圆极化微带天线和理论与实验.pdf

l 7月 前l O 鞋射 4期 通信学报 J0U RN A 0 F CH I N A 1 N S TI TU TE O F CO M M UN I CA TI ON S V 1 0 N o 4 J ul y 1 9 8 9 圆极 化 微 带 天 线 的 理 论 与 实 验 罗远祉 阳建 平 钟 顺时 E 提要 木 文基 于空舱 模型给 m圆 艇 r 匕 魁 天线 曲一种简 啊 理论 导出 了对矩形 单元 曲设 计公式 井怍了宴 验 验 证 已证 哪 读理 论对厚 至 0 0 8 质 r 砬长 灼毖片 仍是适 用的 同时 撙 出了 圆桎 化 带宽 与基 片厚霞 的芏 系式 已表明 若 基片厚 瘦约 为 8 可获 樨 3 的回槛化 搬充 The or y a nd Ex pe r i m e nt on Ci r c ul a r l y Pol a r i z e d M i c r o s t r i p A nt e nna s Y uen T L o B Engs t and Zhong Shuns hi A bs t r ac t Ba s e d OR t he c a vi t Y ro o d c I 4 s i P t h y f ot c i r c ul ar t y Po t a t l z e d ta l c f os t r l p a r t t e nna s a n c l d e s i g n f o r m t fla s f o r t he e ct a ng ul a pa t che s a r e pl c s 2 nt c d wl t h ex p e fi m e nt a l v c r l f i c a t l o r t I t i s s hown t h t t t hi s l h c o r v s s t i i a p 1 I ca b e f ot S ub s a t e a s t hi c k as 0 J 8j dl c i e e t r i c wa ve l e c t g l h Th c r e 1 a t i on s hl P b e t w t h C P ba H d i 5 t h CP B V a n d t 0 t h c k 1 s s o f s u b s t r a t e i s s i r e n I t L 5 s h t h a a CP BW o f 3 c an b e o h a i ne d I t h e s ub n a a hJut 8 0 f t It i c k 一 引 言 微 天线能被设计 来完成许多功 能 其 中之一就是 单片微啦 天线能 设计得辐射任意极 化的电磁波 特别 是 它 无需任何 和移 网络和功率分配 器就可 实现 圆极 化辐 射 在 I 9 7 9 年作者之一 和同事扪就 已报 导 了对这娄天 线的一 个简单但精 确的理论 并给 出了一些 实验模 型 然而 这些筷型 的闾极 化带宽 轴 I 七 AR小于某给定 值 例 如 3 d B的频惜 是 很窄 的 举 饲米 说 一 个准 方形的微带贴 片 采 用厚度 1 6mm 的 Re x o l i t e 2 2 0 0材 料 工作 于 8 0 0 MHz时 的画极 化带宽 只有 0 3 左右 这些 实验模型大 多是沿贴片对 角线方向馈 电的 而实际上 几乎有无 限多的可能 的设 计而且可有 不同的馈 电位置 本 文的 目的就是 进 一步 阐述圆极化微带 无线 的理论 绐出确 定馈 电位置和 工作 额率 的方法 其次 研究展宽圆极化 频带 的有效方 法及其实验 验证 理 论 根据空 腔模型理论 微带贴片与按 地板之间 的 向电场 见 图 1 呵 用模 函数 的展 开 式来表示 Yu e n T Lo B En g s t I美 国伊剥 话斯大 学 Un i v e r s i t y o f I l l i n o i s n t Ur b a n a Ch a mp a i g n I L 6 8 0 1 US A 钟顺时 t西安电子科挂大平 Xi d i a r t U r t i v e r s i t y X i a r t 副救接 l 9 B 0 年 皿干 I E 电1 R工 程 7 S 1 8 0 年至 1 9 8 2 年任薹日华盛嘲大学科 和诣 大学访问学者 后期受聘 研究顺 现从事l 点 场 与强 泣谊 业数学与科研工作 维普资讯 她d璇 岫极化槽带无线昀理论与实验 E 一 1 一ij k o to 毪 d 8 一 2 这里 c 为谐振模 的统 一序号 设按 谐振频率高低 为序 为 向由空 酬波 数 m为 自由空 间波 阻抗 为第 m模 的谐 振波数 J 是 z向澈勋 电流 是馈 也位 置 y 的函数 o l 1 一 6 l 1 一 d 2 3 或 一 J 矗 4 一 5 一 e 2 一 2 0 6 式中 为基片 的相对介 电常 数 d 为等 效损耗 角正 切 0为天 线 品质 因数 它可 由计算 或溅试得 出 天线 在远区 0 处 的辐 刳场为 雷 凫 是 7 2 R e 盎 n 时d l 8 式 中 是贴片属边 c的外法线 单位 矢量 是 向单位矢 量 当激励 频率在某 m摸谐振频率 附近时 该模 比所有 其 泡校都 明显地强得多 对薄 微 天线 尤其 l 此 夸 设该 模在 轴 片向 日 一 0 的运 区辐 射场螽 X向 利用 式 1 2 7 8 它 可表 为 E 一G Y 9 此时若 与 接近 面 f j则 m十 1模 可能 同样地被 激励 而 其极化 与 z 正 交 即 有 一 o j G l 一 1 1 O 则此 正交极 化的比值为 一 簪 篙 鲁一 A 导 E G 壬 凫 一 1 髓 l 式 中 G y G y 1 n 1 2 于 是得辐 剩圆极化 波的激励条件为 A 一 一 J 1 3 J 这 时彳 一 j 号和 一 号分 别对 应于左娩 撤 化避 L HcP 和右 旋圆极 化波 R HC P 下面 以矩形贴片 为例 研 究 如何应用 式 1 3 束确定 辐射圊赦化漩 曲债电位置和 工作 频 率 取 对 向的 TM 模 和 T M 模作为 两个主幞 设贴 片有效尺 寸为 口 近于 方形 即 0 2 k l Q 有二解 2 若 o k l 2 k 有一解 3 若 o 一 0 0 0 5 2 5 前 面已提到 圆极化措 宽与天线 O值 的理论 关系是 CP B W O o 近 似等 于 3 5 0 这与 实测 结 果 的比较示 1 圈 g巾 可见 二者吻台得 出人意料地 好 还有一 个实验模型 3 贴 片尺寸为 0 g 4 6 c m 6 0 9 1 1 c i l 1 江 0 0 8 C I T I 0 2 O 沿 对角线 电 为 缸 0 D艟线 微女 地 配 馈 点 标选为 0 2 1 e m Y 一 0 2 0 c m 在 1 0 Z 2 GEz上铡 得二主商方 向譬如图 1 0所承 可 见 在觅角域上都 有极 好的轴 比 囝l o 5 c 为在两 个端 颏 1 0 3 0 5 GHz 和 1 O 1 6 GH 测 得 主西方 向霉 网极 化带 宽约 1 4 4 因此比 1 贴片情况 要窄 些 这大概可 视为是 E 我们 盼实验误 差范 围之 内 对不同基片厚度的宴剐固极他带宽 表 2 CP BW C I I f GHz f c m t i t 0 D 1 6 C 5 9 翩踮 O 0 0 31 C 0 05 1 1 3 0 0 3 5 0 3 2 O 5 9 50 8 5 0 0 O 6 3 0 01 0 8 5 0 5 O 3 2 1 2 O 2 5 O O 日 O l2 B 0 C2 1 5 O O 8 4 o O 8 l0 27 2 9 2 0 0 27 i 0 2 1 5 D 1 S 9 4 3 D 8 0 O 5 2 0 0 8 8 3 3 测 试值 茎在 仪器 准确 度内 维普资讯 j 遗 倍 擎 l l 9 8 9 晕 目8 皿 投亿带宽 与以 波 k计的蓥 片厚度 的关 幕 图 9 圆极 化带 竟 与错带 无线 0值的 关系 七 1 1 f I l I l f i c l 翳 醒盥 卿f 1 0 6 c f 0 I G H 图 1 0 3 天 线的 安铡方向 图 五 结 论 尽 管 我们 的圆极 化擞带 天线理论 是基于对薄微 带天线有效 的空 腔模型 但 率研 究表 明 它对 厚至 O 0 8 4 的基 片仍 然适用 式 z o 2 1 可 作为设计矩形圆极化单元 的有效公式 微带天 线的圆极化带 宽近似 与其 a值成反 比 因而可 由增大基 片厚度及降低基 片相对介 电常 数 来展宽 若基 片厚度 约为 的 8 可获 得 3 的圆极化带 宽 这 时天线 a值为 8 故 其辐射效 率仍是高 的 另有一些设 计方法 如对 方形 贴片适 当切角或开槽 也可 得圆极化 还 可采用椭 圆形 五边形贴片等 再者 如 同时在左右两个 角璇馈 电 使 同时辐射左旋和右旋 圆极 艺 虽 天 线 增益可能降y fi o 但 由于 大减 圆极化带宽 可以增大约 l O倍 多 本文研究 只限于由 单一馈 点对 单片微带 天线 馈 电的圆极 化微带天线 它 不需 要 壬何 附加 的 袒移圊络和 功率分配器 也已发展 了利 用双或 四馈 电点和 刺用双 或多个线极化 单 琵的组合 等 方法 这 些结构都可 能展宽 圜极化带 宽 然而它们 的特性不只取 决于天线 片 本 而且 在很 大程度上 与 其馈电网络有关 维普资讯 第 4 j 尊 I 圆楹亿撖带来线的理论与实验 2 r 参考文献 I H D W e i n s e h c 1 A C y l i n d r i c a l AH y o f Ci r c u l a r l y Po l a r i z e d M i c r o s t r l p An t e n n a s I EEE AP S I n t r na t i on al Sy m po s i um D i ge s t PP 1 75 1 8 3 J une i g7 5 U z ba n a I L 2 J L Ke r r M i c r o s t r i p P o l a r i z a t i o n T e c h n i q u e s P l o c o f t h e 1 9 7 8 An t e n n a Ap P t l c 1 o 5 S y r t l p o s j u m a t A l l e r t oa PaT k Uni vc r s l t y of I H i noi s U r ba ua I L 3 Y T Lo W F Ri c h a r d s a n d D D Ha r r i s o n An h np r o v c d Th e o r v f o r M i c r s Hi 口 An l a s a d A p pl i c at i on s Pzr t 1 l nt e i i m R e po r t RA D C TR 一 79 3 1 1 M a y 1 97 9 8 1 W F ric haI d s Y T L0 a nd D D Ha r r i s on A n h a p r o ve d t h e o r y f o r M i c r o s t r i p A nt c n l a s aI1 d A p pI i ca t i on s I EEE T r ans A P 29 pp 3 8 4 6 J a n l 9 8 I 4 w F Ri c ha r d s Y T Lo a u d P S i mo a D e s i g n a a d Th e o r y o f c I c u a r I P 1 a r j z d M i c f s c r i D a t e i l ll t s I E EE A P S I n t e r na t i on al S ym po s L um D i g e s t PP 11 7 1 2 0 J anc 1 97 9 5 Y T L o a n d V F R i c ha r d s A P e r t u r b a t i o n Ap p r o a c h c o t he De z i g n r Ci r c u a r P o l a r i z c d M i c f 0 一 s t r p A n t e nna s I EEE A P S I n e r na t i oha l g ym p os i um PP 3 3 9 3 4 2 Jun e l 9 M 6 Y T Lo e t al t St udy of M cr os t r i p A t e aaa El g meu t s A r r ay s Fe e gs Lo5 5 c 3 a nd A p pl i c a t i o ns Fi n al Te c hni c a I R e p o r t RA D C TR 81 9 8 J u L 1 e l 9 9 1 7 钟腼时 微带无鼓拄术练连 通信学报 第8 卷第4 期 第 t 0 一 8 页 1 9 8 7 8 Y T Lo a n d H F W a n g M i c i o s t r i p An t e n n a s f o r g f u ki p l e Fu r t t i n Pr 0c I S A E 8 5 Chi n a P p 1 9 9 1 9 4 A u g 1 9 85 1 9 8 7 年9 月2 9 日收到 全 球 卫 星 通 信 会 议 将 在 我 国 召 开 为促 进卫星 通估事 业的 发展 p围诵信 学台 将 与 I EE E COm S OC及 I NTE LS A1 联舟于 9 9 9年 g月在南 京召 丌垒 球卫 星通 术 会议 窖谈 虬挑 单位 南京航 空学院 南京 邮电学院 江 苏省科 协 太 击土席 李玉童 1 国通信学 会理事 眭 D T Tu d g e兜 I N E LS A f 总 拙 剐 主席 朱剖英 教授 南 京航空 学院 王 洪珐 教授 南 京邮 电学院 Dr C J W a y l a n GTE空词 网络部 主任 国际 顿向蚕 鼠含囊 替主 席 t杨毒 芳 中国邮 电揶部 长 国际学术委员盒主席 Dr P i e r r e J Ma d o n I NT E L S AT 组织委员会 张孝强教授 南京邮电学院 许棠教授 南京航空学院 Dr w W Wu I N F E L S A T I EEE COM S OC 史P r o f R L Pi c k b o l z Dr W e n J u i Dr T o na u O a k e Df W W Wu 太 盘船书 处 负责 庄 救生 牧投 南 市邮 电毕眈 l 话 0 2 g g 3 5 5 6 1 9 3 0 电