（电磁场与微波技术专业论文）双极化微带天线的研究与设计.pdf

南京理工大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 abs tract in re c ent y e az s ， the v 面a b l epol arizat 1 0 ntec恤q u eh as becom eawidely 一 us ed technol o gy in住 d arand e lectr o n i c j 山 n o 1 吨 ith 韶alro id y b een a re se archi nghots pot in m d ar，el ec troni c w a x and o t h e r techno fo gi es . t h e v 面ablepo a d 双 川a 川 e nna te c l川 01 o gyis the fo rl ando f the re se a r c h . inthis 此si s，fi r s t o f all， the p ar aj 旧 e t e r o f the a n t e n n ais p r e s e n t e db as e d o n th e di sc uss l n g o f the m i c ro 而p a n te n 刀 目desi gnt h e o ry， we stud y the d ual 一 po】 a ri ze dmic ro s l ri pa n 让 川 叮 a . wn hthe he场。 f the 彻1 -wavesi m ul ation ie3 d ， we d es i gn，s i m u l ate andat u d ythe d u alsi de一 介 dd ua】 一 幼z e dsq“ 盯 ep at c ha n t e n 们 氏an a n t e n n a u n l t isd es i 即e d ， 助di tsc e n t erfr e q u e n c y i s s. 7 5 g h z . t 七 e c b ar 朗t e ri sticsofthe ant e n n a uni t are ana l y se 氏i nc l uding帅ut而ped ance ， s p 种 e t e r ， v s w r ， porti so l at io 氏 p a tt e mandb and诫d t h . ino r d e r toboo stthe p l usof奴 朋t e nna，a 4unitssi 血一 fe d d u a l 一 pol ariz ed m i c ro s t ri pa ni e n n a即 rr ay isdesi gne dands 而u l 时 e d . t 七 e pl us i n c r e a s es d r ama t l c al l y.ailas t ， th e t est t b e o ryof奴 a n t e nna isi n trod u c e d and the 4 u n i tsm ic ro s l ri p a n t e n n a istes t e d k e y w0 r d s :dua l 一 p o l 丽zed ， m i c r o s t r 1p a n t e nna ，a n t e n n a 印 汀 a y 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已在论文 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 南京理工大学硕士学位论文双极化微带天线的 研究与设 计 1 绪论 近年来， 在电 子对抗， 雷达千扰、 抗千扰系统中， 变极化技术已 成为一项应用比 较 广泛的技术， 成为雷达、 电子战诸多技术中的一个研究热点。 而变极化技术的重中之重: 天线的极化变换技术更是研究的前沿。 我们知道，在雷达、通信、 航空 航天及遥控遥测等系统中，目 标的反射特性、电 磁波的传播和信号的接收性能均与波的极化形式有关。天线极化匹配良 好与否，系统 的效果迥然不同。因此，为适应现代信息密集多变的特点，对天线的快速极化切换的 要求日 益迫切。一副天线仅具有一种极化， 效能概率低，已 不适应现代系统的 使用要 求。而使用变极化技术的天线可在这些领域更好的发挥作用，特别适用于高速运动平 台。同 样的，在千扰、抗千扰中 使用变极化天线，也可自 主的通过与干扰波或抗干扰 波的极化正交来进行抗干扰和干扰。 根据变极化的这些特点，变极化天线技术也可应用于运动平台的微波近感探测系 统中.运用该技术的移动微波近感探测系统同样也将有良好的抗干扰能力，而且可以 根据不同极化波的发射接收，更为准确地确定目 标距离、校正移动和探测方向。 基于对极化信息重要性的深入认识，变极化技术在战争中隐身、反隐身和干扰、 抗千扰开始得到了相应的 运用。随着技术进一步发展，战争又对极化系统提出了 更高 的要求:体积小，功耗低，抗过载性能好等。因此，本论文以近感探测系统天线的研 究为背景，主要着重于变极化系统中变极化天线的小型化这一难点，研究可实现变极 化系统的微带正交线极化双馈天线。 1 . 1 极化技术的发展 在无线电 探测系统中，目 标回 波中包含有幅度、 相位、 频率、 波形以及极化五个特 征信息。 其中对前面四个特征信息的研究己趋向成熟， 也建立了较完备的理论体系。 但 是对目 标回波极化的研究起始于半个世纪之前， 起步较晚， 直到近十余年才取得了些实 用成果。 电磁波的极化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时间变化 的情况。 对于电磁波的极化研究较早， 但对目 标回波极化特性的研究起步较晚。 早期的 研究始于 50 年代初期 的雷达极化领域。 最早的 研究者有辛克莱尔( q s incl air) 、德尚 (qa. desc h amp s) 、肯瑙夫 伍 一m .k e nn a u gh) 、穆勒归.m ue n er) 和稍后时期的 布里舍 ( b ri c hel ) 。其中，5 诚1 血 在1 9 50年首次提出 极 化散射矩阵的概念，目 标作为极化变 换器， 其特定姿态和辐射源频率下的极化散射特性可以 用一个复二维散射矩阵表示; 南京理t大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 k e nna u g h 在19 52年提出了目 标最佳极化的 概念， 指出 存在对应于雷达接收信号最大、 最小能量的雷达收发的几种极化状态， 更是提出了零极化描述法， 建立了雷达目 标极化 的基本理论，成为了雷达目 标极化研究的奠基者。 从五十年代初到六十年代， 目 标极化特征的研究成为国际上的一个热点。 处在研究 前沿的英美出现了 对目 标和杂波的多极化测量方面的研究， 虽然这些研究在理论方面的 突破都比 较有限， 但却很好的促进了 极化测量技术的发展和极化测量仪器的 研制， 为深 入研究极化做出了有益的前期工作。 但在此后的很长一段时间里， 由于在极化理论和实 用方面无法取得有说服力的成果， 对极化目 标依存度现象无法给出完整合理的解释， 加 之极化控制设备复杂，极化测量的代价大，极化研究陷入一个低潮。 19 70年， j. 凡 h o y n e n 提出了 雷 达目 标 极 化 现 象 学 理 论， 使 极 化 研究 进 入一 个 新 阶 段， 给目 标极化理论带来了新的动力. 在总结极化的基本概念及前人成果的基础上， 他 引入了极化叉这一新理论，对特征化极化予以了发展。 近十几年来， 随着双极化天线和极化合成技术的出现和研究， 极化研究再次成为热 点， 极化研究又进入一个新的高潮期. 随着极化理论以 及极化测量技术的快速发展， 甚 至形成了专门的 新兴学科: 微波极化测量学 ( 而c ro wavep ol arim e t ry) ， 促进了 极化、 变 极化技术的发展。 在实际应用中， 变极化和多极化技术已 应用于气象雷达; 而随着现代战争对通信和 电子对抗的重视的升级， 变极化技术作为一项重要的干扰、 抗干扰技术， 也成为了军事 科研领域的一个研究热点: 变极化雷达技术在对付极化隐身中得到发展， 而极化自 适应 隐身技术又在对付变极化雷达探测中得以提出。当今的变极化技术的研究正朝着小型 化、自 适应、捷变的方向发展。 1 . 2 变极化技术的应用前景 19 70 年， j. r. h u y n e n提出了 雷 达目 标极化 现象学 理论， 其关于雷达目 标极 化 特性 的研究使极化研究进入一个新阶段。 在总结极化的 基本概念及前人成果的基础上， 他引 入了极化叉这一新理论， 对特征化极化予以了发展。自 此， 极化研究又进入一个新的高 潮期。 随着极化理论以 及极化测量技术的 快速发展， 甚至形成了 专门的新兴学科: 微波 极 化测 量学 ( 而c ro wavep ol anln e t ry ) ，同 样 促进了 极 化、 变极 化技术的 发 展。 在雷达气象学的 应用研究中， 由 于不同极化特征 在复杂云雨雾自 然条件下的传输情 况有不同， 单极化气象雷达已 不适合与 对环境复杂地区气候的测量， 科学工作者开展了 大量研究， 将双极化技术应用于气象雷达的; 而随 着现代战争对通信和电 子对抗的重视 的升级， 变极化技术作为一项重要的干扰、 抗干扰技术， 也成为了军事科研领域的一个 研究 热点: 变极 化雷达技术在对 付极 化隐 身中 得到发 展， 而极化自 适应隐 身 技术 又 在对 2 南京理工大学硕士学位论文双极化微带天线的 研究与设计 付变极化雷达探测中 得以 提出。 当 今的变极化技术的 研究正朝着小型化、 自 适应、 捷变 的方向发展。 1 . 3 本论文内 容安排 根据论文的 任务要求， 本文内 容作如下安排: 第二章:微带天线基本理论。 第三章:双极化微带天线及天线阵的设计与仿真。 第四章:天线的测量理论及双极化微带天线阵的测试。 南京理工大学硕士学位论文双极化微带夭线的研究与设计 2 微带天线基本理论 所谓微带天线，是在背面贴在带有 金属地 板的薄 介质基片 ( e r 簇10) 上利用光刻 腐蚀方法在介质基片正面形成特定形状的 金属辐射贴片。 通过微带线或同 轴线等 馈电 方 式， 微带天线的金属贴片与接地板间激励起电磁场， 并通过贴片四周与接地板间的缝隙 向 外辐射电 磁能量。 从 1 9 53年微带天线概念诞生到19 72年实际 的微带天线 研制成功之 后， 随 着理论逐 渐完善、 模型的 准确性提高以及介 质版光刻腐蚀技术的发展， 微带天线 技术在最近 2 0多年得到了广泛的研究和发展，已经形成了独立的理论体系，涌现出各 种形式的微带天线，并在无线领域发挥了重大的作用。如: 手机、 wl a n 、蓝牙等无线 通讯、卫星通讯、卫 星导 航、多普 勒及其它雷达、无 线电 测高、 无线指挥和控 制系 统、 导弹遥测、 武器 信管、 便携装置、 环 境检测仪表和遥感、 复杂天线的 馈电 单元等领域都 已经广泛应用到了微带天线。 微带天线 有多 种分类方式: 按结 构特征， 微带天线可分为微带贴片天 线和微带缝隙 天线两 大类; 按工 作原理， 微带天 线可分为驻波型 ( 谐 振型) 和行波型 ( 非谐振型) ; 按形状，微带天线又可分为矩形、圆形、环形、不规则形微带天线。 由于在一些军用领域， 如:引信， 制导系统等，对于物理尺寸的限制是系统设计要 重点考虑的一个因素。 将微带天线技术引入变极化技术领域， 主要是着眼于微带天线具 有体积小、 重量轻、 剖面薄、 成本低、 易于 加工、 易于共形、 易于集成， 易于获得多各 种极化等诸多独特的优点，解决天线极化和小型化的要求。 作 为天线工程七十年发展以 来的最新技 术， 微带天线大有逐渐替 代大部分常规天线 的发展趋势。目前微带天线的研究主要集中在以下几方面: ( 1 ) 、 基 本研究 热点: 带宽拓展、 增益 提高、 小 型化设计。 这些都属于传统研究热 点， 研究 方法、 内容、 成果都已 近成熟。 实现的方法可以 通过改 变介质板物理性 质， 贴 片形状、甚至和其他器件相集成等途径。 ( 2 ) 、 近年来的国 际新兴热点技术: 多频微带天线。 用于多频段工作的通讯系统提出工程要求: 设计可多频段工作的微 带天线。具体实现方法有:双模设计、双缝设计、加载电抗、多贴片、多层结构等。 分形天线。柯亨 ( n ath 阻 c o hen) 等人己经证明，最有效的宽频 ( b r o a d 七胡d )天 线， 其形状必须具自 相似性 一 也就是属于分形， 而且所占 空间最为紧密. 光 子 带 隙 (p ho to ni c b an d 一g 即5 姗 佃司 技 术 ， p b g 技术 应 用于 微 带 天 线 设 计 ， 可以 有效 减小高介电 常数厚基板带来的 表面波， 改善 天线效率和方向 图前后比， 也 可提高天 线带宽. 多极化设计。 如上节所述， 天线极化特性在 目 标识别和抗干扰应用方而存亦诸名伏 南京理工大学硕士学位论文 双极化微带天线的研究与设计 点， 在军事电 子对抗及气象天文 探测技术方面有较 大应用前景。 国内外大量的 文献摘要 表明 : 单微带天线元实现多极 化技术也 是微带天线 技术的 一个热点研究 方向。 实现多极 化的基础是实现正 交双极 化和圆 极化， 而实现的方 法无外乎单馈点和多 馈点技术。 本文 即将重点讨论的是微带天线的多极化设计。 2 . 1 微带天线的基 本电参数 二礼们 天线是无线电设备的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响无线电设备的性能。 人们用天线的电 参数衡量天线性能的 好坏。 对于无 源天线， 它是 一种互易结 构， 按互易 定理， 不论作为发射天线还是接收 天线， 天线的 电参数是相同的， 只是含义有所不同. 天线的电参数可以大致分为两个方面: 电路特性参数和辐射特性参数。电路特性参 数主 要包括输入阻抗、 效率、 带宽、 匹配程度 等， 辐射 特性参数主要 包括方向图、 增 益、 极化等. 以下 仅从发射天线出发讨论天 线的 基本电 参数。 由 于对微带天线电 路特性 参数 和辐射特性参数的测量都是建立在对天线输入端口5 参数的测量基础上的， 有必要在本 节中将 5 参数及二端口网络作为独立的一部分进行简要介绍。 2 . 1 . 1 微带 天线的 辐射参数 2 . 1 . 1 . 1 方向图 与方向 性系数 天线辐射的电 磁波能量 在空间的 分布是不均 匀的， 天线的辐 射方向性图( 简 称方向 图) 是用来表示天线的辐射参量随空间方位变化的图形。 这里的辐射参量可以是辐射的 功率通量密度、场强、相位或者极化. 不特别说明的话，辐射方向图是指功率通量密度 的空间分布或场强振幅的空间分布，即功率方向图与场强方向图。 在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面， 称为立体方向图或者空间方向图。 立 体方向 图形象、 直观， 但画 起来复杂， 实际中 常采用 平面方向图 ( 常用e 面和h 面方向 图) 来描述天线的空间 辐射特性。 方向 性系数， 也叫 方向 性增益， 是说明天 线将能量集中辐射的程度的， 它定 义为在 辐射总功率相等的情况下， 天线在某 个方向沪 ， 初辐射的 功率密 度s(夕 ， 树与 完全无方向 性的天线 ( 理想点源) 辐射的 功率密度50之比。天线的 方向性系数表征了 该天线在其 最大辐 射方向上比 起无方向 性天线来说把 辐射功 率放大的倍数。 也可以 理解为， 在同一 点产生相同 的 辐射场时， 无方向性天 线所需要的辐射功率与 有方向 性天线所需要的辐 射 功率之比。 一般来说，天线的方向性系数厌0， 妇是方向 的函数，不同 方向的 数值不同 。但 人 们主要关心最大 辐射方向的 方向 性系数， 在没有 特别说明 的情况下， 所说的方向 性系 数 南京理t大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 是指最大辐射方向的方向性系数 氏 2 . 1 . 1 . 2极化 极化是天线的一项重要指标，天线在某方向的极化是该方向所辐射电磁波的极化 ( 对发射天线) ， 或者为 天线在该 方向 接收获得最大 接收 功率 ( 极化匹 配) 时入射平面 波的 极化 ( 对接收 天线) 。天线的 极化与所讨论的空间 方向 有关， 通常 所说的 天线极化 是指 最大辐射方向 或者最大接收 方向 的极化。 在空间某点电磁波的电场定义为该电磁波在这一点的极化。 电场的指向就是该电磁 波的 极化方向。 电场矢量的指向不随时间 变化的电磁波 称为线极 化波。 电场矢量随时间 变化的矢量轨迹为一个圆或者椭圆的电磁波称为圆极化波或椭圆极化波。 圆极化波和椭 圆极化波还有旋向的不同， 若大拇指代表传播方向，电场旋向满足右手关系，称为右旋 极化波，满足左手关系则成为左旋极化波。 2 . 1 . 1 . 3增益 增益是天线的又一个重要参数， 它与方向 性系数有 密切的 关系， 其定义为， 在输入 功 率 相 等 的 条 件 下 ， 天 线 在(0 ，叻方 向 的 功 率 密 度5 (9 ， 司与 无 方向 性、 无 损 耗 天 线 的 功 率密 度50 之比 。 天 线 的 增 益 还 可以 理 解 为: 在 天 线的 最 大 辐 射 方向 某 一 点 ， 该 天 线 的 电 场强度与理想点源天线在同 一处产生 的电 场强度相同的情况下， 理想点 源天线的 输入 功率与该天线的输入功率之比. 通常所说的 天线增益是指天线的线 性增益， 通过简单的 公式推导可以 得到 增益的 表 达式: g= d* 甲( 2 . 1 ) 其中粉为天线效率。也就是说， 天线的 增益等于 天线的方向性系数与天线效率的 乘积。 方向 性系数 表征天 线辐射电 磁能量的集束程 度， 效率表征天线能 量的转换效能， 而天线的增益就可理解为标称天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。 2 ， 1 . 2微带天线的电路参数 2 . 1 . 2 . 1输入阻抗 在天线输入 端呈现的阻 抗称为 天线的 输入阻抗， 其数值上等于天线输入端的电压 u . 与电 流几之比 . 天 线 输 入阻 抗 除 了 取 决 于 天 线自 身 的 结 构 外 ， 还 与 工 作 频 率 和 周 围 环境有关。 除少数天线可以 获得输入阻抗的 严格理论解外， 大多 数天线只能采用近似求 解或者实验测定。 6 南京理下大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 由 传输线理论可知， 微波能量要想最大程度地得到传输， 天线与传输线必须有良 好 的阻抗匹配， 阻抗匹配的好坏将影响功率传输的效率、 整个系统的性能指标及稳定性程 度等。 对绝大多数微带天线而言， 由 于其固有的窄频特性， 输入阻抗随频率的变化最敏 感，阻抗匹配是天线设计中需特别注意的问题。 2 . 1 22效率 效率有辐射效率与天线效率之分。 由 于入射波反 射的存在， 天线不可能把把入射功 率全部提供到天线的输入端口 作为天线的输入功率， 同时， 天线不可能把从馈线输入给 它的输入功率全部辐射出去， 总有一部分要损耗掉， 如天线导线中的热损耗、 介质中的 介质损耗、地电 流的损耗以 及天线近旁物体吸收电 磁波引起的损耗等等。 为了 便于对概念的理解，先将天线有关的基本功率定义如下: 入 射 功 率凡: 指发 射 机等 提供 给 天 线 的 功 率 ; 反 射 功 率几: 指天 线 反 射回 来的 功 率; 输入 功 率凡: 指收 发 机 等 提 供给 天 线的 功 率 ; 损耗功率几: 指由 于导 线、 介质或 者德电 流 等 存在 而损耗的 功率: 辐 射 功率1，2: 指 天 线 把 发 射机 提 供的 功 率 中 扣 除 损 耗 辐 射出 去的 功率; 根据以上定义，很容易得到: 凡= p一 凡 = 几+ 几( 2 ， 2) 定 义 天 线的 辐射 效 率乳为 天线 的 辐 射 功 率px与 输 入 功 率凡的 比 值， 即 : ( 2 . 3 ) 定 义 天线 效 率刀 为 天 线的 辐 射 功 率凡 与 入 射 功率凡比 值， 即: ( 2 . 4 ) 2 . 1 . 2 . 3带宽 天线的电参量几乎都与频率有关，电 参量随频率变化而变化就是天线的频率特性。 频率特性可以用带宽表示， 满足天线电参数一定要求的频率范围称为天线带宽。 对微带 贴片天线而言， 其辐射方向图类似于偶极子的 辐射方向图， 因此， 辐射方向图带宽、 波 瓣宽度、 副瓣电 平和增益不随频率发生明 显的变化。 然而微带贴片天线的 输入阻抗随频 率的变化很快， 限制了 天线单元与其馈线相匹 配的 频率范围， 常用阻 抗带宽来定义微带 天线的带宽。在许多场合， 经常用天线的电 压驻波比(vs wr) 表示天线的带宽为: ， 二 = .塑 塑 里( 2 . 5 ) q v 峪不 理 南京 理t大学硕士学位论文双极化微带天线的 研究与设计 其中: q 为贴片天线的总的品质因素。 对于微带 传输线 有: tan = 丢 甘= 互+ 瓦 十 瓦+ 其 中 : tan殊为 微 带 线 的 等 效 损 耗 角 正 切 : 9、 qc 止( 2 . 6 ) 公 、么、口 脚 分别为辐射损耗、 导体损耗、介质损耗以 及表面波损耗引 起的相应的品 质因 素. 谐振器的q 值可以 定义为谐振器存贮的能量与损 耗的功率之比。 微带贴片天线的窄 频特性是由 其高q 的 谐振本性决定的， 高的q 值说明 储存在天线谐振器中的能量比 辐射 和耗散的能量大得多。 2 . 1 . 2 . 4 微带天线的5 参量 自 从g uil lem in和f eld k ell erz 在电 子工程专业领域中引入单端口 及多端口网络模 型 引以 来， 在重组和化简复杂电 路以 及深入研究有源、 无源器件的特性方面， 这些网 络模型已经成为不可缺少的工具。 网络模型的众多优点包括可以大量减少有源、 无源器 件数目; 避开电路的复杂性和非线性效应; 简化网络输入、 输出特性的关系: 其中最重 要的是不必了解系统内部的结构就可以 通过实验确定网络输入、输出参数。 可以用网络的阻抗参量2 、 导纳参量、 h 参量以及a bcd 参量来表示基本的网络的输 入、 输出参数关系。 然而这些参数的测量是建立在对网络终端开路、 短路的基础之上的， 在实际的射频和微波系统之中已经不太适用。 而利用5 参量 ( 散射参量) 可以在避开不 现实的终端条件以 及避免造成待测器件的损坏的前提下， 用二端口网络的分析方法确定 极化所有的射频器件的特征。 5 参量表达的是功率波， 可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入输 出关系。5 参量的两端口网络模型示意图如图2 . 1 所示: 图21 两端口 网络5 参量的规定 在线性微波网络中， 由于归一化电 压和电流间呈线性关系， 波 间 也呈 线 性关 系。 设 端口1 上的 归 一 化 入 射波 和反 射 波 为a : ， 化 入 射 波 和反 射 波 为a : ， 瓦， 则 故归一化入射波与反射 八 ， 端口2 上的 归一 卧氏划 : ( 2 . 7 ) 或者写出矢量形式: 南京理t大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 a= sia ( 2 . 8 ) 其 中 ， 列 矩 阵 a是 归 一 化 反 射 波 矩 阵 ， 列 矩 阵 a 1 是 归 一 化 入 射 波 矩 阵 ， 方 阵 s 1 是 两端口 网络的散 射矩阵( s cat t eri ng 呱t rix)， 简称5 矩阵。各矩阵 元素称散 射参数， 简称5 参数，物理意义如下: _ 为端口2 匹配时端口1 的反射系数: a z =u ( 29 a ) 几 = 1。二 。 !。2 二 。 。.= 。 为端口1 匹配时端口2 的反射系数; ( 2 . g b ) 5 2 1 = 为端口2 匹配时端口1 至端口2 的反向传输系数: ( 29 c ) 热一气热一al _b ， 万 1 2=一 为端口1 匹配时端口2 至端口1 的反向传输系数: ( 2 . g d ) 5 参数是最能代表微波网络特性的一组参数， 可以 很容易转换为2 参数、 y 参数、 a 参数、 t 参数等其他网 络参数，同时5 参数也是用网 络分析仪最容易 测定的一组参数， 因此在微波器件、部件的设计测试中5 参数是最常用的. 使用网络分析仪测量天线输入阻抗实质上就是测量天线输入端口 的2 参数。 由于2 参数有实部和虚部，是矢量形式，因此只有矢量网络分析仪才能测量天线的输入阻抗. 标量网络分析仪可以直接测量出天线输入端的电压驻波比 (vs w r)，其定义如下: 二 二= 王 士 旦 = 1 一 1日 1 + 1风 : 1 一 5 ，1 ( 2 . 1 0 ) 对 于 天线 而 言， 当 输出 端口 匹 配时 ， 输 入 端口 反 射系 数凡 : 即 为 反 射 系 数r 。 2 . 2 微 带 天 线的 分 析 方 法 l 川 2 . 2 . 1概述 微带天线分析的目 的是要预测天线的辐射特性及近场特性， 通过天线分析可以 与设 计过程相结合， 减少高耗费的边切边试的循环次数， 弄清天线的优点和局限性， 帮助人 们对新的设计、 对现有设计的改进以 及对新的天线结构研发来说可能有用的工作原理的 了 解。 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， 求出电 磁场， 进而得 出其方向图、 增益和输入阻抗等特性指标。 分析天线的基本理论大致可分为以 下几类:最早出现也是最简单的为传输线模型 ( t l m 一 一 汀 r an smi ss i onl i nem od el) 理论， 主 要 用于 矩 形贴 片; 更 严 格、 更 有用 的 是 空腔 模 型 (c m .-c avit y 枷d e l ) 理论， 可 用于各 种规 格贴片， 但基本 上限 于天线 厚 度 9 南京理工大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 远小于波长的 情况:由 空腔模型的 扩展，出 现了 多端网 络模型 ( mnm m u lt i port n etw o r km o d el)理论;而最严格而计算最复杂的是积分方程法 (1毗一一i n t e g ral e q u a t i o nm e t h o d ) ，即 全波 ( 碑 - f u l l . a v e ) 理 论， 从原 理上讲 积分方 程 法可 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的限制.从数学上来看， tlm 理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题; cm和mnm 理论则发展到基于二维 边值问 题的求解;fw理论又进了一步， 可以计入第三维的变化。 由 于传输线理论、 腔模理论以 及多 端网络模型理论通常是对具体的问 题进行 近似假 设，其模型简单， 并没有复杂的数值分析，而全波分析法通常要先利用边界条件得出 源 分布的积分方程， 解出源分布， 再由 积分算式来求得总场。 没有特别说明， 我们所讨论 的微带天线的数值分析方法主要是指全波分析中的数值分析方法， 主要包括矩量法、 有 限元法、时域有限差分法等。 2 . 2 . 2传输线模型理论 简单的传输线模型是如nson在1 9 74年采用的分析矩形微带天线的第一技术。 在该 模型中，贴片天线的内层区建模成一段传输线;该传输线的特性阻抗 20和传播常数p 由贴片的尺寸和基片参数决定。 该模型将矩形贴片微带天线看成为场沿横向没有变化的 传输线谐振器。 场沿纵向呈驻波变化，辐射主要由开路端处的边缘场产生. 通常微带线由 地板、 介质、 金属带线和基片上方空气介质构成， 在空间 上是一种开 放的结构， 电磁场可以分布到整个空间。 众所周知， 只有填充均匀媒质的传输线才能传 输单一的纯横向 场一一t 印模。由于空气介质分界面的存在， 微带线的场空间由 两 个不同介电常数的区域构成，微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量( 包括纵 向分量) 的混合模，因此不能传输单一的横电磁波- t 阴 模。不过，在频率不太高的 情况下 ( 如1 2ghz 以 下) ，当 满足基片厚度远小于工作波长时，能量大部分都集中 在导 体带下面的介质基片内， 且此区域的 纵向 场分量很弱， 因此沿微带传输的 主模t em模分 布非常接近， 此时 传播的是准t e m 模， 相应的 模型就是传输线模型。 对于矩形贴片天线， 可以将辐射元、 介质基片和接地板视为一段半波长的传输线. 辐射基本上可以 认为是由矩形贴片传输方向上的两个开路边缘场引起的。 由于辐射元长 度约为半波长， 两开路端边缘场的垂直分量方向相反， 而水平分量方向相同， 对于远区 场来说， 两端开路的同向辐射场等效为无限大平面上同相激励的两个槽。 传输线分析方法简单直观， 计算量也小， 但它难于应用在矩形微带天线及微带 振子 以外的情况。 南京理工大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 2 . 2 . 3空腔模型理论 腔模理论是 1 9 7 9由丫 . t . lo 等人提出的经典分析方法。该理论基于薄微带天线 (h凡) 的 假 设， 在 贴 片的内 层区 将 微带 贴 片 与 接 地 板 之间 的 空 间 看 成 是四 周为 磁 壁、 上下为电壁的谐振空腔。 天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出， 天线输入阻抗可根 据空腔内场和馈源边界条件来求得。 腔模理论是对传输线法的发展，使得对微带天线的工作特性有了 更为深入的物理 解释， 不但可以 用于矩形贴片， 也适用于圆形、 等边三角形、 圆环以 及圆扇环扇形等形 状的贴片。由 于计及了高次模， 算得的阻抗曲 线较准， 且计算量不算大， 比 较适合工程 设计的需要。 但是， 基本的腔模理论同 样要经过修正， 才能得到较准确的结果。 特别值 得注意的 是边界导纳的引入， 把腔内 外的电 磁问 题分开成独立的问 题， 理论上是严格的， 只是边界导纳确定比较困难， 使计算只能是近似的. 在腔模理论中， 认为腔内场是二维 函数， 这在薄基片时是合理的，但对于厚基片将引入误差. 2 . 2 . 4多端网络模型理论 多端网络模型是空腔模型的延伸， 在该模型中， 四周的阻抗边界条件被强制显式包 含，该模型还考虑各种边缘之间的互祸，而且是利用平面电路方法和贴片的边缘导纳。 在多端网络模型中， 分别对内层区和外层区的 场进行建模: 内 层区域建模成一个多端平 面电路， 端口 位置全部沿四周。 外层区域中的场包括散射场、 辐射场和表面波场，由负 载导纳表示。 在多端网络模型中， 所有的边缘， 不管是辐射的还是非辐射的， 都可表示成负载导 纳， 对应于一个给定边缘的负载导纳被均分成多个端口， 然后这些负载与平面电路上相 应的端口相连，因此对应于一个给定的边缘，多端网络和负载网络上的端口数量相等. 多端网络模型已 用来分析各种微带天线， 包括矩形贴片、圆极化截断方形贴片、 具 有对角线裂缝的方形贴片、五角形贴片、宽带间隙祸合式多谐振器矩形贴片等。近来， 多端网络模型已 用来对临近祸合式矩形微带天线建模。 多端网络模型的一个最重要优点 就是贴片中的任何不连续性也可包括在分析中。 2 . 2 . 5全波分析理论 这种方法也称积分方程法， 通常先求出 在特定的边界条件下单位点源所产生的场即 源函数或格林函数， 然后根据叠加原理， 把它乘以 源分布后， 在源所在的区域进行积分 而得出总场。 因为通常源未知， 因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程， 在解 l l 南京理工大学硕士学位论文 双极化微带夭线的研究与设计 出源分布后再由 积分算式来求出总场。 积分方程法是以开放空间中的格林函数为基础的， 其基本方程是严格的。 但是， 由 于严格的格林函数要在谱域中展开， 求解积分方程有较大的难度和计算量。 根据具体问 题， 积分方程法发展起来了一种简化处理方法: 不是通过求解积分方程来得出场源 ( 或 等效场源) 分布， 而是基于先验性知识来假定场源分布， 例如利用空腔模型或传输线模 型或者多端网络模型的已 有结果来给出等效磁流分布或贴片电流分布， 然后把格林函数 与源分布相乘， 在源所在区域积分而得出总场。 这种方法的优点是省却了积分方程的求 解， 而又能获得较严格的计入微带基片效应的结果， 但其应用受到场源分布的先验假设 条件限制。 相对于经典的传输线模型、 空腔模型以 及多端网 络模型理论而言， 全波分析理论有 以下几个特性: 准确性: 全波技术给阻抗和辐射特性提供最精确的解决办法， 提供最准 确的结果: 完整性: 全波技术对大多数效应的分析来讲是完整的， 包括介质、 导体损耗、 空间波辐射、 表面波效应及单元间的互祸现象等; 通用性: 全波技术可用于任意形状的 微带天线单元和阵列， 各种类型的馈电 技术、 多层几何图形， 各项异性的基板及有源天 线;计算复杂性: 全波方法需要进行大量仔细的 计算。 鉴于全波理论如此多的优点以及电 子计算机软硬件技术的发展， 全波分析方法得到 了 广泛的应用， 而且随计算条件的不断改善， 新的方法也不断涌现， 以下将介绍三种最 普及的全波数值分析方法:矩量法、有限元法和时域有限差分法。 2 . 2 . 5 . 1矩量法 矩量法是目 前微带天线分析中应用最为广泛的方法. 矩量法所处理的问 题可概括为 解线性非齐次方程，可统一的写为: lf= 9( 2 . 1 1 ) 其中 :l 为 线 性 算子，9 为已 知函 数， f 为 待 求 解 函 数 矩量法对式 ( 2 . 1 1) 的求解过程如下: 在厂 的 定 义 域内 将f 展 开为 一 组 线 性 无 关的 已 知 函 数人 ( x)的 组合: 刀 f 二 艺 气 天 (x). (2 . 12 ) 其 中 气 称 为 展 开 系 数 ， 人 ( 有 称 为 基 函 数 或 展 开 函 数 . 将(2 . 1 2)代 入(2 . 1 1)得 离散形式的算子方程 艺气 从( x) 在 l 的 值 域 内 取 权 函 数 翼 合 气( x) 9，( 2 . 1 3 ) 对 适 当 定 义 的 内 积 ( f， g ) ， 用 每 一 个 气( x) 对 式( 2 . 13) 两边取内积，表示成矩阵形式如下: lm】 a ， 】 = 份 ， 】 ( 2 . 1 4 ) 南京理工大学硕士 学位论文双极化微带天线的 研究与设计 其 中 编= ( 气， 从) ， 岛= ( 气， 功 解 矩阵 方程 式 ( 2 ， 1 4) 可 得a ， ， 代 入到 式 ( 2 . 1 2) 即 可 得原问 题的 近似 解。 解的 精 度 取决 于 基函 数 和 权函 数的 选 取 及 展 开 式 的 项 数。 当气( x)= 人 ( x)时 ， 该 方 法 通常 称 为命了 厂 斤 艺 刀 方法 在一个特定的问题中， 矩量法的关键是基函数和权函数的 选取. 基函数和权函数的 选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函数。选择基函数时， 应尽量应用有关未知函 数的先验知识， 使所选择的 基函数尽可能接近未知量的真解， 并 且满足边界条件，这样方程的收敛较快， 广义阻抗矩阵也易于出 现良 态情况。 使用矩量法作为内核的商用电磁仿真软件主要有 z eland公司的 工 e 3d， 安捷伦 ( a g i l e n t )公司的a d sm o m e n t u m 。 2 . 2 . 5 . 2有限元法 有限元法是建立在变分法基础上的。 它把整个求解区域划分为若干个单元， 在每个 单元内规定一个基函数。 这些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。 通过规定每个单元中合适的基函数， 可以在每个顶点得到一个基函数。 分片解析函 数通过这些单元间的公共顶点连续起来， 拼接成一个整体， 代替全域解析函数， 通过相 应的代数等价可化为代数方程求解. 由 于基函数的定义域限于本单元，在其余区域为零，因此在所建立的矩阵方程中， 矩阵元素大多为零， 即是稀疏矩阵。 用联系清单稀疏矩阵程序计算该矩阵可以节省90% 的计算机内存: 而在用矩量法求解时， 矩阵是满秩矩阵。 有限元法最重要的优点是其不 受讨论物理模型形状的限制。 但是它只能得到纯数字解， 可以说是有限元法的主要不足 之处。 使用有限元法作为内核的商用电 磁仿真软件主要有ans o 曰公司的e nse 油l e. 2 . 2 . 5 . 3时域有限差分法 时域有限差分法简称为f dtd 方法( f i n i t e 一 d i f f e r e n c et i 肥 d o mai nm e t h o d ) ， 是 由y e e 在1 9 6 6 年第一个提出 来的。 它是一 种时域 ( 宽带) 、 全波、一体化的分析方法， 正在微带天线的 分析和设计领域崭露头角。 其先将做x w e ll方程在直角坐标系中 展成六 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。 用有限差分式表示关于场分量对时间和空间变量的微分， 南京理工大学硕士学位论文双极化微带天线的研究与设计 即可得到阳 td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 间变量的撇x w e 比方程四维数值解， 通过傅立叶变换可得到三维空间的谱域解. 时域有限差分法与矩量法相比更广泛适用于各种微带结构，以及分层、 不均匀、 有 耗、 色散等媒质的问题。 而且时域有限差分法易于得到计算空间场的暂态分布情况， 有 助于深刻理解天线的瞬态辐射特性及其物理过程， 利于改进天线的性能。 此外， 时域有 限差分法选用适当的激励源， 通过一次时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性， 避免 了传统频域方法繁琐的逐点计算。 使用f 叮d 作为内 核的商用电磁仿真软件主要有ans o 曰公司的h f ss， z eland 公司 的f i d e l i t y 。 南京理工大学硕士学位论文 双极化微带天线的研究与设计 3双极化微带天线及天线阵的设计 双极化天线是当 前通信领域受到 关注的一种新型 天线， 在 1 9 96 年的 工 e ee天线和 传播年会 上双极化微带 天线首 次被专门列为 一类研讨课题。 它在合成孔径雷达中 更是早 就获得 广泛应用。 随着通信事业的发 展， 在许多 场合需要功率合 成， 优化设计通信系统， 或者使系统具有多种特殊性能与小型化，因此双极化微带天线成为当今天线研究热点。 3 . 1 双极化微带天线的 特点 和应用 双极化天线能同时 形成一对极化正交频 率相同的 工作模， 最初是用来为一个频带 提 供 两条通信通道， 在现代通信和信息系统 领域， 其意义己 不限于 此。 其应用可归结为以 下 几类: 1)频率复用: 对一对正交极化波来说， 在理论上是不会相互干扰的，同一频率 可以 载双倍信息， 将通信容量提高 一倍， a . c . l ud叭9较早提出 用正交极化 实现频率复用。 2)收发一体化: 将一对正交极化端口分别用作接收端和发射端， 实现双工操作， 如用于移动卫星通信的自 双工天线阵. 3)极化分集: 在城市移动通 信中，由 于地形环境很复 杂， 存在多 径传播 效应， 从而提高通信系统的性能. 4)极化捷变: 通过引 入其它有 源或 无源器件使天线交替工作于两种线极化， 若 在两线极化端口 加9 00 相位差，又可实 现圆 极化工作. 5)提高系统灵敏度:如在 s ar ( 合成口径雷达)成像系统和卫星通信系统中的 应用。 6)车辆防撞系统，电 子侦察、电 子对抗和雷达测量 系统等应用。 3 . 2双极化微带天线单 元的 基本形式 35 氮 lj 变极化系统最主要的部件是变极 化天线。 而双通道系统变极化系统的基础就是双极 化 天线。 双极化天线的 应 用很广 泛， 相对于单极 化天线可以 提高接收信号的灵敏度: 利 用 正交极化无相互千扰特性， 可以实 现频率复 用。 提高 通信容量; 利用双极化天线可以 进行极化分集， 克服移动通信中的多 径效应。 在特殊场合， 例如引 信中 ，需 要考虑体积、 重量、 结构、 共形等因素， 往往选择 使 用 微带天线。 微带双极化天线一 般以阵 列形式出 现， 可以 有两 种基本结构单元组成: 双 i 5 南京理丁大学硕士学位论文双极化微