射频圆极化微带天线设计48078936.docx

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射频圆极化微带天线设计48078936

射频圆极化微带天线设计48078936

射频圆极化微带天线设计

摘要

天线作为无线通信最为重要的部分长久以来都受到科研人员的重视以及迅速改造发展。

如今，微带天线因其自身的质量小，形状易改变而与设备共形等优势在通信领域应用极为广泛。

天线的种类多样，极化方式大致分为线极化与圆极化两种，在天线出现的初期，由于技术层面的限制，线极化天线的应用极为广泛。

但由于科技的发展和人们对信号的愈来愈严苛的要求导致线极化天线与应用层面的矛盾越发凸显。

由于圆极化天线的方向性，旋向相同接收性和抗干扰性较强，因此现代圆极化天线的应用成为当今天线的主流。

本文介绍圆极化天线的性质和缺点以及对未来的展望和改进。

关键词：

圆极化天线，抗干扰，性质

DesigningofRfcircularpolarizationmicrostripantenna

ABSTRACT

Asthemostimportantpartofthewirelesscommunicationantennashaslongbeenbroughttotheattentionoftheresearchersandrapiddevelopment.Today,thequalityofthemicrostripantennawithitssmall,easytochangeshapeandadvantages,suchasequipmentconformaliswidelyappliedinthefieldofcommunications.Diversityofantenna,polarizedwayisroughlydividedintotwokindsoflinearpolarizationandcircularpolarization,atthebeginningoftheantennatoappear,asaresultofthelimitationoftechnologicallevel,theapplicationoflinearpolarizationantennaisveryextensive.Butasaresultofthedevelopmentofscienceandtechnologyandpeople'smoreandmorestringentrequirementsofthesignalleadtolinearpolarizationantennaandtheapplicationlayerofthecontradictionsincreasinglyprominent.Asaresultofthecircularpolarizationantennadirectivity,rotatetoreceivesamesexandanti-interferenceperformanceisstronger,sotheapplicationofmoderncircularpolarizedantennabecomethemainstreamoftoday'santenna.Inthispaper,thepropertiesofcircularpolarizationantennaanddisadvantagesaswellasthevisionofthefutureandimprove.

Keywords:

CircularPolarizationAntenna,Anti-interference,Properties

第一章本论文的研究背景及研究意义1

1.1天线发展历史1

1.2微带微带圆极化天线应用的意义2

1.3国内外使用背景及其发展趋势2

1.4本文内容安排3

第二章理论及技术4

2.1电基本振子4

2.2磁基本振子5

2.3天线基本原理及其分类5

2.3.1天线辐射电磁波的原理6

2.3.2天线的用途分类及各项参数7

2.4本章小结9

第三章微带天线基本知识10

3.1微带线天线简介10

3.1.1微带天线的工作方式10

3.1.2双频微带天线11

3.2微带天线的分析方法12

3.2.1传输线模型12

3.2.2空腔模型12

3.3侧馈矩形微带天线设计和同轴馈电矩形微带天线设计12

3.4HFSS简介13

第四章圆极化微带天线15

4.1圆极化波的性质15

4.2圆极化矩形微带天线的多种产生方式15

4.3圆极化波的参数16

4.4影响天线带宽的因素16

4.5圆极化微带天线设计18

4.5.2微带圆极化天线带宽的展宽途径19

4.5.3圆极化天线的测量20

4.6传统微带圆极化天线的性能分析及其缺点改进21

4.6.1单点馈电圆极化微带天线的性能展示及评价21

4.6.2新型圆极化微带天线带宽展宽方式24

4.7第四章总结25

致谢26

第一章绪论

1.本论文的研究背景及研究意义

1.1天线发展历史

作为无线电传输和侦查检测系统中不能或缺的重要组成部分，天线是电磁波发射与接收的最常见设备。

当其作为发射端时，它将馈线中传导的高频电流转换为其激发出的电磁波并按照特定方向发射出去；而当其为接收端时，它与发射端原理相反，从而在两点之间实现了无线电信息的传递。

从最初简单的单一点对点通信到现代的全球卫星覆盖式传送的通信规模，天线技术的发展担任了最基本而又最前端的身份角色，其在社会生活中的重要性愈显突出，现今已然成为现代科技中不可或缺的重要组成部分。

十九世纪末期：

H.R.赫兹在1887年在对J.C.麦克斯韦根据理论推导进行验证性实验作关于存在电磁波的预言而构想创造了第一条发射作用天线。

线天线时期：

在无线电处于应用的初始时期，那时还没出现真空管振荡器，人们普遍持有的观点是波长越长，传播中信号的衰减愈少。

这一时期应用的是各种不对阵天线。

面天线时期：

1930年左右由于微波电子管的问世继而发明创造出各种面天线。

这时已有与声学原理方法极为类似的喇叭天线，还有与光学方法原理相类似的抛物反射面天线和透镜天线。

在该年代雷达的出现，很大程度上对微波技术的应用的发展产生了很大的促进作用。

1930-1959：

大型反射面天线随后出现，此时通过人们的不懈努力推导出了分析天线公差统计理论，将天线阵列的综合理论分析成为可能。

五十年代之后：

洲际导弹和人造地球卫星的成功研制为天线的发展提供了一条全新的研究方向，要求天线有圆极化，高分辨率，高增益，宽频带，快速扫描和精确锁定跟踪等性能。

天线发展空前迅速。

由于新型移向器和电子计算机的发明，加上多用户同时搜寻与锁定等需求，相控阵天线得到了广泛的发展应用。

七十年代：

无线电频率信道的匮乏和全球覆盖式通信卫星的发展，反射面天线的频率交叉使用，正交极化问题和非单波束天线开始进入人们的视线；从毫米波，亚毫米波，光波的发展方向可以看出无线电技术涉及的波长越来越缩短，新型毫米波天线如介质波导，表面波

和漏波天线等得以问世。

现代城市化规模的扩大导致高层建筑物与日俱增，复杂的电磁环境对天线的要求日益严格，在通信系统中对移动通信的信号质量提高的要求最为严峻。

当下，对天线功率增益的重视使得高增益天线设计备受关注。

现今，全向天线的地位与作用日渐凸显。

它可以在单点与多点通讯，组建无线扩频网，广播与信息传输领域广泛应用。

圆极化天线作为最为广泛应用的全向天线发展至今已成为主流天线。

微带天线迅速发展让微带圆极化波天线更加有利于其发展。

如今的科学技术迅猛发展，现代文明已经迈入信息大爆炸时代，其最为重要的特点即是信息从速度到广度的采集与传递。

无线通讯技术的发展和无线通讯产品的大众化，尤其是近些年来个人终端通讯设备的普及和各种无线通讯技术的发展，通讯设备的功能愈来愈不能小觑，信号带宽也在不断展宽。

天线性能作为无线通讯中最为不可或缺的角色受到了人们对其更高的要求规范。

天线的地位愈发凸显，天线的形成及其发展经历了线天线时期，面天线时期，大型反射面天线出现，相控阵天线问世。

从线阵发展到圆阵，从平面阵发展到共形阵，到如今的圆极化微带天线阵。

一切都显示着天线设计科技的强劲发展势头。

1.2微带微带圆极化天线应用的意义

在无线电领域中，圆极化天线有其极为重要的地位和作用。

尤其在航天飞行器中，其位置相对固定要求它的通讯测控部分为与其共形，同时要求该设备质量较轻体积较小且成本低的圆极化天线。

航天航空和卫星领域以及在导弹的应用中，天线设备的尺寸。

现在许多政府部门和商业公司（如移动通讯公司）也有这方面的需求。

为满足这些要求，可选用微带天线。

这种天线有薄的平面结构，便于共形，制造简单，成本低。

而在馈电方式与贴片形状已知的情况下可以得到目标谐振，输入阻抗，极化及模式等各个参量。

圆极化微带天线还具备可以接收任意方向与极化方式的信号。

所以，圆极化微带天线是符合各类要求的相对理想又高性能天线。

1.3国内外使用背景及其发展趋势

随着现代科技的发展，对圆极化天线的要求越来越高，将圆极化天线应用于电子信息技术对战可以在侦查与反侦察中测控各类极化方式的电磁波：

将圆极化天线安装在剧烈摆动翻滚的飞行器上可以减少信号漏失同时可以消除畸变影响。

在广播电视中的重影问题可望被消除。

而对带宽的要求越来越高以及对天线的极化方式有要求是多点通讯技术发展的必然基本要求。

阻抗带宽和圆极化带宽是最主要的带宽要求。

现今国际上很多天线工作人员都在新型宽带圆极化微带天线领域努力。

其主要手段有辐射元结构，天线阵列结构和多点馈电结构等。

1.4本文内容安排

本文将从天线的基本理论为开始，对天线，天线参数及其分类进行介绍。

进而引出各类微带天线和它们的分析方法。

本文重点是对微带天线的分析方法和馈电方式进行阐述。

在对HFSS软件进行介绍之后会展示圆极化微带天线的原理和分析它的不足，并以图片的形式呈现各类新型的圆极化微带天线和对其未来发展的预测。

第二章理论及技术

2.1电基本振子

电基本振子的基本特性分析是对更复杂天线进行分析的基础。

电基本振子又叫电流元，一个时变电流元产生的电磁波辐射从辐射元出发向空间传播同时将功率也携带出去是天线的基本原理，天线则是起到了电荷振荡的作用。

电流元的本质是一段理想的高频电流直导线，其长度和其导线直径远远小于波长。

将电基本振子放置在坐标原点，在自由空间产生的场为

（2.1）

（2.2）

（2.3）

（2.4）

K为空气中电磁波的波数，

进区场场为

（2.5）

（2.6）

（2.7）

（2.8）

可以看到，近区场是一个准静态场，并无向外辐射的能量。

距离电流元越远时，场的衰减越迅速。

所以近区场通常不做讨论。

远区场场为：

（2.9）

（2.10）

（2.11）

将相关关系式带入可得

通过上式可看出远区场为辐射场，传播TEM波，向外辐射球面波形式的能量，具有方向性。

2.2磁基本振子

磁基本振子即磁流元或磁偶极子，其本质为载有高频电流小圆环，环的半径和周长都远小于波长，可认为电流均匀分布。

忽略时间因子

，由理论式及计算可将磁流表示为：

（2.12）

S表示磁流环的面积大小，

表示磁介质的介电常数，再由电磁场理论中由麦克斯韦方程导出的对偶关系：

（2.13）

与点基本振子远区场比较，可得：

电磁基本振子在空间中正交可以产生从传播方向看去为椭圆或者圆形极化的天线。

2.3天线基本原理及其分类

在正式介绍微带天线之前，本文要先对天线进行简介并阐述其原理。

无线通信中，天线有着至关重要的作用。

其作用简单来讲就是将导线中波导转化成电磁波辐射到自由空间或接收空间中的电磁波转化成波导进入馈线传播。

图2-1天线发射与接收示意图

Fig.2.1Theemittingandreceivingantenna

所有的馈线皆可以发射与接收天线的部分存在与电路中。

当电子设备达到高频段后，任意一段导线都可以激发出电磁波对外辐射，而当接收机足够灵敏时，导线则有对空中电磁波进行反应的能力。

因此要求采取屏蔽措施来避免天线受到外界的辐射干扰。

天线的尺寸，形状的差异对其性质的影响很大。

在同一频段的电信号进行收发时，其工作效率不尽相同，当采用合适的天线对其进行工作时则可以去的最符合要求的通讯效果。

2.3.1天线辐射电磁波的原理

电磁波是通过馈线传导的交变电流而激发出的辐射，其能力与天线的形状尺寸有关。

可以通过半波振子的辐射来阐述天线的工作原理：

若馈线中正负电流电荷的震荡频率为f，其周期用T表示。

在到达天线时，电流会醉着天线的上下部分分开而产生上正下负的电荷分布，进而产生电压，于是产生电场。

电场的电力线是从正电荷为中心向外辐射通过空中到达负电荷。

可知在

时是电流达到最大的时刻，而电力线仍旧存在。

在正负电荷互相向其相反方向运动时，则产生正负极的对调从而使电场方向倒换而将电力线成为一个回路而闭合。

之后在时间的推移中电力线可以摆脱天线释放到外界空间中。

这一过程不间断产生，对横向的电场分量为其半径矢量辐射并向远方传播。

2.3.2天线的用途分类及各项参数

天线大致可以两类，一为口径天线一为线天线。

移动通信的天线大多是对称振子为基础演化来的各式线天线，卫星地面站大多用口径天线即抛物面天线。

天线种类众多，其分类依据如下：

1）以其用途为分类依据可分为电视天线，广播天线，导航天线，通信与雷达天线。

2）工作频段也可以作为其分类依据分为微波天线，短波及超短波天线，长波天线，中波天线。

3）按辐射元种类分为线天线与面天线。

4）在馈电分类上有对称与非对称天线。

5）以电流类型可分为行波与驻波天线。

6）按形状可分为喇叭天线，反射面天线，螺旋天线，V形，菱形，环形天线。

7）按其方向性及其强弱分类可分为定向天线，全向天线，强，弱方向性天线。

此外，现在已发明出更加新型性能更加完善多变的天线如智能天线，自适应天线，微带天线，有源天线等。

但天线通常还是细化为两大类别，线天线与面天线。

线天线的基本构成是金属馈线，如行波天线，偶极子天线等。

面天线通常由一个平面或由曲面口径构成，包括微带天线，反射面天线，缝隙天线。

本文重点将要介绍微带天线的一种。

天线部分与发射或接收网络部分的连接形成一个整体系统称之为馈线网络系统。

馈线可细分为双导线和同轴线传输线，波导与微带线等。

馈线系统和天线系统通常可以组成一个整体，关系十分密切，所以往往可将天线与馈线系统看作一整体，总称为天线馈线系统，简记为天馈系统。

介绍完天线的分类，线面介绍天线的基本参数，参数的详细应用会在后文具体体现。

1.天线的方向图

通过垂直的平面和水平的平面分别对空间中的辐射进行剖析来表示在不同方向上的电磁波功率大小及其方向性，叫做天线辐射的方向图。

天线的辐射是具有方向性的，其发射的能量是以电磁波形式传播所以其电磁波能量也是有方向性的，接收天线有其接收来自不同方向电磁波的能力。

方向图可以以图片的形式形象表示出天线在空间中各个方向发射与接收电磁波的能力。

以定向的天线为例，可以从方向图中提取出天线从主瓣方向接收信号是最为有效的信息。

对于方向性很强的天线，最强的辐射区叫做波束的主瓣。

方向图中主瓣旁边仍有许多波瓣，依次称为第一副瓣，第二副瓣等等。

与主瓣相反相的称之为后瓣，通常要求其愈小愈好。

旁瓣区同样也是无需辐射的区域，其电平应在允许范围内尽量降低，主瓣宽度越小，代表天线方向性越好。

2.方向系数

定义式：

（2.14）

在以与天线同一长度为距离面上，

为最大辐射方向上的功率密度，

为在该距离面上的电场强度，

同一功率的非方向性天线功率密度

为该距离面上的电场强度。

3.天线效率

定义：

天线辐射与输入功率之比。

定义式：

（2.15）

：

天线的辐射功率。

：

天线的输入功率。

：

辐射电阻。

：

损坏电阻。

：

输入电阻。

4.增益系数

当具有一样的输入功率时，天线在其极大辐射矢量上一处辐射的功率强度与全方向性天线理论上在该处辐射功率强度之比。

可以表达为方向系数与天线在其理论值上的效率的乘积。

方向图中对比观察可得出主瓣愈窄，其余瓣愈小，增益愈大。

5.天线的极化

电场矢量在空间的取向，即天线最大辐射方向的电场空间取向。

6.频带宽度

实际天线工作在一个频率范围之内，而不是一个频点，这个频段叫做天线的频带宽度。

这也是微带天线最应改进的领域之一。

7.输入阻抗

通过测定可以得到的输入端电压值与输入端电流值，两者之比表示为天线的输入阻抗。

输入阻抗往往有两部分包括电阻与电抗分量。

电抗会降低天线对电信号的占用。

实际中应尽量降低其电抗分量至其值可忽略。

输入阻抗和天线的诸多性质参数往往有关。

8.有效长度

有效长度是一个假设天线长度，在假定天线中电流的分布平均，幅值为天线的波腹电流大小，并确保极大辐射方向功率和实际天线极大辐射方向场强一样。

将极大天线辐射方向的场强和其电流大小二者联系在一起的媒介是天线的有效长度。

9.副瓣电平

定义为10*lg（副瓣极大功率值与主瓣极大值功率值之商），单位dB

10.天线噪声温度

被天线吸收的噪声宇宙噪声以及热噪声占主要成分。

天线口径，频段，仰角与环境都可以称为影响天线噪声的变量。

11.电压驻波比

定义式：

VSWR=（1+|r|）/（1-|r|）,其中r为发射系数。

其值为表示天线端口的系统匹配能力。

12.回波损耗

入射功率与反射功率之比。

2.4本章小结

在详细介绍天线各个参数后，通过HFSS仿真可以通过观察得到各种图形并分析天线性能。

这关系到天线的结构大小，馈电点的设置等细节问题，是记为重要的。

第三章微带天线基本知识

3.1微带线天线简介

微带天线首先是有德尚于1953年提出的概念，其结构是由导体薄片粘贴在背面有接地板导体的介质基片形成的。

由于微波技术的限制并未引起重视。

二十世纪七十年代初，微波方向在集成技术中的快速发展以及在空间中对低剖面的热切要求忙森等人研制出第一代具有使用价值的微带天线。

之后在国际上对微带天线的重视程度日渐升温。

如今，微带天线的研究早已在天线研究领域占有其重要的地位，其发展速度不容小觑，新型微带天线不断涌出。

带来的研究价值和实用价值已让它成为当下的热门话题，下文将从它的基本性能和研究发展对其阐述。

微带天线的主要有点：

1）剖面薄，形状小，质量轻。

2）其结构与形状易于与载体共形。

3）便于印刷电路技术批量生产。

4）可以和有源器件或电路集成一体。

5）易实现圆极化波，使双频段双极化得以实现。

6）适合叠加系统式设计，便于制成印刷式电路，反馈线路和匹配电路网络。

微带天线的主要缺点：

1）频带窄。

2）在介质和导体中有损耗，若介电常数过大还会形成表面波使其辐射效率降低。

3）功率不会太大，通常适用于中小功率场合。

3.1.1微带天线的工作方式

由一厚度远远不及波长的介质基片与一片和它紧贴的金属片所组成的天线是微带天线的最为基础的结构。

介质基片两侧皆贴有金属片而其中满覆盖一面称作接地板而另一端的金属片大小达到波长尺寸级别称作辐射元。

辐射元的形状众多，通常为圆形，方形，矩形和椭圆形等等。

由于基片厚度远远小于波长，当波从基片一端入射从另一端射出时，垂直方向相反，水平方向相同。

因此产生片边缘辐射同相的效果，这也是微带天线的工作方式。

天线的带宽通常指的是一个宽范围，往往包括其重要天线性能参数像主副瓣宽度，极化性能，输入阻抗，方向图与最大增益分布，它们在满足要求时共同满足的频率带范围。

通常状况下，频率可以大大影响天线的各项参数，因此各天线性能参数的频率性能直接决定着天线的带宽。

在众多性能参数指标中应选取其中最为严苛的参数作为天线带宽的确定凭据。

微带天线有侧面馈电和底馈两种。

侧馈指的是馈电单元网络和辐射单元处于同一层面上；底馈指的是降接地板与通州馈电线相接，馈电线内导体透过接地板以及介质基片和辐射单元连接。

通过传输线模分析方式可以简化对微带天线的辐射机理的认知。

若使辐射单元，介质基板以及接地基板看成一微带传输线，传输线的端点进行开路处理。

基片的厚度远远不及波长，所以可以将基片内的场等效为其内的均匀分布场。

场在宽度矢量上的分量并无变化，仅仅是在长度矢量上有改变。

在等效的微带传输线两侧的电场分布可以分为一个组互相垂直的竖直分量与横向分量，竖直分量相互反相而横向分量同相，所以在竖直方向分量互相抵消而在横向为两分量电场进行同相叠加。

这就将微带天线等价为双缝隙辐射而成的二元阵列。

但微带天线也有许多明显缺点，如微带天线波瓣较宽，方向系数较低，同时还有频带窄，损耗大，交叉极化大，单个微带天线的功率容量小等。

但由于其为单元是的一致性非常好，在集成电路中能够较好应用，所以常将微带天线制成天线阵的形式来增加方向性，因此其使用非常广泛。

3.1.2双频微带天线

双频工作在微带天线设计中显出尤为重要的角色，具槽孔负载之矩形金属片（SlottedRectangularPatches），包括使用多层金属片（Multi-playerStackedPatches），具短路负载的金属片（PatchesLoadedWithShortingPosts），倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片（RectangularPatchesFedByAnInclinedSlot）具矩形缺口的正方形金属片（SquarePatchesWithRectangularNotches）等。

其中，欲得到双频段工作的最为直接简单的方式是贴片的长宽分别各自对应一个频率进行谐振，使馈电点处于该贴片的一角，从而将一个贴片同时在两个频率上工作。

·`

3.2微带天线的分析方法

与传统的天线的分析模式不同，微带天线的分析法大致分为传输线模型法和空腔模型法两种。

对于矩形微带贴片天线，采用一维空间的传输线模型法即可，其优点是便于分析结构简单。

当基板厚度较小时，采用二维空间的空腔模型法是最适用的方法。

3.2.1传输线模型

该方法将矩形微带线的端口等效为两端开路的传输线，由于基片很薄，线内传播电磁波可以等效为准TEM波，场在传输方向上呈驻波，在带宽方向为常数。

此时的两个开路口就与两个辐射缝隙等价。

上方空间进行辐射值计算可以看作为自由空间。

所以传输线发最为简单和直观。

3.2.2空腔模型

该方法将贴片与接地板之间的空腔看作是上下为电壁四周为磁壁的有损耗谐振腔，腔内只传播TM模式的波。

天线的辐射可看作四周磁流产生，其损耗主要为边缘泄漏的辐射损耗。

分析的主要依据是在规定腔内找到一个主模从而计算出各类如品质因数等性能参数。

所以除了以上两种分析模型意外还有如多端口网络模型等多种分析模型。

3.3侧馈矩形微带天线设计和同轴馈电矩形微带天线设计

该种微带天线区别为馈电方式的不同，在设计中心频率常为2.45GHz。

将介质基板厚度设置为1.6mm其材料使用FR4环氧树脂，用微带线馈电的方式对其进行馈电。

选取适合的介质基板是设计微带天线的第一任务，若介质基板的介电数是

，在其工作频点

的矩形微带线，可利用公式推导出较高效率贴片的贴片宽度

，即

（3.1）

由其本身性质而产生的边缘缩短效应原理，则可以计算出其单元长度实际应为

：