【正文】 源緊張的今天無(wú)疑極具吸引力 ； 2. 波束窄。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化 。 如 在劇烈搖動(dòng)或滾動(dòng)的飛行器上裝置圓極化天線可以在任何時(shí)候都收到信息在電視廣播中采用圓極化天線可以克服重影等等。 由于圓極化微帶天線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它的一些缺點(diǎn)目前正在被研究克服，其中一個(gè)主要的缺點(diǎn)就是阻抗帶寬和圓極化帶寬不高，國(guó)內(nèi)外的許多天線工作者都致力于新型圓極化微帶天線方面的研究。目前，圓極化微帶天線的發(fā)展趨勢(shì)是朝小型化、寬頻化和多 功能化方向發(fā)展。 第四章根據(jù)微帶天線腔模理論，結(jié)合第三章單個(gè)微帶同軸饋電 的設(shè)計(jì) ，改變介質(zhì)厚度，定性地給出不同介質(zhì)厚度對(duì)阻抗帶寬、軸比帶寬、增益的影響，并對(duì)結(jié)果作分析研究 。后者要解決定向輻射或定向接收問(wèn)題，也 就是要解決發(fā)射功率或接收機(jī)靈敏度問(wèn)題。本文就是采用工程近似的方法對(duì)圓極化微帶天線進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的。 理論上來(lái)說(shuō)，積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、 厚度的微帶天線分析，但是事實(shí)上要受到精度和機(jī)時(shí)的限制。線段長(zhǎng)度 L≈ /2， /2為準(zhǔn) TEM波的波長(zhǎng)。 ，而開口場(chǎng)強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。 由于縫己放平，我們?cè)谟?jì)算上半空間輻射場(chǎng)時(shí)，就可以按自由空間處理，這是這種方法的方便之處。對(duì)于矩形片，它相當(dāng)于腔模理論中的基模。 腔模理論 羅遠(yuǎn)芷 ()等在 1979 年提出了空腔模型理論。把這種方法移植到微帶天線中來(lái)，稱為單模理論。 腔模理論是把微帶片與接地板之間的盒形區(qū)域看作諧振腔 :它的上下壁是微帶片盒面積相同的接地板。 (2)在微帶片的周界上，片電流沒(méi)有垂直于周界的分量，這意味著沿磁壁 H 的切向分量為零，故腔的側(cè)壁可假設(shè)為磁壁，即諧振腔可視為上下壁為電壁，周圍為磁壁的腔體。由上述討論可以看出基本的腔模理論應(yīng)用上的限制， h λ 的條件是很重要的，當(dāng)不滿足此條件時(shí)，上述基本假設(shè)需要作適當(dāng)?shù)男薷摹? 積分方程法 無(wú)論是傳輸線法還是腔模理論，都沒(méi)有考慮場(chǎng)在片垂直方向上的變化碩士論文毫米波圓極化微帶天線的研究 (在腔內(nèi) )對(duì)于大多數(shù)“薄的”微帶天線來(lái)說(shuō)，這種簡(jiǎn)化不致引入顯著的誤差，但是對(duì)于“厚的”微帶天線，即基片厚度與波長(zhǎng)相比不是很小時(shí)(如 h/λ ≈ )這種簡(jiǎn) 化就不準(zhǔn)確了。由于嚴(yán)格的格林函數(shù)要在譜域展開 (空氣微帶天線例外 )，因此求解積分方程有較大的難度和計(jì)算量。它和矩量法一樣，也應(yīng)用了變分原理，并且形式更為直接。 微帶天線的饋電方法 饋線的設(shè)計(jì)對(duì)于天線來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)閺陌l(fā)射機(jī)到天線以及天線到接收機(jī)都是 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 7 頁(yè) 共 32 頁(yè) 靠饋線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。各種饋電法 [4]的特性如下。通過(guò)探針的位置來(lái)控制阻抗與邊饋貼片的插入饋線類似。第二，在所有的激勵(lì)方法中，探針饋電有可能是最有效的，因?yàn)轲侂姍C(jī)制直接與天線接觸，并且饋電網(wǎng)絡(luò)的大部分與貼片隔離，從而使虛假輻 射最小。因?yàn)轲侂妴卧唾N片可以蝕刻在同一塊板上，故一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單，因此大多數(shù)平面陣都采用邊饋技術(shù)。然而當(dāng)采用較厚的材料時(shí)，性能就沒(méi)有那么直觀了。第一種就是口徑耦 合貼片。與探針貼片相比，它不需要垂直互聯(lián)，從而簡(jiǎn)化了制造工藝但同時(shí)保持了印制電路技術(shù)的共形特性。如果粘合材料是有損耗的且位于窄縫旁邊，則將降低天線的效率。 臨近耦 合貼片 用 來(lái)克服直接接觸饋電貼片的缺點(diǎn)的非接觸饋電貼片的第二種形式是臨近耦 合貼片。微帶貼片就蝕刻在它的上表面。因此，本質(zhì)上臨近耦 合貼片的帶寬寬于直接接觸饋電 貼片。 本章小結(jié) 本章介紹了微帶天線的分析方法，重點(diǎn)依據(jù)腔模理論闡述了微帶天線的輻射機(jī)理，同時(shí)簡(jiǎn)單的介紹了微帶天線常用饋電方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。 圓極化波的產(chǎn)生 原理 微帶天線中存在何種模式完全取決于貼片的形狀和激勵(lì)模型，當(dāng)饋電點(diǎn)位于 貼片 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 10 頁(yè) 共 32 頁(yè) 的對(duì)角線上時(shí)，天線中可以同時(shí)維持 和 模，兩種主模同相且極化正交，結(jié)果導(dǎo)致輻射波的極化方向與饋電點(diǎn)所在對(duì)角線平行，單點(diǎn) 饋 電的準(zhǔn)方形貼片、方形切角貼片和四周切有縫隙的方形貼片 天線等均可以輻射圓極化波。 圓極化波的性質(zhì) 根據(jù)天線輻射的電磁波是線極化或圓極化，相應(yīng)的天線稱為線極化天 線或圓極化天線。即 :沿其傳播方向看去，波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡時(shí)一個(gè)圓。因此，任意極化的來(lái)波都可由圓極化天線收到 ； 反之，圓極化天線輻射的圓極化波也可以由任意極化的天線收到。這稱為圓極化天線的旋向正交性。 (5)圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo) (如平面、球面等 )時(shí)，反射波變成反旋向的， 即左 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè) 旋波變成右旋，右旋變成左旋。 正是由于上述特性，圓極化天線現(xiàn)在已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)了微帶天線圓極化技術(shù)的發(fā)展。 為反映極化的旋向，現(xiàn)規(guī)定 r 具有正 、負(fù)號(hào) :對(duì) 于 左旋波， r 的符 號(hào)為止 。 不同類型的圓極化微帶天線 單貼片圓極 化微帶天線 單個(gè)微帶貼片被廣泛的用于產(chǎn)生圓極化輻射，其實(shí)現(xiàn)圓極化輻射可以有兩種設(shè)計(jì)方法 :單饋點(diǎn)法 [23]和多饋點(diǎn)法。第二種單點(diǎn)饋電不需要功分器。在雙饋圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的饋電方法有三種 :(1)使用 Wiklinson 能量功分器的兩縫隙耦 合饋電圓極化微帶天線 。 的輸入能量。相位差，要在規(guī)則的單片微帶天線上附加一個(gè) 簡(jiǎn)并分離單元，具體理論將在下一節(jié)介紹。 其他類型的圓極化天線 為了獲得相對(duì)寬頻帶的圓極化微帶天線，近來(lái)己研制出曲線微帶輻射的微帶天 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè) 線，這是一種結(jié)構(gòu)緊湊的寬頻帶圓極化微帶天線，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 圖 (a)圓扇形； (b)螺旋形 單饋圓極化微帶天線理論 根據(jù)前面所述，單饋圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)主要是選擇合適模分離單元的大小、位置、以及選擇恰當(dāng)?shù)酿侂娢恢谩? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 14 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 當(dāng)矩形貼片 W=L=a 時(shí)，磁流分布的周邊為 和 ,相應(yīng)于 的 基模標(biāo)量特征函數(shù)為 : ysinkV xsinkV y010 x001 ???? () 式中 , 。根據(jù)左旋圓極化天線只接收左旋圓極化波，右旋圓極化天線只接收右旋波的原理，如果使用兩副結(jié)構(gòu)相同，而螺旋反繞的圓極化天 線作為輔助天線，則由接收電平較高的螺旋天線的旋向確定待測(cè)試微帶天 線的極化旋向。 3)應(yīng)保證輔助天 線在垂直于來(lái)波方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，否則將引起誤差。假設(shè)矩形貼片天線的有效長(zhǎng)度為 ，則有 ,式中 表示導(dǎo)波波長(zhǎng)，有 ，式中 表示自由空間的波長(zhǎng)， 表示有效介電常數(shù)，且 ，式中，表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)， h 表示介質(zhì)厚度， W表示微帶天線貼片的寬度。對(duì)于圖 中所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點(diǎn)位于貼片的中心，以（ ， ）表示 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 16 頁(yè) 共 32 頁(yè) 饋電的位置坐標(biāo)。 由式 L= 得貼片的尺寸越大，工作頻率越低。 仿真速度比較快，可以采取此方法。 圓極化微帶天線單元的設(shè)計(jì)結(jié)果 圓極化天線的尺寸 圖 圓極化天線的模型圖 如圖 為圓極化天線模型圖，這里運(yùn)用同軸饋電，特性阻抗 50Ω，同軸內(nèi)徑 ， 外徑與內(nèi)徑之比應(yīng)為 [24]，所以同軸的外徑約為 ，使用的介質(zhì)尺寸是 36mm*36mm，介電常數(shù)為 18，介質(zhì)的損耗角正切為 ，要設(shè)計(jì)一個(gè)工作中心 頻點(diǎn)在 處的天線，在中心頻率處 S11小于 10dB，軸比小于 5dB。圖 表示 S11回?fù)p系數(shù)，圖 （ a）、（ b）表示增益，圖 （ a）、（ b）表示軸比。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。不足之處是方向圖背瓣過(guò)大，有待后面進(jìn)一步改進(jìn)。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 而阻抗帶寬下降，這與參考資料不符 [25]。 h=5mm 的最佳尺寸表見(jiàn)圖 ,仿真得的增益結(jié)果如圖 。 0 d e g 39。所以在 中進(jìn)行了改善，把地板增大，背瓣減少了，讓更多的能量輻射出去，使天線獲得較好的性能，再在此基礎(chǔ)上探究并驗(yàn)證 中的結(jié)論，并對(duì)介質(zhì)厚度的變化對(duì)天線阻抗帶寬的影響做更深一步的探究，看是否與一般規(guī)律相符。 圖 h=7mm 時(shí)最佳尺寸表 圖 h=9mm 時(shí)最佳尺寸表 通過(guò) matlab 軟件對(duì) h 分別為 5mm、 7mm、 9mm 三種介質(zhì)厚度進(jìn)行仿真，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得如下圖 。 圖 不同介質(zhì)厚度下的增益 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 27 頁(yè) 共 32 頁(yè) 本章小結(jié) 本章通過(guò) 擴(kuò)大地板尺寸獲得了背瓣較小的方向圖，增益也有所增加。 在 測(cè)軸比時(shí) 將被測(cè)天線作為發(fā)射天線，將輔助的線極化天線作為接收天線， 利用一個(gè) 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置 ，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由一個(gè)空心圓柱腔和前面的擋板組成，擋板中間有一小圓洞的方便天線的同軸穿進(jìn)穿出。實(shí)驗(yàn)的天線貼片如圖 ， 尺寸為 *，與仿真結(jié)果相符， S11最低點(diǎn)位于 處，為 ，符合工程設(shè)計(jì)要求，測(cè)試所得的圖如圖 所示。 20176。 100176。 180176。 260176。 340176。 ，需要獲得高增益的天線，則需要對(duì)方向圖有所改進(jìn)，通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)改變地板的大小能使背瓣變小，能量更多地輻射出去。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 30 頁(yè) 共 32 頁(yè) 致 謝 本學(xué)位論文是在我的指導(dǎo)老師 王昊 老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。 盡管本文取得了一些成果，許多工作還有待進(jìn)一步完善和深入研究，例如本文設(shè)計(jì)的天線 在實(shí)測(cè)過(guò)程中由于儀器的局限不能測(cè)增益所以無(wú)法探究實(shí)測(cè)的增益到底多大。 S21（ dB） 圖 實(shí)測(cè) S21隨旋轉(zhuǎn)角度變化表 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 29 頁(yè) 共 32 頁(yè) 結(jié) 論 圓極化微帶天線具有諸多 優(yōu)點(diǎn)，正是 當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，并且在通信、導(dǎo)航和制導(dǎo)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景， 但是由于它本身還存在著的一些固有的缺陷，需要進(jìn)一步多方面的改善， 本文正是基于 對(duì)單元天線的影響因素的探究來(lái)改善天線的功能，主要完成的研 究工作如下 : 軟件成功地 設(shè)計(jì)了工作在 的單個(gè)圓極化微帶天 線，定性的比較了切角深度對(duì)于 軸比帶寬的影響。 300176。 220176。 S2（ dB） 140176。 60176。 增益由于實(shí)驗(yàn)裝置的局限性，沒(méi)法測(cè)量，這也是本次實(shí)驗(yàn)的遺憾之處 。 沿 被測(cè)天線的機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)，記下與旋動(dòng)角相應(yīng)的各個(gè) S21參數(shù) ， 軸比 則 由 觀察 S21曲線沿天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化的最大值與最小值的差決定 。 6. 實(shí)驗(yàn)探究 實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，接下來(lái)我對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了貼片實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也有很多技巧，其中要注意幾點(diǎn)：（ 1）防止虛焊；（ 2）盡量保持貼片平整、對(duì)稱；（ 3） 若測(cè)得的天線工作頻點(diǎn)偏低，則需再刮掉銅片；若偏高則需再增貼銅片；（ 4）多次測(cè)量時(shí)要保持發(fā)射天線和接收天線的距離不變，方便前后數(shù)據(jù)的對(duì)比；（ 5） 要防止地面、墻壁、天花板及其它周圍物體反射和散射的影響 。 介質(zhì)厚度對(duì)軸比帶寬的影響 對(duì)比三種介質(zhì)厚度下的軸比帶寬，得 介質(zhì)厚度的增加，天線的軸比帶 寬也隨之增大，但增大的幅度較小，如圖 。 前兩種方法制作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，容易加工；第三種方法以天線增益的降低為代價(jià)；第四種方法需要設(shè)計(jì)寬帶匹配電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。方向增益也增大不少，分析其原因一定程度上是因?yàn)榈匕宓脑龃?，?chǎng)的反射面就變大，能量 能更方便地輻射出去。 1 . 2 6 8 G H z 39。 本章小結(jié) 本章進(jìn)一步仿真了介質(zhì)厚度為 7mm 時(shí)的天線性能，經(jīng)過(guò)對(duì)比，天線的性能有所改變，由于方向圖不是很理想，有待下一章進(jìn)行詳細(xì)地討論歸納。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。通過(guò)調(diào)節(jié)貼片大小、饋電點(diǎn)位置和切角深度， 仿真頻率范圍為 ～， 得最佳的尺寸表 如圖 ，圖 為仿真所得的 S11回?fù)p系數(shù)，圖(a)、（ b）為 增益 圖，圖 (a)、（ b）為軸比圖。圖中， S11在中心頻點(diǎn)處為 ﹤ 10dB,符合要求，阻抗帶寬從 ～ 為 9MHz，軸比在中心頻點(diǎn)是 ﹤ 5dB，軸比帶寬（按軸比 ﹤ 5dB 算）從 ～ 為 3MHz，增益在 處為，背瓣較大。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 18 頁(yè) 共 32 頁(yè) 1 . 1 0 1 . 1 5 1 . 2 0 1 . 2 5 1 . 3 0F re q [ G H z ]7 . 0 06 . 0 05 . 0 04 . 0 03 . 0 02 . 0 01 . 0 0