【正文】 ( , , )|60 /ErIr?? （ 12） （ 2） 方向圖 如果我們將方向函數(shù)用曲線描繪出來，稱之為方向圖。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形，一句歸一化方向函數(shù)而繪出歸一化方向圖。 在實(shí)際中，工程上常常采用兩個特定的正交平面方向圖。在自由空 間中，最重要的兩個平面方向圖是 E面和 H面方向圖。 E面即是電場強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面； H面是磁場強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。 （ 3） 增益系數(shù) 增益系數(shù)表示了天線的定向收益程度，增益系數(shù)定義為：在同一距離及相同輸入功率條件下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度 maxS 和理想無方向性天線的輻射功率密度 0S 之比 ，記為 G，用公式表示如下： max0SG s? （ 13） （ 4） 天線的極化 天線的極化是 指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射場的空間取向，一般而言，特指該天線在最大輻射方向上的電場空間取向。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射放而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。 所謂輻射場的極化，即在空間某一固定位置上的電場矢量斷點(diǎn)隨時間運(yùn)動的軌跡，根據(jù)軌跡形狀可以分為直線極化，圓極化，橢圓極化，其中圓極化又可以分為左旋圓極化和右旋圓極化。 天線不能接收與其正交的極化分量。例如，線極化不 能接收波中與其極化方向垂直的線極化波，圓極化天線不能接收與其旋向相反的極化分量。 （ 5）輸入阻抗 天線通過傳輸線和發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配的問題，天線與傳輸線的連接處稱為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗，即天線的輸入阻抗為天線的輸入電壓和電流之桂林電子科技 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 3 頁 共 80 頁 比： inin in ininUZ R jXI? ? ? （ 14） 其中， inR ， inX 分別為輸入阻抗和輸入電抗，它們分別對應(yīng)有功功率和無功功率。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，無功功率存在于近區(qū)中。 天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)，工作頻率以及周圍環(huán)境的影響。輸入阻抗的計(jì)算式比較困難的，因?yàn)檫@需要準(zhǔn)確的知道天線上的激勵電流，除了少數(shù)天線外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中一般采用近似計(jì)算。 （ 6）頻帶寬度 頻帶寬帶寬度是天線的重要指標(biāo)，寬頻天線將是未來天線發(fā)展的一個重要方向。天線的所有電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，任何天線也都有一定的工作頻率范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻 率時，天線的電參數(shù)將變差。 根據(jù)頻帶寬度的不同，可將天線分為窄頻帶天線，寬頻帶天線和超寬頻帶天線。若天線的最高工作頻率為 maxf ，最低工作頻率為 minf ，對于窄頻帶天線，常用相對帶寬 m a x m in 0[( ) / ].1 0 0f f f? ％，對于超寬帶天線，常用絕對帶寬來表示，即 maxinff 來表示。 桂林電子科技 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 4 頁 共 80 頁 第二章 微帶天線 微帶天線的出現(xiàn)及發(fā)展 微帶輻射器 微帶輻射器的概念首先是由 Deschamps在 1953年就提出來的。但是，過了二十多年，當(dāng)較好的理論模型及敷銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，實(shí)際的天線才被制造了出來，這種基片的介電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特性和機(jī)械性及低損耗正切。最早的實(shí)際的微帶天線是 Howell和 Munson在二十世紀(jì)七十年代初期研制的。之后，基于微帶天線的許多優(yōu)點(diǎn)，微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，從而使微帶天線獲得了多種應(yīng)用，并且在微波天線這個廣闊的領(lǐng)域里，作為一個分立的整體而建立起自己的課題。 微帶天線的基本概念 如圖 ，結(jié)構(gòu)最簡單的微帶天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片構(gòu)成的。貼片導(dǎo)體通常是銅和金，它可以取任意形狀。但是我們都通常的常規(guī)形狀來做簡單化分析?；ǔＨ〗殡姵?shù)較低（ ），的材料，這樣可以產(chǎn)生較強(qiáng)的邊緣輻射。 圖 微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn) 和常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。因而，在大約 100MHZ到50GHZ的寬頻帶上獲 得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線有以下優(yōu)點(diǎn)： ，體積小，剖面薄，可以做成共形天線； ，易于大量生產(chǎn)； ，因此，不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學(xué)性能； ，天線就能很容易的裝在導(dǎo)彈，火箭，衛(wèi)星上； 桂林電子科技 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 5 頁 共 80 頁 ； ； 但是，與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點(diǎn)：比如頻帶窄，有損耗，增益較低，輻射性能差，可能存在表面波等缺點(diǎn)。 微帶天線的輻射原理 當(dāng)前 ，由于分析微帶天線的方法 有所 不同，對它的輻射原理 也有著有不同的說法。為了簡明起見，就以矩形微帶天線為例，用傳輸線模型的 分析法討論它的輻射原理，如圖 ： （ a）微帶天線開路端電場 （ b）場分布側(cè)視圖 （ c）等效縫隙 圖 微帶天線輻射原理圖 我們 假設(shè)天線輻射元為 L*W的矩形 微帶 貼片，介質(zhì)基板的厚度為 h。分析時可以將該輻射貼片 看作是一段長為 L的低阻抗微帶傳輸線， 微帶 傳輸線的兩端斷開形 成開路， 這就 形成 電壓波腹。根據(jù)微帶傳輸線理論，當(dāng)在 激勵主模的情況下，且當(dāng) /2gL ?? （ g? 為微帶傳輸線導(dǎo)波長 ）時的電場結(jié)構(gòu)就如圖 （ b）所示 ， 天線的輻射 場由貼片與接地板之間的狹窄縫隙 形成，其電場值可近似為 ： 0 cos( / )xE E y W?? (21) 由式 21 可知，電場僅在沿天線貼片長度方向發(fā)生變化；天線輻射基本上是由天線 貼片開路端的邊緣場所引起的，在天線兩開路端的電場相對于地板都可以分桂林電子科技 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 6 頁 共 80 頁 解為垂直分量和水平分量，由于貼片的長為 /2? ，所以兩垂直分量的電場反向，它們在遠(yuǎn)場區(qū)互相抵消；而兩水平分量同相，在垂直于接地板方向，兩水平分量產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同向疊加，形成最大輻射方向。因此，兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上同向激勵的兩個縫隙，天線貼片就可以表示為相距/2gL ?? ，長度為 W 的兩個縫隙，縫隙寬度為 l? ，如圖 （ c）所示。 以上討論的輻射原理是基于傳輸線模的分析方法，適用于矩形微帶天線。當(dāng)微帶天線的形狀復(fù)雜時，就必須用其他分析方法討論。 微帶天線的基本分析方法 天線問題的嚴(yán)格分析是一個電磁場邊值型問題，需要根據(jù)其邊界條件確定麥 克斯韋方程的特解，因此微帶天線的嚴(yán)格分析將是非常復(fù)雜的，因此通常根據(jù)微 帶天線的實(shí)際特征做某些方面的假設(shè)和近似，進(jìn)而得出分析模型，這是當(dāng)前常用的一種簡單有效的處理手段。微帶天線現(xiàn)在已經(jīng)有很多種分析方法，大體上可以分為解析方法和數(shù)值方法兩大類。其中 解析方法是基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計(jì)算輻射場，是現(xiàn)在最常用的分析方法，包括傳輸線模理論（ Transmission Line Model）、腔模理論（ Cavity Model）、多端網(wǎng)絡(luò)模型（ Multiport Network Model）等 。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計(jì)算輻射場，包括矩量（ Method of Moments）、有限元法（ Finite Element Method）和時域有限差分法（ Finite Difference In TimeDomain） 等。 傳輸線 模型理論 這是最早出現(xiàn)的最簡單的分析模型，并且有助于理解微帶天線的基本特性。 在這種模型中，矩形貼片微帶天線被等效為一段微帶傳輸線。天線的輻射主要來 自貼片兩個開路終端的邊緣場，因此微帶天線又可以被等效為兩個相距貼片長度 的縫隙，其上分布有面磁流。利用等效原理可以求出縫隙的面磁流密度，從而得 出每個縫隙的輸入導(dǎo)納和輻射場。此時微帶天線的輻射場可以由兩個縫隙組成的 二元陣求得，天線輸入阻抗由等效傳輸線計(jì)算。 微帶天線的縫隙等效圖如圖 （ c）所示，在對縫隙進(jìn)行分析時，采用如圖 所示的坐標(biāo)系 ，假設(shè)縫隙上的電壓為 U ，則縫隙的切線電場為： /xE U h? （ 22） 縫隙上的等效磁流為： 2m UJzh? （ 23） 桂林電子科技 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 7 頁 共 80 頁 假設(shè)磁流在 x 和 z 方向上的分布都是均勻的。可以求得每個縫隙的輻射場為： 02 ( , )4 jk rejU k W FrE? ?????? (24) 其中： 0 s in ( s in c o s ) s in ( c o s )22( , ) .c o s c o sk h k Wk h k WF? ? ?????? （ 25） 由此可以分別求得 E 面 和 H 面 的歸一化方向函數(shù)： 0 sin( c os )2c os2EkhkhF??? （ 26） 0sin( cos )2cos2HkhkhF??? （ 27） 圖 傳輸線模型縫隙坐標(biāo)系 我們已經(jīng)假定 0h ??? ，利用坡印廷矢量積分求得輻射功率 P和輻射電阻 R： 2 2 202si n ( c o s ) ta n si n2240kWUdP? ? ? ? ???? （ 28） 桂林電子科技 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 8 頁 共 80 頁 222201202 s in ( c o s ) ta n s in2U kWP dR ??? ? ? ??? ? （ 29） 傳輸線模 理論是在分析矩形微帶天線時提出來的，它的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，計(jì) 算簡單。只能用于矩形微帶天線以及微帶振子天線，對其他形式的微帶天線，比如圓形，則不實(shí)用。缺點(diǎn)是計(jì)算輸入阻抗誤差較大，而且沒有考慮沿著與傳播方 向正交的方向上場的變化。因此盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結(jié)構(gòu)類型不 能使用它來分析。 腔模理論 腔模理論是目前應(yīng)用比較廣泛的一種理論，它適用于分析多種形狀的微帶天 線，但是還要局限于天線介質(zhì)基板厚度遠(yuǎn)小于波長的情況 。 這種理論的基本思想，是將微帶天線看成是一個上下以電壁為界， 四周以磁 壁為界的介質(zhì)腔體。其分析方法是，先根據(jù)諧振腔理論建立腔內(nèi)電磁場方程，導(dǎo) 出腔內(nèi)場的一般函數(shù)表達(dá)式，然后利用電磁場的邊界條件和激勵條件，求解腔的 具體內(nèi)場，從而得出腔體“口面場”（腔體邊緣面的場分布），最后由此“口面場” 分布計(jì)算微帶天線的遠(yuǎn)區(qū)場 。 在腔模理論分析方法中有三點(diǎn)假設(shè)： （ 1）由于介質(zhì)基片的厚度 0h ??? ， ，腔內(nèi)電場只有垂直于上下電壁的縱向分量，磁場只有平行于電壁的橫向分量； （ 2）由于 0h ??? ，腔內(nèi)的電 磁場沿縱向無變化； （ 3）在四周壁上垂直于邊緣的電流分量近似為零，即忽略磁場的切線分量 ； 正是由于這些假設(shè)比較合理，腔模理論的分析方法得到了與試驗(yàn)相符的結(jié)論。 積分方程法 積分方程法 (IEMIntegral Equation Method)通常也稱為或者稱為全波理論 （ FWFull Wave），該理論可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，然而要受計(jì)算 模型的精度和機(jī)時的限制。 最初的典型作法是，先導(dǎo)出微帶貼片上單位電流元滿足邊界條件的并矢格林函數(shù) G ( r , r )， 場點(diǎn) (r 處 )的電場可表示為： ( , ) . ( )