微波电路CAD-重庆邮电大学-3

1、微波电路微波电路CAD 主 讲 ：王王 斌斌光电工程学院光电工程学院 l天线基础 3. 天线天线&微带天线微带天线 l天线基础 天线天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。 接收端：将空间传播的电磁波转换为高频电流接收端：将空间传播的电磁波转换为高频电流 发射端：将发射机的高频电流转换为空间电磁波发射端：将发射机的高频电流转换为空间电磁波 3. 天线天线&微带天线微带天线 l天线基础 天线辐射电磁波原理天线辐射电磁波原理 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的

2、辐射，辐射的 能力与导线的长短和形状有关。如果导线位置如由于两导线能力与导线的长短和形状有关。如果导线位置如由于两导线 的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消， 因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电 流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而 辐射较强。当导线的长度辐射较强。当导线的长度l l远小于波长时，导线的电流很小，远小于波长时，导线的电流很小， 辐射很微弱。辐射很微弱。 3. 天线天线&微带天线

3、微带天线 l天线基础 天线天线基本基本工作原理工作原理 发射机能够被模型化成戴维南信号源，它包括一个电压振荡器发射机能够被模型化成戴维南信号源，它包括一个电压振荡器 和一个串联阻抗，由此将发射功率和一个串联阻抗，由此将发射功率P Pt t传送到发射天线。发射天传送到发射天线。发射天 线辐射球面波，在远距离可近似为平面波，至少在局部范围线辐射球面波，在远距离可近似为平面波，至少在局部范围 内可近似为平面波。接收天线截取传输过来的部分电磁波，内可近似为平面波。接收天线截取传输过来的部分电磁波， 并将接收功率并将接收功率P Pr r送到接收机的负载阻抗上。送到接收机的负载阻抗上。 3. 天线天线&微

4、带天线微带天线 发射和接收天线的基本工作原理 3. 天线天线&微带天线微带天线 3. 天线天线&微带天线微带天线 l天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 l天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 波瓣图波瓣图(Pattern)(Pattern)与天线方向性有关，又称与天线方向性有关，又称方向图方向图。 3. 天线天线&微带天线微带天线 定向天线的三维场波瓣图 3. 天线天线&微带天线微带天线 波瓣图的二维场、功率和分贝图 3. 天线天线&微带天线微带天线 主轴 主瓣 后瓣 第一副瓣 0 0.5 0 2020.5 天线方向图的一般形状 天线垂直方向图 3. 天线天线&微带天线微带天线 天线的波

5、瓣图（方向图）天线的波瓣图（方向图） l天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 定向性定向性D D和增益和增益G G 天线的定向性天线的定向性是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其 平均值之比，是大于等于平均值之比，是大于等于1 1的无量纲比值。的无量纲比值。 ( (总总) )波束范围波束范围 ( (或波束立体角或波束立体角) )由主瓣范围加上副瓣范围所构由主瓣范围加上副瓣范围所构 成。成。 波束范围越小，则定向性越高。波束范围越小，则定向性越高。 天线增益天线增益 效率因子效率因子 3. 天线天线&微带天线微带天线 max ( , )4 ( ,

6、)av A P D P A GkD(01)kk 天线增益实际上是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。天线增益实际上是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。 天线增益是一个实际天线增益是一个实际( (或现实或现实) )参量。由于天线总有损耗参量。由于天线总有损耗 ( (天线或天线罩的欧姆损耗天线或天线罩的欧姆损耗) )，天线辐射功率比馈入功率总要，天线辐射功率比馈入功率总要 小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。有很多设小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。有很多设 计良好的天线，其计良好的天线，其 值可以接近于值可以接近于1 1，但实际上，但实际上G G总是小于总是小于D D

7、且且 以以D D为理想的最大值。为理想的最大值。 3. 天线天线&微带天线微带天线 k l天线基础天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 天线效率天线效率 天线效率为天线辐射功率天线效率为天线辐射功率P Pr r与天线输入功率与天线输入功率P Pin in( (辐射功率 辐射功率P Pr r 与天线内所消耗功率与天线内所消耗功率P Ps s之和之和) )之比。之比。 上式还可以用天线输入端的辐射电阻上式还可以用天线输入端的辐射电阻R Ro o和损耗电阻和损耗电阻R Rs s表示表示 可见，要提高天线辐射效率，应设法增大辐射电阻，降低损可见，要提高天线辐射效率，应设法增大辐射电阻，降低损 耗电阻

8、。耗电阻。 3. 天线天线&微带天线微带天线 rr A inrS PP PPP o A os R RR l天线基础天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 天线的场区天线的场区 围绕天线的场可划分为两个主要的区域，接近天线的区域称围绕天线的场可划分为两个主要的区域，接近天线的区域称 为为近场近场( (或菲涅尔或菲涅尔FresnelFresnel区区) ) ；离天线较远的区域称为；离天线较远的区域称为远场远场 ( (或夫琅和费或夫琅和费FraunhoferFraunhofer区区) )。两区的分界可取为半径。两区的分界可取为半径 3. 天线天线&微带天线微带天线 2 2 (L) L R 为天线的最

9、大尺度 l天线基础天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 极化特性极化特性 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场强度矢量的方向极化特性是指天线在最大辐射方向上电场强度矢量的方向 随时间变换的规律。按天线所辐射的电场强度极化形式，可随时间变换的规律。按天线所辐射的电场强度极化形式，可 将天线分为将天线分为线极化天线线极化天线、圆极化天线圆极化天线和和椭圆极化天线椭圆极化天线。线极。线极 化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分 为左旋和右旋。为左旋和右旋。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l天线基础天线基础 天线的特性参数天线的特

10、性参数 输入阻抗输入阻抗& &驻波比驻波比 为使天线能获得最多的功率，应使天线与馈线匹配。因此，为使天线能获得最多的功率，应使天线与馈线匹配。因此， 当天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗时，天线获得最大当天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗时，天线获得最大 的功率。的功率。 驻波比驻波比(VSWR)(VSWR)：由于入射波能量传输到天线输入端未被全波吸：由于入射波能量传输到天线输入端未被全波吸 收（辐射）、产生反射波，迭加而成。收（辐射）、产生反射波，迭加而成。 VSWRVSWR越大，反射越大，匹配越差；越大，反射越大，匹配越差； 理想的匹配负载情况下理想的匹配负载情况下,VSWR,VSWR是是

11、1 1； VSWR1VSWR1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而 降低了天线的辐射功率。降低了天线的辐射功率。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l天线基础天线基础 天线的特性参数天线的特性参数 频带宽度频带宽度 天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时， 往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有 关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度， 简称为天线

12、的带宽。简称为天线的带宽。 一种定义：一种定义：天线增益下降三分贝时的频带宽度；天线增益下降三分贝时的频带宽度； 另一种定义：另一种定义：规定的驻波比下天线的工作频带宽度。规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在在移动通信系统移动通信系统中是按后一种定义的，即当天线的输入驻中是按后一种定义的，即当天线的输入驻 波比波比 时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。 3. 天线天线&微带天线微带天线 1.5 l微带天线(microstrip antenna) 在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属 条、片构成的微波天线。条、片构成的微波天线。

13、3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线的工作原理 微带天线的微带天线的辐射机理辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波实际上是高频的电磁泄漏。一个微波 电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生 电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯 等不连续处也会产生电磁辐射等不连续处也会产生电磁辐射( (泄漏泄漏) )。当频率较低时，这些。当频率较低时，这些 部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高，部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高， 点尺寸增大

14、，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成点尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成 贴片状，并使其工作在谐振状态，辐射就明显增强，辐射效贴片状，并使其工作在谐振状态，辐射就明显增强，辐射效 率就大大提高，而成为有效地天线。率就大大提高，而成为有效地天线。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线的辐射机理微带天线的辐射机理 以矩形微带天线为例，用传输线模型分析法介绍它的辐射以矩形微带天线为例，用传输线模型分析法介绍它的辐射 原理。原理。 设辐射元的长为设辐射元的长为l l，宽为，宽为w w，介质基片的厚度为，介质基片的厚度为h h，现将辐，现将辐 射元、介质基片和接地板视为一段

15、长为射元、介质基片和接地板视为一段长为l l的微带传输线，在传的微带传输线，在传 输线的两端断开形成开路。输线的两端断开形成开路。 根据微带传输线理论，由于基片厚度根据微带传输线理论，由于基片厚度hh，场沿，场沿h h方向均方向均 匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度w w方向也没有变化，而方向也没有变化，而 仅在长度方向仅在长度方向 有变化。有变化。 3. 天线天线&微带天线微带天线 (2)l l微带天线的辐射机理微带天线的辐射机理 两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和 水平分量，两垂直分量方向相

16、反，水平分量方向相同，因而水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而 在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同 相叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路相叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路 端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙。端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙。 缝的电场方向与长边垂直，并沿长边缝的电场方向与长边垂直，并沿长边w w均匀分布。缝的宽度为均匀分布。缝的宽度为 ，长度为，长度为w w，两缝间距为，两缝间距为 。这就是说，微带天线。这就是说，微带天

17、线 的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。 3. 天线天线&微带天线微带天线 矩形微带天线开路端电场结构 场分布侧视图 等效辐射缝隙 lh 2l l微带天线的优点(与通常的微波天线相比) 重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 制造成本低，易于大量生产；制造成本低，易于大量生产； 可以做得很薄，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；可以做得很薄，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能； 无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火

18、箭和卫星 上；上； 天线的散射截面较小天线的散射截面较小 改变馈电位置就能获得线极化和圆极化改变馈电位置就能获得线极化和圆极化( (左旋和右旋左旋和右旋) )； 比较容易制成双频率工作的天线；比较容易制成双频率工作的天线； 不需要背腔；不需要背腔； 适合于组合式设计适合于组合式设计( (固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减 器、混频器等可以直接加到天线基片上器、混频器等可以直接加到天线基片上) )； 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线的缺点 与通常的微波天线相比，微带天线

19、也有一些缺点：与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点： 有损耗，因而增益较低；有损耗，因而增益较低； 大多数微带天线只向半空间辐射；大多数微带天线只向半空间辐射； 最大增益受限制最大增益受限制(约为约为20dB)； 馈线与辐射元之间的隔离差；馈线与辐射元之间的隔离差； 端射性能差；端射性能差； 可能存在表面波；可能存在表面波； 功率容量较低。功率容量较低。 可以采取某些办法来减小这些缺点。例如，在设计和制造过可以采取某些办法来减小这些缺点。例如，在设计和制造过 程中要考虑印制或消除表面波。程中要考虑印制或消除表面波。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线的应用 在许多实际设计中，微

20、带天线的优点远远超过它的缺点。在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。 在一些显要的系统中已经应用微带天线：在一些显要的系统中已经应用微带天线： 移动通信；移动通信； 卫星通讯；卫星通讯； 多普勒及其它雷达；多普勒及其它雷达； 无线电测高计；无线电测高计； 指挥和控制系统；指挥和控制系统； 导弹遥测；导弹遥测； 武器信管；武器信管； 便携装置；便携装置； 环境检测仪表和遥感；环境检测仪表和遥感； 复杂天线中的馈电单元；复杂天线中的馈电单元； 卫星导航接收机；卫星导航接收机； 生物医学辐射器。生物医学辐射器。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线结构 微带天线可以分为微带天线可

21、以分为三种基本类型三种基本类型：微带贴片天线微带贴片天线、微带微带 行波天线行波天线和和微带缝隙天线微带缝隙天线。 微带贴片天线微带贴片天线 微带贴片天线微带贴片天线(MPA)(MPA)是由介质基片、在基片一面上有任意是由介质基片、在基片一面上有任意 平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板锁构成。平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板锁构成。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线结构 微带行波天线微带行波天线 微带贴片天线微带贴片天线(MTA)(MTA)是由是由 介质基片、在基片一面上的链介质基片、在基片一面上的链 形周期结构或普通的长形周期结构或普通的长TEMTEM波波 传输

22、线和基片另一面上的地板传输线和基片另一面上的地板 组成。组成。TEMTEM波传输线的末端接波传输线的末端接 匹配负载，当天线上维持行波匹配负载，当天线上维持行波 时，可从天线结构设计上使主时，可从天线结构设计上使主 波束位于从边射到端射的任意波束位于从边射到端射的任意 方向。方向。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线结构 微带缝隙天线微带缝隙天线 微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙 可以是矩形可以是矩形( (宽的或窄的宽的或窄的) )，圆形或环形。，圆形或环形。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线的激励方法

23、微带天线馈电微带天线馈电 大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此 可以用微带线馈电或同轴线馈电。可以用微带线馈电或同轴线馈电。 3. 天线天线&微带天线微带天线 3. 天线天线&微带天线微带天线 微带天线馈电方式微带天线馈电方式 主要分为三类：一是微带传输线馈电，二是同轴线探针主要分为三类：一是微带传输线馈电，二是同轴线探针 馈电，三是耦合馈电。馈电，三是耦合馈电。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带传输线馈电 如图如图(a)(a)所示。微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有所示。微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有

24、 较窄的宽度。微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建较窄的宽度。微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建 模，但是会产生更多的表面波和寄生辐射，在实际应用中限制模，但是会产生更多的表面波和寄生辐射，在实际应用中限制 了带宽了带宽( (一般一般2-5%)2-5%)。 l同轴线探针馈电 如图如图(b)(b)所示。馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外所示。馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外 导体接到地面。同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，导体接到地面。同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点， 同时寄生辐射比较低。但它的带宽比较窄，而且建模相对较难，同时寄生辐射比较低。但

25、它的带宽比较窄，而且建模相对较难， 尤其其介质层比较厚时尤其其介质层比较厚时 。 0 0.02h 3. 天线天线&微带天线微带天线 l耦合馈电 微带传输线和同轴线探针馈电由于自身的不对称性会产生高次微带传输线和同轴线探针馈电由于自身的不对称性会产生高次 模而导致交叉极化。为了克服这些问题人们引入了传输线耦合模而导致交叉极化。为了克服这些问题人们引入了传输线耦合 馈电和小孔耦合馈电，如图馈电和小孔耦合馈电，如图(c)(c)所示。小孔耦合馈电是几种馈电所示。小孔耦合馈电是几种馈电 方式中最难制造的，而且带宽也比较窄。图方式中最难制造的，而且带宽也比较窄。图(d)(d)所示的耦合馈电，所示的耦合馈电， 其带宽相对较宽。其带宽相对较宽。 3. 天线天线&微带天线微带天线 l微带天线的主要分析方法 传输线模型法传输线模型法(transmission-line)(transmissi