第12章 射頻微波天線--魏峰

1、2西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室12.1 天線基礎(chǔ)知識12.2 常見的天線結(jié)構(gòu)12.3 單極天線和對稱陣子天線 12.4 喇叭天線12.5 拋物面天線12.6 微帶天線3西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室為什么需要天線？為什么需要天線？4西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室天線基本特性what is antenna?B Bl la ah h blahbl ahblah傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由空間的電磁波 有效的接收或發(fā)射電磁波 能量轉(zhuǎn)換 ；有效定向輻射（或接收）;5西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能

2、天線實(shí)驗(yàn)室室6西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 12.1.1 12.1.1 天線基本指標(biāo)天線基本指標(biāo)天線的基本指標(biāo)介紹如下：天線的基本指標(biāo)介紹如下：(1) (1) 天線增益天線增益G G定義為定義為 （12 - 1a12 - 1a）式中，式中，Pr為被測天線距離為被測天線距離R處所接收到的功率密度，單處所接收到的功率密度，單位為位為W/m2; Pi為全向性天線距離為全向性天線距離R處所接收到的功率密度，處所接收到的功率密度， 單位為單位為W /m2。irPPG 7西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 天線是無源的，本身并沒有增加所輻射信號的能

3、量，它只是起天線是無源的，本身并沒有增加所輻射信號的能量，它只是起著在空間重新分配能量的作用，即把能量集中在所要的方向，著在空間重新分配能量的作用，即把能量集中在所要的方向，在不需要的方向抑制天線的方向性。在不需要的方向抑制天線的方向性。2.15dB8西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室增益為增益為G G的天線距離的天線距離R R處的功率密度應(yīng)為接收功率密度，處的功率密度應(yīng)為接收功率密度，即即 (2) (2) 天線輸入阻抗天線輸入阻抗Z Zinin定義為定義為式中，式中，U為在饋入點(diǎn)上的射頻電壓；為在饋入點(diǎn)上的射頻電壓；I為在饋入點(diǎn)上的為在饋入點(diǎn)上的射頻電流。射頻電流。

4、24 RGPPtr（12 1b）IUZin（12 2a）9西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室天線是個(gè)單口網(wǎng)絡(luò)，輸入駐波比或反射系數(shù)是一個(gè)基天線是個(gè)單口網(wǎng)絡(luò)，輸入駐波比或反射系數(shù)是一個(gè)基本指標(biāo)，為了使天線輻射盡可能多的功率，必須使天線本指標(biāo)，為了使天線輻射盡可能多的功率，必須使天線與空氣匹配，輸入駐波比盡可能小。阻抗、駐波比與反與空氣匹配，輸入駐波比盡可能小。阻抗、駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系為射系數(shù)的關(guān)系為11110ZZVSWRin（12 2b）10西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室(3) 輻射效率輻射效率r定義為定義為 式中，式中，Pr為天線輻射

5、出的功率，單位為為天線輻射出的功率，單位為W；Pi為饋入天為饋入天線的功率，單位為線的功率，單位為W。（12 - 3）11西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 (4) 輻射方向圖：用一極坐標(biāo)輻射方向圖：用一極坐標(biāo)圖來表示天線的輻射場強(qiáng)度與圖來表示天線的輻射場強(qiáng)度與輻射功率的分布，如圖輻射功率的分布，如圖12-1所所示。示。 (5) 半功率角的定義如圖半功率角的定義如圖 12-2 所示。所示。 0zEE90 x090面180270H面yO12西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 圖 12-2 半功率波束寬度(a) 按電場定義； (b) 按功率定義0

6、.707 EE0.707 E0.5 P0.5 PP(a)(b)13西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室60 (eg)峰值峰值 - 3dB點(diǎn)點(diǎn) - 3dB點(diǎn)點(diǎn)3dB 波束寬度波束寬度水平面方向圖水平面方向圖峰值峰值- 3dB點(diǎn)點(diǎn)- 3dB點(diǎn)點(diǎn)15 (eg)垂直面方向圖垂直面方向圖立體方向圖立體方向圖14西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室(6) (6) 旁瓣旁瓣: : 在主輻射波瓣旁，還有許多副瓣，沿角度方在主輻射波瓣旁，還有許多副瓣，沿角度方向展開如圖向展開如圖12 - 3 12 - 3 所示。其中，所示。其中，HPBWHPBW為半功率波束寬為半

7、功率波束寬度，輻射最大功率下降度，輻射最大功率下降3dB3dB時(shí)的角度時(shí)的角度; ; FNBW為第一零為第一零點(diǎn)波束寬度點(diǎn)波束寬度; SLL為旁瓣高度為旁瓣高度，輻射最大功率與最大旁輻射最大功率與最大旁瓣的差。瓣的差。 圖 12-3 主瓣與旁瓣主瓣HPBWSLL旁瓣FNBW角度/deg15西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室(7) (7) 方向系數(shù)方向系數(shù)D D定義為定義為 式中，式中，P Pmaxmax為最大功率密度，單位為為最大功率密度，單位為W/mW/m2 2; P; Pavav為平均輻為平均輻射功率密度，單位為射功率密度，單位為W/mW/m2 2。常見的天線方向

8、系數(shù)如下：常見的天線方向系數(shù)如下：偶極天線偶極天線 D=1.5 D=1.5 或或 1.76dB1.76dB單極天線單極天線 D=1.5 D=1.5 或或 1.76 dB1.76 dB拋物面天線拋物面天線喇叭天線喇叭天線式中式中，d為拋物面半徑為拋物面半徑，為信號波長為信號波長，A為喇叭口為喇叭口面面積。面面積。 avPPDmax22)(dD （12 - 4）16西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室增益的單位通常寫為增益的單位通常寫為 dBi 或或 dBddBi 當(dāng)用理想的點(diǎn)源天線來比，從而得到增益數(shù)值當(dāng)用理想的點(diǎn)源天線來比，從而得到增益數(shù)值時(shí)則用此單位時(shí)則用此單位.dB

9、d 當(dāng)增益是和一個(gè)半波對稱陣子比較時(shí)用此單位當(dāng)增益是和一個(gè)半波對稱陣子比較時(shí)用此單位.增益的單位增益的單位17西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室天線的極化天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向垂直極化垂直極化水平極化水平極化+ 45度傾斜的極化度傾斜的極化- 45度傾斜的極化度傾斜的極化18西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室12.1.2 12.1.2 遠(yuǎn)區(qū)場概念遠(yuǎn)區(qū)場概念通常，天線看作是輻射點(diǎn)源，近區(qū)是球面波，遠(yuǎn)區(qū)為通常，天線看作是輻射點(diǎn)源，近區(qū)是球面波，遠(yuǎn)區(qū)為平面波，如圖平面波，如圖12-412-4所示。輻射方向圖是在遠(yuǎn)區(qū)測量。下所示

10、。輻射方向圖是在遠(yuǎn)區(qū)測量。下面給出遠(yuǎn)、面給出遠(yuǎn)、 近場的分界點(diǎn)。近場的分界點(diǎn)。 19西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-4 遠(yuǎn)區(qū)場概念球面波平面波D輻射點(diǎn)源等相位面天線lRD/2Rl源20西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室在射頻在射頻/ /微波應(yīng)用上，天線的類型與結(jié)構(gòu)有許多種類。就微波應(yīng)用上，天線的類型與結(jié)構(gòu)有許多種類。就波長特性分，有八分之一波長、四分之一波長、半波天線；波長特性分，有八分之一波長、四分之一波長、半波天線；就結(jié)構(gòu)分，有單極子型、對稱振子型、喇叭型、拋物面型、就結(jié)構(gòu)分，有單極子型、對稱振子型、喇叭型、拋物面型、 角型、

11、螺旋型、介質(zhì)平板型及陣列型天線等，如圖角型、螺旋型、介質(zhì)平板型及陣列型天線等，如圖12 - 6 12 - 6 所所示；示； 就使用頻寬分，有窄頻帶型（就使用頻寬分，有窄頻帶型（10%10%以下）和寬頻帶型以下）和寬頻帶型（10%10%以上）。表以上）。表12 -12 - 1歸納了天線類型。圖歸納了天線類型。圖12 - 7 給出了三給出了三種天線的增益比較。種天線的增益比較。 21西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-6 常見天線22西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室拉桿天線拉桿天線23西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線

12、實(shí)驗(yàn)室室引向天線引向天線24西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室喇叭天線喇叭天線25西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室微帶天線微帶天線26西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室衛(wèi)星接收天線衛(wèi)星接收天線寬帶全向天線寬帶全向天線3m3m微波接力通信天線微波接力通信天線27西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室28西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室29西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室30西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室吸頂天線

13、天線 31西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室gsm專用于小區(qū)域室內(nèi)天線分.板狀天線天線 32西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室六十年代，美國在波多黎各阿雷西博鎮(zhèn)建造了直徑達(dá)305米的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡，它是順著山坡固定在地表面上的，不能轉(zhuǎn)動，這是世界上最大的單孔徑射電望遠(yuǎn)鏡 它的無線電球面反射鏡直徑可達(dá)305米，是用將近4萬個(gè)鉆孔的鋁質(zhì)篩板制成的。它能將入射的無線電波聚焦于安裝在反射鏡面上空的可移動天線上。這根天線可以向任何方向移動，這樣可以跟蹤某個(gè)天體。射電望遠(yuǎn)鏡十分靈敏，它能夠探測到距離達(dá)1300萬光年處的天體。 33西安電子科技大西安電子

14、科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室中國探月工程昆明地面站中國探月工程昆明地面站40米天線建成驗(yàn)收米天線建成驗(yàn)收中新網(wǎng)7月18日電 據(jù)中國科學(xué)院消息，7月16日，由中國科學(xué)院云南天文臺承擔(dān)建設(shè)的國家重大航天工程“嫦娥工程”地面應(yīng)用系統(tǒng)昆明地面站40米天線建成驗(yàn)收。據(jù)了解，昆明地面站作為國家探月工程的組成部分，主要任務(wù)是完成探月衛(wèi)星下傳的月球觀測數(shù)據(jù)的接收和記錄存儲；與北京密云地面站、烏魯木齊南山站、上海佘山站共同組成VLBI網(wǎng)，對繞月探測衛(wèi)星進(jìn)行精密定位。34西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室中國遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá)中國遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá)35西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能

15、天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室艦載對空搜索雷達(dá)天線艦載對空搜索雷達(dá)天線相控陣?yán)走_(dá)天線相控陣?yán)走_(dá)天線36西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室螺旋天線螺旋天線37西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室俄羅斯新型有源相控俄羅斯新型有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣?yán)走_(dá)天線俄軍巨型雷達(dá)天線陣列俄軍巨型雷達(dá)天線陣列38西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-7 三種常用天線增益比較喇叭型螺旋型對稱陣子型39西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室表12 - 1 天線分類40西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)

16、驗(yàn)室室 單極天線和對稱陣子是全向天線，廣泛應(yīng)用于廣播、移單極天線和對稱陣子是全向天線，廣泛應(yīng)用于廣播、移動通信和專用無線系統(tǒng)中。對稱陣子是基本天線，單極天線動通信和專用無線系統(tǒng)中。對稱陣子是基本天線，單極天線是對稱陣子的簡化形式，長度是對稱陣子的一半，與地面的是對稱陣子的簡化形式，長度是對稱陣子的一半，與地面的鏡像可以等效為對稱陣子，如圖鏡像可以等效為對稱陣子，如圖12 - 812 - 8所示。對稱陣子長度所示。對稱陣子長度小于一個(gè)波長，輻射方向圖是個(gè)油餅形或南瓜形。在小于一個(gè)波長，輻射方向圖是個(gè)油餅形或南瓜形。在=90=90時(shí)電場輻射最強(qiáng)，時(shí)電場輻射最強(qiáng)，0 0時(shí)沒有輻射。磁場輻射是個(gè)圓環(huán)，

17、時(shí)沒有輻射。磁場輻射是個(gè)圓環(huán)，沿方向相同。單極天線是個(gè)全向天線，可以接收任何方向的沿方向相同。單極天線是個(gè)全向天線，可以接收任何方向的磁場信號，增益為磁場信號，增益為1 1。41西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-8 單極天線和對稱陣子及其方向圖z對稱陣子天線E面對稱陣子天線H面金屬或地面單極天線鏡像(a)(b)(c)對稱陣子天線0.20.50.5042西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室一般地，對稱陣子天線的長度等于半波長，單極天線一般地，對稱陣子天線的長度等于半波長，單極天線的長度等于四分之一波長，阻抗為的長度等于四分之一波長，阻抗

18、為73 73 ，增益為，增益為1.641.64（2.15 dB2.15 dB）。如果天線長度遠(yuǎn)小于波長，稱為短陣子，）。如果天線長度遠(yuǎn)小于波長，稱為短陣子，輸入阻抗非常小，難于實(shí)現(xiàn)匹配，輻射效率低，短陣子輸入阻抗非常小，難于實(shí)現(xiàn)匹配，輻射效率低，短陣子的增益近似為的增益近似為1.5(1.7 dB)1.5(1.7 dB)。實(shí)際中把單極陣子稱作鞭。實(shí)際中把單極陣子稱作鞭狀天線，長度為四分之一波長，與同軸線內(nèi)導(dǎo)體相連，狀天線，長度為四分之一波長，與同軸線內(nèi)導(dǎo)體相連，接地板與外導(dǎo)體相接，接地板通常是車頂或機(jī)箱，如圖接地板與外導(dǎo)體相接，接地板通常是車頂或機(jī)箱，如圖12 - 9 12 - 9 所示，輻射方

19、向圖是對稱陣子方向圖的一半所示，輻射方向圖是對稱陣子方向圖的一半(上上半部分半部分)，阻抗也是對稱陣子的一半（阻抗也是對稱陣子的一半（37 ）。）。 43西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-9 單極天線的饋電402a單極天線同軸饋線單極天線44西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室對稱陣子和單極天線有許多變形，折合陣子是兩個(gè)對對稱陣子和單極天線有許多變形，折合陣子是兩個(gè)對稱陣子的對接，如圖稱陣子的對接，如圖12-10 12-10 所示，折合后的長度為半波所示，折合后的長度為半波長，阻抗為長，阻抗為4 473300 73300 。折合陣子可

20、以看成對稱模。折合陣子可以看成對稱模和非對稱模的疊加。和非對稱模的疊加。圖 12-10 折合陣子天線20同 軸 饋 線45西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室單極天線的另一種變形是倒單極天線的另一種變形是倒L L型和倒型和倒F F型天線，如圖型天線，如圖12-11 12-11 所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低，便于所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低，便于安裝。圖安裝。圖12-11(c)12-11(c)是一種寬帶變形，用金屬板代替了導(dǎo)是一種寬帶變形，用金屬板代替了導(dǎo)線。線。單極天線的另一種變形是倒單極天線的另一種變形是倒L L型和倒型和倒F F型天線，如圖型天線，如

21、圖12-11 12-11 所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低，便于所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低，便于安裝。圖安裝。圖12-11 (c) 12-11 (c) 是一種寬帶變形，用金屬板代替了是一種寬帶變形，用金屬板代替了導(dǎo)線。導(dǎo)線。46西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-11 倒L型和倒F型天線面形陣子l1l2l3l1l2半波陣子：短對稱陣子：4031ll(a)(b)(c)02 l4021ll021 ll 47西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室喇叭天線是波導(dǎo)與空氣的過渡段，有圓喇叭和方喇叭兩種，喇叭天線是波導(dǎo)與空氣的過渡段，有圓

22、喇叭和方喇叭兩種，分別與圓波導(dǎo)和方波導(dǎo)相連接。分別與圓波導(dǎo)和方波導(dǎo)相連接。喇叭天線可以單獨(dú)用于微波系統(tǒng)，也可作為面天線的饋源。喇叭天線可以單獨(dú)用于微波系統(tǒng)，也可作為面天線的饋源。喇叭天線增益可以嚴(yán)格計(jì)算，通常使用喇叭天線做測量標(biāo)準(zhǔn)。喇叭天線增益可以嚴(yán)格計(jì)算，通常使用喇叭天線做測量標(biāo)準(zhǔn)。對于圖對于圖12 - 12 所示矩形波導(dǎo)喇叭所示矩形波導(dǎo)喇叭，獲得最佳增益的天線尺獲得最佳增益的天線尺寸和增益為寸和增益為 2000lg101 . 8)(23ABdBGlBlAch（12 - 8） （12 - 9） 48西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-12 矩形喇叭及其方向圖

23、 H面 (xz, 0 )1.0幅度lhlhAlclcBABbaE面 (yz, 90 ) 49西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 對于圖對于圖12 - 13 所示圓錐喇叭所示圓錐喇叭，獲得最佳增益的天線尺獲得最佳增益的天線尺寸和增益為寸和增益為 如如ab=22.86 mm10.16 mm， AB=22.86 cm10.16 cm的的10 GHz矩形喇叭矩形喇叭，增益為增益為22 dB。 82. 2lg20)(300DdBGlDc（12 - 10） （12 - 11） 50西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-13 圓錐喇叭DDlclc51

24、西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室拋物面天線是一種高增益天線，是衛(wèi)星或無線接力通信等拋物面天線是一種高增益天線，是衛(wèi)星或無線接力通信等點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)中使用最多的反射面天線。如圖點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)中使用最多的反射面天線。如圖12 - 14 12 - 14 所示，所示，金屬拋物面反射器將焦點(diǎn)上的饋源發(fā)射的球面波變成平面波金屬拋物面反射器將焦點(diǎn)上的饋源發(fā)射的球面波變成平面波發(fā)射出去。如果照度效率為發(fā)射出去。如果照度效率為100100，則有效面積等于實(shí)際面積，則有效面積等于實(shí)際面積，即即ADAe2)2(（12 - 12）52西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖

25、12-14 拋物面天線反射面ABCDEFR饋源X平面波53西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室實(shí)際中，由于溢出、實(shí)際中，由于溢出、 阻塞和損耗，照度效率只有阻塞和損耗，照度效率只有55557575，取最壞情況，取最壞情況5555：半功率波束寬度為半功率波束寬度為20202)(55. 04)2(55. 0DAGDAAee增益為deg700DHPBW（12 - 13） （12 - 14） （12 - 15） 54西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 若有拋物面口徑為若有拋物面口徑為1 m1 m，工作頻率為，工作頻率為10 GHz10 GHz，照度效，

26、照度效率為率為5555的拋物面天線，可以計(jì)算出增益為的拋物面天線，可以計(jì)算出增益為37dB37dB，HPBWHPBW為為2.32.3，在，在55 m55 m處形成遠(yuǎn)場（平面波）。處形成遠(yuǎn)場（平面波）。拋物面的增益很高，波束很窄。拋物面的對焦非常重拋物面的增益很高，波束很窄。拋物面的對焦非常重要。喇叭饋源與同軸電纜連接。拋物面天線通常有四種要。喇叭饋源與同軸電纜連接。拋物面天線通常有四種饋源方式，如圖饋源方式，如圖12 - 15 12 - 15 所示。所示。55西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-15 拋物面天線的四種饋源方式(a) 前饋; (b) 卡賽格倫;

27、(c) 格利高里; (d) 偏饋饋源反射面副反射面反射面饋源偏置副反射面(d)(c)饋源副反射面反射面饋源(a)(b)反射面56西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室前饋?zhàn)詈唵?，照度效率為前饋?zhàn)詈唵危斩刃蕿?5%55%6060，饋源及其支架，饋源及其支架會產(chǎn)生遮擋，增加旁瓣和交叉極化?？ㄙ惛駛惖膬?yōu)點(diǎn)是會產(chǎn)生遮擋，增加旁瓣和交叉極化?？ㄙ惛駛惖膬?yōu)點(diǎn)是饋源靠近接收機(jī)前端，連接線短。格利高里與卡賽格倫饋源靠近接收機(jī)前端，連接線短。格利高里與卡賽格倫相似，只是用了橢圓副反射面，效率為相似，只是用了橢圓副反射面，效率為7676。偏饋的方。偏饋的方法避免了饋源或副反射面的遮擋，旁

28、瓣類似，同樣增益法避免了饋源或副反射面的遮擋，旁瓣類似，同樣增益下尺寸較小。下尺寸較小。在微波低端或射頻波段，拋物面的尺寸太大，可以用在微波低端或射頻波段，拋物面的尺寸太大，可以用部分拋物面，這種天線常用在船上。為了減輕重量、部分拋物面，這種天線常用在船上。為了減輕重量、 承承受風(fēng)壓受風(fēng)壓，拋物面可以做成網(wǎng)狀的。拋物面可以做成網(wǎng)狀的。 57西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室微帶天線結(jié)構(gòu)緊湊，一致性好，成本低，效率高，近年來微帶天線結(jié)構(gòu)緊湊，一致性好，成本低，效率高，近年來得到了長足的發(fā)展。常用的微帶天線是矩形或圓形。矩形貼得到了長足的發(fā)展。常用的微帶天線是矩形或圓形。

29、矩形貼片天線如圖片天線如圖12 - 16 所示。所示。 圖 12-16 矩形貼片天線W微 帶 貼 片 天 線介 質(zhì)hr地WL58西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室12.6.1 12.6.1 微帶天線基本知識和矩形微帶天線微帶天線基本知識和矩形微帶天線常用的微帶天線的分析設(shè)計(jì)方法有傳輸模法和諧振模常用的微帶天線的分析設(shè)計(jì)方法有傳輸模法和諧振模法。傳輸模法的思路是把矩形塊等效為輻射阻抗加載的法。傳輸模法的思路是把矩形塊等效為輻射阻抗加載的一段很寬的微帶線，由于設(shè)計(jì)公式近似且有實(shí)驗(yàn)調(diào)整，一段很寬的微帶線，由于設(shè)計(jì)公式近似且有實(shí)驗(yàn)調(diào)整，這種方法是不準(zhǔn)確的。諧振模法是把微帶天線

30、看成是具這種方法是不準(zhǔn)確的。諧振模法是把微帶天線看成是具有磁壁的封閉腔體，這種方法精度好，但計(jì)算成本太高。有磁壁的封閉腔體，這種方法精度好，但計(jì)算成本太高。工程上，微帶天線用傳輸模式近似設(shè)計(jì)，很寬的微帶工程上，微帶天線用傳輸模式近似設(shè)計(jì)，很寬的微帶線沿橫向是諧振的，在貼片下面電場沿諧振長度正弦變線沿橫向是諧振的，在貼片下面電場沿諧振長度正弦變化，假定電場沿寬帶化，假定電場沿寬帶W W方向不變化，并且天線的輻射是方向不變化，并且天線的輻射是寬邊的邊沿。寬邊的邊沿。59西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室輻射邊沿可以看作用微帶傳輸線連接起來的輻射槽，輻射邊沿可以看作用微帶傳

31、輸線連接起來的輻射槽，如圖如圖12 - 17 所示，單個(gè)輻射槽的輻射電導(dǎo)為所示，單個(gè)輻射槽的輻射電導(dǎo)為20220212090WWGW0 W0 （12 - 16） 60西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室YinY0LLhG j BG j B等 效 電 路圖12 17 邊沿輻射槽61西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 微帶天線的工作頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為微帶天線的工作頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為 W不是很關(guān)鍵不是很關(guān)鍵，通常按照下式確定通常按照下式確定: )2(20LLcfe(12 - 21)2/10122rfcW(12 - 22)62西安電子科技大西安

32、電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-18 矩形天線實(shí)例LWw1w2l163西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室微帶天線缺點(diǎn)：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；最大增益實(shí)際上受限制（約為20dB）；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。64西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)3 GHz3 GHz微帶天線，基板參數(shù)為微帶天線，基板參數(shù)為2.2/0.7622.2/0.762，并用四，并用四分之一線段實(shí)現(xiàn)與分之一線段實(shí)現(xiàn)與50 50 饋線的匹配。饋線的匹配

33、。天線拓?fù)淙鐖D天線拓?fù)淙鐖D12 - 18 12 - 18 所示。所示。步驟一：步驟一： 確定各項(xiàng)參數(shù)確定各項(xiàng)參數(shù): : W=3.95cm W=3.95cm， e e=2.14=2.14， L=0.04cmL=0.04cm L=3.34cm L=3.34cm， R Rinin=288=288步驟二：步驟二： 阻抗變換器的特性阻抗為阻抗變換器的特性阻抗為ZT0= =120 5028865西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室步驟三：步驟三： 由微帶原理計(jì)算得變換器的長度和寬度為由微帶原理計(jì)算得變換器的長度和寬度為l1 1=1.9 cm=1.9 cm， w w1 1=0.044

34、2cm=0.0442cm 微帶天線的輻射方向圖可以用電磁場理論嚴(yán)格計(jì)算。微帶天線的輻射方向圖可以用電磁場理論嚴(yán)格計(jì)算。圖圖12 - 1912 - 19是典型的方向圖，典型是典型的方向圖，典型HPBW=50HPBW=506060，G=5G=58 dB8 dB。66西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-19 微帶天線的典型方向圖 22518013590H面0315 10 20 40 506050402010450 10 20 40 5060 3040503020103154590135180225E面 3067西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)

35、室室在許多場合下要利用合適的饋線點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微帶天線的圓在許多場合下要利用合適的饋線點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微帶天線的圓極化。如圖極化。如圖12 - 20 12 - 20 所示，所示，9090耦合器激勵(lì)兩個(gè)方向的耦合器激勵(lì)兩個(gè)方向的線極化構(gòu)成圓極化，或者擾動微帶天線的輻射場實(shí)現(xiàn)圓線極化構(gòu)成圓極化，或者擾動微帶天線的輻射場實(shí)現(xiàn)圓極化。極化。68西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-20 圓極化微帶天線饋線點(diǎn)方形貼片69西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室12.6.2 12.6.2 微帶天線的其他形式微帶天線的其他形式導(dǎo)體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、導(dǎo)體貼

36、片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、 圓形或圓形或圓環(huán)形薄片等，也可以是窄長條形的薄片振子圓環(huán)形薄片等，也可以是窄長條形的薄片振子( (對稱陣子對稱陣子) )。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和微帶由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和微帶振子天線，如圖振子天線，如圖12 - 2112 - 21（a a）、（）、（b b）所示。微帶天線的另）所示。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變一種形式是利用微帶線的某種形變( (如彎曲、如彎曲、 直角彎頭等直角彎頭等) )來形成輻射，稱為微帶線型天線，如圖來形成輻射，稱為微帶線型天線，如圖12 - 21(c)12 - 21(

37、c)所示。因所示。因?yàn)檫@種天線沿線傳輸行波，故又稱為微帶行波天線。微帶天為這種天線沿線傳輸行波，故又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其他饋線一側(cè)的微帶線或其他饋線( (如稽線如稽線) )對其饋電，稱之為微帶縫對其饋電，稱之為微帶縫隙天線，如圖隙天線，如圖12 - 21(d)12 - 21(d)所示。由各種微帶輻射單元可構(gòu)成所示。由各種微帶輻射單元可構(gòu)成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線、多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線、 微帶振子陣天線微帶振子陣天線，等等。等等。 70西安電子科

38、技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-21 微帶天線的四種形式接 地 板微 帶 線接 地 板微 帶 線導(dǎo) 體 振 子接 地 板槽 線導(dǎo) 體 貼 片介 質(zhì) 基 片接 地 板微 帶 線(a)(b)(c)(d)71西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成?？p隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環(huán)成。縫隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環(huán)形。形。 窄縫窄縫 圓環(huán)縫圓環(huán)縫 寬縫寬縫 圓貼片縫圓貼片縫72西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖圖12 - 22

39、 12 - 22 為兩種饋電形式的矩形微帶天線示意圖，為兩種饋電形式的矩形微帶天線示意圖，圖（圖（a a）是背饋，同軸線的外導(dǎo)體與接地板連接，內(nèi)導(dǎo)）是背饋，同軸線的外導(dǎo)體與接地板連接，內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)與貼片天線焊接；圖（體穿過介質(zhì)與貼片天線焊接；圖（b b）為側(cè)饋，通過阻）為側(cè)饋，通過阻抗變換與微帶線連接?？棺儞Q與微帶線連接。73西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-22 微帶天線的兩種饋電方式(a)(b)74西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，的一面上有輻射單元

40、，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電?？梢杂梦炀€或同軸線饋電。因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常的的5050 傳輸線阻抗，所以需要傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電的位置來做到。但是，饋電的的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。位置也影響輻射特性。中心微帶饋電和偏心微帶饋電。中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點(diǎn)的位置也決定激勵(lì)那種模饋電點(diǎn)的位置也決定激勵(lì)那種模式。式。同軸插座安裝在印制電路板的背同軸插座安裝在印制電路板的背面，而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)面，而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)體上。對指定的模，同軸插座的體上。對指定的模，同軸插座

41、的位置可由經(jīng)驗(yàn)去找，以便產(chǎn)生最位置可由經(jīng)驗(yàn)去找，以便產(chǎn)生最好的匹配。好的匹配。75西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室矩形微帶天線作為獨(dú)立天線應(yīng)用時(shí)采用背饋方式，而矩形微帶天線作為獨(dú)立天線應(yīng)用時(shí)采用背饋方式，而作為單板微帶天線的陣元時(shí)必須采用側(cè)饋方式。在制作作為單板微帶天線的陣元時(shí)必須采用側(cè)饋方式。在制作側(cè)饋的矩形微帶天線時(shí)，可按下述方法實(shí)現(xiàn)匹配：側(cè)饋的矩形微帶天線時(shí)，可按下述方法實(shí)現(xiàn)匹配： 將將中心饋電天線的貼片同中心饋電天線的貼片同50 50 饋線一起光刻制作，實(shí)測饋線一起光刻制作，實(shí)測其輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配器，然后在天線輻射元與微帶其輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配器，然后在

42、天線輻射元與微帶饋線間接入該變換器。饋線間接入該變換器。 任何形式的平面幾何結(jié)構(gòu)都可以用作微帶天線，圖任何形式的平面幾何結(jié)構(gòu)都可以用作微帶天線，圖12-2312-23是部分微帶天線形式。是部分微帶天線形式。76西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室12.6.3 12.6.3 圓盤微帶天線的設(shè)計(jì)實(shí)例圓盤微帶天線的設(shè)計(jì)實(shí)例圓盤形微帶天線是另一種基本形式。參數(shù)包括圓盤半圓盤形微帶天線是另一種基本形式。參數(shù)包括圓盤半徑、饋電位置、輸入阻抗、天線徑、饋電位置、輸入阻抗、天線Q Q值、輻射效率、值、輻射效率、 總效總效率、輸入率、輸入VSWRVSWR及頻帶、輻射方向圖。計(jì)算過程復(fù)雜，

43、已及頻帶、輻射方向圖。計(jì)算過程復(fù)雜，已有圖表和軟件可使用。下面給出圓盤半徑計(jì)算公式，并有圖表和軟件可使用。下面給出圓盤半徑計(jì)算公式，并以以900 MHz900 MHz天線為例，利用計(jì)算程序天線為例，利用計(jì)算程序MathcadMathcad描述設(shè)計(jì)過描述設(shè)計(jì)過程。圓盤半徑為程。圓盤半徑為2/1)7726. 12(ln21hKKhKar（12 - 23） 77西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室式中式中設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)900 MHz圓盤微帶天線，介質(zhì)參數(shù)為圓盤微帶天線，介質(zhì)參數(shù)為4.5/1.6。(1) 確定參數(shù)。天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：設(shè)計(jì)頻率確定參數(shù)。天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

44、為：設(shè)計(jì)頻率f0=0.9 GHz， 最大輸入駐波比最大輸入駐波比VSWR=2.0 1，基板參數(shù)為高度，基板參數(shù)為高度h=0.16 cm，介電常數(shù)，介電常數(shù)r=4.5，損耗正切，損耗正切 tan=0.015，導(dǎo)體銅的，導(dǎo)體銅的=1.0。rfK0794. 878西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室(2) 利用設(shè)計(jì)軟件（利用設(shè)計(jì)軟件（cpatch.exe）求出圓盤圓形天線的半）求出圓盤圓形天線的半徑、徑、 接頭饋入位置、接頭饋入位置、 頻率與輸入阻抗的關(guān)系。頻率與輸入阻抗的關(guān)系。 半徑半徑=4.580 cm 饋電點(diǎn)饋電點(diǎn)=1.800 cm頻率與阻抗對應(yīng)關(guān)系如表頻率與阻抗對應(yīng)關(guān)

45、系如表 12-1 所示。所示。79西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室表 12-1 頻率與阻抗對應(yīng)關(guān)系 80西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-24 圓盤形微帶天線結(jié)構(gòu)圖饋入接頭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方向圖角度DBSCALE=40.05 dB PER DIVISION15 degreesPER ANGLE DIVISIONE面81西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智

46、能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室?guī)追N主要方法幾種主要方法展寬微帶天線的帶寬選取合適的介質(zhì)和貼片選取合適的介質(zhì)和貼片附加寄生元附加寄生元 采用特殊的貼片形式采用特殊的貼片形式采用合適的饋電方法采用合適的饋電方法其他方法其他方法天線加載天線加載82西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)厚介質(zhì)基片厚介質(zhì)基片由輻射引起的值由輻射引起的值Qr幾乎幾乎與電厚度成反比，因此增加基與電厚度成反比，因此增加基片的厚度能夠有效地展寬帶寬。片的厚度能夠有效地展寬帶寬。但電厚度過大會引起表面波但電厚度過大會引起表面波的明顯激勵(lì)，使得輻射效率降的明顯激勵(lì)，使得輻射效率降低，一般微帶天線

47、的設(shè)計(jì)中其低，一般微帶天線的設(shè)計(jì)中其電厚度不超過電厚度不超過0.2。選取合適的選取合適的a/b增大增大a/b對增加帶寬有一定對增加帶寬有一定的意義，但潛力有限的意義，但潛力有限當(dāng)當(dāng)a/b過大時(shí)會激發(fā)其他模，過大時(shí)會激發(fā)其他模，從而引起方向圖的惡化，從而引起方向圖的惡化，83西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室介質(zhì)電參數(shù)介質(zhì)電參數(shù)r低介電常數(shù)低介電常數(shù)降低降低 增加帶寬的方法其增加帶寬的方法其潛力也是有限的低潛力也是有限的低 將減小將減小表面波的影響，但饋線要變表面波的影響，但饋線要變寬一些，需要抑制輻射損寬一些，需要抑制輻射損耗耗 的最小值為，為獲得的最小值為，為獲得低

48、的介電常數(shù)，現(xiàn)在采用蜂低的介電常數(shù)，現(xiàn)在采用蜂窩結(jié)構(gòu)或泡沫材料介質(zhì)，也窩結(jié)構(gòu)或泡沫材料介質(zhì)，也有用在介質(zhì)板上打孔的方法有用在介質(zhì)板上打孔的方法降低介電常數(shù)降低介電常數(shù)高損耗角正切高損耗角正切采用大損耗的介質(zhì)可降采用大損耗的介質(zhì)可降低低d，在展寬帶寬的同，在展寬帶寬的同時(shí)也可減小貼片的尺寸，時(shí)也可減小貼片的尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化實(shí)現(xiàn)小型化由于損耗大，使得天線由于損耗大，使得天線的效率降低的效率降低rrr84西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室介質(zhì)厚度介質(zhì)厚度h對帶寬的影響：對帶寬的影響：3.053.103.153.203.253.303.35Freq GHz1.001.502.

49、002.503.00Y1Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 6h=4mmh=3mmh=2mmh =2mm,freq(3.16G-3.23G),0.07Gh =3mm,freq(3.14G-3.25G),0.11Gh =4mm,freq(3.12G-3.27G),0.15G基本成線性變化小結(jié)：小結(jié)：通過選取適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)和貼通過選取適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)和貼片主要是減小微帶天線的片主要是減小微帶天線的Q值以達(dá)到增大帶寬的目的。值以達(dá)到增大帶寬的目的。這幾種方式都受一定的限這幾種方式都受一定的限制，作用不是太顯著，要獲制，作用不是太顯著，要獲得更大的帶寬還需采取其他得更大的帶

50、寬還需采取其他方法。方法。這種方法總是和其他展寬這種方法總是和其他展寬帶寬的方法相結(jié)合使用的，帶寬的方法相結(jié)合使用的，是最基本的方法。是最基本的方法。85西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室根據(jù)寄生元放置位置的不同可分為兩種結(jié)構(gòu)，即根據(jù)寄生元放置位置的不同可分為兩種結(jié)構(gòu)，即多層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)和和共共面寄生結(jié)構(gòu)面寄生結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)分別如下圖：，兩種結(jié)構(gòu)分別如下圖：多層結(jié)構(gòu)共面寄生結(jié)構(gòu)86西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室基本原理基本原理饋電元與寄生元上下放饋電元與寄生元上下放置，介質(zhì)層間可以有空氣置，介質(zhì)層間可以有空氣層。層。選定介質(zhì)基片，主要調(diào)選

51、定介質(zhì)基片，主要調(diào)節(jié)參數(shù)為饋電元尺寸，寄節(jié)參數(shù)為饋電元尺寸，寄生元尺寸以及空氣層厚度。生元尺寸以及空氣層厚度。能有效展寬帶寬，方向能有效展寬帶寬，方向圖波瓣變窄，增益變大。圖波瓣變窄，增益變大。由于用多層結(jié)構(gòu)，天線由于用多層結(jié)構(gòu)，天線的厚度很大，在限制天線的厚度很大，在限制天線厚度的情況下，應(yīng)用受到厚度的情況下，應(yīng)用受到限制限制多層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)饋電元與寄生元共面放置，饋電元與寄生元共面放置，可通過縫隙耦合，也可附加可通過縫隙耦合，也可附加直接耦合貼片。直接耦合貼片。主要調(diào)節(jié)參數(shù)為饋電元尺主要調(diào)節(jié)參數(shù)為饋電元尺寸，寄生元尺寸，縫隙寬度寸，寄生元尺寸，縫隙寬度以及直接耦合時(shí)微帶線寬。以及直接耦合時(shí)

52、微帶線寬。能有效展寬帶寬，并保持能有效展寬帶寬，并保持了微帶的低剖面特性了微帶的低剖面特性。附加了共面寄生元，使附加了共面寄生元，使得天線面積加大，同時(shí)得天線面積加大，同時(shí)破壞了結(jié)構(gòu)的對稱，帶破壞了結(jié)構(gòu)的對稱，帶內(nèi)方向圖特性較差。內(nèi)方向圖特性較差。共面寄生結(jié)構(gòu)共面寄生結(jié)構(gòu)通過饋電元對寄生通過饋電元對寄生元耦合饋電，將微元耦合饋電，將微帶天線的等效諧振帶天線的等效諧振電路由單諧振回路電路由單諧振回路改為多諧振回路，改為多諧振回路，調(diào)節(jié)天線參數(shù)使兩調(diào)節(jié)天線參數(shù)使兩個(gè)諧振頻率適當(dāng)接個(gè)諧振頻率適當(dāng)接近，形成頻帶展寬近，形成頻帶展寬的雙峰諧振回路。的雙峰諧振回路。87西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天

53、線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu): 近年來各種形狀的微帶貼片都被用來拓展頻帶和實(shí)現(xiàn)天線的小型近年來各種形狀的微帶貼片都被用來拓展頻帶和實(shí)現(xiàn)天線的小型化，圖化，圖2.5給出了兩種種典型的結(jié)構(gòu)給出了兩種種典型的結(jié)構(gòu)開U型槽開E型槽還有蝶形，倒F形，H形槽雙L形槽等多種結(jié)構(gòu)88西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室饋電會影響天線的輸入阻抗，引起阻抗帶寬變化，是寬帶微帶天饋電會影響天線的輸入阻抗，引起阻抗帶寬變化，是寬帶微帶天線設(shè)計(jì)需考慮的因素。線設(shè)計(jì)需考慮的因素。微帶天線兩種主要饋電方式：微帶天線兩種主要饋電方式：探針饋電：可以改變饋電點(diǎn)位置，便于匹配；厚介質(zhì)時(shí)引入較大

54、的探針饋電：可以改變饋電點(diǎn)位置，便于匹配；厚介質(zhì)時(shí)引入較大的電感，影響匹配，限制了帶寬。電感，影響匹配，限制了帶寬。邊緣微帶線饋電：饋線和貼片共面，便于加工；饋線本身會引起輻邊緣微帶線饋電：饋線和貼片共面，便于加工；饋線本身會引起輻射，厚介質(zhì)時(shí)，寬度會變大，干擾天線方向圖。射，厚介質(zhì)時(shí)，寬度會變大，干擾天線方向圖。針對探針饋電的缺點(diǎn)提出了一種在探針頂部加容性貼片的方法：針對探針饋電的缺點(diǎn)提出了一種在探針頂部加容性貼片的方法：此結(jié)構(gòu)采用厚介質(zhì)基片，容性探針饋此結(jié)構(gòu)采用厚介質(zhì)基片，容性探針饋電，通過容性貼片補(bǔ)償探針引起的感電，通過容性貼片補(bǔ)償探針引起的感抗，實(shí)現(xiàn)較寬的頻帶?？?，實(shí)現(xiàn)較寬的頻帶。采用

55、反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將容性貼片放在介質(zhì)采用反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將容性貼片放在介質(zhì)上層，探針對上層容性貼片饋電，容上層，探針對上層容性貼片饋電，容性貼片對下層輻射元電磁耦合饋電，性貼片對下層輻射元電磁耦合饋電，可將容性貼片和輻射元在一層介質(zhì)上可將容性貼片和輻射元在一層介質(zhì)上加工。加工。89西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室Reconfigurable Antenna (RA)Frequency RAPolarization RAPattern RACombined RAContinuous TuningDiscrete TuningHorizontal & VerticalRHCP

56、 & LHCPLinear &CPBeam ScanningMain Beam Shape ChangingTwo CharacteristicsThree Characteristics90西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室Frequency Reconfigurable AntennasA microstrip dipole antenna using two silicon switches can operate at either 2.26 GHz or 3.15 GHz. 91西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室A

57、planar reconfigurable reflectarray can achieve a beam-scanning range of 50 by 50 .Pattern Reconfigurable Antennas for Beam Scanning92西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室單個(gè)天線的波束寬度與增益的矛盾限制了它的使用。在有單個(gè)天線的波束寬度與增益的矛盾限制了它的使用。在有些場合，要用更高的增益和更窄的波束。由于天線的尺寸與些場合，要用更高的增益和更窄的波束。由于天線的尺寸與工作波長有關(guān)，必須用多個(gè)天線形成極窄波束。天線陣把能工作波長有關(guān)，必須

58、用多個(gè)天線形成極窄波束。天線陣把能量聚焦于同一個(gè)方向量聚焦于同一個(gè)方向，增加了系統(tǒng)的作用距離。增加了系統(tǒng)的作用距離。 12.7.1 12.7.1 天線陣天線陣考慮圖考慮圖12 - 25 12 - 25 所示的沿所示的沿z z方向分布的一維天線陣，總輻方向分布的一維天線陣，總輻射場為每個(gè)單元的疊加。射場為每個(gè)單元的疊加。93西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 12-25 沿z方向分布的一維n元相控陣(N1) d cos4d cos3d cos2d cosd cosrNr5r4r3r2r112345Nddddz0z 94西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室遠(yuǎn)區(qū)場幅度相等，即遠(yuǎn)區(qū)場幅度相等，即r1=r2=r3=rN=r （12 - 24） 每個(gè)天線單元的家間距為每個(gè)天線單元的家間距為d， 引起的相移為，引起的相移為， 由距離引起由距離引起的相移分別是的相移分別是 r1=rr2=r+dcosrN=r+(N-1)dcos （12 - 25）故總場強(qiáng)為故總場強(qiáng)為 陣因子元方向圖NidkijirjkteIrefE1)cos)(1(004),(（12 - 26）95西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 式(12-26)稱為方向圖乘積原理。陣