【正文】 源緊張的今天無疑極具吸引力 ； 2. 波束窄。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化 。 如 在劇烈搖動或滾動的飛行器上裝置圓極化天線可以在任何時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特優(yōu)點，它的一些缺點目前正在被研究克服，其中一個主要的缺點就是阻抗帶寬和圓極化帶寬不高，國內(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)合第三章單個微帶同軸饋電 的設(shè)計 ，改變介質(zhì)厚度，定性地給出不同介質(zhì)厚度對阻抗帶寬、軸比帶寬、增益的影響，并對結(jié)果作分析研究 。后者要解決定向輻射或定向接收問題，也 就是要解決發(fā)射功率或接收機(jī)靈敏度問題。本文就是采用工程近似的方法對圓極化微帶天線進(jìn)行分析與設(shè)計的。 理論上來說，積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、 厚度的微帶天線分析，但是事實上要受到精度和機(jī)時的限制。線段長度 L≈ /2， /2為準(zhǔn) TEM波的波長。 ，而開口場強隨之折轉(zhuǎn)。 由于縫己放平，我們在計算上半空間輻射場時，就可以按自由空間處理，這是這種方法的方便之處。對于矩形片，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，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，上述基本假設(shè)需要作適當(dāng)?shù)男薷摹? 積分方程法 無論是傳輸線法還是腔模理論，都沒有考慮場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) )對于大多數(shù)“薄的”微帶天線來說，這種簡化不致引入顯著的誤差，但是對于“厚的”微帶天線，即基片厚度與波長相比不是很小時(如 h/λ ≈ )這種簡 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)計對于天線來說至關(guān)重要，因為從發(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)計說明書（論文） 第 7 頁 共 32 頁 靠饋線來實現(xiàn)的。各種饋電法 [4]的特性如下。通過探針的位置來控制阻抗與邊饋貼片的插入饋線類似。第二，在所有的激勵方法中，探針饋電有可能是最有效的，因為饋電機(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。因為饋電單元和貼片可以蝕刻在同一塊板上，故一個主要優(yōu)點是制造工藝簡單，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，性能就沒有那么直觀了。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)，從而簡化了制造工藝但同時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 來克服直接接觸饋電貼片的缺點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，重點依據(jù)腔模理論闡述了微帶天線的輻射機(jī)理，同時簡單的介紹了微帶天線常用饋電方法及其優(yōu)缺點。 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模型，當(dāng)饋電點位于 貼片 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 10 頁 共 32 頁 的對角線上時，天線中可以同時維持 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所在對角線平行，單點 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，波的瞬時電場矢量的端點軌跡時一個圓。因此，任意極化的來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)圓極化波入射到對稱目標(biāo) (如平面、球面等 )時，反射波變成反旋向的， 即左 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁 共 32 頁 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 :對 于 左旋波， r 的符 號為止 。 不同類型的圓極化微帶天線 單貼片圓極 化微帶天線 單個微帶貼片被廣泛的用于產(chǎn)生圓極化輻射，其實現(xiàn)圓極化輻射可以有兩種設(shè)計方法 :單饋點法 [23]和多饋點法。第二種單點饋電不需要功分器。在雙饋圓極化微帶天線的設(shè)計中，常見的饋電方法有三種 :(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 簡并分離單元，具體理論將在下一節(jié)介紹。 其他類型的圓極化天線 為了獲得相對寬頻帶的圓極化微帶天線，近來己研制出曲線微帶輻射的微帶天 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁 共 32 頁 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)計說明書（論文） 第 14 頁 共 32 頁 圖 當(dāng)矩形貼片 W=L=a 時，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試微帶天 線的極化旋向。 3)應(yīng)保證輔助天 線在垂直于來波方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，否則將引起誤差。假設(shè)矩形貼片天線的有效長度為 ，則有 ,式中 表示導(dǎo)波波長，有 ，式中 表示自由空間的波長， 表示有效介電常數(shù)，且 ，式中，表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)， h 表示介質(zhì)厚度， W表示微帶天線貼片的寬度。對于圖 中所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點位于貼片的中心，以（ ， ）表示 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 16 頁 共 32 頁 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)計一個工作中心 頻點在 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)上探究并驗證 中的結(jié)論，并對介質(zhì)厚度的變化對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 時最佳尺寸表 圖 h=9mm 時最佳尺寸表 通過 matlab 軟件對 h 分別為 5mm、 7mm、 9mm 三種介質(zhì)厚度進(jìn)行仿真，對數(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)計說明書（論文） 第 27 頁 共 32 頁 本章小結(jié) 本章通過 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 測軸比時 將被測天線作為發(fā)射天線，將輔助的線極化天線作為接收天線， 利用一個 轉(zhuǎn)動裝置 ，轉(zhuǎn)動裝置由一個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。實驗的天線貼片如圖 ， 尺寸為 *，與仿真結(jié)果相符， S11最低點位于 處，為 ，符合工程設(shè)計要求，測試所得的圖如圖 所示。 20176。 100176。 180176。 260176。 340176。 ，需要獲得高增益的天線，則需要對方向圖有所改進(jìn)，通過探究發(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)計說明書（論文） 第 30 頁 共 32 頁 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)計的天線 在實測過程中由于儀器的局限不能測增益所以無法探究實測的增益到底多大。 S21（ dB） 圖 實測 S21隨旋轉(zhuǎn)角度變化表 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 29 頁 共 32 頁 結(jié) 論 圓極化微帶天線具有諸多 優(yōu)點，正是 當(dāng)前研究的熱點，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 對單元天線的影響因素的探究來改善天線的功能，主要完成的研 究工作如下 : 軟件成功地 設(shè)計了工作在 的單個圓極化微帶天 線，定性的比較了切角深度對于 軸比帶寬的影響。 300176。 220176。 S2（ dB） 140176。 60176。 增益由于實驗裝置的局限性，沒法測量，這也是本次實驗的遺憾之處 。 沿 被測天線的機(jī)械軸轉(zhuǎn)動，記下與旋動角相應(yīng)的各個 S21參數(shù) ， 軸比 則 由 觀察 S21曲線沿天線轉(zhuǎn)動角度的變化的最大值與最小值的差決定 。 6. 實驗探究 實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，接下來我對所設(shè)計的天線進(jìn)行了貼片實驗，在實驗過程中也有很多技巧，其中要注意幾點：（ 1）防止虛焊；（ 2）盡量保持貼片平整、對稱；（ 3） 若測得的天線工作頻點偏低，則需再刮掉銅片；若偏高則需再增貼銅片；（ 4）多次測量時要保持發(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)厚度對軸比帶寬的影響 對比三種介質(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比較簡單，容易加工；第三種方法以天線增益的降低為代價；第四種方法需要設(shè)計寬帶匹配電路，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為地板的增大，場的反射面就變大，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 時的天線性能，經(jīng)過對比，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。通過調(diào)節(jié)貼片大小、饋電點位置和切角深度， 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在中心頻點處為 ﹤ 10dB,符合要求，阻抗帶寬從 ～ 為 9MHz，軸比在中心頻點是 ﹤ 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)計說明書（論文） 第 18 頁 共 32 頁 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