【《超宽带天线的基本理论综述》5500字】

超宽带天线的基本理论综述目录TOC\o"1-3"\h\u12565超宽带天线的基本理论综述 1129511.1天线主要性能参数 1101111.1.1天线的增益 1326841.1.2天线的带宽 2104761.1.3天线的方向系数 2216371.1.4天线的输入阻抗与驻波比 2260131.1.5回波损耗 363661.2印刷天线和单极子天线的基本理论 394591.2.1印刷天线的基本理论 3171131.2.2单极子天线的基本理论 4183461.3印刷单极子天线的介绍 6283831.3.1印刷单极子天线的基本理论 693991.3.2印刷单极子天线的工作原理 7234161.3.3印刷单极子天线的设计模型和思想 8241321.4共面波导的基本理论 11天线主要性能参数天线的增益天线的增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间统一点处所产生的信号的功率密度之比。天线增益是用于定量的描述天线把输入功率集中辐射的程度，从通信角度讲，就是某个方向上和范围内产生信号能力的大小。实际应用中，即使集中某个方向，天线还是会在空间各个方向都有大小不同的增益。天线的增益可表示为： （2-1）天线的带宽天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。通常有两种表示方法：相对带宽和倍频带宽。相对带宽是指天线的绝对带宽与工作频带的中心频率之比，即: （2-2）倍频带宽是指工作频带的最高频率与最低频率之比，即： （2-3） 一般的情况下，窄带天线使用的是相对带宽，管带天线则用的是倍频带宽。天线的方向系数天线会沿着一定的方向辐射电磁波，用来表示这个程度的就是天线的方向性系数。为了对这一参数进行确定，一般将理想的非定向天线作为参照标准。天线在最大辐射方向上远区某点的功率密度与辐射功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比为D： （2-4）在公式中，D是方向性系数、U0是各向同性天线的辐射强度、U为辐射强度、Prad为辐射的总功率。根据上述概念可知，定向天线在进行辐射时，它的辐射强度会随着方向的变化而变化，所以每个方向上的方向性系数也是不同的，如果辐射方向上，辐射电场大，那么他所产生的方向性系数也比较大。一般情况下，定向天线的方向性系数就是最大电场上产生的方向性系数。天线的输入阻抗与驻波比天线的输入阻抗是指天线输入端信号电压与信号电流之比，即： （2-5）其中，Rin表示为输入电阻，Xin表示为输入电抗，Rin代表有功功率，Xin代表无功功率。天线的输入阻抗会受到很多种因素的影响，如它本身的尺寸，它的馈电方式、工作频率、还有它所处的工作环境等。如果天线的输入阻抗达到一定值，即与传输线的特性阻抗一致时，天线工作时就比较稳定，但是两者之间不一致时，天线工作就会不稳定，在传输线上就会产生驻波，电压驻波比就是用来表示天线与传输线之间的阻抗的一致程度的关系量。设计超宽带天线时，电压驻波比存在一个范围，即小于2.0。回波损耗回波损耗是指反射波功率与入射波功率之比，一般是以对数的绝对值来表示的，其单位是dB。若假设反射系数为0.1，那么： （2-6）在实际应用中，我们希望无线电波全波传送出去，不希望有回波，或者说回波损耗的绝对值越大越好。当接近0时，回波损耗接近于无穷大，此时没有反射波，无线电波全部传送出去。印刷天线和单极子天线的基本理论印刷天线的基本理论印刷天线具有很多特点，比如它具有较薄的剖面、小的体积、较轻的质量、成本也比较低，辐射也具有全方位性，易于与其他电路进行结合，此外，它的形状易控，易于与其他器件进行集成，当它结合微电子技术之后，还具有很强的功能性，这些特点促使他成为新一代的天线。印刷单极子天线印刷单极天线一般由两部分组成，一部分是覆在介质基片上的单极贴片，另一部分是导体地板，馈电是通过地板中间的共面波导进行的。与直立单极天线相比，它并不需要依靠与它相垂直的导体地板，所以易于集成电路。印刷偶极子天线在电介质基地上面，将不同长度的偶极子进行印刷，从而形成印刷偶极子天线。它主要对信号来进行发射或接收，同时，他还应用在其他方面，如对场地衰减进行评判，对天线系数进行测量等。随着科技的不断发展，无线通信系统也更多的应用到人们的生活中，所以对它的要求也越来越高，比如天线的尺寸、带宽等方面，而印刷偶极子具有很多优点，如它具有较小的体积、低廉的成本、集成比较容易等。在印刷偶极子的天线中，它具有相互对称的双臂，连接同轴电缆时必须使用一个平衡转化器。在印刷偶极子与平衡馈电器结合到一起，需要对其性能进行分析时，一般要对其进行分开处理，辐射臂按照对称阵子进行分析，平衡馈电器按照同轴电路对其进行分析。在对其进行设计时，想要使频带内的阻抗特性满足我们的使用要求，可以对印刷偶极子的臂长进行相关调整，或者调整偶极子之间的间距，亦或是调整微带线的宽度等。单极子天线的基本理论由于单极子天线具有简单的结构，较宽的阻抗带宽，辐射方向具有全方位性等特点，已经使它受到越来越多的关注。单极子一般由四部分组成，分别是金属辐射体、馈电网络、接地板和介质衬底，金属辐射体具有多种形状，如圆形、三角形等。垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线,它广泛地应用于长、中、短波及超短波波段。假设地面可视为理想导体，则地面的影响可用天线的镜像来替代，如图图2-1(a)、(c)所示，单极天线可等效为一对称振子（见图2-1(b)），对称振子可等效为一二元阵（见图2-1(d)）,但应指出的是此等效只是在地面或导体的上半空间成立。(b)(c)(d)图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s11直立天线及等效分析有效高度对于对于直立天线而言的有效高度，是一个衡量单极天线辐射强弱的重要的电指标。设天线归为输入点的电流表达式为： （2-7）根据等效高度的定义，可求得归于输入点电流的有效高度为： （2-8）将式代入上式可得： （2-9）若h≪λ，则有： （2-10）可见，当单极子天线的高度h≪λ时，其有效高度约为实际高度的一半。提高单极子天线效率的方法单极子天线一般受限于高度的影响，从而导致它具有较低的辐射电阻，然而具有很大的损耗电阻，所以使得它的效率很低，目前的研究热点就是提高单极天线的效率。由上述介绍可知，主要有两种方法可以提高效率，一是使辐射电阻增加，二是使损耗电阻减小。提高天线的辐射电阻提高电阻可采用在顶端加容性负载和在天线中部或底部加感性负载的方法，这些方法都提高了天线上电流波腹点的位置，因而等效为增加了天线的有效高度，如图2-2所示。(a)T形天线(b)倒L形天线(c)伞形天线（d）带辐射叶、圆盘、球形天线图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s12加顶单极天线单极天线顶端的线、板等统称为顶负载。它们的作用是使天线顶端对地的分布电容增大。分析加顶天线，可以将顶端对地的分布电容等为一线段。设顶电容为C，天线的特性阻抗为Z，其等效的线段高度为h′，则根据传输线理论有： （2-11） （2-12）设天线加顶后虚高为： （2-13）此时天线上的电流分布为： （2-14）天线的有效高度为： （2-15）当h≪λ时，加顶后，天线归于输入点电流的有效高度为： （2-16）可见，天线加顶后的有效高度提高了，从而天线的效率也随之提高。降低损耗电阻单极天线的损耗一般来源于三方面，但是在铜损耗、介质损耗都比较小，主要还是接地系统中的损耗。而引起此损耗主要有两个原因：电场损耗和磁场损耗。电场损耗就是电流从天线到接地系统这一过程中产生的损耗；磁场损耗是由于电流会产生磁场，磁场在地表作用时，电流流过此表面就会产生损耗。但是对于直立天线来说，主要影响它的是磁场损耗，为了减小这种损耗，通常在天线周围加上辐射状地网。总而言之，单极天线具有较低的增益。想要使它的方向性得到提高，可以将超短波的波段与地面进行垂直，即直立共线阵。印刷单极子天线的介绍印刷单极子天线的基本理论单极子有很多形式，其中印刷单极子就是其形式之一，它具有很多特点，如它的体积比较小，剖面比较低，易于集成、成本低等，此外，它还保留了传统单极子的宽带特点，受到了越来越多的关注。此类型天线是是由位在介质板两侧或同侧的单极子和接地板组成的，通过共面波导或微带线进行馈电，不需要与之垂直连接的接地板。因此，它与其他电路可以很容易进行集成。但这类天线单元结构截然不同，通常设计上具有复杂多变的结构，缺乏肌理清晰的统一设计方法。目前最常见的天线有两种，分别是印刷天线和微带天线。它们的结构基本一致，都是有一个辐射贴片和一个接地板构成，区别在于微带天线的接地板的尺寸与介质板大小一致，也就是接地板也在辐射贴片下方，因此微带天线通常都是定向天线。而印刷天线的的辐射贴片下方是没有地板的，地板仅位于馈线的下方，所以印刷天线都是全向天线，这也是它的最大优点。印刷单极子的结构具有平面化的效果。它主要是将平板单极子和印刷电路相结合，将地板和辐射单元都集成在电路板上，馈电方式采用微带线或是共面波导。由于这种天线独有的特点，所以易于与电路进行集成，此外，它的辐射还具有全方位性，频带也比较宽。还可以对其阻抗宽度进行改善，通常是对天线的结构图进行改变来实现的，这是它目前的研究热点。（a）共面波导馈电单极子（b）微带线馈电单极子（c）微带线馈电偶极子天线图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s13典型的单极子天线和偶极子天线结构图图2-3所示是几种典型的印刷单极子天线。图(a)是共面波导馈电单极子天线图(b)伪是微带线馈电单极子天线图(c)是由单极子天线改进而来的微带线馈电偶极子天线。印刷单极子天线的工作原理单极子由单个导体组成，同轴线穿过地面并以芯线给该导体馈电，如图2-4所示。当包括单极子镜像时，分析时等效于偶极子。地面以下的场消失了，这将场压缩在上半空间而使增益翻倍，从而增益超过了偶极子，这是由于产生相同的场强只需偶极子一半的输入功率。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s14微带天线（b）印刷单极子天线图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s15如图2-5所示。传统的偶极子和单极子天线体积比较大，所以占的空间比较大，在一些具有小的空间领域中进行应用时会受限。将印刷电路技术应用到此过程中可以解决此难题，即将天线刻在基板上面，从而生产出价格低廉、剖面较低的天线。目前，在天线领域中，印刷工艺已经被广泛应用。微带天线是一种平面谐振腔，通过边缘的泄漏产生福射，是印刷电路技术在天线领域的一种最典型的应用。微带天线具有很多优点，如它具有小的体积、较轻的重量、较小的轮廓、较低的成本、易于集成等。但是它也存在缺点，如它具有较窄的带宽、较大的损耗等，从而会使得天线的效率大大降低。而印刷单极子同时具有了传统单极子和微带天线的优点，同时，基板材料对它的具有较小的影响。近年来，印刷单极子天线被广泛应用于超宽带和多频带天线设计。与微带天线相比，最直观的区别就是形状不同，换言之，一个是部分结构，一个是整体结构。由上图可知，印刷单极子天线通常由介质基板、部分地、馈线以及福射贴片组成。可以通过对地和贴片形状的设计、尺寸的调整等方式来实现工作在特定频段的印刷天线。印刷单极子天线的设计模型和思想超宽带天线的设计思想基于单极子天线的辐射，根据镜像原理，无限大地板上，长度为h的单极子与其镜像构成一个全长为2h的对称振子，该种结构可以极大程度减小天线尺寸，但该种结构同时受制于地板大小，如果地板尺寸较小将导致天线的方向图畸形且辐射效率降低，如图所示:图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s16下面我们就馈电方式，对平面单极子进行了分析，其馈电方式一般包括三种分别是微带线馈电、共面波导馈电、耦合馈电。本设计采用共面波导馈电。其优势在于色散低，损耗小且耦合弱，同时由于地板和信号带线共面便于添加有源器件。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s17最后，单极子天线由于其长度与工作频率相关，故为窄带天线结构，难以通过优化实现宽带化设计指标要求，所谓实现宽带化，即通过引入多个谐振点，融合成一个较宽的频带，如图所示，常用的方法包括引入不同长度的谐振结构实现多频设计，通过改进馈电位置激发不同的模式拓展带宽和宽带化馈电设计。本设计基于设计结构成本和复杂度考虑采用改进馈电位置激发不同的模式拓展带宽方式。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s18基于上述设计思路的基础上，设计两种超宽带天线，分别实现在0.9-3.5GHz和0.5-15GHz内S11<-10dB,两种超宽带天线的结构如图所示，关键设计参数就是确定正六边形辐射贴片的边长和馈电结构尺寸，具体计算如下。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s19正六边形可以从圆形辐射贴片的最低频的计算公式修正获得，圆形贴片带内（定义为S11<-10dB）最低频的计算公式为: （2-17）其中L为直径，r为等效半径，p为馈电长度，上述结构尺寸单位均为：cm，K为等效介电常数，所用介质基板为，对应的经验值k为1.15，对于正六边形一边与馈线相连接的馈电方式，其L和r可表示为：通过上述计算，两个结构最低频分别为0.9GHz和0.5GHz，对应的S分别为30mm和33mm。接下来分析50共面波导结构尺寸计算，如图所示:图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s110共面波导