【《超宽带天线的理论基础综述》3700字】

PAGE8超宽带天线的理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u16493超宽带天线的理论基础综述 1212481.1超宽带天线的基本原理 1296371.2超宽带天线基本参数 120231.3超宽带天线的结构 4103311.3.1超宽带天线的辐射特性 6122601.3.2超宽带天线的馈电方式 682661.4超宽带天线的阻带特性 7135721.4.1开槽 851931.4.2加载寄生单元 81.1超宽带天线的基本原理超宽带天线虽然与一般窄带天线不同，但同样是从窄带天线发展而来，二者都遵循着同样的电磁理论，可以采用通用的参量来测量其性能，但由于其带宽的特殊性，必须进行特定的参量分析。天线是一种用来发射和接收电磁波的装置，将高频率的电能转化为电磁波，并将其传送至自由空间，或将其转化为高频电子信号，再由馈线传送至接收机。它的主要功能是把发射机的导波能量转换成RF能，然后把它传输到发射天线，反过来把它转换成RF，再把它传输到接收天线上。所以，在这两种电磁波中，天线起到了转换的作用。天线的另外一种作用是，它的能量传输和接收都具有指导性，也就是说，它可以在空间上分配能量。天线的第三种作用是接收和发射特定的偏振波，这种偏振波就是天线能够产生所需要的偏振光。为了使天线达到所需的性能，表示这种需求的电气指标被称作天线电气参数，例如：辐射效率，波束宽度，方向系数，增益，输入阻抗，极化，以及带宽等等。1.2超宽带天线基本参数1.输入阻抗与VSWR输入阻抗的计算公式为：（2-1）输入阻抗是指在输入端接上负载Zl后，输出端的阻抗响应。天线的输入阻抗直接影响到整个系统的性能，同时也影响到天线的传输效率。工作频率、天线结构、尺寸等外部因素会对天线的输入阻抗产生影响。目前，最普遍使用的输入阻抗为50欧姆。VSWR是指驻波比率，它反映了天线匹配程度的物理量。公式为：（2-2）1.阻抗带宽当某一特定条件下，某一参数的频域就会发生变化。每个天线的频宽都与特定的参量有关，而天线的阻抗、增益、极化等参数也会有很大的差别。而我们大部分时间都是用更窄的带宽来计算天线的带宽。窄带天线的频带通常采用上下限频段宽度和频段中心频率的比率。而宽频天线则是频率的上下限之比REF_Ref22137\r\h[4]。3.方向性天线的方向性是指将能量集中辐射的程度，用公式表示为：（2-3）式中，平均辐射强度其实就是辐射功率除以球面积，即：（2-4）而我们经常所说的方向性系数,都是指在最大辐射方向上的方向性系数,即:（2-5）4.增益增益是天线用来衡量参考性能的最主要的参数，通常我们用天线的最辐射的方向来表示增益大小。表达式为：图2-1Pmzx为被测天线在一定方向上的最大辐射强度，而Pomni则是在相同位置的一个理想天线。由于实际应用中，天线会有一定的损耗和衰减，因此增益要小于方向。他们的公式是：G=η∙D（2-7）其中η为天线的效率。5.矩形微带天线的特性参数在设计时，首先要考虑到天线的尺寸，假设介电常数为εr，而矩形微带天线的中心频率为f，通过公式可以计算出辐射贴片的宽度w，为：：（2-8）式中c为光速。一般用二分之一的介质内导电体的波长作为辐射贴片的长度，用以下公式表示介质内导电体的波长：（2-9）然而，在考虑了边沿缩减的影响后，贴片的实际长度L的计算公式如下：（2-10）式中，εe是有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙长度，公式如下:(2-11)(2-12)6.天线的极化电磁波的偏振性一般是指在它的运动中，随着它的运动而改变的电场方向。一般来讲，天线的极化可以分成三类：直线极化、圆极化、椭圆极化极化。线极化可划分为横向极化与竖向极化，两种纵向方向的相位相差npai。横向极化，顾名思义，当它的传播方向与地面平行时，被称为横向极化。同样的，如果它的传播方向是垂直于地面的，这就是它的垂直极化。而椭圆极化法和圆极化法，其成分相位差90度时，称为圆极化；在不需要振幅和相位的情况下，这是一个椭圆偏振。在实际应用中，我们都会根据不同的应用要求，选用不同的偏振模式。在不同的情况下，采用不同的偏振模式可以得到较好的结果。例如，在崎岖地形上，垂直偏振型电磁波的穿透力要优于横向偏振型，因此，垂直偏振型天线更适于地面间的移动通讯，而横向偏振型则更适于长途通讯。另外，圆极化对补偿衰减的效果较好，所以通常用于卫星通讯。另外，轴比的参量也很重要，它是由椭圆形的长、短轴的比例来决定的。这样就能很容易地分辨出不满足要求的天线设计。图2-2三种天线极化方式1.3超宽带天线的结构前面已经说了，天线的结构会影响到天线的性能，而且，天线的形状和结构也会有很大的区别。从天线的设计开始，我们应该先了解一下天线的基本构造。我们这次提出的一种带有一阻带特性的超宽频天线也是一种微带天线。所以，微带天线的外形通常是三角形、长方形、方形、圆形、钻石等。从辐射的角度来看，可以把天线分成微带、微带谐振、微带线性、微带窄缝。1)微型带补片天线微带贴片天线是其中最基本的一种。这是一种由三层组成的简易结构，连接地面和贴片之间是一种介电板，在基板的下面有一块金属贴片，上面的贴片就是我们所需的金属补丁，而这种补丁的形状主要取决于天线的特性，可以通过蚀刻来得到我们想要的贴片形状，而这种类型的天线通常采用微带线或同轴供电。利用导电板和接地板间的电场和磁场进行辐射，当然，在设计和研制时，采用较简单的补片，可使实际生产操作更为简便。图2-3贴片模型2）微带振子天线与传统的贴片结构相比，振子天线采用了窄条形的薄片式振子。现有的微带振子型天线采用了金属杆，采用特殊的加工方法来达到所需的目的。因此，振子天线具有成本低、结构简单、结构简单等优点，因此成为了一种应用比较广泛的天线。图2-4微带振子模型3）微带线性天线微带线性天线是通过对微带线的某种形式的变化（比如，直角弯头，弧形弯曲等）来产生辐射。该天线还具有不规则的外形，通常沿线路传播行波，故又称微带行波。这种类型的天线，其载荷位于末端，并通过传输线路将其辐射到周围。图2-4的模式图2-5微带线性天线的模型4）微带缝隙天线微带缝隙天线是利用地面上的缝隙来进行辐射的，由于这种结构可以通过同轴馈电来提供更多的能量，也可以利用波导馈电来进行辐射，而缝隙式天线就是波导缝隙天线REF_Ref22836\r\h[12]。图2-6微带缝隙天线1.3.1超宽带天线的辐射特性微带天线的辐射是由基板与基板的边缘磁场引起的。该技术的工作原理类似于金属薄板微带天线，可以应用于其它类型的微带天线。以下是该天线的辐射原理图：图2-7微带天线辐射原理图从图2至6可以看出，该补丁是一个具有介质衬底厚度h和已知自由空间波长的axb矩形。那么，可以看到上面的补丁是一条具有λ/2长度和宽度a的微带传送线路。天线的辐射在地面和地面的空隙间形成。1.3.2超宽带天线的馈电方式天线馈电方式采用50Ω微带线进行，要满足S11<-10dB。大多数微带天线只在介质基片的一侧有辐射元件，因此它们可以通过贴片线或同轴线馈电，因为天线进入的障碍不等于50Ω的障碍，所以需要进行阻抗匹配。匹配与位置有关，因此，馈电位置影响辐射特性。1）微带馈电正如它的名字所示，它是由微带导线供电的。采用微带线进行光刻，由于馈线与微带线共平面。然而，由于馈线自身的辐射，会对天线产生一定的影响，通过合理地选取馈电点的位置，可以实现天线输入阻抗和特征阻抗的匹配。若磁场沿着矩形板的宽度发生改变，那么随着馈电宽度的增加，其输入阻抗也相应地发生改变，为阻抗匹配提供了一种简便的方法。在馈线与天线间耦合发生变化时，会引起共振频率的微小偏移，同时辐射方向图也不会发生变化。但是，通过调整芯片的大小，可以对共振频率的偏移进行补偿。减少增益。因此，微带的宽度通常比波长要小。2）同轴线馈电同轴插座通常是在印制电路板的背面，而同轴的导线则与天线导线相连。对于具体的模式，通过经验判断同轴插座的位置，有利于最合适的匹配。这样做的好处是可以不受影响地任意选定位置。3）电磁耦合馈电这种方式的特点是无接触的馈电方式，馈线本身给自己馈电，也可通过一个缝隙来进行与天线之间的电磁耦合。通过这种方法，可以获得宽频带驻波比特性REF_Ref23169\r\h[8]。4）共面波导馈电共面波导的意思，简而言之，就是一个微波单片集成电路传输线。执行方式为在接地平面上蚀刻共面波导，再祸合缝隙完成。图2-8共面波导馈电1.4超宽带天线的阻带特性超宽带的覆盖频段为3.1GHz—10.6GHz，为了避免窄带系统对它的影响，我选择将一个矩形微带天线嵌入一个环形的内部，进而使他具有一阻带特性，既降低了干扰，又实现了两者的协同。除了我采用的方法，其他实现的方法有贴片开缝，寄生耦合，分形等技术。1.4.1开槽贴片开槽是本文所采用的方法，调整缝隙长度和宽度，实现滤波效果。采用开弧型槽实现电阻性能的方法，是目前国内外研究与生产中普遍采用的一种方法。不同的槽型对波段的影响也是不同的。最常见的裂缝形式有：U型缝改进天线的驻波比特性、三角形狭缝、弧形狭缝等。U型缝隙的大小和它的受抑制频率的关系是：（2-13）由式子可以得出，宽度对阻带的带宽有直接影响，而缝隙的长度只能决定中心频率。1.4.2加载寄生单元目前寄生耦合也是研究带阻特性的一种常用的方法，引入寄生单元，使阻带频段内辐射电流与寄生单元内电流方向相反，互相抵消，起到抑制作用，进而实现天线的带阻特性。