微带裂缝漏波天线的fdd分析

微带裂缝漏波天线的fdd分析

1微带漏波传播系数的数值仿真fmdd的基本一个近年来，由于微带漏波天线的特点，其电源频率清洁功能已广泛应用于许多方面，如交通费、防洪雷达等。微带漏波天线工作于第一高阶模TE01,能量以空间波的形式向外辐射。微带漏波天线的主波束方向可由θ=90°-sin-1(β/k0)给出,β为第一高阶模下漏波相位常数,k0为自由空间波数。相对于传统的智能天线(波束可调天线),微带漏波天线具有波束宽度较窄、结构简单、剖面低、馈电方便等特点。微带漏波天线辐射特性使用相对漏波传播系数γ/k0=α/k0+jβ/k0(α为漏波衰减常数)来说明。当β/k0<1时,天线工作于第一高阶模TE01,辐射主波束方向随着工作频率的增大向端射方向偏移。一般把相对漏波传播系数曲线中主波束开始扫描的频率点到sin(90°-θ)=β/k0=1频率点间的区域称为漏波区,即微带漏波天线的工作区域,微带漏波天线性能主要由此区域内的相对漏波传播系数(γ/k0=α/k0+jβ/k0)中的相对漏波相位常数β/k0决定。在以往的研究中,微带漏波天线工作频段较高,无法直接应用于个人通信系统中。微带缝隙天线是微带天线的一种,最近开始有研究将缝隙技术应用于微带漏波天线上,取得了较好的效果。实验证明,在微带漏波天线上开缝可以有效地低频化微带漏波天线的漏波区,使微带漏波天线工作于较低的频带,而且可以缩小天线尺寸。但是,对微带缝隙漏波天线的研究还停留在实验验证阶段,缺乏理论上的验证与分析。在以往的工作中,对微带漏波天线应用时域有限差分法FDTD数值仿真,通过一条经验公式成功地得到了微带漏波天线的漏波传播系数,较好地说明了微带漏波天线的各项性质特点。本文中,应用时域有限差分法(FDTD),对适用于移动通信频段的微带缝隙漏波天线作了初步的讨论,得到了微带缝隙漏波天线内部电场分布,提出了一条有效的经验公式,成功地计算了微带缝隙漏波天线的漏波传播系数曲线,与实验数据吻合较好。通过数值仿真证明了在微带漏波天线上开缝可以有效地降低漏波区频率,使微带漏波天线工作于较低的工作频率。同时也对微带缝隙漏波天线性能受缝隙宽度以及微带宽度的影响作了初步研究。工作于移动通信频段内时,达到类似天线性能的微带缝隙漏波天线尺寸比微带漏波天线尺寸大约减少10%。2微带渗透膜内场分布使用FDTD方法对微带缝隙漏波天线进行数值仿真,在微带天线上开缝对微带缝隙漏波天线的电场分布有直接的影响。如图1所示为微带缝隙漏波天线在工作频率F=900MHz时的电场分布,在天线宽度为W=110mm,高度为h=5mm,长度为L=310mm,相对介电常数为εr=2.25的微带漏波天线中央开缝,缝隙宽度为d=10mm。由谐振腔模理论可知,在微带天线上开缝,缝隙宽度直接影响着微带天线内的电场分布。由仿真可知,当缝隙宽度小于某个特定数值,微带缝隙漏波天线的电场分布与未开缝前相类似。而当缝隙宽度大于某一数值,电场分布出现剧烈变化。由图1可见,当缝隙宽度d=10mm时,微带上的缝隙严重影响微带天线介质板内电场分布,不仅仅在长边,在缝隙上电场也出现剧烈震动。在微带天线上开缝,使同样尺寸的微带天线在相同工作频率下,微带天线相位发生了变化,漏波传播系数曲线亦随之变化。3微带渗波天线时域仿真微带缝隙漏波天线示意图见图1。由于微带缝隙天线实际上是微带天线的一种,适用于微带漏波天线的理论分析工具也应可适用于微带缝隙漏波天线。吸收边界条件使用二阶Mur吸收边界,激励源使用时谐场激励源。对于微带缝隙漏波天线理论分析而言,最重要在于准确以及方便地得到微带漏波传播系数γ=α+jβ。通过使用FDTD对微带缝隙漏波天线进行时域仿真,可以得到第一高阶模下的瞬时电场值,可以从中提取微带缝隙漏波天线中电磁波的波长nλ,kx=2π/λn(kx为TE01模下电波的传播波数)。根据谐振腔理论,可以把微带天线看作为填充均匀介质的双导体平板传输线,板宽W,板间距h,有kc2=k2+γ2为传播系统的本征值,k为确定的均匀媒质中的波数,γ为传播系数,所以有当kc2<k2,工作频率f高于介质频率fC时,,β为实数,为漏波传播系数γ=α+jβ中的漏波相位常数,电磁波为行波状态,可以在微带漏波天线内传播以及向外辐射;当kc2>k2,工作频率f低于介质频率fC时,,为漏波传播系数γ=α+jβ中的衰减常数α,电磁波在微带漏波天线内截止,天线内部只存在衰弱的电磁场。根据式(1),得到了一条有效计算微带缝隙漏波天线传播系数γ=α+jβ的经验公式其中,为自由空间波数;λn为微带缝隙漏波天线中电磁波的波长,为TE01模下电波的波数;W为微带缝隙漏波天线宽度,则为微带缝隙漏波天线的截止波数。进而可得到一条计算相对漏波传播系数(γ/k0=α/k0+jβ/k0)的经验公式4微带裂隙漏波天线的数值计算对于微带缝隙漏波天线而言,其最主要的性质在于电控频扫特性。微带缝隙漏波天线工作于漏波区内时,天线辐射主波束方向随着工作频率的增大向端射方向偏移,微带缝隙漏波天线的主波束方向由θ=90°-sin-1(β/k0)给出。所以,位于漏波区内的相对漏波相位常数β/k0已可以大体上说明天线的性能。在此,我们着重讨论微带缝隙漏波天线的相对漏波相位常数β/k0。以图1所示天线结构尺寸为例说明如何计算单一频点时的相对漏波相位常数β/k0,当其工作于F=900MHz时,使用FDTD方法仿真得到电场分布,从中提取微带缝隙漏波天线的波导波长nλ,代入式(3)就可得到天线宽度为W=110mm,高度为h=5mm,长度为L=310mm,相对介电常数为εr=2.25,缝隙宽度为d=10mm的微带缝隙漏波天线在工作频率为F=900MHz时的相对漏波相位常数β/k0数值计算数据。通过对同一结构尺寸微带缝隙漏波天线工作于不同工作频率进行FDTD仿真,得到不同的波导波长nλ,代入式(3)计算相对漏波相位常数β/k0,就可以得到一条连续的工作频率与相对漏波相位常数β/k0关系曲线。不同结构尺寸的微带缝隙漏波天线对应不同的相对漏波相位常数β/k0曲线。而由微带缝隙漏波天线的基本概念可知,天线主波束方向角θ=90°-sin-1(β/k0),通过测量微带缝隙漏波天线在漏波区内不同工作频率下的主波束方向角θ,可以得到微带缝隙漏波天线的相对漏波相位常数β/k0的实验数据。图2中对分别工作于840～980MHz以及1120～1200MHz的微带缝隙漏波天线使用式(3)进行数值计算,同时亦对它们的远场区方向图进行了测量,得到了微带缝隙漏波天线的相对漏波相位常数β/k0数值计算数据和实验数据。工作于840～980MHz频段,亦即移动通信频段的微带缝隙漏波天线其缝隙宽度为d=10mm,天线宽度为W=110mm;而工作于1120～1200MHz频段的微带缝隙漏波天线其缝隙宽度为d=10mm,天线宽度则为W=80mm,其余天线结构参数两者相同。为了满足微带漏波天线第一高阶模条件,选取微带缝隙漏波天线其它结构参数为高度h=5mm,长度L=310mm,相对介电常数εr=2.25。图2中可见,实验数据与使用式(3)计算得到的数值计算数据进行了比较,实验数据与计算数据吻合较好,证明式(3)可精确地计算微带缝隙漏波天线的相对漏波相位常数β/k0。当缝隙宽度d=10mm保持不变的情况下,微带缝隙漏波天线的微带宽度分别为W=110mm和W=80mm时,相同缝隙宽度下,微带宽度越大,相对相位常数曲线越向低频区偏移,微带缝隙漏波天线可以在较低的频段上工作。改变微带缝隙漏波天线的缝隙宽度或者微带宽度可以使漏波传播系数曲线发生平移。在某一工作频率下,可以通过加载电容等方式改变缝隙或微带天线的等效宽度,实现微带缝隙漏波天线的主波束定频扫描。图3中可见,对于宽度同为W=110mm的两块微带漏波天线,在其中一块上开缝,缝隙宽度为d=10mm,缝隙对微带漏波天线内的电场产生严重影响,漏波相位常数曲线向低频方向偏移,漏波区向低频方向平移。在微带漏波天线上开缝形成的微带缝隙漏波天线,缝隙宽度达到某个数值之后,可以有效地使微带漏波天线的漏波区低频化,使微带漏波天线工作于较低的频段。图3中同时指出,在相同的工作频段中,使用微带宽度为W=110mm,缝隙宽度为d=10mm微带缝隙漏波天线就已经可以达到微带宽度为W=110mm微带漏波天线的性能。可见,使用缝隙天线可以大大减少微带漏波天线尺寸。在移动通信频段内,使用缝隙技术的微带漏波天线的尺寸至少可以减少约10%。5开缝宽度、微带宽度与天线性能的关系通过使用时域有限差分法对适用于移动通信频段的微带缝隙漏波天线进行了初步分析,得到了一条有效计算微带缝隙漏波天线漏波传播系数的经验公式,计算数据与实验数据吻合较好。通过数值仿真计算得到了微带缝隙开缝宽度以及微带宽度对微带缝隙漏波天线性能影响的规律。在微带漏波天线上开缝可以有效地降低微带漏波天线的工作频