天线与电波传播理论论文

天线与电波传播理论论文关于微带天线姓名：何探学号：309073112601级：通信09-11指导教师：X月红砸着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线矜动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通爪系统中，天线是将射^信号转化为无线信号的关谜器杵，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。快速发展的矜动通信系坑需要的是小塑化、宽^带、多功能（多履段、多股化）、高性能的天线。攒带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在杨和终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对干人体的辐射，还可使手机的外形设廿多样化，因此内置撤带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性（常规做带天线约为2%左右）在很名悄猊下成了斟约其应用的一个筋颈，因此设it出具有宽顺带小里化的愧带天线不但具有一定的理论价值而目具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。本论文的iii作是Ift述做带天线。一撤带天线的发展历程早在1953年箔尚（G.A.DcDhamps）教授就提出利用彳散带线的辐射来制成撤带做波天线的阀念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于攒波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R.E.Munson)豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用的仿攵带天线。I®之，国际上展开了文寸攒带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举IlT®带天线的专题目际会15(,1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊裁了微带天线专辑。至此，攒带天线已形成为天线领域中的一f专门分支，两本攒带天线专辑也相缆间世，至今已有近十本书。可见，70年代是做带天线取得突破11进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新塑天线已趟干成熟，其应用正在与日ffllgo二微带天线的结构与种类攒带天线是在带有导It接地极的介质基片上姑导体薄片而形成的天线。它一般利用攒带筑或同轴线等债线债电，在导体IB片与接地扳之同激丽起射颐电储场，并通11站片E1周与接地板间的缝隙向外辐射。Hit』放带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结沟血图2.1所示通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小塑化，属于电小天线的一类。另外，蝴着技术的进步，现在许名手机天线都是采用曲折线塑的撤带天线实现了手机天线的小塑化。导休艮6片一般是规则形状的面枳单元，如拒形、圆形或同坏形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子（偶股子）。由这两种单元形成的彳散带天线分别称为fit带贴片天线和条带振子天缆,如图1-3但）、（b）所示。彳散带天线的另一种形式是利用IS带线的某种形变（如弯曲、直轴弯头等）来形成辐射，称之为彳散带线里天线，如图1-3（0所示，放种天线因为沿线传输行股,Q称为彳散带行波天线。愉带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一H的做带线或其它债线顷带状线）对其馈电，称之为彳散带行波天线,如图1-3（d）所示。由各种愧带辐射单元可构成名种多样的眸列天线，如彳散带月占片阵天线，做带振子眸天线,等等。三微带天线的辐射原理像带天线中有一址的尺寸远远小于波长，因而天线剖面很低（天线薄），有利于共形设计保迅优良的空气动力特性。图1所示的长为L,宽为W2的葩形做带天线元可以看作一股的传输线连接两个福射缝fflffioKlttlPfltt的传输线是由攒带债线扩展其宽W1为W2而成，其长度L为半ffa带波长，即入M2。在低阳传输线两常形成两个缱隙（“,b-b）,J5里的电场分解为两个分量，其中En与接地极垂直；另_个与接地极并行，记作臼〃，由TL=Ag/2,垂直分量反相，平行分量同相，因此在垂ITS射源的方向上，水平分量有最大辐射分量，而垂直分量相互抵消。试验表明，电场的水平分量在福射源的两个端部，各向外延伸一个介质板厚度h的长度内存在。送样就可近做认为彳散带天线元的辐射等于两个长度为W2,宽度为h,同距为L的裂缝组成的二元阵的福射。裂缝平面与接地面平行，裂缝受水平电场Ey的IMoEy沿裂缝是均匀分布的(即沿x均匀分布)。裂缝的激M场Ey可以等效为沿x方向的魏流。磁流密度，其中为裂缝面的法向单位矢量(iSz方向)。考虑接地板的反射髀，则澜的《•流密度,由于裂缝宽度h<J,所诀y沿y方向也是常数，故相应的ig^lm可写为于是裂缝的辐射就等效为磁流弓鱼度Im相同的一系列脱基本阵子沿着x轴排列的连续阵的福射。ffl彳散带天线的优缺点与应用号普通像波天线相比，攒带天线有血下优点：(Dlt枳小，重量经；平面结构，并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构；馈电网络可与天线结枸一起集成，适合于用印划电路枝术am批量生产；能与有温器件和电路集成为单一的配件；便于获得惧1股化，容易实现双原段、双股化等多功能工作；没有作大的变动，天线此能很容易地装在导卿、火箭和卫星。天线的做射截面较小；稍梢改变馈电位置就可以获得线股化和同股化(左旋和右旋)。13带天线适合于组合式设廿(固体器件，如振蒲器、故大器、混^器、功分器、矜相器、可变衰减器、调制器、开关等可以其接加到天线基片上)；馈线和匹配网络可以和天线给构同时设计和UDlo但是与通常的撤波天线相比，微带天线也有一些缺点：1）弟俱带窄；2）有导体和介质损耗，并且会激M表面波，导致辐射效率降低；3）助率容量较小，适用于中、小功率场合；4）性能受基片林料影喑大；5）馈线与福射元之间的隔离差；尽管如此，有一些方法可以用来减小某些缺点。例如，采用一些宽频带枝术可以有效地展宽颐带；在设廿和制造过程中特别注崽并采取一些措葩就可抑制或消除表面波。在许名实际设廿中，彳散带天线的优点远超过它的缺点。甚至在仍被认为是愧带天线发展幼年时期的80年代时，0带天线已有多种成功的应用。盛着傲带天线的逵续研究和发展以及日益增多的便用需求，可以预料，对于大名数的应用，它将最终取代常规的天线。在一些显要的系貌中已经应用攒带天线的有：卫星通讯；多普鞘及其它雷达，无线电测高廿，指挥和控制系筑导卑遥测；武器信管；便携装置；坏境检测仪表；夏杂天线中的《!电单元；卫星导航接收天线；生物医学辐射器；寺寺。相信砸着对锁带天线应用可能性从识的提高，以及各种电路系统对天缆的小塑化集成化要求的提高，做带天线的优点日益占显，其应用场合将会继续增名。五撤带天线的分析方法攒带天线的分析方法有很多，但是大依上可以分为解桥方法fllSffi方法两大类。第一类方法基干围绕站片边缘的等效施流分布来计算辐射场，色桔传输线模里、腔体模型、多端网络模里等。而第二类方法基于站片和地扳上的电流分布来it算辐射场，包括葩量法、有限元法Aiwa有眼差分法等。1解桥方法天线间题的严格分析是一个电磁场边值里间题，需要根弼其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据I3带天线的实际特征他某些方面的IfJgfn近做进而得出分林模里SM不失为一种简单有效的处理手段。由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分折微带天线的解折方法，这里我们主要介绍以下三种模里，它们由于其简单实用而在规则姑片天线的分林中获得了广泛的应用。传输线模型传输线模塑很简单，并目有助干理解I3带天线的基本特性，因此首先介^这种模塑方法。在建种模塑中，撤带只占片天线被视为场沿着偷向没有变化而沿着传输圾的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。天线的福射主要源自两个开胳终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距骷片长度的缝隙，其上分布有面谯渣。利用矢量位函数便可由/1蚤流汁算出天线的远场福射和其它的电参数。尽管传输线模型易干使用，但是很多结构类塑不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。腔体模型如果说传输线模塑因为有场汨传《1线横向无变化的限胃而只是仿攵带天线在一维下近俶的话，那么腔体模塑就可以称为二维近眦。因为腔体模里基于一维电小的基本假设（即介质基片的I?度远小干波长），需18带^片与地板之同的空间等效为上下是电壁而四周是巍壁的谐振空腔。在腔休中，场沿基片厚度方向保持不变，并目它是该等效的二维谐振器中所有谐振模武之和。天线的瓦场辐射及其它电参数可以通11空腔E1周的等效磁流来得到。多端网络模塑多端啊络模塑实际上是腔体模型的一种柘展，在送种模里中，站片被等效为一个具有名个端口分布在^片四周的二绒平面网络。通过二维扬林函数可以计算出该网络的多端01杭拒阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和福射场朕系起来，然后利用分割方法it算出全局皿捕拒阵，由站片皿周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效施流it算出辐射场。利用等高线枳分技术可以使其在不规侧形状的^片天线中获舄应用。2数值方法虽然以上介绍的解折方法具有简洁性和较为明确的物理恿义，但是它们不能用来分折任恿形状的攒带天线，同时微带天线工程^确度的提高也对以上简化模型分折方法提出了考骑。然而计算机技术的发展给攒带天线的分折带来了新的思路，即依据攒带天线的电磁场边值间题，将求解麦克斯韦攒分方程转化为利用廿算机来求解矩眸代数方程。由此也产生了乡种数值方法，它们各具有一些优觎点和适用性，这里我们仅介给几种典型的分折方法。矩量法分折18带天线的基本思想是利用并矢怡林函数建立关于彳散带旧片和地版上的表面电潦的枳分方程，然后利用函数展开法将此枳分方程转化为拒阵方程，利用廿算机便可得出近做解。拒量法因为考虑了贴片周田的物理边界的边缘场而具有较高的IOo有限元法有限元法的原理是先将整个连续求解区损划分为很名小的离散单元（如在二维结构中选取三轴形单元，在三绒结枸中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电储场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的JS值，根据变分原理或遇略金方法便可建立一彳、关干未知函数展开系数的拒阵方程，利用it算机便可方便求解该代数方程。有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模抓任愆形状的优点，但是其求解猜度要受求解区域剖分猜细程度的影喑。WH有限差分法时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并冷麦克斯韦方程中的电感场量进行时间和空同的离散化，由此将麦克斯韦徼分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。选取合适的场初值（或激刖源）和汁算空间的ill界条件，便可以得到fifiW间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通il离散傅里叶变换还可以得到三维空间的颛域解。时域有眼差分法的优点是其离散比较简单（空同网能大小一致、时同步长恒定），并目通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带x围内特性。但是其数值解的稳定性要受时间步长和空同步长的限翎。结语：13带天线由于具有体枳小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易干加工、易与有源器件和电路集成为单一模挟等诸多优点，因而自其逆生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。但通常的做带天线主要是一种谐振武天线，相对带宽较窄。同时，砸着通爪技术的发展，宽带的应用越来