（无线电物理专业论文）微带贴片天线阵的研究及其在hiper+lan中的应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 墨醛 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) qh 论文作者签名：逝导师签名之竺塑：日期：丝芝：兰：z 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着信息技术的发展，人们希望不论在何时、何地，都能够与任何人进行包 括数据、语音和图像等任何内容的通信，并希望主机在网络环境中移动和漫游。 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl a n ) 是实现移动网络的关键技术之一。h i p e rl a n 是一种重要的无线局域网标准。 微带贴片天线是最典型、最常用的微带天线形式。它具有剖面薄、体积小、 重量轻、能与载体共形等；具有平面结构，便于和有源器件集成为单一模件；易 于加工制造，成本低廉等许多优点。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵， 以获得更高的增益和更大的带宽。鉴于微带天线的诸多优点，在无线电通信系统 中越来越多的采用微带天线阵来设计收发端。所以，进行无线局域网中微带天线 设计的研究具有重要的意义。 本论文首先介绍了微带天线辐射机理，阐述了传输线模型理论、腔模理论、 积分方程法微带天线理论以及天线阵理论，这些都是微带天线阵的设计基础。在 第三章中介绍了可用于微带天线设计的数值计算方法，重点讨论了应用于本设计 的时域有限差分法的原理、关键事项和优点。在第四章中介绍了在无线局域网中 天线的概况。根据无线局域网应用环境和要求，结合当前已有设计的不足，第四 章提出了本论文的主要任务，为第五章的设计作了要求。第五章介绍了本论文的 设计过程，并对该设计进行了分析。仿真结果表明本设计能够较好的满足设计要 求，比已有的设计在关键的指标上有如下改进： 1 本论文所设计的改进四元天线阵的最大功率辐射方向是俯仰角度5 0 0 ，较 好的满足了最大辐射方向的要求。 2 本论文所设计的改进四元天线阵的辐射的全向性更好一些。在水平面内， 四元天线阵的辐射方向图很接近于正圆，符合设计要求。 在本论文的思路上，还可以继续增加天线阵阵元数目和设计不同形式的天线 元以实现更好的设计。 关键词：微带贴片天线；天线阵；时域有限差分法 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i ti s 唧插c ds t r o n g l y t h a tp e o p l ec a r lc o m m u n i c a t ew i t ha n yo t h e rp e r s o no na n y a u n g ，i n c l u d i n gd a t a , a u d i o a n dv i d e ow i t h o u tc o n s i d e r i n gl o c a t i o no rt i m e ，a n dt h eb a s i cs t a t i o ni se x p e c t e dt ob e m o b i l ea n dv a g i l ei nt h en e t w o r k o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z et h em o b i l e n e t w o r ki sw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n a n dh i p e rl a ni sa ni m p o r t a n t m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai st h et y p i c a la n dc o m m o nm i c r o s t r i pa n t e n n af o r m a t w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so f f i l m ys e c t i o n , s m a l ls c a l e ，l i g h tw e i g h ta n dp o s s i b i l i t yt o c o n f o r mw i 也t h ec a r r i e r , a n di ti sc o n v e n i e n tt oi n t e g r a t es u c ha n t e n n a 、i la c t i v e c o m p o n e n t st of o r ms i n g l em o d u l ef o ri t sp l a n es t r u c t u r e ，a d d i t i o n a l l y , i ti se a s yt ob e m a n u f a c t u r e da n dp r o c e s s e dw i t l ll o wc o s t m i c r o s t r i pa n t e n n a sw i t hs a m es t r u c t u r e c a l lb ec o m b i n e dt of o r mm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a yf o rh i g h e rg a i na n db r o a d e r b a n d w i d t h b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fm i c r o s t r i pa n t e n n a , t h em i c r o s t r i pa n t e n n a a r r a yi su s e dm o r ea n dm o r et od e s i g nt r a n s c e i v e ri nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ho nm i c r o s t r i pa n t e n n ad e s i g na p p l i e di nw l a n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm i c r o s t r i pa n t e n n ar a d i a t i o nm e c h a n i s ma tf i r s t , i n c l u d i n g t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y , c a v i t ym o d e l i n gt h e o r y , i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o dm i c r o s t r i p a n t e n n at h e o r ya n da n t e n n aa r r a yt h e o r y , a n da l lo ft h e ma l et h ed e s i g nb a s i co f m i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y t h en u m e r i c a lm e t h o d su s e di nm i c r o s t r i pa n t e n n ad e s i g n w i l lb ei n t r o d u c e da tt h et h i r dc h a p t e r , a n dt h e r ew em a i n l yd i s c u s st h e o r y , k e yt h i n g s a n da d v a n t a g e so ft h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o da p p l i e dt ot h i sp a p e r i n c h a p t e rf o u r , w ed i s c u s st h eg e n e r a ls i t u a t i o no fa n t e n n aa p p l i e di nw l a n ； c o n s i d e r i n gt h ec o n d i t i o n sa n dd e m a n d so fw l a na p p l i c a t i o na sw e l la st h e s h o r t c o m i n go fc u r r e n td e s i g n ，t h i sc h a p t e rp r o p o s e st h em a i nt a s ko ft h i sp a p e r , w h i c hg i v e st h ed e m a n df o rd e s i g ni nn e x tc h a p t e r i nc h a p t e rf i v e ，w ef o c u so nt h e d e s i g n i n gp r o c e s sa n dt h es i m u l a t i o no ft h ea n t e n n ae l e m e n ta n dt h ea n t e n n aa r r a y 2 山东大学硕士学位论文 _ i _ _ i l i _ l _ _ i l l i l l i i i l _ i i 一 t h eo u t p u t so ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ed e s i g ni nt h i sp a p e rm e e t st h e r e q u i r e m e n t sw e l l ，a n di t h a sm a n yi m p r o v e m e n t sa sl i s t e db e l o wo nk e yp o i n t s c o m p a r i n gw i t ht h ec u r r e n td e s i g n s 1 t h ep e a l 【r a d i a t i o nd i r e c t i o no ft h ei m p r o v e df o u r - e l e m e n ta n t e n n aa r r a yi n t h i sp a p e ri sa ta r o u n d5 0 。e l e v a t i o n , w h i c hm e a l 蓝t h a tt h ed e s i g ns a t i s f i e st h e d e m a n do ft h ep e a kr a d i a t i o n d i r e c t i o nq u i t ew e l l 2 t h eo n m i - d i r e c t i o no ft h ea n t e n n ap a t t e r no ft h ei m p r o v e df o u r - e l e m e n t a n t e n n aa r r a yi nt h i sp a p e ri sb e l ：t e i nt h eh o r i z o n t a lp l a n e 。t h ea n t e n n ap a t t e r no ft h e f o u r - e l e m e n ta n t e n n aa r r a yi sa l m o s tac i r c l e ，w h i c hm g e t st h er e q u i r e m e n t sw e l l i nt h el i g h to ft h i sp a p e r , i n c r e a s i n gt h en u m b e ro ft h ea n t e n n aa r r a yd e m e n t s a n dd e s i g n i n ga n t e n n ae l e m e n to f d i f f e r e n tf o r m sw i l ll e a dt oab e t t e ri m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a , a n t e n n aa r r a y , f i n i t ed i f f e r e n c et u n e d o m a i nm e t h o d 3 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 无线局域网是利用无线技术实现快速接入以太网的技术，是计算机网络与无 线通信技术相结合的产物，是对有线连网方式的一种补充和扩展。它使连接到网 上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通 问题。和有线网络相比，可移动性是无线局域网的主要优势。其它优势还包括安 装更迅速、费用更低等。 h i p e rl a n 作为一种在欧洲应用的无线局域网通讯标准的一个子集，有两种 规格：h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 。这两种标准均被欧洲电信标准协会( e t s i ) 采用。h i p c rl a n 标准提供了类似于正e e8 0 2 1 1 无线局域网协议的性能和能力， 后者在美国和其他国家被采用。h i p e r l a n 标准采用5 g 射频频率，从频谱资源 来看，2 4 g h z 频段资源有限，随着无线局域网的发展，会向频率更高、频谱资 源更充裕的5 g h z 频段( 5 15 g 一5 3 5 g h z ) 发展成为必然。 天线作为移动通信系统重要的组成部分，其性能好坏将对整个通信系统的性 能产生很大的影响。微带天线因为具有剖面薄，体积小，重量轻，便于和有源器 件集成为单一模件，适合于构成天线阵等许多优点，使其在移动通信领域的应用 具有很大的吸引力。微带天线早在1 9 5 3 年就已经提出了，但是并未引起工程界 的重视1 1 1 。自从1 9 7 2 年r e m u n s o n 等研究者制成了第一批实用的微带天线之 后，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告， 召开了专题会议和出版论文集。自此，微带天线已经成为天线研究的一个重要课 题。但是微带天线的辐射效率不高，功率容量有限，频带窄，增益低。这使得微 带天线的应用受到很大限制。实际应用中要求微带天线具有高增益，高功率容量， 低旁瓣，波束控制等特性，由辐射单元组成的微带天线阵才能满足这一要求。这 是微带天线研究的重要方面之一。 作为目前电磁问题的主要分析手段，电磁场数值计算方法为国内外广大工作 者所研究，并且由于这些数值方法研究的成熟，各种商业化计算软件工具不断涌 现。随着计算机技术的迅速发展和应用开发的深入，其功能越来越大，使用也越 4 山东大学硕士学位论文 来越方便，这为具体电磁问题的设计分析提供了极大的方便。在诸多数值计算方 法中，时域有限差分法因其突出的优点而得到广泛的应用。 1 2 研究现状和意义 应用于无线局域网的天线有很多种类型，包括单极天线、偶极天线、八木天 线、平板天线等。各种天线因为其各自的特点而应用于不同的场合。例如，思科 公司一款2 4 g h zp 7 系列适于w l a n 应用的平板天线。p 7 系列天线提供了接近 半球的能量辐射，使覆盖范围更宽，同时保持了天线的方向性和隔离性。该天线 为垂直极化，增益为7 d b i ，很符合一般局域网的要求。直径1 4 4 m m ，厚度仅为 1 9 锄( 不包括安装固件的厚度) ，天线屏蔽器是由非常耐用的聚碳酸酯材料构成。 p 7 系列天线提供了旋转和固定天线杆固件。采用旋转固件可以使天线在3 0 度 的范围内左右旋转。采用固定固件可将天线直接固定在墙壁或天线杆上。p 7 系列缺点是价格比较高。随着微带天线的逐步推广及其独特的优点，越来越多的 局域网天线开始采用微带天线或是微带天线阵来进行设计。 用无线局域网的微带天线的研究可以大体概括为两个方面：双频带的实现和 微带天线阵。现有的无线局域网分别工作于2 4 g h z 频带和5 g h z 频段，无线局 域网双频带微带天线的研究有其良好的前景和需求。双频带的实现方面的工作开 展得比较早并且已有很多，如y t l o 等人设计的双频带矩形微带贴片天线 3 1 。 他人后续的设计如工作于2 4 g h z 5 g h z 的双频段f 形单极天线【4 】，双频段t 形 单极天线 5 1 ，双l 型槽加载矩形贴片天线i s ，工作于5 g h z 5 8 g h z 的全向平板 折叠偶极子天线r 7 】等等。但是，对于单个的天线元来讲，功率容量小，天线增益 小，并且天线辐射的方向性不易控制，这就意味着无线网络的覆盖范围比较小或 是在某些方向上信号不稳定。对这一缺点可以通过天线阵的设计来消除。这一方 面的工作已有学者开展但不是太多。g r d e j e a n 等人设计了微带贴片八木天线 阵，并进一步设计出了2 微带贴片八木天线阵和4 微带贴片八木天线阵【引。在其 设计中，天线阵的增益比较高，但是这是以牺牲带宽得到的。并且，该种天线不 宜使用在区域覆盖的场合，因为其全向性是比较差的。所以，研究适用于无线局 域网络的具有符合增益要求的全向辐射特性良好的微带天线阵是很有意义的。 山东大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作和内容安排 本文针对无线电通信系统中低成本微带贴片天线阵的应用，以微带贴片天线 阵无线局域网络中的应用设计为例，基于时域有限差分法，仿真设计了一种微带 贴片天线阵。此微带贴片天线的辐射方向图和增益均能满足设计要求并比已有设 计有所改进，实现了无线局域网天线的低成本设计，从而对工程实践有一定的借 鉴意义。 主要内容安排如下： 第一章引言，介绍了微带贴片天线阵的研究背景和意义，研究现状和面临的 问题，引出了本研究课题。 第二章微带天线的理论分析，介绍了微带天线的基本理论，阐述了传输线模 型理论、腔模理论、积分方程法三种微带天线理论分析方法，同时对比分析了各 种理论分析方法的适用性。 第三章微带天线的数值分析，讨论了应用于微带天线设计的几种数值方法， 包括时域有限差分法，矩量法，有限元法。重点介绍了时域有限差分法，包括时 域有限差分法的基本原理，特点和其在天线分析与设计中的应用。 第四章h i p e r 无线局域网，介绍了无线局域网络、h i p e r l a n 、无线局域网 络的天线。重点讨论了微带天线在无线局域网络中的应用，为第五章的设计作了 必要的说明和铺垫。 第五章h i p e rl a n 中贴片天线阵的设计，以第四章的介绍为背景，设计了 用于h i p e rl a n 无线网络的工作频率为5 g h z 的微带天线阵。通过改进得到很好 结果，并把设计结果与已有设计进行比较。由比较结果可以看出，改进四元天线 阵在全向性、最大辐射方向和增益等关键性指标都能满足设计要求，并且比已有 设计有了很大的改进，所以，本文中设计的用于h i p e rl a n 无线局域网络的四 元微带贴片天线阵的优点是比较突出的。 第六章总结与展望，总结了课题的成果，并对课题未来的研究做出了展望。 6 山东大学硕士学位论文 第二章微带天线的理论分析 2 1 微带天线的基本理论 微带天线是在带有金属导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而成的天线f l 】 它可利用微带线或是同轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起电磁场，并 通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射电磁场。通常介质基片的厚度与波长相 比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小尺寸天线一类。 2 1 1 微带天线的结构 导体贴片一般是规则的面积单元，如矩形，圆形，环形等；也可以是窄长的 条形的薄片振子。由这两种单元组成的微带天线分别称为是微带贴片天线和微带 振子天线。如图2 1 所示。 囊嘏 槽线 徽带贴片天线 徽带振子天线 图2 1 微带贴片天线和微带振子天线 微带天线的另一种形式是利用微带线的某种变形( 如弯曲，直角弯头) 来进 行辐射电磁波，这种天线叫微带线形天线。如图2 - 2 所示。这种天线传输行波， 也叫微带行波天线。 7 山东大学硕士学位论文 徽带线 图2 - 2 微带线形天线 微带天线的第四种形式是利用开在接地导体板上的缝隙，利用介质基片上的 微带线或其他馈线进行馈电，这种天线叫微带缝隙天线。如图2 3 所示。 徽带线 图2 3 微带缝隙天线 上述各种微带天线辐射单元可以组成微带天线阵，如微带贴片天线阵，微带 振子天线阵等。 2 1 2 微带天线的辐射机理 本论文拟设计矩形微带贴片天线阵，故以矩形微带贴片天线为例来进行说 明。微带天线的辐射机理可以由金属导体贴片和金属接地导体面之间的场分布来 描述【9 1 。换个说法，辐射可以由金属贴片上的表面电流分布来描述。贴片的场分 布或电流分布的精确计算是非常复杂和困难的，不过可以用近似和简单的理论来 构建一个微带天线的工程模型。 山东大学硕士学位论文 l i i i i ii _ 图2 4 微带空腔模型中主模电场分布 可以把微带天线看作是如下模型：由顶部和底部的两个电壁和沿矩形贴片边 缘的四个磁壁包围成的一个空腔。这便是后面要讨论的空腔模型。在这个空腔中， 只有t m 模式是可能存在的。对于空腔主模m 的电场分布如图2 _ 4 所示。腔 体的四个磁壁表示四个窄的孔径( 或裂缝) ，通过它们可以产生辐射。 对于长度为w 高度为j j l 的裂缝，如图2 5 所示，主模的裂缝电场忌定义为： 乞= z e o ( 2 一1 ) 类似的，对于长度为，高度为h 的另外两个裂缝电场忘定义为： e = 一z 毛s i n ( x x 1 ) ( 2 - 2 ) 图2 5 主模具有磁电流密度的矩形贴片 裂缝的等效磁流密度如图2 5 所示。利用等效原理，每个裂缝的辐射场与磁 流密度为露。的磁偶极子相同，由于裂缝上的大小相等且方向相反的电流分布， 因此沿x 轴分布的裂缝产生的辐射可以近似为零。不过，沿y 轴的裂缝构成了 二单元的阵列，其电流密度的幅度和相位相同，相隔为贴片长度，。因此，贴片 辐射可以根据两个垂直裂缝来描述。其它微带天线结构也可以用类似的方法由等 9 山东大学硕士学位论文 效裂缝来表示。这种模型既能较好的说明微带天线的辐射机理，在工程设计时计 算也不太复杂。 2 1 3 天线的电参数 天线是每一个无线电系统的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响整个无 线电系统的性能。人们用天线的电参数衡量天线性能的好坏【l o l 。 天线的电参数可以分为电路特性参数和辐射特性参数两类。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。 ( 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是用 来表示天线的辐射参量随空间角度变化的图形。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【l l 】【1 2 1 。 在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面，称为立体方向图或空间方向图。 立体方向图形象、直观，但画起来复杂，实际常采用平面方向图( 常用e 面和h 面方向图) 来描述天线的空间辐射特性。 对于天线方向图来讲，有的要求天线对准性很强，有的要求天线有一定的覆 盖区域。如图2 - 6 所示。第一个为我们仿真的一个喇叭天线的方向图，第二个为 我们仿真的一个偶极天线的方向图。从图中可以看出，这两种天线的设计目的是 有区别的。在本论文的设计中，我们力求所设计的天线阵的辐射方向图是全向的， 这样才能保证在天线所要求的覆盖区域内所有方向上的通信都是稳定可靠的。 l o 图2 - 6 两种天线的方向图 山东大学硕士学位论文 方向性系数，也叫方向性增益，是说明天线能量集中辐射的程度，它定义为 在辐射总功率相等的情况下，天线在某个方向( 口，妒) 辐射的功率密度s ( e ，矿) 与完 全无方向性的天线( 理想点源) 辐射的功率密度瓯之比。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。 一般来说，天线的方向性系数d ( 口，矿) 是方向的函数，不同方向的数值不同。 对于本论文所设计的天线，实际上要求方向性系数烈日，p ) 越接近于l 越好。 ( 2 ) 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( p ，矿) 方向的功率密度s ( e ，缈) 与无方向性、无 损耗天线的功率密度& 之比。通常所说的天线增益是指天线的线性增益，其增 益的表达式为： g = d x 刁( 2 3 ) 其中r 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。一般来说，天线的方向性越好，增益越大；反之亦然。本论文的设计 方向系数比较小，所以天线的增益是比较小的。这也是全向天线的一个特点。 在本论文中涉及的天线的增益单位都是d b i 。d b i 和d b d 是功率增益的单位， 两者都是相对值，但参考基准不一样。d b i 的参考基准为全方向性天线；d b d 的 参考基准为偶极子。一般认为d b i 和d b d 表示同一个增益，用d b i 表示的值比 用d b d 表示的要大2 1 5d b i 。 ( 3 ) 效率 效率有辐射效率与天线效率之分。由于反射波的存在，天线不可能把入射功 率全部提供到天线的输入端1 3 作为天线的输入功率，同时，天线也不可能把从馈 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，如天线馈线中的热 损耗、介质中的介质损耗以及天线近旁物体吸收电磁波引起的损耗等等【1 3 】。天 线的辐射效率r 一为天线的辐射功率最与输入功率最的比值，即： 1 1 山东大学硕士学位论文 玑=孑(2-4) 天线效率，7 为天线的辐射功率昱与入射功率只比值，即： r = 詈 ( 2 - 5 ) ( 4 ) 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 电压与电流之比。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。 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【1 4 】【1 5 】。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。本论 文的阻抗匹配网络实际就是天线阵的馈电网络。一般的天线输入阻抗为5 0 q ，为 能和常用设备一致，本论文中的天线阵的激励源也选取输入阻抗为5 0 q 。 ( 5 ) 带宽 天线的电参量几乎都与频率有关，电参量随频率变化的特性就是天线的频率特 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、主瓣宽度、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。所以在本设计中，是通过设计输入阻抗 和多次仿真来调整天线的带宽的。输入阻抗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( v s w r ) 表示天线的带宽为【1 6 】： b = 兰q x v 坠s w r ( 2 6 ) 其中：q 为贴片天线的品质因数。 山东大学硕士学位论文 2 2 微带天线的分析设计理论 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。天线分析与设计 过程相结合，可以减少高耗费的边切边试的循环次数，帮助人们弄清天线的优点 和局限性，改进现有的设计，进而推动新的天线结构的研发。天线分析的基本问 题是根据边界条件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。 分析微带天线的基本理论大致可分为三类。第一类是传输线模型( t ) 理 论，主要用于各种矩形贴片，它把微带天线的计算分析转化为一维传输线问题， 很好的简化了天线的计算。第二类是空腔模型( c m ) 理论，它仅限于计算介质板 厚度远小于波长的情况，把微带天线转化为谐振腔问题，并进一步简化，等效为 二维的边值问题的求解，可用于对各种规则形状的贴片天线的分析。在空腔模型 的基础上，又衍生出了多端网络模型理论。第三类是计算严格而复杂的积分方程 法( r a m ) ，即全波( n 聊理论，它考虑到了微带天线在垂直方向的场的变化，因此 适用范围推广到了比较厚的微带天线。理论上积分方程法可用于各种结构、任意 厚度微带天线的求解。 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，没有复杂的数值分析。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。 下面简要介绍微带天线的三类分析方法。 2 2 1 传输线模型理论 研究电磁波的一种有效的方法是电路模拟。可将电磁波传输系统用分布参数 电路即传输线来模拟，而将反射面或反射体用集总参数网络来模拟。传输线理论 是微带天线传输线模型的理论依据【1 7 】，先作简要的介绍。 电路分析系统一般可分为集总参数系统和分布参数系统，分布参数系统是指 各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号 本身的变化时间相比已不能忽略。这时，信号是以电磁波的速度在信号通道上传 输，信号通道( 或者说是信号的连线) 是带有电阻、电容、电感的复杂网络，是一 个典型的分布参数系统。在分布参数系统中，信号在传输线上传输时间不能忽略， 山东大学硕士学位论文 因此人们常把传输线称之为延迟线。在分布参数系统中传输线所具有的特性是： 1 电参数分布在其占据的所有空间位置上。 2 信号传输需要时间。传输线的长度直接影响着信号的特性，或者说可能 使信号在传输过程中产生畸变。 3 信号不仅仅是时间t 的函数，同时也与信号所处位置x 有关，即信号同时 是时间t 和位置x 的函数。 求解导线上的电压和电流变化规律所满足的方程即为传输线方程。在分布参 数系统中不能把基尔霍夫电压和电流定律应用在整个宏观的线长度上，传输线被 切割成较小的线段( 极限情况下是无限小) 时，使得这些线段具有相关的电特性， 诸如传输线的损耗、电感和电容效应。图2 7 给出了利用集总参数的模型来描述 的分布参数系统中的传输线。在z 和z + a z 之间的- d , 段上的导体用电阻和电感 ( r 和l ) 的串联来描述，导体l 和导体2 引起的电荷分离，引出的电容效应用c 来表示。另外考虑到介质是损耗介质因此电导g 也必须考虑。 1 幂傣三w 。 ii z z + 应 图2 7 双线的集总参数模型 l 2 对于时谐波，根据基尔霍夫定律可以得到传输线方程【6 】： _ _ d u ( z ) + z i ( z ) ：0 ( 2 7 ) a z a l - ( z ) + r u ( z ) ：0 ( 2 8 ) n z 微带天线的传输线模型理论由m u n s o n 、d e m e r y d 提出，适用于大多数工程 应用，最大的特点就是计算量不大。微带线是一种开放的空间结构，辐射电磁场分 布于整个空间。由于空气介质分界面的存在，微带线所传输的波不是单一的t e m 模，而是混合模。在频率不太高( 一般在1 0 g h z 以下) ，介质板厚度远小于传输波长 1 4 山东大学硕士学位论文 ( | i i “九) 的情况下，能量大部分都集中在介质基板内，传播的是准t e m 模。 用来分析微带天线的传输线模型理论的基本假设是： ( 1 ) 将微带金属贴片和接地板以及介质组合考虑成传输准t e m 模电磁波的微 带传输线。波的传输方向取决于馈电点的选择。 ( 2 ) 将传输线宽边( 输入输出端面) 等效为辐射缝。可将矩形微带天线看作 场只沿长度方向变化，而横向上场无变化的传输线谐振器。 传输线模型理论分析方法固然有简单和计算量小的优势，但是不适用于矩形 微带天线及微带振子以外的情况。并且对基板厚度限定要求比较严格( j i i “九) 。 此外由于传输线模型是一维的，也不适于多层结构微带天线的分析。 2 2 2 空腔模型理论 空腔模型假设微带天线是一种薄微带天线，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。通过分析空腔四 周的等效磁流而得到天线辐射场，且可以通过空腔内场和馈源边界条件来求得天 线输入阻抗。空腔模型理论是对传输线法的发展，它可以精确计算厚度不超过介 质中波长的百分之几的微带天线的特性，运用空腔模型分析微带天线，可以对工 作特性的物理解释有更深入的了解。在空腔模型中高次模没有被忽略，因此计算 得到的阻抗曲线更准确，且计算量不大，比较适合工程设计的需要。但是，基本 的腔模理论也要经过修正，才能得到准确的结果。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成独立的两个问题，理论上是严格的，但边界导纳 较难确定，因此计算只能是近似的。在空腔模理论中，认为腔内场是二维函数， 这对于薄基片是合理的，但对于厚基片将会引入误差。 空腔理论是由y t l o 等人于1 9 7 9 年提出的经典分析方法【1 8 1 。该理论基于： ( 1 ) 薄微带天线( | j l “九) 的假设，只考虑腔内电场仅有民，且瓦不随厚度 方向有变化。 ( 2 ) 将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁( 切向h 为o ) 、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。 1 5 山东大学硕士学位论文 2 2 3 积分方程法 积分方程法又称全波分析方法，它不但可用于分析规则形状的薄微带天线， 而且更适用于分析各种厚基片微带天线及微带天线元间的互耦等问题。它通常先 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。因为场源通 常未知，因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程，在解出源分布后再由 积分算式来求出场。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频域中展开，求解积分方程有较大 的难度和计算量。因此根据具体问题，在积分方程法中采用了一种简化的处理方 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口网络模型的己有结 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 较严格的包括微带基片效应的结果，只是其应用受到场源分布先验假设条件的限 制。相对于经典的传输线模型、空腔模型以及多端口网络模型理论而言，全波分 析理论有以下几个特性：准确性、完整性、通用性和计算复杂性。 随着计算机技术的发展，全波分析方法得到了广泛的应用，而且随着计算条 件的不断改善，新的方法也不断涌现，如矩量法、有限元法和时域有限差分法【1 9 】。 由于时域有限差分法与其它方法相比，更广泛适用于各种微带结构中的分层、不 均匀、有耗、色散等媒质的问题，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。所以本文对天线的 设计和仿真都运用时域有限差分法。 2 3 微带天线阵 在各种实际应用中，往往要求天线具有特殊的辐射方向图，高增益、高功率、 低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性。由于天线阵或相控天线阵才可能获得这些 特性，从而使得阵列技术在实际中获得广泛的应用，这就促进了阵列技术和理论 1 6 山东大学硕士学位论文 - - 一ii 一 一i - _ 一 的发展。在6 0 年代中期，天线阵的技术以开口波导和振子类型的辐射元组成的 阵居统治地位，它们由波导和同轴线来馈电。但到7 0 年代以后，随着微带天线 的出现与发展，人们对以微带线馈电的微带天线阵产生了浓厚的兴趣【2 0 】。这是 由于微带天线阵在下列诸方面显示了独特的优势： ( 1 ) 结构简单，易于制作和生产； ( 2 ) 重量轻、体积小和成本低； ( 3 ) 容易同安装表面共形或在安装表面只有很薄的凸起； ( 4 ) 易于实现多极化，变极化或多频工作； ( 5 ) 馈电网络可以与微带天线元集成在同一介质基板上f 2 l 】瞄】。 特别是最后一点，这是微带天线阵与其他类型天线阵相比具有的一个突出特 点。它的主要限制是有效辐射的频带较窄( 行波馈电阵除外) 和单个阵元承受功 率受到一定的限制。 微带阵列天线种类很多，按结构形式又可分为共形阵和非共形阵，利用微带 天线剖面薄的特点，可制作与导弹等载体表面共形的全向阵列，也可方便地制作 有方向性的共形阵。 全向的微带共形阵主要有两种：一种是用微带条带环绕圆柱体的圆周，沿圆 周在若干点处等间隔地用并馈网络馈电，称为全向的环绕式微带天线，另一种是 沿圆柱的圆周排列若干个离散的贴片辐射元，对它们进行等幅同相馈电，称为全 向的共形贴片阵。基本的微带阵列是固定波束的微带线阵和平面阵，微带线阵按 馈电方式来分主要有串馈和并馈两种，线阵的二维组合即为面阵。目前，微带天 线阵和相控阵已广泛应用于军事和民用上，例如各种雷达、通信、遥测、遥控和 遥感等设备，特别是在各种空间飞行器上得到广泛的应用。 在本论文中，采用了第二种阵列方式。把阵元以馈电点为中心排列，在同一 圆周上均匀分布，构成中心对称的结构的天线阵。 天线阵的馈电网络主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位，以便形 成所要求的方向图，或者使天线性能某项指标最佳。对馈电网络的丰要要求是阻 抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单等。阵的馈电形式主要有并联和串联馈电两 种形式，也有这两种形式的组合。 本设计中采用并联馈电。并联馈电是利用若干个功率分配器，将输入功率分 山东大学硕士学位论文 配到各个阵元【列。功率分配器可以分成两路、三路或多路。但为了使馈电结构 中最大和最小阻抗之比最小，通常采用两种功率分配器。如图2 8 所示的并联馈 电就是采用多级两路分配器来实现的。对于并联馈电阵，当所有阵元相同时，各 元所要求的振幅分布可以利用改变功率分配器的各路功率分配来实现，而各阵元 所要求的相位分布，可采用控制各馈线长度或附加移相器来实现。例如对于同相 阵，则可以利用各路馈线等长或相差馈线波长的整数倍来保证各元同相激励。对 于相控阵天线则要采用电控移相器来实现波束扫描所要求的相位分布。对功率分 配器除要求保证功率分配比外，还要求各路输出端之间有较好的隔离。 图2 8 并联馈电示例 并联馈电具有以下特点e 2 3 】：设计比较简单，各单元所要求的激励振幅和相 位可以通过设计馈电网络来实现。当馈线等长时，波束指向与频率无关，所以频 带宽度主要取决于阻抗匹配的频带，比较容易实现宽频带。这种馈电形式既适用 于固定波束阵，又适用于利用电控移相器进行波束扫描的相控阵。它的缺点是， 需要许多功分器，馈线总长度较长，这不仅占据了空间，也大大增加了传输损耗。 同时，使整个馈电网络比较复杂。 2 4 本章小结 本章节介绍了微带天线的基本理论，阐述了传输线模型理论、腔模理论、积 分方程法三种微带天线理论分析方法，同时对比分析了各种理论分析方法的适用 性和优缺点。 山东大学硕士学位论文 第三章微带天线的数值分析 在第二章中介绍了微带天线的理论分析方法，主要采用频域方法分析电磁问 题，通过建立和求解频域积分方程，模拟电磁波与结构的相互作用。然而这些频 域方法在处理许多现代重要电磁问题时遇到了困难，因此迫切希望出现一种简洁 而有效的电磁场数值方法，可以方便地求解各种实际复杂电磁问题。 近年来，随着计算机性能的不断提高和数值理论的不断发展，计算电磁学取 得了很大的发展，目前己经形成了多种电磁学计算方法，如矩量法、时域有限差 分法、有限元法、几何绕射法、物理光学法等【2 4 】。1 9 6 6 年，i c s y e e 提出了时域 有限差分法的基本原理，并把它用于金属柱电磁散射分析。随后的二十年中，它 的研究进展缓慢，仅在电磁散射，电磁兼容领域有些初步应用。2 0 世纪8 0 年代 后，随着高性能计算机的普及，时域有限差分法得到了迅速发展，应用范围几乎 涉及所有电磁领域，被称为最重要的电磁场数值计算方法之一。时域有限差分法 的原理及注意事项是本章的重点，这也是本论文所采用的