【文章內(nèi)容簡介】 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： ( , ). ( )() v G r r J r dvE r jw ??? ? （ 210） 式中， J（ r）是貼片上 r處 (源點(diǎn) )的電流密度，令此電場在貼片表面的切向分量為零，便得到對 J（ r）的積分方程。對該電流選擇適當(dāng)?shù)幕瘮?shù)展開式和試驗(yàn)函數(shù)， 可將積分方程化為矩陣方程，從而可解出貼片電流并用來計(jì)算天線特性。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 9 頁 共 35 頁 相對于傳統(tǒng)的傳輸線模型和腔模型理論， 積分方程法還有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn) 確性、完整性和計(jì)算復(fù)雜性。準(zhǔn)確性是指相對而言全波理論能夠提供更為準(zhǔn)確的 結(jié)果；完整性是指全波理論對微帶天線的分析涉及到了表面波效應(yīng)、空間波輻射、 單元間的互耦現(xiàn)象；計(jì)算復(fù)雜性指全波方法是數(shù)值密集型的，需要進(jìn)行大量仔細(xì) 的計(jì)算。 從數(shù)學(xué)處理上看，最早出現(xiàn)的傳輸線模型把微帶天線的分析簡化為一維的傳 輸線問題；接著產(chǎn)生的空腔模型則發(fā)展到基于二維邊值問題的解析求解； 20 世紀(jì) 80 年代以來形成和發(fā)展的全波分析又進(jìn)了一步，計(jì)入了第三維的效應(yīng)，成為三維 邊值問題的數(shù)值求解，因而最為嚴(yán)格 ，但也復(fù)雜得多。前二類方法都是基于某些 假設(shè)而將問題簡化，它們可統(tǒng)稱為“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?。其?yōu)點(diǎn)是物理概念清楚，計(jì)算簡 單 。 時域有限差分法（ FDTD） 時域有限差分法的基本思想是把求解空間進(jìn)行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進(jìn)行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激勵源）和計(jì)算空間的邊界條件， 便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通過離散傅里葉變換 還 可以得到三維空間的頻域解。時域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是其離散比較簡單（空間網(wǎng) 格大小一致、時間步長恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶 范圍內(nèi)特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時間步長和空間步長的限制。 CST 公司的 CST MICROWAVE STUDIO 微波工作室 (CST MWS)軟件其核心就是時域有限積分法。 在使用 ADS,HFSS,CST 的過程中，就能體會到以上三種數(shù)值分析方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 ADS 功能強(qiáng)大，仿真手段豐富，相對于其他的電路仿真軟件， ADS 計(jì)算比 較精確。 HFSS 精確度也比較高，并且仿真時間較短，不過物理模型的建模比較麻煩。 CST 建模方便，操作簡單，精度不夠高，而且仿真時間比較長，對電腦配置要求比較高，占用電腦資源很多。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 10 頁 共 35 頁 第三章 微帶天線圓極化技術(shù) 能夠輻射或接收圓極化波的天線稱為圓極化天線 ， 圓極化波具有以下重要的性質(zhì) : (1)圓極化是一個等幅的瞬時旋向場 ， 沿其傳播方向看過去 ,波的瞬時電場矢量的端點(diǎn)軌跡是一個圓 ， 當(dāng)用左手拇指指向傳播方向 ,其余四指由相位超前 ? /2的線極化方向旋轉(zhuǎn) ? /2到另一滯后的線極化方向 ,則該圓極化波為左旋圓極化波 。同理 ,當(dāng)用右手拇指指向傳播方向 ,其余四指由相位超前 ? /2的線極化方向旋轉(zhuǎn)? /2到另一滯后的線極化方向 ,則該圓極化波為右旋圓極化波 。 (2)一個圓極化波可以分解成兩個在空間上 !時間上均正交的等幅線極化波 。 因此 ,從理論上實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理是 :產(chǎn)生空間上正交的線極化電場分量 ,并使二者振幅相等 ,相位差 90176。 圓極化波概述 圓極化波的產(chǎn)生 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(diǎn)位于貼片的對角線上時，天線中可以同時維持 01, 10TMTM 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。用微 帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生兩個方向正交的，幅度相等的，相位相差 90的線極化波。當(dāng)前用微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有幾種方法 :一 點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線 。正交饋電的單片圓極化微帶天線 。由曲線微帶構(gòu)成的寬頻帶圓極化微帶天線 。微帶天線陣構(gòu)成的圓極化微帶天線等等。 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。圓極化波具有以下 的性質(zhì)： (1)圓 極化 波 時一個等幅的瞬時旋轉(zhuǎn)場。即 :沿其傳播方向看去，波的瞬時電場矢量的端點(diǎn)軌跡時一個圓。若瞬時電場矢量沿產(chǎn)波方向按左手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，稱之為左旋圓極化波，記為 LCP(Left一 HandcircularPolarization)。若沿傳播方向按右手螺旋旋轉(zhuǎn)，稱之為右旋圓極化波 。 (2 )一 個 圓 極 化波可以分解為兩個在空間上和在時間上均正交的等幅線極化波。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是 :產(chǎn)生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等，相位相差 90度。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 11 頁 共 35 頁 (3 ) 任意 極 化 波可以分解為兩個旋向相反的圓極化波。作為特例，一個線極化波可以分解為兩個旋向相反、振幅相等的圓極化波。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。這正是在電子偵察和干擾等應(yīng) 用中普通采用圓極化波的原因。 (4 )天 線 若 輻 射左旋圓極化波，則只接受左旋圓極化波而不接收右旋圓極化波 ,反之，若天線輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波。這稱為圓極化天線的旋向正交性。其實(shí)，這一性質(zhì)就是發(fā)射和接收天線之間的互易定理。在通信和電子對抗等應(yīng)用中的廣泛利用這個性質(zhì)。例如 :國際通信衛(wèi)星 V號上的 4GHz多波束發(fā)射天線輻射右旋圓極化波，形成兩 個東、西 半球波束氣同時也輻射左旋圓極化波，形成兩個照射不同地區(qū)的“區(qū)域波束”，這四個波束都工作于 4GHz頻段而互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)四重頻譜服用，增加了通信容 量。 (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，即左旋波變成右旋，右旋變成左旋。由這 個 性 質(zhì)可以知道，采用圓極化波工作的雷達(dá)具有抑制雨霧干擾的能力。因?yàn)樗c(diǎn)近似呈球形，對圓極化波的反射是反旋的 。而雷達(dá)目標(biāo) (如飛機(jī)、導(dǎo)彈等等 )一般是非簡單對稱體，它對于圓極化波的反射波是橢圓極化波，故具有同旋向的圓極化成分。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。 圓極化微帶天線的主要電參數(shù) 軸比是圓極化微 帶天線的主要電參數(shù)，也是衡量圓極化微帶天線圓極化性能的主要參數(shù)。我們可以將圓極化和線極化都看作是橢圓極化的特殊形式，橢圓極化的長軸和短軸之比便是軸比，當(dāng)軸比為 1時，便是圓極化，用 db表示就是 0db，當(dāng)軸比為 0或是∞時，便是線極化。 圓極化天線的實(shí)現(xiàn) 微帶天下的優(yōu)點(diǎn)之一就是便于實(shí)現(xiàn)圓極化，其實(shí)現(xiàn)圓極化的方法有如下兩種，（ 1）單點(diǎn)饋電（ 2）多點(diǎn)饋電，多點(diǎn)饋電我們主要討論兩點(diǎn)饋電。 單饋電圓極化微帶天線桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 12 頁 共 35 頁 圖 單點(diǎn)饋電的圓極化微帶天線 根據(jù)微帶天線理論 ,矩形或圓形貼片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生幅度相等 ，正交的兩個簡并模 ,但不能形成 90176。 相位差 。 為了在簡并模之間形成 90176。 相位差 ,必須在矩形微帶天線上附加一個簡并模分離單元 ,使簡并模的諧振頻率產(chǎn)生分離 。 單饋點(diǎn)法是基 于空腔模型理論 ,利用兩個輻射正交極化波的簡并模 ,并在腔體內(nèi)引入某種不對稱性 ,以便消除兩個模的簡并性 當(dāng)簡并模分離單元大小選擇合適時 ,對工作頻率而言 ,一個模的等效阻抗相角超前 45176。 ,另一個模的等效阻抗相角滯后 45176。 ,這樣就形成了圓極化輻射 。 它無需任何移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就可以實(shí)現(xiàn)圓極化輻 射 。 在 A型和 C型中 ,把饋點(diǎn) F設(shè)定在 X軸上 。在 B型中 ,把饋電點(diǎn)設(shè)定在對角線上。通過附加簡并分離單元山來解出簡并模的衰減。 對于 A型， 12| / | Qss??，對于 B型， 1| / |Qss??，對于 C型， 1 41| / | Qss??。其中 Q為微帶天線的品質(zhì)因數(shù)。 對于微帶傳輸線有： 1 1 1 1 1t a n e ffc d swQ Qr Q Q Q?? ? ? ? ? （ 31） 03 ( / )8( / )rr abhQ ? ?? （ 32） 001 2 0 /c h f hQ ?? ? ? ? ??? （ 33） 1tandQ ?? （ 34） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告用紙 第 13 頁 共 35 頁 其中， tan eff? 為微帶線等效損耗角正切值， , , ,c d swQ Q r 分別為輻射損耗，導(dǎo) 體損耗，介質(zhì)損耗以及表面波損耗引起的相應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)。 r? 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)， h為介質(zhì)基片厚度。通過以上公式可以計(jì)算出微帶天線的品質(zhì)因數(shù) ,從而可以計(jì)算出簡并分離單元的大小。 雙饋點(diǎn)法圓極化微帶天線 利用兩個饋電點(diǎn)來對微帶天線饋入幅度相等 ,相位差為 90176。的兩個信號 ,這兩個饋電點(diǎn)成直角分布時即可形成圓極化輻射，最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是采用 T形分支 ,使兩條支路有四分之一波長的路徑差，為此要保證各支路傳行波 ,一個實(shí)例如圖 ,二條支路分別激勵 01TM 模和 10TM 模，兩者的輸入電阻分別為 abRR， ，則可由如下 35公式計(jì)算。 1 a 02 0 tt0= RZZ= ZZZ=2ZZ (35)