微带天线馈电方法的研究-边馈、同轴探针、耦合馈电.doc

第一章 论文设计研究背景 1.1微带天线的发展1.1.1天线天线是作无线电波的发射或接收用的一种金属装置(如杆、线或线的排列)。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。天线的分类：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、极化和频率。天线按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状，碟状。1.1.2微带天线微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。图1所示为一基本矩形微带天线元。长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L为半个微带波长即为g/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。另一类微带天线是微带缝隙天线。它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。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)微带天线。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。微带天线一般应用在150GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形；(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；(3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此，为使微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。本部分将对一般的矩形微带天线进行分析讨论，为特殊形状要求的微带天线做好理论分析基础。利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也较简单，其精确度可以满足一般工程设计要求。1. 2微带天线的应用情况微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。第二章 设计研究的理论依据2.1 微带天线简介微带天线自20世纪70年代以来引起了广泛的重视和研究，各种形状的微带天线在卫星通信、多普勒雷达及其它雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛的应用。下面介绍微带天线的结构、特点及工作原理2.1.1 微带天线的结构及特点微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和覆盖在它两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一片称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射源，辐射源的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等等、微带天线的馈电方式分为两种，一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射源刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相接，内导体穿过接地板和介质基片与辐射源相接。微带天线主要的特点有：体积小，质量轻，低剖面，因此容易做到与高速飞行其共形，且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等），尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件，因而适合大规模生产。在现代通信中，微带天线广泛的应用于100MHz50GHz的频率范围。2.1.2 微带天线的辐射原理由于分析微带天线的方法不同，对它的辐射源理有不同的说法。为了简单起见，我们以矩形微带天线（Retangular-Patch Microstrip Antenna）为例，用传输模式分析法介绍它的辐射原理。设辐射元的长度为l，宽为w，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为l的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。根据微带传输线理论，由于基片厚度h，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，现沿着宽度w方向也没有变化，而仅在长度方向（l）有变化。在两开路段的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场相反相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上相同激励的两个缝隙，缝的电场方向与场边垂直，并沿着长边w均匀分布。缝的宽度为，长度为w，两缝间距离为。这就是说，微带天线的辐射可以等效为两个缝隙所组成的二元阵列。2.1.3 辐射场及方向函数设一缝隙上电压为U，缝的切向电场，可以等效为沿着z方向的磁流，考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流为 设磁流沿着x和z方向都是均匀的，则单缝的辐射场为 又因为沿着x轴阵列、间距为的二元阵的阵因子为 由方向图乘积定理，并分别令和，即可得到微带天线的E面和H面方向函数为 由上述两式可以分别画出E面和H面方向图。 有方向图可以发现。矩形微带天线的E面方向图与理想缝隙的H面方向图相同，这是因为在该面内的两个缝隙的辐射不存在波程差。所不同的是H面，由于接地板的反射作用，使得辐射变成单方向的了。 从上面的分析可以看到，微带天下的波瓣较宽，方向系数低，这正是微带天线的缺点之一，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等。尽管如此，由于微带制作阵元的一致性很好，且易于集成，故很多场合将其设计成微带天线阵，因此得到了广泛的应用。随着通信和新材料及集成技术的发展，微带天线必将在越来越多的领域发挥它的作用。2.2 微带天线的一些设计参数2.2.1 输入阻抗四端网络、传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配，从信号源、传感器等获取输入信号。阻抗是电路或设备对交流电流的阻力，输入阻抗是在入口处测得的阻抗。高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化，因而也是最理想的。在给定电压下最小的阻抗就是最小输入阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比： 其值随着天线长度及工作频率不同而发生变化。其值表征了天线与发射机或接收机的匹配状况，体现了辐射波与导行波之间能量转换的好坏。 由于微带线的传输主模为TEM模，因此可以用静态分析方法求得单位长分布电容C和分布电感L，从而有 式中，相速（c为自由空间中的光速）。 导带厚度为零时的特性阻抗计算公式为 式中，是中心导带的有效带宽，由下式给出： 导带厚度不为零的计算公式这里省略不写。2.2.2 驻波比（VSWR）为了描述驻波的大小，引入了一个新的参量电压驻波比，工程上简记为VSWR。定义波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比，用表示，即 电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时，当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1。发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。在电子管时代，一方面电子管本输出阻抗高，另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广，流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线，因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆，因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。要满足这个条件，需要做到两点：第一，天线电路与工作频率谐振（否则天线阻抗就不是纯电阻）；第二，选择适当的馈电点。 一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线。有时会因此产生一种错觉，只要VSWR1，总会是好天线。其实，VSWR1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间，那是另一个问题。一副按理论长度作制作的偶极天线，和一副长度只有1/20的缩短型天线，只要采取适当措施，它们都可能做到VSWR1，但发射效果肯定大相径庭，不能同日而语。做为极端例子，一个50欧姆的电阻，它的VSWR十分理想地等于1，但是它的发射效率是0。而如果VSWR不等于1，譬如说等于4，那么可能性会有很多：天线感性失谐，天线容性失谐，天线谐振但是馈电点不对，等等。在阻抗园图上，每一个VSWR数值都是一个园，拥有无穷多个点。也就是说，VSWR数值相同时，天线系统的状态有很多种可能性，因此两根天线之间仅用VSWR数值来做简单的互相比较没有太严格的意义。2.2.3 S参数：分别是端口1和端口2的归一化入射电压和反射电压：端口2匹配时，端口1的反射系数；：端口1匹配时，端口2的反射系数；：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；可见，S矩阵的各个参量是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或者传输系数，令终端短路、开路和接匹配负载时，测得的输入端反射系数分别为对于互易网络：对于对称网络：对于无耗网络： 对于互易端口，1，所以只要测量求得.、及三个量就可以。 输入端参考面处的反射系数为：，和，代入上式，并解出 由此可以测得S参数。2.2.4 增益增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率得乘积，记为G，即 由上式可见：天线方向系数和效率越高，则增益系数越高。现在我们来研究增益系数的物理意义。由计算可得到： 由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为 假设天线为理想的无方向性天线，即D=1，则它在空间各方向上场强为 可见，天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。2.2.5 天线方向图及其有关参数所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随着方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个互相垂直的平面方向图来表示。在地面上假设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图，即水平面。当仰角及距离r为常数时，电场强度随方位角的变化曲线。如下图 铅垂平面。当即r为常数时，电场强度随仰角的变化曲线，参照上图，超高频天线，通常采用与场矢量相平行的两个平面表示，即1.、E平面。所谓E平面，就是电场矢量所在的平面。对于沿着z轴放置的电基本阵子面而言，子午面就是E平面。2、H平面。所谓H平面，就是磁场矢量所在的平面。对于沿着z轴放置的电基本阵子，赤道平面就是H平面。为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。这些参数有：主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。一、主瓣宽度主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度，在场强方向图中，等于最大场强的两点之间的宽度称为半功率波瓣宽度；有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度，称为零功率波瓣宽度。二、旁瓣宽度 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，一般以分贝表示。三、前后比 前后比是指最大辐射方向电平与其相反方向电平之比，通常以分贝表示。四、方向系数 方向系数定义为：离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比，记为D，即 设实际天线的辐射功率为，则有 2.2.6 阻抗带宽一般的，将的带宽称为输入阻抗带宽。2.3HFSS 软件简介经过二十多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。HFSS能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行荣差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配/和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。Ansoft HFSS是一个计算电磁结构的交换软件包。计算模拟器还包括分析电磁结构细致问题时的后处理命令，使用Ansofr HFSS应该计算：基本电磁场数值解和开边界条件，远近场辐射问题。端口特征阻抗和传输常数。S参数和相应端口的归一化S参数。结构的本征模和谐振解。当画出结构，明确每一个物体的介质参数，建立端口标识，源或者具体的表面特征时，本系统可以产生必要的场解。当建立一个问题时，Ansoft HFSS可以允许指定频段内的一个或多个频率点。Ansoft HFSS可以有效运行在UNIX和PC机的WINDOWS下。 第三章 实验模拟过程馈电结构大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50 欧姆传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当馈电位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。另外， 80 年代以来还出现了电磁耦合馈电。1. 微带馈电 利用微带线进行馈电。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便的一起光刻，制作简便。但馈线本身也有辐射，从而干扰天线方向图，降低增益，为此，一般要求微带线不能宽，希望微带线宽远小于波长。 天线输入阻抗与特性阻抗的匹配可由适当的选择馈电点的位置来实现。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之而变，从而提供了一种阻抗匹配的简单办法。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。不过，稍加改变贴片尺寸，可补偿谐振频率的漂移。2. 同轴线馈电 同轴插座设置在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定的模，同轴插座的位置可由经验确定，以便产生最好的匹配。 优点是：馈电点可选在贴片内任何位置且避免了对天线辐射的影响。 3. 电磁耦合馈电 该结构的特点是贴近（无接触）馈电，可利用馈线本身，也可通过一个口径（缝隙）来形成与天线间的电磁耦合。这种方法可以获得宽频带的驻波比特性。3.1 矩形贴片天线的边馈法3.1.1 边馈法设计过程打开Ansoft HFSS软件。新建文件命名为边馈。在软件中模拟一个边馈方式馈电的矩形贴片天线，如下图所示图3.1.1.1 边馈其中，设置介质基板设置为相对介电常数为1的空气或者泡沫来实现。介质基板与接地板的尺寸大小为：（mm），微带贴片的尺寸为：（mm），最外面的真空边界盒子的尺寸为：（mm）。3.1.2 边馈法设计的运行结果调试没有错误，运行之后在results中加载结果：S参数，驻波比VSWR，远场区的增益Gain，方向图等。运行结果如下：驻波比VSWR图如下： 图3.1.2.1 边馈的S参数 S参数图如下： 图3.1.2.2 边馈的驻波比VSWR方向图如下： 图3.1.2.3 边馈方向图远场区的增益图如下： 图3.1.2.4 边馈增益图3.2 矩形贴片天线的同轴探针馈电法3.2.1 同轴探针馈电法的设计过程 打开Ansoft HFSS软件，新建工程命名为同轴探针馈电。在软件中设计一个同轴探针馈电法馈电的矩形贴片天线。如下图所示 图3.2.1.1 同轴探针馈电其中，设置介质基板设置为相对介电常数为3.48的Neltec来实现。接地板的尺寸大小为：（mm），介质基板的尺寸为：（mm），矩形贴片的尺寸为：（mm），最外面的真空边界盒子的尺寸为：（mm），探针直径为0.5mm，探针距离坐标中心（贴片中心）8mm，长度为5mm；馈电片的直径为1.5mm。3.2.2 同轴探针馈电法设计的运行结果调试没有错误，运行之后在results中加载结果：S参数，驻波比VSWR，远场区的增益Gain，方向图等。运行结果如下：驻波比VSWR图如下：图3.2.2.1 同轴探针馈电驻波比VSWRS参数图如下： 图3.2.2.2 同轴探针馈电的S参数方向图如下：图3.2.2.3 同轴探针馈电的方向图增益图为：图3.2.2.4 同轴探针馈电的增益图3.3 矩形贴片天线的孔耦合馈电法3.3.1 孔耦合馈电法的设计过程打开Ansoft HFSS软件，新建工程命名为孔耦合馈电。在软件中设计一个孔耦合馈电法馈电的矩形贴片天线。如下图所示图3.3.1.1 孔耦合馈电法其中，设置介质基板设置为相对介电常数为2.08的Neltec来实现。接地板和介质基板的尺寸大小为：（mm），矩形贴片的尺寸为：（mm），最外面的真空边界盒子的尺寸为：（mm），孔尺寸（mm），孔的中心在选取的坐标原点处，馈线的尺寸为（mm）。3.3.2 孔耦合馈电法设计的运行结果调试没有错误，运行之后在results中加载结果：S参数，驻波比VSWR，远场区的增益Gain，方向图等。运行结果如下：驻波比VSWR图如下： 图3.3.2.1 孔耦合馈电法驻波比S参数图如下： 图3.3.2.2 孔耦合馈电法S参数方向图如下： 图3.3.2.3 孔耦合馈电法方向图增益图如下： 图3.3.2.4 孔耦合馈电法增益图 第四章 结果分析4.1 馈电方法理论大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50 欧姆传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当馈电位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。另外， 80 年代以来还出现了电磁耦合馈电。4.1.1 微带边馈 利用微带线进行馈电。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便的一起光刻，制作简便。但馈线本身也有辐射，从而干扰天线方向图，降低增益，为此，一般要求微带线不能宽，希望微带线宽远小于波长 天线输入阻抗与特性阻抗的匹配可由适当的选择馈电点的位置来实现。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之而变，从而提供了一种阻抗匹配的简单办法。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。不过，稍加改变贴片尺寸，可补偿谐振频率的漂移。4.1.2同轴探针馈电 同轴插座设置在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定的模，同轴插座的位置可由经验确定，以便产生最好的匹配。 优点是：馈电点可选在贴片内任何位置且避免了对天线辐射的影响。4.1.3 耦合馈电 该结构的特点是贴近（无接触）馈电，可利用馈线本身，也可通过一个口径（缝隙）来形成与天线间的电磁耦合。这种方法可以获得宽频带的驻波比特性。4.2 设计结果的研究分析4.2.1 边馈的结果研究分析 如图3.1.1.1所示的边馈设计图，设计方法为在贴片的一边加上一段微带线作为馈线。有软件计算得到=24.5dB，驻波比VSWR=1.1，阻抗带宽为9%。由于微带线上也有电磁辐射，因此微带线的添加使得天线的方向图变得不规则。增益也比较小，如图3.1.