（无线电物理专业论文）新型宽频带微带天线及阵列的研究.pdf

摘要 摘要 随着现在信息量的增大和人们对通信质量要求的提高，通信系统的发展也越 来越迅速。通信绿色化，系统智能化是现代通信的特点。天线是无线通信系统中 必不可少的组成部分。天线的性能直接影响着无线通信系统的性能。 天线在经历了近一百多年的发展，由开始的火花放电产生电磁波到今天的大 型天线阵。天线的形式也越来越多。超宽带天线的出现是天线发展历史的一个重 要里程碑，为超宽带通信的发展创立了条件。 单极子天线是最基本的天线，同时，也是应用很广泛的天线。随着超宽带天 线技术的发展，出现了超宽带平面单极子天线。随着现在设备的小型化，也要求 天线小型化，平面化。所以研究超宽带平面单极子天线有着重要的意义。现在的 频谱资源日益紧张，f c c 提出的超宽带频段包括了一些其他通信系统所用的频段， 为避免不必要的干扰和减小射频前端的体积，即有阻带功能的超宽带平面天线的 研究工作也就非常有意义。 为实现天线的一些特殊功能，如要实现高增益和波束扫描等，就要对天线进 行组阵，天线阵的研究就十分重要。 本文第一章简单介绍了天线的最基本理论和天线的参数指标。归纳了微带天 线展宽频带的常用方法。重点总结了阻抗匹配的重要性，并且分析了微带阻抗变 换器。 第二章是论文的第一个重点。文中详细分析了单极子天线。设计的天线是改 进的圆环单极子天线，天线带宽从2 4 g h z 1 2 g h z ，天线的峰值增益为6 d b 。天线 的尺寸为3 6 m m x 3 4 m r n x l 5 m m 。天线结构简单，形式新颖。天线具有较好的全向 性。符合超宽带通信的要求。 第三章是论文的第二个重点。文中详细分析了超宽带平面带阻天线。在大量 阅读文献的基础上，设计了一种超宽带平面带阻天线。分别采用加载寄生贴片和 缺陷地的方式实现了两个阻带，第一个阻带频率范围是从3 3 g h z 3 9 g h z ，第二个 阻带频率范围是从5 1 g h z 5 7 g h z 。阻带中心频率处天线的墨参量接近0 d b 。文 中详细分析了天线的结构参量对天线性能的影响。 第四章分析了功分器。通过a d s 仿真软件设计了一个一分四的等分功分器， 摘要 并且设计了一个四单元的微带天线阵。单天线采用口径耦合微带天线。该天线在 工作频率2 4 g 时的增益为6 d b 。通过组阵，天线的增益达到1 0 6 d b 。通过这个最 基本的天线阵，学习天线阵的知识。 第五章为结论与展望，主要是分析论文中的出现的问题，为下一步的工作做 好准备。 关键词：阻抗匹配，阻带，单极子天线，功分器 i i a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s g r o w i n gr a p i d l yw i t ht h e i n c r e a s i n ga m o u n to fi n f o r m a t i o na n di m p r o v e m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o n m o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db ym o d e lo fi n t e l l i g e n ta n dg r e e n a n t e n n ai s a ne s s e n t i a lc o m p o n e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n t e n n a sf u n c t i o nd i r e c t l ya f f e c t s t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e f r o mt h ep r i m i t i v es p a r kd i s c h a r g ep r o d u c i n ge l e c t r o m a g n e t i cw a v e st ot o d a y s l a r g ea n t e n n aa r r a y s ，t h ed e v e l o p m e n to fa n t e n n ah a sa l s oe x p e r i e n c e dt h ep e r i o do f n e a r l yah u n d r e dy e a r s t h et y p eo fa n t e n n ai sm o r ea n dm o r ea b u n d a n t t h ee m e r g e n c e o fu l t r a - w i d e b a n da n t e n n ai sv e r yi m p o r t a n tm i l e s t o n ei nt h eh i s t o r yo fa n t e n n af i e l d i t h a sc r e a t e dt h ec o n d i t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to fu l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o n s m o n o p o l ea n t e n n ai st h em o s tb a s i ca n t e n n a , w h i c hi sa p p l i e di nm a n yf i e l d s u l t r a - w i d e b a n dp l a n a rm o n o p o l ea n t e n n ah a sa p p e a r e dw i lt h e d e v e l o p m e n to f u l t r a - w i d e b a n da n t e n n at e c h n o l o g y t h em i n i a t u r i z a t i o no fe q u i p m e n ta l s or e q u i r e s a n t e n n am i n i a t u r i z a t i o na n dp l a n a r i z a t i o n s p e c t r u mr e s o u r c e sa r ei n c r e a s i n gt e n s en o w u w bb a n dp r o p o s e db yf c ci n c l u d e san u m b e ro fb a n d su s e di no t h e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i no r d e rt oa v o i du n n e c e s s a r yi n t e r f e r e n c ea n dr e d u c et h es i z eo fr ff r o n t - e n d ， t h er e s e a r c ha b o u tb a n d - n o t c h e du l t r a - w i d e b a n dp l a n a ra n t e n n ai sa l s o v e r y m e a n i n g f u l t oa c h i e v ec e r t a i nf u n c t i o ni ns p e c i a lc o n d i t i o n s ，s u c ha st oa c h i e v e h i 曲g a i na n d b e a ms c a n n i n g , i ti sn e c e s s a r yt ol e tt h ea n t e n n aa r r a y , t h er e s e a r c ha b o u ta n t e n n aa r r a y i sv e r yi m p o r t a n t t h i sf i r s tc h a p t e rd e s c r i b e st h em o s tb a s i ca n t e n n at h e o r ya n da n t e n n ap a r a m e t e r i n d e x s u m m a r i z et h em e t h o d sc o n c e r n i n ge x p a n d i n gm i c r o s t r i pb a n d w i d t h a n a l y z e t h e m i c r o s t r i pi m p e d a n c ec o n v e r t e r t h es e c o n dc h a p t e ri st h ef i r s tk e yo ft h i st h e s i s t w ok i n d so fu l t r a - w i d e b a n d p l a n a rm o n o p o l ea n t e n n aa r ea n a l y z e di nd e t a i l a n t e n n ab a n d w i d t hi sf r o m2 4 g h z t o l2 g h z ，t h ep e a kg a i no fa n t e n n ai s6 d b s i z eo ft h ea n t e n n ai s3 6 m m 3 4 m i n x 1 1 1 a b s t r a c t 1 5 m m a n t e n n as t r u c t u r ei ss i m p l e t h ec h a r a c t e r i s t i co fo m n i - d i r e c t i o n a li sg o o d m e e tt h er e q u i r e m e n t so fu l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o n s n e 1 i r dc h a p t e ri st h es e c o n dk e yo ft h et h e s i s 硼1 eb a n d - n o t c hp l a n a ra n t e n n a f o ru w bi sa n a l y z e d d e s i g nak i n do fb a u d n o t c hp l a n a ra n t e n n af o ru w bb a s e do n r e a d i n gm a n yl i t e r a t u r e s t w ob a n d - n o t c h e sa r ea c h i e v e db yp a r a s i t i cp a t c ha n dd g s t h ef r e q u e n c yo ft h ef i r s tb a n d - n o t c hi sf r o m3 3 g h zt o3 9 g h z t h ef r e q u e n c yo ft h e s e c o n db a n d n o t c hi sf r o m5 1 g h zt o5 7 g h z t h es t r u c t u r eo ft h ea n t e n n aw o u l d i n f l u e n c et h ef u n c t i o no fa n t e n n a t h ec h a p t e ra n a l y s i st h a tt h e s ep a r a m e t e r sh o wt o a f f e c tt h ea n t e n n a a tt h eb e g i n n i n go ft h ef o u r t hc h a p t e r , a n a l y z et h ep r i n c i p l eo fp o w e r - d i v i d e r d e s i g n af o u r e q u a lp o w e rd i v i d et h r o u g ha d ss o f t w a r e d e s i g naf o u r - e l e m e n t m i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y a p e r t u r ec o u p l e dm i c r o s t r i pa n t e n n ai su s e d t h eg a i ni s6 d b a tt h ew o r k i n gf r e q u e n c y i n c r e a s et h eg a i nt o10 6 d bb ya r r a y i n gt h es i g n a la n t e n n a l e a r nt h ek n o w l e d g ea b o u ta n t e n n aa r r a yt h r o u g ht h i sm o s tb a s i ca n t e n n aa r r a y 砀ef i f t hc h a p t e ri sc o n c l u s i o na n do u t l o o k a n a l y z et h ep r o b l e m si nt h ep a p e r a n dp r e p a r ef o rt h en e x ts t e p k e y w o r d s ：i m p e d a n c em a t c h i n g ，b a n d n o t c h e d ，m o n o p o l ea n t e n n a , p o w e r - d i v i d e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 说明并表示谢意。 签名：立呈垫凡日期：2o l o 年矿月旧日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：童堕盘导师签名： 日期： 2o l o 年5 月ig 日 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论 1 8 6 4 年，英国科学家m a x w e l l 在前人的基础上，完整的给出了麦克斯韦方程 组，将媒质的电磁特征及边界条件完整的统一起来【l 】。从此，电磁领域进入了一个 新的时代【2 3 1 。各种微波产品的出现，也极大的方便了人们的生活。天线是各种无 线电设备中不可缺少的组成部分，它能有效地，定向地辐射或接收无线电波，并通 过馈线与收发系统联系起来。天线是导波与辐射波的变换装置，起着能量转换的作 用【4 】。 1 9 5 3 年，著名教授德尚( g a d e s c h a m p s ) 就提出利用微带线的辐射机理来制成 微带天线的概5 1 。之后，由于微波集成技术和低剖面天线的要求，微带天线的研 究取得了突破性进展。微带天线具有平面结构，容易与导弹，卫星等载体共形，馈 电网络可以与天线结构一起制作，适合于用印刷技术大批量生产，能与有源器件和 电路集成，便于获得圆极化。因此，微带天线的发展近年来尤为迅速，在海洋卫星 和航天飞船的成像雷达系统中都使用了平面结构的微带天线阵列【6 】。 单一天线的增益和方向性有些场合不能满足特定的要求，可以将多个辐射单元 按一定方式互联起来构成天线阵，以达到某些特定的要求，如高增益，窄波束，电 扫描等【7 1 。 1 2 天线的基础知识 1 2 1 天线的重要性能参数 天线是无线电设备的重要组成部分，有很多重要的性能参数【8 1 。 天线的远场可以表示成为： 云却) = 阮峨p ，缈) 】孚( 1 - 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 式( 1 1 ) 中豆是电场矢量，万和是球坐标的单位矢量， 常数，e - 肺是相位变量，1 ，是幅度变量 9 1 。 定义辐射强度u p ，伊) ： u 伊) = 去m i f , 1 2 】 k 。是自由空间的传播 ( 1 - 2 ) 辐射功率就可以表示成： 2 r 2 8 = fp p ，c p ) s i n0 d t k q ( 1 3 ) 毒。一二。 定义在相同距离和相同辐射功率条件下，天线方向图上最大功率密度与全向点 源天线的辐射功率密度( 平均值) 之比为天线的方向性系数，为大于或者等于1 的 无量纲比值【1 】。具体的计算式为式( 1 4 ) 。 ( 1 4 ) 即，伊l = 去p p ，缈妞拉为立体角( 1 - 5 ) 在特定的频率点上，天线的远场可以表示成： e ( ，以矽) ：x f ( o ，易) 兰 ， ( 1 6 ) 天线的一个重要性能就是定向辐射的能力，通常用3 d b 波束宽度来描述天线 的方向图【1 0 1 。天线的波束形式取决于应用环境与系统总体要求，点对点通信通常采 用定向的单波束，广播电台采用全向波束，还有赋形波束用于卫星通信。 天线的方向性系数只是辐射场的函数，并没有考虑到天线的损耗问题。为了进 一步描述天线的性能，定义增益g 为在相同距离和相同输入功率条件下，天线方向 图上最大功率密度与理想全向天线的辐射功率密度之比【刀。增益g 与方向性系数d 的关系式： g = r d ( 1 - 7 ) 第一章绪论 式( 1 7 ) 中刁是天线的效率，是天线辐射功率与输入功率的比值。 极化是电场的取向随着时间变化的轨迹。线极化与圆极化都是椭圆极化的特 例。倾角，轴比和旋向是极化的三个参数。圆极化又可以分解成两个正交的线极化， 这也是取得圆极化的一种方式。圆极化又可分成左旋圆极化( l h c p ) 与右旋圆极化 ( p d - i c p ) ，椭圆极化波又可以分解成为两个旋向相反的圆极化波【6 】。两种正交的 波( 极化方式) 可以在同一频率上传递不同的信息。这就是极化复用。如果接收天 线的极化方式与接收波的极化方式一致，称为极化匹配，这时，将没有功率损耗， 如果接收天线的极化方式与接收波的极化方式不一致，称为极化失配，这时，将有 功率损耗。定义损耗因子为式( 1 8 ) 。 p 耐= 商己1 2 ( i - 8 ) p d ，2i e i e ，i 【j 如果用圆极化天线接收线极化波会有3 扣损耗，接受天线的极化方式如果与 来波的极化方式正交，损耗为无穷大，就接收不到信号。天线在最大辐射方向上的 极化方向为主极化，与主极化正交或相反的极化称为交叉极化【5 1 。 弗里斯公式描述的是收发天线之间的能量接收关系。计算公式为： e = 寄e ( 1 9 ) 式( 1 - 9 ) 中g f 是发射天线的增益，g ，是接收天线的增益，r 是发射天线辐射 信号传播的距离。 有损耗或者有源器件总会产生一定的噪声，天线接收到的噪声信号是必须要考 虑的。天线的噪声温度定义为式( 1 1 0 ) 。 l = p 脚乙+ o - e 删) 乙p 脚= 了i ，亿p ，伊) d p ，够) s i no d o d ( a t t p = 0 0 = 0 l 62 i 石一 ，p p ，缈) s i i l 彩彩缈 ( 1 - l o ) ( 1 - 1 1 ) 式( 1 - 1 0 ) 与式( 1 - 1 1 ) 中，乙是天线的物理温度，三是功率损耗因子。p ，缈) 是背景温度的分布函数，d p ，缈) 是天线的方向性函数。 天线馈电端口上的电压与电流的比值叫做输入阻抗1 0 1 。输入阻抗的计算公式为 电子科技大学硕士学位论文 式( 1 1 2 ) 。天线的输入阻抗取决于天线的工作原理，结构尺寸，工作频率。天线 的输入阻抗是频率的敏感函数。设计天线时，一个很重要的工作就是使天线的输入 阻抗与馈线的特性阻抗匹配。即要设法消去天线的输入阻抗中的电抗分量。 z 荫音吨慨 ( 1 1 2 ) 入射波和反射波在传输线各点上叠加，形成驻波。电压驻波比( v o l t a g es t a n d i n g w a v er a t i o ) 定义为传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压振幅之比【1 1 1 当馈线的特 性阻抗与天线的输入阻抗不匹配时，这时就产生驻波。因此可以用电压驻波比来反 应天线的匹配情况，通常p 1 ) 根据小反射原理，在输入端口总的反射系数可以用式( 1 3 1 ) 表示： 喇一1 ：p 瓦d i l ( 舟0 m 3 ， 。：= o ” 。 可以得到指数渐变线的反射系数为式( 1 3 2 ) r = 掣p 啦警 m 3 2 ， 2彪 、 7 根据式( 1 - 3 2 ) 就可以计算出所需的指数渐变线的长度。 除了指数渐变阻抗器还有三角阻抗变换器抛物线渐变阻抗变化器等多种形式， 其他形式的推导与指数渐变线相似【2 l 】。 1 3 3 2 兄4 阻抗变换器 五4 阻抗变换器在微波工程上应用非常广泛，是负载阻抗与传输线匹配的简单 而又实用的方法【9 1 。 根据式( 2 9 ) ，可知长度为州4 的传输线，终端接尺，时，从输入点看进去的 输入电阻为z 加= r 工z 责，z 。为纠4 传输线的特性阻抗。这样就完成了传输线与 端接负载之间的匹配。州4 阻抗变换器只适用于匹配电阻性负载，若负载阻抗为复 阻抗，通常采用的处理方法是在负载处并联或者串联一段短截线，抵消掉负载阻抗 的电抗分量。或者，在负载与传输线之间加一段移相线段。原理是一样的。 州4 阻抗变换器的缺点就是带宽很窄，随着现在宽频带技术的不断发展，提高 州4 阻抗变换器的带宽也就显得很重要。增加州4 阻抗变换器的支节数目，可以增 加带宽。即多节兄4 阻抗变换器。现在，通常采用的多节纠4 阻抗变换器的形式有 电子科技大学硕士学位论文 契比雪夫多项式，最大平坦度等几种形式【2 2 1 。 o 。- 一- - 0 - 。- 0 - - 。 - - - _ _ _ _ _ - - - 。 z n ! jz lz 2 图1 - 7 多节州4 阻抗燹抉器不恿图 图1 7 中端i - 3 的总反射系数可以通过每一支节的反射系数表示，分成支节数是 奇数和偶数两种形式【2 1 1 。 n 是偶数时，可以表示成式( 1 - 3 3 ) 。 t ( 8 ) = 2 e - i n 口i f o c o s 瑚+ r 1 c o s ( 一2 汐+ 凡c o s ( 一2 以汐+ 三r 2 ( 1 - 3 3 ) n 是奇数时，可以表示成式( 1 - 3 4 ) 。 t p ) = 2 e - j e i f 。c 。s 。瑚+ r ic 。s ( 一2 汐+ r c o s ( 一2 刀矽+ 五1r ( 州) ：c 。s 口 ( 1 - 3 4 ) 式( 1 - 3 3 ) 与式( 1 - 3 4 ) 中秒是每一个支节的电长度。 因为支节的长度都为波长的四分之一，所以两支节连接处的电压驻波比可以表 示成后一支节传输线与前一支节传输线的特性阻抗之比。所以支节连接处的电压反 射系数可以用电压驻波比表示出来，如式( 1 - 3 5 ) 所示。 l r | = 而p - 1 ( 1 _ 3 5 ) 定义多节阻抗变换器的相对带宽和中心波长为乃分别为式( 2 - 2 0 ) 与式 ( 2 2 1 ) 。 ( 箍 m 3 6 ， 厶= 麓 m 3 7 ) 1 2 第一章绪论 式( 1 - 3 6 ) 与式( 1 - 3 7 ) 中旯，。，a 。：分别是频带最低频率与最高频率所对应的 传输线波长。 根据频带的范围利用上式求出呢，变换前后阻抗值之比，查表，找到需要的 支节数目。然后在根据表格中的数值得到阻抗值。表格中给出的阻抗值是归一化的。 需要反归一之后，得到实际的阻抗值。然后根据微带线的特性阻抗和有效介电常数 表得到微带线的宽度和长度【2 3 1 。 对于多节阻抗变换器，支节数目越多，各个支节特性阻抗的阶跃变化越小。也 就是说，当支节数目无穷增大时，就可以看成是由平滑的曲线组成的变化器。变换 器的频带会扩大。 同其他微波器件一样，阻抗匹配对天线性能的影响也是非常大的，最直接的办 法就是在贴片单元与馈线之间加上匹配网络。结构如图1 8 所示 l 隰 贴片 单元 ( a ) 共面匹配方式( b ) 非共面匹配方式 图l 培匹配网络示意图 可调谐短线和1 4 波长变换器是较常用的阻抗匹配的方式。这些匹配网络应接 在距离辐射单元尽可能近的地方，以便获得较高的总功率和带宽。使天线的输入阻 抗与馈线在最大的频带范围内相匹配，需要进行综合分析。 1 3 4 馈电方式对阻抗带宽的影响 微带贴片天线的馈电方式，可以分成三种。同轴线馈电，微带线馈电，孔径耦 合馈甘5 1 。每种馈电方式都有自己的优点与缺点。设计时根据实际的需要，选择合 适的馈电方式。 通过同轴线对微带贴片天线进行馈电时，激发的高次模将会在探针上形成感 抗，这样天线的等效品质因数就会变大。感抗越大，对带宽性能的影响越明显。通 过在探针顶端加载电容片的方式来弥补缺陷。如图1 - 9 所示。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 9 容性探针馈电示意图 图1 - 9 中，彳为金属贴片，加在同轴馈线的中心内导体上，贴片彳与辐射贴片 形成电容，该电容与探针的电感发生串联谐振，这样完成阻抗补偿功能，这时天线 的谐振频率会降低，从而就扩展了带宽。探针等效感抗可以用式( 1 - 3 8 ) 求出。 一，9 气 x l = - - - tt a n ( 0 5 砌1 ) l n ( = 等)( 1 3 8 ) 刀 k a 式( 1 3 8 ) 中，刁是介质的波阻抗，k 是波数。 通过同轴线馈电时，探针的接入点对天线的带宽有着很大的影响。 用微带线进行馈电，可以将馈线与天线集成在一片电路板上，在r f i c 中应用 较多。但是由于微带线与天线在一个平面，当工作频率较高时，对天线的电磁干扰 相对来说比较大。影响天线的各向性能指标。 电磁耦合式馈电是一种非接触式馈电，可以通过馈线，也可以通过孔径实现馈 科1 0 1 。孔径耦合馈电解决了多层介质板，多贴片的微带天线的馈电问题，通过孑l 径 耦合馈电，能够明显的提高阻抗带宽。 1 4 本章小结 第一章简单介绍了天线的最基本的理论和天线的参数指标。归纳了微带天线展 宽频带的常用方法。重点总结了阻抗匹配的重要性。特别是指数渐变线的阻抗变换 器和州4 阻抗变换器。 1 4 第二章超宽带平面单极子天线研究 第二章超宽带平面单极子天线研究 与其他通信技术相比，u w b 通信技术有着自己独特的优势。主要表现在数据 传输速率高，理论信道容量能达到1g b p s ，完全可以实现l o o m b p s 的速率。在短 距离通信方面优势尤其明显。信号隐蔽性好，不易被截获，保密性高，多径分辨 率极高【2 4 2 5 1 。超宽带通信技术的发展，就迫切需要性能优良的超宽带天线，研究 超宽带平面单极子天线有着很重要的意义。 2 _ i 超宽带平面单极子天线 超宽带平面单极子天线是在传统的单极子天线的基础上发展起来的。经典的 单极子天线如图2 1 所示，金属贴片垂直于金属地板，天线通过同轴线馈电。 图2 1 单极子天线示意图 单极子天线具有重量轻，结构简单等优点。广泛应用于现在的超宽带无线数 据传输中。单极子天线包括馈线，辐射贴片，金属地板三部分。馈电方式是微带 线馈电或者是共面波导馈电。辐射贴片的形状取决于实际的需要，理论上形状可 以是任意的。常见的贴片形状图2 2 所示。金属地板大部分采用缺陷式地板，以增 加天线带宽。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 3 文献口q 中设计的天线 文献2 7 1 中设计的天线采用缺陷地结构。设计的天线尺寸大小为2 5 r a mx 2 5 r a m 15 m m 。微带馈线相对于辐射贴片是非对称结构，即馈线偏离辐射贴片的 中心。结构如图2 - 4 所示。天线的绝对带宽为9 g ( s 。 一l o d g ) ，通往在辐射贴片 上丌槽，抑制了低频时接地板上的电流。减小了接地板对天线阻抗特性的影响。 文献 z 8 3 1 研究的都是单极子天线。 第二章超宽带平面单极子天线研究 22 超宽带平面单极子天线的设计 2 21 天线的设计思路 目前，用于短距离数据传输的超宽带平面单极子天线有很多种类，论文中设 计的天线，辐射贴片采用圆形贴片，在圆形贴片中间开有椭圆形的孔，圆形与椭 圆形的圆心是重合的，在圆形贴片下端开有两个矩形的榷，矩形槽关于y 轴对称。 采用阶梯微带线进行馈电。在c s t 仿真软件中优化阶梯微带线各段的长度，使天 线的阻抗在较宽范围内实现匹配。馈电点是天线表面电流最强的地方，在馈电点 附近开槽，可以明显改变天线的表面电流。矩形槽的宽度，长度及距离馈电点的 位置是影响天线辐射的主要参数。单极子天线的接地板结构对天线的性能影响很 大，文中结台c s t 仿真软件的仿真结果，详细的讨论了这些参数对天线性能的影 响。 辐射贴片印制在3 6 r a m 3 4 r a m 15 m m 的介质基板上。介质基板采用f r 4 基 板，f r 4 介质基板价格便宜，稳定性较好，在工程中被广泛应用。f r 4 介质基板 相对介电常数为4 4 ，损耗角正切为0 0 2 。接地平面设计为梯形接地平面，其高度 与微带馈线的高度相同，天线结构新颖，简单。通过综合分析达到超宽带通信 的要求。结构如图2 - 5 所示。天线的实物图为图2 _ 6 。 a ) 正面视图( b ) 反面视图 图2 - 5 天线结构国 电子科技大学硕士学位论文 ( a ) 正面视图反面视图 圈2 石加工天线圈 天线的设计仿真是利用三维射频仿真软件c s t 。c s t 软件是基于时域有限差 分法的一种高效电磁仿真软件。在仿真超宽带天线时，计算时间短，仿真结果准 确。 根据设计思想利用c s t 仿真软件进行分析与修改。晟后得到符合要求的天 线。文中设计的超宽带平面单极子天线是从圆环单极子天线演变而来的，将圆环 单极子天线里面的圆环改成椭圆环，利用圆形与椭圆形相交得到的图形作为辐射 贴片。这样延长了电流的作用路径，相应的提高了带宽。 222 天线结构参量分析 2 22 1 椭圆轴比对天线性蘸的影响 天线的低频辐射主要是与圆形贴片有关，主要取决于圆形贴片的周长。增大 周长，会使天线的低频辐射加强天线的高频部分( 8 g h z 以上) 的辐射与接地板 有很大的关系。天线的电流主要是分布在圆形贴片的边缘，如图2 8 所示。椭圆的 轴比主要影响电流的边缘分布，从而改变天线的辐射，轴比在某一范围之内的影 响不是很大，但是如果超过一定的范围对天线的影响将很大。椭圆轴比越小， 则椭圆的面积越大，则电流在金属表面的分布越集中，但是如果金属贴片的面积 过小，电流分布就很不均匀，从而就影响天线低频部分的辐射。图2 。7 是对轴比取 第二章超宽带平面单校子天线研究 不同的值时，对天线性能的影响。 ，e q “e n c 3 ( g h z ) 图2 7 椭圆轴比对天线回波损耗的影响 从图2 7 可以看出来，当轴比q = 1 时，也就是椭圆变成圆形的时候，在频段 45 g 8 g ，天线的s ，参量大干1 0 d b ，辐射性能很差。随着轴比的增大，天线在低 频段的辐射性能要好但是考虑到综合因素椭圆的轴比不应取得太大。否则会 影响天线的增益。 图2 - 8 电流分布圈 0 o；m 一h_的 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 2 阶梯微带馈线对天线性能影响 图2 9 是用微带线馈电和用阶梯过渡微带线馈电的天线回波损耗的比较。从图 中可以看出来，天线直接用5 0 f 2 的微带线进行馈电时， 在6 2 g h z 与7 5 g h z 这 一频段，天线的墨高于1 0 d b 。主要是因为天线的输入阻抗值随着频率的改变而会 发生变化。天线的输入阻抗在这一频段内失配比较严重。天线阻抗中的电抗分量 变大，入射的电磁波被反射回去，电压驻波比变大，天线的辐射性能降低。因此， 将馈电形式改成阶梯形微带线馈电。阶梯型微带线中，不同的长度对应着不同的 阻抗。相当于阻抗的串联。如图2 1 0 所示。这样修改的目的是为了在较宽的频带 范围内实现天线的阻抗匹配，降低电压驻波比，以增加天线的带宽。 o 。1 0 ，_ 、 镥瑚 、， 酊 - o 一毒啦 * 8 0 f r e q u n n c y ( g h z ) 图2 - 9 直接馈电与阶梯微带线馈电天线的回波损耗比较 1 2 图2 1 0 阶梯馈电等效原理图 2 0 第二章超宽带平面单极于天线研究 为了与信号源电路匹配，支节4 的宽度是28 4 r a m ，微带线的特性阻抗为5 0 q 。 设计了四节阻抗变换器，支节3 宽度是25 2 m m ，特性阻抗为5 42 n ，支节2 宽度 是22 r a m ，特性阻抗是5 8 5 n ，支节4 的宽度是1 g r a m ，特性阻抗是6 5 8 q 。传 输线的长度都取相同的长度，为中心频率对应的工作波长的4 。 从图2 - 9 也可以看出来，加阶梯微带馈线以后，天线低频段的辐射效果不如直 接用5 0 n 的微带线馈电效果好。这也是因为改用阶梯微带线后，天线在低频部分 的阻抗不完全匹配引起的。但是影响不是很大，综合来看加阶梯型微带馈线之后， 天线的驻波比有所改善，带宽增大。 22 23 接地板对天线性能影响 单极子天线的接地板对天线的辐射性能有很大影响，理论上地板的长度不应 该超过微带馈线的长度，否则将对天线性能的影响很大，主要是因为能量在介质 板之间谐振，品质因数变大从而影响天线的辐射。论文中的天线地板采用梯形 结构，如图2 - 5 ( b ) 所示。这样的设计，有利于辐射贴片上的电流与接地板之间建立 场。梯形的长度与宽度对天线的性能都有影响如果梯形的上边a 过短，则电流路 径过短，可能会抑制住某频段的电流，即在某频段内形成阻带。如果梯形的上边a 过长，则接地板与辐射贴片之间的等效缝隙就会过大，也不利于电磁波能量的辐 射。再者，过太的接地板也会引起损耗过大，影响天线的增益。图2 - 1 1 给出了天 线的回波损耗随着梯形上边a 的变化关系。 。1 。 署锄 3 0 一。g “州af g h ：) 图2 - 1 1 梯形上边的长度对天线网波损耗的影响 2 1 电子科技大学硕士学位论文 从图2 - 1 1 可以看出当梯形的上边与下边长度相等时，即等于介质板的宽度 时，单极子天线的辐射在7 g h z 到9 g h z 的频带内较差，主要原因是电流损耗较大， 当长度较短时，这时候，贴片上的电流很容易与地板建立场，在中频段辐射较好， 但随着频率的升高，工作波长变短。长度a 相对工作波长变长了，出现局部的反 相电流，影响到高频段的辐射，从图2 一1 1 可以看出来，9 g 之后的辐射变得很差， 随着长度的变大，高频段的辐射性能变好。经过最后仿真软件的优化，得到梯形 上边长度为3 2 m m 的时候整体性能是最优的。 2 224 矩形槽对天线性能的影响 天线的电流分布图对天线的设计很重要，尤其是要通过开槽改善天线性能的 时候，开槽点的选择将直接影响天线的性能。实际工程中，有些时候需要在天线 表面开孔，而且要不影响天线的指标，这就要根据天线电流分布图来分析。论文 中的天线通过在馈电点附件开矩形槽来增加带宽。辐射贴片上的电流在馈电点附 近是最强的，在馈电点附近开槽。切割了原来的电流，从而使贴片上的电流重新 分布。也就相应的扩展了天线的带宽。矩形槽的高度h ，宽度t ，和矩形槽离馈电 点的位置，是三个重要的参量，三个参量一起影响着天线的性能。图2 1 2 足矩形槽 的高度h 对天线回波损耗的影响。 s n 。6 d 黾1 5 订+ 甚 5 f r o q m n c 3 ( g h z ) 圈2 1 2 矩形槽的高度h 对天线同波损耗的影响 槽的高度决定着槽边缘电流的长度，其作用类似于集总电路中的谐振元件 n 第二章超宽带平面单极干天线研究 从图2 1 2 可以看出来，高度越小，中频的辐射越差，高频部分的辐射相对较好- 即 越接近没有开槽之前的辐射状卷。槽的高度增大，中频辐射变好，同时，高频段 的辐射相对较差一些。这主要是因为，槽的高度如果过小，电流的形式没有被改 变，髓着高度的增大，电流发生了变化，随着工作频率的升高，天线的辐射性能 会降低，还要综合调节槽的宽度，以达到超宽带的要求。 ： 6 o - ，i s 牙t s ： ： 加口q ( 岛 图2 1 3 矩形槽的宽度t 对天线回波损耗的影响 槽的宽度决定着槽边缘两电流之间的距离，槽的宽度越大，两电流之间的场 强越小，相应着辐射也就较小。这可以等效为两个相距较远的偶极予天线。从图 像2 - 1 3 也可以看出来，当宽度为l m m 时，天线在8 7 g 以上就没有辐射了随着 距离的减小，高频的辐射就相应的增加。 5 o 5 1 a m 孝御 2 5 3 0 3 6 f 4 0 f r o q u , m o , ( o l t z ) 国2 一1 4 矩形槽离馈电点距离l 对天线回波损耗的影响 槽离馈电点的距离越近，表示矩形槽越靠近强电流区，这时将影响天线在高 2 3 影i 一 一 1nqj1q1jnj1|11j，j4 电子科技 学硕士学位论文 频的辐射。从图2 1 4 可以看出，当矩形槽离馈电点的距离为20 5 r a m 时，天线在 9 g 以上就没有辐射了。而当矩形槽离馈电点的距离为45 m m 时，天线的辐射又接 近没有开槽的状态。 由图2 1 2 ，图2 一1 3 ，图2 1 4 可以看出来，在馈电点附近丌矩形槽，对天线低 频部分的辐射没有影响。 22 25 天线实测数据 用矢网h p 8 5 1 0 对天线的s 参量进行测量，如图2 - 1 5 所示。 圉2 - 1 5 实测天线s l i 参量 从测量结果可以看出，天线的阻抗带宽低频从3 g h z 开始，因为矢网h p 8 5 1 0 高频端只能到85 g h z ，所咀就只能测量到85 g h z 。仿真的阻抗带宽是从26 g h z 到1 2 g h z ，测量的低频提升了4 0 0 m h z ，这主要是因为天线与s m a 接头焊接的时 候，焊点偏太，引起对天线系统的干扰。 2 226 天线时域分析 超宽带无线通信要求天线具有很好的时域特性，出保证波形的不失真传送， 而时域信号的上升沿很短，频谱很宽。要求天线在整个频域内具有较好的稳定性。 第二章超宽带平面单极子天线研究 论文中是运用c s t 电磁仿真软件的探针功能，进行时域分析。设定仿真测试距离 为1 0 0 米将天线放于球坐标远点( n 口，计，将点 6 0 0 ，o 。，0 。) 0 0 0 ，3 0 0 , 9 0 。) 6 0 0 ，6 0 。，9 0 。) 0 0 0 ，9 0 0 , 9 0 。) 厦各自关于y o z 平面对称的点 各加探针。如图2 - 1 6 所示。测得信号的波形如图2 - 1 7 所示。 从仿真结果来看，天线辐射的信号具有较好的空间不变性。 i 匕= ! ! ! ! = = = ! e 曼! ! = 重要翕 图2 1 6 c s t 软件中渡形测量示意图 j0 。 j 一圳卜 l 一，! ! 一一。”i 0 = ” ( 的口= 0 0 p = 0 。探针监$ 4 到的波形图彻口= 3 0 0 p = 9 0 。探针监测到的波形 托) 曰= 6 0 。妒= 9 0 0 探针监测到的波形图( d ) 口= 9 0 0 妒= 9 0 0 探针监测到的波形图 图2 1 7c s t 软件中监测的波形 0” ；eldi 一，ll 电子科技大学硕士学位论文 从图形2 1 7 可以看出来，天线在垂直于天线的方向上具有最好的辐射。信号 出现轻微的振铃效应。波形具有较好的空间保真性。 2 2 3 单极子天线的增益和方向图特性 通过c s t 软件计算的超宽带平面单极子天线的e 面( x o z 面) 方向图如图2 - 1 8 所示。 冀? t冀 伸奠j涂 厉惩! 蠼戮 f 人、 i i i ( a ) 3 g h z 时天线e 面方向图 德 彳籍 k 八” 荔一，。| 上。熊j 鬻谶； 一旁。| 凡f 炙二移 j ，、名 德i 卜柚 弋 旧、- v 。弋 矧、 甥裂 分71 秘 奠 c o ) 5 g h z 时天线e 面方向图 h 疆，厂d 飞 呻蛐气 淤i i i = 1 1 1髓 蠖图参。、。 j 、 i n l 柚 埘t i ( c ) 7 g h z 时天线e 面方向图 ( d ) 9 g h z 时天线e 面方向图 图2 1 8 天线e 面方向图 e 面就是与电场平行的平面，论文中设计的天线的电场