天線(xiàn)與電波傳播理論論文

天線(xiàn)與電波傳播理論論文關(guān)于微帶天線(xiàn)姓名：何探學(xué)號(hào)：309073112601級(jí)：通信09-11指導(dǎo)教師：X月紅砸著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來(lái)個(gè)人通信主要手段的無(wú)線(xiàn)矜動(dòng)通信技術(shù)己引起了人們的極大關(guān)注，在整個(gè)無(wú)線(xiàn)通爪系統(tǒng)中，天線(xiàn)是將射^信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線(xiàn)信號(hào)的關(guān)謎器杵，其性能的優(yōu)良對(duì)無(wú)線(xiàn)通信工程的成敗起到重要作用?？焖侔l(fā)展的矜動(dòng)通信系坑需要的是小塑化、寬^帶、多功能（多履段、多股化）、高性能的天線(xiàn)。攢帶天線(xiàn)作為天線(xiàn)家祖的重要一員，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)步，在楊和終端中采用內(nèi)置微帶天線(xiàn)，不但可以減小天線(xiàn)對(duì)干人體的輻射，還可使手機(jī)的外形設(shè)廿多樣化，因此內(nèi)置撤帶天線(xiàn)將是未來(lái)手機(jī)天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向之一，但其固有的窄帶特性（常規(guī)做帶天線(xiàn)約為2%左右）在很名悄猊下成了斟約其應(yīng)用的一個(gè)筋頸，因此設(shè)it出具有寬順帶小里化的愧帶天線(xiàn)不但具有一定的理論價(jià)值而目具有重要的應(yīng)用價(jià)值，這也成為當(dāng)前國(guó)際天線(xiàn)界研究的熱點(diǎn)之一。本論文的iii作是Ift述做帶天線(xiàn)。一撤帶天線(xiàn)的發(fā)展歷程早在1953年箔尚（G.A.DcDhamps）教授就提出利用彳散帶線(xiàn)的輻射來(lái)制成撤帶做波天線(xiàn)的閥念。但是，在接下來(lái)的近20年里，對(duì)此只有一些零星的研究。直到1972年，由于攢波集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對(duì)低剖面天線(xiàn)的迫切需求，芒森(R.E.Munson)豪威爾(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批實(shí)用的仿攵帶天線(xiàn)。I?之，國(guó)際上展開(kāi)了文寸攢帶天線(xiàn)的廣泛研究和應(yīng)用。1979年在美國(guó)新墨西哥州大學(xué)舉IlT?帶天線(xiàn)的專(zhuān)題目際會(huì)15(,1981年IEEE天線(xiàn)與傳播會(huì)刊在1月號(hào)上刊裁了微帶天線(xiàn)專(zhuān)輯。至此，攢帶天線(xiàn)已形成為天線(xiàn)領(lǐng)域中的一f專(zhuān)門(mén)分支，兩本攢帶天線(xiàn)專(zhuān)輯也相纜間世，至今已有近十本書(shū)?？梢?jiàn)，70年代是做帶天線(xiàn)取得突破11進(jìn)展的時(shí)期；在80年代中，微帶天線(xiàn)無(wú)論在理論與應(yīng)用的深度上和廣度上都獲得了進(jìn)一步的發(fā)展；今天，這一新塑天線(xiàn)已趟干成熟，其應(yīng)用正在與日f(shuō)fllgo二微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)攢帶天線(xiàn)是在帶有導(dǎo)It接地極的介質(zhì)基片上姑導(dǎo)體薄片而形成的天線(xiàn)。它一般利用攢帶筑或同軸線(xiàn)等債線(xiàn)債電，在導(dǎo)體IB片與接地扳之同激麗起射頤電儲(chǔ)場(chǎng)，并通11站片E1周與接地板間的縫隙向外輻射。Hit』放帶天線(xiàn)也可看作是一種縫隙天線(xiàn)。其典型結(jié)溝血圖2.1所示通常介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比是很小的，因而它實(shí)現(xiàn)了一維小塑化，屬于電小天線(xiàn)的一類(lèi)。另外，蝴著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許名手機(jī)天線(xiàn)都是采用曲折線(xiàn)塑的撤帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)天線(xiàn)的小塑化。導(dǎo)休艮6片一般是規(guī)則形狀的面枳單元，如拒形、圓形或同壞形薄片等；也可以是窄長(zhǎng)條形的薄片振子（偶股子）。由這兩種單元形成的彳散帶天線(xiàn)分別稱(chēng)為fit帶貼片天線(xiàn)和條帶振子天纜,如圖1-3但）、（b）所示。彳散帶天線(xiàn)的另一種形式是利用IS帶線(xiàn)的某種形變（如彎曲、直軸彎頭等）來(lái)形成輻射，稱(chēng)之為彳散帶線(xiàn)里天線(xiàn)，如圖1-3（0所示，放種天線(xiàn)因?yàn)檠鼐€(xiàn)傳輸行股,Q稱(chēng)為彳散帶行波天線(xiàn)。愉帶天線(xiàn)的第四種形式是利用開(kāi)在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一H的做帶線(xiàn)或其它債線(xiàn)頃帶狀線(xiàn)）對(duì)其饋電，稱(chēng)之為彳散帶行波天線(xiàn),如圖1-3（d）所示。由各種愧帶輻射單元可構(gòu)成名種多樣的眸列天線(xiàn)，如彳散帶月占片陣天線(xiàn)，做帶振子眸天線(xiàn),等等。三微帶天線(xiàn)的輻射原理像帶天線(xiàn)中有一址的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因而天線(xiàn)剖面很低（天線(xiàn)?。?，有利于共形設(shè)計(jì)保迅優(yōu)良的空氣動(dòng)力特性。圖1所示的長(zhǎng)為L(zhǎng),寬為W2的葩形做帶天線(xiàn)元可以看作一股的傳輸線(xiàn)連接兩個(gè)福射縫fflffioKlttlPfltt的傳輸線(xiàn)是由攢帶債線(xiàn)擴(kuò)展其寬W1為W2而成，其長(zhǎng)度L為半ffa帶波長(zhǎng)，即入M2。在低陽(yáng)傳輸線(xiàn)兩常形成兩個(gè)繾隙（“,b-b）,J5里的電場(chǎng)分解為兩個(gè)分量，其中En與接地極垂直；另_個(gè)與接地極并行，記作臼〃，由TL=Ag/2,垂直分量反相，平行分量同相，因此在垂ITS射源的方向上，水平分量有最大輻射分量，而垂直分量相互抵消。試驗(yàn)表明，電場(chǎng)的水平分量在福射源的兩個(gè)端部，各向外延伸一個(gè)介質(zhì)板厚度h的長(zhǎng)度內(nèi)存在。送樣就可近做認(rèn)為彳散帶天線(xiàn)元的輻射等于兩個(gè)長(zhǎng)度為W2,寬度為h,同距為L(zhǎng)的裂縫組成的二元陣的福射。裂縫平面與接地面平行，裂縫受水平電場(chǎng)Ey的IMoEy沿裂縫是均勻分布的(即沿x均勻分布)。裂縫的激M場(chǎng)Ey可以等效為沿x方向的魏流。磁流密度，其中為裂縫面的法向單位矢量(iSz方向)?？紤]接地板的反射髀，則瀾的《?流密度,由于裂縫寬度h<J,所訣y沿y方向也是常數(shù)，故相應(yīng)的ig^lm可寫(xiě)為于是裂縫的輻射就等效為磁流弓魚(yú)度Im相同的一系列脫基本陣子沿著x軸排列的連續(xù)陣的福射。ffl彳散帶天線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用號(hào)普通像波天線(xiàn)相比，攢帶天線(xiàn)有血下優(yōu)點(diǎn)：(Dlt枳小，重量經(jīng)；平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等表面相共形的結(jié)構(gòu)；饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線(xiàn)結(jié)枸一起集成，適合于用印劃電路枝術(shù)am批量生產(chǎn)；能與有溫器件和電路集成為單一的配件；便于獲得懼1股化，容易實(shí)現(xiàn)雙原段、雙股化等多功能工作；沒(méi)有作大的變動(dòng)，天線(xiàn)此能很容易地裝在導(dǎo)卿、火箭和衛(wèi)星。天線(xiàn)的做射截面較小；稍梢改變饋電位置就可以獲得線(xiàn)股化和同股化(左旋和右旋)。13帶天線(xiàn)適合于組合式設(shè)廿(固體器件，如振蒲器、故大器、混^器、功分器、矜相器、可變衰減器、調(diào)制器、開(kāi)關(guān)等可以其接加到天線(xiàn)基片上)；饋線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線(xiàn)給構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)和UDlo但是與通常的撤波天線(xiàn)相比，微帶天線(xiàn)也有一些缺點(diǎn)：1）弟俱帶窄；2）有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，并且會(huì)激M表面波，導(dǎo)致輻射效率降低；3）助率容量較小，適用于中、小功率場(chǎng)合；4）性能受基片林料影喑大；5）饋線(xiàn)與福射元之間的隔離差；盡管如此，有一些方法可以用來(lái)減小某些缺點(diǎn)。例如，采用一些寬頻帶枝術(shù)可以有效地展寬頤帶；在設(shè)廿和制造過(guò)程中特別注崽并采取一些措葩就可抑制或消除表面波。在許名實(shí)際設(shè)廿中，彳散帶天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它的缺點(diǎn)。甚至在仍被認(rèn)為是愧帶天線(xiàn)發(fā)展幼年時(shí)期的80年代時(shí)，0帶天線(xiàn)已有多種成功的應(yīng)用。盛著傲帶天線(xiàn)的逵續(xù)研究和發(fā)展以及日益增多的便用需求，可以預(yù)料，對(duì)于大名數(shù)的應(yīng)用，它將最終取代常規(guī)的天線(xiàn)。在一些顯要的系貌中已經(jīng)應(yīng)用攢帶天線(xiàn)的有：衛(wèi)星通訊；多普鞘及其它雷達(dá)，無(wú)線(xiàn)電測(cè)高廿，指揮和控制系筑導(dǎo)卑遙測(cè)；武器信管；便攜裝置；壞境檢測(cè)儀表；夏雜天線(xiàn)中的《!電單元；衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線(xiàn)；生物醫(yī)學(xué)輻射器；寺寺。相信砸著對(duì)鎖帶天線(xiàn)應(yīng)用可能性從識(shí)的提高，以及各種電路系統(tǒng)對(duì)天纜的小塑化集成化要求的提高，做帶天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)日益占顯，其應(yīng)用場(chǎng)合將會(huì)繼續(xù)增名。五撤帶天線(xiàn)的分析方法攢帶天線(xiàn)的分析方法有很多，但是大依上可以分為解橋方法fllSffi方法兩大類(lèi)。第一類(lèi)方法基干圍繞站片邊緣的等效施流分布來(lái)計(jì)算輻射場(chǎng)，色桔傳輸線(xiàn)模里、腔體模型、多端網(wǎng)絡(luò)模里等。而第二類(lèi)方法基于站片和地扳上的電流分布來(lái)it算輻射場(chǎng)，包括葩量法、有限元法Aiwa有眼差分法等。1解橋方法天線(xiàn)間題的嚴(yán)格分析是一個(gè)電磁場(chǎng)邊值里間題，需要根弼其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線(xiàn)的嚴(yán)格分析將是非常復(fù)雜的，而通常根據(jù)I3帶天線(xiàn)的實(shí)際特征他某些方面的IfJgfn近做進(jìn)而得出分林模里SM不失為一種簡(jiǎn)單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分折微帶天線(xiàn)的解折方法，這里我們主要介紹以下三種模里，它們由于其簡(jiǎn)單實(shí)用而在規(guī)則姑片天線(xiàn)的分林中獲得了廣泛的應(yīng)用。傳輸線(xiàn)模型傳輸線(xiàn)模塑很簡(jiǎn)單，并目有助干理解I3帶天線(xiàn)的基本特性，因此首先介^這種模塑方法。在建種模塑中，撤帶只占片天線(xiàn)被視為場(chǎng)沿著偷向沒(méi)有變化而沿著傳輸圾的延伸方向呈駐波分布的一個(gè)傳輸線(xiàn)諧振器。天線(xiàn)的福射主要源自?xún)蓚€(gè)開(kāi)胳終端的邊緣場(chǎng)，因此微帶天線(xiàn)被等效為兩個(gè)相距骷片長(zhǎng)度的縫隙，其上分布有面譙渣。利用矢量位函數(shù)便可由/1蚤流汁算出天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)福射和其它的電參數(shù)。盡管傳輸線(xiàn)模型易干使用，但是很多結(jié)構(gòu)類(lèi)塑不能使用它來(lái)分析，這是因?yàn)樗鼪](méi)有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場(chǎng)的變化。腔體模型如果說(shuō)傳輸線(xiàn)模塑因?yàn)橛袌?chǎng)汨傳《1線(xiàn)橫向無(wú)變化的限胃而只是仿攵帶天線(xiàn)在一維下近俶的話(huà)，那么腔體模塑就可以稱(chēng)為二維近眥。因?yàn)榍惑w模里基于一維電小的基本假設(shè)（即介質(zhì)基片的I?度遠(yuǎn)小干波長(zhǎng)），需18帶^片與地板之同的空間等效為上下是電壁而四周是巍壁的諧振空腔。在腔休中，場(chǎng)沿基片厚度方向保持不變，并目它是該等效的二維諧振器中所有諧振模武之和。天線(xiàn)的瓦場(chǎng)輻射及其它電參數(shù)可以通11空腔E1周的等效磁流來(lái)得到。多端網(wǎng)絡(luò)模塑多端啊絡(luò)模塑實(shí)際上是腔體模型的一種柘展，在送種模里中，站片被等效為一個(gè)具有名個(gè)端口分布在^片四周的二絨平面網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)二維揚(yáng)林函數(shù)可以計(jì)算出該網(wǎng)絡(luò)的多端01杭拒陣，再添加一個(gè)等效的邊緣導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，便可以將邊緣場(chǎng)和福射場(chǎng)朕系起來(lái)，然后利用分割方法it算出全局皿捕拒陣，由站片皿周的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效施流it算出輻射場(chǎng)。利用等高線(xiàn)枳分技術(shù)可以使其在不規(guī)側(cè)形狀的^片天線(xiàn)中獲舄應(yīng)用。2數(shù)值方法雖然以上介紹的解折方法具有簡(jiǎn)潔性和較為明確的物理恿義，但是它們不能用來(lái)分折任恿形狀的攢帶天線(xiàn)，同時(shí)微帶天線(xiàn)工程^確度的提高也對(duì)以上簡(jiǎn)化模型分折方法提出了考騎。然而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給攢帶天線(xiàn)的分折帶來(lái)了新的思路，即依據(jù)攢帶天線(xiàn)的電磁場(chǎng)邊值間題，將求解麥克斯韋攢分方程轉(zhuǎn)化為利用廿算機(jī)來(lái)求解矩眸代數(shù)方程。由此也產(chǎn)生了鄉(xiāng)種數(shù)值方法，它們各具有一些優(yōu)覦點(diǎn)和適用性，這里我們僅介給幾種典型的分折方法。矩量法分折18帶天線(xiàn)的基本思想是利用并矢怡林函數(shù)建立關(guān)于彳散帶舊片和地版上的表面電潦的枳分方程，然后利用函數(shù)展開(kāi)法將此枳分方程轉(zhuǎn)化為拒陣方程，利用廿算機(jī)便可得出近做解。拒量法因?yàn)榭紤]了貼片周田的物理邊界的邊緣場(chǎng)而具有較高的IOo有限元法有限元法的原理是先將整個(gè)連續(xù)求解區(qū)損劃分為很名小的離散單元（如在二維結(jié)構(gòu)中選取三軸形單元，在三絨結(jié)枸中選取四面體單元等），在子域中將未知函數(shù)（如電儲(chǔ)場(chǎng)量、位函數(shù)或電流等）表示為子域基函數(shù)的JS值，根據(jù)變分原理或遇略金方法便可建立一彳、關(guān)干未知函數(shù)展開(kāi)系數(shù)的拒陣方程，利用it算機(jī)便可方便求解該代數(shù)方程。有限元法因?yàn)殡x散單元選擇的靈活性而具有模抓任愆形狀的優(yōu)點(diǎn)，但是其求解猜度要受求解區(qū)域剖分猜細(xì)程度的影喑。WH有限差分法時(shí)域有限差分法的基本思想是把求解空間進(jìn)行離散化，并冷麥克斯韋方程中的電感場(chǎng)量進(jìn)行時(shí)間和空同的離散化，由此將麥克斯韋徼分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于電磁場(chǎng)量的時(shí)域差分方程。選取合適的場(chǎng)初值（或激刖源）和汁算空間的ill界條件，便可以得到fifiW間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通il離散傅里葉變換還可以得到三維空間的顓域解。時(shí)域有眼差分法的優(yōu)點(diǎn)是其離散比較簡(jiǎn)單（空同網(wǎng)能大小一致、時(shí)同步長(zhǎng)恒定），并目通過(guò)離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶x圍內(nèi)特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時(shí)間步長(zhǎng)和空同步長(zhǎng)的限翎。結(jié)語(yǔ)：13帶天線(xiàn)由于具有體枳小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易干加工、易與有源器件和電路集成為單一模挾等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而自其逆生以來(lái)就得到社會(huì)各界的廣泛研究與應(yīng)用。但通常的做帶天線(xiàn)主要是一種諧振武天線(xiàn)，相對(duì)帶寬較窄。同時(shí)，砸著通爪技術(shù)的發(fā)展，寬帶的應(yīng)用越來(lái)