圆极化微带天线的设计与研究.docx

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圆极化微带天线的设计与研究

摘要

微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，制造成本低，易于批量生产，易于和微带线路集成等特点，能得到单方向的宽瓣方向图，易于实现双频段、双极化等多功能工作。

这些优点使得微带天线在大约100MHz～100GHz宽广频域上，广泛应用于包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备。

论文首先回顾了微带天线的发展史，介绍了它的结构、优缺点及应用，然后给出了微带天线的几种分析方法，包括传输线法，空腔模型法，积分方程法等，并介绍了微带天线圆极化的原理和实现方法以及微带天线的馈电方式。

然后在AnsoftHFSS中创建了一个单馈圆极化微带天线和双馈圆极化微带天线，分析了S11和VSWR参数，画出了方向图。

为了实现圆极化，进行了轴比的优化仿真，达到了较为理想的结果。

关键词：

微带天线、圆极化、轴比

Abstract

Themicrostripantennashasthevolumetobesmall,theweightislight,thelowsectionplane,theproductioncostislow,easyvolumeproduction,easyandcharacteristicsandsoonmicrostriplineintegration,canobtainthesingledirectionwidepetaldirectionaldiagram,easytorealize,thedoublepolarizationdualrangeandsoonmulti-purposework.Thesemeritscausethemicrostripantennasinapproximatelythe100MHz-100GHzbroadfrequencyrange,widelyappliesinincludesthesatellitecommunication,theradar,theremotesensing,theguidedweaponaswellastheportablewirelessapparatus.

Thepaperfirstreviewedmicrostripantennas'shistory,introduceditsstructure,thegoodandbadpointsandtheapplication,thenhavegivenmicrostripantennas'sseveralanalysismethod,includingthetransmissionlong-basemethod,thecavitymodeling,theintegralequationlawandsoon,andintroducedthemicrostripantennascircularpolarization'sprincipleandrealizesthemethodaswellasmicrostripantennas'sfeedmethod.ThenAnSoftHfssinthecreationofasingle-fedcircularpolarizationmicrostripantennaanddouble-fedcircularpolarizationmicrostripantennaanddouble-fedcircularpolarizationmicrostripantenna,theanalysisoftheS11andVSWRparameters,todrawapattern.Inordertoachievecircularpolarization,theaxiscarriedontheoptimizationsimulation,toamoresatisfactoryresults.

Keywords：

microstripantenna；circularpolarization;axialratio

第一章绪论

§1.1微带天线的发展

微带天线的概念早在1953年就已经提出了，但并未引起工程界的重视。

在五十年代和六十年代只有一些零星的研究。

真正的发展和实用是在七十年代。

由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展又迫切需要低剖面的天线元。

1970年出现了第一批实用的微带天线。

1979年在美国新墨西哥大学举行了微带天线专题国际会议，1981年IEEE天线于传播会刊在一月号上刊登了微带天线专集。

这以后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。

这表明微带天线终于成为天线研究中的一个重要课题，受到各方面的关注。

由于独特的结构和多样化的性能，它必将在广阔的波段内的各种无线电设备上得到越来越多的应用。

§1.2微带天线的定义和结构

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。

它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。

因此，微带天线也可以看作一种缝隙天线。

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的。

因而它实现了小型化，属于微小天线的一类。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形，圆形，或圆环形薄片等，也可以是窄长条形的薄片振子（偶极子）。

由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和微带振子天线。

微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头）来形成辐射，称之为微带线形天线，第三种形式的微带天线因为沿线传输行波，又称之为微带行波天线。

微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片的另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电，称之为微带缝隙天线。

由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线等等。

§1.3微带天线的优缺点

1.与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：

（1）剖面薄，体积小，重量轻，能与载体共形，并且除了在馈电点外要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。

（2）电性能多样化。

不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化；特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。

（3）能与有源器件和电路集成为单一的模件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。

（4）不需要背腔，微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、相移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。

（5）稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；无须做大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上。

2.微带天线的主要缺点是：

（1）频带较窄，主要是谐振式微带天线，现在已有一些改进办法。

（2）损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。

特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。

（3）单个微带天线功率容量较小，一般用于中、小功率场合；

（4）性能受基片材料影响大。

（5）大多数的微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受限制（约为20dB）。

（6）馈线与辐射元之间的隔离差，端射性能差，可能存在表面波。

不过已发展了不少新技术来克服或减少上述缺点。

例如，已有多种途径来展宽微带天线的频带。

常规设计的相对带宽的约为中心频率的（1-6）%，新一代设计的典型值为（15-20）%，利用带固态功率放大器的有源微带阵来组阵，可获得相当大的总辐射功率。

§1.4微带天线的应用

微带天线最初作为火箭和导弹上的共形全向天线获得了应用。

现已应用于大约100M-100GHz的宽广域上的大量无线电设备中。

特别是在飞行器上和地面便携式设备中，已应用微带天线的系统如：

卫星通信，雷达，遥感，导弹遥测遥控，电子对抗，武器引信，飞机高度表，环境检测仪表，医用微波辐射计等。

特别是圆极化微带天线高性能圆极化微带天线在当前的应用愈加广泛。

圆极化天线的实用意义主要体现在:

1.圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到,故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线;2.在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性;3.圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时旋向逆转,因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

第二章微带天线的原理技术

§2.1微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。

Lewin对微带的不连续性的辐射首次作了研究，他的分析是基于导体中流动的电流进行的。

这个方法也可以用来计算辐射对于微带谐振器品质因数的影响。

这个分析是以微带开路端和地板所构成的口径场为基础。

按此分析，辐射对于品质因数的影响可描述为谐振器尺寸、工作频率、相对介电常数及基片厚度的函数。

理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗。

还证明，在用厚的而介电常数低的基片时，开路微带线的辐射更强。

微带天线的分析方法有很多，为简单起见，我们以矩形微带天线为例，采用传输线模型分析方法介绍它的辐射原理。

设辐射元长L，宽W，介质基片厚h。

贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度w方向和厚度h方向无变化。

仅沿长度L方向有变化，其结构见图2.1（a）。

则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的。

将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度，所以两开路端的垂直电场分量反相，如图2.1（b）所示，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱）。

而水平分量的电场是同相的，可等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，如图2.1（c）。

远区辐射场主要由该分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向。

也就是说，微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙组成的二元阵。

（a）开路端电场结构（b）场分布侧视图（c）等效辐射缝隙

图2.1矩形微带天线及其等效电路

§2.2微带天线的分析方法

微带天线的分析方法主要有3种方法：

传输线模型法、空腔模型法和积分方程法。

这3种分析方法各有所长，在具体的模型中应根据具体情况具体选择分析方法。

在分析设计天线的过程中，应该合理使用理论分析和计算机辅助设计软件两种手段，扬长避短，综合运用，才能顺利、快速的完成天线的设计分析，得到满意的结果。

由于传输线法较为简单方便，且特别针对矩形微带贴片天线，这里主要介绍传输线模型法，对其他两种方法只做简单介绍。

§2.2.1传输线模型法

图2.2矩形微带天线及坐标系

传输线模型法只适用于矩形微带贴片天线。

如图2.2所示矩形微带贴片天线及坐标系，矩形的宽为w，长，为介质内波长。

为了计算方便按如下的方法设置坐标系：

z轴和y轴位于接地板上，z轴沿缝的方向。

传输线模型将矩形微带天线看成是场沿横向没有变化的半波长传输线谐振器，场沿纵向呈驻波分布，天线的辐射主要由两开路端边缘缝隙产生。

首先研究y=0处的缝隙辐射情况。

设y=0处的电场为，缝隙的辐射可以用等效磁流来计算，等效磁流为

　　　　　　　　　　　　　　　（2.1）

V0是缝隙电压，该磁流与镜像一起在自由空间辐射，其辐射场的电矢量位为

　　　　　　（2.2）

辐射场可由已知式计算，在图中所示的坐标系中远区场的矢量位只有分量，因此