微帶天線的基本理論和分析方法

目錄摘要 2Abstract 31緒論 4研究背景及意義 4國內(nèi)外發(fā)展概況 5本文的主要工作 62微帶天線的基本理論和分析方法 8微帶天線的輻射機(jī)理 8微帶天線的分析方法 9傳輸線模型理論 10全波分析理論 13微帶天線的饋電方式 14微帶線饋電 14同軸線饋電 15口徑（縫隙）耦合饋電 15本章小結(jié) 163寬帶雙頻雙極化微帶天線單元的設(shè)計 17天線單元的結(jié)構(gòu) 17天線單元的設(shè)計 19介質(zhì)基片的選擇 19天線單元各參數(shù)的確定 19天線單元的仿真結(jié)果 21本章小結(jié) 224結(jié)束語 23參考文獻(xiàn) 24致謝 26ku波段雙頻微帶天線的設(shè)計摘要本文的主要工作是Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線研究。在微帶天線的基本理論和分析方法的基礎(chǔ)上，對微帶天線的技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的Ku波段寬帶雙頻微帶天線單元，并完成了實驗驗證。依據(jù)傳輸線模型理論并結(jié)合軟件仿真分析了3種不同結(jié)構(gòu)的天線單元在天線的帶寬、隔離度和增益等性能方面的差異，并作了比較，得出了性能最佳的一種天線單元結(jié)構(gòu)形式。最后，對全文的研究工作加以總結(jié)，并提出本文進(jìn)一步的研究設(shè)想。關(guān)鍵詞：Ku波段；雙頻；傳輸線模型；微帶天線AbstractInthispaper,broadbanddual-frequencyanddual-polarizedmicrostripantennaatKubandisdescribed.Threekindsofwidebanddual-frequencyanddual-polarizedmicrostripantennaelementareproposedandtheirexperimentalverificationsarecompletedwhichbasedontheclassicaltheoryandadeeperstudyonbroadband,dual-frequencyanddual-polarizationtechniqueofmicrostripantenna.Fromthetransmission-linemodetheoryandsimulativeresults,hebandwidth,isolationandgaincharacteristicsofamicrostrippatchelementwithvariousstructuresareanalyzedindetailandcompared,andanantennaelementwiththebestperformanceisadopted.Basedontheelementdescribed,four-elementlineararrayandplanararrayisdesignedwhichadoptedanti-phasefeedinganddislocationanti-phasefeedingtechnique,respectively.Inaddition,thetechniqueofanti-phasefeedingwhichsuppresscross-polarizedisfurtherstudiedbyusingtheeven/oddtheoreticalanalysis.Finally,wesummarizetheresearchofthepaperwithanoutlookforthefurtherresearches.Keywords:Kuband;dual-frequency;dual-polarized;microstripantenna1緒論研究背景及意義近年來，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)及衛(wèi)星移動通信的迅猛增長，以往的微波較低頻段(300MHz-10GHz)已經(jīng)變得擁擠不堪，因此衛(wèi)星通信中開始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以滿足大信息量的需求。目前，廣泛用于Ku波段的通信天線主要是拋物面天線，然而這種傳統(tǒng)的天線體積大、重量沉、造價高而且調(diào)整困難。由于物理空間的限制，這種拋物面天線體積過大不能滿足某些天線的技術(shù)要求，因此天線的小型化迫在眉睫。在某些特殊應(yīng)用的領(lǐng)域如移動通信方面，要求天線具有隱蔽性好、機(jī)動性強(qiáng)的特點，而這種傳統(tǒng)的天線尺寸大、機(jī)動性差、難與載體共形、容易暴露目標(biāo)，已不再適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線提出了更高的要求，不僅要求天線小型化、重量輕、具有良好的隱蔽性和機(jī)動性，同時為了滿足大容量通信的需求，要求天線具有雙極化、多頻性及寬帶特性。微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面、成本低、易與有源器件集成、能與載體共形、易實現(xiàn)雙頻、極化形式多樣性等優(yōu)點在衛(wèi)星通信領(lǐng)域備受親睞[1][2]。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信天線只工作在單一的某個頻段內(nèi)，單一的頻段不能實現(xiàn)收發(fā)共用。未來的衛(wèi)星通信需要收發(fā)共用一付天線，以處理同步進(jìn)行接收與發(fā)射的兩個分離頻段的信號，滿足多個系統(tǒng)的通信要求，實現(xiàn)多系統(tǒng)共用和收發(fā)共用。這需要天線能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻工作，而微帶天線易于實現(xiàn)雙頻或多頻工作，能夠解決這些問題。因此微帶天線的雙頻或多頻技術(shù)亦成為重要的研究課題之一。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，目標(biāo)的反射特性、電磁波的傳播和信號的接收性能均與波的極化形式有關(guān)。天線極化匹配良好與否，系統(tǒng)的效果迥然不同。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信天線很難實現(xiàn)雙極化工作，效能概率低，已不再適應(yīng)現(xiàn)代和未來的衛(wèi)星通信天線的要求。為了適應(yīng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的不斷升級，滿足大容量通信的需求，有效解決路徑衰落問題，減少天線數(shù)量、降低天線成本，實現(xiàn)頻率復(fù)用、極化分集、極化捷變特性，要求天線能實現(xiàn)雙極化工作。微帶天線易實現(xiàn)雙極化或多極化工作，能有效解決上述問題。寬帶雙頻雙極化微帶天線集合了微帶天線、雙頻天線和雙極化天線各自的優(yōu)點，不僅大大提高了天線的各方面性能，而且在很大程度上降低了天線的成本。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，對Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線的研究就變得十分迫切，同時對我國在新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中占據(jù)國際有利位置具有重要作用。該項目不僅具有廣闊的經(jīng)濟(jì)前景，而且對保證國家安全也意義深遠(yuǎn)。國內(nèi)外發(fā)展概況近年來微帶天線倍受重視，由于微帶天線為平面結(jié)構(gòu)的諧振式天線，因此它具有平面型、小型化的特點。但其工作頻帶較窄，一般矩形貼片天線的帶寬只有5%。因此，如何展寬微帶天線的阻抗帶寬具有十分重要的實際意義。CamNguyen等人提出采用不同材料的介質(zhì)基片、天線加載、采用多層貼片、口徑耦合等方式有效地降低了天線的值，展寬了頻帶[3-6]。雙頻或多頻天線能實現(xiàn)收發(fā)一體化的要求，和K-LWong教授等提出采用同一貼片，通過加載或者開縫的方法改變貼片各種自然模的場分布，進(jìn)而使諧振頻率受到干擾，最終實現(xiàn)雙頻工作[7-11]。Zhang-FaLiu等人提出利用多層貼片結(jié)構(gòu)形成多個諧振器，產(chǎn)生雙頻或多頻段工作特性[12][13]。雙極化天線在頻率復(fù)用、實現(xiàn)大容量通信、收發(fā)一體化、極化分集、極化捷變等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于層疊式結(jié)構(gòu)的微帶天線，、WansukYun和等人采用在接地板上開正交“H”型、“十”型、“T”型等縫隙的方式實現(xiàn)了雙極化工作[14-17]。Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線一方面要求天線具有雙頻特性，且每個頻帶又要求寬帶工作；另一方面要求天線具有雙線性極化輻射特性，而且要求具有較高的隔離度和較低的交叉極化電平。因此，Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線雖然體積小，但由于要求微帶天線同時實現(xiàn)寬頻帶、雙極化、雙頻特性，具有一定的難度。在國內(nèi)，對微帶天線的雙頻雙極化技術(shù)的研究在引進(jìn)、消化和吸收外國先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，做了不少自主性的工作。盡管我國的通信技術(shù)在近年取得了長足的發(fā)展與進(jìn)步，然而天線的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，主要為國外大公司所擁有，尤其是雙頻雙極化微帶天線技術(shù)，基本上大部分被國外公司和研究機(jī)構(gòu)所壟斷。目前國內(nèi)對微帶天線的雙頻雙極化技術(shù)的研究也主要集中在L波段、S波段、C波段和X波段，研究的單位主要有西安電子科技大學(xué)、上海大學(xué)、國防科技大學(xué)和電子科技大學(xué)等高校。這些高校對國外相關(guān)雙頻雙極化微帶天線技術(shù)進(jìn)行了充分的研究，作了不少改進(jìn)，并開發(fā)出了一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的天線。如：上海大學(xué)的和等設(shè)計了一種用于星載SAR的S/X波段雙極化天線陣[18]，在S波段和X波段分別取得了%和17%（VSWR≤2）的相對阻抗帶寬。西安電子科技大學(xué)的潘雪明、焦永昌等設(shè)計了一種槽耦合的雙頻雙極化天線單元[19]，在880MHz～960MHz的GSM頻段和1710MHz～1880MHz的DCS頻段上取得的反射損耗均大于10dB。國防科技大學(xué)的蔡明娟、劉克誠等提出了一種新型的雙頻雙極化共口徑微帶天線[20]，天線工作的中心頻率分別為(L波段)和(X波段),并用時域有限差分法對微帶單元進(jìn)行了模擬分析。西安電子科技大學(xué)的朱艷玲和焦永昌等設(shè)計了一種共口徑雙頻雙圓極化微帶天線[21]，通過工作于主模和高次模的兩輻射貼片嵌套實現(xiàn)了雙頻雙圓極化輻射的要求。但是，根據(jù)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)庫的結(jié)果，國內(nèi)對Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線的研究剛剛起步，目前還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)報道。國外提出的Ku波段雙頻雙極化天線，都采用多層貼片結(jié)構(gòu)有效地展寬了工作頻帶，但采用多層貼片增加了天線的成本；兩種極化的饋電網(wǎng)絡(luò)都分布在不同的介質(zhì)層上，使實現(xiàn)雙極化的饋電方式更加復(fù)雜且匹配困難，這給天線的調(diào)試帶來一定的難度。這些天線的缺點限制了微帶天線在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。為了適應(yīng)未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)不斷升級的要求，研究結(jié)構(gòu)簡單、成本低的寬帶雙頻雙極化微帶天線迫在眉睫。本文的主要工作第一章：緒論。首先介紹了本文的研究背景、意義，其次重點介紹了國內(nèi)外發(fā)展概況及本文的研究內(nèi)容，最后介紹了本文的結(jié)構(gòu)安排。第二章：微帶天線的基本理論和分析方法。主要介紹了微帶天線的輻射機(jī)理，微帶天線的分析方法，重點介紹了利用經(jīng)典的傳輸線模型理論來分析口徑耦合微帶天線的方法。最后介紹了微帶天線常用的饋電方式。第三章：寬帶雙頻雙極化微帶天線單元的設(shè)計。主要介紹了實現(xiàn)寬帶雙頻雙極化特性的天線單元結(jié)構(gòu)，重點介紹了微帶天線單元的設(shè)計方法，最后給出了天線單元的仿真結(jié)果，并對天線單元進(jìn)行了比較。第四章：結(jié)束語。對全文的工作加以總結(jié)，并提出本文進(jìn)一步的研究設(shè)想。

2微帶天線的基本理論和分析方法微帶天線是在帶有導(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。它利用微帶線或同軸探針等對導(dǎo)體貼片進(jìn)行饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作為一種縫隙天線。1972年，芒森和豪威爾等研制成功了第一批實用的微帶天線，之后隨著基片光刻技術(shù)和各種低損耗介質(zhì)材料的出現(xiàn)，微帶天線得到了迅速的發(fā)展。至今，如手機(jī)、LAN、藍(lán)牙、衛(wèi)星通訊、散射通信、多普勒雷達(dá)、無線指揮和導(dǎo)彈遙測遙控、便攜裝置、環(huán)境檢測儀表和遙感、電子對抗、武器引信、醫(yī)用微波輻射計等領(lǐng)域己經(jīng)廣泛應(yīng)用到了微帶天線。11雙負(fù)媒質(zhì)已經(jīng)成為當(dāng)今電磁學(xué)領(lǐng)域，光電子學(xué)領(lǐng)域和材料學(xué)等領(lǐng)域研究的熱點課題之一。基于雙負(fù)媒質(zhì)奇特的性質(zhì)和研究價值，揭示雙負(fù)媒質(zhì)的物理本質(zhì)和規(guī)律是極其有必要和價值的。對雙負(fù)媒質(zhì)展開基礎(chǔ)性的研究、揭露其基本性質(zhì)能極大拓展與深化人們對客觀世界的認(rèn)識。雙負(fù)媒質(zhì)的應(yīng)用必將對未來科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展產(chǎn)生極其重大影響。隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在目標(biāo)探測和目標(biāo)識別中對信號的信帶寬度提出了更高的要求，只有更寬的信帶才能攜帶更多的而且豐富的目標(biāo)信息，因此寬帶計算和快速算法更有必要被提出。利用寬帶快速算法對雙負(fù)媒質(zhì)散射體快速計算更有必要而且有極其重要的意義。微帶天線的輻射機(jī)理首先來討論微帶天線的輻射機(jī)理。微帶天線的輻射機(jī)理，可通過矩形微帶貼片來說明。如圖2-1(a)所示，貼片尺寸為，介質(zhì)基片厚度為，，為自由空間波長。微帶貼片可看作為寬為長為的一段微帶傳輸線，其終端(邊)處因為呈現(xiàn)開路，將形成電壓波腹。一般取,為微帶線上波長。于是另一端(a邊)處也呈電壓波腹。此時貼片與接地板間的電場分布如圖(b)所示。該電場可近似表達(dá)為(設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場無變化)。(2-1-1)天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效性原理知，窄縫上電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。等效的面磁流密度為：(2-1-2)圖2-1矩形微帶天線示意圖式中，，是方向單位矢量；是縫隙表面(輻射口徑)的外法線方向單位矢量。這些等效磁流的方向已在圖2-1上用虛線標(biāo)出?？梢钥吹?，沿兩條邊的磁流是同向的，故其輻射場在貼片法線方向(軸)同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。沿每條邊的磁流都由反對稱的兩個部分構(gòu)成，它們在面上各處的輻射互相抵消；而兩條邊的磁流又彼此呈反對稱分布，因而在面上各處，它們的場也都相消。在其它平面上這些磁流的輻射不會完全相消，但與沿兩條邊的輻射相比都相當(dāng)弱。由以上分析可知，矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條邊的縫隙產(chǎn)生，該兩邊稱為輻射邊。由于接地板的存在,天線主要向上半空間輻射。對上半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流的正鏡像。由于，因此它只相當(dāng)于將磁流加倍，而輻射圖形基本不變。微帶天線的分析方法目前用來對口徑耦合微帶天線進(jìn)行理論分析的方法有很多種。最傳統(tǒng)的經(jīng)典方法是傳輸線模型（TLM-TransmissionLineModel）理論，主要用于矩形貼。更嚴(yán)格更有用的是空腔模型（CM-CavityModel）理論，可用于各種規(guī)則貼，但基本上局限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長的情況。計算最復(fù)雜的是積分方程法（IEM-IntegralEquationMethod）即全波（FW-FullWave）分析法。從數(shù)學(xué)方面看，第一種理論把微帶線的分析簡化為一維的傳輸線問題；第二種理發(fā)展到基于二維邊值問題的求解；第三種理論可計入第三維的變化，計算時間。被廣泛使用的數(shù)值分析方法有結(jié)合譜域技術(shù)的矩量法(MOM)、能解決帶及瞬號的時域有限差分法(FDTD)。另外，由于計算機(jī)性能的提高以及算對成熟，有限元法(FEM)在天線計算方面也得到了較多的應(yīng)用。傳輸線模型空腔模型法是較早出現(xiàn)的比較實用的方法，適合規(guī)則形狀貼片的分析設(shè)計，好滿足工程計算的精度要求。但隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，微帶天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析或半解析方法己經(jīng)不能夠勝任，只能借助數(shù)值算法。在下文中將重點對傳輸線模型理論和全波分析理論進(jìn)行分析討論。傳輸線模型理論傳輸線模型理論是利用了微帶貼片邊緣所引起的電導(dǎo)和電納關(guān)系式，給出了不同傳輸阻抗的簡單解釋。口徑（縫隙）耦合微帶天線結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，口徑耦合微帶天線等效電路圖如圖2-3所示，口徑耦合微帶天線傳輸線等效電路圖如圖2-4所示。圖2-2口徑耦合微帶天線結(jié)構(gòu)圖圖2-3口徑耦合微帶天線等效電路圖圖2-4口徑耦合微帶天線傳輸線等效電路圖1）微帶貼片輸入導(dǎo)納的計算圖2-3中為微帶貼片的輸入導(dǎo)納，可由下式計算得到(2-2-1)其中(2-2-2)(2-2-3)式中，為縫隙的位置，是矩形貼片在寬度為時的特性阻抗，是相移常數(shù)，是輻射導(dǎo)納。,的計算公式為：(2-2-4)(2-2-5)哈默斯塔德給出了的經(jīng)驗公式如下：(2-2-6)2）耦合系數(shù)的計算由于接地板上的口徑只截獲總電流的一部分，因此第一個輸入變換器的變換比（口徑和貼片的耦合系數(shù)），取為這部分電流與總電流之比：(2-2-7)第二個變換器的變換比（饋線和口徑的耦合系數(shù)）由微帶饋線上該口徑所引入的模電壓變化量來計算，其中(2-2-8)式中，為縫隙電壓，為口徑電場，為微帶線的歸一化磁場，為口徑面積。3）口徑導(dǎo)納的計算由口徑近場的儲能所引入的電納即口徑的導(dǎo)納：(2-2-9)4）輸入阻抗的計算把調(diào)諧開路微帶線（特性阻抗為，波數(shù)為）的電抗計入，便得到總的輸入阻抗：(2-2-10)由公式（2-2-8）和（2-2-10）可知，輸入電阻隨口徑長度增加而增加。諧振頻率主要由決定，即當(dāng)時發(fā)生諧振，則(2-2-11)因此，增大時，降低，將使諧振頻率下降。這說明可以通過調(diào)節(jié)口徑的尺寸和開路調(diào)諧枝節(jié)的長度來調(diào)節(jié)天線的匹配。全波分析理論全波分析法也稱為積分方程法，通常先求出在特定的邊界條件下單位點源所產(chǎn)生的場即源函數(shù)或格林函數(shù)，然后根據(jù)疊加原理，把它乘以源分布后，在源所在的區(qū)域進(jìn)行積分而得出總場。因為通常源未知，因而要先利用邊界條件得出源分布后的積分方程，在解出源分布后再由積分算式來求出總場。積分方程法不但可用于分析規(guī)則形狀的薄微帶天線，更適用于對各種厚基片微帶天線及微帶天線元間的互耦等問題進(jìn)行分析。該方法首先通過對微帶天線各界面上的邊界條件和分層媒質(zhì)中空域并矢格林函數(shù)，寫成譜域并矢格林函數(shù)，建立起關(guān)于表面分布電流的積分方程，然后用數(shù)值方法如矩量法進(jìn)行求解，得到表面分布電流后，由此再求出微帶天線的輸入阻抗與遠(yuǎn)場和近場分布等參數(shù)。對應(yīng)于所使用的譜域和空域并矢格林函數(shù)，該方法又可分為兩大類：第一類是譜域分析法（SDA），即將積分方程和并矢格林函數(shù)寫成譜域形式并在譜域內(nèi)求解，這樣需要研究面電流的譜域變換式。第二類方法為空域分析法，即將譜域中得到的并矢格林函數(shù)進(jìn)行變換，在空域中求解積分方程，從而不必對電流分布作傅里葉變換，這樣更適合于各種不同形狀的導(dǎo)體貼片，使其在計算天線的輸入阻抗時有一定的優(yōu)越性。目前，積分方程是應(yīng)用最廣泛、計算結(jié)果最精密的方法，但也是計算最費時、對計算機(jī)硬件要求最高的計算方法。無論是傳統(tǒng)的傳輸線理論還是腔模理論，都沒有考慮場在與片垂直方向上的變化，對于多數(shù)薄的微帶天線來說，這種簡化不會帶來顯著的誤差，但對于基片厚度與波長比不是很小時（），這種簡化就會引入較大的誤差，此外，上述方法對微帶片的形狀有一定的要求，與之相比，積分方程法將不受到這些限制，應(yīng)用的范圍更為廣泛。微帶天線的饋電方式饋電部分是微帶天線的重要組成部分，選擇一個恰當(dāng)合理的饋電方式對壓縮天線的整體尺寸、提高天線的輻射性能和工作帶寬以及日后擴(kuò)展成天線陣列都具有重要意義。特別是對于雙頻雙極化天線，天線輸入阻抗的匹配就可由選擇恰當(dāng)?shù)酿侂婞c位置來實現(xiàn)。選擇饋電方式需要綜合考慮多種因素，最重要的是使輻射結(jié)構(gòu)與饋電結(jié)構(gòu)之間能夠有效地傳輸能量，即兩者要阻抗匹配。恰當(dāng)?shù)酿侂姺绞竭€有助于降低微帶天線的偽輻射和表面波損耗，以及減少旁瓣電平和交叉極化電平。目前對微帶天線單元進(jìn)行饋電的基本方式主要有微帶線饋電、同軸線饋電、臨近耦合微帶饋電、口徑耦合微帶饋電、共面波導(dǎo)饋電等饋電方式。本節(jié)主要介紹目前應(yīng)用較多的饋電方式。微帶線饋電微帶線饋電是微帶饋線與微帶貼片共面的一種饋電結(jié)構(gòu)。這種饋電結(jié)構(gòu)具有制作簡單方便的特點。但微帶饋線本身也要引起輻射，從而干擾天線的方向圖，降低增益。另外，條狀微帶饋線所引入的附加電容將會產(chǎn)生較大的電抗功率，進(jìn)而減小天線的工作帶寬。為此，一般要求微帶饋線寬度不能寬，希望，這就要求微帶天線的特性阻抗要高些或者基片厚度相對較小，介電常數(shù)大些。微帶饋線可以和微帶貼片直接相連，也可以通過伸入貼片內(nèi)部以獲得所需阻抗，天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配可由選擇恰當(dāng)?shù)酿侂婞c位置來實現(xiàn)。饋點位置的改變將使饋線與天線間的耦合發(fā)生變化，因而會使諧振頻率有一定的漂移，但方向圖一般不會受影響，頻率的漂移可通過改變微帶貼片的尺寸來補(bǔ)償。同軸線饋電同軸線饋電就是將同軸插座安裝在介質(zhì)基板的背面，而同軸線探針接在天線導(dǎo)體上，或者探針通過地面的縫隙，連接微帶線或輻射貼片，構(gòu)成的一種饋電結(jié)構(gòu)。同軸線饋電結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是輻射貼片與饋電部分之間可以實現(xiàn)良好的隔離和屏蔽，從而可以相對獨立地設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)部分和輻射貼片部分，進(jìn)而改善整個天線系統(tǒng)的性能；饋電點可選在貼片內(nèi)任意所需位置，便于匹配。這種饋電結(jié)構(gòu)的缺點是需要在介質(zhì)基片上打孔，并且需要對探針與微帶貼片進(jìn)行焊接，結(jié)構(gòu)不便于集成，制作麻煩?？趶剑p隙）耦合饋電口徑耦合饋電結(jié)構(gòu)最初由提出來的。它是將輻射單元和饋電單元分列于接地板的兩側(cè)，在底層的微帶饋線通過接地板上的口徑耦合能量到上層貼片的一種結(jié)構(gòu)?？趶今詈衔炀€具有如下優(yōu)點：①避免了在基片上打孔，便于制作；②輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)分別位于接地板的兩側(cè)，彼此之間的干擾被接地板隔離，不僅避免了饋電網(wǎng)絡(luò)的輻射干擾，而且輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)可分別采用低介電常數(shù)的厚基片和高介電常數(shù)的薄基片來實現(xiàn)各自性能的優(yōu)化；③容易實現(xiàn)阻抗匹配?？趶今詈橡侂姺绞降娜秉c是需要在接地板上開縫隙，縫隙的位置和尺寸需要精確的控制，不便制作。在實際設(shè)計當(dāng)中，口徑的形狀可以有多種選擇（如矩形、圓形、十字形、U形、H形等）。Vivek用實驗研究了幾種不同形狀的口徑對耦合量的影響,得出開H形狀的口徑可以得到比較大的耦合量。等用實驗證明開H型口徑的微帶天線一般可以獲得10%(VSWR<2)左右的相對帶寬，而且具有良好的交叉極化性能。鑒于H形口徑耦合的饋電方式可以獲得更大的帶寬、可以分別對輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢，本文將選用這種饋電的方式來對微帶天線單元和陣列進(jìn)行設(shè)計。本章小結(jié)本章首先由考察矩形微帶貼片入手介紹了微帶天線的輻射機(jī)理，其次介紹了分析微帶天線的方法。應(yīng)用于分析微帶天線的方法很多，本章只介紹本文用于分析和設(shè)計微帶天線單元所采用的傳輸線模型理論和用于仿真天線模型的CST軟件所采用的全波分析理論。利用傳統(tǒng)的分析方法根據(jù)技術(shù)指標(biāo)對天線進(jìn)行分析和設(shè)計，結(jié)合基于全波技術(shù)的電磁場仿真軟件對設(shè)計的天線模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化，這大大提高了我們的工作效率。最后介紹了微帶天線常用的饋電方式（微帶線饋電、同軸線饋電和口徑耦合饋電），并且比較了三種饋電方式各自的優(yōu)缺點。通過比較，本文將選用口徑耦合饋電的方式來對微帶天線進(jìn)行設(shè)計。在本文中，運用傳統(tǒng)的傳輸線模型理論對雙頻微帶天線單元進(jìn)析設(shè)計。3寬帶雙頻雙極化微帶天線單元的設(shè)計現(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線提出了更高的要求，不僅要求天線小型化、重量輕、具有良好的隱蔽性和機(jī)動性，同時為滿足收發(fā)一體化和大容量通信的需求，還要求天線具有雙頻及寬帶特性。微帶天線具有體積小、重量輕、平面結(jié)構(gòu)、能與載體共形、饋電方式和極化形式多樣化等諸多優(yōu)點，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域倍受人們青睞。但微帶天線在帶寬和雙頻等方面的性能都難以適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求。因此，Ku波段寬帶雙頻微帶天線雖然小型化，但由于要求微帶天線同時實現(xiàn)寬頻帶、雙頻特性，具有一定的難度。因此，研究出結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，具有雙極化特性、兼容兩個波段，以滿足現(xiàn)代Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)要求的高性能天線是本論文所要解決的問題。本章所研究的寬帶雙頻微帶天線單元用作Ku波段衛(wèi)星通信天線陣的陣元。設(shè)定天線的主要設(shè)計指標(biāo)為：工作頻帶：～;14GHz～，駐波比≤。天線單元的結(jié)構(gòu)微帶天線頻帶較窄的固有缺點限制了它的廣泛應(yīng)用。為了展寬頻帶有以下途徑：降低等效電路值；附加寄生貼片；采用口徑耦合饋電；采用多層結(jié)構(gòu)等。其中，采用口徑耦合饋電方式是比較簡單實用的方法。耦合口徑一般放置于貼片的近中心位置，以使貼片獲得最大的耦合量。耦合量由下式表示：(3-1-1)式中是縫隙與貼片邊沿的偏離量，是縫隙的長度?？梢娡ㄟ^調(diào)整耦合縫隙的長度、縫隙形狀、饋線的寬度、饋線開口端的短截線的長度等參數(shù)，可以增加貼片的耦合量，改善天線的帶寬。為了研制Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線單元，對微帶天線的寬帶技術(shù)、雙頻技術(shù)及雙極化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。本文綜合采用H形口徑耦合饋電技術(shù)、插入空氣層等方式實現(xiàn)天線的寬頻帶諧振；采用不同饋電點技術(shù)在微帶天線單元中形成雙頻諧振點；采用微帶正交背饋的方式實現(xiàn)了雙極化特性。設(shè)計的天線單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1天線單元結(jié)構(gòu)圖在該結(jié)構(gòu)中，天線的主體由三層介質(zhì)板組成。方形輻射貼片倒置于第一層介質(zhì)板的下面，寄生貼片置于第二層介質(zhì)板的上面，這樣布置使得上層介質(zhì)板可以起到天線罩的作用。兩層介質(zhì)板之間由空氣層隔開，引入空氣層以降低微帶天線值，從而達(dá)到增加帶寬的目的。第三層介質(zhì)板上面是開縫接地板，刻有一對H型縫隙成軸對稱結(jié)構(gòu)，且兩個H型縫隙呈T字型放置。第三層介質(zhì)板的下面是饋電網(wǎng)絡(luò)，饋線由兩相互正交的50Ω微帶線組成，微帶饋線均采用中心正饋的方式，以增強(qiáng)輻射貼片與饋線之間的耦合。天線單元的設(shè)計天線單元設(shè)計的整體思路是：先根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)通過微帶天線的經(jīng)典理論分析計算，得到天線單元各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再將這些參數(shù)代入仿真軟件中建立天線模型，最后把仿真結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，反復(fù)修改各個參數(shù)，再次仿真優(yōu)化，直到仿真結(jié)果滿足給定的設(shè)計指標(biāo)為止。介質(zhì)基片的選擇介質(zhì)基片的厚度和材料直接影響到微帶天線的帶寬、效率。因此，設(shè)計微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片。根據(jù)腔模理論，微帶貼片天線可等效為一漏波諧振腔，盡管有較強(qiáng)的輻射，但它依然是值較高的諧振系統(tǒng)。對于輻射貼片，為了有效降低微帶天線的值，展寬工作頻帶，盡可能選擇介電常數(shù)較低、厚度較厚的介質(zhì)基片；對于饋電網(wǎng)絡(luò)，選擇較薄的基片將有效降低來自饋線的偽輻射，而且能增強(qiáng)介質(zhì)對波的束縛作用，增大能量耦合效率。因此，在選取介質(zhì)基片時根據(jù)具體應(yīng)用首先要考慮基片的多個參數(shù)：如介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、損耗角正切等；其次要考慮介質(zhì)基片的多種性質(zhì)：如基片厚度的均勻性、基片隨濕度和溫度變化的穩(wěn)定性、基片的抗化學(xué)性、拉伸強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、柔韌性、抗沖擊性、可粘合性等。在本文中，由于口徑耦合饋電方式的優(yōu)點，輻射貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的需求分別選擇不同的介質(zhì)基片。但輻射基片的介質(zhì)厚度不能太厚，否則容易在貼片天線表面激勵起不必要的高次模和偽輻射。綜合考慮上述因素，本文中的輻射天線單元采用的聚四氟乙烯板；饋電介質(zhì)板采用，的陶瓷碳?xì)浠旌衔锇?。天線單元各參數(shù)的確定由于采用了口徑耦合的饋電方式，輻射貼片部分的參數(shù)可以根據(jù)微帶天線的經(jīng)典公式來確定，而饋電部分可以采用微帶天線的傳輸線模型理論來確定。1）輻射貼片尺寸的確定輻射貼片的尺寸可以根據(jù)下列經(jīng)典公式得出：(3-2-1)(3-2-2)(3-2-3)(3-2-4)式中是光速，是諧振頻率，是等效介電常數(shù)，是伸長量。其中大小還影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻、輸入阻抗，從而也就影響著頻帶的寬度和輻射效率。由式(3-2-3)可知：當(dāng)和已知時取決于寬度，而單元長度的尺寸又取決于，因此的尺寸應(yīng)首先確定。當(dāng)尺寸小于式（3-2-1）的寬度時，輻射貼片的效率將降低，一般在尺寸允許的條件下取的適當(dāng)大些對頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當(dāng)尺寸大于式（3-2-1）的寬度時將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。在理論上取二分之一波長，但由于邊緣場的影響，的值由式（3-2-2）來確定。本文在設(shè)計天線的輻射貼片時選擇了方形貼片,因為它可以保持良好的雙極化對稱特性。2）空氣層厚度的確定通常，空氣層的高度取。考慮到本文要實現(xiàn)Ku波段雙頻段功能，空氣層的高度初步設(shè)定為。盡管諧振頻率主要由輻射貼片的尺寸決定，但空氣層的厚度對天線的諧振點也有一定的影響。一般隨著空氣層厚度的增加，在其他參數(shù)不變的情況下，天線的諧振頻率向低端會有較大的偏移。本文空氣層厚度的初始參數(shù)取mm。3）口徑尺寸、饋線及調(diào)諧枝節(jié)長度的確定如圖3-1中圖(c)所示，采用一對H形口徑成軸對稱結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)良好的交叉極化和隔離度特性，兩個H型縫隙呈T字型放置。因為兩個互相垂直的H形口徑中的一個中央臂與另一個口徑的饋線平行，在這種情況下，此H形口徑并不從另一饋線端口耦合能量，所以兩個極化饋電端口能產(chǎn)生較好的隔離度?？p隙長度決定電磁的耦合量，過長的縫隙將引起較大的后向輻射，另外縫隙寬度影響交叉極化分量的上升。在滿足天線帶寬的條件下，縫隙的尺寸越小越好?？p隙的長寬可由以下方程來近似地計算。(3-2-5)最后，確定饋線和開路枝節(jié)的幾何參數(shù)。該結(jié)構(gòu)中的饋線由兩相互正交的50Ω微帶線組成，為了增強(qiáng)輻射貼片與饋線之間的耦合，微帶饋線均采用中心正饋的方式。口徑耦合微帶貼片天線通常采用微帶開路支節(jié)進(jìn)行調(diào)諧，它的作用是調(diào)整輸入導(dǎo)納電納部分以便得到較好的阻抗帶寬，調(diào)諧的長度一般稍小于。天線單元的仿真結(jié)果天線的諧振頻率主要由微帶貼片的尺寸來決定。通過調(diào)節(jié)開路終端微帶饋線的長度和H型縫隙的尺寸、位置以及輻射貼片的大小來改善天線的阻抗匹配特性，以形成雙頻諧振點和提高端口的頻帶寬度。完成初步設(shè)計后，得到滿足電性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后用電磁仿真軟件CST對天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化后天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表3-1所示。表3-1天線單元各參數(shù)（單位：mm）參數(shù)Wc1Wc2Lc1Lc2Ls5尺寸參數(shù)Wc3Wc4Lc3Lc4Ls6尺寸(a)天線單元反射系數(shù)仿真結(jié)果(b)天線單元隔離度仿真結(jié)果(c)水平極化端口阻抗特性曲線(d)垂直極化端口阻抗特性曲線天線單元的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖3-2中圖(a)和圖(b)所示。水平極化端口在～內(nèi)|S11|<-14dB，相對阻抗帶寬為%；垂直極化端口在～內(nèi)|S22|<-14dB，相對阻抗帶寬為%；在11GHz～16GHz整個頻帶范圍內(nèi)兩個極化端口的隔離度優(yōu)于38dB。兩個極化端口的阻抗特性分別如圖(c)和圖(d)所示。由于水平極化端口較寬的頻帶特性，使得水平極化端輸入阻抗的實部在50Ω附近上下波動幅度較小，虛部在0Ω附近波動幅度也很??；而垂直極化端的頻帶相對較窄，實部和虛部波動的幅度較大。本章小結(jié)本章設(shè)計了Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線單元。首先介紹了天線單元的結(jié)構(gòu)及設(shè)計步驟。其次，根據(jù)微帶天線理論計算出天線單元各參數(shù)，用電磁仿真軟件CST對該天線進(jìn)行了建模、仿真和優(yōu)化，并給出了天線單元優(yōu)化后的各參數(shù)。最后，給出了天線單元結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果并且進(jìn)行了分析和評價，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求和效果。4結(jié)束語現(xiàn)代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線提出了更高的要求，不僅要求天線小型化、重量輕、具有良好的隱蔽性和機(jī)動性，同時為滿足大容量通信的需求，要求天線具有雙極化、多頻性及寬帶特性。Ku波段寬帶雙頻雙極化微帶天線能滿足上述要求，但其本身的多性能特性帶來的是研究和設(shè)計上的困難，一方面要求微帶天線具有雙頻特性，且每個頻帶又要求寬帶工作；另一方面要微帶天線能實現(xiàn)雙線極化輻射特性，而且要求具有較高的隔離度和較低的交叉極化電平，這對微帶天線的設(shè)計提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文在對微帶天線的性能、結(jié)構(gòu)模型、饋電技術(shù)等各個方面進(jìn)行深入探討的基礎(chǔ)上，設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單的具有寬頻帶、雙頻、雙極化性能的Ku波段平面微帶天線單元。針對微帶天線頻帶窄的特點，采用了H形口徑耦合饋電技術(shù)、插入空氣層等方式實現(xiàn)天線的寬頻帶諧振；采用不同饋電點技術(shù)在微帶天線單元中形成雙頻諧振點實現(xiàn)了雙頻工作；采用微帶正交背饋的方式實現(xiàn)了雙極化特性。本文設(shè)計的天線陣結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易調(diào)試。當(dāng)然，由于作者時間有限，尚有一些后續(xù)工作需要進(jìn)一步完善。后續(xù)工作可在前期理論分析和大量計算機(jī)仿真及試驗?zāi)Ｐ吞炀€測試調(diào)整的基礎(chǔ)上進(jìn)行。希望今后在革新的基礎(chǔ)上設(shè)計出性能更好，結(jié)構(gòu)更簡單更新穎的微帶天線來。

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