圓極化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與研究

1、 . . . I / 42摘 要微帶天線(xiàn)具有體積小，重量輕，低剖面，制造成本低，易于批量生產(chǎn)，易于和微帶線(xiàn)路集成等特點(diǎn)，能得到單方向的寬瓣方向圖，易于實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。這些優(yōu)點(diǎn)使得微帶天線(xiàn)在大約 100MHz100GHz 寬廣頻域上，廣泛應(yīng)用于包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、制導(dǎo)武器以與便攜式無(wú)線(xiàn)電設(shè)備。 論文首先回顧了微帶天線(xiàn)的發(fā)展史，介紹了它的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用，然后給出了微帶天線(xiàn)的幾種分析方法，包括傳輸線(xiàn)法，空腔模型法，積分方程法等，并介紹了微帶天線(xiàn)圓極化的原理和實(shí)現(xiàn)方法以與微帶天線(xiàn)的饋電方式。然后在Ansoft HFSS 中創(chuàng)建了一個(gè)單饋圓極化微帶天線(xiàn)和雙饋圓極化微帶天線(xiàn)，分析

2、了S11 和 VSWR 參數(shù)，畫(huà)出了方向圖。為了實(shí)現(xiàn)圓極化，進(jìn)行了軸比的優(yōu)化仿真，達(dá)到了較為理想的結(jié)果。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：微帶天線(xiàn)、圓極化、軸比 . . . II / 42AbstractAbstractThe microstrip antennas has the volume to be small, the weight is light, the low section plane, the production cost is low, easy volume production, easy and characteristics and so on microstrip line

3、integration, can obtain the single direction wide petal directional diagram, easy to realize, the double polarization dual range and so on multi-purpose work. These merits cause the microstrip antennas in approximately the 100MHz-100GHz broad frequency range, widely applies in includes the satellite

4、 communication, the radar, the remote sensing, the guided weapon as well as the portable wireless apparatus.The paper first reviewed microstrip antennass history, introduced its structure, the good and bad points and the application, then have given microstrip antennass several analysis method, incl

5、uding the transmission long-base method, the cavity modeling, the integral equation law and so on, and introduced the microstrip antennas circular polarizations principle and realizes the method as well as microstrip antennass feed method. Then AnSoft Hfss in the creation of a single-fed circular po

6、larization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna, the analysis of the S11 and VSWR parameters, to draw a pattern. In order to achieve circular polarization, the axis carried on the optimization simulation, t

7、o a more satisfactory results.KeyKey wordswords：microstrip antenna；circularpolarization; axial ratio . . . III / 42目目 錄錄摘 要 IABSTRACTII目 錄 III第一章緒論 11.1 微帶天線(xiàn)的發(fā)展 11.2 微帶天線(xiàn)的定義和結(jié)構(gòu) 11.3 微帶天線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn) 21.4 微帶天線(xiàn)的應(yīng)用 3第二章微帶天線(xiàn)的原理技術(shù) 42.1 微帶天線(xiàn)的輻射機(jī)理 42.2 微帶天線(xiàn)的分析方法 52.2.1 傳輸線(xiàn)模型法 52.2.2 空腔模型法 82.2.3 積分方程法 82.3 微帶天線(xiàn)的饋電

8、方法 92.4 微帶天線(xiàn)圓極化技術(shù) 102.4.1 圓極化天線(xiàn)的原理 102.4.2 圓極化實(shí)現(xiàn)技術(shù) 112.5 其他形式的微帶天線(xiàn) 15第三章 圓極化微帶天線(xiàn)的仿真與優(yōu)化 19 . . . IV / 423.1 ANSOFT HFSS 高頻仿真軟件的介紹 193.2 圓極化微帶天線(xiàn)的仿真優(yōu)化 193.2.1 圓極化微帶天線(xiàn)的仿真設(shè)計(jì) 193.2.2 天線(xiàn)軸比的優(yōu)化 22第四章 雙饋圓極化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì) 254.1 兩路微帶等功率分配器的設(shè)計(jì)與仿真 254.2 雙饋圓極化微帶天線(xiàn)的仿真分析 294.2.1 創(chuàng)建天線(xiàn)模型 294.2.2 優(yōu)化天線(xiàn)模型 33致 37參考文獻(xiàn) 38 . . . 1

9、/ 42第一章第一章 緒論緒論1.1 微帶天線(xiàn)的發(fā)展微帶天線(xiàn)的概念早在 1953 年就已經(jīng)提出了，但并未引起工程界的重視。在五十年代和六十年代只有一些零星的研究。真正的發(fā)展和實(shí)用是在七十年代。由于微波集成技術(shù)的發(fā)展以與各種低耗介質(zhì)材料的出現(xiàn)，微帶天線(xiàn)的制作得到了工藝保證；而空間技術(shù)的發(fā)展又迫切需要低剖面的天線(xiàn)元。1970 年出現(xiàn)了第一批實(shí)用的微帶天線(xiàn)。1979 年在美國(guó)新墨西哥大學(xué)舉行了微帶天線(xiàn)專(zhuān)題國(guó)際會(huì)議，1981年 IEEE 天線(xiàn)于傳播會(huì)刊在一月號(hào)上刊登了微帶天線(xiàn)專(zhuān)集。這以后，微帶天線(xiàn)的研究有了迅猛的發(fā)展，新形式和新性能的微帶天線(xiàn)不斷涌現(xiàn)，發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文和研究報(bào)告，召開(kāi)了專(zhuān)題會(huì)議和出

10、版專(zhuān)集。這表明微帶天線(xiàn)終于成為天線(xiàn)研究中的一個(gè)重要課題，受到各方面的關(guān)注。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和多樣化的性能，它必將在廣闊的波段的各種無(wú)線(xiàn)電設(shè)備上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。 1.2 微帶天線(xiàn)的定義和結(jié)構(gòu)微帶天線(xiàn)是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線(xiàn)。它利用微帶線(xiàn)或同軸線(xiàn)等饋線(xiàn)饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng),并通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線(xiàn)也可以看作一種縫隙天線(xiàn)。通常介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比是很小的。因而它實(shí)現(xiàn)了小型化，屬于微小天線(xiàn)的一類(lèi)。導(dǎo)體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形，圓形，或圓環(huán)形薄片等，也可以是窄長(zhǎng)條形的薄片振子（偶極子） 。由這兩種單元形

11、成的微帶天線(xiàn)分別稱(chēng)為微帶貼片天線(xiàn)和微帶振子天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)的另一種形式是利用微帶線(xiàn)的某種形變（如彎曲、直角彎頭）來(lái)形成輻射，稱(chēng)之為微帶線(xiàn)形天線(xiàn)，第三種形式的微帶天線(xiàn)因?yàn)檠鼐€(xiàn)傳輸行波，又稱(chēng)之為微帶行波天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)的第四種形式是利用開(kāi)在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片的另一側(cè)的微帶線(xiàn)或其他饋線(xiàn)（如槽線(xiàn)）對(duì)其饋電，稱(chēng)之為微帶縫隙天線(xiàn)。由各種微帶輻射單元可構(gòu)成多種多樣的陣列天線(xiàn)，如 . . . 2 / 42微帶貼片陣天線(xiàn)，微帶振子陣天線(xiàn)等等。1.3 微帶天線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)1.與普通微波天線(xiàn)相比，微帶天線(xiàn)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 剖面薄，體積小，重量輕，能與載體共形，并且除了在饋電點(diǎn)外要開(kāi)出引線(xiàn)孔外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)

12、，這對(duì)于高速飛行器特別有利。（2） 電性能多樣化。不同設(shè)計(jì)的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射圍調(diào)整；易于得到各種極化；特殊設(shè)計(jì)的微帶元還可以在雙頻或多頻工作。（3） 能與有源器件和電路集成為單一的模件，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了整機(jī)的制作和調(diào)試，大大降低了成本。（4） 不需要背腔，微帶天線(xiàn)適合于組合式設(shè)計(jì)（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、混頻器、相移器等可以直接加到天線(xiàn)基片上） ；饋線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線(xiàn)結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。（5） 稍稍改變饋電位置就可以獲得線(xiàn)極化和圓極化（左旋和右旋） ；無(wú)須做大的變動(dòng)，天線(xiàn)就很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上。2.微帶天線(xiàn)的主要缺點(diǎn)是：（1

13、） 頻帶較窄，主要是諧振式微帶天線(xiàn)，現(xiàn)在已有一些改進(jìn)辦法。（2） 損耗較大，因此效率較低，這類(lèi)似于微帶電路。特別是行波微帶天線(xiàn)，在匹配負(fù)載上有較大的損耗。（3） 單個(gè)微帶天線(xiàn)功率容量較小，一般用于中、小功率場(chǎng)合；（4） 性能受基片材料影響大。（5） 大多數(shù)的微帶天線(xiàn)只向半空間輻射；最大增益實(shí)際上受限制（約為 20dB） 。（6） 饋線(xiàn)與輻射元之間的隔離差，端射性能差，可能存在表面波。不過(guò)已發(fā)展了不少新技術(shù)來(lái)克服或減少上述缺點(diǎn)。例如，已有多種途徑來(lái)展寬微帶天線(xiàn)的頻帶。常規(guī)設(shè)計(jì)的相對(duì)帶寬的約為中心頻率的（1-6）%，新一代設(shè)計(jì)的典型值為（15-20）%，利用帶固態(tài)功率放大器的有源微帶陣來(lái)組陣，可獲

14、得 . . . 3 / 42相當(dāng)大的總輻射功率。1.4 微帶天線(xiàn)的應(yīng)用微帶天線(xiàn)最初作為火箭和導(dǎo)彈上的共形全向天線(xiàn)獲得了應(yīng)用?，F(xiàn)已應(yīng)用于大約 100M-100GHz 的寬廣域上的大量無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中。特別是在飛行器上和地面便攜式設(shè)備中，已應(yīng)用微帶天線(xiàn)的系統(tǒng)如：衛(wèi)星通信，雷達(dá)，遙感，導(dǎo)彈遙測(cè)遙控，電子對(duì)抗，武器引信，飛機(jī)高度表，環(huán)境檢測(cè)儀表，醫(yī)用微波輻射計(jì)等。特別是圓極化微帶天線(xiàn)高性能圓極化微帶天線(xiàn)在當(dāng)前的應(yīng)用愈加廣泛。圓極化天線(xiàn)的實(shí)用意義主要體現(xiàn)在:1. 圓極化天線(xiàn)可接收任意極化的來(lái)波,且其輻射波也可由任意極化天線(xiàn)收到,故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線(xiàn);2. 在通信、雷達(dá)的極化分集工作和電子對(duì)抗

15、等應(yīng)用中廣泛利用圓極化天線(xiàn)的旋向正交性;3. 圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)(如平面、球面等)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn),因此圓極化天線(xiàn)應(yīng)用于移動(dòng)通信、GPS 等能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。 . . . 4 / 42第二章第二章 微帶天線(xiàn)的原理微帶天線(xiàn)的原理技術(shù)技術(shù)2.1 微帶天線(xiàn)的輻射機(jī)理微帶天線(xiàn)的輻射是由微帶天線(xiàn)導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的。Lewin對(duì)微帶的不連續(xù)性的輻射首次作了研究，他的分析是基于導(dǎo)體中流動(dòng)的電流進(jìn)行的。這個(gè)方法也可以用來(lái)計(jì)算輻射對(duì)于微帶諧振器品質(zhì)因數(shù)的影響。這個(gè)分析是以微帶開(kāi)路端和地板所構(gòu)成的口徑場(chǎng)為基礎(chǔ)。按此分析，輻射對(duì)于品質(zhì)因數(shù)的影響可描述為諧振器尺寸、工作頻率、相對(duì)介電常數(shù)與基片厚

16、度的函數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高頻時(shí)，輻射損耗遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗。還證明，在用厚的而介電常數(shù)低的基片時(shí)，開(kāi)路微帶線(xiàn)的輻射更強(qiáng)。微帶天線(xiàn)的分析方法有很多，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們以矩形微帶天線(xiàn)為例，采用傳輸線(xiàn)模型分析方法介紹它的輻射原理。設(shè)輻射元長(zhǎng) L，寬 W，介質(zhì)基片厚 h。貼片與接地板間的介質(zhì)基片中的電場(chǎng)沿貼片寬度 w 方向和厚度 h 方向無(wú)變化。僅沿長(zhǎng)度 L 方向有變化，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.1(a)。則輻射場(chǎng)可認(rèn)為是由貼片沿長(zhǎng)度方向的兩個(gè)開(kāi)路端上的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的。將邊緣場(chǎng)分解為水平和垂直分量，由于貼片長(zhǎng)度，所以?xún)砷_(kāi)路端的垂直/2L電場(chǎng)分量反相，如圖 2.1(b)所示，該分量在空間產(chǎn)生的場(chǎng)互相抵消（或

17、很弱） 。而水平分量的電場(chǎng)是同相的，可等效為無(wú)限大平面上同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，如圖2.1（c） 。遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)主要由該分量場(chǎng)產(chǎn)生，最大輻射方向在垂直于貼片的方向。也就是說(shuō)，微帶天線(xiàn)的輻射可以等效為由兩個(gè)縫隙組成的二元陣。（a）開(kāi)路端電場(chǎng)結(jié)構(gòu)（b）場(chǎng)分布側(cè)視圖（c）等效輻射縫隙圖 2.1 矩形微帶天線(xiàn)與其等效電路 . . . 5 / 422.2 微帶天線(xiàn)的分析方法微帶天線(xiàn)的分析方法主要有 3 種方法：傳輸線(xiàn)模型法、空腔模型法和積分方程法。這 3 種分析方法各有所長(zhǎng)，在具體的模型中應(yīng)根據(jù)具體情況具體選擇分析方法。在分析設(shè)計(jì)天線(xiàn)的過(guò)程中，應(yīng)該合理使用理論分析和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件兩種手段，揚(yáng)長(zhǎng)避短，綜合運(yùn)

18、用，才能順利、快速的完成天線(xiàn)的設(shè)計(jì)分析，得到滿(mǎn)意的結(jié)果。由于傳輸線(xiàn)法較為簡(jiǎn)單方便，且特別針對(duì)矩形微帶貼片天線(xiàn)，這里主要介紹傳輸線(xiàn)模型法，對(duì)其他兩種方法只做簡(jiǎn)單介紹。2.2.1 傳輸線(xiàn)模型法圖 2.2 矩形微帶天線(xiàn)與坐標(biāo)系傳輸線(xiàn)模型法只適用于矩形微帶貼片天線(xiàn)。如圖2.2所示矩形微帶貼片天線(xiàn)與坐標(biāo)系，矩形的寬為 w，長(zhǎng)，為介質(zhì)波長(zhǎng)。為了計(jì)算方便按如下的2/dlg方法設(shè)置坐標(biāo)系：z 軸和 y 軸位于接地板上，z 軸沿縫的方向。傳輸線(xiàn)模型將矩形微帶天線(xiàn)看成是場(chǎng)沿橫向沒(méi)有變化的半波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)諧振器，場(chǎng)沿縱向呈駐波分布，天線(xiàn)的輻射主要由兩開(kāi)路端邊緣縫隙產(chǎn)生。首先研究 y=0 處的縫隙輻射情況。設(shè) y=0 處

19、的電場(chǎng)為，縫隙的輻射可以0Ez用等效磁流來(lái)計(jì)算，等效磁流為 （2.1）hVzEzExyExnJm0000V0 是縫隙電壓，該磁流與鏡像一起在自由空間輻射，其輻射場(chǎng)的電矢量位為2/2/coscossin0400wwhhzxjkrjkmdzdxehVrezA . . . 6 / 42 coscossincossincossinsin000000kwwkhkhkreVzrjk（2.2）輻射場(chǎng)可由已知式計(jì)算，在圖中所示的坐標(biāo)系中遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的矢量位只有分量，因此sinmxmAAsin0000mzmAjkAjkE (2.3)sincoscos2sincossincossinsin000000wkhkhkrej

20、Vrjk由上式可以計(jì)算縫隙的輻射功率并進(jìn)一步計(jì)算縫隙的輻射電導(dǎo)，當(dāng)時(shí)10hk 02/2/2022020sin2122ddrEVVPGrsdwksintancos2sin1200200 (2.4) xxxxxSisin2cos100式中為自由空間波阻抗，。1200wkx0 xduuuxSi0sin除了輻射電導(dǎo)外，縫隙的導(dǎo)納還有一由于邊緣效應(yīng)引起的電納部分，這部分可用微帶傳輸線(xiàn)的延伸長(zhǎng)度來(lái)表示（2.5）lYBcstan可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算l （2.6） 813. 0258. 0262. 03 . 0412. 0hwhwhlee （2.7）211212121whrre . . . 7 / 42 0s

21、incossin2cosHk wF 0cossin2Ek lF式中為介質(zhì)基板厚度為 h 微帶寬度為 w 的微帶傳輸線(xiàn)的等效介電常數(shù)，Yce為其特性導(dǎo)納。下面計(jì)算相距的兩條縫的輻射情況。y= 縫的等效磁流為2/dll (2.8)hVzEzExyExnJm0000與 y=0 處磁流的方向一樣。構(gòu)成一同相二元陣，二者的輻射場(chǎng)應(yīng)由 y=0 處磁流的輻射場(chǎng)乘以二陣因子 sinsin01ljkesinsin200sinsin2cos2lkjelkj（2.9）即Esincoscos2sincossincossinsin2000000wkhkhkreVjrjksinsin200sinsin2coslkjelk

22、j（2.sinsin2cossincoscos2sincossincossinsin200000sinsin2000lkwkhkhkreVjlkrjk10）由此可得 H 面（）和 E 面（）兩個(gè)主平面的方向函數(shù)02/ （2.11） （2.12） . . . 8 / 42圖 2.3 矩形微帶天線(xiàn)方向圖圖為 2.3。根據(jù)計(jì)算得到的微帶天線(xiàn)的方向圖，微帶貼為方形，和 分別為半波wl長(zhǎng)，圖(a)為，圖(b)為。 HF EF當(dāng)用微帶線(xiàn)從輻射邊對(duì)矩形貼片饋電時(shí)，天線(xiàn)的輸入導(dǎo)納應(yīng)等于饋電縫隙的導(dǎo)納與端接另一條縫隙的寬度為，長(zhǎng)度為 的微帶傳輸線(xiàn)的輸入導(dǎo)納并聯(lián)，即wlljYYljYYYYYsccscsintan

23、tan（2.13）式中 Ys=G+為縫隙的輻射導(dǎo)納，。0e2.2.2 空腔模型法空腔模型法把貼片與接地板之間的空腔看成是四周為磁壁、上下為電壁的有耗諧振腔，空腔的損耗主要是邊緣縫隙的輻射損耗?？涨荒Ｐ头ㄊ紫惹蠼饪涨坏膱?chǎng)，由邊緣電場(chǎng)的切向分量求得邊緣的等效磁流。然后再由等效磁流計(jì)算輻射場(chǎng)。空腔模型法適用于任何規(guī)則形狀的微帶貼片天線(xiàn) 2.2.3 積分方程法無(wú)論是傳輸線(xiàn)模型還是空腔模型都沒(méi)有考慮空腔的場(chǎng)在與貼片埀直方向上的變化，對(duì)于介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比不是很小時(shí)這種近似就會(huì)帶來(lái)很大的誤差。并且以上兩種方法都只適用于形狀簡(jiǎn)單的貼片，而積分方程法適用于任何介質(zhì)厚度和任何結(jié)構(gòu)的微帶天線(xiàn)。積分方程法又稱(chēng)

24、格林函數(shù)法，這種方法認(rèn)為微帶貼片天線(xiàn)的輻射場(chǎng)是由貼片表面的電流產(chǎn)生的。計(jì)算電流的輻射場(chǎng)可以借助并矢格林函數(shù)，首先要求得滿(mǎn)足微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)邊界條件的并矢格林函數(shù)，然后利用積分式計(jì)算場(chǎng)。（2.14） vdvrJrrGjrE, . . . 9 / 42在一些簡(jiǎn)單的情況下可以假設(shè)貼片上的電流分布，電流分布乘以并矢格林函 rJ數(shù)然后在電流所在體積積分即可確定輻射場(chǎng)，用這種方法確定場(chǎng)稱(chēng)為格林,rrG函數(shù)法。實(shí)際上這個(gè)積分式中源和場(chǎng)都是未知的，如果把場(chǎng)點(diǎn)設(shè)置在 rJ rEr貼片表面，利用導(dǎo)體表面總切向電場(chǎng)分量為零的邊界條件可以確定貼片表面的場(chǎng)，從而該方程成為源電流的積分方程，因此稱(chēng)為積分方程法。積分方程 rE

25、 rJ可以利用矩量法求解，求出電流后代回原方程即可確定場(chǎng)。2.3 微帶天線(xiàn)的饋電方法一微帶線(xiàn)饋電微帶線(xiàn)饋電又稱(chēng)為邊饋。用微帶線(xiàn)饋電時(shí)，饋線(xiàn)與微帶貼片共面，因此制作簡(jiǎn)單。但此時(shí)饋線(xiàn)本身要輻射，從而干擾方向圖降低增益。由于微帶貼片天線(xiàn)的輸入阻抗與饋電點(diǎn)的位置有關(guān)，因此天線(xiàn)與饋線(xiàn)特性阻抗的匹配由適當(dāng)選擇饋電點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。饋電點(diǎn)的位置除了沿饋電邊移動(dòng)之外還可以通過(guò)一個(gè)間隙伸入貼片部，如圖 2.4(a)所示。饋電點(diǎn)位置改變引起諧振頻率的微小漂移可以通過(guò)修正貼片尺寸來(lái)補(bǔ)償。在理論計(jì)算中，微帶饋源的模型可等效為沿 z 軸方向的一個(gè)薄電流片，電流片的寬度為微帶線(xiàn)的等效寬度。(a)微帶饋電(b)同軸饋電圖 2.

26、4 微帶饋電和同軸饋電二同軸線(xiàn)饋電同軸線(xiàn)饋電是利用從接地板上的小孔伸入諧振空腔的探針激勵(lì)貼片天線(xiàn)，探針與同軸線(xiàn)的導(dǎo)體相連，同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體與接地板相連,如圖 2.4(b)所示。同軸線(xiàn)饋電的優(yōu)點(diǎn)一是饋電點(diǎn)可置于貼片空腔任意位置，便于天線(xiàn)與饋線(xiàn)的匹配；二是饋線(xiàn)位于接地板的下方，不會(huì)對(duì)天線(xiàn)輻射造成影響。缺點(diǎn)是不便于集成，用于天線(xiàn)陣時(shí)加工工作量大且很難保證各陣元饋電的一致性。三電磁耦合型饋電電磁耦合型饋電是利用與貼片靠近但不相連的微帶傳輸線(xiàn)對(duì)貼片饋電，微帶 . . . 10 / 42線(xiàn)與貼片可以共面也可以不共面。在不共面電磁耦合型饋電結(jié)構(gòu)中還可以在饋線(xiàn)與貼片之間插入一帶有矩形縫隙的接地板，微帶線(xiàn)通過(guò)縫隙

27、對(duì)貼片饋電。調(diào)節(jié)縫隙的尺寸可以方便地控制饋線(xiàn)至貼片的耦合。采用長(zhǎng)度比貼片尺寸稍小的縫隙一般可獲得滿(mǎn)意的匹配。圖 2.5電磁耦合型饋電2.4 微帶天線(xiàn)圓極化技術(shù)2.4.1 圓極化天線(xiàn)的原理輻射或接受圓極化的天線(xiàn)稱(chēng)為圓極化天線(xiàn)，圓極化波具有以下重要性質(zhì)：1圓極化是一個(gè)等輻的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。即，沿其傳播方向看去波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓。若瞬時(shí)電場(chǎng)矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)之為左旋圓極化波，沿其傳播方向按右手螺旋旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)之為右旋圓極化波。2 一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間和在時(shí)間上均正交的等幅的極化波。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線(xiàn)的基本原理就是：產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線(xiàn)極化電場(chǎng)分量，并使二者

28、振幅相等，振幅相差。903任意極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。作為特例，一個(gè)線(xiàn)極化波可分解為兩個(gè)旋向相反，振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來(lái)波都可由圓極化天線(xiàn)收到，反之，圓極化天線(xiàn)輻射的圓極化波也可由任意極化的天線(xiàn)收到。這正是電子偵察和干擾等應(yīng)用中普遍采用圓極化波工作的原因。 . . . 11 / 424天線(xiàn)若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不能接收右旋圓極化波，反之，若天線(xiàn)輻射有旋圓極化波，則接收右旋圓極化波，這稱(chēng)為圓極化天線(xiàn)的旋向正交性，其實(shí)，這一性質(zhì)就是發(fā)射和接收天線(xiàn)之間的互易定理。在通信和雷達(dá)的極化分集工作和電子對(duì)抗等應(yīng)用中廣泛利用這個(gè)性質(zhì)。例如，國(guó)際通信衛(wèi)星 V 號(hào)

29、上的 4GHz 多波束發(fā)射天線(xiàn)輻射有旋圓極化波，形成兩個(gè)東、西“半球波束”同時(shí)也輻射左旋圓極化波，形成兩個(gè)輻射不同地區(qū)的“波束區(qū)域”,這四個(gè)波束都工作于 4GHz 頻段互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)四重頻譜復(fù)用，增加了通信容量。5圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)（如平面，球面等）時(shí)，反射波變?yōu)榉葱虻?，即左旋波變右旋，右旋波變左旋。微帶天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)之一是便于實(shí)現(xiàn)圓極化工作，實(shí)現(xiàn)圓極化工作可采用單片法或多片法，單片法又分單點(diǎn)饋電法和多點(diǎn)饋電法，下面分別討論這兩種方法。2.4.2 圓極化實(shí)現(xiàn)技術(shù)一單片法單點(diǎn)饋電單片法是設(shè)法在微帶貼片空腔中激勵(lì)兩個(gè)簡(jiǎn)并模，這兩個(gè)簡(jiǎn)并模能輻射正交極化、幅度相等、相位相差的電磁波。2/以矩形微

30、帶貼片天線(xiàn)為例介紹如何在貼片空腔中激勵(lì)出這兩種模式，設(shè)矩形貼片尺寸為 ab，TM01模和 TM10模在 z 軸方向的輻射場(chǎng)為T(mén)M01模：（2.15）rjkyeakrhCkjEEE0000102140TM10 模：（2.16）0214000100EebkrhCkjEErjkx由上兩式可見(jiàn) TM01 模和 TM10 模在邊射方向的場(chǎng)在空間是相互正交的，為使 . . . 12 / 42它們合成圓極化波，還應(yīng)該滿(mǎn)足時(shí)間（相位）上正交和幅度相等的條件，即它們的比值應(yīng)為：j （2.17）jkkkkaxabybaCbCEExy20122102001001coscos式中，。由上式可見(jiàn)為使兩種模式的場(chǎng)同時(shí)被激

31、勵(lì)并具有bk/01ak/10一樣的振幅，應(yīng)有，但此時(shí)它們的比值為實(shí)數(shù)而不是。為了ba 0110kkj實(shí)現(xiàn)相位上的正交并同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種模式簡(jiǎn)并工作只能取，。為此，ba 1001kk取近似正方形貼片，激勵(lì)頻率滿(mǎn)足關(guān)系。設(shè)bba00110kkk （2.18）axbyA00coscos在的條件下（2.17）式可近似為1001kk （2.19）jkkkkA0110圓極化條件要求比超前或滯后并且10kk 01kk 2/ 1001kkkkA（2.20）下面來(lái)求滿(mǎn)足上述條件的 A 值，即求激勵(lì)點(diǎn)的坐標(biāo)值。00, yx圖 2.6 圓極化波的 k 平面 . . . 13 / 42上面各式中 k 值應(yīng)為:effref

32、frjkjkktan211tan100 jkk （2.21）， （2.22） rkk0Qkkeff21tan21對(duì)于三者之間在 k 平面中應(yīng)有圖 2.6 所示的關(guān)系，即 k 應(yīng)位于以為0 ,20110kk圓心，以左旋圓極化波，由（2.19）式，應(yīng)比超前， （2.19）式10kk 01kk 2/右邊取。因此為直徑的圓上，并且滿(mǎn)足關(guān)系j0110,kkk1001kk。Qkkeff21tan21 利用圖 2.6 的幾何關(guān)系求 A 的解：由三角形相似關(guān)系得，（2.23）0110kkkkkp1001kkkkkq由上式與（2.21）式得，Akkkkkkkkp011010100101kAkkkkkkkq（2.

33、24）上兩式相加得AAQkAAkkk1211001（2.25）由（2.24）與（2.22）式得 （2.26）QAkkAkkk21010由上式解出 k . . . 14 / 42 （2.27）QAkk21110代入（2.25）式可得 A 的方程（2.28）0122baQAbaA該方程的解為babaQbaQA222, 111（2.29）由上式解出 A，由（2.18）式即可確定饋電點(diǎn)的位置，由（2.27）可確定諧振頻率。由（2.29）式可見(jiàn)，若則 A0， （2.18）式的 無(wú)法確定。若ba 00, yxA=1，由（2.28）式得（2.30）QQQQQba1111112122由（2.19）式得，此時(shí)饋

34、電點(diǎn)的軌跡就是矩形貼片的對(duì)角線(xiàn)，可在abxy00這種貼片的一角用微帶線(xiàn)饋電獲得圓極化特性。對(duì)右旋圓極化波（2.19）式右邊取，只需定義j （2.31）axbyA00coscos則以上的討論對(duì)右旋圓極化波完全適用，由三角關(guān)系bxbbxbybby0000coscos,coscos可見(jiàn)，若是左旋圓極化波的饋電點(diǎn)，則或就00, yx00,ybx00, yxa 是右旋圓極化波的饋電點(diǎn)。以上分析對(duì)其他形狀的貼片同樣適用。二單片法多點(diǎn)饋電 . . . 15 / 42用單貼片實(shí)現(xiàn)圓極化的另一方法是利用兩個(gè)饋電點(diǎn)電來(lái)激勵(lì)一對(duì)正交簡(jiǎn)并模并用饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位上的正交。圖 2.7(a)采用 T 型分支激勵(lì)正方形貼片

35、中的TM10模和 TM01模，兩種模式的輻射場(chǎng)是正交的線(xiàn)極化波，90的相位差依靠在一個(gè)支路中插入四分之一波長(zhǎng)延遲線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙點(diǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)的另一種形式是采用如圖 2.7(b)所示的 3dB 分支電橋。3dB 分支電橋可在較寬頻率圍保持 90相移，而且由于匹配負(fù)載吸收了輸入端口與輻射元的反射，有利于改善輸入阻抗特性與終端反射所帶來(lái)的軸比惡化，圓極化帶寬可達(dá) 30%。圖 2.7 多點(diǎn)饋電圓極化微帶天線(xiàn)三多片法多片法是在不同的貼片中激勵(lì)相互正交的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的。圖 3-7 所示的開(kāi)在接地板上的微帶縫隙和微帶振子適當(dāng)?shù)慕M合也能產(chǎn)生圓極化波，微帶振子和微帶縫隙都為半波長(zhǎng)，彼此相距四分之一波長(zhǎng)，因此可

36、以產(chǎn)生在空間和相位上都相互正正交的場(chǎng)。饋電微帶線(xiàn)在離微帶振子四分之一波長(zhǎng)處短路，使振子和縫隙分別位于電壓和電流的最大值處，輻射場(chǎng)是左旋圓極化波；如果縫隙位置不變，將振子置于距終端四分之三波長(zhǎng)處則可得到一可旋圓極化波。為了得到單向輻射可以在離地板四分之一波長(zhǎng)處放置一反射器。圖 2.8 振子縫組合圓極化微帶天線(xiàn)2.5 其他形式的微帶天線(xiàn) . . . 16 / 42一微帶振子天線(xiàn)微帶振子天線(xiàn)可看成是矩形貼片天線(xiàn)一條邊的寬度趨于零形成的。這類(lèi)天線(xiàn)與微帶貼片天線(xiàn)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、更高的集成度和更大的帶寬等優(yōu)點(diǎn)。在亞毫米波段至遠(yuǎn)紅外波段波段得到日益廣泛的應(yīng)用。下面用積分方法法對(duì)微帶振子天線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

37、設(shè)微帶振子沿 x 方向放置，寬度忽略不計(jì)，因此只需考慮 x 方向的電流，電場(chǎng)的 x 方向分量為 LxxxdxxIGjE0（2.32）式中為的反變換，由（3.21）式計(jì)算。當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)限制在振子表面時(shí)xxGTxxGTxxG上式成為振子電流的積分方程，該方程可用求解線(xiàn)天線(xiàn)的矩量法程序求解。二微帶縫隙天線(xiàn)微帶縫隙天線(xiàn)是在微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)的接地板上開(kāi)縫構(gòu)成的天線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.9 (a)所示。微帶線(xiàn)和縫的相對(duì)位置有三種形式：側(cè)饋、偏饋和中心饋電，如圖 2.9(b)所示。微帶縫隙天線(xiàn)有窄縫和寬縫兩種形式，窄縫微帶的縫寬比縫長(zhǎng)小得多，窄縫天線(xiàn)可以看成是振子天線(xiàn)的對(duì)偶形式，只要基片的厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，基片對(duì)遠(yuǎn)區(qū)

38、場(chǎng)的影響就可以忽略不計(jì)。微帶縫隙天線(xiàn)的輻射是雙向的，如果要得到單向的輻射，可以在微帶導(dǎo)線(xiàn)一邊安放一塊平行于基片的平板反射器，縫與反射器距離為四分之一波長(zhǎng)時(shí)可以獲得最佳匹配和最小副瓣。 (a) (b)圖 2.9 微帶縫隙天線(xiàn)微帶縫隙天線(xiàn)在航天飛行器、衛(wèi)星直播電視與醫(yī)學(xué)診斷中得到應(yīng)用。三微帶行波天線(xiàn)不論是微帶貼片、微帶振子還是微帶縫隙都具有諧振特性，除采取特殊措施 . . . 17 / 42外一般很難在寬頻帶工作。微帶行波天線(xiàn)具有引人注目的寬帶特性，同時(shí)具有饋電簡(jiǎn)單、波束窄、方向圖隨頻率可變的優(yōu)點(diǎn)。微帶行波天線(xiàn)應(yīng)是一個(gè)一邊傳輸一邊不斷向空間輻射電磁波的結(jié)構(gòu)，而均勻微帶傳輸線(xiàn)是沒(méi)有輻射的，因此微帶行

39、波天線(xiàn)一般為具有周期性不連續(xù)性或傳輸特殊模式的端接匹配負(fù)載的微帶傳輸線(xiàn)。下面介紹幾種周期結(jié)構(gòu)的例子。（a）壁壘線(xiàn)（城墻線(xiàn)、垛口線(xiàn)）圖 2.11(a)為壁壘線(xiàn)的結(jié)構(gòu)(b)為一個(gè)單元。壁壘線(xiàn)由微帶線(xiàn)周期直角彎折而成，它的一個(gè)周期為四個(gè)直角彎頭，輻射由直角彎折產(chǎn)生，為了提高輻射效率和減少不連續(xù)性的影響，彎折切成倒角。彎折輻射場(chǎng)的極化方向?yàn)閷?duì)角線(xiàn)方向，如圖 2.11(b)所示。當(dāng) H=/2、L=/4、D=3/4 時(shí)各彎折輻射場(chǎng)的極化分量，水平極化和垂直極化分量相位差 90，因而產(chǎn)生圓極化輻射；同理，當(dāng)H=2/3、L=D=/3 時(shí)可產(chǎn)生水平極化輻射；當(dāng) HLD/4 時(shí)可產(chǎn)生垂直極化輻射。圖 2.11 壁

40、壘形微帶行波天線(xiàn)(b)鏈形線(xiàn)鏈形微帶行波天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖 2.12 所示，由矩形微帶環(huán)(圖 a)或回形微帶環(huán)（圖 b）相隔一定距離級(jí)聯(lián)而成，矩形微帶環(huán)寬度 2T 約為一個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)，環(huán)長(zhǎng)和環(huán)間距 S 略小于為半個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)，環(huán)間微帶線(xiàn)的特性阻抗為 50，矩形環(huán)微帶線(xiàn)的特性阻抗為 100。環(huán)垂直于天線(xiàn)軸線(xiàn)的部分由于電流大小相等方向相反輻射相互抵消，平行于天線(xiàn)軸線(xiàn)的部分產(chǎn)生輻射場(chǎng)。這種天線(xiàn)可等效為相距 2T 的兩個(gè)線(xiàn)陣，陣元為相距 S 的等效行波電流（電振子）或等效行波磁流（彎頭磁流的 . . . 18 / 42z 分量） 。天線(xiàn)周期結(jié)構(gòu)的行波相位與微帶傳輸線(xiàn)相位的比值近似為(S+T)/S，因此鏈形微帶

41、行波天線(xiàn)的波束指向?yàn)?STSgmcos(2.33)適當(dāng)選擇 S 和 T 波束指向可以從端射到邊射之間任意方向變化。圖 2.12 微帶鏈形天線(xiàn) . . . 19 / 42第三章第三章 圓極化微帶天線(xiàn)的仿真圓極化微帶天線(xiàn)的仿真與優(yōu)化與優(yōu)化3.1 Ansoft HFSS 高頻仿真軟件的介紹近年來(lái)，微波技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其現(xiàn)代應(yīng)用括無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、射頻識(shí)別以與微波環(huán)境遙感系統(tǒng)。因此，微波工程方面涌現(xiàn)出了許多具有挑戰(zhàn)性的課題。然而，微波工程中的分析設(shè)計(jì)工作是非常復(fù)雜的，經(jīng)典分析方法往往存在很多近似，無(wú)法得到精確的結(jié)果，這使得設(shè)計(jì)工作通常需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試過(guò)程才能得到

42、令人滿(mǎn)意的結(jié)果。這樣的一個(gè)設(shè)計(jì)周期往往很長(zhǎng)，難以在當(dāng)今日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。因此，用以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件應(yīng)運(yùn)而生，再現(xiàn)今的微波工程設(shè)計(jì)中，EDA 軟件具有無(wú)法替代的地位和作用。Ansoft HFSS 是 Ansoft 公司推出的基于電磁場(chǎng)有限元方法（FEM）的分析微波工程問(wèn)題的三維電磁仿真軟件，Ansoft HFSS 以其無(wú)與倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效的設(shè)計(jì)了各種高頻結(jié)構(gòu)。3.2 圓

43、極化微帶天線(xiàn)的仿真優(yōu)化3.2.1 圓極化微帶天線(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)下圖是我在 Ansoft HFSS 界面下設(shè)計(jì)的一個(gè)同軸線(xiàn)饋電圓極化微帶貼片天線(xiàn)。 . . . 20 / 42 1.接地板 GroundPlane：90mm*90mm2.介質(zhì)基片 Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料 Rogers R04003.3.貼片天線(xiàn) Patch:32mm*32mm4.探針 Pin 半徑 0.5mm*高 5mm,材料 Pec。5.端口面 Port 半徑 1.5，最后用 GroundPlane 將 Port 減去。6.空氣框 Air160mm*160mm*70mm,將輻射邊界命名為 Rad1。7.

44、饋電點(diǎn) feedLocation 距 Patch 中心 8mm 處8.創(chuàng)建供貼片天線(xiàn)相減的切角，是先在坐標(biāo)原點(diǎn)處創(chuàng)建三角形，然后將其移動(dòng)到方形貼片的頂點(diǎn)處。并將切角命名為 Cut，兩個(gè)切角呈中心對(duì)稱(chēng)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)復(fù)制創(chuàng)建另一個(gè)切角，命名為 Cut_1，最后用 Patch 將兩個(gè)切角減去。圖 3.1 天線(xiàn)模型部結(jié)構(gòu)圖模型建立后設(shè)置好激勵(lì)端口，設(shè)置主頻為 2.45GHz,經(jīng)過(guò) Analyze，結(jié)果如下： . . . 21 / 42圖 3.2 天線(xiàn)水平面方向圖圖 3.3 天線(xiàn)垂直面方向圖 . . . 22 / 42圖 3.4 端口 1 的反射系數(shù)圖圖 3.5 端口 1 的電壓駐波比由圖可看出，各參數(shù)

45、結(jié)果都不是很理想，需要優(yōu)化。3.2.2 天線(xiàn)軸比的優(yōu)化（a）將切角的大小設(shè)為$cutSize，貼片的邊長(zhǎng)設(shè)為$patchSize，在菜單欄中選 ProjectProject Variables 中選擇 Optimization，選中優(yōu)化變量 . . . 23 / 42$cutSize 和$patchSize,將優(yōu)化變量的圍分別設(shè)為5mm,6mm和29mm,32mm。（b）在菜單欄中選 HFSSResultsOutput Variables。添加輸出變量 cost,點(diǎn)擊 Report Type 下拉菜單，選擇 Far Fields，在 Solution 中選擇Setup1:LastAdaptiv

46、e,然后做以下設(shè)置：Category:Axial RatioQuantity:AxialRatioValueFunction：log點(diǎn)擊 Insert Quantity Into Expression，并在表達(dá)式前冠以“10*”,最后的表達(dá)式為 10*10（AxialRatio Value）（c）在菜單欄中選擇 OptimetricsAnalysisAdd Optimization。在Goals 標(biāo)簽中點(diǎn)擊 Add 添加優(yōu)化目標(biāo)。在 Calculation 中點(diǎn)擊下拉菜單，選擇cost，在 Condition 中選擇=，設(shè)置 Goal0,0。(d)在菜單欄中點(diǎn)擊 HFSSAnalyze,進(jìn)行優(yōu)

47、化分析。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)圓極化，所以軸比要達(dá)到 1，即 AxialRatio Value=1，前面cost=10*10（AxialRatio Value）,由式可看出 cost 越小，軸比 AxialRatio Value 越接近 1。說(shuō)明越接近圓極化。經(jīng)計(jì)算圖 3.6 軸比優(yōu)化過(guò)程圖 . . . 24 / 42表 3.1 軸比優(yōu)化結(jié)果Iteration $cutSize $patchSize Cost 1 5mm32mm 35.213 2 5.958mm 32mm 32.276 3 5mm 32.55mm 38.363 4 5.5mm 30.35mm 5.6544 5 5.971mm 30.35m

48、m 8.8818 6 5.5mm 30.94mm 6.109 7 5.517mm 29.76mm 5.2397 8 5.291mm 29.57mm 7.1543 9 5.696mm 30.16mm 27.547 10 5.983mm 29.76mm 12.316 11 5.517mm 29.43mm 3.3776 12 4.517mm 30.62mm 6.2445 13 4.377mm 29.34mm 9.3023 14 4.396mm 29.73mm 12.598 15 5.650mm 29.43mm 3.5588續(xù)表Iteration $cutSize $patchSize Cost 16

49、 5.517mm 29.19mm 0.55131 17 5.385mm 29.43mm 3.4985 18 5.518mm 32.43mm 65.867 19 5.011mm 30.04mm 5.233 20 5.206mm 29.39mm 4.9999 21 5.532mm 29.19mm 0.62558 22 5.517mm 29.68mm 1.9507 23 5.502mm 29.19mm 1.1472 24 5.877mm 29.06mm 1.1558 25 5.631mm 29.37mm 1.7326 26 5.517mm 29.69mm 3.1142 27 5.806mm 29.2

50、5mm 0.42914 28 5.129mm 29.99mm 1.8777從圖 3.6 和表 3.1 中可以得出 cost 的最小值是 0.42914,所對(duì)應(yīng)的$cutSize=5.806mm， $patchSize=29.25mm。 . . . 25 / 42第四章第四章 雙饋圓極化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)雙饋圓極化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)4.1 兩路微帶等功率分配器的設(shè)計(jì)與仿真用單貼片實(shí)現(xiàn)圓極化的一種方法是利用兩個(gè)饋電點(diǎn)電來(lái)激勵(lì)一對(duì)正交簡(jiǎn)并模并用饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位上的正交。用饋微帶線(xiàn)電，這里選擇用兩路微帶功率分配器兩路微帶等分功率分配器。這類(lèi)元件的主要技術(shù)要：輸出功率按規(guī)定的比例分配，輸出端口之間要相互隔離以

51、與各輸入輸出端口必須匹配。一個(gè)無(wú)耗、可逆三端口接頭能夠?qū)崿F(xiàn)功率分配或功率合成的功能，但是各個(gè)端口不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)匹配和功率分配端口之間的相互隔離。如果在網(wǎng)絡(luò)中加入電阻性元件進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)，則可同時(shí)滿(mǎn)足匹配和隔離的要求。如圖 4-1 所示，給出一個(gè)微帶二等分功率分配器實(shí)際結(jié)構(gòu)圖與其導(dǎo)帶的平面電路圖形。其輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)的特性阻抗都是，當(dāng)信號(hào)從端口輸入，經(jīng)特性0Z阻抗為的兩段傳輸線(xiàn)后，分別從端口和輸出。兩端傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度都為四分01Z之一中心波長(zhǎng)，理想情況假設(shè)它們彼此之間沒(méi)有耦合。在這兩段傳輸線(xiàn)的輸出處跨接一電阻 R 以獲得輸出端口之間的隔離。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，當(dāng)信號(hào)從端口輸入時(shí)，在兩端傳輸線(xiàn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上電壓是等幅

52、同相的，R 上沒(méi)有電流，相當(dāng)于 R 不起 . . . 26 / 42作用；而當(dāng)信號(hào)從端口輸入時(shí)，它將分兩路到達(dá)端口，只要 R 的數(shù)值和位置選擇合適，可以使兩路信號(hào)相互抵消，從而使得和兩個(gè)端口隔離。電阻 R 被稱(chēng)為隔離電阻。圖 4.1 微帶二等分功率分配器利用網(wǎng)絡(luò)分析理論可求得二等分微帶功率分配器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：，0102ZZ04gl02RZ 這里選取 R2=R3=Z0=50，Z02=Z03= Z0=70.7, r=2Z0=100,介質(zhì)常數(shù)2=9.6，高度 h=2mm 的介質(zhì)基板,設(shè)置主頻 f=2.75GHz。r對(duì)于在介質(zhì)常數(shù)為，高度為 h 的介質(zhì)基板上的介質(zhì)基片，設(shè)它的寬度為 w,r則它的有效

53、介電常數(shù)可用下式計(jì)算：=+ (4.2)e21r21r2/1121wh是等效介質(zhì)的波長(zhǎng)，可由下式計(jì)算：e (4.3)ee其中，為光在真空中傳播的速度f(wàn)c經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們可以得到：50 的微帶線(xiàn)的寬度為 2.144mm，相位差 90時(shí)的長(zhǎng)度也即是/4 為 9.469mm；70.7 的微帶線(xiàn)的寬度為 0.95mm，相位差 900e時(shí)的長(zhǎng)度也即是/4 為 9.808mm。1e下面運(yùn)用 HFSS 對(duì)兩路微帶等分功率分配器進(jìn)行仿真： . . . 27 / 42圖 4.2 功分器 HFSS 仿真圖經(jīng)過(guò) Analyze，結(jié)果如下：2.22.42.62.83.03.2-27-26-25-24-23-22-21-2

54、0 GaindBFreqGHz圖 4.3 S11 反射系數(shù)圖 . . . 28 / 422.22.42.62.83.03.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8 VSWRdBFreqGHz 圖 4.4 端口 1 的電壓駐波比2.42.52.62.72.82.93.03.13.23.3-3.32-3.30-3.28-3.26-3.24-3.22-3.20-3.18-3.16-3.14-3.12-3.10-3.08-3.06-3.04 GaindBFreqGHz S21 S31 圖 4.5 S21 和 S31 反射系數(shù)圖比較 . . . 29 / 422.42.62.83.

55、03.260708090100110120130140 angdegFreqGHz S21 S31圖 4.6 S21 和 S31 的相位比較從圖 4.3 和圖 4.4 可以看出當(dāng)頻率為 2.75GHz 時(shí),S11 的反射系數(shù)為-25.5dB,電壓駐波比為 0.85dB,說(shuō)明此功率分配器在 2.75GHz 時(shí)匹配很好。從圖 4.5 和圖4.6 可以看出端口和的輸出電壓等幅同相且輸出功率相等。這說(shuō)明此功率分配器基本上滿(mǎn)足了能夠工作且實(shí)現(xiàn)等分的必要條件，所以運(yùn)用此功率分配器來(lái)為微帶天線(xiàn)饋電是可行的。4.2 雙饋圓極化微帶天線(xiàn)的仿真分析4.2.1 創(chuàng)建天線(xiàn)模型 . . . 30 / 42空氣hair上

56、層介質(zhì)rh1下層介質(zhì)rh1貼片天線(xiàn)圖 4.7 天線(xiàn)模型的側(cè)面圖端口激勵(lì)La100電阻50微帶線(xiàn)70微帶線(xiàn)50微帶線(xiàn)貼片天線(xiàn)L同軸電纜r2探針r1圖 4.8 天線(xiàn)模型的底部圖 其中介質(zhì)基板介質(zhì)常數(shù)=9.6，高度=2mm,空氣層 =3mm。r1hairh 微帶線(xiàn)功率分配器對(duì)貼片天線(xiàn)進(jìn)行饋電采用探針饋電，空氣層中需用同軸電纜包裹，防止損耗。探針的半徑 r1=0.25mm,材料選擇理想金屬體，同軸電纜的半徑 r2=1.673mm,介電常數(shù)=2.1。由于 50 的微帶線(xiàn)的寬度為 2.144mm，相2位差 90時(shí)的長(zhǎng)度也即是/4 為 9.469mm，又微帶線(xiàn)處于貼片兩邊的中心位置，0e所以 La應(yīng)該為 9

57、.469mm。貼片天線(xiàn)為正方形，邊長(zhǎng)為 L=20mm。按照此模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)如下圖： . . . 31 / 42圖 4.9 天線(xiàn)模型圖此時(shí)饋電點(diǎn)的位置在貼片的邊緣的中心點(diǎn)，設(shè)置激勵(lì)，選中主頻為2.75GHz，進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：2.22.42.62.83.03.2-16-14-12-10-8-6-4 S11dBFreqGHz S11圖 4.10 S11 反射系數(shù)圖 . . . 32 / 422.22.42.62.83.03.22468101214 VSWRdBFreqGHz VSWR圖 4.11 電壓駐波比-100-5005010001020304050607080 AxialRatiodBT

58、hetaDeg AxialRatiodB圖 4.12 天線(xiàn)軸比圖 . . . 33 / 42-15-10-50510150306090120150180210240270300330-15-10-5051015 phi=00圖 4.13 天線(xiàn)的方向圖從以上 4 圖可以看出，該天線(xiàn)仿真結(jié)果并不理想，頻率的諧振位置和方向圖的最大增益方向都有所偏差，軸比的結(jié)果也不好，需要進(jìn)行改進(jìn)。4.2.2 優(yōu)化天線(xiàn)模型這里我對(duì)天線(xiàn)的饋電點(diǎn)位置進(jìn)行改動(dòng)，進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)離貼片中心4.2cm 處軸比和方向圖最佳，模型如下： . . . 34 / 42圖 4.14 天線(xiàn)改進(jìn)后模型結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過(guò) Analyze，結(jié)果如下：2.22.42.62.83.03.2-30-