微扰、切槽加载、多馈点组合等技术实现的圆极化天线 在固定波束的角域内可提供宽频带、高极化纯度的性能。困难的是在宽频带、宽 角域内保持高极化纯度，以适应固态有源相控阵辐射单元的要求。此外，为了用 于极化分集或收发极化隔离的系统，已制成多种型式的双馈双( 正交) 极化微带 贴片单元，但性能受制于阵列环境和馈线布局，其极化隔离度还有待改进。 c 小型化 在较低频段( v h f ，i f ) 采用加短路片( 或销) 、切曲折槽、介质谐振器加 载等技术措施，可作到1 ：4 的缩尺率，但频带较窄、辐射性能有所降低。在微 波毫米波单片集成系统中，高介电常数的基片迫使贴片的几何尺寸进一步缩小， 困难转化为如何抑制相对电厚的基片中存在的表面波效应。将贴片嵌入导体腔或 是给贴片围上短路销栅的措施不仅结构复杂、而且效果有限。近年来出现的“光 电子带隙p g b ( p h o t o n i cb a n d g a p ) 基片材料可以有效地抑制表面波，解除了 用较厚基片的限制，兼奏提高天线增益、减弱阵元间互耦之效。 d 馈线网络 采用探针或槽孔耦合的背馈方式将辐射部分与馈线部分借接地板隔开，是优 先考虑的结构方案。微带线馈电网络会引入明显的导电损耗和色散性；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则另辟蹊径而受重视。空间功 率合成的有源阵将各辐射单元直接与t r 组件连接，减少了绞线长度，接收通道 浙江大学硕士学位论文 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。 3 4 微带贴片天线带宽和尺寸的改进 微带贴片天线的窄频特性，是由其高q 的谐振本性所决定。这意味着当在 谐振时实现了匹配而当频率偏离谐振时电抗分量急剧变动使之失配。故展宽频带 的方法可以由降低q 值的各个方面去探求，也可以考虑用附加的匹配措施来实 现。常用的方法有： a 附加阻抗匹配网络，然而，馈电网络可能更复杂且损耗较高。 b 增加衬底的厚度和减小介质常数。然而，当需圆极化时，这项技术还需 些措施来消除因生成高次模所引起的轴比劣化【1 9 。 c 采用多层结构， 此外，还有在贴片或接地板“开窗”，非线性基板材料，非线性调整元件， 楔形或阶梯形基板等。 微带天线频带的展宽常常伴随着天线尺寸的增加，这限制了微带天线的应 用范围。我们期望得到小型大带宽微带天线，因此研究减小微带天线尺寸的方法 也相当重要。采用短路杆能大大减小天线尺寸，这种方法已应用于圆极化微带天 线【2 4 】。这种微带天线就综合考虑了展宽频带和减小尺寸两个方面的因素，以 获得一种相对宽带的小型圆极化微带天线。若在微带天线的表面覆盖一层介质也 可以减少天线尺寸，如介质采用陶瓷材料可减少天线尺寸的三分之一以上，用二 氧化钽能减少五分之一。这方面的研究涉及到有耗介质基板上的表面波对天线特 性的影响 2 5 】。 另一方面，增大微带天线的带宽也应考虑到不应使天线过于复杂，否则将增 大天线的制造和分析的难度。 下面介绍凡静凝銎的宽带贴片天线： a 具有空穴结构的宽带微带贴片天线 采用低er 的介质板是展宽频带常用的方法，但增大了天线尺寸，降低了天 线效率。为了解决这个矛盾，可以采用一种新的方法1 2 】。这种方法仍然用高 er 的介质板，在介质板上开一个矩形空气穴。贴片天线与矩形空气穴的相互作 用，使er 部分降低并改变了介质板的模式。例如er = 9 7 的介质板通过这种方法 浙江大学硕士学位论文 可以在部分区域获得2 8 的等效介电常数，这样就在不降低天线效率的前提下展 宽了频带，并且天线的尺寸也不会增加。 计算和实验结果表明，在厚度波长比和贴片大小相同的情况下，er = 2 2 的 一般微带贴片天线1 0 d b 带宽为4 4 ，r = 1 0 的1 0 d b 带宽为2 ，而这种结构 的微带天线1 0 d b 带宽可达1 2 5 。这种新颖的微带天线工作在较高的频段( 1 0 2 0 g h z ) ，是一种高频的宽带微带天线，可期望工作在更高的频段，如亚毫米波 段，应用于雷达和短程通信系统。 b 具有u 形缝隙结构的宽带微带贴片天线 这种微带贴片天线在结构上采用具有u 形缝隙的矩形贴片。贴片与接地板 之间用空气或泡沫填充。其在结构上的特点就是非常简单，可以获得较小的天线 尺寸 2 2 1 。这种结构的微带天线由于贴片具有u 形缝隙，缝隙边缘电流引入了 附加谐振，同时，缝隙也引入了容抗，与探针的感抗相抵消，从而展宽了频带。 实验表明，这种天线在谐振频率为9 0 0 m h z ，厚度为1 0 6 ”时，可获得4 7 的阻 抗带宽( v s w r = 2 ) ；在谐振频率为9 9 0 m - i z ，厚度为0 5 3 ”时，可获得1 2 4 的 阻抗带宽r v s w r - - 2 ) 。两种情况下都获得较一般矩形贴片天线大的带宽。这种新 颖的微带天线最大的特点就是只采用单层介质板、一个贴片，结构非常简单，充 分体现了微带贴片天线的优势。 c c p w 反馈缝隙偶合宽带微带贴片天线 圆极化波导反馈缝隙偶合微带天线( c p w f a ) 同微带线反馈缝隙偶合微带天 线u 、a ) 一样可获得较大的带宽 2 3 】。两种天线具有相同的物理优势，微带贴 片与缝隙的偶合作用，可以展宽天线的频带。但c p w f a 还具有另外两个技术优 势：1 、由于采用了c p w 反馈，容易实现与有源或无源器件的串联或并联。2 、 用金属板同时作为c p w 线的传导板和微带天线的辐射板，使天线的结构更为紧 凑。实验表明，谐振频率为3 4 g h z 时，可获得大于3 0 的带宽和9 d b 的天线增 益。 d 附加屑钉e l ( c k i p r e s i s t o r ) 的宽带微带贴片天线 微带天线的频宽随着谐振频率的降低将进一步降低，目前移动电话所使用的 频段为7 0 0 9 0 0 m h z ，属于较低的频段，这就限制了微带天线在移动电话系统中 的应用。而这种新颖的微带贴片天线就是应用了附加屑钉电阻的方法在较低的谐 浙江大学硕士学位论文 振频率下获得了较大的带宽【2 6 】。 这种矩形微带贴片用探针或插入的微带线馈电，在贴片与接地板之间附加了 一个屑钉电阻作为短路元件。由于芯片屑钉电阻的加入，不但可以展宽频带而且 还大大减小了天线尺寸。在文献 2 6 1 中，微带天线的谐振频率为7 1 0 m h z ，而 同样尺寸的普通微带贴片天线的谐振频率为1 9 0 0 m h z 。其阻抗带宽为9 1 3 ， 是一般结构贴片天线( 1 9 呦的4 9 倍。这种谐振频率的微带天线可适用于移动电 话通信系统。 e 双频圆极化宽带微带贴片天线 在雷达、卫星通信及定位系统中往往需要共形的，重量轻而又成本低的双频 圆极化天线。微带天线恰好能符合这样的要求，因此在这个领域微带天线得到愈 来愈广泛的应用。但微带天线的窄频特性又使它有时不能满足实际需求。这种新 颖的圆极化微带天线就可以工作在两个谐振频率，并且每个频率下都可得到较宽 的频带【2 6 】。 这种天线的结构由两层介质板、微带贴片及两条5 0q 的正交微带线组成。 微带贴片是两个相同半径的圆形贴片相交的公共部分。两个端口分别用两条正交 的微带线反馈，可使在端口处能量获得正交偶合，两个端口获得很好的分离而避 免了串音。 当这种双频微带天线工作在2 6 3 5 g h z 和3 0 5 g i - i z 两个谐振频率时， v s w r = 2 带宽分别为3 和5 3 ，比一般的圆极化微带天线的带宽要大。这两 个频率可以获得很好的分离，在两个频率上的增益与一般的微带贴片天线的相 当。这种双频微带贴片天线的特点就是结构简单，在两个频率都可以得到较大带 宽和较高的增益。 3 5 微带天线的分析方法 分析微带天线的方法有多种，常用的有传输线法，谐振腔模型法，矩量法， 有限元法及时域有限差分法( f d t d ) 等。 在分析方法上，已经由无限周期结构的近似分析发展到了有限尺寸阵列的 全波一体化分析。目前主要有两种做法，一是直接利用矩量法，二是对无限阵的 结构进行修正。这些分析主要在频域中进行。 2 0 浙江大学硕士学位论文 而用时域有限差分法( f d t d ) 分析微带贴片天线 2 6 1 及对有限尺寸微带天 线阵进行宽带、全波、一体化分析 2 7 1 日益得到人们的重视。f d t d 法在微带 天线和微带电路的分析中得到广泛应用。由于微带结构的频域信息对吸收边界条 件的残留反射引起的误差特别敏感，因此，减少吸收边界的反射是提高计算精 度的关键之一。完全匹配层( p m l ) 吸收边界条件，以其反射误差均小于以往人们 提出的吸收边界而得到人们的重视，最近提出的修正完全匹配层吸收边界 ( m p m l ) ，在吸收凋落波方面比p m l 更加有效【2 7 】。 关于天线的分析方法，在第五章将会详细阐述。 浙江大学硕士学位论文 第四章电磁( 光子) 晶体贴片天线 近年来，基于电磁( 光子) 晶体的新型先进天线的研究受到国际上广泛地重 视，在这方面每年都有几十篇文章在国际一流期刊上发表。并有不少成功的关于 光子晶体实验的报道。1 9 9 9 年，更被美国权威科学杂志评为年度十大科技 成就之一。 4 1 电磁( 光予) 晶体天线优点 虽然微带贴片天线具有体积小，重量轻，低剖面，成本低，易加工等优点， 但是存在的问题是集成电路的设计需要在高介电常数材料( s i ，g a a s 和l n p ) 的 基底上完成，而微带贴片天线在低介电常数基底上才能获得最佳性能。 正如在绪论中提到的，位于高介电常数基底上的贴片天线由于表面波的损 耗辐射效率很低，并且频率带宽极窄( 大约1 - - 2 ) ；赵种情况当应用的频率 变离时更加突出，导致贴片天线的增益和效率下降，并且在阵列情况下还会有高 的交叉极化电平和互耦电平【1 5l 。 所以为了避免昂贵的基底混合技术，在高介电常数基底上实现高效率的贴 片天线变得尤为重要。近几年来国际上不断有文献报道这方面的研究工作。有关 这方面的课题研究主要基于两种技术。一种是微机械技术，它的主要原理是将辐 射元下面的部分基底挖去使得在天线周围区域基底的介电常数变低，运用这种方 法，可以减少表面波引起的功率损耗，同时增强辐射到空间的电磁波功率1 3 2 ； 另一种就是基于电磁( 光子) 晶体的概念。 电磁( 光子) 晶体，或称光子带隙材料，简称光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ， 也称p c ) ，是一种周期性排列的电介质或金属结构，该电磁晶体的表面波波矢图 在某一频率范围出现一个频率禁带，简称为禁带，禁止这一频带内所有电磁波的 传播；电磁波在电磁( 光子) 晶体内部的传输特性，类似于电子在晶体中的运动 特性【3 3 】 3 4 3 。电磁( 光子) 晶体的出现，使得除了传统的波导和滤波器以外， 又多了一种控制电磁波传播的途径1 2 9 【3 0 】。尽管早期的研究都集中在光频频 率范围，光子晶体结构其实可以被应用于更为广泛的频率范围，包括微波和毫米 波波段【2 9 】【3 3 】。 浙江大学硕士学位论文 “电磁( 光子) 晶体”是一个全新的概念，将光子晶体结构应用于贴片天 线即出现了一种新型电磁( 光子) 晶体贴片天线。在光子晶体贴片天线中，由于 光子晶体的禁带效应，使得表面波不能沿着基底传播，所以增加了天线耦合到空 间的电磁波辐射功率，同时还可以改善天线的方向图，提高天线的增益。表面波 抑制的另一个作用是还可以有效地削弱阵列元件之间的互耦电平，并减少同一块 系统板上的相互干扰【和5 】。 与传统的贴片天线相比，这种新型贴片天线的性能有多方面的改善。电磁波 在电磁( 光子) 晶体内部传输的特性类似于电子在晶体中运动特性。对于某些频 率范围，电磁( 光子) 晶体反射所有入射方向上电磁波的所有偏振态，晶体就被 称为有一个完整的电磁( 光子) 禁带( p g b ) 。频率处在禁带( p g b ) 范围内的所 有模式的光及电磁波都不能在其中传播。在工艺上，已经实现了禁带处于微波和 毫米波段( 频率范围在1 - - - 5 0 0 g h z ) 的电磁( 光子) 晶体的制造。禁带处于这 一频段的电磁( 光子) 晶体在作为天线的反射基底方面具有极为广阔的运用前景。 利用这些性质，可以设计出具有全反射特性的反射基底，而这也是利用电磁( 光 子) 带隙材料研制新型先进天线的基本原理之一。这种新型天线不会有功率传输 入带隙材料中，而且可以抑制表面模式，将所有的功率辐射至自由空间，因而天 线的性能( 如方向性等) 得到极大的改善。 事实已经表明，基于电磁( 光子) 晶体的天线有许多独特的性质，放置在基 底上的传统天线会辐射大量的能量进入基底。如果我们用电磁( 光子) 带隙材料 做基底。而且天线的发射频率在电磁晶体禁带频率范围，大量辐射到基底的能量 被反射到自由空间中，这样的话，辐射效率就会得到显著改善。 4 2 光子晶体的禁带结构 b r o w n ，p a r k e r 和y a b l o n o v i t c h 于1 9 9 3 年首次将光子晶体禁带材料应用于微 带贴片天线【3 3 】。在贴片天线中运用光子晶体的好处在于，抑制了由辐射元激 励而在基底中传播的表面波：对表面波的抑制可以提高天线的效率，并且可以削 弱由表面波在天线基底周围绕射而产生的旁瓣电平。这种作用当为了增加天线的 带宽而采用厚的基底时变得更加重要，因为当贴片天线使用高介电常数的厚的基 底时，表面波产生的功率损耗可以达到整个辐射功率的6 0 。 塑垩奎兰堡圭兰堡篓苎一 早期用于改善贴片天线性能的光子晶体结构，大多为三维的，支撑贴片天 线的基底没有使用任何金属地面。这种结构的优点是避免了金属地面本身带来的 导体损耗，但也带来一些缺点。最主要的就是，为了起到很好的电磁波反射作用， 天线的基底必须非常厚( 当天线工作频率在1 0 1 5 g h z 时厚度可达到几个分米) 【3 5 】。现在研究的光子晶体贴片天线大都有一个金属良导体的地表面且基底的 厚度较薄。 图】是一种基底钻孔型光子晶体贴片天线所采用的光子晶体基底，它是在底 面为金属地面的高介电常数基底内钻出矩形阵列的空气孔而形成二维p c 结构， 其几何形状如图4 1 中( a ) 所示，光子晶体平面结构图如图中( b ) 所示，其中相 囊圈 ( a ) a n f g l 女 c o ) 二维p c 结构图 图4 1 基底钻孔型光子晶体基底及其禁带结构 邻圆孔的周期性间隔为a ，圆孔的半径为r 。 当a 为3 8 m m ，r a 取o 4 8 时，用f d t d 方法并结合p m l 吸收边界条件计算 得出的该结构的光子晶体禁带图如图l 中( c ) 所示，其中横坐标为取正六边形 栅格时布里渊区( 见图中左下角) 的各个顶点，纵坐标为归一化频率( + a c ) ，图 中实线表示h 极化波( 即t e 极化波) 的波矢图，虚线表示的是e 极化波( 即t m 极 化波) 。由图可以看出，e 极化波的禁带出现在归一化频率从0 4 7 到o 5 6 之间的 频率范围( 在第二模式和第三模式之间，如图中左边花括号历示) ，h 极化波的 禁带为归一化频率从0 4 1 到o 5 3 之间( 在第一模式和第二模式之间，如图中右 边花括号所示) ，所以完全的禁带就出现在两者的公共区域0 4 7 到o 5 3 之间，见 图中深颜色的带状区域。设计天线的工作频率，使其落在禁带之内，就会对表面 波产生抑制，达到改善性能的目的。 浙江大学硕士学位论文 、衫 羹薏 l _ 一- 三声 笏 酞 夕 4 ：二= j = 2 f o i a z i z l t t i o l l l 一m o l m z m i o n i x - rj x ( c ) t e 和t m 波的p c 禁带图 图4 - 1 基底钻孔型光子晶体基底及其禁带结构 4 3 几种新型的光子晶体贴片天线 目前国际上已报道的光子晶体贴片天线主要有以下几种：一种是在基底内 钻一些周期性的孔结构 3 4 1 ，采用了这种光子晶体结构的贴片天线我们把它称 为基底钻孔型光子晶体贴片天线；另一种是在地面上腐蚀出周期性的圆或其它形 状的孔结构 2 8 1 3 5 】，称为地面腐蚀型光子晶体贴片天线；还有一种更为有效 和紧凑的结构，即高阻抗表面型光予晶体贴片天线，是利用与地相连接的矩形或 圆形金属贴片分别沿x 和y 方向周期性分布，形成一高阻抗的地表面，然后将介 质填充进去，贴片天线与该高阻抗表面位于同一平面，使结构变得紧凑，结果表 明这种结构能有效增强贴片天线的增益 2 9 1 3 0 1 。以上这些光子晶体贴片天线 中用到的光予晶体结构都对表面波呈现出完全的禁带( 包括沿着基底的任意一个 方向传播的t e 极化波和t m 极化波) 【2 5 】 3 4 1 。 更进一步的研究又出现了一种u c - p b g ( u n i p a l a r c o m p a c t p h o t o n i c b a n d a p ) 型光子晶体贴片天线，它是在接地的高介电常数基底上面围绕贴片四周腐蚀出 一层金属图案，其中每一个构成单元的连接支路以及单元之间的空隙相互连接， 形成一个二维l c 网络；与上一种情况相比，由于不需要与地之间钻金属孔相连， 这种结构的光子晶体贴片天线制作更简单，成本更低，并且可以用标准的单片微 波集成电路制造技术( m m i c ) 实现1 3 】【3 2 】。 浙江大学硕士学位论文 下边分别加以介绍。 4 3 1 基底钻孔型光子晶体贴片天线 基底钻孔型光子晶体贴片天线的几何结构图如图4 2 所示。它是通过在基底 上钻一些周期性的孔以构成光子晶体基底，并将贴片天线置于该基底上来实现。 文献【3 4 就采用了这种结构，计算结果表明这种光子晶体基底对表面波的抑制 非常明显，这分别可以从天线的方向图和电场的表面波图中看出，在天线的方向 图中，表面波引