ka波段微带天线设计

1、 南京理工大学 硕士学位论文 Ka波段微带天线设计 姓名：田晓英 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：娄国伟;钱嵩松 20080601 硕士论文 摘 要 波段微带天线设计 微带天线由于其重量轻、剖面小、易共形、设计灵活、成本低且易和、 等电路相集成等优点得到了越来越广泛的应用，比如导弹制导、雷达、卫星通信等方 面。毫米波波长介于微波和红外之间，因而其特性也在一定程度上介于两者之间，如 适中的分辨率及良好的烟尘穿透性，因此在某些情况下可以完成微波和红外均难以完 成的任务。 波段是毫米波频段中的一部分，本文针对波段设计了三种微带天线，工作 频率均为。并且为了测试的需要，设计了波导

2、一微带过渡结构，即天线由一段 微带线激励，而这段微带线的下端从波导宽边中线上所开的小槽伸入波导腔中作为波 导的探针激励。 本文的工作主要包括： ）波段微带单脉冲天线设计及测试；首先利用 辅助设计了工 作频率为单个微带天线，考虑了馈电方式并调整了馈电点；然后仿真了由 个单个贴片组成了×微带天线阵列以及微带单脉冲和差网络。最后加工测试了× 微带天线子阵和×微带单脉冲天线。 ）波段宽带口径耦合微带天线设计及仿真；利用 辅助设计了 工作频率为的口径耦合微带天线，实现了宽带特性。并设计仿真了口径耦合微 带天线阵列，分析了结果。 ）波段宽带微带单极子天线设计及仿真；利用 辅助

3、设计了工 作频率为的圆形和椭圆形微带单极子天线，在，、，的范围内都满 足，带宽达到，远远超过普通的微带天线的典型带宽。 关键词：波段微带单脉冲天线宽带口径耦合微带天线宽带微带单极子天线 波导一微带转换 硕士论文 ， ， ， ， ， ， （） ， ， ， ， ： ） ， 、 ， ） -5 ） 硕士论文 波段微带天线设计 ： ； ； ； 础 ； 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

4、文中作了明 确的说明。 研究生签名： 年月 日 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： 年月 日 硕士论文 绪论 波段微带天线设计 波段微带天线的发展及研究意义 波段微带天线是指工作频段在，波长范围在的微带天线。 鉴于频段具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小等优点，波段天线在空间方面 主要应用于卫星通信，频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字 传输、高清晰度电视（）

5、、卫星新闻采集（）、业务、直接到家庭（） 业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。在全球信息基础设施中，波段 卫星发挥着至关重要的作用，能够向最终用户提供各种经济实惠的实时网络服务，例 如高速互联网接入、远程教育、远程诊断以及电视娱乐等。因此，波段天线具有不 可替代的重要作用。而波段微带天线以其重量轻、剖面小、设计灵活、成本低廉 且易和、等电路相集成等优点应用于各种通信系统，并且已广泛应用于军 事领域，例如雷达、导弹制导、引信等方面。 频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高，但这些都可以采取相关技 术手段予以克服。总之，频段卫星通信系统主要是在提供双向多媒体业务方面具有 较大优势。

6、 目前，波段微带天线在空间方面主要应用于卫星通信、飞机上的通信及警报设 备、飞船与地面的通信等。另外，在宇宙空间方面主要应用于资源探测。在地面应用 主要针对地面通信或对空中飞行物的定位、定向等。例如地面无线通信、飞机测高、 机场管理、环境监测、汽车防撞雷达医疗设备、卫星电视接收等。 波段微带天线设计中的一些考虑 尽管波段微带天线具有很多优点，但是波段微带天线因为其工作频率较高， 因而具有其特殊性，一般在设计过程中需要考虑以下几点【】： ）表面波损耗。在频段，特别是在采用厚基片时，表面波问题显得更加严重， 由它引入的损耗有时不可忽略。 ）馈线损耗及杂散辐射。尤其并馈系统到每个单元的馈电微带线都比

7、较长，而且 在天线之间绕行，因此，在设计过程中必须考虑馈线的损耗及其杂散辐射对天线方向 图性能的影响。 ）对加工公差的要求。因为波段微带天线工作波长很短，因而微带单元贴片 尺寸很小，馈线也很窄。馈线宽度只有零点几个毫米，而一般要求的公差要小一个数 量级，可见对加工精度的要求是很高的。 绪论 硕士论文 ）互耦的影响。天线阵元上的能量可以通过空间波耦合或表面波耦合。当互耦电 平大于时，天线的性能就会受到极大影响。互耦太大，不但会使副瓣电平变大， 主瓣变形，甚至还会产生阵列的盲点。 除了上述几点外，还应注意到如果波段微带天线阵的阵元数不多，比如只有 ×，等，天线阵效率可以设计得比较高，方向

8、性也可以设计得比较好。但是， 在大阵中就很难得到像小阵这么好的特性了，因为大阵主要是为了得到高的方向性增 益，损耗就会很大。绝大多数这种损耗来自于馈电系统。对于馈电系统而言，微带辐 射单元上的损耗几乎可以不考虑。微带线在毫米波频段损耗比较大，功率耗散也大， 特别是在由长走线的平面并馈系统中。在波段低端， 微带贴片谐振器可以有超过 的辐射效率。具有长馈线系统的微带天线阵的另一问题就是介质材料的表面不均 匀性会导致阵列单元的激励存在相差，从而引起方向图的畸变【。 本文主要内容 第一章主要介绍了波段微带天线的发展及研究意义，并提出了波段微带天 线设计中需要特殊考虑的地方。 第二章介绍了微带天线的基本

9、理论和分析方法，主要回顾了经典的传输线模型法、 腔模分析法，并详细介绍了微带天线的辐射机理和设计方法。 第三章介绍了单脉冲天线的工作原理，利用 辅助设计了工作频率 在的×微带达单脉冲天线，其中包括×天线阵列和微带单脉冲和差网络。 在天线子阵设计过程中考虑了馈线问题，减少了馈线与阵元的耦合。 第四章利用 辅助设计了工作频率为的口径耦合微带天线， 实现了宽带特性，并组成了口径耦合微带天线阵列。 第五章介绍了微带天线到单极子天线的转化过程，并通过偶极子的特性得到单极 子的设计方法，最后利用 辅助设计了波段微带圆形和椭圆形单极 子天线，并给出了仿真结果。 第六章总结了本文的工作内容

10、，并提出了本文的不足和有待改进的地方。 硕士论文 波段微带天线设计 微带天线基本原理与设计理论 引言 微带辐射器的概念早在年就由美国的提出了【】，但是实用的 各种微带天线却十世纪七十年代才逐渐发展起来。随着各种低耗介质材料的出现、 微波集成工艺的发展（光刻技术等）、微带辐射理论模型的完善再加上微带天线本身所 具有的许多优势，各种新型平面微带天线开始备受世界各地的学者关注并且不断被开 发和应用。关于实际微带天线最早的工作是由美国的和完成 的。年，提出了一种微带天线单元的设计。年，对 基本的微带贴片天线（矩形和圆形）进行了研究和设计。从世纪年代开始，微带 天线理论以及应用的深度和广度有了长足的发展

11、，并逐渐趋于成熟。 随着微波集成电路技术的发展和新型介质材料的出现，各种形状、不同功能的微 带天线应运而生，并被广泛用于卫星通信、移动通信，以及多普勒雷达、飞行器等大 量无线电设备中。在空间通信技术中，如在海洋卫星、航天飞船、成像雷达系统中都 使用了平面结构的微带天线阵列。微带天线的特点是设计尺寸灵活，体积小，重量轻， 适于内置式。对于便携式无线通信设备，如无绳电话、个人通信业务，蜂窝电话、寻 呼机、无线调制解调器以及对于通信天线有特殊要求的场合，微带天线的独特技术性 能就成为其最好的选择。随着相关科学技术的发展，微带天线的应用领域将会进一步 扩展。 与普通微波天线相比，微带天线有很多优点，比

12、如剖面薄、体积小、重量轻；具 有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面共形的结构；馈电网络可与天线结构 一起制作，适合于用印制电路技术大批量生产；能与有源器件和电路集成为单一模件； 便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等工作。 但微带天线也有一些缺点，如频带窄；有导体和介质损耗，功率容量较小；性能 受基片材料影响较大等。但目前已发展了不少技术来克服上述缺点。 微带天线的分类及参数 微带天线的分类 微带天线是利用微波集成工艺技术在双面敷金属板上制成的辐射体和馈线系统。 与通常的微波天线相比，微带天线的设计可根据需求有较为任意的几何形状和尺寸， 具有更多的物理参数。 微带天线的形式有多种，按照

13、分类方式的不同，可以归纳为以下的形式。 微带天线摹本原理与设计理论 硕士论文 ）按几何形状分 矩形、圆形、三角形、半圆形、椭圆形微带天线等； ）按天线结构分 微带贴片天线、微带振子天线、微带线形天线、微带缝隙天线； ）按馈电方式分 微带馈电、同轴馈电、共面波导馈电、电磁耦合馈电、口径耦合馈电等； ）按天线上波的传播形式分 微带驻波（谐振式）天线、微带行波（非谐振式）天线； ）按极化方式分 线极化、圆极化、椭圆极化微带天线等。 微带天线的参数 微带天线的主要特性参量有方向图、主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数、增益、 极化、效率、输入阻抗、工作频率、频带宽度和交叉极化电平等。下面对其中重要的 参量进

14、行介绍【引。 ）方向图 天线的方向图是表示天线在空间各点辐射功率大小的分布图。它直观地显示出了 天线在不同方向辐射的相对大小。在工程上，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，这两个主平面被称为面和面。面是通过天线最大辐 射方向并平行于电场矢量的平面，而面是通过天线最大辐射方向并垂直于面的平 面。 ）主瓣宽度（岛朋和岛埘） 在天线的方向图中，包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣。一般用主瓣宽度来反映 天线的辐射集中程度。主瓣宽度定义为主瓣中辐射强度（即功率密度）为最大值一半的 两个向径之间的夹角。面和面的主瓣宽度分别记为皖蛐和岛删。 ）副瓣电平（） 副瓣是指方向图中除了主瓣外的其

15、它含极大辐射方向的副瓣。副瓣的最大值和主 瓣的最大值之比称为副瓣电平，记为。一般只需要最大的副瓣电平，即第一副瓣 电平，记为乩厶。 ）方向性系数（） 方向性系数反映了天线集中辐射的程度。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电源产生于同一点的辐射强度的比值。天线的辐射 越集中，方向性系数越大。 硕士论文 波段微带天线设计 ）增益（） 增益的定义为在同一输入功率下，某天线产生于最大辐射方向的辐射强度与电源 产生于同一点的辐射强度的比值。增益和方向性系数关系密切，可用式（）表示： （） 极化 天线辐射的电磁波的极化形式决定了天线的极化形式。一般有线极化天线和圆极 化天线

16、。有地面时，线极化又分为垂直极化和水平极化。圆极化又可以分为左悬圆极 化和右旋圆极化。极化不匹配将严重影响接受的效果。 ）输入阻抗 天线的输入阻抗是天线在馈电点电压和电流的比值。输入阻抗决定匹配的设计。 匹配越好，反射越小，驻波系数（）就越小。 ）频带宽度 微带天线中的频带宽度一般用或，一频带宽度来定义。 ）交叉极化电平 交叉极化电平是用来衡量天线极化纯度的一个量，定义为交叉极化场强幅度 与主极化场强度之比的平方，一般用表示。 抛）斟 （） 微带天线的分析方法 微带天线的分析是求解天线在周围空间建立的电磁场。经过多年的科学研究，已 获得许多种微带天线的实用分析方法，其主要理论主要有：（）传输线

17、模型（）（） 空腔模型（）（）全波分析法（），即积分分析法（）（）格林函数法：腔模格林函 数法和表面电流模型（）多端网络法【。 本小节主要介绍两种常用的分析方法：传输线法和腔模理论，两种理论均用矩形 贴片天线做物理模型。 传输线法 用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。近适用于矩 形微带天线和微带振子天线。传输线物理模型如图所示。此方法的有以下两个基 本假设： （）微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准波。波的传输方向决定 于馈电方式和馈电位置。线段长度丸，屯为准波在微带天线中的传输波 微带天线基本原理与设计理论 硕上论文 长。在某一时刻，场在传输方向即三边是驻波分布

18、，而在形边为常数。 （）把传输线的两个开端（始端和末端）等效为两个辐射缝，长为形，宽为，缝 口径的场即为传输线开口端的场强。可以把缝平看作位于微带贴片的延伸面上，即是 将开口面向上折转度，则开口场强随之折转。 三 ， 尹 图传输线物理模型 根据上述两条基本假设可以看出，当无时，两个缝上的切向电场均为膏方 向，且等幅同相。可以把电场等效为磁流，由于接地板的作用，相当于两倍磁流向上 半空间辐射。缝上等效磁流密度为 （） 其中虼。办为加在缝隙上的电压。 图微带贴片天线的一条等效主辐射缝隙 由图可以看出，矩形微带贴片天线可以等效为二元缝阵，并且缝上的等效磁 夕缝隙 硕士论文 波段微带天线设计 流是均匀

19、分布的。由矢量位法，司以求出矩形微带天线的辐射场： 歹譬伊： 炒硼州吲蚴（。口） ， （ 【 秒 ）（，驴）疋（秒，缈） （） 式中 缸华伊） 咏见咖飞口了 （掣伊） 以见咖飞笺五了 （） 彳三二一炖，是微带片中心到场点的距离。 由于九，所以（，伊） 同理，可以求得 易：秒【缈）（，缈）（臼，缈） （） 若，则在此平面上仅有易分量，故此平面为面，这是包含准波传播 方向及轴的平面。芏。平面，仅有色分量，故为面，这是与波传播方向 垂直的平面。 微带辐射单元的等效电路如图所示，是微带贴片的物理长度，是微带贴 片的等效长度，世是微带贴片的延伸长度。 通过传输线理论可以得到微带天线的输入导纳： 圪嚣舞告

20、糌 仁， 彘 赢 微带天线皋奉原理设计理论 。 图微带辐射单元等效电路 土 硕二论文 式中 三 矗 （） 厶万 九 凡 量， （） ） ，为延甲长度，户日采表不微带升路输阴电谷双应。 ，：（，乞）（） （乞一）（） （ ） 其中， 巳孚丁 可）； （） 当（三，）万时，其中，丸磊，以是波在传输线中的 波长，也是自 空波长。 圪，坛的虚部为零，天线工作在谐振状态。谐振长度为 从卜式可以彳导刮谐振炳奎为： 三孺。上， （）、乞、 硕士论文 “ 波段微带天线设计 、 传输线模型合理地解释了辐射原理，把微带辐射单元看作一个横向方向没有场变 化的线型辐射器，在长度方向，电场为余弦变化。可以看作由两个开路

21、端的等效磁流 辐射。贴片可表示为相距，同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。并且 给出了简单的特性公式，不需要大量的计算，适合工程上的运用，但只局限用于矩形 微带天线和微带振子天线。 腔模理论 腔模理论是为解决使用传输线法受到的局限而提出的理论方法。由于谐振式微带 天线与微带谐振腔在形式上没有显著的区别，所以人们就借助于微带谐振腔的分析方 法，建立了腔模理论。一般分析微带谐振腔时，先要确定腔中的一个主模，根据其边 界条件来计算谐振频率、品质因数和输入阻抗等参数。将这种方法用到微带天线的分 析中就称为单模理论。但是在单模理论中，认为谐振腔中仅存在一种模式，这只有当 激励源和该模式的场完全匹配

22、时，或其工作频率正处于该模式的谐振频率上时，才是 成立的。当引入具体的激励源时，就会激励产生多种模，为此需要采用多模理论模型。 多模理论分析方法是用无限正交模表示腔内场，因而能比较准确地表示腔内场分布， 使人们对微带天线的工作特性有更深入的物理理解。 腔模理论中把矩形微带天线看作一个磁壁腔。规定腔的边界条件，找出腔中的一 个主模，从而计算出谐振频率、品质因数和输入阻抗等。 腔模理论有两个基本假设： （）由于腔高度元，可认为腔内电场仅有，分量，且不随而变。而且 ，因此腔内的场是与无关的二维场，对而言，腔内仅存波。 （）在微带片的周界上，片电流没有垂直于周界的分量，这意味着沿侧壁的切 向分量为零，

23、故腔的侧壁可假设为磁壁。即谐振腔可视为上、下为电壁，周围为磁壁 的腔体。 采用腔模理论要先求解空腔内的场，由边缘电场的切向分量求得边缘的等效磁流， 再由等效磁料计算辐射场。 罗远祉等人提出了把微带天线看作是微带线腔体的模型。这个模型的提出示基于 观察到：在以微带和地板为边界的区域内，电场云只有分量，而磁场曰只有和分 量： 在此区域中，对于所有有意义的频率，场都和坐标无关；在边缘的任何点上， 微带中的电流都没有正交于边缘的分量，这意味着詹沿边缘的切向分量可以忽略。 因此，微带和地板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下两面的电壁围 ，：（三，三乞一） 微带天线基本原理与设计理论 硕士论文 成

24、的腔体。天线中的场可假定为腔体的场，从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电 点在任何位置的输入导纳。 内场：当谐振腔内或其周界上有激励源时，则腔内电场丘的波动方程为 （后）豆，： 现将丘展开为正交模无穷级数，令 丘。 其中满足齐次波动方程及腔边界条件，有 （七。） （） （） 利用格林第二恒等式 警 ， （） 工（咿矽母州工（鼍一豢）搬 令妙所行妙（幸表示共轭），豆，为腔的体积，而为其包面， （） 艿为的外 法向单位矢量，将式（）乘（）及边界条件代人，可知（）右端为零， 得 以。磁面孑了 （） 式中， 将（）代入（）得 五删互五少翮 行沙删互门沙。翮棚 （） （） 豆纸 一、； （） 式中吼，瓦

25、，万厶，吒。是谐振模的截止波数，为实数， 由天线尺寸和模序号，拧决定。当工作频率选得七很近于删时，分母上聊很 小而得第（所，拧）项振幅变得很大，内场基本由这个项决定。这时我们就说天线对聊。 模谐振。其次，该式也表明，对任一分布，不同的位置（激励条件）将导致不同的 激励振幅（展开系数），从而将得出不同的内场。 对规则形状贴片，一般可用分离变量法解出及相应的，对于同轴探针馈电 矩形贴片如图所示。 硕士论文 图同轴探针馈电矩形微带天线 波段微带天线设计 。等。半 （） （） 对于图所不的馈源为司轴探针时，它司表不由摄地枚流司贝占片阴 司甩流利 接地板上同轴开口处的小磁流环。后者很小，可以略去；前者可

26、等效为中心在点（。）， 向宽为的电流片。设总电流为，即有： 每 ， 将式（），（）代入式（）及（），得 。弦孚聪扣等出驷等孚五曙， （） 式中（）： 沙，删胁（等陟卜（孚陟姗最（） 这里磊。，磊。是聂曼数 舻船爿 五：【，一譬而，少 微带天线基本原理与设计理论 为表达简洁起见，取。，将上述关系式代入式（），则： 丘：风莓莓碍？ 嘣）訾（等）（孚 豆风吼厶；军噬镗警屿（等） 则办模的谐振频率可由（）得出（取） 厶厶砺赤、（矽争【（争 厶砺、（矽（ 硕上论文 （） （） ） 输入阻抗与品质因素：馈源处的激励电压除以电流厶便得出天线输入阻抗乙， 设馈源模型为一定宽度的电流片，可将宽度上的电压平均值取

27、作，即 一恤 疋。是在馈源宽度上的平均值，于是利用（）得 （） ， 式中。是在馈源宽度上的平均值。用上式计算时，实际上并不能得到正确 的阻抗特性。 这是因为， 但在某删删模谐振时， 上式分母 一一（一歹万）很小，（主要与有关），使这一项起主要作用。然 而，这里只计入了介质损耗而并不包括大很多的辐射损耗。这样，在计算 上可能误差就将大大影响阻抗值。从另一方面说，空腔谐振特性与其值（即品质因 数）有关。对于只有介质损耗的理想空腔，。这里是介质损耗角正切 而未考虑其他损耗效应，因此所得空腔品质因数值是过高的。这就是说，现在所研究 的是具有辐射损耗的漏波空腔，若作为理想的封闭空腔来处理，必须计入全部损

28、耗得 出的值【引。为此，我们引入引入等效损耗角正切翰，这里是计入全部 损耗后的值，相应的代替（）？的，即取 （）（。）寺壁赤（争（【乙罢风荔耸三畿（扩） 硕上论文 式甲 波段微带天线设计 ， 钒妨西西西西 （） ，分别为辐射、导体损耗和介质所引起的相应的值，分别等于 （） 面 （） ，刀， （） 因此利用（），并用代替后， 。 一仟 （争 传输线模型很容易被使用，但并不是所有的结构形式都能用这种模型进行分析， 因为它没有包括横向波的影响。而腔模理论中微带天线的辐射由辐射贴片边缘的等效 磁流分布来计算，从而获得了相应的电压分布。因而，微带天线的分析问题可以被归 纳成为给定激励和特定模型找到边缘电

29、压分布。这些方法对规则的几何形状来说是正 确的，但并不适合任意形状的贴片构造。对于复杂的几何形状，可使用数值计算法如 、等。这些方法基于贴片导体和地面上电流分布的数值技术对于任 意形状的天线都能得到很好的结果，但是它们非常耗费时间。这些方法能够用来绘制 贴片上的电流分布，但是对天线设计中的物理解释帮助很小。 警靠乙篆，舒厶” 微带天线基本原理与设计理论 微带天线辐射机理 硕士论文 下 土 上 一一。二、 辐射缝隙 下 ；土 图（）电场侧视图 （）电压电流分布图（）等效辐射缝隙 从图（）可以看出矩形微带天线工作在刀。模式时，三边的电场分布的特点为 两端密集，中间稀疏，服从余弦分布。三边和形边电压

30、变化分布如图（）所示。 硕士论文 波段微带天线设计 假定电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，电场仅沿约为半波长的贴片长 度方向（三边）变化。辐射基片上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对 于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长，所以，法向分量反相，由 他们产生的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成 场增强，从而使垂直于结构表面的方向上的辐射场最强。所以，贴片可表示为相距， 同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙，如图（）所示。 一 ： × ×要萎萎 × 图矩形微带天线模式等效磁流分布图 在腔模理论中，微带贴片和地

31、板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下 两面的电壁围成的腔体。其腔体磁壁四周的等效磁流可由露应×菇计算得出，当微 带天线的工作模式为时，其等效磁流分布图如图所示。沿两条形边的磁流是 同相的，故其辐射场在贴片法线方向同相叠加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的 增大而减小，形成边射方向图。沿每条三边的磁流都由反对称的两个部分构成，它们 在面上各处的辐射互相抵消；而两条三边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在面 上各处，它们的场也都相互抵消。在其它平面上这些磁流的辐射会完全相消，但与沿 两条形边的辐射相比，都相当弱。由此，矩形微带天线的辐射主要由沿两条边的缝 隙产生，该二边称为辐射边。微

32、带天线地板上半空间辐射的方向图理论上视为边的 磁流辐射产生。所以贴片可表示为相距，同相激励并向地板以上半空间辐射的两个 缝隙。也可以考虑电场沿贴片宽度的变化。这时，微带贴片天线可以用贴片周围的四 个缝隙来表示。同样，其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。 微带天线基本原理与设计理论 硕士论文 微带天线的设计方法 本文主要介绍工作在主模。、线极化矩形微带贴片天线的设计方法。为了解释 的需要，先介绍微带贴片的等效长度、等效宽度和延伸长度。在这里微带贴片的长度 和宽度分别用、表示，如图所示。 图微帚贴片不恿图 当口边是辐射边时，电场在边为正弦变化，根据传输线理论，在边的两端会有 一定的延伸长度出【

33、埘。根据。模式的谐振频率公式 其中。为等效长度，占。为等效介电常数。 ） 。 。 图微带贴片延伸长度示意图 空腔尺寸吒、是计入边缘延伸出后的等效尺寸，它比物理尺寸、稍大。 址（）由式（ ） 吃口（） 吃出（口） （） （）一三丽一丽疏下二；（ 硕上论文 波段微带天线设计 出：（，）（） （乞一）（） 得出，取或，更简单的经验值为。 可以理解为如果边是辐射边矿，那么根据传输线理论，边两侧有延伸，这 就和吃（）相吻合；如果是辐射边，同理可得吒口（）。 （）， 乞按下式取值）乞（），刀 ， （） 【乞）乞（）， 唧）由式（）。孚字（等圳算出。 可以看出，设计微带天线首先要选好边是辐射边，还是边是辐射

34、边。两者的 不同直接导致等效长度和等效介电常数结果不同，那谐振频率也有很大的区别。 设计微带天线的第一步：选择具有适当厚度的合适的介质基片。薄金属敷层能使 天线便于制造，易达到公差要求，而较厚的金属敷层则容易焊接。介电常数较低的基 片可增强产生辐射的边缘场，且在一定程度上可以增加带宽。至于介质的厚度，实验 表明，随从的增加，带宽会增大，但同时天线的损耗会增加，效率降低，所以要综 合考虑带宽和效率的指标。 第二步：选择微带贴片合适的宽度矽。对于介质基片厚度为，天线工作频率为五 且有较高效率的辐射器，其实用宽度是： ，、 （） 第三步：确定单元长度三。当单元的确定后，则延伸长度出和等效介电常数玩

35、可分别通过式（）和（）计算得出。因此贴片长度三为： （） 第四步：优化。由式（）和（）计算得出的微带贴片单元的矽和三还需要在仿 真软件中优化。 第五步：馈电点的选择。通常用同轴线或微带线直接给微带贴片馈电。 耻等虿 警（争职当虿 （炽当 （） ：丢（三书邶，、 三：二一。、 微带天线基奉原理与设计理论 式（）和（）分别用于微带辐射贴片单元的工作模式为和。 硕士论文 硕士论文 波段微带天线设计 波段微带单脉冲天线设计实例 引言 随着导弹、火箭、人造卫星和宇航技术的发展，对跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精 度、跟踪距离和抗干扰能力都提出了越来越高的要求【】。采用顺序比较波瓣的圆锥扫 描体制已不能满足跟踪

36、高速飞行器的要求。这是由于这种体制必须在馈源绕天线轴旋 转一周后才能判明目标的方向，限制了跟踪速度。在波束扫描过程中，目标运动状态 的变化引起回波信号幅度的起伏，给误差信号附加上了一个调幅干扰，降低了角跟踪 精度。另外，圆锥扫描的跟踪距离有限，抗干扰能力差。而单脉冲跟踪采用同时比较 波瓣法，即由单脉冲天线同时产生几个波束，用几个独立的接受支路，同时接收这几 个波束从目标反射的单个回波信号，然后将这些回波信号加以比较来获取目标的角误 差信号，所以称为单脉冲跟踪。由于采用同时比较法，获取误差信号迅速，跟踪速度 快；误差信号只与接收到的几个波束的回波脉冲幅度的相对值有关，不存在目标起伏 干扰，因此，

37、角跟踪精度高，抗干扰能力也强。而且，这时获取目标距离的信息和波 束在天线轴向辐射最强，雷达的作用距离也远。因此，目前单脉冲跟踪已逐步取代圆 锥扫描跟踪而获得了广泛的应用。当然，单脉冲跟踪体制的电路和设备都要复杂得多。 单脉冲跟踪体制的出现，促进了天线的发展。 单脉冲天线的工作原理 根据比较回波信号的幅度和相位，单脉冲跟踪分为幅度单脉冲、相位单脉冲和幅 度一相位单脉冲。它们的主要区别在于天线。无论是幅度单脉冲，还是相位单脉冲， 要确定目标在一个平面内的角坐标，都要求同时产生两个形状相同的波束。 图幅度比较单脉冲示意图 在幅度单脉冲中，两个波束的最大值方向与天线的轴各偏离一个±目角，形成

38、两个 交叉的波束，如图所示。如以代表目标方向，这时，两波束收到的回波信号相 位相同，而幅度不等。两信号相减形成的误差信号是目标方向的函数，误差信号的大 波段微带单脉冲天线设计实例 硕士论文 小表示了目标偏离天线轴向的大小，而误差信号的符号（正、负）则表示目标偏向哪一 边。由误差信号驱动天线转动使之对准目标，误差信号为零，实现了跟踪。 图所示是单脉冲雷达的系统框图，它同时有和通道和差通道（方位方向和俯仰 方向）的输出。和信号、方位差信号和俯仰差信号能用来确定目标相对于瞄准线的角度。 这种结构标准的单脉冲雷达能用来进行搜索和高精度的跟踪，可以用于航管、防空、 制导、定位等【。 接收天线 图单脉冲雷达的系统框图 由于天线收到信号的大小与目标的方向有关，因此，由它们合成的和信号与差信 号便是目标所在方向的函数。和信号与目标所在方向的关系称为单脉冲天线的和方向 图，差信号与目标所在方向的关系称为单脉冲天线的差方向图。相应地有三个波束， 即和波束、方位差波束和俯仰差波束。差波束的作用前面已经介绍