毫米波天线和功分器的研究-慧知文库

1、毫米波天线和功分器的研究原文地址：/view/f7a5efe292a38099a5464f95713940eb.html 东南大学硕士学位论文毫米波天线和功分器的研究姓名：郑力昭申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：殷晓星;李文渊20071225摘要天线技术作为无线通信领域的关键技术之一，对通信系统的整体结构和性能起着举足轻重的作用随着通信和导航系统的飞速发展，系统对天线指标的要求也越来越高。微带天线由于具有低刹面、重量轻和价格低等特点，因而适合于多种应用系统，但是单个微带天线的增益比较低，波束指向难以改变，因此通常需要采用组成阵列的方式以克服上述不足。目前，高增益、低互耦和宽波束的微带

2、天线阵列已经成为研究和开发热点之一同时，和天线阵相匹配的功分器也随之广泛应用本文主要研究了用于天线阵的毫米波天线及功分器，主要工作是：、研究设计了三种常用的毫米波天线单元在分析了相控阵系统对天线的要求的基础上，选择了三种常用的毫米波天线形式：天线，对跖天线，双面扳子天线，应用电磁仿真软件对以上三种天线进行具体研究，主要是结构参数，如基板的厚度，贴片的长度、缝隙的大小和位置等对天线性能的影响。以此为基础，根据仿真结果，将以上三种天线作比较、以振子天线作为主要研究对象，借助仿真分析了互耦等天线的指标特性，研制了单个天线单元实物样品并作测试。在上述工作的基础上，研制了的双面扳子天线阵列，并进行了实测

3、，其指标达到预定要求、研制了适用于毫米波段的功分器首先分析威尔金森功分器的原理以及其在毫米波段不适用的原因，然后在威尔金森功分器模型的基础上提出一种适合在毫米波段使用并且具有高隔离度的功分器的设计思路，设计出一种适用于毫米波段的一分二功分器。借助于仿真软件设计出基本模型。【关键词】毫米波天线振子天线功分器东南大学硕士学位论文，响也，瓣，州辨：（），口：，；，（）。，丑，。，（），东南大学硕士学位论文东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不

4、包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：兰仁丝日期：塑多弓东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理研究生签名：茎垒！垒导师签名：期：扣；多第章绪论第一章绪论毫米波天线概述自从年代以来，美日欧等先

5、进国家开始进行毫米波雷达及通讯的研发。以往毫米波系统都是用于军方及科学界，现今商业用途也慢慢发展起来，如汽车防撞雷达、点对多点服务（）、卫星网络系统（）、短距点对点通讯、无线区域网络（）等等【】。由于毫米波的波长短，因此毫米波器件具有体积小、天线波束窄、抗干扰性佳等优点毫米波天线的设计一般采用反射面天线、喇叭天线、平面微带天线阵列、漏波天线及透镜天线等【】【】反射面天线及喇叭天线属于传统的天线，两者均属于机械式结构，所占体积较大，天线波束无法用电子扫描（）微带天线阵列为平面结构，容易与收发电路整合，甚至做成机体电路。同时其平面构造也方便与周围物体结合，减少对外观的影响，对商业上的应用有正面效益

6、。微带天线一般采用传输线（如徼带线或共面波导）馈电，这些传输线网络分布于整个阵列平面内。在毫米波频段由于传输线损耗较大，溃入线路的损耗会比较大，馈电线路的损耗会降低整个天线阵列的增益。不过这个损耗可以靠组件补偿。在毫米波段，常用的阵列天线单元主要是微带天线。微带天线比常规的微波天线具有更多的调节参数。微带天线可以设计成各种几何形状和尺寸一般，微带天线可分为四种基本类别：微带贴片天线、口径耦合微带天线、印制偶极子天线和微带行波天线。他们各有特点，不能笼统地说哪一种更好（）微带贴片天线。它由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的辐射贴片和另一面的接地面构成。其行为特征就象一个偶极子典型地，贴片

7、天线的增益为，半功率波束宽度（）在范围内。（）口径耦合微带天线。它包括在接地基片的接地面上的一个缝隙，该裂缝可以是任何形状。口径耦合天线通常是双向辐射器，即它们在缝隙的两侧进行辐射。利用缝隙一个侧面上韵金属反射板就可以获得单向辐射这种馈电方式是将两种元件进行物理分隔并采用最佳基片分别用于辐射和馈电。利用不同介电常数基片构成的多层结构，极大地改善了微带天线的特性。（）印制偶极子天线。它与矩形贴片天线在几何上的区别在于其长宽比。偶极子的宽度典型值小于，。印制偶极子是一种很有吸引力的单元，已在阵列天线中得到广泛的运用，因为与其它的微带天线相比，它们所占的面积较小。偶极子非常适合于高频，此时基片的电尺

8、寸可以是厚的。因此，实现了显著带宽。印制偶极子中，馈电机理的选择是很重要的，所以。馈源的考虑也应该包括在天线分析设计中（）馓带行波天线。目前最常见的微带行波天线是渐变槽线天线和行波天线此类天线正面开槽，背面采用微带线馈电。此类槽线的缝做的相当宽的时候缝隙就可以辐射电磁场，一般缝中的波导波长达到自由空间的波长的时候。辐射就可以产生。当微带东南大学硕士学位论文馈线和槽线匹配良好的时候，可以得到很宽的带宽。本文的内容本文的主要工作：】、研究设计了三种常用的毫米波天线单元。在分析了相控阵系统对天线的要求的基础上，选择了三种常用的毫米波天线形式：天线，对跖天线，双面振子天线接着应用电磁仿真软件对以上三种

9、天线进行具体研究，主要是结构参数，如基板的厚度，贴片的长度、缝隙的大小和位置等对天线性能的影响。以此为基础，根据仿真结果，将以上三种天线作比较。、以振子天线作为主要研究对象，借助仿真分析了互耦等天线的指标特性，研制了单个天线单元实物样品并作测试在上述工作的基础上，研制了的双面振子天线阵列，并进行了实测，其指标达到预定要求。、研制了适用于毫米波段的功分器。首先分析威尔金森功分器的原理以及其在毫米波段不适用的原因，然后在威尔金森功分器模型的基础上提出一种适合在毫米波段使用的功分器设计思路，设计出一种适用与毫米波段的分功分器。借助于仿真软件设计出基本模型并在此基础上进行实物测试，其指标达到预定的要求

10、。本文的章节安捧如下：第一章为本文的绪论，首先介绍了本文的工作背景，然后对毫米波天线进行了简单的介绍，最后简要的介绍了本文的主要工作。第二章介绍了几种常用的毫米波天线单元。首先提出了相控阵对天线的指标要求，然后根据要求介绍了天线，对跖天线，双面振子天线的设计过程最后主要分析了仿真结果，将三种天线分别作了对比，找出比较适合作相控阵天线阵列的单元第三章介绍了双面振子天线阵列。根据阵列栅瓣、最大扫描角以及互耦的要求设计出合适的阵列结构。然后给出设计流程：单元组阵、天线单元间互耦分析、实物测试等第四章介绍了毫米波天线馈电网络的设计。根据实际情况给出在波段能够实现并正常使用的功分器设计首先叙述功分器的背

11、景介绍、然后是单元设计、仿真分析等。第五章对本文工作进行总结，并提出下一步的工作设想。第章第章毫米波天线单元的研究本章主要介绍了几种在毫米波段常用的天线单元：天线，对跖天线，振子天线并根据毫米波相控阵对天线的要求，对以上三种天线分别进行了分析，提出相应的设计方案借助于电磁仿真软件和，对每种天线进行了仿真，分析各个天线的具体参数对输入阻抗和反射系数的影响给最佳仿真结果。最后根据仿真结果，将三种结构的天线作比较，根据相控阵天线单元的要求，选择出适合的天线单元，作为进一步研究的对象。天线单元的指标要求天线要求：）工作频段：波段（中心频率在）带宽：大于（职一）定向性：大于）尺寸：天线宽度小于天线尺寸的

12、选择基板厚度的选择在鼍米波级以上频段，天线的性能对基片的厚度和介电常数很敏感【】有效厚厦，定义成（占，一）（是基片的实际厚度，是基片的相对介电常数）为了让天线性能优良，有效厚度的范围被定义成厶厶当基片厚度大于有效厚度的上界时多余的底板模式将会导致天线性能的退化，同时，天线工作在少且薄的基片上将会导致方向性的减弱。如果基片厚度太薄，又将导致在毫米波的范围内介质基片的机械厚度很小甚至是变成薄膜天线。这不仅影响天线性能还增加了机械加工的难度。在工作指标中，我们选取中心频率进行计算：粤诱专厶号端羔丽朋占（）心。其中旺，（）删铲篱篱一栅旺一，东南大学硕士学位论文由加工精度考虑，选择介质底板的厚度为毫米（

13、）使窜符合墨盯的条件。天线宽度的选择在天线系统中，经常采用阵列天线的形式以满足系统多方面的指标要求，例如有源相控阵系统，其天线阵列由几百乃至上万个天线单元组成。为了避免栅瓣的出现，根据最大扫描角的不同，要求天线单元之间的间距与波长的比值小于一定值。满足关系如下：二，（）这样随着系统工作频率的增高、波长的变短，天线单元之间的实际间距将变得很小，比如系统工作在在，如果天线的最大扫描角是度，那么天线单元之间的间距要满足（）式：（）即天线单元之间的距离要小于。天线设计微带馈线设计随着频率的变化，天线的带宽主要是由于馈电线的槽线的反射所决定的，已经分析过此类的微带传输线到槽线的结构，并且用五，的开路线和

14、短路线来提高天线的带宽。两片相对的金属可以看成是一个电容，并且由于一二，在高频条件下可以看成是短路，这样应用在天线的微带线结构中可以使尽量多的能量馈到正面的槽线中去这样就可以使带宽展宽。天线设计尺寸根据以上关于天线的分析，最后得出天线单元（图）的简单结构。图天线单元第章图所示天线单元的介质基片采用，相对介电常数，厚度为天线尺寸为正面的槽线天线的曲线表达式为”一和“天线背面采用三段式结构，第一段是阻抗为欧姆的微带线，宽度为，用于端口匹配。第二段是阻抗为欧姆的微带线，宽度为，长度为，相当于时的二用于四分之一波长阻抗变换第三段微带线为了起到短路针的作用，采用一个扇形结构，为的是产生均匀的相位波前。从

15、而较小反射，展宽带宽。喇叭的张开口要符合晟优喇叭尺寸的关系【】：口张角（平面为以，平面为），度口口径平面为口，平面为窿），喇叭的长度，万射径差，图喇叭尺寸最优喇叭尺寸的关系为氏磊主；历一三最优万（）或（）一“口根据以上原理，我们选择喇叭的张开角为。，半径为工一（）最优长度天线仿真结果经过仿真软件反复调节最后得出了以上天线尺寸图为天线反射损耗的仿真曲线图。从图中可以看到天线在（波段取得比较好的驻波特性，带宽达到。图、为天线工作在时的三维方向图及其面、面辐射方向图。东南大学硕士学位论文一一蛾：；卜：；一，一”帝卜在生巾坤。一娃。，。憎嚣图天线反射损耗二名”气图时面方向图图惩森撵裂毯一霉黼蠼彩义，。

16、时面方向图仿真结果分析由以上分析我们得到，天线在波段可以得到比较好的驻波特性，但是其背面选择了结构的微带馈线和喇叭状的短路针结构，这样的结构在高频条件下也是一个天线，具有辐射特性，所以从面方向图可以看出它的端射性受到一定的破坏，面方向图偏过一定的角度。这样在组成相控阵时会直接影响到天线阵的互耦和扫描角。而且这种结构的天线随着天线工作频段的提高，尺寸逐渐缩小，加工精度的要求也越来越高，这在实际加工过程中也是必须要考虑的因素。对跖天线对跖天线背景知识随着卫星通信、红外遥感以及射电望远镜的迅速发展，我们对宽带天线阵的需求越来越迫切。其中类天线因其宽频带和平面结构，成为一个很好的选择。于是。越来越多第

17、章的天线被设计出来，特别是指数型的渐变槽线天线受到广泛关注它的带宽可以达到：以上，组阵以后的扫描角也可以达到度以上【】。然而，它从微带线到槽线的过渡结构妨碍了它进一步的扩展带宽，此外，其不均匀的馈电结构也会引起很高的交叉极化现象。所以，为了解决这些不足之处对跖天线就被研制出来。对跖天线利用了平滑的从微带线到槽线的过渡结构，这样就解决了传统的天线在展宽带宽上的无能为力。另外，新近的对对跖天线的研究也表明，对跖天线与传统的天线相比他的机械性能更稳定更适宜于工程维护。所以，对跖天线的这些潜在优势表明它极有可能成为在宽带天线阵中更好的应用【】。图就是一个最基本的对跖天线的示意图图对跖天线示意图【】对跖

18、天线结构设计图是对跖天线的结构设计尺寸图。图一对跖天线结构尺寸图图所示，根据前文的分析对跖天线单元的介质基片采用相对介电常数，厚度为。天线尺寸为。天线运用了一段平滑的过渡线用以连接正反介质板的天线组合，其为的是改善传统的天线展宽带宽的不足。微带线和地板分别位于介质板的两面，然后逐渐向相反方向延伸，形成渐变槽线的结构。渐变槽线采用指数型曲线。其代数方程分别为：”一和”。【】槽线天线的长度，天线开口大小。槽线天线上方两块开口的性状为半圆形，选择这样过渡自然的圆弧性状是为了尽量减小反射以展宽带宽。半圆形的半径。东南大学硕士学位论文由于对跖天线在高频条件下的尺寸非常小他的工作模式近似于一个谐振天线，所

19、以它天线开口应满足以下关系式：；（），、咀在本文中由于天线宽度有约束，我们只取，所以在这里的槽线天线开口不能满足上述条件，因此天线的性能也会受到一定的限制。对跖天线仿真结果反复调节天线的结构参数，应用仿真软件对天线进行分析，最后得到以上天线尺寸图一为对跖天线在中的模型图。图为天线反射损耗的仿真曲线图。从图中可以看到对跖天线在波段取得比较好的驻波特性，带宽达到图一、一为天线工作在时的三维方向图及其面、面辐射方向图。图对跖天线在中的模型图气嚣一一十鼍一十曩一。寸一一一；：苒一藩”？：牛司二：曩二：二一卜一一一一十一中。一一二一一：罐窖！；，。，一婶岗嘉爷车，、。，；】。：，“一上型生；一，巍涎稚曩

20、澍嚣寸一：，图对跖天线反射损耗的仿真曲线图第章藤熟蠖缈、。气图时的面方向图一蕊赫剿毁图时的面方向图仿真结果分析有以上的仿真结果可以看出，本文中的对跖天线工作的中心频率在，工作带宽达到以上。但是由于天线尺寸的限制，其优势没有充分体现，但是在同样的天线宽度限制下。它的驻波特性要好于传统的天线从对跖天线的方向图可以看出，它的端射性远不如可见传统的天线，除主瓣外还有一个和主瓣几乎一样大的副瓣存在。若以此为单元组成相控阵的话，必将严重影响相控阵的互耦和最大扫描角。虽然其加工精度远小于本文中提出的天线，但是如果以方向性为考虑出发点，它的性能远没有天线优越振子天线振子天线背景微带振子天线主要有两种类型【】：

21、一种是矩形微带振子天线【】，如图所示。它可以看成由矩形片状天线的一个边的窄条构成。另一种是把细线振子嵌在一个接地的薄介质基片上的细线振子天线，如图所示。它的长度与波长可比其横截面是圆形，并且直径远小于波长一一卜（）。（）矩形微带振子天线（）细线微带振子天线这类振子天线，除具有一般微带天线的优点外，它还具有结构更简单，更高的集成度以及更大带宽的优点。因此，在微波的高波段以至远红外线中，微带振子天线得到了日盎广泛东南大学硕士学位论文的应用另一种所谓。电磁耦合振子”如图（）（）所示。微带镶在介质基片内部或在振子同一表面。振子通过微带馈线邻近电磁耦合受到激励。这种电磁耦合的馈电方式有许多优点：第一，和

22、其他馈电方式比较有较宽的频带和较高的效率。因为此时基片较厚，辐射电阻增加，值下降，从而提高了效率。增加了频带。第二，镶在基片内的微带馈线比振子更接近接地板，这样减少馈线不连续产生的辐射第三，馈线与振子匹配容易，结构简单。只要调整馈线与振子的距离和馈线端点与振子的相对位置，就能达到良好的匹配。它的缺点，是增加了制作天线的工作量。甚片，：暑雩耄臣著蕾片地挂曰曰套地较町图微带振子馈电【】（）微带直馈（）双线馈电（）电磁耦合振子（倒耦）（）电磁耦合振子（下层耦合）振子天线结构设计图为振子天线的结构示意图。图振子天线结构示意图结构上微带偶极子天线可以分为微带馈线、微带到平行板双线过渡、平行板双线和振子四

23、部分。欧姆微带线馈线的长度是，导带的宽度是；在微带到平行板双线过渡的部分，输入端微带线的接地面的宽度由逐渐缩小到，和上面导带的宽度一第章样，这样就形成微带到平行板双线的过渡，整个过渡段的长度是在平行板双线部分有一个阻抗变换段把振子的输入阻抗变换到双线的阻抗，靠近振子一端的变换段双线的宽度是，变换段的长度是；靠近微带一端的双线宽度是，长度是选择振子的宽度是。由于开路端的电容效应及相对较宽的振子宽度，振子的长度略小于四分之一波长经过仿真计算，确定振子的长度为振子天线仿真结果经过仿真软件反复调节最后得出了以上天线尺寸。图为双面振子天线在中的模型图。图为天线反射损耗的仿真曲线图。从图中可以看到双面振子

24、天线在波段取得比较好的驻波特性，带宽达到以上。图、为天线工作在时的三维方向图及其面，面辐射方向图。！图振子天线在【中的模型图嚣一、一：，。父二！一；一一卜。，一一二；二多善一二；，。夕二”。卜：、一一一一一一“蒋图振子天线反射损耗的仿真曲线图。叫唔气图下的面方向图德狲爆裂兰型，厂、汶稳狲渊蜓一：怒：”。器器下的面方向图艮一图东南大学硕士学位论文振子天线仿真结果分析由以上仿真结果可以看出，本文中的振子天线工作的中心频率为的带宽是的带宽到达以上可见其驻波特性远远好于上天线和对跖天线。从方向图上可以看出，天线的旁瓣基本不影响主瓣。其方向图特性远远优于对跖天线所以通过以上三种天线仿真结果的比较，我们发

25、现，从机械加工难易程度，天线的驻波特性以及天线的方向性各个方面综合考虑，振子天线都远远优于天线和对跖天线。所以，将重点研究振子天线及其阵列第章第章天线阵列的研究本章主要介绍了一个应用，可用于相控阵系统的天线阵列。首先叙述了相控阵系统中天线阵列单元的选择和阵元间互耦的分析针对微带振子天线，在仿真基础上做单元天线的实验样品测试，在此基础上设计了和的天线阵，它具有结构简单，易于和组件连接，性能较适宜等特点。为了解决天线单元尺寸小，相邻两个天线不能安装两个接头以测量互耦参数的问题，本章通过实际测量相邻天线驻波的影响，评估互耦对驻波的影响，以指导天线的研制。实测结果表明该天线阵列具有较好的驻波和互耦性能

26、阵元间的互耦分析微带天线阵列单元之间存在的耦合在阵列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列方向图的畸变。天线阵列的互耦概念对于处在阵列中的单元（称阵元），当其均被馈电时，其中号阵元受到周围邻近阵元耦合的情况，如图所示图中。代表对应于号阵元的激励电压对号阵元感应电压（幅度和相位）的耦合系数。相邻各阵元对号阵元耦合信号的矢量和将在其通道内形成一个向号阵元的激励源方向传输的波，即在号阵元中产生反射，从而影响阵元的阻抗。因此，互耦效应是由各阵元之间的能量耦合引起的翟蓄图相邻阵元间的耦合互耦对阵元输入阻抗的影响下面将用互阻抗法来分析阵元间的互耦对输入阻抗的影响。假设阵元都各自接

27、有独立的馈源，在考虑到互耦效应的影响后。各阵元端口的输入电流为【（）东南大学硕士学位论文第个阵元端口的输入电压应为：乙问（）式中乙为第个阵元的自阻抗，磊为其余阵元引入的互阻抗中第个阵元的输入阻抗为：因此，考虑互耦影响时阵列乙；孚：艺乙粤（）互耦对阵元方向图的影响由于阵元问电磁互耦的存在，阵元辐射方向图与孤立单元的辐射方向图不同。而且，对于有限数目阵元组成的阵列，由于各阵元在阵列中所处的位置不同，各阵元的方向图也不同。理论上，只有在无限大阵列中，由于各阵元在阵中所处环境相同，各阵元的辐射方向图才有可能相同。如果忽略互耦影响，即乙（），则所有感应电流，此时，阵元方向图就是孤立元的方向图阵列单元选择

28、与分析通过上一章对三种毫米波段常用的天线单元的研究我们可以看到，从天线的驻波特性以及天线的方向性各个方面综合考虑，各个天线的优缺点各不相同。我们通过表座以各总结：表天线性能对比驻波特性天线对跖天线双面振子天线较好较好较好方向性较好有偏差良好的端射性从上一章的仿真结果来看（见上表），对跖天线的驻波特性都优于天线，但是他的方向性不是很好，出现了较大的偏差。而且由于我们对于天线尺寸的限制，在仿真过程中发现要让对跖天线的中心频率在比较有困难。所以这里的对跖天线不适宜作为本文要求的相控阵天线单元。双面振子天线的性能在这三种天线的比较中表现较为优越，它机械加工简单，驻波特性良好，而且具有较好的端射特性。所

29、以综合考虑，本章的重点我们集中在双面振子天线组阵的研究。第章双面振子天线相控阵的研究，双面振子天线相控阵的基本要求天线单元尺寸要求为了避免栅瓣的出现，根据最大扫描角的不同，要求天线单元之间的间距与波长的比值小于一定值。这样随着系统工作频率的增高、波长的变短。天线单元之间的实际间距将变得很小，比如系统工作在在，如果天线的最大扫描角是度那么天线单元之间的间距要小于。在这样小的间距条件下，不仅要解决有关单元天线的问题还要解决天线单元的互耦引起的相应问题，例如互耦对天线工作频率的影响，互耦引起的扫描盲角互耦的大小计算和测试等等，这些问题对天线阵列的设计、加工和测试都提出了一系列的要求相控阵互耦的要求互

30、耦将改变单元天线的工作频率，特别是随着天线扫描角的不同，改变的程度也不一样，如果单元天线工作频带过窄，加上在毫米波频段，仿真设计和加工的误差相对较大，有可能单元天线组成阵列后，实际工作频率跑到天线设计的工作频带之外。因此作为单元天线，其带宽应该尽可能宽一些，以避免上述问题的出现。双面振子天线的测试结果单个天线驻波仿真及测试结果图是单个天线的驻波的仿真结果，从图中可以看出，天线驻波最小的频点在，的带宽是；图是单个天线的测试结果，从图中可以看出，天线的驻波频率曲线比较平缓，这是仿真没有考虑损耗的影响，因为实际天线的损耗相对大一些。实测驻波最小的频点在，最小驻波是。的带宽是（；一一一图单个天线驻波仿

31、真结果东南大学硕士学位论文坤西柚、，一，图单个天线驻波测试结果两元阵其中一个天线驻波及两天线互耦仿真及测试结果图是面两元天线阵其中一个天线的驻波和两个天线之问互耦的仿真结果，从图中可以看出，由于互耦。天线驻波最小的频点偏移到，驻波变大，驻波带宽也窄一些；另外在工作频段，两个天线的互耦较小，不到。图是两天线阵其中一个天线的驻波的测试结果，从图中可以看出，天线最小驻波的频点在，一曲的带宽是？。互耦对天线驻波的影响不大。望粗鲁竹图两元阵其中一个天线驻波及两天线互耦仿真结果第章、，八、厂：图两元阵其中一个天线驻波测试结果天线阵列中间一个天线的驻波的仿真及测试结果图是面天线阵列中间一个天线的驻波的仿真结

32、果，图是其测试结果。从图和图可以看出，无论是仿真还是实测结果。驻波与频率的关系曲线形状类似于单个天线或两元阵的情况，说明互耦对驻波的影响还不是很大。墨督誓图三元阵中间一个天线驻波仿真结果、一、图三元阵中间一个天线驻波测试结果奎壹奎堂堡主兰竺望苎天线阵中间一个天线驻波仿真及测试结果图实物图图是面天线阵列中间天线的驻波的仿真结果，图是其测试结果从图一和图可以看出，仿真得到的驻波与频率关系曲线与前面单个天线、两元阵和三元阵的情况相似，但实测的驻波与频率关系曲线与前面的单个天线、两元阵和三元阵的情况稍有差异，主要是频带中某一段的驻波稍大一些。阵列中其余单元天线的情况也类似。晕螺罐锅率，图天线阵中间一个

33、天线驻波仿真结果、一图天线阵中间一个天线驻波测试结果天线方向性测试结果图和图一分别是天线面和面方向性的测试结果，它包括单个天线、两元阵第章中的一个天线和三元阵中问的一个天线的三种情况。从图中可以看出，随着相邻天线的出现互耦对天线影响主要体现在旁瓣上对主瓣的影响不是很大。图天线面方向性图测试结果加茄）图天线面方向性图测试结果结论在天线阵列中，由于互耦的影响会出现“盲视现象”又由于为了减小栅瓣，天线的宽度也受到限制，在毫米波段这个尺寸就变得非常小。从而减小互耦和减小栅瓣就成为一组矛盾。设计毫米波段的天线阵列就需要很好的解决这一对矛盾。东南大学硕士学位论文第章毫米波段的功分器研究本章主要介绍一种新型

34、的能够工作在毫米波段的输入端口之间高隔离功率合成器。传统的威尔金森功分器不适用于毫米波段首先威尔金森功分器在隔离电阻与两条输出传输线的交汇处之间的距离是四分之一波长，可是在毫米波段四分之一波长非常短（时只有毫米左右），若使用在功分器的拐角处则太短，弯不过来。其次威尔金森功分器的关键是加入了隔离电阻。但是目前还没有可用于毫米波段的集中参数隔离电阻。所以本章旨在研究一种改良的可以在毫米波及以上波段使用的新型功率分配器。首先以功分器为背景，介绍了三端口网络的基本特性，接着着重讨论了传统的威尔金森功分器以及它在毫米波段应用时的不足，然后介绍了一种改进的威尔金森结构的一分二功分器。通过软件仿真，显示其不

35、仅能应用于毫米波级以上频段，并且在两个输入端之间拥有较高隔离功分器概述功分器背景知识在微波系统中，常需要将某一输入功率按一定的比例分配到各分支电路中，我们经常使用的定向耦合器就是一种功率分配器，但定向耦合器的结构较复杂，其功率分配的比值又往往与频率有关；而在较复杂的功率分配支路中（特别是微带电路）所需元件较多，就需要采用结构比较简单的功率分配器。功率分配器的基本要求是：输出功率按一定的比例分配，各输出口之间要互相隔离以及各输入输出口必须匹配。功率分配器可分为二进制和累进制等，见图功率可以是等分的，也可以是不等分的。二进制分功率器结构和分析都比较简单，用得也较多二进制累进制图分功率器类型第章三端

36、口网络一分二的功率分配器是一种三端口网络，任意三端口网络的散射矩阵有九个独立的矩阵兀：墨，】（）若该器件是无源的，不包含各向异性材料，则它必定是互易的，因而其矩阵必定是对称的（）通常。为了避免功率损耗我们希望网络是无耗的且所有端口都是匹配的然而，容易证明，构建这种网络是不可能存在的若所有端口是匹配的，则有。，并且若网络是互易的，则散射矩阵式（）可简化成：（），现在，若网络也是无耗的，则能量守恒式；，要求散射阵是幺正的，这会导出下列条件】：刚（）（）（）（）（）（）刚陟刚跣二，式（）一（）标明（，墨，）这三个参量中至少两个必须为零。但该条件总是和式（）一（）中的一个相矛盾，表明该三端口网络不能是

37、无耗的、互易的和全部端口匹配的。假如这三个条件中任意一个条件放宽了，则这种器件在实际上是可实现的。东南大学硕士学位论文二等分功率器（）（）图二等分功率器一个二等分功率器见图。其输入线和输出线特性阻抗都是。，输入和输出口间的分支线特性阻抗为，线长为以对功分器的主要要求有：当（）（）端口问棼匹配负载时，在输入的（）端无反射，反过来，对（）（）端口也如此。（）（）两输出端口功率按一定比例分配，（）（）两输出端之间互相隔离。为了满足输入端口（）的无反射条件，必须因为当（）（）两输出臂接匹配负载后经以反映到（）端口的并联导纳为，如要匹配则必须：舞百，或弘；故，（）从图中可以直接看出：由于（）及（）两路结

38、构上对称，故功率是平分的。跨接在、两点上的电阻是为了起到（）（）两端之间互相隔离的作用。当信号由（）端口输入时，、两点等电位，故上没有电流，相当于不起作用；而当（）端有信号输入时，它就分两路（和）到达（）端口，适当选择及的值，可使此两路信号相互抵消，从而使（）（）两端口得到隔离。的位置与接的引线长短有关，故要调整决定至于这个隔离电阻的数值是多少，我们省略推倒过程，直接给出结论：辱：掣磁端口和端隔离。”此即表示当。时。经由分到的电流经由网络分到的电流相互抵消，因而使第章毫米波段的一分二功分器研究设计原理功分器最经典的结构是威尔金森结构，它的关键是在功分器的两条输出传输线之间加入了隔离电阻。可是由

39、于两个原因威尔金森结构不适用于毫米波段及以上波段。首先目前找不到适用与毫米波段的集总参数电阻作为隔离电阻再者在毫米波段四分之一波长非常短（时只有毫米），若采用威尔金森结构，由于波长线太短不适宜弯曲所以本章的主要目的是找出一种适用于毫米波段并且在输出口之间较高隔离的功分器。图功分网络示意图如上图所示，功分器由一条输入传输线，两条输出传输线，一条连接在两条输出传输线之间的隔离传输线组成，两条输出传输线的长度相等。输入信号由端口进入共分器以后在两条输出传输线的交汇处分成两路，分别传输到两个输出端口。由于两条输出传输线之间存在耦合，所以有一部分能量通过两输出传输线之间的隔离微带线从一条输出传输线到达另

40、一条输出传输线。如果这部分能量可以被抵消，那么就相当于增加了两条输出传输线之间的隔离。所以，如果在点叠加的两路信号所走过的路程相差二分之一波长的奇数倍，那么这两路信号就能相互抵消。即（）由威尔金森结构改良一分二功分器仿真结果图是本章提出的分功分器的尺寸示意图东南大学硕士学位论文图分功分器的尺寸示意图如图所示。功分器采用的基板材料是，介电常数为，厚度是微带线的材料是铜。功分器的大小是。三个端口的阻抗是欧姆，在的工作频率下宽度是。微带线在一分二的交叉处分为二路欧姆的微带线，然后过渡回欧姆的微带线。功分器所有转角处角度为度。图中的细节尺寸如下：，日。连接两个输出端口的隔离微带线阻抗是欧姆。其宽度为图

41、为建模的示意图，图、是仿真结果。从图中可以看出输入输出端口间隔离良好可用带宽在一以下达到。图建模示意图第章日叫、。厂朗城，图口回波损耗仿真示意图“、图回波损耗、￥仿真示意图（两条线重合）钿喧砷击、厂弋和铂嚣盯，（图隔离￥、￥仿真示意图（两条线重合）东南大学硕士学位论文￥日口：弋、习口再帕雏，图，￥、￥仿真示意图（四条线重合）由仿真结果来看这个结构的功率分配器在中心频率为附近有近肛的带宽两个输出端口之间的隔离也达到一。从图中也看到（、￥）在和处有两个零点，现分析产生这两个零点的原因。之所以出现两个零点可以理解为波从输入端口进入网络以后分成两路进入两条输出传输线。由于输出传输线之间存在耦合，所以一

42、条输出传输线上的能量会通过隔离微带线到达另一条输出传输线上。当两路信号所走过的路程相差二分之一波长的整数倍时他们就会相互抵消。形成传输零点。具体计算如下：“）时，石一鲁二（）时工一：（，）若将两条输出输出传输线之间的距离加大，将会得到另一个类似的结果。图建模示意图第章图中的细节尺寸与上一模型相比只有一个地方放生改变：由变成。八，八图”口回波损耗仿真示意图、一、，“，（图回波损耗￥、￥仿真示意图（两条线重合），。、八，、，一，拍憎喝图隔离￥、仿真示意图（两条线重合）东南大学硕士学位论文￥茸可自击、，力。：厂、日两中，图、￥、￥仿真示意图（四条线重合）由仿真结果来看这个结构的功率分配器在中心频率为

43、附近有近姗的带宽，两输出端口之间的隔离也达到一，从图中也看到能量的传输比上一种结构的功分器多出两个零点，他们分别是：，哪！，根据上一小节采用的分析方法，我们可以得到相似的结论（）工一时（）五一时工一舨叙敬（）（）时兄石一时。一（）一兄一由以上分析可见，出现零点的频率基本符合半波长整数倍这个准则。而且两个输出端口之间的距离越大零点就越多，将会影响功分器的性能。所以在毫米波段，两个输出端口之间的距离，或者说，的值要尽量小，以减少零点提高性能。为证明以上假设的正确性，我们采用中的短臂结构，只是增加两条输出传输线之问的隔离微带线和输入端口之间的距离。第章图建模示意图图是建模示意图。它的具体尺寸和基本一

44、致，只不过由变成，由变成。这样是为了使的值保持不变回波损耗示意图如下图所示。歹仝、念，科，日图回波损耗￥仿真示意图、一，一、，、訾图一回波损耗、仿真示意图（两条线重合）东南大学硕士学位论文“、乇图隔离￥、仿真示意图（两条线重合）日础厂；、上一曰，拉刁，【卵啊簟，。斜，七图、￥仿真示意图（四条线重合）由仿真结果来看这个结构的功率分配器在中心频率为附近有近删的带宽，两个输出端口之间的隔离也达到一。从图中也看到能量的传输在和处有两个零点，与中出现零点的位置基本一致，而且没有出现额外的零点，可见我们以上的分析是正确的。常用结构的一分二功分器仿真结果与前面的结构相，这里的结构变化主要是阻抗变换方面如图所示，上节中两个输出端口、上的由欧姆微带线过渡到欧姆微带线的结构被取消，取而代之的是在输入端口上采用了渐变微带线的结构。段是阻抗为欧姆的微带线，为的是和输出端口的欧姆的微带线形成一个并联的结构。段是欧姆的微带线，和匹配源阻抗相匹配。段是过渡结构，作为段和段的连接。功分器的尺寸示意图如下图所示：第章图常用功分器尺寸示意图功分器采用的基板材料是介电常数为，厚度是