【文章內容簡介】 越小。 指 一個發(fā)射天線輻射時，其最大輻射方向上，電場矢量 隨著時間變化 在空間 顯示 出的軌跡稱為天線 極化。 天線輻射的電磁波的極化形式?jīng)Q定了 天線的極化形式 。 天線 的極化可分為 線極化天線、 橢圓極化天線 和 圓極化天線 。當 有地面時， 線極化又分為垂直極化和水平極化 。 圓極化又可以分為右旋圓極化和左 旋 圓極化 。 頻率與 天線的電參數(shù) 息息相 關，當工作頻率偏離設計頻率時，天線參數(shù) 往往會發(fā)生 變化。天線 所規(guī)定的 電 參數(shù) 在工作頻率發(fā)生變化時 不應超出 指定 的范圍， 這里的 頻率范圍稱為頻帶寬度，簡稱為天線的帶寬 。一般用電壓駐波比 2或 11S 小于 10dB來定義 [15]。 天線的方向性函數(shù)是在距離 天線一定距離 的位置 處，描述天線輻射的電磁場強度在空間的相對分布的數(shù)學表達式； 天線的方向圖是在距離天線一定距離的位置處 ，描述天線輻射的電磁場強度在空間的相對分布的圖形。 方向圖的主瓣通常為 最大輻射波束。主瓣旁邊的幾個小的波束叫旁瓣。 天線增益是 被研究天線在輻射最強方向的輻 射強度與各向同性天線（與被研究天線具有同等輸入功率）在同一點所產(chǎn)生的最大輻射強度 的比值 ， 是 在波陣面某一給定方向天線輻射強度的量度。 ?4饋入天線總功率率單位立體角最大輻射功?G () 天線方向性 DG 與天線增益 G 定義略有不同。 ?4總的輻射功率率單位立體角最大輻射功?DG ()L 型探針饋電的微帶天線仿真設計 6 由于天線 存在 損耗，天線 的 輻射功率比 輸入功率 要小一些，即在數(shù)值上天線增益 要比天線方向性小。 理想天線能 在某一立體角 B? 內 把全部饋入天線的功率輻射出去，且 滿足 在 B? 立體角內均勻分布。 在理想 情況下 ，數(shù)值上 天線增益與天線方向性 大小 相等。 BDGG ????4 () 在同樣距離和相同輸入功率條件下，天線方向圖上最大功率密度和理想全向天線（此時的效率為 100%）的輻射功率密度之比定義為天線的增益。按公式來即 GD?? () 為了定量描述傳輸線上的行波分量和駐波分量，引入駐波系數(shù)和行波系數(shù) [16]。 傳輸線上最大電壓 (或電流 )與最小電壓 (或電流 )的比值，定義為駐波系數(shù)或駐波比，表示為 m inm axm inm ax IIUU ??? () 傳輸線模型如圖 所示，線上每一點的電壓為入射波電壓與反射波電壓的疊加。 圖 傳輸線上的入射波和反射波 駐波系數(shù)和反射系數(shù)的關系可導出如下 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?zzUzUzUzU ?????????? ??? 1 () 故得 L 型探針饋電的微帶天線仿真設計 7 ? ?22m ax 1 ??? ?UU ? ?22m in 1 ??? ?UU () 22m inm ax 11 ?? ???? UU? () 行波系數(shù)定義為傳輸線上最小電壓 (或電流 )與最大電壓 (或電流 )的比值，即 m axm inm axm in IIUUK ?? () 顯然： 22111 ???????K () 效率有 天線效率 與 輻射效率 。因為 存在損耗 以及 入射波存在反射 ， 天線 不可能把入射功率全部提供到天線的輸入端口作為天線的輸入功率 。同時，也 不可能把從饋線輸入給他的輸入功率全部輻射出去，如介質中的介質損耗、天線導線中的熱損耗等使得饋線的輸入功率總有一部分要損耗掉 。 為了便于對概念的理解，先將天線的有關的基本功率定義如下： 輸入功率 inP ：指 天線從 外部設備 得到 的功率。 入射功率 iP ：指 天線從 發(fā)射機等 得到 的功率。 輻射功率 ?P ：指 除去損耗， 天線把發(fā)射機提供的功率輻射出去的功率。 損耗功率 dP ：指由于 介質、 導線或者地電流等而損耗的功率。 反射功率 tP ：指 反射回來的功率。 根據(jù)以上定義， 可 得到： itin dP P P P P?? ? ? ? () 微帶天線的品質因數(shù)包括輻射品質因數(shù) rQ 、介質損耗品質因數(shù) dQ 、導體損耗品質因數(shù) cQ 和表面波損耗品質因數(shù) sQ 四個部分 [17]。它們的關系如下 ： 1 1 1 1 1r d c sQ Q Q Q Q? ? ? ? () L 型探針饋電的微帶天線仿真設計 8 rQ 可表示為 4r SQ GZ?? () 式中 sG 為輻射縫隙的等效導納， Z 為微帶線的特性阻抗。 dQ 可以表示成 1(ta n ta n )dQ????? ? () 式中 tan?? 為基底的介質角正切值。 tan?? 為基底的磁損耗角正切值。 cQ 可以表示成 0cQ h f? ? ?? () 式中 ? 是天線的電導率，一般情況下認為 ??? ，所以 cQ 對天線總的品質因數(shù)的影響非常小。如果天線的表面波較低， sQ 也可以忽略不計。那么天線總的品質因數(shù)就可近似地表達成 1 1 1rdQ Q Q?? () 交叉極化電平是用來衡量天線極化純度的一個量，定義為交叉極化場強幅度 cE 與主極化場強度 pE 之比的平方，一般用 dB 表示。 ? ? cpdB 20 lg EX E? () 微帶天線的輻射機理 及饋電方式 微帶天線的 輻射機理 微帶天線的 輻射 是由 準 TEM 模傳輸線、開在地板上的縫隙或 貼片產(chǎn)生。 圖 所示的L 型探針饋電的微帶天線仿真設計 9 矩形貼片微帶天線尺寸為 ab? ，通常 b 是半個波長。 可以認為 輻射元兩開路邊上的邊緣場產(chǎn)生 輻射場 。將邊緣場分解為 與 接地板 相對 應 的 切向 和 法向 分量。由于 微帶天線中輻射元的長度 /2b ?? ，所以兩個法相分量 方向 相反。 在邊射方向上 兩個分量產(chǎn)生 反相 的遠區(qū)場互相抵消。而 與 接地板 平行的切向電場 方向 是相同的，它們 在遠區(qū)的合成電場在邊射方向上相加， 在邊射方向上得到 的輻射場 最大。這就是微帶天線得到 的 輻射 是 單向的原理 [18]。 圖 矩形微帶天線 輻射結構 微帶天線的饋電方式 由于 結構的 多樣性 ， 微帶 天線激勵方式 也就存在多 樣 性 ， 微帶天線的性能和尺寸 受 微帶天線的饋電方式 的 影響 很大 。目前， 根據(jù)饋電結構的不同， 常用的微帶饋電方法有以下三種 [19,20]: 1． 同軸線饋電 同軸線饋電時， 接地板 與 外 導體 連接 ， 貼片 與 穿過接地板上的小孔及 介質 基片 的 內導體 連接。 用同軸線饋電的優(yōu)點是 ： 可 在貼片內任意所需位置 選 饋電 點 ，便于匹配 ； 同軸電纜 在 接地板下方，天線面的輻射 不會 受到 干擾 。 而 不便于集成是 同軸線饋電 結構 的缺點 。 2． 微帶線共面饋電 微帶天線 最常用的饋電方式是 微帶線共面饋電， 不僅結構 簡單 而且 經(jīng)濟，但 微帶饋電線與 接地板 共面。 饋電線本身的輻 射 會 導致 旁瓣電平的升高 和 交叉極化 。另外，微帶饋線位置 的選取 會影響天線的 增益 和 頻帶寬度 。 3． 電磁 耦合 型饋電 貼近式饋電是 電磁 耦 合型饋電 在 結構上的共同特征，因此便于層間連接。 在多層陣天線中，由于接地板與貼片之間的間隔比較大，從而能獲得較寬的頻帶 ； 同時，饋線較接近L 型探針饋電的微帶天線仿真設計 10 接地板 可以 減小了饋電網(wǎng)絡的輻射干擾 。 微帶天線的分析方法 求解天線周圍空間的輻射場是 微帶 天線分析的基本問題， 輻射場 情況得到后 進而求解天線的 增益、輸入阻抗、 方向圖、 S 參數(shù)、 頻帶寬度 等參數(shù)。微帶天線 分析方法 有多種，如 傳輸線模型、模式展開法 、 矢位法、 諧振腔模型法以及 并矢格林函數(shù)法 等。本 文 主要介紹兩種常用的分析方法 ： 腔模理論 和 傳輸線法 ，兩種理論 以 矩形貼片天線做物理模型 介紹的 [21]。 1． 傳輸線法 分析微帶天線 的方法中比較傳統(tǒng) 的是 傳輸線 法 ， 這 也是 比較簡單 的方法。 傳輸線 法的物理模型如圖 所示。 傳輸線法 適用于 矩形微帶天線 。此方法的有以下兩個基本假設 ： (1)微帶貼片和 金屬接地板 構成一段微帶傳輸線，傳輸準 TEM 波。 饋電方式和饋電位置決定 了 波的傳輸方向。線段長度 g /2L ?? ， 準 TEM 波在微帶天線中的傳輸波 長 為 g? 。在某一時刻，場在 W 邊為常數(shù) ，而在 傳輸方向即 L 邊是駐波分布 。 (2)微帶 傳輸線的 始端和末端 兩個開口端 ， 即 L 的兩端， 近似 等效為兩個輻射縫， 傳輸線開口端的場強即為 縫口徑的場。可以把縫平 面 看作位于微帶貼片的延伸面上， （ 將開口面向上折轉 90 度 ） ，則開口場強隨之折轉。 圖 傳輸線 法 模型 利用 傳輸線 法 合理地解釋了 輻射原理 ， 模型中將 微帶看作一個 場