射频微波天线课件

1、第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线12.1 12.1 天线基础知识天线基础知识12.2 12.2 常见的天线结构常见的天线结构12.3 12.3 单极天线和对称阵子天线单极天线和对称阵子天线 12.4 12.4 喇叭天线喇叭天线12.5 12.5 抛物面天线抛物面天线12.6 12.6 微带天线微带天线第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线12.1 12.1 天线基础知识天线基础知识12.1.1 天线基本指标天线的基本指标介绍如下：(1) 天线增益G定义为 （12 - 1a）式中,Pr为被测天线距离

2、R处所接收到的功率密度,单位为W/m2; Pi为全向性天线距离R处所接收到的功率密度, 单位为W /m2。irPPG 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度,即 (2) 天线输入阻抗Zin定义为式中,U为在馈入点上的射频电压； I为在馈入点上的射频电流。24 RGPPtr（12 1b）IUZin（12 2a）第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线天线是个单口网络,输入驻波比或反射系数是一个基本指标,为了使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可能小。阻抗、驻波比与反射系数的关系为11

3、110ZZVSWRin（12 2b）第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线(3) 辐射效率r定义为 （12 - 3）式中,Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W。(4) 辐射方向图：用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布,如图12-1所示。(5) 半功率角的定义如图 12 - 2 所示。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-1 辐射方向图0zEE90 x090面180270H面yO第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线 图 12-2 半功率波束宽度(a) 按电场定义； (b) 按

4、功率定义0.707 EE0.707 E0.5 P0.5 PP(a)(b)第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线(6) 旁瓣: 在主辐射波瓣旁,还有许多副瓣,沿角度方向展开如图12 - 3 所示。其中,HPBW为半功率波束宽度,辐射最大功率下降3dB时的角度; FNBW为第一零点波束宽度; SLL为旁瓣高度,辐射最大功率与最大旁瓣的差。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-3 主瓣与旁瓣主瓣HPBWSLL旁瓣FNBW角度/deg第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线(7) 方向系数D定义为 （12 - 4） 式中,Pm

5、ax为最大功率密度,单位为W/m2; Pav为平均辐射功率密度,单位为W/m2。常见的天线方向系数如下： 偶极天线 D=1.5 或 1.76dB 单极天线 D=1.5 或 1.76 dB 抛物面天线 喇叭天线式中,d为抛物面半径,为信号波长,A为喇叭口面面积。 avPPDmax22)(dD 22)(dD 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线12.1.2 远区场概念通常,天线看作是辐射点源,近区是球面波,远区为平面波, 如图12 - 4 所示。辐射方向图是在远区测量。下面给出远、 近场的分界点。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-4 远

6、区场概念球面波平面波D辐射点源等相位面天线lRD/2Rl源第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线在图12 -4 中,有以下几何关系：通常,R0 W0 （12 - 16） （12 - 17） 00ZLkBe第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线式中k0=2/0是自由空间的波数,Z0是宽度W的微带特性阻抗,e是有效介电常数, L是边沿电容引起的边沿延伸。由图12 - 17 可看出,边沿电场盖住了微带边沿,等效为贴片的电长度增加。 8 . 0/264. 0/258. 03 . 0412. 012121211202/10hWhWhLWhWhZeerree（1

7、2 - 18） 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线YinY0LLhG j BG j B等 效 电 路图12 17 边沿辐射槽第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线为了计算天线的辐射阻抗,天线可以等效为槽阻抗和传输线级联。输入导纳为式中Ys为式（12 - 17）给出的辐射槽导纳,=2e/0微带线内传播常数。谐振时, L+L=g/2=0/2e, 式(12 - 19)仅剩两个电导,即Yin=2G (12 - 20)2(tan)2(tan000LLjYYLLjYYYYYsssin（12 - 19） 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波

8、天线 微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W不是很关键,通常按照下式确定: )2(20LLcfe(12 - 21)2/10122rfcW(12 - 22)第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-18 矩形天线实例LWw1w2l1第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线设计实例：设计3 GHz微带天线,基板参数为2.2/0.762,并用四分之一线段实现与50 馈线的匹配。天线拓扑如图12 - 18 所示。步骤一： 确定各项参数: W=3.95cm, e=2.14, L=0.04cm L=3.34cm, Rin=288步骤二： 阻抗变换器的特性阻

9、抗为ZT0= =120 50288第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线 步骤三： 由微带原理计算得变换器的长度和宽度为l1=1.9 cm, w1=0.0442cm 微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算。图12 - 19是典型的方向图,典型HPBW=5060,G=58 dB。第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-19 微带天线的典型方向图 22518013590H面031510204050605040201045010204050603040503020103154590135180225E面30第第1212章章 射频射频/ /微波

10、天线微波天线射频微波天线在许多场合下要利用合适的馈线点实现微带天线的圆极化。如图12 - 20 所示,90耦合器激励两个方向的线极化构成圆极化,或者扰动微带天线的辐射场实现圆极化。第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-20 圆极化微带天线馈线点方形贴片第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线12.6.2 微带天线的其他形式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(对称阵子)。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,如图12 - 21（a）、 （b）所示。微带天线的另一种形

11、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,称为微带线型天线,如图12 - 21(c)所示。因为这种天线沿线传输行波,故又称为微带行波天线。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他馈线(如稽线)对其馈电,称之为微带缝隙天线,如图12 - 21(d)所示。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线,如微带贴片阵天线、 微带振子阵天线,等等。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-21 微带天线的四种形式接地板微带线接地板微带线导体振子接地板槽线导体贴片介质基片接地板微带线(a)(b)(c)(d)第第1212章章

12、射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图12 - 22 为两种馈电形式的矩形微带天线示意图,图（a）是背馈,同轴线的外导体与接地板连接,内导体穿过介质与贴片天线焊接；图（b）为侧馈,通过阻抗变换与微带线连接。第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-22 微带天线的两种馈电方式(a)(b)第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线矩形微带天线作为独立天线应用时采用背馈方式,而作为单板微带天线的阵元时必须采用侧馈方式。在制作侧馈的矩形微带天线时,可按下述方法实现匹配： 将中心馈电天线的贴片同50 馈线一起光刻制作,实测其输入阻抗并设计出匹配器,然

13、后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器。 任何形式的平面几何结构都可以用作微带天线,图12-23是部分微带天线形式。第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-23 微带天线的其他结构（a） 常用形式; （b）可能结构(a)(b)第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线12.6.3 圆盘微带天线的设计实例圆盘形微带天线是另一种基本形式。参数包括圆盘半径、馈电位置、输入阻抗、天线Q值、辐射效率、 总效率、输入VSWR及频带、辐射方向图。计算过程复杂,已有图表和软件可使用。下面给出圆盘半径计算公式,并以900 MHz天线为例,利用计算程序Mathcad

14、描述设计过程。圆盘半径为2/1)7726. 12(ln21hKKhKar（12 - 23） 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线式中设计实例：设计900 MHz圆盘微带天线,介质参数为4.5/1.6。(1) 确定参数。 天线的拓扑结构为： 设计频率f0=0.9 GHz, 最大输入驻波比VSWR=2.0 1, 基板参数为高度h=0.16 cm,介电常数r=4.5，损耗正切 tan=0.015,导体铜的=1.0。rfK0794. 8第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线(2) 利用设计软件（cpatch.exe）求出圆盘圆形天线的半径、 接头馈入位置、

15、 频率与输入阻抗的关系。 半径=4.580 cm 馈电点=1.800 cm频率与阻抗对应关系如表 12-1 所示。第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线表 12-1 频率与阻抗对应关系 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线频带内阻抗在圆图上的位置如图 12-24(a)所示。 (3) 利用设计软件（patch.exe）求出天线的总Q值、 辐射效率、 总效率、 天线频带宽度。 输入数据： SUBSTRATE HEIGHT=0.1600 cm S U B S T R A T E R E L A T I V E D I E L E C T R I C CO

16、NSTANT=4.50 SUBSTRATE LOSS TANGENT=0.0150 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线CONDUCTOR RELATIVE CONDUCTIVITY=1.000 PATCH RADIUS=4.580 cm FEED LOCATION=1.800 cm FREQUENCY=0.9000 GHz 计算结果: INPUT RESISTANCE=50.90 ohms PATCH TOTAL Q=47.639 RADIATION EFFICIENCY=95.97% OVERALL EFFICIENCY=21.10% PATCH BANDWIDTH

17、=1.48% 2.001 VSWR 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线(4) 利用设计软件（cirpat.exe）求得天线的辐射方向图,如图 12-24(b)、 (c)所示。(5) 圆盘天线的实际结构如图12-24 (d) 所示。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-24 圆盘形微带天线结构图馈入接头4.58 cm1.8 cm0.16 cmFR4 Er=4.5TAND = 0.015090180270E面H面(d)(c)(b)(a)900903020100H面.5.2.2.5125552.2.52方向图角度DBSCALE=40.05

18、dB PER DIVISION15 degreesPER ANGLE DIVISIONE面第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线12.7 12.7 天线阵和相控阵天线阵和相控阵单个天线的波束宽度与增益的矛盾限制了它的使用。在有些场合,要用更高的增益和更窄的波束。由于天线的尺寸与工作波长有关,必须用多个天线形成极窄波束。天线阵把能量聚焦于同一个方向,增加了系统的作用距离。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线12.7.1 天线阵考虑图12 - 25 所示的沿z方向分布的一维天线阵,总辐射场为每个单元的叠加。第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波

19、天线射频微波天线图 12-25 沿z方向分布的一维n元相控阵(N1) d cos4d cos3d cos2d cosd cosrNr5r4r3r2r112345Nddddz0z 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线远区场幅度相等,即r1=r2=r3=rN=r （12 - 24） 每个天线单元的家间距为d, 引起的相移为, 由距离引起的相移分别是r1=rr2=r+dcosrN=r+(N-1)dcos （12 - 25）故总场强为 阵因子元方向图NidkijirjkteIrefE1)cos)(1(004),(（12 - 26）第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线

20、射频微波天线 式(12-26)称为方向图乘积原理。阵因子AF与单元的分布有关。 12.7.2 相控阵 考虑波束扫描情况,假定每个天线单元都相同,相位从左到右步进增加,如图12 - 26 所示。 第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线图 12-26 N元天线阵的辐射方向 等相位面相移器(N1)(N2)20NN1N221(N2)(N3)dd k0ld00波束方向总相移 ( N1)(N1)( N1) k0l相移量单元数第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线阵因子为相邻单元的步进相移决定了辐射方向0。由式（12 - 15）知,辐射最大方向发生在=0的条件下。

21、此时,有=k0dcos=k0dsin0 cos010dkjneAFNn式中 （12 - 27） （12-28）第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线扫描角度为 的变化必须满足式（12 - 29）所限定的扫描角（波束方向）,或者说，改变可以调整天线的辐射方向。这就是相控阵的原理。 在相控阵中,天线的总波束宽度和增益与天线单元的数量有关。通常,为了避免旁瓣,间距为半波长,笔形波束的半功率宽度与单元数的关系为HPWB100-1/2 )arcsin(00dk（12-29）（12 - 30）第第1212章章 射频射频/ /微波天线微波天线射频微波天线总增益为GN 在相控阵中,可以电子控制每个单元的相位,保证辐射方向上