（无线电物理专业论文）新型超宽带平面天线研究.pdf

摘要 摘要 天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器，它们是任何无线 电系统必不可少的组件。随着电子器件朝着小型化、微型化的方向发展，以及扩 频、跳频技术的应用，对天线的宽带化和小型化也提出了越来越高的要求。在辐 射原理方面，超宽带天线和传统的窄带天线并没有本质的差别，超宽带天线是在 常规的窄带天线的基础上发展起来的，其主要研究内容是探索频带宽度极大地扩 展之后给天线带来的新理论、新技术和新方法。 本文主要研究了维瓦迪( v a l d i ) 锥槽天线和蝴蝶结天线的宽带化问题。提 出了若干种与主题相关的天线形式及馈电方式，并采用理论分析、数值仿真和实 验验证的方式对它们进行了研究。 第一种天线是改进的维瓦迪锥槽天线。我们将维瓦迪锥槽天线的两片置于基 板两侧，改变天线的形状( 切掉9 0 。的扇形) ，在尖锐的槽角进行倒角。通过这些 方法，维瓦迪锥槽天线的阻抗带宽可以达到1 8 2 ，实测工作频率为0 2 3 , - - 一5 g h z 。 同时，相对于普通的维瓦迪锥槽天线，这种天线在低频段获得更加优良的性能， 取得了较高的前后比，有着较强的抗高压性能，方向图随频率的变化也更加稳定。 第二种天线是新型的蝴蝶结天线。我们将蝴蝶结天线的两片同样置于介质板 两侧，这为馈电提供了便利，比较容易的实现了阻抗变换。通过这些方法，这种 蝴蝶结天线以1 0 d b 回波损耗为标准的阻抗百分比带宽为1 7 6 ，工作频率0 5 g h z 到8 g h z 。 、 研究结果表明，平面天线是一种比较适合宽频带工作的天线。它们都可以通 过优化天线的几何尺寸来达到较大的带宽，平面天线在实现系统小型化上起着不 可估量的作用。 关键词：超宽带天线，平面天线，维瓦迪锥槽天线，共面波导馈电，蝴蝶结天线， 扩展带宽 a b s l l r a c t a b s t 黝c ， a n t 锄a sa r eak i n do fc o n v e r t e r s 缸e n e r g yc o n v e r t e r s ) b e t w e e nt r a v e l i n gw a v e a n df r e es p a c ew a v e t h e ya r et h en e c e s s a r yc o m p o n e n t si nt h em o d e mw i r e l e s s s y s t e m s t h em i n i a t u r e a n d 、) l r i d cb a n d o ft h ea n t e n n a sb c 9 7 o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt h a nb e f o r ea st h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e r e a r en o t a n yd i f f e r e n c e si nt h er a d i a t i o nt h e o r i e sb e t w e e nt h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n aa n dt h e o r d i n a r yn f l l t o wb a n do n e , b u tt h ef o r m e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h el a t t e r t h em a i n c o n t e n to ft h es u b j e c t0 nt h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n ai st oe x p l o r et h en o v e lt h e o r i e s , t e c h n i q u e s ，a n dm e t h o d st or e s e a r c ht h e mi nv e r yb r o a d b a n d t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h ev i v a l d is l o ta n t e n n a sa n db o w t i ea n t e n n a s s e v e r a ln o v e lp l a n a ra n t e n n a sa r ep r o p o s e d m a n yt e c h n o l o g i e so ft h e ma r ed i s c u s s e di n t h e o r y , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ef i r s tn o v e lp l a n a ra n t e n n ai sm o d i f i e d ac o n v e n t i o n a lv i v a l d is l o ta n t e n n a p l a c i n ge a c hm e t a lp a r to ne a c hs i d eo fd i e l e c t r i c - s l a b 、m o d i f yt h es h a p eo fa n t e n n a s ( r e m o v eas e c t o ro f9 0 。) a n da d dr o u n dc o m e r st ot h em o d i f i e ds l o t , w eg a i na1 0 d b r e t b r nl o s sb a n d w i d t ho f18 2 ，f r o m0 2 3t o5g i - i z m o r e o v e r , t h er a d i a t i o np a t t e r no f t h ep r o p o s e da n t e n n ag e t sm o r es t a b l ea n di t sm a i nb e a mi sk e p ta l m o s tu n c h a n g e da s t h ef r e q u e n c i e si n e r c a s e t h es e c o n dp l a n a ra n t e n n ai sm o d i f i e df r o mac o n v e n t i o n a lb o w t i ea n t e n n & a s a b o v e , w ep l a c ee a c hm e t a lp a r to ne a c hs i d eo fd i e l e c t r i c - s l a b ，w h i c hi sc o n v e n i e n c e f o rf e da n de a s yf o r t h et r a n s i t i o nf r o mu n b a l a n c et ob a l a n c e b yt h e s em e a n s ，w eg a i na lo d br e t u r l ll o s sb a n d w i d t ho f17 6 ，f r o m0 5t o8g h z i ti sc o n c l u d e df r o mt h er e s u l t so ft h i st h e s i st t l 砜p l a n a ra n t e n n a sa r ef i tf o r b r o a d b a n dw o r k i n g a n dm o s to ft h e s ea n t e n n a s 啪b ew o r k e do u tb yo p t i m i z i n gn l e i r g e o m e t r yp a r a m e t e r s p l a n a ra n t e n n a sw i l lp l a c ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h em i n i a t u r e s y s t e m s k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n da n t e n n a , p l a n a ra n t e n n a , v i v a l d is l o ta n t e n n a , c o p l a n a r w a v e g u i d ef e d ，b o w t i ea n t e n n a , b r o a d e nb a n d w i d t h l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：翟墨日期：砂8 年月乡日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：乞皇! 堑篁p 日期：年月 日 第一章引言 1 1 研究背景及意义 第一章引言 “天线是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要 素一【1 1 。天线是无线通信、广播电视、导航等工程系统中辐射或接收无线电波的部 件。它的作用是将发射机送来的高频电流( 或导波) 变换为无线电波并传送到空间； 将空间传来的无线电波转变为接收机能够传送的高频电流。因此，天线是导波和 辐射波的变换装置，即能量转换器件。它是电路与空间的界面器件。 多年来，随着军事应用的要求和无线通信业务的发展，数字、基带电路模块， 甚至是射频模块也已经成功地实现了微型化、芯片化的设计和生产。正是无线通 信模块的小型化、微型化的发展，使得天线作为无线通信中最笨重的部件凸显出 来。人们不但要求天线小型化，而且要效率高、频带宽、内置化、智能化，这已 经成为未来天线发展的趋势。平面天线以其低轮廓、一维小型化及易集成的特点 满足了现代无线通信系统发展的趋势和要求，因此得到了广泛的应用。已应用平 面天线的系统如：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，其频率范围大约为1 0 0 1 d h z - - i o o g h z 的宽广频域上。 与此同时，随着人们对通信系统带宽的要求越来越宽，宽带化也逐渐成为了 研究的热点。从1 8 8 9 年至今的一百多年里，有大量的超宽带天线研究成果发表， 最早的超宽带天线是双锥天线和蝴蝶结天线( 1 8 9 8 ) ，后来又研究了包括t e m 喇 叭天线、对数周期天线、螺旋天线、v 一锥天线等各种类型的超宽带天线。虽然这 些超宽带天线在实际工程中广泛应用，但他们自身结构具有很多的限制，如尺寸 过大、结构复杂、安装不便等等。在这种情况下，人们越来越倾向于使用尺寸更 小、加工和安装更方便的新型超宽带平面天线。 近年来，多年的努力带来了多种新型的超宽带平面天线及多种增加天线带宽 的方法。新型的超宽带平面天线主要包括由v 锥天线发展而来的蝴蝶结天线及其 多种变形，用于不同目的的各种槽天线，近年来发展起来的宽槽天线等等，这些 天线比早期的宽带天线不但在阻抗带宽上大大提高，而且天线方向图的稳定性也 有不同程度的改善。在超宽带技术方面，除原有的加载方法、加袖技术和折合方 电子科技大学硕士学位论文 法等单纯的方法外，目前还发展了多种技术结合的增加天线带宽的方法以及基于 计算机技术的优化方法，取得了很好的性能。 1 2 超宽带天线简介 天线的研究可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国科学家m a x w d l 完整地给 出电磁场满足的方程组，对宏观电磁现象进行了统一而简洁的描述，从此，人们 对电磁场的认识进入了一个崭新的阶段。1 8 9 7 年，德国人h r h c r t z 用实验方法 验证了电磁波的存在，他用火花间隙发生器，设计了源与接受装置，形成了最早 期的天线f 2 捌。 随着社会的进步，科学技术的发展，无线电频谱不断地得到开拓，无线电系 统的带宽也不断地扩展，促进了二十世纪末一门新的学科一超宽带电磁学的诞生。 超宽带电磁学指出，时域电磁波也是人类非常重要的自然资源，而且是尚待开发、 非常宝贵的自然资源。 天线理论与技术已经有了很长的发展历史，无数的学者研制出了能满足各种 无线电系统要求的天线。无论无线电如何发展，天线都是不可替代的。超宽带无 线电系统要求超宽带天线来完成超宽带被导电电磁波和自由空间无线电波之间的 转变工作。 多年来天线的小型化一直是人们最关心的课题之一。天线的小型化对整个超 宽带通信系统都有着至关重要的作用，天线的小型化适应了整个系统小型化的趋 势、降低了天线的构建成本，同时提高了抵御自然界作用的能力，而且加强了隐 蔽性。实际应用中，小型化的天线越来越受到重视。 1 3 超宽带天线的主要性能参数 1 3 1 天线的输入阻抗 天线馈电端输入电压与输入电流的比值称为天线输入阻抗。 驴寺2 芒吨慨 n 。1 ) 设计天线的一个很重要的工作是使天线输入阻抗与标准馈线的特性阻抗匹 配。天线输入阻抗取决于天线的工作原理，结构尺寸，周围介质，工作环境以及 2 第一章引言 工作频率。 天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻 抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变 化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量 尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数， 行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系。 1 3 2 驻波比 它是行波系数的倒数，其值在1 到无穷大之间。驻波比为l ，表示完全匹配； 驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。 1 3 3 回波损耗 它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0 d b 到无穷大 之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0 d b 表示全反射， 无穷大表示完全匹配。 1 3 4 频带宽度 天线总是在一定频率范围内工作，在该频率范围内，一个或者一组选定的天 线参数的变化不超出可以接受的允许值。天线有多种形式的带宽，方向图带宽、 增益带宽、输入阻抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。在超宽带天线研 究领域，天线带宽始终是一个重要参数，下面给出几种常见的定义方式： i 绝对带宽： a t = 以一石 ( 卜2 ) 其中五为考察频带的最高频率，石为考察频带的最低频率。绝对带宽常用于 电磁频谱的划分，有时也用于描述天线的实际工作频率。 i i 相对带宽曰： 广义的讲，相对带宽有几种不同的定义。在通信领域常用的相对带宽指系统 绝对带宽与中频之比。 曰形= 盟：2 盥( 1 - 3 ) 。 l l h 七矗 这一定义常用在现有的频带比较窄的通信和雷达系统中。实际上，由定义可 3 电子科技大学硕士学位论文 知占取值范围为0 b 彤2 。有的文献称之为分数带宽。 百分比带宽曰w 2 g 定义为系统绝对带宽与高低端频率之和的比值，也就是绝对带宽与二倍中频 之比。 艿呢= 而l - f , ( 1 4 ) 曰观取值范围为0 b 巩i 。这个定义常用在超宽带领域。 最高和最低频率之比定义的倍频程带宽曰： 顾名思义这个带宽定义为： 曰呢= 厶f , ( 1 - 5 ) 曰取值范围1 b 暇o o ，这个定义也常用在超宽带领域。超宽带的定义为 相对带宽大于2 5 或倍频比大于2 。 1 3 5 方向图 天线的方向图是天线的一个重要特性。如图i - i 所示，它是表示天线在空间 各个方向辐射电磁波功率大小的图形，也称天线的辐射图。它可表示为球坐标秒和 的函数。工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向 性，这两个主面分别称为e 面和h 面，e 面是通过最大辐射方向并平行于电场矢 量的平面；h 面是通过最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 在特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为 ， h e ( r ，口，伊) = k f ( e ，伊) 二一 ( 1 6 ) ， 其中f ( o ，9 ) 为天线的方向性函数，用图形表示出来即天线方向图。令方向性函数 的最大值为l ，画出的天线方向图为归一化方向图。 可以设计天线具有不同的波束形式，定向的单波束或者多波束用于点对点通 信或者一点对多点通信；全向( 在一个指定平面内有均匀辐射特性) 波束用于广 播电视等场合；赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定区域的情况。 波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于 峰值3 d b 处所成夹角的宽度。 4 第一章引言 副 1 3 6 方向性系数 图l - i 辐射方向图f ( 0 ，由) 和方向性d 方向性系数说明了天线辐射集中的程度。它的大小通常是以理想的点源天线 作为比较的标准。天线的方向性系数定义为：在相同的总辐射功率下，某天线产 生于最大辐射方向的辐射强度与一理想点源天线产生于同一点的辐射强度的比 值。天线辐射越集中，方向性系数越大。 1 3 7 增益 。= 苦- i p 一； i ( 1 - 7 ) 在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度与理想全向 天线( 效率为1 0 0 ) 的辐射功率密度之比定义为天线增益。考虑到天线上的损耗， 增益g 等于方向性系数乘以天线效率。天线效率是天线辐射功率与输入功率之比。 如果计入馈线系统的损耗，这时的天线增益称为实际增益。 1 2 d ：垒l：i 垒l ( 1 _ 8 ) 删l 输入功率相同i 五ol 输入瓣相厨 1 3 8 天线的极化 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。一个发射天线辐 射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量( 端点) 在空间描出的轨迹。 5 电子科技大学硕士学位论文 天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。线极化和圆极化是椭圆极 化的特例。圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋 向相反的圆极化波。两种正交极化的电磁场可以在相同频率上传输不同的信息( 极 化复用) 。接收天线的极化与来波一致称为极化匹配。 1 3 9 天线效率 天线辐射功率总是比输入到天线的功率小一些，也就是说天线有损耗。因此 天线效率定义为 刁2 乏= 彘 m 9 ， 其中e ，最，已分别是天线的辐射功率、损耗功率和输入功率。天线损耗包括导体 损耗、介质损耗和加载电路中的损耗。 1 4 超宽带天线的类型及设计思路 天线是完成辐射功能的电子器件( 或者系统) ，其辐射能力总是与天线电长 度和结构形式有关。有限尺寸天线的特性不可能完全与频率无关，换句话说，其 频带宽度总是有限的。只要我们关心的天线参数，辐射方向图、输入阻抗、极化 特性、相位中心等等，其中一个参数或者几个参数，在工作频段内( 例如在五f = l o 的频带内) 保持为常数或者在允许的范围内变化，可以认为天线是超宽带天线。 超宽带天线类型很多，其结构还是有一些共同性。天线是传输线经过变形得到的， 比如无限长双锥天线和v - 锥天线本身就是传输线，它们没有破坏原有的传输线结 构，因此，它们是与频率无关的超宽带天线。 1 4 1 角形结构天线 设计与频率无关天线，实际上就是尽量减小对天线长度的依赖性，增大对天 线角结构的依赖性。角形结构的天线有双锥天线【4 1 、v - 锥天线 5 1 、螺旋天线【6 】、 b o w - t i e 天线i _ 7 】等。这几种天线的理论模型都是无限长的，和无限长传输线一样， 不管终端的状态如何，都将是匹配的，而且与频率无关。角形结构保证了天线辐 射的是t e m 波，在有限长度情况下，其结构不随径向坐标变化，在天线区域传播 的主模式是t e m 模式，因此，它们是超宽带天线。 6 第一章引言 1 4 2 自补结构天线 另一个很重要的问题是天线的自补结构。设一个金属天线的输入阻抗z 拓， 把金属换成介质( 大气) ，把介质换成金属就得到其对偶结构，互补天线的输入 阻抗就为z 0 。互补天线就像照片的正负片一样。一个最简单的例子就是条带偶极 子天线和同样形状的槽天线，如图1 - 2 所示。 条 带 偶 极 子 糟 天 线 图1 2 互补的电偶极子天线和槽天线 b a b i n e t 原理【8 】来自于光学：两个互补屏在它们不存在时的未照明空间中任 何点上产生相同的照度。把b a b i n e t 原理推广到电磁学导出如下互补天线输入阻 抗之间的重要关系，即二者的乘积等于一个常数。 乙乙= 等= t ( 1 2 0 万) 2 = 3 6 0 0 万2 ( 1 1 0 ) 这里假定没有电介质材料和磁介质材料的自由空间，如果是别的介质，式( 1 1 0 ) 中应代入相应介质的波阻抗。如果条带偶极子是谐振的( 其长度比半波长稍稍短 一点) ，输入阻抗等于半波振子阻抗，约为7 0 q ，可以算出互补槽天线的输入阻 抗为 z 出= 立4 z = 焉= 1 2 6 8 9 q (1-却出2 o u2 面矿2 1 z o 葛兆2 ( 1 - 1 1 ) 这是半波槽天线的输入阻抗。两个互补天线输入阻抗的乘积等于常数，7 2 4 。如果 一个天线是其自己的互补天线，那么其输入阻抗一定是与频率无关的。当一个天 线结构与其互补天线完全相等时称之为自补结构。可以通过平移和旋转得到自补 结构的互补结构。由式( 1 - 1 1 ) 可以得到自补天线的输入阻抗为 7 电子科技大学硕士学位论文 乙，= z o 扣= r 2 _ - - 6 0 n f 2 ( 卜1 2 ) 式( 卜1 2 ) 是设计与频率无关天线的第二条原则。自补天线是与频率无关天线。 螺旋天线、v 一锥天线、对数周期天线、t e m 喇叭天线等都可以设计成自补结构的 天线。 1 4 3 自相似天线 与频率无关天线的另一个特性是其辐射只发生在天线的其中一部分，这一部 分的尺寸( 长度) 接近半波长、或者( 周长) 是一个波长，这个区域称之为天线 的有效区域。随着频率的增加，有效区域逐渐向天线尺寸较小的部分移动，那里 的辐射长度约为半波长。对数周期天线和螺旋天线结构上都具有自相似性。角形 结构也有自相似性，双锥天线、v _ 锥天线的辐射特性和对数周期天线、螺旋天线 不同，不存在所谓的有效区域，所以不把它们归入这里。典型的自相似结构天线 是分形天线。在分形天线研究中成功地利用分形几何改善天线的辐射特性，提高 辐射电阻，扩展天线带宽。 1 4 4 增大电流辐射面积 设计与频率无关天线的另一条原则是，用较厚较粗的金属材料。例如，双锥 天线是加粗了的偶极子天线，它的辐射面积比一般的偶极子天线大得多，也比v _ 锥天线的辐射面积大，所以它的辐射电阻比偶极子天线和v - 锥天线大，而输入电 抗则比偶极子天线和v 一锥天线小。根据这一原理，即便是对称振子，仅仅用较粗 的导体也可以扩展天线的带宽。 1 4 5 补偿与加载 、 根据天线的传输线模型，应用传输线方法对天线进行补偿和加载。在第三章 中使用加载的办法对双面蝶形天线进行馈电，得到了较为理想的效果。各种偶极 子形式的电小天线都有相似的特性，利用p a p a s 和d 9 j 给出的有限长圆锥天线输 入阻抗公式，导出了用短路传输线表示的电小偶极子天线等效电路，进而用“开 路传输线和补偿电阻串联 实现完全电抗补偿。这种方法用分布参数电路补偿分 布参数的天线，真正实现了超宽带补偿。还可以用加载方法扩展天线带宽，提高 8 第一章引言 天线辐射特性。对天线加载也是基于传输线模型。常用的加载方法有：电阻加载、 电容加载、连续加载和集总参数加载、网络加载、介质加载等等。总之，或者增 加天线电长度、或者在天线中引入吸收负载，形成长线效应。各种类型和尺寸的 电偶极子天线都可以采用上述加载方式。一般说来，引入任何加载电路，一方面 会改善天线性能，另一方面也会产生一定的副作用。每一种加载方法都有一定的 作用，但是作用都有限。比较好的方法是把理论分析、数值仿真和实验研究结合 起来，设计研制性能良好的超宽带天线。 1 4 6 波纹喇叭天线 波纹喇叭天线除了有非常宽的频带以外，还具有多方面的理想化性能，包括 轴对称辐射场图、很低的副瓣电平、在主平面内与相位中心重合、比较高的口径 效率、交叉极化电平很低等。波纹喇叭天线成为一种接近理想化特性的馈源。波 纹喇叭天线的宽频带特性是来自于其独特的几何结构。在光壁喇叭圆锥面上刻出 一组环行槽就构成波纹喇叭。环行槽使波纹喇叭没有纵向电流分量。如果环行槽 的深度和宽度合适，波纹喇叭表面可近似为一种各向异性表面，方向的电抗为零， 纵向电抗为无限大。当槽的深度合适时，喇叭表面呈容性，不支持表面模式。大 张角的波纹喇叭称为标量喇叭，比小张角的波纹喇叭有更宽的频带宽度。 1 4 7 多回路微带天线 微带天线本来是一类窄带天线，许多研究采用各种各样的方法来展宽微带天 线的频带宽度，其中一种方法就是采用互相耦合的多回路原理，如图1 3 所示。每 一个微带贴片可用一个谐振回路描述，尺寸不同的微带贴片谐振频率也不相同， 通过适当方式耦合起来，则整个天线的带宽得到展宽。图1 - 3 ( a ) 是辐射边耦合的三 贴片微带天线，图1 - 3 ( b ) 是非辐射边耦合的三贴片微带天线，图1 3 ( 0 是四边耦合 的五贴片微带天线。也可以采用直接耦合方式，和缝隙耦合的多回路微带天线一 样，其带宽可以大大扩展。多回路微带天线还有其他结构形式如图卜4 所示，图1 叫a ) 是孔径堆积形式，图1 - 4 ( b ) n 是用双工器连接的电路形式。 这里列举了：角形结构、自补结构、自相似结构、增大辐射电流面积、补偿 和加载、波纹结构和多回路结构等七种扩展天线带宽的原理方法，应当说还有一 些方法难以用这几种原理方法概括。随着时间推移和技术进步，必然会有新的方 法被开发出来。 9 电子科技大学硕士学位论文 口 ( b ) 口 口 图1 3 缝隙耦合的多回路微带天线 输入口 i i l ”“r - _ - 硬工嚣 _ - 一：- “ ：瓠 ； ： ；( b ) ： ! 图卜4 ( a ) 孔径堆积形式的微带天线( b ) 双工器连接形式的微带天线 1 5 超宽带天线的分析方法 电磁理论发展到今天，电磁场问题已经有很多种求解途径，按求解途径的不 l o 口 口口口 第一章引言 同可以分为解析法、数值法和半解析数值法。解析方法典型的有：保角变换法、 模式匹配法、传输线模型法等。但是解析方法应用起来有很大的局限性，只有那 些特殊结构的电磁长问题才有严格的理论解。而对于数值方法，随着计算机e d a 技术的发展，各种商用电磁仿真软件涌现出来。主要的厂商有安捷伦( a g i l e n t ) ， a n s o f t ，z e l a n d ，c s t 微波工作室等。这些电磁仿真软件一般以矩量法、有限元 法、时域有限差分法等基本的电磁场全波分析方法作为内核，并配以友好的图形 界面以及丰富的参数转换、图表输出功能。全波分析法通常要先利用边界条件得 出源分布的积分方程，解出源分布，再由积分算式来求得总场。由于实际问题的 复杂性，积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成。 典型的数值分析方法主要包括矩量法( m o m ：m e t h o do fm o m e n t ) ，有限元法 ( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，时域有限差分法( f d t d ：f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ) ，谱域法( s p e c t r a ld o m a i n ) ，传输线矩阵法( t l m ：t r a n s m i s s i o nl i n em a t r i x m e t h o d ) 而且随着计算条件的不断改善，新的方法也不断涌现。在这些数值分析 方法中，矩量法最为常用。 使用电磁仿真软件设计的步骤是： ( 1 ) 根据所给的性能指标选择合理的天线结构，并在e d a 软件中建立正确的 天线结构模型。 ( 2 ) 使用e d a 的仿真功能对天线进行全波分析数值计算。 ( 3 ) 根据计算结果修改某些参数，并将其设置为优化变量，用e d a 软件的优 化功能进行优化，以使各项性能指标达到或接近设计指标要求( 这是一个反复的过 程) 。 ( 4 ) 再确定天线的最终结构尺寸，将最终仿真结果输出。 天线的设计越来越复杂，对天线的指标要求越来越高，天线的带宽越来越宽， 天线的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满 足天线设计的需要，使用微波e d a 软件工具进行天线的设计已经成为天线设计的 必然趋势。e d a 电磁仿真软件极大的提高了天线设计的效率，缩短了产品开发设 计周期。但是软件只能作为一种工具来使用，要想设计出理想的天线，必须要有 良好的电磁场理论以及各种物理概念为前提。下面将简单介绍有限元法。 有限元法的数学处理是在1 9 4 3 年由c o u r a n t 所提出来的，直到1 9 6 8 年才用 于电磁场的数值计算问题【1o ，1 1 】。有限元法在原理上是有限差分法和变分法中里兹法 的结合。它是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。它对变分问题 作离散化处理，将场域划分为有限小的单元，并使得复杂的边界分段属于不同的 电子科技大学硕士学位论文 单元，每个单元内用合适的插值函数来表示未知量，该函数包括每个单元的各个 节点处的场值，并以此作为未知量。然后将整个场域上泛函的积分式展开成各单 元上泛函积分总和，其中每个单元的顶点就是未知函数的取样点，类似于差分法 中的节点。各单元内试验函数采用统一的函数形式，其待定系数取决于本单元中 各顶点上的函数取样值。泛函极小值的条件是泛函对试验函数中各待定系数的偏 导数等于零，转化为对各点函数的差商等于零，据此列出差分近似的代数方程组， 并直接计算节点函数值的数值解，再确定试验函数以表示各单元内函数的近似解。 由于应用加权余量法中的最小二乘法得到了有限元方程，这使得有限元法可应用 于任何微分方程所描述的各类物理场中，适用于时变场、非线性场以及分层介质 中的电磁场问题求解。 在用有限元法计算电磁场的过程中，主要有以下步骤： ( 1 ) 找出与边值问题相对应的泛函及其变分问题： ( 2 ) 将场域剖分，然后将剖分单元中任意点的未知数用该剖分单元中形状函 数及离散函数上的函数值展开，即把连续介质中无限个自由度的问题离散化成有 限个自由度的问题； ( 3 ) 求泛函的极值，导出联立代数方程组即所谓的有限元方程； ( 4 ) 用直接法或迭代法求解有限元方程。 有限元法的优点在于：有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具 有对材料、边界、激励的广泛适应性；有限元法基于变分原理，将数理方程求解 变成代数方程组的求解，因此非常简易；有限元法采用矩阵形式和单元组装方法， 其各环节易于标准化，程序通用性强，且有较高的计算精度，便于编制程序和维 护，适宜于制作商业软件。 1 6 本论文的主要工作和内容安排 本论文主要研究了应用于工程实验的两种平面超宽带天线。本文的第一个工 作重点是研究了一种新型维瓦迪锥槽天线的性能。本文第二章介绍了新型维瓦迪 锥槽天线的大量仿真和实验结果，详细分析了天线各参数对天线性能的影响，这 为后来的研究者提供了全面的参考。因工程对天线的工作电压有着特殊要求，我 们提出将天线的两片置于基板两侧，因而得到了一种抗高压性能良好的维瓦迪锥 槽天线，不仅如此，新型天线在较宽的频带内还保持了方向图的稳定性。通过在 天线的边缘倒角使天线在低频得到了优良的性能，仿真和测试结果均表明新型天 1 2 第一章引言 线在工程运用中起到了较好的效果。 本文的另一个工作重点是研究了双面蝶形天线，通过大量的仿真结果向读者 展示了我们在蝴蝶结天线研究方面所得的成就。实际上，天线的宽带化和小型化 之间是密不可分的，天线的带宽向低端扩展即带来天线的小型化，天线的小型化 也即是天线的工作频带向低端扩展的结果。由于理想蝴蝶结天线本身的带宽没有 高频截止，故其带宽可用工作频带的最低工作频率来代表，而最低工作频率又间 接表示了天线的电尺寸，故对蝴蝶结天线而言，小型化技术和宽带技术实质上是 统一的。我们的工作就是如何降低蝴蝶结天线的最低工作频率。本文研究了在天 线表面开径向槽，通过开槽和不开槽的天线仿真结果比较，发现在天线表面开槽 大大降低了天线的最低工作频率。本文使用的馈线装置充分利用了基板空间，增 大了阻抗渐变器的阶数，更好地实现了天线和馈线的匹配。 本文的内容安排如下： 第一章简单介绍了超宽带天线的研究背景、理论意义、性能参数和基本结构， 对超宽带天线的分析方法，主要是数值方法作了粗略介绍，简要介绍了自己的创 新点和工程应用价值。 第二章详细叙述了本文的第一个工作重点，共两大部分内容。本章第一部分 开始介绍维瓦迪锥槽天线的发展过程，并作了分析和总结。第二部分开始详细分 析天线各参数对天线性能的影响，通过大量的仿真和实验数据给出了双面维瓦迪 锥槽天线的效果，验证了这种方法的实用性。通过改变维瓦迪锥槽天线的形状( 切 掉9 0 。的扇形) ，在尖锐的槽角进行倒角，天线的阻抗带宽可以达到1 8 2 ，工作 频率为0 2 3 - - 5 g h z 。这种天线有着较强的抗高压性能，方向图随频率的变化也很 稳定。 第三章详细叙述了本文的第二个工作重点。首先介绍了v 锥天线和蝴蝶结天 线的发展概况，分析总结了前人的研究成果。第二部分开始详细分析了馈线性能， 充分利用基板空间可以增大馈线阻抗渐变器的阶数，更好实现馈线和天线的匹配。 接着提出了两种展宽天线低频带宽的方法，通过开径向槽可以大大展宽天线的低 频带宽。最后给出了使用加载的馈线馈电的天线性能，分析了使用电容加载和调 节枝节的区别。 第四章为结论及未来工作展望，给出了本文的主要创新点以及一些将来需要 进一步研究的问题。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章维瓦迪( v iv aidi ) 锥槽天线研究 维瓦迪锥槽天线是1 9 7 9 年g i b s o n 提出的一种按指数规律渐变的槽线天线，它 是具有非周期结构连续逐渐变化的天线，因此，理论上，它有很宽的频带，这种 天线是一种高增益，线极化，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线【1 2 1 。同时 由于维瓦迪锥槽天线是一种结构简单的平面天线，可以用印刷技术将它与其它模 块集成为一体，所以它被用于各种测量接收系统中，用来探测频率带宽较宽的电 磁波信号。 本章第一部分首先介绍了维瓦迪锥槽天线的发展历程和前人提出的各种改良 方法；第二部分详细分析了槽线缝宽、基板介电常数、基板厚度等与天线特性阻 抗的关系，并且在此基础上提出了一种新型的维瓦迪锥槽天线。新型天线降低了 反射，在低频段获得更加优良的性能，取得了较高的前后比，有着较强的抗高压 性能，在整个宽频带范围内方向图较为稳定。 2 1 维瓦迪锥槽天线的发展状况 维瓦迪锥槽天线的指数渐变曲线如图2 - 1 所示。 y = a e 6 肘纠一d ( 2 1 ) 其中，指数因子b 决定了天线的波束宽度，在x 较大时，指数曲线的截断 处使天线工作频带范围内的导波辐射出去，而在x 较小时，天线中的导波能量会 被束缚在天线的导体之间。天线低频端的截止波长可以确定为槽线最大宽度的2 倍，而天线的高频端的特性则受到槽线最窄处宽度的限制【1 2 l 。给a ，d 赋不同的数 值可以得到不同的维瓦迪锥槽天线始端缝隙宽度。 1 9 8 6 年，文献 1 3 给出了槽线特性阻抗的数值拟合公式，如式( 2 - 2 ) ，( 2 3 ) 所示。 其中w 为槽线的缝隙宽度，磊为自由空间波长。通过对公式( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 的 研究和使用c s t 进行的仿真计算发现：影响维瓦迪锥槽天线特性阻抗最敏感的参 数就是天线始端缝隙宽度。在公式( 2 - 1 ) 中选择合适的参数珥d 使得天线始端缝 隙宽度和公式( 2 2 ) 中槽线缝宽w 相等，发现使用软件仿真和和理论计算的结果 很一致。这也验证了仿真运算的正确性。 1 4 第二章维瓦迪( 、，a l d i ) 锥槽天线的研究 图2 _ l 维瓦迪锥槽天线示意图 z c = + 3 6 9 s i n 百( s ，- 2 2 2 ) z 们3 删。勺，层+ 2 8 1 1 - 0 0 1 l e , ( 4 4 8 + i n e , ) ( 铷半+ m m 舵8 乩，加2 舶 ( 1 + o 1 8 1 n e , ) 詈 f 面 浯2 ) 0 0 0 1 5 _ - - w _ 0 0 7 5 磊 乏= l 努“q 3 4 晦_ 1 醪+ 2 劝【2 9 叭弓- l 对( 筝趣回 ( 3 艇油& 6 碡o 字一1 ) r n b 畔+ 1 矶眺。1 礞 ( 2 - 3 2 - 3 ) 吒吒 ( ) w q 晒二1 o 无 1 9 8 8 年，e h u dg a z i t 在文献 1 4 中提出工作在匹配状态下的槽线，如果槽线 的宽度远小于半个工作波长( 2 2 ) 时，槽线就不会辐射能量，此时的槽线可以 作为一种低损耗的传输介质。维瓦迪锥槽天线就是利用了宽度大于2 2 的槽线的 特性，在这种条件下，槽线可以明显的辐射能量。维瓦迪锥槽天线是由较窄的槽 线过渡到较宽的槽线构成的，它是底端馈电的行波天线，将介质板上的槽线宽度 逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收电磁波。在不同的频率上，它的不同 部分发射或接收电磁波，而各个辐射部分的相对于对应的不同频率信号的波长的 电子科技大学硕士学位论文 电长度是不变的，所以，从理论上讲，维瓦迪锥槽天线具有很宽的工作频率带宽， 在这个频率范围内具有相同的波束宽度。 文章使用微带线到槽线的转换对天线进行馈电。微带线是非平衡线，而维瓦 迪锥槽天线是一种对称结构，对天线馈电的槽线是平衡线。这样就需要一个至少 工作在两个或者更多个倍频程上的巴伦，如果巴伦是与频率无关的将会取得更好 的效果。e h u dg a z i t 使用了一种从微带线到平行带线再到对称双边槽线的馈电方 式，如图2 _ 2 所示。 溉暂o f f n 厂f s e c t i o ne - e 二 皇一磊嚣面 j 、。：，： 、 y1 一 、 - ， - l s e c 3 t 一柚n b - b 。三： 。， ， ， 图2 - 2 从微带线到对称槽线的传输线和维瓦迪锥槽天线 1 9 9 3 年，文献 1 5 中提出了一种新型低交叉极化的超宽带维瓦迪锥槽天线。 它是在对跖维瓦迪锥槽天线( 如图2 - 3 ) 的基础上发展起来的。通过添加另外的一 层介质板并在其上敷上金属从而形成一种平衡对跖维瓦迪锥槽天线( 如图2 4 ) ， 新天线保持了原天线的宽带特性，在1 8 ：l 的带宽上交叉极化降低了1 5 d b 。 d 五 图2 3 对跖维瓦迪锥槽天线示意图和通过辐射槽的主要电场方向 1 6 第二章维瓦迪( v i v a l d l ) 锥槽天线的研究 b o i a n c e d g r o u n dl ：, i a r e s | t r i p 4 西e 增i c l r i 岛 口扫 图2 4 平衡对跖维瓦迪锥槽天线示意图和通过辐射槽的主要电场方向 1 9 9 7 年，d a n i dh s c h a u b e r t 在文献 1 6 研究了作为阵列单元使用的维瓦迪 锥槽天线。可以由它们组成单极化和双极化的阵列，用于宽带天线阵列或宽频带 的相控阵中。 1 9 9 8 年，文献 1 7 提出使用介质转换器来解决维瓦迪锥槽天线的匹配问题， 如图2 - 5 所示。图中乜，b ，q ，分别是介质转换器的长度和宽度。馈电 槽线的长度和宽度分别是厶和w ，介质板的相对介电常数和厚度分别是和d 。 图2 - 6 ，图2 7 分别给出了维瓦迪锥槽天线在特定频率上的输入阻抗测量值 比较和维瓦迪锥槽天线驻波比测量值的比较。 1 1 1 萝 、 ，：、一 、，乙 、l 鸶iz 嚣沁 * ；仓 、，- l - - 一l l _ ：l 8 i d _ 、- d 0 l 仁 k 卜 图2 5 带有介质渐变器的维瓦迪锥槽天线 1 7 、：=：rl，f、 ，、 k、。 歹，_= o v ，o r ，o 电子科技大学硕士学位论文 舅 乍 岛 百 叵 a 舅 乍 罱 1 4 f r e q u e n c y g h z b f r e q u e n c y g h z 图2 - 6 维瓦迪锥槽天线在特定频率上的输入阻抗测量值比较 a 阻抗实部 ( i ) 无介质渐变器 ( i i ) 有介质渐变器 b 阻抗虚部 ( i ) 无介质渐变器 ( i i ) 有介质渐变器 f r e q u e n c y g h z 图2 7 维瓦迪锥槽天线驻波比测量值 ( i ) 无介质渐变器( i i ) 有介质渐变器 2 0 0 0 年，s t o c k b r o e c k x 在文献 1 8 中分析了维瓦迪锥槽天线的极化和交叉极 化辐射方向图特性。分析方法分为两个部分：先计算了两天线片之间的电场分布， 再使用格林公式分析了