13-缝隙天线与微带天线-天线原理.pdf

2014 4 10 Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 天线天线 Antennas 第第1313讲讲 缝隙缝隙天线与微带天线天线与微带天线 褚庆昕褚庆昕 华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所天线与射频技术研究所 qxchu South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 第第1313讲内容讲内容 缝隙天线缝隙天线 微带天线微带天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 缝隙天线是在金属壁上开缝所形成的天线 系统缝隙天线是在金属壁上开缝所形成的天线 系统 中的电磁波经缝隙向外空间辐射或外空间的电磁中的电磁波经缝隙向外空间辐射或外空间的电磁 波经缝隙进入系统 波经缝隙进入系统 由于结构的特点 缝隙天线很适合作为共形天线由于结构的特点 缝隙天线很适合作为共形天线 用于飞行器上 用于飞行器上 理想缝隙天线是在无限大的理想导体平面上开的理想缝隙天线是在无限大的理想导体平面上开的 窄缝 缝的横向尺寸窄缝 缝的横向尺寸 w l 纵向尺寸纵向尺寸2 2l l l 2 2 为了更好地理解缝隙天线 需要先介绍电磁场的为了更好地理解缝隙天线 需要先介绍电磁场的 等效原理 等效原理 13 1 13 1 缝隙天线缝隙天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 电磁场等效原理电磁场等效原理 考虑下图考虑下图a a所示的原问题 如果把所示的原问题 如果把v1v1中的场变为中的场变为Eb Hb 而 而v2中的场保持不变 下图中的场保持不变 下图b所示 那么在所示 那么在S 面上需要添加等效面电流面上需要添加等效面电流Js和面磁流和面磁流Ms sabsab JnHHMnEE South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering sasa JnHMnE LoveLove场等效原理场等效原理 令等效问题令等效问题v1中的场为零场 则中的场为零场 则S S面上的等效面流为面上的等效面流为 情况情况1 1 设 设v1v1中媒质分布与中媒质分布与v v2 2中相同 则等效问题中相同 则等效问题 就是自由空间中源辐射问题 就是自由空间中源辐射问题 情况情况2 2 设 设v1v1中填充理想导体 因为理想导体表面中填充理想导体 因为理想导体表面 的面电流不产生电磁场 所以的面电流不产生电磁场 所以 这种情况下 这种情况下S S面面 上起作用的只有面磁流 上起作用的只有面磁流 情况情况3 3 设 设v1v1中填充理想磁体 这时面磁流不产生中填充理想磁体 这时面磁流不产生 场 起作用的只有面电流场 起作用的只有面电流 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 假设缝隙很窄 则只有跨接缝隙窄边的电场假设缝隙很窄 则只有跨接缝隙窄边的电场 分量 分量 根据根据LoveLove场等效原理 缝隙可以等效为把缝场等效原理 缝隙可以等效为把缝 隙填充导体 其上分布有磁流隙填充导体 其上分布有磁流 根据镜像法 去掉导体 缝隙等效为自由空根据镜像法 去掉导体 缝隙等效为自由空 间中的间中的 磁流 磁流 根据电磁场对偶原理 缝隙天线与导体板振根据电磁场对偶原理 缝隙天线与导体板振 子成对偶关系 子成对偶关系 更严格的分析 需要应用巴比涅互补原理 更严格的分析 需要应用巴比涅互补原理 缝隙天线的原理缝隙天线的原理 MnE 2M South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 缝隙天线缝隙天线 等效磁流等效磁流 对偶的导体对偶的导体 对称振子对称振子 22Mn E rr South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 电屏与互补磁屏的互补原理电屏与互补磁屏的互补原理 如图如图1313 1 a 1 a b b 源 源 分布分布在在z 0z 0的有限区域中 的有限区域中 z z 0 0面上分三种情况面上分三种情况 1 1 无任何屏 场为 无任何屏 场为 2 2 放置一开孔的无限大理想导体平面 孔面积为 放置一开孔的无限大理想导体平面 孔面积为 A A 导体面积为 导体面积为S S 场为 场为 3 3 放置情况 放置情况 2 2 的互补磁屏 即 去掉无限大 的互补磁屏 即 去掉无限大 理想导体平面 孔用理想磁体平面替代 场为理想导体平面 孔用理想磁体平面替代 场为 则根据电磁场巴比涅原理 有则根据电磁场巴比涅原理 有 电磁场巴比涅原理电磁场巴比涅原理 ee tt EH mm tt EH ii EH J M em tii em iii EEE HHH South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 图图13 1 电磁场巴比涅原理电磁场巴比涅原理 a z 0面放置开孔无限大导电平面面放置开孔无限大导电平面 b 互补磁屏互补磁屏 孔孔 孔孔 z z South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 电屏与互补电屏的互补原理电屏与互补电屏的互补原理 4 第四种情况 在第四种情况 在z 0z 0平面上放置情况 平面上放置情况 2 2 的 的 互补电屏 即 去掉无限大理想导体平面 互补电屏 即 去掉无限大理想导体平面 孔面积用理想导体平面替代 场为孔面积用理想导体平面替代 场为 这个问题正是情况 这个问题正是情况 3 3 的对偶问题 如图 的对偶问题 如图 1313 1 c 1 c 所示 所示 根据电磁场对偶原理 只要给出下列变换根据电磁场对偶原理 只要给出下列变换 则则 情况 情况 3 3 就变换成为情况 就变换成为情况 4 4 的问题 的问题 JM MJ EH HE 波 波阻阻抗抗 dd tt EH South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 图图13 1 电磁场巴比涅原理电磁场巴比涅原理 c 互补电屏互补电屏 于是 互补关系为于是 互补关系为 1 ed tti ed tti EHE HEH 导体导体 电电 壁壁 z J M d t E d t H c M J South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 窄导体板对称振子窄导体板对称振子 缝隙天线缝隙天线 应用互补原理于缝隙天线和窄导体板所构成的应用互补原理于缝隙天线和窄导体板所构成的 对称振子天线 对称振子天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 两种天线构成了电屏与互补电屏的关系 两种两种天线构成了电屏与互补电屏的关系 两种 天线的激励源位置相同 均在天线的中间部位 天线的激励源位置相同 均在天线的中间部位 但两种源的电场方向相互垂直 但两种源的电场方向相互垂直 设对称振子的辐射场为设对称振子的辐射场为 缝隙天线的辐 缝隙天线的辐 射场为射场为 由于没有 由于没有z 0z 0区域的源 故区域的源 故 应用互补原理 有应用互补原理 有 1 0 0 ed tti ed tti EHE HEH ed tt ed tt EH HE ee tt EH dd tt EH 0 0 ii EH South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 无限大导体平面上的半波长缝隙天线与互补的半无限大导体平面上的半波长缝隙天线与互补的半 波长对称振子的方向图相同 但电场波长对称振子的方向图相同 但电场E E和磁场和磁场H H互互 换 换 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 缝隙天线的输入阻抗可表示成其互补对称振子的输缝隙天线的输入阻抗可表示成其互补对称振子的输 入阻抗的关系式 入阻抗的关系式 缝隙天线的输入电阻抗缝隙天线的输入电阻抗Ze为馈端电压为馈端电压Ve和馈端电流和馈端电流 Ie之比 之比 上面的电流之所以取一半 是因为积分路径上面的电流之所以取一半 是因为积分路径C2只是只是 环绕电流的路径的一半 环绕电流的路径的一半 1 e e C VEdl 2 2 e e C IHdl 缝隙天线的输入阻抗缝隙天线的输入阻抗 eee ZVI South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 窄导体板对称振子窄导体板对称振子 缝隙天线缝隙天线 C1 C2 C1 C2 Ie Ve Id Vd South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 对称振子的输入电阻抗对称振子的输入电阻抗Zd为馈端电压为馈端电压Vd和馈端电流和馈端电流 Id之比之比 同样 由于路径同样 由于路径C1也只是环绕电流的路径的一半 也只是环绕电流的路径的一半 上面的电流也取一半 上面的电流也取一半 由互补关系 可得由互补关系 可得 22 1 ed CC HdlEdl 11 ed CC EdlHdl 2 d d C VEdl 1 2 d d C IHdl ddd ZVI South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 代入代入Ie Vd Id和和Ve可分别得到可分别得到 两式相乘可得两式相乘可得 其中其中 自由空间缝隙天线与偶极子的阻抗变换关系自由空间缝隙天线与偶极子的阻抗变换关系 因此 若对称振子为感性 则缝隙天线为容性 因此 若对称振子为感性 则缝隙天线为容性 反之亦然 反之亦然 2 de VI 2 ed VI 2 4 e d Z Z 35476 e d Z Z 120376 7 1 2 2 e d Z Z Z Z South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 已知无限细已知无限细半波长对称振子半波长对称振子的输入阻抗是的输入阻抗是73 j42 5 所以 无限细 所以 无限细半波长半波长的缝隙天线的馈端的缝隙天线的馈端 输入阻抗是 输入阻抗是 1 35476 363211 7342 5 Zj j South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 同轴线馈电的缝隙天线同轴线馈电的缝隙天线 不同的馈电位不同的馈电位 置具有不同的置具有不同的 阻抗 为了实阻抗 为了实 现与现与5050 同轴同轴 线的匹配 馈线的匹配 馈 电位置 电位置 s s l l 20 20 缝隙天线的馈电缝隙天线的馈电 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 如果导体平板尺寸很大 且附有如下图如果导体平板尺寸很大 且附有如下图 a a 所示所示 的金属盒子 则只朝一侧辐射 这种结构称为的金属盒子 则只朝一侧辐射 这种结构称为 背射天线 背射天线 如果盒子深度适当如果盒子深度适当 d d l l 4 4 则则l l 2 2谐振缝隙的谐振缝隙的 馈端阻抗是两倍于无盒情况的纯阻抗 约为馈端阻抗是两倍于无盒情况的纯阻抗 约为 10001000 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 波导馈电的缝隙背射天线波导馈电的缝隙背射天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 通常在传输通常在传输TE10 10波的矩形波导壁上开缝来构造各 波的矩形波导壁上开缝来构造各 种缝隙天线 称为波导缝隙天线 种缝隙天线 称为波导缝隙天线 缝隙必须截断波导壁面上的表面电流 缝隙必须截断波导壁面上的表面电流 为了获得强的辐射 缝隙应该开在电流密度大的为了获得强的辐射 缝隙应该开在电流密度大的 地方 地方 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 谐振式波导缝隙天线阵谐振式波导缝隙天线阵 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 行波波导缝隙天线阵行波波导缝隙天线阵 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 柱面缝隙天线柱面缝隙天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 微带辐射器的概念首先是微带辐射器的概念首先是DeschampsDeschamps在在19531953年年 提出来的 但是 直到二十年后因为加工工提出来的 但是 直到二十年后因为加工工 艺的进步 实际的天线才制造出来 艺的进步 实际的天线才制造出来 最早的微带天线是最早的微带天线是HowellHowell和和MunsonMunson在二十世在二十世 纪纪7070年代初期研制成的 年代初期研制成的 近近2020年来由于微波集成技术的发展和空间技年来由于微波集成技术的发展和空间技 术对低剖面天线的迫切需求 促进了微带天术对低剖面天线的迫切需求 促进了微带天 线快速发展 线快速发展 微带天线的理论和技术日臻成熟 应用非常微带天线的理论和技术日臻成熟 应用非常 广泛 广泛 13 2 13 2 微带天线微带天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 与普通天线相比 微带的优点 与普通天线相比 微带的优点 剖面薄 体积小 重量轻 易共形 剖面薄 体积小 重量轻 易共形 适合于用印刷电路技术大量生产 成本低 适合于用印刷电路技术大量生产 成本低 易于与有源器件集成 构成有源集成天线 易于与有源器件集成 构成有源集成天线 易于实现圆极化 多频段 双极化等 易于实现圆极化 多频段 双极化等 与普通天线相比 微带天线的缺点 与普通天线相比 微带天线的缺点 频带窄 相对带宽一般为频带窄 相对带宽一般为1 1 5 5 辐射区只限于半个平面 辐射区只限于半个平面 有导体和介质损耗 并且激励表面波 导致有导体和介质损耗 并且激励表面波 导致 辐射效率低 辐射效率低 功率容量较小 功率容量较小 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 矩形微带天线的基本结构 矩形微带天线的基本结构 微带线辐射器微带线辐射器 微带馈电线微带馈电线 接地板接地板 介质基片介质基片 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 微带天线的辐射原理微带天线的辐射原理 0 49 g ll South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 两侧边的垂直电场分两侧边的垂直电场分 量彼此反向 故辐射量彼此反向 故辐射 相互抵消 相互抵消 辐射主要由两端边的辐射主要由两端边的 水平电场分量贡献 水平电场分量贡献 辐射部分可以等效为辐射部分可以等效为 二元的缝隙天线阵 二元的缝隙天线阵 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 单缝的辐射单缝的辐射 单缝的等效磁流为单缝的等效磁流为 单缝的辐射场为单缝的辐射场为 22 m ztzM Ma Eha U r sin cos sin cos j r M w wUe Ej w r l l l South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 矩形微带天线的辐射场矩形微带天线的辐射场 以相距以相距d l 的二元阵因子乘以单缝的辐射场 便可的二元阵因子乘以单缝的辐射场 便可 以得到矩形微带天线的辐射场 以得到矩形微带天线的辐射场 由上式可得两个主平面的方向函数 由上式可得两个主平面的方向函数 sin cos 2 sincos sincos cos2 j r M w Ud Eje r l 90 cos cos cos cos 22 o E d F sin cos 90 sin cos o H w F w l l South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 取取w 1cm l 3 05cm f 3 1GHz 计算得到计算得到 的方向图 的方向图 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 矩形微带天线的辐射功率矩形微带天线的辐射功率 缝隙辐射功率为缝隙辐射功率为 定义缝隙两端间有一辐射电导定义缝隙两端间有一辐射电导G Gr r 它所损耗的功率 它所损耗的功率 等于缝的辐射功率 等于缝的辐射功率 于是 辐射电导于是 辐射电导 2 2 2 00 1 sin 2 120 r E Prd d 2 1 2 rMr PU G 2 2 1 0 35 90 11 0 352 12060 1 2 120 r w w w Gw w w l l ll l l l South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 矩形微带天线的方向性系数矩形微带天线的方向性系数 当当w l l 把把Gr带入 可得带入 可得 D 6 2 1 15 r w D Gl South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 侧馈矩形微带天线的等效电路侧馈矩形微带天线的等效电路 设宽为设宽为w w的微带线特性导纳为的微带线特性导纳为Yc 两端辐射导纳为两端辐射导纳为 Y Gr jBr 其输入导纳为 其输入导纳为 考虑到微带线开路的缩短效应 则 考虑到微带线开路的缩短效应 则 tan tan c inc c YjYl YYY YjYl tan 2 tan 2 c inc c YjYll YYY YjYll South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 谐振时谐振时Yin的虚部为的虚部为0 0 得 得Y Yin in 2G 2Gr r 谐振长度为谐振长度为 由此可得微带天线的谐振频率为由此可得微带天线的谐振频率为 0 22 22 rerre c lll f l 0 2 2 r re c f ll South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering JacksonJackson近似公式近似公式 辐射电阻辐射电阻 频带宽度频带宽度 天线的有效高度天线的有效高度 有效口径有效口径 22 90 1 rrr Rl w 2 0 3 77 1 rr BWw l t l 0 2 re e R A h Z 2 0 4 e D A l South China University of Technology Research Institute of Ante