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平板天线论文

机电于车辆工程学院课程考核论文

课程名称：

微波技术与天线

题目：

平板缝隙天线的原理及设计

专业：

电子信息工程

班级：

09级2班

姓名：

学号：

任课教师：

2012年5月8日

摘要：

新型平板缝隙天线因其高增益、体积小巧而备受关注，其应用也越来越广泛，从民用的卫星接收器到军事上的相控雷达，都有其身影。

本文论述了新型平板缝隙天线的原理，对其进行详细分析，计算了天线的回波损耗和方向图，结合理论分析给出了新型平板缝隙天线的设计方法，经过实际实物验证具有较高的吻合度，可为平板缝隙天线的设计工作提供一定的参考。

关键字：

平板缝隙天线、高增益天线、方向图

目录

前言

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2天线技术指标

1.3平板缝隙天线技术关键

第2章缝隙天线的理论分析

2.1理想缝隙天线

2.2有限大理想导体面缝隙天线

2.3缝隙式平板天线的原理

2.3.1平板缝隙天线的结构

2.3.2平板天线的辐射机理

第3章平板缝隙天线的仿真设计

3.1AnsoftHFSS软件简介

3.2创建平板缝隙天线模型

3.3仿真结果

结束语

参考文献

前言

平板天线是近30年来发展起来的一种新型天线，同常规的微波天线相比，平板天线具有一些优点。

因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。

与通常的微波天线相比，平板天线的一些主要优点是：

重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；天线的散射截面较小；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）；比较容易制成双频率工作的天线；不需要背腔；平板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、移相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。

按结构可以把平板天线分为两大类，一种是平板贴片天线，另一种是平板缝隙天线。

按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型（驻波型）和非揩振型（行波型）平板天线。

前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。

第1章绪论

1.1研究背景及意义

天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。

同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

这就是天线的互易定理。

天线按工作性质可分为发射天线和接收天线。

按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。

描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化特性。

缝隙天线最早是在1946年H．G．Booker提出的，同平板天线一样最初没有引起太多的注意。

缝隙天线可以借助同轴电缆很方便地馈送能量，也可用波导馈电来实现朝向大平片单侧的辐射，还可以在波导壁上切割出

缝隙的阵列。

缝隙开在导电平片上，称为平板缝隙天线；开在圆柱面上，称为开缝圆柱天线。

开缝圆柱导体面是开缝导体片至开缝圆柱导体面的进化。

波导缝阵天线由于其低损耗、高辐射效率和性能等一系列突出优点而得到广泛应用；而平板缝隙天线却因为损耗较大，功率容量低，导致发展较为缓慢。

到1972年，Y．Yoshimura明确提出平板馈电缝隙天线的概念。

学者在平板缝隙天线的研究方面已经取得一些成就，显示其很多优点。

如馈电网络和辐射单元相对分离，从而把馈线对天线辐射方向图的影响降到最小，对制造公差要求比贴片天线低，可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产，在组阵时其单元间隔离可比贴片天线更大。

特别是对于运动物体所用天线，平板缝隙天线可以说是理想的选择，因为它可以与物体的表面做得平齐，没有凸起部分，用于快速飞行器表面时不会带来附加的空气阻力，既隐蔽又不影响物体的运动。

目前缝隙天线（包括波导缝隙天线）已被广泛地应用于无线移动通信天线以及卫星直播电视天线。

图1.1卫星直播电视天线

波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。

下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。

图1.2机载火控雷达

1.2天线特性指标

（1）适用的频率范围。

天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。

当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

（2）驻波比。

它表述的是电信号在传输中是否全部传输到达终点的一个指标。

电波在传输中可能有阻挡,有阻挡就会有反射,因为传输中,任何地方阻抗不匹配或传输导体的粗糙和不光滑,都会造成电波的反射。

因此驻波比是反映电波反射情况的一个物理量。

驻波比用表征,P为反射系数=,其中E-为反射波电场值,E+为入射波电场值。

当反射波E-越小,意味着反射系数P越小,驻波比便趋向于1。

因为我们可以看出,驻波比越小越好,因此它表示没有反射,表示接收的信号更多的传输到终端。

虽然驻波比越小,越趋向于1越好,但不会等于1,这说明这个天线好,能将天线所接收到的信号全部或接近全部传输到下一级上去。

（3）方向性。

为了提高天线使用的有效性,将有限的功率集中辐射到有用的地方,通常天线都设计有较强的方向性。

一般用天线的方向性系数和方向性图来表征天线的方向性。

天线的方向性图有两类:

一是直角坐标系的方向性图,一是圆坐标系方向性图。

天线的方向性强弱可用半功率角来表示,它是天线方向性图中主瓣上功率下降一半时所对应的角度。

理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角

内辐射出去，且在

立体角内均匀分布。

这种情况下天线增益与天线方向性相等。

理想的天线辐射波束立体角

及波束宽度

图1.3立体角及波束宽度

实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。

在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。

辐射强度减小到3db时的立体角即定义为

。

波束宽度

与立体角

关系为:

旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。

第一旁瓣电平，一般以分贝表示。

方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。

（4）前后向比。

前后方比既反映了平板天线的辐射能力,也反映了平板天线的抗干扰能力。

此值越大越好。

（5）效率

效率有辐射效率与天线效率之分。

由于入射波反射的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。

同时，天线也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波一起的损耗等等。

1.4平板缝隙天线技术关键

由于在生产平板天线时,采用了不同于反射式抛物面天线的技术,使得生产技术和生产工艺均不相同,平板天线要达到预期的电气性能也并非易事,关键在于损耗和匹配问题。

1、馈线的传输损耗。

前面我们已经知道了,在振子式平板天线中采用的是微带传输线,而在缝隙式平板天线中采用的是传输波导。

尽管这两种传输媒介都能较好的在平板天线中起到传输作用,但是工作在Ku波段的12GHz频率状况下,设计上和制造时稍有不当,便会有较大的损耗。

2、联接损耗。

无论是振子式平板天线,还是缝隙式平板天线,在天线面上都有许许多多的振子或缝隙组成的辐射单元天线阵,这些辐射单元要与传输线（微带或波导）联接,它们往往是两两并联再与传输线联接。

我们知道,电路每并联一次,阻抗就会改变一次,就有可能增加损耗、联接越多,损耗就越大。

辐射单元越多,就越不好联接。

因此我们说,在平板天线中,至少有一百多或数百个辐射单元,把它们一一联接起来,并且都达到匹配,这是件非常不容易做到的事。

辐射单元越多,越难匹配。

不匹配联接,势必增加损耗。

3、在振子式平板天线里,微带传输线是印刷在电路板上的,在传输中不仅有损耗,而且还会产生辐射,这种辐射不仅产生损耗,而且干扰了平板天线原来设计的整体方向性。

4、在缝隙式平板天线里,波导的尺寸设计要很精确,波导腔体的加工工艺要求很高,否则都会增加损耗。

所以,在平板天线中减少损耗和处处匹配联接是技术关键。

第二章缝隙天线的理论分析

2.1理想缝隙天线

实际上理想缝隙天线是有外加电压或场激励的。

不论激励方式如何，缝隙中的电场垂直于缝的长边，并在缝的中点呈上下对称分布，如图2.1（a）所示。

不过，由于

，缝隙内外两表面的等效磁流反向，理想缝隙天线的场与前述磁流源激励时的场若在y>0的半空间相同，则在y<0的半空间相差一个负号。

由于在同一表面上，等效磁流亦对缝中点呈上下对称分布，理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图2.1（b）所示。

当然，这个磁流源的方向在内外两表面上也应当相反。

与之互补对称的显然是尺寸相同的板状对称振子。

图2.1理想缝隙天线与板状对称阵子

2.2有限大理想导体面缝隙天线

开在理想导电平板上的窄缝是偶极天线的对偶形式，设缝长为

，缝宽为

，

，缝中的电场与缝垂直，其振幅沿缝长呈驻波分布，缝中的电场

式中，

为波腹电压值。

根据电磁场的等效原理，缝隙的辐射可由缝隙面上的方向等效磁流来确定，其等效磁流面密度为

对于窄缝可设磁流沿x的方向均匀分布，因此缝中的磁流为

（2.3）

缝隙天线可用同轴线不对称馈电，同轴线的外导体接在金属板上，内导体跨接在缝的另一边。

由于半波长缝隙的输入阻抗比较大，同轴线的输入阻抗一般为50

，为了获得良好的匹配可采用不对称激励方式将馈电点偏离缝隙中心，馈电点的输入阻抗大约按

变化，馈电点到缝端的距离可取

左右。

缝隙天线也可以采用平行天线双线对称馈电，这种情况下可以调节平行双线的线径和相距，使其特性阻抗与缝隙匹配。

缝隙天线是双向辐射的，可以在金属板的一侧加一个反射腔实现单向辐射，反射腔的宽边保证反射腔内只传输

模，窄边比缝宽略宽，深度为四分之一波长。

由于单向辐射，具有反射腔时缝隙的输入导纳只有原来的一半，即输入阻抗为原来的一倍。

有一个开有一条缝隙的无限薄和无限大的金属平面以及一个无限薄的金属平面对称阵子，阵子形状、尺寸与缝隙完全相同。

依据对称阵子的计算方法，缝隙天线可以看成由许多基本缝隙辐射场迭加求得，缝隙天线辐射场的公式为

所以E面是

的面，H面是

的面。

不同

和

金属平板尺寸上缝隙天线单面辐射的E面方向图，实、虚线分别表示计算和测量值。

计算和实测都表明，沿缝隙轴方向的金属板尺寸2h对方向图的影响较小，而垂直于缝隙的金属板尺寸2l对方向图有明显的影响。

（a）

（b）

（c）

，

（d）

，

图2.2单面辐射缝隙天线的E面方向图

2.3缝隙式平板天线的工作原理

2.3.1缝隙平板天线结构

所谓阵列式天线，就是将许许多多半波振子单元天线进行有规律地排成行和列而形成。

通常每个相邻半波振子单元之间，包括行距与列距，相隔半个波长的整数倍，从而构成一个天线阵。

半波振子的单元的数量取决于平板天线的增益要求，增益要求愈高，其采用的半波振子单元也就愈多,增益愈高，平板天线的面积也就愈大。

2.3.2平板天线的辐射机理

当我们明白了单一的半波振子天线的辐射特性后，就可以分析由若干个半波振子天线单元形成的天线阵，即陈列式天线的特性了。

由垂直于天线阵的方向来看，由于入射电波距各个振子的行程相同，电波的相位都相等，天线阵的辐射能量为各个半波振子辐射相加，因此天线阵辐射为单个振子的倍数。

而从天线阵的行与列的平面的方向来看，入射波到每个半波振子的行程不等，相差半个波长，因此每个半波振子电波相位都差半分波长，即相差180°，故半波振子间相位相仅，辐射相互抵消，总的辐射为零。

这就意味着，天线阵的平面方向无辐射。

对于其它方向而言，如下图，各振子间在该方向电波行程差为L。

不难看出，由于不同方向电波，即不同入射角θ的电波，所形成的行程差L也不相同，在该方向形成的辐射也不相同，因此会出现一些不同的辐射，即旁瓣。

旁瓣辐射的数量和强度与半波振子的数量相关，振子越多，旁瓣越多，越弱。

辐射方向图：

由此上分析我们得知，阵列式天线在接收垂直于天线面方向上电波能量最强，而来自天线面平行方向上电波是接收不到的。

对于接收其它方向的电波能力，也有一点，而这是我们所不欢迎的，可以通过加大天线阵中半波振子的数量，来加以消除。

因此我们可以说，平板天线主接收方向是垂直于天线的法线方向。

如下图所示：

第3章平板天线的仿真设计

3.1AnsoftHFSS软件简介

根据波导缝隙阵列的设计理论，缝隙的偏移量对缝隙的谐振长度存在较大的影响，目前在理论上还没有十分明确的理论公式对这一影响进行分析，通常是采用实际工程中的经验值作为缝隙的谐振长度。

在根据实际加工测量的结果进行部分的修正，最终得出缝隙的谐振长度，但是传统的设计方法，需要比较长的设计、加工和测试周期，不但使成本较高，而且非常费时、费力。

HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

3.2创建平板缝隙天线模型

具体设计步骤如下：

1、根据天线的增益要求和副瓣电平要求，计算处所需的波导数和波导上所看的缝隙数，天线口径面上缝隙的分布。

2、对于单根缝隙波导，则根据对中心馈电的缝隙波导，所有缝隙谐振的等效电导的总和等于2

3、根据每一根的波导上缝隙数目和电流分布情况，计算出各个缝隙的等效电导值，例如缝隙在波导上均匀分布，在此波导上准备开5个缝隙，则每个波导缝隙的等效电导值为0.4。

4、应用前面对线阵设计中讲过的方法，根据各个波导缝隙的等效电导值计算出各波导缝隙偏离波导中心的偏移量。

5、根据阵面要求设计，波导间的间距。

一般两个波导间距为波导宽边长度加波导壁厚。

6、根据波导数和波导的分布情况结合，前面的设计缝隙参数，建立仿真的阵面模型。

7、根据波导的阵面模型，建立相应的馈电网络。

8、在设计馈电波导的各个缝隙时，要建立对倾斜缝隙的等效模型，进行优化求解，倾斜缝隙的等效模型如图所示。

在不同倾角时优化缝隙的谐振长度，具体过程可参考偏移缝隙谐振长度优化。

当缝隙在谐振时，有Im（Y（11））＝0。

仿真平板缝隙天线整体图：

3.3仿真结果

1、HFSS仿真得到波导表面的电流分布：

2.缝隙天线的3D立体方向图：

3.缝隙天线的H面方向图:

4.缝隙天线的H面增益：

从上图可以看出，天线的指向在－29度左右，最大增益为19.35dB因为是均匀分布副瓣电平最大值为6.85dB，相差12.5dB与理论的－13dB，基本一致，可以说明HFSSV9.0在缝隙阵天线的设计上是十分有效的，可以作为广大微波天线工程师们的得力助手。

结束语

本文首先介绍了微带缝隙天线的一些基本理论，然后利用AnsoftHFSS软件对一种微带缝隙天线进行了仿真，仿真结果与文献中的结果基本吻合，验证了论文工作的正确性。

通过本次设计，初步掌握了AsoftHFSS软件的使用。

由于本人理论基础薄弱，论文还有很多值得深入地方，要加强对天线理论方面的学习，这样可以对软件及仿真过程有更深入的了解和体会。

由于本人水平有限，论文难免会存在错误及不足之处，敬请读者指正和批评。

参考文献：

1、万伟，胡市明，高增益低旁瓣天线阵的综合技术，航空学报，1999年

2、符果行，经典电磁理论，成都电子科技大学出版社，1998年

3、李锦平，高继林，电磁场与电磁波，兰州大学出版社，2007

4．卢万铮，天线理论与技术，西安电子科技大学出版社，2004

5．周朝栋、王元坤，天线与电波，西安电子科技大学出版社，1994

6.S.Kumar,L.Shafai,andN.Jacob,“Investigationofwide-bandmicrostripslotantenna,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.52,no.3,Mar.2004.