（电磁场与微波技术专业论文）c波段伪码调相探测器前端关键技术研究.pdf

硕上论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 摘要 本文实现了c 波段伪码调相探测器前端系统的关键技术 具体内容如下 1 设计制作了一个c 波段四元微带贴片天线阵 由于该天线阵的底板为圆形 且 面积相对较小 所以采用压窄形式的天线阵 并使用s m a 接头进行底馈 在仿真设计 时 对圆形底板建模采用手动剖分 与自动剖分的仿真相比 手动剖分减少了未知量数 目 约为自动剖分的5 0 节约了内存需求量 约为自动剖分的2 8 大大缩短了仿 真时间 约为自动剖分的6 但仿真精度没有降低 与自动剖分的仿真结果相吻合 实物测试结果 谐振频率为5 8 1g h z 带宽为1 4 0m h z v s w r 2 达到系统指标要 求 2 分别从制造公差 互耦效应和介质敷层三方面对c 波段微带贴片天线性能的影 响进行了分析研究 总结了这三种情况下天线谐振频率的变化规律 3 设计制作了一个c 波段锁相环频率源 测试结果 锁定频率为5 8g h z 相位 噪声为 9 3 5 1d b c h z 1 0 k h z 仿真值为 9 6 4 7d b c h z 1 0 k h z 达到系统指标要求 4 仿真设计了该前端系统的调制与解调电路 仿真设计一个功分器 用来将锁相 频率源信号一分为二 分别提供给调制与解调电路的本振端口 关键词 伪码调相 微带天线 锁相环频率源 c 波段 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ek e yt e c h n i q u e so ft h ef r o n t e n ds y s t e mi nac w a v eb a n d d e t e c t o r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 d e s i g na n dm a k eaf o u r p a t c hm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y b e c a u s et h ef i n i t eg r o u n d p l a n e i sc i r c u l a ra n da l s ov e r ys m a l l w ep r e s st h ea n t e n n aa r r a yal i t t l en a r r o w a n du s e a s m a j o i n tt om a k eap r o b e f e e d w h e ns i m u l a t i n gt h ea n t e n n aa r r a ym o d e li ni e 3 d w ed o a n o n u n i f o r mm e s h i n go ft h ec i r c u l a rg r o u n dp l a n eb yh a n d i nt h i sw a y w ec a nr e d u c et h e u n k n o w n sa n dt h ed e s i g nc y c l ea sf a ra sp o s s i b l e w h i l ei ti sa l s ov e r ya c c u r a t e t h e t e s t r e s u l t s t h er e s o n a n tf r e q u e n c y 5 8 1g h z t h eb a n d w i d t h v s w r 2 1 4 0m h z p r o v eg o o d e n o u g h t om e e tt h en e e d so ft h es y s t e m 2 d os o m er e s e a r c ho nt h em i c r o s t r i pa n t e n n ao fc w a v eb a n df r o mt h r e ea s p e c t s 3 d e s i g na n dm a k eap l lf r e q u e n c ys y n t h e s i sa st h el o c a lo s c i l l a t i o ns o u r c e t h e t e s t r e s u l t s t h el o c k e df r e q u e n c y 5 8g h z t h ep h a s en o i s e 9 3 5 1d b c h z 10 k h z p r o v eg o o d e n o u g ht om e e tt h en e e d so f t h es y s t e m 4 d e s i g nm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc i r c u i t s d e s i g nap o w e r s p l i tt os p l i tt h e s i g n a lo f t h ep l lf r e q u e n c ys y n t h e s i s k e yw o r d s p s e u d o r a n d o mc o d ep h a s e m o d u l a t i o n m i c r o s t r i pa n t e n n a p l lf r e q u e n c y s y n t h e s i s cw a v eb a n d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在 本学位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明 研究生签名 幸窒约 粥年 月a 细 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对 于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 圭查煎口彦年石月 乡日 硕j 论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 1 绪论 1 1 本文研究背景 无线电测距是通过无线电波来探测目标并测算出探测器与目标之间距离的一种技 术 随着电子技术的发展 无线电测距在各种场合得到了广泛的应用 如宇航 交通管 理的自动化 工业生产的自动化 防盗报警等 无线电测距技术的工作波段包括米波 分米波 厘米波和毫米波 在使用器件上也经历了从2 0 世纪4 0 年代的电子管型 5 0 年代的晶体管型 6 0 年代的固体电路型 发展到7 0 年代特制集成电路型 进入8 0 年代 后 随着电子技术的飞速发展出现了较为复杂的电路 在工作原理上包括连续波多普勒 体制 脉冲多普勒体制 频率调制体制 脉冲调制体制 噪声调制体制和捷变频体制等 刍苣 1 2 3 寸o 1 2 伪码调相体制的优点 噪声体制是指发射被噪声调制的载波信号 并采用相关接收技术的测距系统体制 噪声信号是非周期信号 具有良好的距离和速度鉴别能力及良好的抗干扰性能 但是噪 声是随机信号 不能复制 无法加以利用 伪码是伪随机码的简称 它具有良好的 随 机性 它的自相关函数接近于白噪声的自相关函数 即有窄的相关峰和宽的功率谱密 度 使它易于从其它信号或干扰中分离出来 其伪随机性表现在具有一定的规律性 预 先可确定性和重复性 使它易于实现相关接收 而且伪码在有良好的抗干扰性能的同时 还解决了抗干扰性能与提高灵敏度之间的矛盾 4 1 具体来说伪码体制具有如下的优越 性 1 测距精度高 同时具有良好的距离和速度分辨能力 2 具有很强的抗干扰能力 3 伪码体制是噪声体制的一种数字模拟实现方案 伪码信号本身及其延迟样本皆 可用数字逻辑电路产生 实现起来比较容易 1 3 伪码调相测距的系统结构 伪码调相测距系统采用二相相移键控调制方式 又称为b p s k 调制 其原理图如图 1 3 1 所示 它由天线 收发丌关 功率放大器 低噪声放大器 0 z 调相器 混频器 功分器 伪码产生器 本振源 延时器 相关器等部分组成 l 绪论 硕1 论文 收发天线 藕磊稠 瓜南要l 旦l 网功率放大器卜 叫收发开关卜 二二 叫低嗓放 o 丌调相器k 1 功分器 伪码产生器1l 本振源 混频器 弋 l 3 l 垩堕兰卜 叫塑叁壁r i 石 一1 堕兰竺堡l 图1 3 1 伪码调相测距原理框图 各级信号如下 在上图中已经标出位置 1 发射信号 f 4 w s t 万m f 1 3 1 式中 4 为发射信号的幅值 为载波角频率 m t 为伪随机m 序列 其值为1 或0 2 回波信号 u f a rc o s f x m t f 1 3 2 式中 彳 为回波信号幅度 为多普勒信号角频率 f 为反射信号延迟时问 3 混频器输出信号 u f a m o r c o s 哟t 1 3 3 式中 a 是混频后信号的幅度 m o r 为伪随机m 序列 其值为l 或 1 由上式可知 混频器的输出信号是伪码序列和多普勒信号之积 波形如下图所示 删 删嘲冈10m l 删田l 舢硼8i a 荫缪列信号 b 多昔勒信号 c 混频器输出信号 图1 3 2 伪随机序列 多酱勒信号和混频器输出信号 硕 二论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 4 相关器输出 r r r l t o e o s c o a t 1 3 4 由上式可知 相关器输出的信号是伪码序列的自相关函数与多普勒信号之积 波形如下 图所示 j 蠊 l m l 2 正j jl t i l i l l i 毳 一 o露啊 函 l j 41隔 i 龟 t o k p l o l 1 绪论硕 论文 第五章仿真设计了调制与解调电路 功分器 并根据探测器前端系统的结构图 对 该系统的其它部件进行交待 4 硕士论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 2c 波段微带贴片天线阵的设计 2 1 微带天线的基本概念 早在1 9 5 3 年德尚 g a d c s c h a m p s 教授就已提出利用微带线的辐射来制成微带微 波天线的概念 但是在随后的近2 0 年里 对此只有一些零星的研究 直到1 9 7 2 年 由 于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求 芒森 r e m u n s o n 和豪威 尔 j q h o w e l l 等研究者制成了第一批实用微带天线 随之国际上展开了对微带天线 的广泛研究和应用 1 9 7 9 年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题国际会议 1 9 8 1 年i e e e 天线与传播会刊在1 月号上刊载了微带天线专辑 至此 微带天线已形成 为天线领域的一个专门分支 两本微带天线专著 2 4 2 5 1 也相继问世 可见 7 0 年代是微 带天线取得突破性进展的时期 在8 0 年代中 微带天线无论在理论与应用的深度和广 度上都获得了进一步的发展 今天这一新型天线已趋于成熟 其应用与日俱增 5 j 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 带天线或同轴线等馈线馈点 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为一种缝隙天线 通常介 质基片的厚度与波长相比是很小的 因而它实现了一维小型化 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 直角弯头等 来形成辐射 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 由介质基片另一侧的微带线或其它馈线 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各种阵列天线 如微带贴片阵天线 微带振子阵天线等 5 7 1 与通常的微波天线相比 微带天线的主要优点 6 是 1 重量轻 体积小 2 制造成本低 易于大量生产 3 散射截面较小 4 适合于组合式设计 与通常的微波天线相比 微带天线也有一些缺点 1 频带窄 2 增益较低 3 存在表面波影响 4 功率容量较低 微带天线的基本参数有方向图 方向性系数 增益 输入阻抗 带宽等 由于这些 概念比较简单和常见 这罩不作具体叙述 5 2c 波段微带贴片无线阵的设计 硕l 论立 2 2 仿真软件的选择 电磁仿真是一种新技术 在复杂微波和射频印刷电路 天线 高速数字电路和其它 电子元件设计中 可提供高准确度的分析和设计 z e l a n d 公司的i e 3 d 集成了全波电磁仿 真和最优化包 可用于分析和设计三维微带天线和高频印刷电路和数字电路 如微波和 毫米波集成电路 m m i c 以及高速印刷电路板 p c b 自1 9 9 3 年在m t t 论坛正式介绍以 来 i e 3 d 已被接受为平面和3 d 电磁仿真的工业标准 其问i e 3 d 有了很多改善 i e 3 d 已 成为最通用的 简单易学 高效准确的仿真工具 但是 在设计c 波段微带贴片天线时 若使用软件i e 3 d 柬进行天线的电磁仿真 天线模型建得恰当与否 仿真数据与实测数据有多大的偏差 这需要将仿真数据与实测 数据进行比较习能了解 因此 需要用一个天线的实测结果柬检验i e 3 d 的准确性 另外 在设计该种类型天线时 相比于软件i e 3 d 有没有更准确 更高效的软件 比如a n s o t t 公司的h f s s 它基于有限元计算方法 是不是更合适 这一点也需要进行 比较选择 2 2 1 一个实物天线例子 圃 图2 2 i 1 一个天线的实物幽 图2 21 1 为一个c 波段的微带贴片天线实物图 它的设计目标是中心频率在6 g h z 但从实测数据 图2 212 看来 它的中 f l 频率偏离了6g h z 且在6g h z 左右形成两 个极小值 没有达到预定的设计目标 这个天线设计是失败的 顾士论女c 波段伪码调相撵铡器前端关键技术研究 00 0 e 0 0 20 0 e 0 0 4 0 0 e 0 0 盆一60 0 e 0 0 一一80 0 e 0 0 一l0 0 e 0 l 一12 0 e 0 1 14 0 叶o l v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r 8 7 2 2 e s 二1 一r if 1 j 卜 一二 i 一 00 0 e l 0 0 e 20 0 e 3 0 0 e 40 0 叶5 0 0 e 6 0 0 e 70 0 e 80 0 e 0 00 9 0 90 90 90 90 90 90 9 f r e q u e n c y h z 图2 2 12 实测s 1 1 曲线 2 2 2 用软件i e 3 d 进行建模 根据该天线实物的尺寸 在i e 3 d 中建立模型 如图2221 所示 幽2 22 1 天线在i e 3 d 中模艰图 运行i e 3 d 进行仿真 得到下图的结果 2c 波段微带贴片天线阵的设计 硕 论文 广a s n i 图2 2 2 2 用i e 3 d 仿真天线的s 1 1 曲线 将图2 2 1 2 图2 2 2 2 的数据导入m a t l a b 进行绘图比较 如图2 2 2 3 所示 s 1 1 曲线 z x x x x 3 四弼j 孑 x x z y x 椰m z 备 一 女 e 气 f x x 鳓濑屠一 x f 广 卜 f 广一 i 4 x l k u x x 芒 让 55 2545 65b66 2646 66 8 7 f r e q g h z 图2 2 2 3i e 3 d 仿真与实测s 1 1 比较曲线 比较实测天线的s 1 1 曲线和用i e 3 d 仿真的s 1 1 曲线 发现两者很相似 实测天线 的s 1 1 曲线极小值出现在两个频率点5 7 7g h z 和6 1 6g h z s 11 大小分别为 1 2 1d b 和 8 7 6d b 用i e 3 d 仿真的s 1 1 曲线极小值出现在两个频率点5 7 5g h z 和6 1 4 9 3 2g h z s 1 1 大小分别为 1 2 1 1 8 3d b 和 8 3 0 4 4 9d b 8 0 之 4 占 串 佃 伫 硕士论文 c 波段伪码 相摊两器前端关键拄术研究 2 2 3 用软件r f s s 进行建模 为了比较不同软件对天线仿真的准确性 还使用了a n s o t 公司的软件h f s s 对该 天线进行相同尺寸建模 如图2 231 所示 幽2 23 t 天线在i f f s s 中模型幽 运行h f s s 进行仿真 得到下图的结果 罾 i 二 弋7 一 二二 f j 一 复 二一 严 弋订7 一 二 i 一v q 巫回国匮要 墓 至翌 图2 23 2 用h f s s 仿真天线的s 1 i 曲线 将图2 2 12 国2 232 的数据导入m a t l a b 进行绘图比较 如图2 233 所示 eic2 j i rae 2c 波段微带贴j 天线阵的设计顾十论文 0 2 4 占 号 8 1 0 1 2 1 4 s 1 1 曲线 o l x z x x x 飞x x 形 翁霹j y x x m x 奠 茅 x x x j x m e 7 嚏 v i i io o i j 丹 t x 瑚 x 实测数据 x x x x f l r 托 v s5 25 45 65 866 26 46 66 87 f r e q g h z 图2 2 3 3h f s s 仿真与实测s 1 l 比较曲线 比较实测天线的s 11 曲线和用h f s s 仿真的s 1 1 曲线 发现两者基本相似 实测天 线的s l l 曲线极小值出现在两个频率点5 7 7g h z 和6 1 6g h z s l l 大小分别为 1 2 1d b 和 8 7 6d b 用h f s s 仿真的s 1 1 曲线极小值出现在两个频率点5 7 2g h z 和6 1 4g h z s 11 大小分别为 1 2 7 6d b 和 4 9 7d b 2 2 4 结论 通过图2 2 2 3 和图2 2 3 3 的比较发现 软件i e 3 d 的仿真结果与天线实测结果较吻 合 软件h f s s 的的仿真结果在第二个极小值处s 1 1 与天线实测结果偏差较大 这不能说明软件i e 3 d 比软件h f s s 在电磁仿真方面一定更准确 但可以说明 该 天线在软件i e 3 d 中建的模型更准确些 因此 选用软件i e 3 d 作为c 波段微带贴片天 线阵的设计工具 2 3 微带天线单元设计的基本步骤 8 l 微带天线单元可以单独使用 也可以作为阵列的一部分而同其它相同的单元组合使 用 无论哪种情况 设计者均应掌握单元的详细设计步骤 微带天线单元的设计主要根据设计要求选择天线的基板材料 确定天线的基本结 构 包括天线尺寸和天线的馈电形式 最后分析各种因素对天线性能的影响 调整天线 的结构 最后设计出符合设计要求的天线 2 3 1 基板材料的确定 根据给定的工作频率和技术指标选取适当的介质基板并确定其厚度 这是因为基板 1 0 硕士论文 c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 材料的 和t a n 8 值及其厚度h 直接影响着微带天线的一系列性能指标 2 3 1 1 对尺寸及体积重量的影响 工作于主模肼们模的矩形微带天线的贴片长度l 近似为 2 以为介质内波长 以2 纭 凡为自由空间波长 巳为有效介电常数 乞可表示为 铲孚 孚 警 咣 3 可见贴片长度l 值与f 直接相关 当l w 取定后 则h 的取值决定着天线的体 积和重量 显然当要求天线工作于较低频段时 如果安装面积和体积重量有限制 应选 用s 较大的基板 2 3 1 2 基板厚度h 对频带的影响 频带窄是微带天线的主要缺点之一 对矩形微带天线其原因可理解为两个辐射缝之 间低的传输线特性阻抗 1 l o f t 所致 h 的增大使传输线特性阻抗增大从而使频带变 宽 当厚度h z 1 6 时 v s w r 2 的频带宽带的经验公式为 带宽陋 4 f 2 南 2 3 1 2 3 2 式中f 是以g h z 为单位的频率 h 是以英寸为单位的基板厚度 如果h 以毫米为单位 则上式可写为 带宽 m h z 5 0 4 f 2 h 2 3 1 3 2 3 1 3 基板厚度h 对效率的影响 由辐射品质因素公式q 专鲁 可知h 的增大使辐射效率增大 但当基板厚度过 大时 天线表面波问题严重 从而又使天线的效率降低 因此只有适当的增加基板厚度 才会对天线的性能有好处 2 3 2 单元宽度的确定 在确定介质基板材料及其厚度h 后 应先确定单元宽度w 的尺寸 由式 2 3 1 1 知当占 及h 已知时巳取决于w 而单元长度l 的尺寸又取决于t w 的尺寸影响着微 带天线的方向性函数 辐射电阻及输入阻抗 从而也就影响着频带宽度和辐射效率 另 外 w 的尺寸直接地支配着微带天线的总尺寸 在安装尺寸允许的条件下 w 取得适 当大些对频带 效率及阻抗匹配都有利 但当w 尺寸大于下式给出的值时将产生高次 模 从而引起场的畸变 1 7 1 8 缈 2 l 孚 力 3 2 l 2 式中c 是光速 厂 是谐振频率 由上式可知w 总是取小于o 5 矗的值 2c 波段微带贴片天线阵的设计 硕士论文 2 3 3 单元长度的确定 矩形微带天线的长度l 理论上取o 5 以 但实际上由于边缘场的影响 在设计l 的 尺寸时应从o 5 以中减去2 址 于是 l 0 5 z 一2 a l 2 3 3 1 帆 纭 址由铷 2 一航 2 4c 波段微带天线单元的设计 2 4 1 天线设计指标与初步设计 根据系统要求 天线的设计指标如下 1 谐振频率为5 8g h z c 波段 2 底板为一个直径小于5 9i i l m 的圆 3 带宽为1 0 0m h z v s w r 2 4 频率5 8 g h z 所对应的方向图垂直底板向上 增益大于1 0d b i 根据2 3 节的内容 经过初步估算后 确定天线的基本结构 得到天线的一些基本 参数如下 选择介质板的相对介电常数为占 3 3 8 介质板的厚度为o 8 1 3m l t l 根据计算得出 三f 型1 毖 1 7 4 7 6 m m 2 f rl2 s 型 型1 1 0 2 h1 见 3 1 4 3 3 22 j 铲舷 2 吼1 7 4 3 n 1 i i l 址 4 2 兰 竺 型么 竺尘 3 9 呲5m m e e 一0 2 5 8 0 8 l 以 2 址 1 3 8 0 6 9m m 2 4 2 单元贴片的仿真设计 因为天线底板要求是直径小于5 9m m 的圆 所以单片微带贴片的长度 宽度就受 到了限制 在保持l 1 3 8m m 不变的情况下 适当减小w 的长度 取w 1 5 7m m 显 然 这样做是以对频带 效率和阻抗匹配不利为代价的 见2 3 2 节的内容 1 2 i 堕垦 堡 墨 塑i 丝 查旦生 为了方便组成天线阵 希望用特性阻抗1 0 0 欧姆的微带线给贴片单元馈电 如图 2 42 l 所示 闰2423 单元贴片的s l i 曲线 一 2c 波段微带贴片灭线阵的设计硕 论文 图2 4 2 4 是单元贴片的v s w r 曲线 将馈源的特性阻抗设置为1 0 0 欧姆 由图可 知该单元的带宽 v s w r 哆 1i ii 蕊 j j ji i j 麓 j i容 扣 叩 j i 懑 一一 髫 二二 誓 5 轻 篓鳖竺攀薹羹墨篆 1 4 硕上论文 c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 rh 俚n 1 广h 伍o 1 l 图2 4 2 6 单元贴片的输入阻抗图 图2 4 2 7 是单元贴片在频点5 8g h z 处的辐射方向图 将馈源的特性阻抗设置为 1 0 0 欧姆 由图可知 最大增益为6 1 2d b i 一i l p l t f 5 8 g b e t e t 1 p l l i o h ji p t t f 5 0 g l t z e i e t t a l p h t l o 0 t n h 菡i j d 1k 1 m 图2 4 2 7 单元贴片的方向图 2 5c 波段微带贴片天线阵的设计 前面章节已经设计出了微带贴片天线单元 天线的指标良好 但是天线的增益不是 很理想 只有6 1 2d b i 左右 在实际应用中难于满足要求 所以要采用由微带天线单元 组成的微带贴片阵列天线 2c 波段微带贴片天线阵的设计硕士论文 2 5 1 微带天线阵的馈电形式i 5i 2 5 1 1 微带线阵馈电方式 最简单的排列方式是直线阵 其馈电结构一般采用串馈或并馈 串馈线阵 如图2 5 1 1 的辐射单元沿一传输线排列 此传输线可以是驻波 谐振 式 馈源 也可以是行波 非谐振式 馈源 谐振式串馈线阵的阵元相距以 2 或丸 以保证对阵元同相馈电 波束指向边射方向 其终端短路或开路 沿线形成驻波分布 可用周期性加载的传输线来表示这种馈源 其频带较窄 在行波式串馈线阵中 从输入 端对传输线馈电后 沿线每个阵元都耦合一部分功率 最后剩下的小部分功率由终端匹 配负载吸收 为了避免反射波同相叠加 阵元间隔不是以 2 的倍数 此时波束不是指 向边射方向 而是倾斜的 其阻抗频带宽 但其主波束将随频率偏移 在并馈线阵 如图2 5 1 2 中 各阵元都独立馈电 通常都利用并合式功率分配网 络 其典型形式是利用多个将一端口分成两路的t 型分支 依次分为两路 直到总分端 数等于阵元数为止 由于从输入端至各单元都等长 全部单元同相 形成边射波束 且 频带宽 图2 5 1 1 线阵串馈形式 图2 5 1 2 线阵并馈形式 2 5 1 2 微带面阵馈电方式 微带线阵的二维组合即为面阵 在馈电方式上可以使用并馈 串馈或串并馈相组合 的方式 这罩不再具体详述 给出一种常用的馈电方式 如图2 5 1 3 1 6 图2 5 1 3 面阵馈电形式 目十论女 c 波段伪码调相探刊器前端关键技术研究 2 5 2c 波段四元面阵的设计 由于基板外形是直径小于5 9r a m 的圆 为了充分利用基板面积 采用2 x 2 的面阵 形式 并使用并馈式的馈电方式 四元贴片的布局如图2 521 所示 i 匝 图2 52 1 四元贴片的布局圈 馈电网络如图2 52 2 所示 l t e i i 一 t l 口 l l 2 5 j 圆形底板在仿真中的建模 幽2 522 馈电网络示意幽 软件i e 3 d 在仿真之前 先要对所建模型进行网络剖分 m e s h i n g 产生进行数值 计算的单元 c e l l s 单元数决定了计算的未知量 1 n k i l o w n 的数目 如果计算量过 多 则仿真所需要的计算机资源和计算时问将会非常巨大 软件i e 3 d 的仿真时i 可可以主要分为两块 a 数据填入矩阵所花费的时l 可 记为 f m t b 计算矩阵所花费的时间 记为s m t 其中f m t 正比于未知量数目的平方 s m t 正比于未知量数目的三次方a 总的仿真时间可以表示为 t o t a ls i m u l a t i o n t i m e f m t s m t c n 2 e 3 4 1 其中 n 代表未知量的数目 c 和e 对特定的仿真结构来说是常数 不管什么样的结构 当它的未知量变得很大时 总的仿真时问将正比于 的 所 1 7 2 c 被殷微带贴片无线阵的设计 顾士论文 z 囊i 篓 i 鬻蠢囊是 霪篓蒸蕤 藿囊篓嚣 萋萋耋囊嚣爹 j 鬻囊藕蒸薹菱爹 j 鼍萋蔫誊鍪萎溪爹 硕上论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 图2 5 3 2 手动剖分示意图 大量减少未知量数目 是不是会大大降低天线仿真结果的精确性呢 结论是精度不 会降低 因为设计天线所关一t l 的主要是s 参数和方向图 而s 参数主要取决于能量传输 方向上的电流密度积分 方向图主要取决于电流密度的加权积分 可见这两个指标的主 要影响因素是电流密度的积分 而不是电流密度本身 软件i e 3 d 在使用较少单元数的前提下计算电流密度的积分是十分准确的 所以使 用手动剖分只要恰当 可以大量减少未知量 而且其计算精度也不会降低 为了比较自动剖分与手动剖分的差别 使用2 2 1 节中的实物例子 如图2 2 1 1 在i e 3 d 中建立的模型如图2 2 2 1 所示 使用主频1 7g h z 内存2g b 的p c 进行运算 设置仿真参数 最高频率7g h z 每波长2 0 个单元 扫频范围从5g h z 到7g h z 扫 频点数为1 0 1 分别使用手动与自动两种方式进行剖分 在i e 3 d 中运行 差别如下表 所示 表2 5 3 1 两种剖分方式对资源和时间的消耗 一 未知量数量 内存需求量仿真需要的时间 剖分方式 手动剖分6 0 2 43 0 2m b5 6 9 2s e c o n d s 自动剖分 1 1 3 9 11 0 8 0m b9 2 4 0 3s e c o n d s 由上表可以看出 与自动剖分相比 手动剖分减少了未知量数目 约为自动剖分的 5 0 节约了内存需求量 约为自动剖分的2 8 大大缩短了仿真时间 约为自动剖 分的6 下图为两种剖分方式下仿真数据 s 1 1 的比较 1 9 2 c 波段微带贴片天线阵的设计目l 逢立 s 1 1 曲线 一一 矿r y事劫制舟l l 熙 扩 7 ll 7 1 一 幽2 5 4i 四元面阵的模型i 竺i 卜图是四元面阵的s 1 1 曲线 由图可知天线的谐振频率为5 8 g h z s 1 1 的值小于 4 0d b 在这个频点上匹配较好 硕j 论文 c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 5 0 s 1 0 i s 鼍啪 为 一 蒉 一广a t s n i 5 b s 6 55 t5t 5s 8s 衢s 95 钙6 r n n q 帆z 图2 5 4 2 四元面阵的s 1 1 曲线 5 0 s 1 0 一1 5 啦鼍 一2 s 3 0 一3 s 4 0 图2 5 4 3 是四元面阵的v s w r 曲线 由图可知该四元面阵的带宽 v s w r 2 为 1 0 0m h z l i 8 6 2 o rr ti 5 65 畴s t57 5585 器 5 959 56 i r e q u e m 7 6 1 t z 图2 5 4 3 四元面阵的v s w r 曲线 1 4 e 6 i 2 0 图2 5 4 4 是单元贴片的s m i t h 圆图 由图可知 在5 8g h z 处 匹配较好 2 l 譬 图2 5 4 5 5 0 6 8 5 4 j 0 5 9 7 图2 5 4 4 四元面阵的s 删t h 圆图 苎罢元面阵的输入阻抗 由图可知 在5 8g h z 处 输入阻抗为 欧姆 一 一广 i z 饥1 一广h z i i l j o 图2 5 4 5 四元面阵的输入阻抗幽 圆坊要 三 主 4 6 曼羔量冀 在频点5 8g h z 处的辐射方向图 由图可知 e 面h 面方向 要较紫饥默槛均枷 4 4 6 9d b i 蒯瓣许均 j 于一 2 0 茁 荔然激兰5 0 为 度 一 m 砸 论文c 城髓皓码调相探 器前靖关键技术研究 f 等 器 崔 置0 幽2 5 46 四元面阵的方向图 2 5 5 四元面阵的实物制作与测试数据 图255l 为四元面阵的实物图 采用背馈方式接入s m a 接头 幽2 55 1 四元面阵的实物蹦 图2 552 为实际测量得到的s l l 曲线 由图可见天线在5 8g h z 处匹配得很好 2c 波段微带贴片天线阵的设计 硕十论文 v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r 8 7 2 2 e s v u u l u u 厂 一5 0 0 e 0 0 一1 0 0 e 0 1 i 查一1 5 0 e 0 1 i 一一2 0 0 e 0 1 2 5 0 e 0 1 3 0 0 e 0 1 图2 5 5 2 四元面阵的实测s 11 曲线 图2 5 5 3 为实际测量得到的v s w r 曲线 由图可见该四元面阵的带宽 v s w r 2 为1 4 0m h z 5 0 0 e 0 l 4 0 0 e 0 l 筮3 0 0 e 0 1 2 0 0 e 0 1 1 0 0 e 0 1 0 0 0 e 0 0 v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r 8 7 2 2 e s 0 0 0 e 1 0 0 e 2 0 0 e 3 0 0 e 4 0 0 e 5 0 0 e 6 0 0 e 7 0 0 e 8 0 0 e 0 00 90 90 90 90 90 90 90 9 f r e q u e n c y h z 图2 5 5 3 四元面阵的实测v s w r 曲线 2 5 6 测试数据与仿真数据的比较 将图2 5 4 2 和图2 5 5 2 中的数据导入m a t l a b 截取频率范围5 d 6g h z 内的数据 得到实测与仿真的s 11 比较图 见图2 5 6 1 将图2 5 4 3 和图2 5 5 3 的数据导入m a d a b 截取频率范围5 6 6g h z 内的数据 得到实测与仿真的v s w r 比较图 见图2 5 6 2 2 4 硕l 论文 c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 0 5 1 0 1 5 2 0 甾 3 0 3 5 4 0 4 5 r 一 i 岩 h 一j j 实测值 一 vl 一一仿真值 上 铲 j 沁 1 强 l l 1 i 5 65 6 55 75 7 55 b5 8 55 95 9 56 6 0 5 f r e q g h z 图2 5 6 1 实测与仿真的s 11 比较图 实测值 仿真值 l i t l f 二 1 夕f 5 65 6 55 757 55 85 8 55 959 5660 5 f r e q g h z 图2 5 6 2 实测与仿真的v s w r 比较图 由图2 5 6 1 和图2 5 6 2 可见 实测数据谐振频率偏离5 8g h z 大约1 0m h z 但实 测数据的带宽 v s w r 2 比仿真数据大4 0m h z 这是因为仿真软件默认的s m a 探针 截面为正方形 而实际使用的探针截面为圆形 导致输入端的匹配情况发生变化 另外 实际天线的介质板损耗将导致天线q 值减小 从而扩展了频带宽度 4 2 0 8 6 4 2 0 3c 波段微带贴片天线的研究硕l 二论文 3c 波段微带贴片天线的研究 3 1 制造公差对天线性能的影响 按照理想情况设计出来的微带天线及预算出来的各种电性能还需要通过按设计数 据制作好的微带天线的测试予以证实 有时 测量值与预算值不一定吻合很好 其原因 很多 如接地板大小 介质基片介电常数的偏差以及制造误差等等 影响最敏感的是谐 振频率 天线加工尺寸的微小公差将引起有效电尺寸的偏差 基片材料相对介电常数的变化 或基片厚度的不均匀也会引起设计的谐振频率与实际的谐振频率之间的偏差 由于微带 天线本身频带就很窄 因此 这种偏差绝不能忽视 基片厚度和介电常数在生产时就有公差 例如一些高介电常数基片的介电常数典型 公差值是 2 基片厚度典型公差值是 5 天线的制造误差大多是由于蚀刻不精确引起的 影响蚀刻精度的因素很多 诸如加 工工艺方法 光刻过程中使用的材料 基片表面光洁度 基片金属敷层等等 一般情况 下 光刻精度大约等于金属敷层厚度t 矩形微带天线的谐振频率可用下式计算 二一 3 1 1 2 l 2 a l x o w e 可见 谐振频率的误差来源于微带天线的长度误差缸和有效介电常数误差 占 因 此 可以得到 a f l a f fa l 2 要蝇 2 l 2 3 1 2 而有效介电常数误差a o w 1 并且w 的误差与金属敷层厚度t 等量级 于是上 式等号右边第二项可以忽略 另外 微带厚度对o w 的影响也很小 因此上式可以写为e 掣 竽 z 堕 2 擘a h 2 拿 z m 3 1 5 q l o w e o h o r 其中 ow 坐 盟 1 堂 恐e 22 l 硕士论文 c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 芸咖 争 2 鲁叫p 1 旁 1 可1 2 h 广 2 对于如上天线单元有f o 58g h z w 1 7 4m m l 1 38m m 33 8 h 0 8 1 3m i l l 设天线的制造公差为 a l o0 2 m i l l 2 幽 5 将这些数据代入式 3 j5 得到 幽 2 3 5 工 即谐振频率会偏离f o 5 8 g h z 大约1 3 6 3 m h z 3 2 互耦效应对天线性能的影响 微带天线单元问的互耦效应在天线阵的设计中是非常重要的 因为它可能引起多个 单元与其馈线的失配和阵方向图的畸变 通常 微带贴片间的互耦是由空间波和表面波同时引起的 研究表明 当天线的介 质基片厚度较小时 主要的耦合机理是通过单元 自j 的空间波进行的 表面波的影响可以 忽略不计 随着介质的厚度的增加 表面波的影响将加大 激励起的表面波模数变多 将有更多的功率耦合到激励起的多个模式中 这将影响天线的效率和增益 另外 表面 波的一部分功率还会进入馈电网络影响匹配 互耦效应的存在将导致 1 阵元输入阻抗与孤立单元的输入阻抗不同 2 存在互耦影响与忽略互耦影响时的天线阵增益不同 下面将对以上两点影响作定性上的仿真分析 3 2 1 建立互耦效应模型 为了分析上的方便 采用两块贴片来代表贴片阵 即只研究相邻问的互耦效应 同时忽略馈电网络的影响 如下图所示 通过改变两贴片间距d x 束观察互耦效应 图3 2 11 互耦效应模型图 3c 波段微带贴片天线的研究 硕i j 论文 3 2 2 互耦影响输入阻抗 由于互耦的两片贴片是对称的 所以只要观察一个端口 例如端口1 的输入阻抗即 可 设黄d x 的值分别为2 8e l m 2 6m m 2 2m m 2 0m m 1 8m m 时 输入阻抗的仿 真结果如下 图3 2 2 1 为输入阻抗的实部 图3 2 2 2 为输入阻抗的虚部 图3 2 2 3 为 s 1 1 曲线 皲1 卯 莹 岜 口1 阻抗实部图 革贴片 一 一d x 2 8 m m 由 2 6 m m 一 d 2 2 m m d x 2 0 m m x 由 1 b m m 1 绔 臻 0 f i j 0 震 一 c 飞 一 x x r h 乏 皲1 0 0 龟 至5 0 5 656 55757 55e58 55 959 5660 5 f m a g h z 图3 2 2 1 不同间距对应的阻抗实部 阻抗虚部图 单贴片 d x 2 8 m m d x 2 6 m m d x 2 2 m m v x x d x 2 0 m m i i j d x 1 6 r a m x x x x 9 一 x 龟 i l xj 一 舅 黔 二 移 k 1 5 y x k b 矿 i 7 冀 7 j 5 656 557 57 5 5 85 8 55959 5650 6 f r e q g h z 图3 2 2 2 不同间距对应的阻抗虚部 硕j 论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 s 1 1 曲线 r 一 i 芽鞠奠 p 瓷 簪一 x xx j h xx xy 衫 扎 x 单贴片 一 一 f l y 2 8 m m j i x 2 6 m m k 沁 出 2 2 m m 箩 d x 2 0 m m x 由鲁1 8 m m 强 i l 图3 2 2 3 不同间距对应的 1 1 曲线 由图可以看出 随着贴片间距d x 的缩小 在中心频率5 8g h z 阵元贴片端口处 的阻抗与5 0 欧姆失配越来越严重 3 2 3 互耦对天线阵增益的影响 如果不考虑互耦影响 也不考虑馈电网络对方向图的贡献 将单个阵元的增益方向 图乘以阵因子就得到了无互耦影响的二元阵的增益方向图 从而得到无互耦的天线阵的 最大增益 如果考虑互耦影响 但不考虑馈电网络对方向图的贡献 将两个单元的端口处均馈 入等幅同相的信号 从而得到有互耦的天线阵的最大增益 分别设置阵元间距d x 2 8i t u t i 2 6i n i l 2 2 如m 2 0n l r n 1 8r n n l 在中心频率5 8g h z 处 对天线阵有无互耦效应时的最大增益进行比较 如下表所示 表3 2 3 1 互耦对天线增益的影响 d 2 8m m2 6 e l m2 2r n m2 0m m1 8m m g a i n 无且耦情况 8 8 2d b i8 6 0 d b i8 1 8d b i7 9 8d b i7 7 9 d b i 有且耦情况 8 o ld b i7 7 5d b i7 1 0 d b i 6 5 4 d b i5 5 9d i 甄 由表可见 随着阵元间距d x 的缩小 阵元i 副的互耦变得严重 表面波的影响将加 大 激励起的表面波模数变多 将有更多的功率耦合到激励起的多个模式中 导致天线 阵的增益相比于无互耦情况显著减小 o 加 仞 铷 枷 卸 卸 p 3c 波段徽带贴j j 线的研究 颈j 论文 3 3 介质敷层对微带天线性能的影响 微带贴片天线如果暴露在空气中 贴片上可能会结冰 在许多应用中都要求在辐射 单元上敖介质层以防热 防止机械损坏和周围环境的影响 这些敷层对天线性能的影响 可能会达到应该考虑的程度 由于微带贴片天线的带宽本来就很窄 这样一来就引起了 调谐的问题 并且严重地降低了天线的性能 下面就来研究敷层对天线谐振频率的影响 3 3 1 敷层相对介电常数不变的情况 使用如下模型 图33 11 这是所研究单元的顶视图 介质相对介电常数为33 8 介质厚度为o8 1 3 m m 口 幽3 3 11 单元顶视图 现在为该天线单元上加一层介质 为了分析方便 假设相对介电常数也为33 8 厚 度为h m m 依次改变h 的数值为00 2 m m o0 4 m m 在i e 3 d 中分别进行仿真 得出一串s 1 1 曲线 00 6 m m 0 0 8t m 0 l m m 02 m m 将它们画到下图中进行比较分析 硕上论文c 波段伪码调相探测器前端关键技术研究 2 0 曼 3 0 4 0 s 1 1 由线 f j 古6 已0 过警 0 垂垒垂幸 c最藏蔫蕊 蔷鑫蓼粤翌罗 一一 v c l 唏主蕊 矗哆缈 h o m m 一一h 0 0 2 m m vk 辩 7 h 0 0 4 r a m o 咔 b h 0 0 5 m m 0h o m m o h 0 1 m m f 盯 v h o2 m m j j 十 l 蕊 j 一 o j 心 i ij i j lf u 争 f 3c 波段微带贴片天线的研究 硕上论文 图3 3 2 1 改变敷层的相对介电常数s 1 1 变化图 由上