（电磁场与微波技术专业论文）自定向天线技术研究.pdf

摘要 摘要 自定向天线是一个崭新的研究方向，它不仅可以降低射频前端系统的成本， 而且可以简化数据处理过程。由于它在高增益及自动波束跟踪方面的优越性能， 使得它在移动通信中有着广泛的应用前景。随着移动通信的迅速发展，自定向天 线技术的研究不仅有着重大的理论意义，而且具有巨大的现实意义和实际应用价 值。 本文的主要工作是对微带贴片天线进行分析，结合电磁仿真软件，设计了双 极化矩形微带贴片天线作为天线阵单元；基于相位共轭技术，对自定向天线进行 理论分析和设计，验证了两种电路结构的可行性。同时对相位共轭电路的部件之 一功分器进行了分析和设计。 首先，介绍了矩形微带天线的基本理论和微带极化天线，并结合天线小型化 的要求，设计了双极化矩形微带贴片天线作为单元天线。然后，讨论了自定向天 线理论，介绍了v a na t t a 天线阵列，并对已有的自定向电路结构进行了验证。同 时对电路中使用的功分器进行了仿真。最后，结论部分，提出进一步的改进措施， 并指出随后应开展的工作。 关键词：自定向天线矩形微带贴片双极化相位共轭 a b s t m c t2 a b s t r a c t b e i n gan e w f i e l do f r e s e a r c h , r e t r o d i r e c t i v ea n t e n n an o to n l ys a v e st h ec o s to f r f f r o n t - e n ds y s t e m ，b u ta l s os i m p l i f i e st h ed a t ap r o c e s s i n g b e c a u s eo ft h es u p e r i o r i t yi n h i g l lg a i n a n ds e l f - a c tt r a c e w a v e - p a c k e l i tw i l lb e w i d e l y u s e di nm o b i l c o m m u n i c a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h er e s e a r c ho f r e t r o d i r e e t i v ea n t e m l at e c h n i q u ew i l l p r e s e n ts i g n i f i c a n tv a l u eb o t hi nt h e o r ya n d p r a c t i c e t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：w i t l lt h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n s o f t w a r e ，am 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 da n dad u a l - p o l a r i z e dr e c t a n g u l a r m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai sd e s i g n e da st h ea r r a ye l e m e n t ；t h e na n a l y s i sa n dd e s i g no f t h er e t r o d i r e c t i v ea n t e n n ab a s e do nt h ep h a s ec o n j u g a t i o nt e c h n i q u ea r eu n d e r t a k e n ；a n d a ni m p o r t a n td e v i c eo ft h er e t r o d i r e c t i v es y s t e mc i r c u i ts t r u c t u r e - p o w e rd i v i d e ri s s t u d i e d f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo fr 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 aa n dp o l a r i z e d m i c r o s t r i pa n t e n n ai sg i v e n ，c o n s i d e r i n go fa n t e n n am i n i a t u r i z a t i o nr e q u i r e m e n t ，a d u a l p o l a r i z e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai sd e s i g n e da sa n t e n n ae l e m e n t s e c o n d l y , t h e r e t r o d i r e c t i v ea r r a yt h e o r yi sp r e s e n t e d 诵mt h ee m p h a s i so nt h et h e o r yo fv a na t t a a n t e n n aa r r a y , a n da l le x i s t e dr e t r o d i r e c t i v es y s t e mc i r c u i ts t r u c t u r ei st e s t e d ，s i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t yo fi t f u r t h e r m o r e ，a ni m p o r t a n td e v i c eo ft h er e t r o d i r e c t i v e s y s t e mc i r c u i ts t r u c t u r e p o w e rd i v i d e ri sa n a l y z e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n a c c o r d i n g l y a n df i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e da n dt h ea u t h o rp o i n t so u tt h e m e a n st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dt h ef e a t u r ew o r k k e y w o r d s ：r e t r o d i r e c t i v ea n t e n n a d u a l p o l a r i z a t i o n r e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pp a t c h p h a s eg o j u g a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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。 本人签名： 妞磋 日期伊i ；( 伽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密 号遵守此规定) 本人签名 导师签名 彭磐孝 日期喇乒 日期渊6 【 d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 的作用。由于人类社会生活对通信的要求越来越高，各国都正在致力于现代通信 技术的开发以及现代综合通信网的建设。 移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。顾名思义，移动通信就是通信 双方至少有一方在运动中进行信息交换。例如，运动着的车辆、船舶、飞机或人 与固定点之间进行信息交换，或者移动物体之间的通信都属于移动通信。 移动通信的历史可以追溯到2 0 世纪初，在1 8 9 5 年无线电发明以后，莫尔斯 电报就用于船舶通信。在1 9 2 1 年美国底特律和密歇根警察厅开始使用工作在 2 m h z 频段的采用调幅方式的车载无线电。在2 0 世纪4 0 年代中期到6 0 年代中期， 美国、加拿大、荷兰、原西德、法国等国家陆续开设了公用汽车电话业务。但是， 此时的通话接续主要是通过话务员人工完成的，采用大区制，可是频道很少，设 备使用电子管，较笨重，使用不方便，不保密，发展缓慢。 从2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代中期，由于出现了自动交换式的三级结构及 频率合成技术，可用频道数目增加，又使用了大、中区制，使频谱利用率有较大 提高，用户使用也方便多了。 从2 0 世纪7 0 年代中期开始到现在，主要是解决在频道有限的情况下，如何 进一步提高频谱利用率以增大系统容量。由此提出了小区制大容量系统，这种系 统是由美国贝尔实验室最早提出来的。它是蜂窝状移动通信系统，是一种全新的 更有效的信道频率复用系统。 随着通信技术的发展，人类对通信的需求越来越高：要求移动通信也能提供 综合化的信息服务；为了适应用户能随时随地进入因特网，就要求移动通信网与 因特网结合起来，实现无线宽带化；解决巨大的移动通信市场与频率资源有限的 矛盾。为了满足这些要求，第三代移动通信系统应运而生，也因其需要完成的任 务艰巨面面临着技术上的巨大挑战。 在军用和民用的移动通信中，研究具有波束形成能力的射频前端技术是无线 通信领域一个重要的研究课题。自适应天线技术、相控阵天线技术是目前研究最 为广泛的无线通信天线技术。然而对于自适应波束形成来讲，巨大的数据处理需 求对于适应大容量、超宽带、大范围的数字移动通信存在一定的困难；而相控阵 天线技术需要庞大的射频收发组件支撑，使该系统的复杂性和成本大大增加。基 2 自定向天线技术研究 于以上自适应天线所存在的缺陷，人们开始研究寻找一种低成本、紧凑型的波束 跟踪天线技术，因此自定向天线应运而生 自定向天线技术是基于相位共轭技术而提出的一种新型波束自适应天线技 术。根据天线所接收到的入射波信息，通过相位共轭电路自动将阵列天线波束指 向调整到来波方向上，以便于固定站与移动站之问通信链路的自动优化这种天 线技术的特点是不需预先知道来波角度，以便在每一个天线单元后面连接复杂的 数字移相网络进行波束形成，同时也不需要复杂的数字信号处理，因此当来波方 向不确定或波前不统一时，相比较于传统天线，自定向天线可取得最佳的性能。 同时，由于它可以克服由传播介质不均匀而引起的相位微扰，因此可作为一种性 能优越的高增益天线。 目前，这一技术研究的应用方向，主要是民用或军用需要高链路增益和自动 波束跟踪技术的移动单元与固定单元的通信系统设计中。它在微波、毫米波频段 的卫星与地面的移动通信、地面与地面移动通信中具有广泛的应用前景。应用白 定向天线技术，不仅可以降低射频前端系统的成本，而且可以简化数据处理过程。 并且由于它在高增益及自动波束跟踪方面的优越性能，使得它在移动通信中的应 用有着广泛的前景。因此，随着当今移动通信的迅速发展，自定向天线技术的研 究不仅有着重大的理论意义，而且具有巨大的现实意义和实际应用价值。 由于实验装置的建立是一个长期的过程，而且对实验设备也有比较高的要求， 而计算机仿真研究是一个方便而有效的手段，既可以对已有实验结果进行验证， 又可以在某些方面指导实验的迸行，因此对这种天线的计算机仿真是很有必要的。 1 2 国内外动态 自定向功能的实现，最初使用的是角反射器n 1 。但是由于角反射器的尺寸比 波长大得多且不易集成在电路中，这限制了它们在无线通信中的应用。 1 9 5 9 年，l c v a na t t a 弘j 提出了v a na t t a 阵列结构，该结构由成对的用等长 传输线连接、离阵列中心等距的天线构成，天线的接收信号由其对偶天线重新发 射出去，因此重新发射单元的次序是关于阵列中心相反的。但是这种阵列结构受 以下条件限制：入射波的波前是平面的，阵列是平面阵列。 在随后的数十年里，科学家们虽然做了大量的研究工作阻”1 ，但是自定向技 术并没有得到较快的发展。 在近几年，由于自定向天线的优越性能以及在电路结构、价格方面的优势， 国外相关的研究得到了很大的发展。从1 9 9 6 年开始，英国科学家s l k a r o d e 和 第一章绪论 v = f f u s c o i ”一卅对自定向的结构进行了改进，利用混频电路来达到自定向的目的， 并将它们应用到通信领域。2 0 0 1 年，美国科学家l e od d i d o m e n i c o i 冽对于直线 型、二维图型自定向天线阵技术进行了系统的研究，并建成了试验系统，用于c 波段的数字通信系统中；2 0 0 3 年，英国科学家b n a i r 和v ef u s c o i 圳研究了四单 元、二维、x 波段自定向天线阵技术，对无源相位共轭电路的设计提出了独特的 见解，对于极化分集和空间频率复用在通信中的应用提出了新的技术途径。另外， c a l i f o r n i a 大学的r y m i y a m o t o t 2 1 - 3 0 i 也系统地研究了自定向天线在无线通信系统 中的应用。所有这些研究都为自定向天线应用推广提供了多种途径。目前，人们 研究的重点是如何实现宽频带、低成本、紧凑型的相位共轭技术，使得所研究的 自定向天线更具有实用性。 从目前发表的文献来看，这种天线的研究工作在近几年才有了一定的发展， 可见，自定向天线技术是一个崭新的研究方向。另外，由于自定向天线中相位共 轭电路本身的特点，它可实现对r f 功率的无线传输，并在传送过程中对r f 功率 进行放大，这也是近年来研究人员所感兴趣的课题之一。 国内对于自定向天线的研究还处于起始阶段，对其应用的领域也只有一个初 步的认识，未见有相关文献报道。本文通过各种途径对这种天线的技术性能，自 适应波束跟踪性能进行了仿真模拟，但这些工作还仅限于此项研究工作的起始阶 段。限于实际条件，目前还没有实验验证，对这技术的研究还需要做大量的理 论和实验研究工作。 1 3 本文的结构与安排 本文的主要工作是对自定向天线进行了研究，设计并仿真了双极化矩形微带 贴片天线，丽后将此天线作为自定向阵列的辐射单元，在此基础上引入了一种自 定向天线的设计方法，对阵列结构进行了计算机仿真。 第一章：绪论 阐述了自定向天线的研究背景及意义和国内外研究现状，以及计算机仿真的 必要性。 第二章：自定向天线单元理论研究 介绍了矩形微带天线的基本理论，用传输线模型法和空腔模型理论对微带天 线进行了分析，同时也对矩形微带贴片天线的性能作了分析，并根据天线结构小 型化的要求，提出了用矩形微带贴片天线作为自定向天线单元的设计方案，并确 4 自定向天线技术研究 定了天线单元的一些基本参数。 第三章：自定向天线单元的极化 论述了极化的概念及相关理论，介绍了一些微带双极化天线的基本形式，并 根据自定向天线阵列设计的需要，设计了双极化矩形微带贴片天线作为自定向天 线阵列的单元天线，并对该单元天线进行了仿真，给出了仿真结果。 第四章：自定向天线理论 讨论了自定向天线的自定向性和相位共轭条件，并介绍了v a n a r i a 阵列，为 下一章讨论自定向结构奠定基础。 第五章：自定向天线与相关仿真 引入了v a na r m 自定向天线阵列，用双极化矩形微带贴片天线作为该阵列的 单元天线，对由该阵列组成的自定向收发阵列进行了仿真验证，结果表明，我们 所选用的自定向阵列具有良好的自定向性能。此外，还对基于外差混频的自定向 天线进行仿真。同时，对于自定向电路中所使用的功分器，我们也进行了仿真， 给出了相关结果。 第六章：结束语 总结全文，并提出了今后有待解决的一些问题，展望这一课题的前景。 第二章自定向天线单元理论研究 第二章自定向天线单元理论研究 随着通信技术的发展，天线的小型化是一个必然的趋势。在自定向天线阵列 中，根据天线小型化的要求，我们选用矩形微带贴片天线作为单元天线。在此， 我们对矩形微带贴片天线理论进行分析和研究。 2 1 微带天线工作原理 2 1 1 微带天线的辐射机理 微带天线的基本原理可由考察矩形微带贴片来理解【”1 。如图2 1 ( a ) ，贴片尺寸 为w l 介质基片厚度为h ( h 凡) ，厶为自由空间波长。微带贴片可看作宽矽 长工的一段微带传输线，其终端( 边) 处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取 l * 以2 ，t 为微带线上波长，于是另一端( 形边) 处也呈电压波腹- 此时贴片与 接地板问的电场分布如图2 1 ( b ) 所示。该电场可近似表达为( 设沿贴片宽度和基片 厚度方向电场无变化) e = e oo o s ( 掣l ) ( 2 一1 ) 上 h t n e l 弓j千kl l of ： ( a ) ( b ) 图2 1 矩形微带天线 天线的辐射由贴片四周与接地板问的窄缝形成。由等效性原理知，窄缝上电 场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为 m j - - - - 卉x e ( 2 一z ) 6 自定向天线技术研究 式中，e = 姐。，量是x 方向单位矢量，南是缝隙表面( 辐射口径) 的外法线方向单位 矢量。这些等效磁流的方向已在图2 1 上用虚线标出。可以看到，沿两条边的磁 流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向( z 轴) 同相相加，呈最大值，且随偏离此 方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条_ l 边的磁流都由反对称的两个 部分构成，它们在日面( x z 平面) 上各处的辐射互相抵消；而两条三边的磁流又彼 此呈反射对称分布，因而在e 面( 捌平面) 上各处，它们的场也都相消。在其它平面 上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条缈边的辐射相比，都相当弱。 由上分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿边的缝隙产生，该两边称为 辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地 板的效应近似等效于引入磁流m 。的正镜像。由于h 无，因此它只相当于将肘。加 倍，辐射图形基本不变。 2 1 2 微带天线的分析方法 天线分析的基本阔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 可分三类。最早出现也最简单的是传输线模型理论，主要用于矩形贴片。更严格 更有用的是空腔模型理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于 波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法，郎全波理论。在本文的设计 计算中主要用到传输线法和腔模理论法。接下来将讨论这两种方法。 2 2 传输线模型法 7 瓦 卜一王叫 c 轴 g 图2 2 矩形微带天线的传输线模型 分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型是传输线模型。它 首先由芒森在1 9 7 4 年提出，后又由德纳里德( a g d e n e r y e d ) 等人作了发展。该模型 第二章自定向天线单元理论研究 7 将矩形微带贴片看成场沿横向( 边) 没有变化的传输线谐振器。场沿纵向( l 边) 呈 驻波变化，辐射主要由两开路端( 形边) 处的边缘场产生。因此，微带天线可表示为 相距的两条平行缝隙( 长矿宽 ) ，如图2 2 ( a ) 所示。缝平面看作位于微带片两端 的延伸面上，即是将开口面向上折转9 0 6 。 2 2 1 辐射场和方向图 图2 2 ( a ) 中y = o 处的缝隙，其上等效面磁流为： m ，= 一卉x i e = 多曼= 一三= 一z 华( 2 - 3 ) 矿 是缝隙的端电压。y = 工处缝隙的等效磁流为 m ，= 多量( 一e ) = 一三毛= 一z 挚( 2 4 ) 矿 可见它与y = o 处等效磁流同向。二者的合成场可得出： 占= 刚+ e 舭椰) = e e j ! l l i - i e n q z c 。s e f l 舭s i n 锱n 尹 ( 2 - 5 ) 柳。喇舭栅掣 考虑到疗“1 ，天线方向函数( 未归一化) 可表示为 脚，；掣 ( ；l s i n o s i n o ) s i n o c o s 寺k o l s i n o s i n 妒( 2 0 6 a ) f 徊，伊) = l _ - 一 i c o s 仃l h 面。9 ：。，：日。9 ，：竺( i 兰! ：1 1 。i n 口。：6 b ，h 面( 9 2 0 ) ： 日( 9 ) = 专c o 万s b 一8 i n 口 ( 2 - 6 b ) e 面( 矽= 争： 兄p ) = c 。s ( 丢三s i n 妒 ( 2 6 c ) 2 2 2 谐振频率和输入阻抗 当从辐射边对矩形贴片馈电时( 图2 2 ( a ) ) ，其等效电路如图2 2 ( b ) 所示。这样， 8自定向天线技术研究 将一条缝隙的导纳加上砼长为l 的传榆线焚歌后明另一缝隙导纲，慢得出，傲市大线 的输入导纳圪： 哪e 黜 式中l ：= q + ，吃。如果用延伸长度来表示电容效应，则可获得更简便的计算公式： 圪= q + t 黔器告端 ， 谐振时，圪的虚部为零，得= 2 q 。谐振长度为 k 索- z 扯赤之越 ( 2 - 9 ) 2 0 e 。2 矗0 t 由此得天线谐振频率五的计算式如下： 驴瓦蒜 ( 2 - 1 0 ) 2 3 空腔模型理论 腔模理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的。实际上，谐振式微带天 线的形状与微带谐振腔并无显著区别，因此借助于谐振腔理论是很自然的。它的 一般方法是，规定腔的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频率、 品质因数和输入阻抗等。把这种方法移植到微带天线中来，称为单模理论。作为 此法的改进，发展了多模理论，它把腔内场用无限正交模表示，因而就能较准确 地代表腔内场。空腔模型已成功地用于精确计算厚度不超过介质中波长的百分之 几的微带天线特性。 2 3 1 腔模理论的基本假设 如图2 3 所示微带贴片天线，微带片和接地板之间的盒形区域可看作谐振腔： 它的上下壁为微带片和面积相同的接地板，周围的柱形面为侧壁。 第二章自定向天线单元理论研究 9 ：薯聋蓐摹：e ：珏砖! = l ；：= 蓼= = = l 图2 3 空腔模型几何关系 在分析腔内场时，基本腔模理论作如下假设： ( 1 ) 由于腔高度h a ，可认为腔内电场仅有丘分量，并且置不随z 而变 磁场只有z 和风分量，且假设好，= 0 ，即腔内只存在对z 的t m 型场； ( 2 ) 在微带片的四周边缘处电流无法向分量，即边缘处切向磁场为零，故谐 振腔可视为上、下为电壁，四围为磁壁的腔体。 上述基本假设若用更严密的理论来检验，不难发现其近似之处。因为微带片 内壁面的电流可通过周界流向外壁面，因此在周界处内壁面法向电流严格说不是 零，只是在h “a 条件下接近零。由上述讨论不难看出基本的腔模理论应用上的 限制， 丑的条件是很重要的。 2 3 2 内场 当谐振腔内或其周界上有激励源正时，则腔内电场t 的波动方程为： 呼2 + k l 、e 。= j p 0 ： 现将巨展开为正交模无穷级数，即令 e = 如 其中满足齐次波动方程及腔的边界条件，即有 ( v 2 + 镌) = o 8 v 。| a n = 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 1 0 自定向天线技术研究 利用格林第二恒等式 f 2 妒妒2 砂= 炙警一声等) 出 g 一- 令乞= ( + 表示共轭) ，矿= e z ，v 为腔的体积，而s 为其包面，矗为s 的外法 向单位矢量。将式( 2 一i l ) 和式( 2 1 3 ) 及边界条件代入，可知式( 2 1 4 ) 右端为零，得 厶= 鲰走爰謦 s ， 式中 = i 以以。d s ( 2 1 6 ) = l 吒凼 ( 2 1 7 ) 将式( 2 一1 5 ) 代入式( 2 1 2 ) 得 巨= 魄仇善军惫老芳 s ， 辱 打一点m 口脯m ， 式中已代入d = k ，= 心岛= 1 2 0 ，r ，k o = 2 州九。k 是谐振模的截止波数， 为实数，由天线尺寸和模序号埘，n 决定。当工作频率选得使t 很近于某置。时，分 母上的盂2 一礁很小而使第( m ，n ) 项振幅变得很大，内场基本上就由这个项决定。 这时我们就说该天线对删。模谐振。其次，该式也表明，对任一分布，不同 的，位置( 激励条件) 将导致不同的激励振幅( 展开系数) ，从而将得出不同的内 场。 对规则形状贴片，一般可利用分离变量法解出及相应的k 。，对于矩形贴 片： 。= c o s 等c 。s 孚 ( 2 19 ) k = 瞬m z r ) 霭2 + l m r ) ( 2 2 0 ) 对于如图2 3 所示的馈源为同轴探针时，它可表示由接地板流向贴片的z 向电 流和接地板上同轴开口处的小磁流环。后者很小，可以略去；前者可等效为中心 在点( x 。y o ) ，x 向宽为哦的电流片。设总电流为i o ，即有： 第二章自定向天线单元理论研究 以：j 老，一手 工 矗+ 了d o ，y = 。：圳， io ，其它 将式( 2 - 1 9 ) 和( 2 - 2 1 ) 代入式( 2 1 6 ) 及( 2 1 7 ) ，得 式中l ( x ) = s i n 吖工。 “吒) q c o s 孚麟鲁c o s 争 = c m ， oc o s 了m ；r x oc o s 乎厶( 警) ( 2 - 2 2 ) ( 吒) = 吒f c o s 2 等皿r 争 (2彩)wl n 2 p ， ：l ”瓦石 = 譬譬 e = 风厶莓莓盟铿警咄( 等) s ， 则办，。模的谐振频率可由式( 2 - 2 0 ) 得出( 取毛i = ) ： 如= 彘赙强 用占。代替，往往能获得更近于实测结果的谐振频率值，即 小隶赋书 2 3 3 输入阻抗与品质因数 ( 2 - 2 6 1 ( 2 2 7 ) 馈源处的激励电压v o 除以电流厶便得出天线输入阻抗乙。设馈源模型为有一 定宽度的电流片，可将宽度上的电压平均值取作，即 1 2自定向天线技术研究 v o = 一h e , o 置。是疋在馈源宽度上的平均值，于是利用式( 2 - 1 8 ) 得 乙= = 鲰荔螽躁 式中。是在馈源宽度上的平均值。 用上式计算时，实际上并不能得到正确的阻抗特性。这是因为，当对某觋f 。 模谐振时，上式分母磕一k 2 = 磕一k o 0 一t a n 万) 很小( 主要与t 撇占有关) ，使这 一项起主要作用。然而，这里t a n 6 只计入了介质损耗而并不包括大很多的辐射损 耗。这样，在t a n 6 计算上的可能误差就将大大影响阻抗值。从另一方面来说，空 腔谐振特性与其q 值( 即品质因数) 有关。对于只有介质损耗的理想空腔 q = l t a n 占。这里t a n6 是介质损耗角正切而未考虑其他损耗效应，因此所得空腔 品质因数值是过高的。这就是说，现在所研究的是具有辐射损耗的漏波空腔。若 作为理想的封闭空腔来处理，必须计入全部损耗来得出q 值。为此，我f f 弓l x 等 效损耗角正切t a n = l 9 ，这里是计入全部损耗后的q 值，相应地，用，来代 替式( 2 2 9 ) 中的女，即取 2 k 如( 1 一j t a i l ) ( 2 3 0 ) 式中 t a n 蝣= 否1 = 西1 + 西1 + 西1 ( 2 - 3 1 ) 其中q ，q 和q 分别为辐射、介质和导体损耗所引起的相应的q 值，分别等于 q = 等 ( 2 - 3 2 ) 幺5 丽1 ( 2 - 3 3 ) q ：= h 0 “n a f a c 2 - 3 4 ) 因此，利用式( 2 - 2 5 ) ，并用来代替七后，得 第二章自定向天线单元理论研究 2 4 1 基片材料 乙= 风编一荟案学名( 剥 2 4 矩形微带贴片天线的性能分析 确定微带天线形式之后就应选定介质基片，因为基片材料的，t a l l 5 和厚度h 将直接影响微带天线的性能。采用较厚的基片，可以得到较宽的频带，效率也较 高，但形凡即电尺寸过大会引起表面波的明显激励。通常，天线电厚度较可取的 最大值约为彰凡z0 2 。采用较高的，微带天线的尺寸较小，但带宽较窄，e 面 方向图较宽。当减小时，可以使辐射对应的q 下降，从而使频带变宽。t 降低 还将减小表面波的影响。 2 4 2 贴片宽度形的选取 在确定矩形微带贴片单元形式和介质基片参数、t a n 万和h 之后，就可以决定 贴片单元的宽度。因为对于工作于主模t m o 。模的矩形微带贴片天线长度近似为 以2 ，而介质内的波长磊= 磊t 这里乞为介质基片的有效介电常数，由边缘 效应决定，由施奈德得到的的经验公式为： 乞= 掣+ 半( t + 警) 1 式中矿是一个宽度的度量，既可以是宽边，也可以是窄边。由此可见t 和h 确定 后，乞就由宽度决定了。同时贴片单元长度上的尺寸又取决于乞，因此，的 尺寸对微带天线的方向图宽度、方向性系数、辐射电阻和输入阻抗都有影响，进 而也就影响频带宽度和辐射效率。另外的大小还直接决定了微带天线的总尺寸。 选取较大的矿对频带宽度、辐射效率和阻抗匹配都有好处。但为了防止产生高次 模引起场的畸变，宽度的尺寸不得超过下式给出的值： 1 4 自定向天线技术研究 轰( 型2r ( 2 - 3 7 ) 2 五l j 7 式中c 为光速，五为谐振频率。由此可见，w 总是小于凡2 的值。 2 4 3 贴片单元长度的确定 矩形微带贴片天线的长度工在理论上近似为a d z ，但工程实际上由于边缘场 的影响，在确定工的尺寸时应从t 2 中减去2 址。址的值由下式给出： 于是 等= 0 4 1 2 芒躺2 5 8 蔫) ( 黑 研 矗 ( 一o 吲磊+ o 8 ) 、 7 = 。5 以一2 越 或 上。西南i 一2 能 ( 2 - 3 9 ) 由此可见三不仅与、w 有关，还与厚度h 有较大关系。 2 4 4 频带宽度b w 频带窄是微带天线的主要缺陷之一。线极化微带天线输入阻抗对频率的敏感 性远大于方向特性对频率的敏感性。因此，天线的频带宽度通常以驻波系数v s w r 值小于某给定值对应的频率范围来规定，即 b w = ( v s w r - i ) ( q q v s w r )( 2 - 4 0 ) q 即总的品质因数。通常，由于实际的幺、2 ) q ，则天线的总q 值将近似等于 天线辐射损耗的q ，值，即 q “q ，= 等( 2 - 4 1 ) 通常q = 1 0 1 0 0 ，故微带天线带宽约为o 7 7 ，可见其是窄频带天线。 第二章自定向天线单元理论研究 2 4 5 波束宽度 根据传输线模型法的分析，矩形微带贴片天线的面方向图与两辐射边间距三 有关对于同一工作频率，采用不周的基片材料，贴片长度三将有不同的值， 所以e 面的波束宽度就不同。 c 芋，- 争 采用图2 4 所示坐标，得到e 面( 矿9 0 。) 的归一亿方向性函数为 删胁s ( 等咖护) 日面劬= 萨) 的归一化方向性函数为 f ，丹、一s i n ( - 半s i ne ) c o s e 乃印2 豆磊一 z ，；= z c 。s i 7 0 3 ”2 2 0 05 = 2 c o s 一 1 v 2 。 l 厕 l 2j j r 2 4 2 ) ( 2 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) 1 6 自定向天线技术研究 由于基片的和 不同，将使乞和以不同，最终使贴片长度l 也就不同。所以将 影响五面的波束宽度。不难看出，愈低，e 面的波束宽度就愈窄。因此，采用 低t 的基片，不仅对展宽频带有利，同时还可锝到较窄的面方向图和较高的增 益。由( 2 4 5 ) 式可见，贴片宽度矿将直接影响日面的波束宽度。 因为传输线模型没有考虑地板影响，由式( 2 3 6 ) 计算得到的日面半功率波束宽 度偏大，不过，增大宽度肜可以使日面波束宽度变大。 2 4 6 方向性系数、增益和效率 矩形微带天线的辐射可以认为是由两个相距磊2 的开槽天线辐射的叠加根 日：警2j l e = _ e ：可4 w 2 t t 2 ， 日2 1 丽矿厂。2 了f ( 2 蛳) = p ( 华) 2 卿n 伽 d ：旦( 2 - 4 8 ) 式中g ，：为归一化互导纳，可根据下式计算 = 击r 蜘l , 警c o s 护卜酾厶( 等s i n 妒) g 式中g l 为单槽的辐射电导，山( x ) 是以x 为自变量的零阶贝塞尔函数。 微带天线的增益等于 g = 打d 式中天线效率 叩2 可百a r 石t 。 ( 2 - 4 9 ) ( 2 - 5 0 ) ( 2 - 5 1 ) 第二章自定向天线单元理论研究1 7 当然也采用下面近似公式估算方向性系数 w 旯时，d 8 w x 2 4 7 馈电方式的选择与阻抗匹配 微带天线的馈电方式通常有侧馈、底馈和电磁耦合馈电三种形式。侧馈是指 用徽带线馈电，馈线与徽带贴片是共面的，因而可方便地一起光刻，制作简便。 但这时馈线本身也要引起辐射，从而干扰天线方向图，降低增益。且通常侧馈要 采用阻抗变换器进行匹配，这不仅增大了面积，而且对频带宽度也是一个极大的 限制。采用电磁耦合馈电计算较烦，误差较大，而且不易调节。底馈是采用同轴 线馈电，其优点在于：( 1 ) 可选在贴片内任何所需位置，无需阻抗变换器，易于 实现匹配；( 2 ) 同轴电缆置于接地板下方，避免了对天线辐射的影响。因此，在 频带宽度要求较宽时，采用底馈是较合适的。 由工作于主模的矩形微带贴片的场结构可知，沿长度方向的谐振输入电阻从 侧馈时的最大值到中心时变为零，即 置。= 磷e o s q r y l )( 2 - 5 2 ) 式中为侧馈时的输入电阻，为底馈时离侧馈边的距离。由此，便可根据要求 的输入电阻设计一个儿值，而省去了阻抗变换器。 2 5 微带贴片天线单元的设计 根据2 4 节的分析，对天线尺寸进行了初步设计。但是，由于传输线法和空腔 模理论本身的局限性，在处理电气上厚的基片时，上述方法误差很大，适用范围 有较大的局限性。因此我们使用基于有限元法的高频专用分析软件a n s o f th f s s 对微带贴片天线进行了仿真和优化。基片选用相对介电常数e = 4 8 的酚醛树脂， 厚度为h = 2 r a m 。 2 6 本章小结 本章介绍了矩形微带天线的基本理论，用传输线模型法和腔模理论对微带天 线进行了分析，讨论了参数对天线性能的影响，根据天线结构小型化的要求，提 自定向天线技术研究 出了用矩形微带贴片天线作为自定向天线单元的设计方案，研究了设计方法和步 骤，选用了合适的基片，为下一章对天线单元的仿真奠定了理论基础。 第三章自定向天线单元的极化 1 9 第三章自定向天线单元的极化 在自定向天线中，为了减小天线馈电闯的影响，增加天线的隔离度，我们对 上一章所选用的矩形微带天线采用极化形式，使水平极化波跟垂直极化波分开。 在此，我们对天线的极化进行初步研究，并对自定向天线单元进行了仿真，给出 了仿真结果。 3 1 极化的基本概念 所谓极化，它反映的是：空间电磁波的时变电场矢量的幅度大小和方向随传 播方向变化的情况”“。而天线的极化则定义为电磁场电场分量相对于地面的方向。 如果无线电波是通过空间传播，并且它的电场方向与地面垂直，我们称之为垂直 极化波：同样，如果电磁波的电场方向与地面平行，我们称之为水平极化波。此 外还有其他极化方式：椭圆极化和圆极化等。而圆极化和椭圆极化又可分为左旋 ( 逆时针方向旋转) 极化和右旋( 顺时针方向旋转) 极化。 具体天线系统采用的极化方式是不固定的，它通常取决于电波频率、发射天 线类型、天线距地平面高度等。在电波接收时，一般需要接收天线与空间电波的 极化相同才能获得最佳接收效果。天线主副瓣极化会有区别，主瓣内通常极化特 性相对保持不变。通常我们说的天线极化，是指天线在最大辐射或者最大接收方 向上的主极化。因此，在传统的单极化收发系统中，电波信号的发射与接收通常 存在一个天线的极化对准匹配的问题。而天线实际在辐射电波时除了主极化波外 还会辐射与之正交的极化波，我们称之为交叉极化或者寄生极化。交叉圆极化的 旋向是与主极化波的极化旋向相反的。通常交叉极化是要设法避免和减少的，因 为交叉极化波会带走部分能量，降低天线的效率。但是有些情况下，交叉极化又 可以在工程上加以利用，比如：收发天线或双频共用天线就是利用了主极化和交 叉极化相隔离的特性，从而达到收发隔离或双频隔离的目的。 传统单极化收发测量过程依赖极化对准和天线特征角，属于标量测量，并且 有信息丢失。而采用相干正交极化分集发射接收方法的矢量测量可以获得包括极 化信息的所有信息。理论上可以通过辐射两路正交极化波到目标物体上，测量接 收正交散射回波来计算目标散射矩阵从而获得目标回波的极化特征。 目标回波的不同极化特征可帮助分类和识别目标。利用目标回波中的极化信 息，现代雷达对海、陆、空目标的探测能力将更强，对云雨雾障碍折射、反射和 认为干扰的抗干扰能力也大大提高，还可以根据目标回波极化特征更准确地识别 自定向天线技术研究 目标。 3 2 极化相关理论 辐射波的极化反映的是空间电磁波的时变电场矢量的幅度和方向随传播方向 的时变的特性。 y e 疋j 飘 v | a ， 。夕 ( ， 、( x 图3 1 椭圆极化参数示意图 如图3 1 所示，取三维直角坐标系，并将电波传播方向定义为坐标z 轴。在 空间传播的平面波，其电场矢量位于同传播方向相垂直的波前平面内，而电场矢 量的取向，可在胛平面内取0 到2 万范围内的任一角度。该矢量取向和长度随时 间的变化，组成两维空间内的一个连续极化域。在空间某点沿z 轴方向观察到的 电场矢量的时变轨迹曲线即为极化曲线。我们按极化曲线的形状来命名极化，描 述极化特征。电场矢量端点的瞬问空间分布轨迹可以分为三种形状：线、圆、椭 圆，因此电磁波的极化方式也有三种：线极化、圆极化和椭圆极化。前两者其实 是后者的特殊情况。椭圆极化波可以分解为两个同频线极化波，也可分解为两个 同频反旋向的圆极化波。反之，同频极化波或同频反旋向波也可合成椭圆极化波。 定义椭圆极化的主要参数包括：极化倾角r ，也即椭圆长轴的倾角( 0sf 神、 极化椭圆的长短轴之比，简称极化轴比p ( o s o o ) 、旋向6 ( 椭圆极化波电场矢 量的旋转方向，正代表左旋，负代表右旋) 。如上文所述，其实电磁波极化的一般 状态都可以用椭圆极化来定义：各种不同方向的线极化。是妒= 0 或0 0 ，f 取某一 特定值时的极化特例。水平和垂直线极化，又是线极化族中f = o 或疗2 时的特例。 左旋和右旋圆极化，是f 取任意值而p = - + 1 时的椭圆极化特例。 当将电场矢量按极化基( 两个相互正交的极化状态) 进行分解时，可用j o n e s 第三章自定向天线单元的极化 或s t o k e s 矢量两种形式表达某种极化状态。常用的正交基有水平线极化和垂直线 极化基，左旋圆极化和右旋圆极化基。我们以水平线极化和垂直线极化为基来表 述某个电场强度为e 的电磁波的极化状态 ( 1 ) 线极化j o n e s 矢量描述： 正交线极化基时，电场e = 巨，e ， 7 = i e i c 。s 砺s i n 伽押 7 ，其中口为矢量的绝 对相位，妒为乓超前e 的相位，妒为正值时表示左旋，负值时表示右旋。j o n e s 矢量的两个分量之比我们称之为复极化比：p = 。e - t 阡e f = 锄口e 如，由极化 比的虚部也可以看出极化的旋向：i r a ( p ) 0 ，右旋；反之左旋。由口和p 按下述 关系可导出的另两个参数2 r 和2 d ( 即极化球的经度和纬度) ： t a n 2 f = t a n 2 a c o s ( p ，s i n 2 j = s i n 2 a s i n q ，。 ( 2 ) 线极化基s t o k e s 矢量描述： 当以功率形式表达电磁波极化状态时，我们使用s t o k e s 矢量描述极化状态， s t o k e s 矢量为t = 阢，五，正，瓦】7 。其诸元与正交极化基的j o n e s 矢量诸元的关系如 下： 磊= 乓e + 日譬= 阪f 2 + 眩1 2 - - i e l 2 ( 3 1 ) 互= e e 一号e = 旺1 2 一l q | 2 ( 3 2 ) 五= 疋e + e 髟= 2 1 巨1 j 易j c o s 妒= 2 r e ( e b ) ( 3 3 ) 五= ( t e e 弓) = 2 眩i - i b i s i n 妒= 2 i m ( 巨易) ( 3 4 ) 其中，瓦代表电磁波的功率密度：s t o k e s 矢量参数诸元均为实数，且满足下列 关系式：露= 正2 + 2 + 正2 ，即四元中仅有三元独立。 3 3 微带双极化天线基本形式 双极化天线是双通道变极化系统的基础，它的应用很广泛： ( 1 ) 相对于单极化天线可以提高接收信号的灵敏度； ( 2 ) 利用正交极化无相互干扰特性，可以实现频率复用，提高通信容量； ( 3 ) 利用双极化天线