（电磁场与微波技术专业论文）阵列天线与宽带天线研究.pdf

摘要 0 i i i i i i i i i 1 1 1 1i i i f l l i l l li l l l l i iilli i i f y 2 0 6 6 7 6 0 随着无线通信和移动通信技术的飞速发展，人们对天线的性能提出了更高的 要求，宽带小型化平面印刷天线的研究已经成为天线研究的热点，其中超宽带天 线和宽带多频天线的设计尤为重要。与此同时，作为阵列天线设计的关键问题一 方向图的波束赋形优化设计也非常关键。本为研究了通信系统中的宽带天线和阵 列天线的波束赋形优化问题，主要工作包括以下几方面： 1 设计了一种具有双陷波特性的超宽带单极子天线。该天线由正八边形的辐 射贴片和带有缺陷的地板组成，通过混合谐振结构的应用实现了陷波功能，这种 混合结构由蚀刻于辐射贴片上的开口环谐振结构和地板上的互耦l c 谐振结构组 成。实验和仿真结果表明该天线在2 9 - 1 2 4g h z 频带范围内满足v s w r 2 0 ，并实 现了对w i m a x 频段( 3 3 - 3 6 g h z ) 和w l a n 频段( 5 2 - 5 8 g h z ) 的抑制，可应用于 超宽带系统设备。 2 设计了一种爪型三频单极子天线。该天线由结构新颖的爪型辐射贴片和带 有圆弧型倒角的有限地板组成，该爪型辐射贴片采用多分支结构，由三个辐射支 节构成，分别产生了工作于2 5 、3 5 和5 5 g h z 的三个频段，三个辐射支节之间 相互干扰较小，具有相对独立性。实验和仿真结果表明，该天线具有良好的辐射 特性和稳定的增益，适用于w l a n w i m a x 通信设备。 3 详细阐述了带有基于梯度变异操作的占约束差分进化算法( 6 d e x a ) ，该算 法将g 约束法和基于梯度的变异操作应用于传统的差分进化算法，得到了一种适 合于求解复杂约束的多目标优化问题，如基站天线方向图波束赋形问题。给出了 该算法的具体流程步骤和伪代码。在此基础上，设计了一种基于s d e a o 算法的阵 列天线赋形及优化程序。给出了程序设计中的关键措施，以8 元直线阵为例检测 了该程序的计算结果，数值计算与实验测试结果吻合良好，说明了该程序可应用 于基站天线波束赋形等相关领域。 关键词：超宽带天线多频天线c d e a g 波束赋形 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t s o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e r ei sag r o w i n gr e q u i r e m e n tf o ra n t e n n a sw i t hb e t t e r p e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c h e so fw i d e b a n dc o m p a c tp l a n a ra n t e n n a sa r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a m o n ga l lt h e s ea n t e n n a s ，t h eu l t r a - w i d eb a n d ( u w b ) a n t e n n a sa n dw i d e b a n dm u l t i b a n da n t e n n a sa r e t h eh o ts p o t so fa n t e n n a d e s i g n s m o r e o v e r , a st h ek e yp o i n to ft h ed e s i g no fa n t e n n aa r r a y s ，t h eb e a m - s h a p i n g a n do p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g i e sf o ra r r a yp a t t e r ns y n t h e s i sa r eu r g e n t l yd e m a n d e d t h i s t h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fw i d e - b a n da n t e n n a sa n dt h e b e a m s h a p i n ga n do p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g i e s o fa n t e n n aa r r a y sf o rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h ea u t h o r sm a j o rc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： ad u a lb a n d - n o t c h e d p l a n a ru l t r a - w i d e b a n dm o n o p o l ea n t e n n au s i n gh y b r i d r e s o n a t o r si s p r e s e n t e d t h ep r o p o s e da n t e n n ai sc o m p o s e do far e g u l a ro c t a g o n r a d i a t i o np a t c ha n dad e f e c t e dg r o u n dp l a n e b ye t c h i n gac o m p l e m e n t a r ye l e c t r i c l c ( c e l c ) r e s o n a t o ro nt h eg r o u n dp l a n ea n das p l i tr i n gr e s o n a t o r ( s r r ) o nt h er a d i a t i o n p a t c h , t h eh y b r i dr e s o n a t o r sa r eo b t a i n e da n d t h u sd u a lb a n d n o t c h e dc h a r a c t e r i s t i c sa r e a c h i e v e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da n t e n n ao p e r a t e so v e ra u w bf r e q u e n c yr a n g ef r o m2 9t o12 4g h zf o rv s w r 2 ，w h i l ep r o v i d i n gd u a l b a n d s t o pf u n c t i o ni nt h ef r e q u e n c yb a n d so f3 3t o3 6g h z a n d5 2t o5 8g h z ，w h i c h s h o w st h a tt h ea n t e n n ac a nb ea p p l i e dt ou w b a p p l i c a t i o n s ac o m p a c tt r i b a n d c l a w - s h a p e dm o n o p o l e a n t e n n af o rw l a n w i m a x a p p l i c a t i o n sh a sb e e nd e s i g n e d ，f a b r i c a t e d ，a n dm e a s u r e d t h ea n t e n n a i sc o m p o s e do fa n o v e lc l a w - s h a p e dr a d i a t i o np a t c ha n dam o d i f i e dr e c t a n g u l a rg r o u n dp l a n e t h et h r e e a l m so ft h er a d i a t i o np a t c hg e n e r a t et h r e ed e s i r e dr e s o n a t ef r e q u e n c i e sa r o u n d2 5 ，3 5 a n d5 5g h zr e s p e c t i v e l y m o r e o v e rt h et h r e ea r m se x h i b i tar e l a t i v e l yi n d e p e n d e n c e w h i l eb e i n gt u n e ds e p a r a t e l yw h i c hi sc o n v e n i e n tf o r t h ea n t e n n ad e s i g n g o o dr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b l ea n t e n n ag a i n sf o rt h eo p e r a t i n gb a n d sh a v eb e e no b t a i n e d ， w h i c hs h o w st h ea n t e n n ai ss u i t a b l ef o rm u l t i b a n dw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s t h e c o n s t r a i n e dd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mw i t hg r a d i e n t - b a s e dm u t a t i o n ( c d e a o ) ，w h i c hi sr e a l i z e db ya p p l y i n gt h eec o n s t r a i n e dm e t h o da n dt h er e p a i r o p e r a t i o n ( g r a d i e n t b a s e dm u t a t i o n ) i n t od e ，i sp r e s e n t e d t h ea l g o r i t h mh a sb e t t e r p e r f o r m a n c eo ns o l v i n gd i f f i c u l t c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o np r o b l e m ss u c ha st h e b e a m s h a p i n ga n do p t i m i z a t i o nf o rb a s es t a t i o na r r a yp a t t e r ns y n t h e s i s o nt h i sb a s i s ，a 阵列天线与宽带天线研究 p r o g r a mf o rb e a m s h a p i n ga n do p t i m i z a t i o no fa n t e n n aa r r a y s ，w h i c hi s b a s e do nt h e 占d e a g ，i sp r o p o s e d t h ek e yp r o c e d u r e so ft h ep r o g r a md e s i g na r ep r e s e n t e d ab a s e s t a t i o na n t e n n al i n e a ra r r a yw i t he i g h te l e m e n t si su s e df o rt e s t i n gt h ep r o g r a m t h e c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw h i c hp r o v e dt h a tt h e p r o g r a m c a nb eu s e df o rb e a m i n gs h a p i n ga n do p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：u w bm u l t i b a n de d e a 6b e a m s h a p i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 天线是无线通信系统中用来有效发射或接收电磁波的装置，其主要功能是将 发射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成高 频电流能量送给接收机。天线作为通信系统中极其重要且必不可少的部分，其自 身特性直接影响着整个通信系统的性能。 随着科学技术的飞速发展，现代社会已经进入信息时代，图像、音频、视频 等大量信息的快速传递，对天线的性能提出了更高的要求，同时直接刺激着通信 系统向宽带化方向发展。其中最为典型的代表是超宽带( u w b ) 通信技术【l 。3 1 。超宽带 技术始于2 0 世纪6 0 年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信， 又称为基带通信、无载波通信，主要用于雷达、定位和通信系统中。采用该技术 的超宽带通信系统可以提供数字话音、数据和视频业务，能够在非常复杂的多径 环境中很好地完成定位和识别，可以在较高链路丢失环境中提供存活通信手段。 它具有速率高、成本低、功耗小等特点，是下一代短距离高速率无线通信的最佳 候选技术之一。同时它与其它现存的传统无线技术共享频带，这为解决目前日趋 紧张的频谱资源提供了一个很好的解决方案。u w b 技术在无线通信方面的内在潜力 和优点，使得全球许多国家陆续启动了超宽带研究计划，超宽带天线的研究是当 前世界天线研究领域的热点之一。而作为超宽带技术关键的超宽带天线自然成为 关注的对象。世界各国都己开始了超宽带天线技术的研究，目前其结构形式以微 带天线为主，具有体积小、频带宽、抗干扰、性能良好等特点。围绕超宽带天线 展开的各方面研究已经变得十分热门。 另一方面，无论是无线局域网技术，还是微波存取互通技术，都可能同时工 作于多个频段。比如无线局域网，它要求设备的工作频段分别为2 4 5g h z ( 2 4 0 0 2 4 8 4m h z ) 、5 2g h z ( 5 1 5 0 一5 3 5 0 姗z ) 和5 8g h z ( 5 7 2 5 - - 5 8 2 5m h z ) ，而w i m a x 系统的工作频段则为2 5 3 5 5 5 g h z ( 2 5 0 0 一2 6 9 0 3 4 0 0 - - 3 6 9 0 5 2 5 0 - - 5 8 5 0 m h z ) 。这就使得宽带多频带天线成为天线研究的一个热点。平面i i i i i 天线由于其 易于实现宽频带、多频工作的特性，使其在移动通信领域的应用具有很大的吸引 力。目前，多频技术已成功应用于于雷达、制导、卫星通信、移动通信等领域1 4 刁】。 综合来看，平面宽带多频天线的研究有其积极的意义和良好的应用前景。 与此同时，移动通信已经经历了第一代的a m p s 、t a c s 、n m t 等系统，第二代的 g s m 、窄带c d m a 系统的发展，目前第三代移动通信标准【8 】已被越来越多的国家所接 受。我国自主提出的第三代移动通信标准t d s c d m a 已被国际电信联盟( i t u ) 正式接 纳为国际标准，成为第三代移动通信三大主流标准( w c d m a ，c o m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a ) 阵列天线与宽带天线研宄 之一。因此，人们对基站天线的性能指标提出了越来越高的要求，其中作为基站 天线设计的关键问题一基站阵列天线辐射方向图的波束赋形设计也倍受瞩目。 波束赋形问题属于阵列方向图综合范畴，长期以来，阵列综合设计一直是天 线研究领域的热点问题。近年来，在基站天线的波束赋形设计中，为了符合方向 图更具体的细节( 如方向图部分副瓣的包络、赋形主瓣的波纹等) 并满足阵列设计 的约束，智能优化搜索算法( 如微粒群算法( p s o ) 、遗传算法( g a ) 、差分进化算 法( d e ) ) 及其改进算法等在方向图的零点填充、加强零陷、多波束设计、和差波 束折衷设计等阵列综合问题中得到了广泛的研究和应用【9 1 1 1 。 在上述的前提下，本文将对平面超宽带天线、多频天线、差分进化算法以及 基站天线的波束赋形进行研究，并设计出新型小型化平面超宽带天线、平面宽带 三频天线和波束赋形优化程序。 1 2 1 超宽带天线的研究进展 1 2 国内外研究现状 近年来，超宽带天线是天线研究领域中的一个热点，研究人员在平面印刷单 极子超宽带天线、具有陷波特性的超宽带天线等方面进行了广泛的研究，在相关 文献i 心d7 】中进行了大量的报道，提出了丰富的天线结构形式。下面对超宽带及其 多阻带天线的研究历史及现状做一简要回顾。 超宽带天线起始于无线电技术的“火花隙”时代。1 8 9 8 年0 1 i v e rl o d g e 提出 了电容区域( c a p a c i t y a r e a s ) 即多重谐振天线( 即现代的b o w t i e 天线的原形) ，并 且提出了最早的超宽带天线理论。随着工作频率的升高，波长变短，1 4 波长“细 导线”短波天线的优越性便胜过t l o d g e 天线，特别是电视研究的飞速发展，伴随 视频信号的传输要求天线有更宽的频带宽度，极大的推动了超宽带天线的发展。 1 9 3 9 年，c a r t e r 改进了l o d g e 提出的双圆锥天线和圆锥型单极子天线，通过将天线 辐射单元和馈线结合起来，改善了系统的匹配，增加了天线带宽。1 9 4 1 年， l i n d n e b l a d 设计了一种袖子形同轴喇叭天线，该天线采用套管式的偶极子单元， 并应用阻抗渐变装置，使得天线拥有更宽的带宽。在此基础之上，b r i l l o u i n 提出 了全向和定向同轴喇叭天线。接下来几年中，k i n g 提出了圆锥喇叭天线，k a t z i n 提出了方形喇叭天线。螺旋天线的研究起始于2 0 世纪5 0 年代，这是一种与频率无 关的天线。1 9 4 7 年，m a s t e r 提出了著名的钻石偶极子天线，随后s t o h r 提出了椭球 单极子和椭球偶极子天线，1 9 8 9 年l a l e z a r i 等人发明了宽带槽天线。近阶段，随 着宽带接收机的广泛应用，体积小、重量轻、成本低的基于微带贴片天线的超宽 带单极子天线设计成为了超宽带天线研究领域的热门。早期的超宽带单极子天线 大多采用辐射贴片垂直于地板的结构，这种形式的天线虽然也能够满足超宽带特 第一章绪论 性，但是这种立体结构不适合于u w b 系统对天线集成化地发展趋势。近来以平面结 构的超宽带单极子天线居多，各种结构形式的辐射贴片在相关文献中进行了大量 报道，包括圆形1 1 8 1 、椭圆形f 1 9 1 、三角形1 2 0 1 、矩形1 2 1 1 、树叶形f 2 2 】等，在馈电方式上， 基本都是以微带线馈电和共面波导馈电。 在实际应用中，由于超宽带的频谱范围覆盖了3 1 一- 1 0 6 g h z ，这便与其他 一些与现有的通信系统发生了冲突，女f l w l a n 的h y p e r l a n 2 频带的5 1 5 5 3 5 g h z 和i e e e 8 0 2 a 的5 7 2 5 - - 一5 8 2 5 g h z ，这都会对u w b 系统产生电磁干扰，导致信号失 真，从而使通信质量下降。为了避免此类情况发生，人们希望在不增加系统的复 杂性和体积的前提下能够设计出在这些频段带有陷波功能的超宽带天线，从而来 抑制这些干扰。产生阻带的方法有很多种，但是其机制大都是基于谐振滤波的原 理。随着科研工作的大量进行，人们发现在天线上蚀刻出特殊结构( l 形、c 形、万 形等) 可以产生陷波特性，极大推进了带有陷波功能的超宽带天线的发展。另外， 也有一些基于缺陷地面结构产生阻带的超宽带天线相关文献报道。 综上所述，设计具有陷波特性的小型化超宽带天线是国内外研究的一个热点。 1 2 2 平面多频天线的研究进展 随着无线通信业务的迅猛发展，继全球移动通信系统( g s m - 8 9 0 m l t z 一9 6 0 m h z ) 、 数字通信系统( d c s ：1 7 1 g h z - 1 8 8 g h z ) 等通信系统之后，又出现了无线局域网 ( w l a n ：2 4 g h z 一2 4 8 4 g h z 、5 15 g h z 一5 2 5 g h z 、5 7 2 5 g h z - 5 8 2 5 g h z ) 、全球微波 互联接入( w i m a x ：3 4 g h z - 3 6 g h z ) 、以及蓝牙( b l u e t o o t h2 4 g h z 一2 5 g h z ) 等 无线通信系统。为了实现移动终端设备小型化、集成化的发展目标，我们需要设 计出能够同时工作于两个或多个频带的天线，以满足多个系统同时工作的需要， 从而实现新旧系统之间的相互兼容。平面印刷天线具有低剖面、小体积、易与终 端设备集成等优点，是广泛应用于无线通信系统的天线形式之一。 常见的多频带平面天线包括微带天线1 2 3 1 、平面倒f 天线( p l a n a ri n v e r t e d f a n t e n n a ，p i f a ) 1 2 4 】、单极天线2 5 1 和缝隙天线 2 6 1 。微带贴片天线具有低剖面和定向 辐射特性，但其工作频带相对较窄且整体尺寸较大。倒f 天线是手机终端上常用的 一种平面印刷天线。该类天线采用短路针将辐射贴片与接地板相连，具有更小的 尺寸且更易集成于手持终端设备的内部。单极天线是最基本的天线形式，具有全 向的辐射方向图和较宽的阻抗带宽，目前此类天线已经成为多频带商用无线通信 天线的主要结构形式。 1 2 3 差分进化算法的研究进展 差分进化算法( d e ) 是一种随机的启发式搜索算法，它的主要操作思想是基 4阵列天线与宽带天线研究 于种群内的个体差异度生成临时个体，然后通过随机重组实现种群的进化。d e 原 理简单，受控参数少，已经被证明是一种具有高性能、并行性、鲁棒性等的优化 方法。近年来，d e 凭借其卓越的性能，在一些领域取得了良好的效果。 从算法的研究和应用领域来看，差分进化算法己广泛应用于工程技术、科学 研究和经济管理等诸多领域，包括人工神经元网络、经济学、机械设计、现代农 业、信号处理、机器人、生物信息和环境保护等各专业。从算法的设计角度来看， 为了提高其鲁棒性、局部搜索能力、全局搜索能力、收敛速度等方面，许多学者 对差分进化算法的变异操作机制进行了详细的分析，提出一些改进的变异操作， 一些基于标准差分进化算法的改进差算法已经被成功的设计出来【z 7 3 l l 。 虽然差分进化算法已经在多个领域表现出重要的理论和应用研究价值，但差 分进化算法的研究仍处在初级阶段，有许多问题尚待解决： ( 1 ) 差分进化算法的基础理论研究贫乏，虽然差分进化算法在实际应用中被 证明是有效的，但并没有对其收敛性问题给出数学证明。 ( 2 ) 对于具有多个全局最优解的优化问题，差分进化算法只能给出多个最优 解中的一个，这表明算法的进化结束条件或收敛判断条件还有待改进。 ( 3 ) 通过合理的编码，利用其具有全局优化的优势，与其它的应用领域结合， 从而扩大算法的应用领域，解决更多的问题。 1 3 本文的研究内容及安排 本文围绕无线通信系统中阵列天线和宽带天线展开研究，提出了具有双陷波 特性的平面超宽带单极子天线和应用于w l a n w i m a x 通信设备的爪型三频单极子天 线，设计了基于带有基于梯度变异操作的g 约束差分进化算法的波束赋形及优化程 序。全文共分为六章，各章节的具体内容是： 第一章，阐述了本文的选题背景及意义，系统回顾了本文相关课题在国内 外的发展及现状，最后介绍了本文的研究内容及安排。 第二章，介绍了天线的主要电参数，分析了微带天线的工作原理及设计方 法，重点介绍了平面超宽带微带天线和多频微带天线的相关理 论，描述了他们的实现途径及设计方法。 第三章，首先提出了一种具有双陷波特性的超宽带单极子天线，该天线由 正八边形结构的辐射贴片和带有缺陷的有限地板组成，通过蚀刻 于辐射贴片上的开口环谐振结构和地板上的互耦l c 谐振结构实 现了双陷波功能。其次提出了一种应用于w l a n w i m a x 通信设备 的爪型三频单极子天线，该天线采用新颖的爪型结构，并通过爪 型辐射贴片的三个辐射支节分别产生三个工作频段。 第一章绪论 第四章， 第五章， 第六章， 介绍了基本差分进化算法的思想和操作流程，给出了其改进措施。 详细阐述了带有基于梯度变异操作的约束差分进化算法 ( s d e a a ) ，给出了占d e a a 算法的具体流程步骤和伪代码。 分析了阵列天线波束赋形的基本原理，详细阐述了基于6 d e a a 算 法的阵列天线赋形及优化程序设计，研究了程序设计的关键步 骤，给出了数值计算及实验测试结果。 对全文的工作做以总结，综述研究结果及结论，提出了尚待解决 的若干问题。 第二章基本理论概述 7 第二章基本理论概述 随着科学技术的飞速发展和对通信要求的日益提高，人们对无线通信系统中 必不可少的天线性能提出了更高的要求，体积小，带宽宽，支持多频工作的天线 已经日益成为研究中备受关注的对象。 本章我们首先对天线的主要电参数做了介绍，然后分析了微带天线工作原理 及其设计方法，并在此基础上着重讨论了平面超宽带微带天线和多频微带天线。 2 1 天线的主要电性能参数 1 带宽 通常天线的工作带宽有三种表示方法，即绝对带宽、相对带宽和倍频带宽。 它们分别定义为： 绝对带宽y ： 矽= 一石 ( 2 一1 ) 其中，五和彳分别是工作频带的上限频率和下限频率。绝对带宽常用于划分电磁 频谱和描述天线的实际工作频率。 相对带宽r ：天线的绝对带宽矽与工作频带的中心频率兀之比，即 月：笪：2 五五 ( 2 2 ) 氏 h l 倍频带宽b ：天线工作频带的上限频率和下限频率之比，即 b ：五( 2 3 ) l 天线的带宽主要取决于各项电指标的频率特性，它要求在天线的工作频带内 天线的各项电指标都满足实际要求。通常电指标均有其各自定义的带宽，它们分 别是： 1 ) 阻抗带宽( 电压驻波比带宽) 天线的输入阻抗会随其工作频率的变化而变化，因此，当天线输入端电压一 定时，输入端电流就会随频率变化，我们可以通过天线输入端电流的变化来计算 天线的阻抗带宽。此外，天线的阻抗带宽也可以用馈线上的电压驻波比来表示。 根据设计者或使用者对电指标的要求，以驻波比低于某一规定值时的频带宽度为 天线的阻抗带宽。这种表示方法，既反映了天线阻抗的频率特性，也说明了天线 与馈线的匹配效果。在天线工程中，这是一项实用性强的电指标。 2 ) 方向图带宽 方向图是描述天线辐射特性的重要电参量。当频率偏离设计频率( 通常取工作 8 阵列天线与宽带天线研究 频带内的中心频率) 时，有可能发生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎缩、副瓣电平增 大、前后辐射比下降等。当方向图恶化到不能满足设计要求时，即限定了方向图 带宽。一般来说，高频端方向图易迅速恶化，它往往是限制上限工作频率兀的主 要因素。 3 ) 增益带宽 天线的增益带宽是指增益下降到允许值的频带宽度。通常定义增益下降到工 作频带内最大增益值的5 0 时，相应的频带宽度为3 d b 增益带宽。通常，频率降低， 天线电尺寸变小，增益有较明显下降。因此，该项指标往往限定了下限工作频率f 的值。 4 ) 极化带宽 对于圆极化天线，这是一项十分重要的技术指标。工程上，常以最大辐射方 向上或主瓣半功率波瓣宽度内，轴比小于某一规定值时，确定极化带宽。圆极化 天线的极化特性往往是限制天线带宽的主要因素。 2 方向图 天线的辐射方向图( 简称方向图) 是天线的辐射参量随空间方向变化的图形 表示。所谓辐射参量一般包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化。通常， 辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数( 称为方向( 图) 函数) 。 一般情况下，辐射方向图是指功率通量密度或场强的空间分布。 天线在空间( 幺妒) 方向的辐射电场强度e ( 只咖的大小可以表示为 i e ( 口，训2a o f ( o , q o ) ( 2 4 ) 其中4 是与方向无关的常数，厂( 只力为场强方向函数。由式( 2 4 ) 可得 似缈) ：避型( 2 - 5 )厂( 秒，驴) = 掣 凡 实际上常用场强的归一值来表示方向图，称为归一化方向图。归一化场强方 向图，( 只力可以表示为 胛翮：唑型 ( 2 - 6 ) e m 其中e ，为场强的最大值。 在三维坐标系中，方向图描绘了一个三维曲面，这样的方向图称为立体方向 图或空间方向图，用来描述电磁场强度在空间的分布状况。立体方向图形象、直 观但描绘复杂，因此工程上通常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平 面内的方向图来表示天线的方向性，它们分别称为e 面和h 面方向图。e 面是平行于 电场矢量的平面，h 面是平行于磁场矢量的平面。 具体描述天线辐射方向图的参数有：主瓣宽度( 一般情况下为半功率波瓣宽度 第二章基本理论概述 9 且p 3 d b 波瓣宽度，特殊要求下有专门的规定，如l o d b 波束宽度、零值宽度等) 、副 瓣电平( 指副瓣中的最大值与主瓣最大值之比) 、歪头( 波束最大辐射方向偏离预定 值的角度) 、前后辐射比( 最大辐射方向电平与其反方向的辐射电平之比) 等。方向 图最直观地反映了天线所辐射电磁场的空间分布。 3 方向系数、效率和增益 天线的方向系数是用一个数字来定量的表示辐射电磁能量集束程度以描述方 向特性的参数，又叫方向性系数或方向性增益。天线在某一方向的方向系数d ( 只力 是该方向的辐射强度与平均辐射强度之比，即 咖) - 4 万半2 丽丽4 刀 f 丽2 ( 0 , t p ) ( 2 _ 7 ) 天线效率，对发射天线来说，用来衡量天线将高频电流或波导能量转化为无 线电波能量的有效程度，是天线的一个重要电参数。天线效率( 即辐射效率) r a 是 天线所辐射的总功率乓与天线从馈线得到的净功率只之比： 玎。：生 ( 2 8 ) 铲盲 心峭) 天线的增益是将天线的方向系数和效率两者结合起来，用一个数字表征天线 辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。天线在某方向的增益o ( o ，纠是它在 该方向的辐射强度职只力与天线以同一输入功率向空间均匀辐射的辐射强度 只4 万之比，即 g ( o ，力：4 万掣：d ( 口，缈) 玑 ( 2 9 ) 4 极化 极化是天线的一个重要特征参数，用以描述电场矢量终端运动轨迹随着时间 变化的规律。一般来说，都以电场矢量的空间指向来作为天线辐射电磁波的极化 方向。根据天线在其最大辐射方向上电场的极化形式来定义天线的极化，可分为 线极化、圆极化和椭圆极化。 当天线在最大辐射方向上电场矢量在空间取向固定不变时，该天线为线极化。 当该电场矢量的取向变化，且端点轨迹为一个圆时，称其为圆极化。圆极化又有 左旋圆极化和右旋圆极化之分。在以地面为参考面时，线极化又可分为垂直极化、 水平极化和斜极化。 1 0 阵列天线与宽带天线研究 2 2 1 结构和辐射机理 2 2 平面微带贴片天线理论 微带天线一般应用在1 g h z 一5 0 g h z ，与其他微波天线相比有体积小、重量轻、 易于加工等有优点因此广泛应用于宽带天线领域。我们以矩形微带贴片天线为 例来分析微带天线的工作原理。 微；轷线 接 介质撬片 图2 1 微带贴片天线结构图 如图2 1 所示，微带天线是在带有导体接地板的薄介质基片上贴加导体薄片 形成的天线，利用微带线或同轴线等馈电。贴片的尺寸为口b ，介质基片的厚度 为h ，h 凡，五为自由空间的波长。微带贴片可以看做是一段宽a 长b 的微带 传输线，终端( 长为a 的边) 处成开路，故形成e g 玉, 波腹。一般地，取b 丸2 ( 丸 是微带线上的波长) ，因此，贴片的另一端也呈电压的波腹。贴片与接地板之间的 电场的分布可以近似表达为 巨= e oc o s o r y b ) ( 2 1 0 ) 微带贴片天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。窄缝上电场的辐射 可由面磁流的辐射来等效。等效面磁流密度为： m s = 一n x e ( 2 1 1 ) 式中e = 皿，j 是x 方向单位矢量，五是缝隙表面( 辐射口径) 的外法线方向单位 矢量。由以上分析不难得出，沿两条长为a 的边的磁流密度是同向的，其辐射场 在贴片法向方向( x 轴) 同相相加，呈最大值；沿两条长度为b 的边的磁流由反对 称的两部分构成，它们的场在x y 平面上各处相互抵消。因此贴片的辐射主要是由 长度为a 的边与接地板的缝隙产生，故将两条长度为a 的边称为辐射边。 2 2 2 微带贴片天线的设计p 2 】 1 - 介质基片的选取 第二章基本理论概述 介质基片的材料( 希it a n8 ) 及其厚度h 直接影响着微带天线的性能指标， 因此作为微带天线设计的第一步就是选定介质基片并确定其厚度。 1 ) 对天线尺寸体积的影响 工作于主模( t m o l 模) 的微带天线贴片长度b 近似为以2 ，t 为介质内波长， 满足 以= 气厄 ( 2 1 2 ) 其中，凡为自由空间波长，乞是有效介电常数，可以表示为 乞= 孚+ s - , z - 1 ( 1 + 1 0 2 口h ) 圳2 ( 2 - 1 3 ) 可见，b 的值与直接相关。当a 和b 确定后，h 的值决定着天线的尺寸体积。 2 ) 基片厚度h 对工作频带的影响 增加h 可以使传输线的特性阻抗增大从而可以使天线的工作频带有效展宽。 当h 州1 6 时，v s w rs2 的频带宽度经验公式为： b w ( m h z ) = 5 0 4 f 2 h ( 2 1 4 ) 其中，f 的单位为g h z ，h 的单位为姗。 3 ) 对方向特性的影响 矩形微带贴片天线的e 面方向图带宽与两辐射边间距b 有关，由式( 2 1 3 ) 可知，用于相同的工作频率采用不同值的介质基片对应的b 值就不同，所以e 面波束宽度也就不同。e 面波束带宽可以根据二元阵公式算出 厂( 口) = 2 么【c o s ( 冬s i n 秒) 】 ( 2 1 5 ) 式中a 是每个元的激励幅度，j o 是用电角度表示的元的间隔。计算结果表明，对 于相同的工作频率，的取值越大，对应的e 面半波功率宽度就越宽。 2 贴片宽度a 的选取 确定介质基片的材料及长度b 以后，应先确定贴片宽度a 的尺寸。由式( 2 1 3 ) 可知，当和h 己知时，乞取决于a ，而贴片长度b 的尺寸又取决于乞。a 的尺寸 大小影响着天线的各项性能指标，适当取大a 的值对天线的带宽、效率及阻抗匹 配都有好处，但当a 的尺寸大于下式给出的值时将产生高次模，引起场的畸变。 口= 鲁( 掣) 一坨 ( 2 - 1 6 ) - jc - 式中，c 是光速，z 是谐振频率。由式( 2 1 6 ) 可知，a 的值总是取小于4 2 的 值。 3 贴片长度b 的选取 阵列天线与宽带天线研究 矩形微带天线的贴片长度b 在理论上应取丸2 ，但实际上由于边缘场的影响， 在设计天线时b 的大小应由下式决定 6 = 0 5 丸一2 址 ( 2 - 1 7 ) 其中 址：o412厅(s3+03)(wh+0264)( 2 1 8 ) ( & 一0 2 5 8 ) ( w h + 0 8 ) 4 基片尺寸的选取 ( a ) 侧馈( b ) 背馈 图2 2 矩形微带贴片天线的两种馈电方式 根据微带贴片天线馈电点位置的不同，馈电方式可以分为侧馈和背馈。图2 2 为两种馈电方式的矩形微带贴片天线的俯视图。所谓基片尺寸即图中的w 和l 。由 于辐射的口经场集中在辐射边附近很小的区域内，介质过多的向外延伸对这种场 分布没有明显的影响，考虑到天线的体积、尺寸及重量，w 和l 应尽量小。实验表 明沿辐射贴片各边向外延伸以1 0 就能满足使用要求。因此对于侧馈式可取 w = a + o 2 以 ( 2 1 9 ) b 的尺寸则根据馈线及阻抗变换器的配置而定。对于背馈式则有 糍 2 。， 2 3 平面宽带天线理论 众所周知，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体( 如飞机、轮 船) 共形、制造成本低、易实现线极化和圆极化等优点。然而，其窄带特性严重 限制了它的应用范围。另一方面，为了充分利用频率资源，并且降低制作成本， 第二章基本理论概述 能够同时工作在多个频段的多频天线已成为通信系统中的研究热点。本节我们主 要对平面超宽带微带天线和宽带多频天线这两种应用广泛的天线做一研究。 2 3 1 平面超宽带微带天线 2 3 1 1 超宽带的定义 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 是一种以极低的功率在短距离内高速传输数 据的无线通信技术。2 0 0 2 年美国f c c 批准了u w b 技术可以进行商用，有别于传统的 通信系统( 一般的通信系统都是通过发射正弦射频载波来进行信号调制) ，u w b 技 术是一种无载波通信技术，它不采用载波通信技术，而是利用纳秒至微秒级的非 正弦波窄脉冲传输数据，因此其占有很宽的频带范围。非常适用于高速、近距离 的无线个人通信。根据美国f c c 对超宽带系统的最新定义：中心频率大于2 5 g h z 的 u w b ( 超宽带) 系统需要拥有至少- l o d b 的5 0 0 m h z 带宽；而对于中心工作频率低于 2 5 g h z 的超宽带系统，带宽至少应达到2 0 9 6 。f c c 还规定了室内u w b 通信的实际使用 频谱范围为3 1 g h z 1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效各向同性辐射功率不超过 一4 1 3 d b m m h z 。 2 3 2 平面超宽带天线的分类 1 超宽带平板单极子天线 小型超宽带平板单极子天线是一种比较古老的天线形式，首先由d u b o s t 等人 在1 9 7 6 年提出，随后进行了不断的发展。它结构简单、便于分析、全向辐射特性 好，因此在u w b 天线研究的初期，人们研究了多种平板单极子天线来满足u w b 通信 的需求。常见的单极子形式有圆形、矩形、梯形、叶子形【3 3 j 、钻石形 3 4 】等，如图 2 3 所示。为了改善天线的阻抗带宽，可以在单极子上开洞、将单极子和地板之间 加入短路线、以及改善馈电方式等方法来改变单极子上的电流分布。 图2 3 超宽带平板单极子天线 平板单极子天线的优点是很容易实现u w b 所需的阻抗带宽，同时有比较好的辐 射特性，缺点是它们一般都采用立体结构，不适应u w b 系统对天线集成化的要求。 2 超宽带印刷单极子天线 1 4 阵列天线与宽带天线研究 超宽带印刷单极子天线可以看作是平板单极子天线的平面化结构，一般由覆 在介质基片两侧或同侧的单极辐射贴片和导体地板构成，通过位于地板中央的微 带线或共面波导进行馈电，如图2 4 所示。这种天线体积小、易于和现有的系统集 成，还具有良好的超宽带特性和较好的全向辐射特性。辐射贴片可以采用各种各 样的结构来改善天线的阻抗带宽和辐射特性，同时也增加了天线的使用灵活性， 是目前u w b 天线研究的一个重要方面【1 8 啦】。 一一 一_ 一一 ( a ) 共面波导馈电( b ) 微带线馈电 如图2 4 超宽带印刷单极子天线 3 超宽带印刷缝隙天线 超宽带印刷缝隙天线是u w b 天线的另一个重要分支，以其结构简单紧凑、交 叉极化小、辐射性能良好等优点，已被广泛应用于各种无线通信设备中。印刷缝 隙天线是在接地板上刻宽缝槽，用单极贴片作为馈电结构，通过位于地板中央的 微带线或共面波导进行馈电。常见的印刷缝隙天线有圆形缝隙【3 5 】、椭圆缝隙f 3 6 】、 矩形缝隙【3 7 】、和三角形缝隙【2 q 等，典型的缝隙天线结构如图2 5 所示 ( a ) 微带线馈电( b ) 共面波导馈电 图2 5 超宽带印刷缝隙天线 2 3 1 3 超宽带e p 届j j 单极子天线的设计 在各种平面超宽带天线中，超宽带e p , 罹u 单极子天线是应用最为广泛、天线形 式最为灵活多变的一种天线，因此我们以矩形超宽带印刷单极天线为例来分析印 刷单极子天线的设计过程1 3 8 】。 第二章基本理论概述 ( a ) 单极子天线原型 ( b ) 圆柱结构 图2 6 天线原型及圆柱结构 在图2 6 所示的结构模型中，辐射贴片的长为b ，宽为a ，由式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可知，a n b 决定了天线的最低点谐振频率，( 电压驻波比等于2 所对应的低频点) 。 将圆柱沿其母线剪开并展开，所得到的矩形即我们要估算的矩形辐射贴片。故 2 万月l = 口b( 2 2 1 ) l = 0 2