微带天线对电磁波的调控

微带天线对电磁波的控制摘要-随着科学技术的发展，电磁波逐渐被发现和认知。 天线是控制不可或缺的电磁波的工具，其功能是发射和接收电磁波。 在发射系统中，他将高频磁能转换为自由空间的电磁波，或者在接收系统中反向转换，以实现对电磁波的控制。 分析了微带天线实现电磁波控制的原理。关键词-微带天线电磁波控制的I .引言微带天线是近30年来发展起来的新型天线。 1953年提出了微带天线的概念，但没有引起工程界的重视。 50年代和60年代只有零星的研究，真正的发展和使用是70年代。 常用的微带天线是在薄的电介质基材(例如聚四氟乙烯玻璃纤维层叠体)上附加金属薄层作为接地板，另一方面，通过光刻蚀等方法制作一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片供电微带天线通常在1 GHz到150GHz的频率范围中使用，并且特殊天线可以应用于数十兆赫。 与普通微波天线相比，具有以下优点1 .体积小，重量轻，断面小，与载体(如飞机)形状相同。2 .电气性能多样化。 不同设计的微带元件易于产生各种极化，其中最大辐射方向可在从一侧到另一侧的辐射范围内调节。3 .易于整合。 可与活动设备、电路集成的组件。用HFSS软件仿真了微带天线，分析了微带天线的特性。II .正文a .概念1 .天线发射电磁波的基本原理：当导线承载交变电流时，可以形成电磁波辐射，辐射能力与导线长度和形状有关。 如果导线的位置两导线的距离近，两导线产生的感应电动势几乎可以抵消，因此辐射微弱。 扩大两条导线，由于两条导线的电流方向相同，两条导线产生的感应电动势的方向相同，因此辐射强。 当引线的长度l比波长短得多时，引线的电流小，辐射微弱。如果导线的长度比波长长得多，则流过导线的电流大幅度增加，能够形成强辐射。 通常，产生上述显着辐射的直线导线称为振子。 如图1所示。图1天线发射电磁波的基本原理2 .微带天线辐射原理：微带天线的辐射机理实际上是高频电磁泄漏。 如果一个微波电路没有被导体完全封闭，则从电路中的不连续部位产生电磁辐射。 例如，在微带电路的开路端，在结构、尺寸突变、弯曲等不连续部位也产生电磁辐射(泄漏)。 频率越低，由于这些部分的电气尺寸越小，所以电磁泄漏越小，但随着频率的增加，电气尺寸越大，泄漏越大。 经过特殊设计，将尺寸扩大成片状，在共振状态下动作。 辐射明显增强，辐射效率大幅提高，成为有效天线。下面的图2详细描述矩形微带贴片天线的辐射原理。图2微带天线的辐射原理图贴片与接地间的电介质基板的电场在贴片宽度a方向和厚度h方向上不变化。 仅长度b方向有变化，其结构请参照上图(a )。 如图5 b和图5 c所示，辐射场是由沿片的纵向方向的两个开放端处的边缘场所产生的。 当将边缘场分解为水平和垂直分量时，因为片长度b2，所以两个开放端的垂直电场分量被反转，并且在空间中产生的场消除(或减弱)该分量。 水平分量的电场是同相的。 远区辐射场主要来自该成分场。 最大辐射方向是垂直于面片的方向。由此发现，矩形微带天线在两个距离为2 的同相激励缝隙天线中等效。 图2是微带天线传输线模型分析方法的说明。 当电介质基板的电场同时在贴片天线的宽度和长度方向上变化时，微带天线从贴片周围的间隙发射而等价。3 .微带天线辐射参数：1 .方向图和方向系数从天线辐射的电磁波能量在空间上不均匀，并且天线的辐射方向性图(简称为方向图)是用于指示天线的辐射参数以空间为单位而变化的模式。 除非另有说明，辐射方向图为电力通量密度的空间分布和电场强度振幅的空间分布，即电力方向图或电场强度方向图。定向系数(也称为定向增益)描述了天线集中辐射能量的程度，并且定义了当总辐射功率相等时从天线的给定方向(，)辐射的最大功率密度S(，)与从完全不定向天线(理想电源)辐射的功率密度S0之比。 公式如下D=SmaxS0|P=P0=Emax2E02|P=P0在这里，p和P0分别表示这个测量天线的辐射总功率和原始天线的辐射总功率，Smax表示被测量天线的一个方向的最大辐射功率密度，S0表示原始天线的任意方向的辐射功率密度，Emax表示某一方向的电场最大值，E0表示原始天线的任意方向的电场最大值。一般来说，天线的方向性系数D(，)是双向函数，双向数值没有必要不同。 在没有特别说明的情况下，指向性是指最大放射方向的指向性系数。2 .极化极化是天线的重要指标，并且如果在一个方向上的极化是在方向边界处获得的最大功率(极化匹配)，则天线是入射平面波的极化(接收天线)。 天线的极化与所讨论的空间方向相关联，并且一般而言，天线极化是最大辐射方向或最大接收方向的极化。3 .效率效率有辐射效率和天线效率的不同。 由于存在入射波反射，将不可能产生天线的所有入射功率作为天线的输入功率提供给天线的输入端口。 同时，天线不能辐射从馈送器输入的所有输入功率，并且总是有一些损耗。 为了便于理解，将天线的基本功率定义如下入射功率p输入：发送机等向天线供给的功率反射功率p的相反：天线反射回来的功率输入功率Pin :收发机等向天线供给功率损耗功率p损耗：是由于诸如引线、介质或地电流的存在而损耗的功率辐射功率P:天线从发射器供应的功率减去损耗辐射而得到的功率将天线的效率定义为A。 数值上等于天线辐射功率p与入射功率p的比率A=PP输入4 .增益在输入功率相等的条件下，将天线的增益定义为天线的(，)方向上的功率密度S(，)与无定向性、无损天线的功率密度S0之比。 一般来说，天线增益是指天线的线性增益，其中，式为G=D*A天线增益可以理解为天线的辐射能聚焦程度和能量转换效率的总体益处。5 .输入阻抗在天线输入端子处出现的阻抗被称为天线的输入阻抗，并且其数值等于天线输入端子处的电压Uin与电流Iin之比。 公式如下Zin=UinIin=Rin jXin这里，Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗。6.S参数s参数表示功率波，可以用入射功率波和反射功率波定义网络的输入输出关系。 其图像如图3所示。图3双端口网络s参数图示在线性微波网络中，归一化后的电压与电流之间存在线性关系，因此，归一化后的入射波与反射波之间也存在线性关系。 设端口1标准化入射波和反射波为a1、b1，端口2的标准化入射波和反射波为a2、b2时b=Sa其中，列矩阵b是归一化反射波矩阵，列矩阵a是归一化入射波矩阵，方阵S是双端口网络的散射矩阵，简称为s矩阵。 每个矩阵元素称为散射参数，简称为s参数，物理意义如下S11=b1a1|a2=0:端口2一致时，端口1反射系数S22=b2a2|a1=0:端口1一致时，端口2反射系数S12=b2a1|a2=0:端口1一致时，从端口2向端口1反向传输系数S21=b1a2|a1=0:端口2一致时，从端口1向端口2正向传送系数4 .微带天线分析方法分析微带天线的目的是预测天线的辐射特性和近场特性，并将其与分析和设计相结合，以减少在高功耗边缘尝试的次数，阐明天线的优势和极限，并了解有助于改进现有设计和开发新天线结构的操作原理。 天线分析的基本方法是传输线法和全波理论法。 这里不详细说明。b .模拟用HFSS对微带天线进行了仿真。1 .微带天线模型的建立用HFSS制作的天线模型如图4所示。 在图中，最外侧的矩形表示辐射边界，所述材料为真空。 辐射场中的矩形板是设计的微带天线的基板，基板上的纵向矩形线是微带天线。 微带天线的一端是激励端口，该端口经由SMA连接器连接到50的同轴馈线(便于测试)。天线的工作中心频率是2.45Ghz，扫描范围是2.2-2.8Ghz。图4微带天线模型2 .模拟结果1 .驻波比2.S参数S113.Smith饼图(S11 )4 .方向图e面方向图h面方向图III .结论从无线发送机输出的高频信号功率通过馈线(电缆)发送到天线，从天线作为电磁波辐射。 在电磁波到达接收点后，从天线通过馈电线(仅接收很少电力的一部分)发射到无线电接收机。 天线是收发电磁波的重要无线设备，没有天线也没有无线通信。天线将电磁波集中在某个特定方向，实现了电磁波的控制。IV .应用微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，其应用前景广阔，特别是可积极推广和应用于无线感应。现以国外某类子弹的引用为例，简要介绍微带天线的引用分析与设计。 该信是一种调频方式的信，天线部分由头部