【文章內(nèi)容簡介】 為 x 方向，且等幅同相，它們等效為磁流，由于接地板的作用，相當于有二倍磁流向上半空間輻射。縫上等效磁流密度為 mJ = y2U/h (21) U 為傳輸線開口端電壓。 如圖 25 所示是按傳輸線法建立的微帶 貼片 天線等效電路。圖 25(a)為微帶線饋電方式， sY 為縫隙輻射導納， oY 為微帶片特性導納。圖 25(b)為同軸線饋電方式，探針從接地板穿孔引出，稱為底饋。等效電路與圖 26(a)的不同之處是： (1)它在微帶片開口端之間饋電，激勵源離始端距離 1X ； (2)探針本身要引入感抗，用 pY 表示。 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 7 圖 25 微帶 貼片 天線等效電路 由圖 25 可見，微帶天線的輻射等效為二元縫隙陣的輻射，并且縫上等效磁流是均勻 的。利用單縫的輻射場計算公式可以求出天線的輻射場為 )F( θ(4 ππej2U kwE jkr ?? ??? (22) 式中，2θkW c os2θkW c oss in)F( θ(???????? 為方向函數(shù)， r 是微帶片中心到場點的距離。 利用圖 25 中所示等效電路 易于求得天線的輸入阻抗。為此我們需要求出縫隙的輻射導納，然后用傳輸 線公式進行變換即可。當變換后的阻抗為實數(shù)時，表明天線發(fā)生了諧振，即可就得天線的諧振頻率。 當縫隙的電長度 W/ 0λ 較大時，無限長直縫隙的單位長度輻射導納為 ? ?? ? nk1j1120 λ1jBG 0000 ???? (23) 因此長為 W 的縫隙其輻射導納為 ? ?? ? nk1j1120 λWjBG 001111 ???? (24) 注意到微帶 貼片 天線一般 1hk0 ?? ，故電納項是正值，即呈容性 ，并且此值電導項。這意味著計入這一電納項等效于傳輸線有些伸長，故諧振時傳輸線長度應略小于 gλ /2。容性電納的出現(xiàn)，其物理解釋為開口處出現(xiàn)邊緣電荷，等效為電容加大。 式 (24)是在二維場條件下推出的，故若縫隙的電長度不大時，此式不大適用，應予重新推導。輻射電導部分對應輻射的實際功率，可將縫隙的輻射能流密度在半球面上積分求出 θ dθtan2W c os θks i n120 π1G 20π0 2211 ??????? ? (25) 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 8 當 λW?? 時，上式化作2211 90λWG ? 此值通常比微帶傳輸線的特性導納小很多，接近開路狀態(tài)，因此限制了天線的阻抗頻帶。為了使頻帶加寬，可以增加基片的厚度，減小基片的 rε 值，這可以使傳輸線特性導納降低，再增加 W 使輻射電導提高。 由于微帶天線的輻射等效于二元縫隙陣，兩縫之間將存在互耦，故每個縫隙的輻射導納為 ? ?12111211 BBjGGjBGY ?????? (26) 此式中我們已經(jīng)假定兩縫隙的磁流是相等的，故我們 可以通過求出縫隙陣在半球面的總輻射功率 rP ，然后除以 2，就得到陣中每個縫隙的總輻射功率，從而求出每個縫隙的總輻射電導 G 為 2r/V2PG? (27) 由圖 25 所示的等效電路，利用傳輸線公式可以立刻求得微帶天線的輸入導納。對于同軸線饋電的等效電路，它相當于兩縫隙經(jīng)傳輸線變換后的導納并聯(lián)，再與探針的導納串聯(lián)。故輸入阻抗為 inZ =1/ 1Y +j LZ (28) 其探針阻抗為 ????????? 0rL λ2 ππtanε120 πZ (29) 傳輸線法簡潔明了 、 具有較強 物理直觀性 ，同樣缺點也很明顯 ： 首先，傳輸線 法理論模型只能用于 微帶 貼片天線而且對貼片的形狀也有嚴格的要求 ；另一個缺點是 存在很大的誤差， 除了諧振點外， 其它非諧振點隨頻率 變化的曲線都有一定的誤差 。 饋電原理 微帶 貼片 天線的饋電會 直接 影響到其輸入阻抗 從而 影響天線的其它性能 指標 ，因而它對微帶 貼片 天線的 非常必需 [15]。微帶 貼片 天線的饋電方法有很多種， 微帶 貼片天線饋電除了微帶線饋電和同軸探針 饋電兩種基本方式 外，還包括臨近耦合微帶饋電、口徑耦合微帶饋電、共面波導饋電等 新的饋電技術(shù)。 選擇 恰當 的饋電方式需要 根據(jù) 多種因素 來考慮 ， 但是其實質(zhì)都是差不多的，都是使輻射結(jié)構(gòu)與饋電結(jié)構(gòu)之間能夠有效地傳輸電磁波 ，也即兩者要 實現(xiàn) 阻抗匹配。 。 表 22 是幾種饋電方式的比較 。 表 22 幾種饋電 方式的 比較 特性 同軸饋電 微帶饋電 臨近耦合 口徑耦合 共面波導 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 9 結(jié)構(gòu) 不是 平面 共面 是 平面 是 平面 是 平面 偽輻射 多 多 多 多 少 極化純度 差 差 差 非常 好 好 制作難度 很難 容易 較容易 較容易 需要調(diào)整 可靠性 較好 較好 好 好 好 阻抗匹配 較 容易 非常 容易 較 容易 容易 容易 帶寬 窄 窄 較寬 寬 寬 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 10 三 GPS 小型化 天線 技術(shù) GPS 天線的 圓極化 所謂極化反映的是：電磁波 在空間傳播時， 時變電磁矢量的幅 度大小和 方 向 在 傳播方向的變化的情況 [16]。而天線的極化則定義為電磁波中電磁分量相對于地面的方向。 圓極化：電場矢量端點的軌跡在垂直于 電磁波 傳播方向的平面上投影是一個圓。 而圓極化 可根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向 可分為左旋極化 (反時針方向旋轉(zhuǎn) )和右旋極化 (正時針方向旋轉(zhuǎn) )兩種 ， 而 GPS 小型化天線要滿足右手圓極化 。 GPS 小型化天線要實現(xiàn)圓極化的最重要因素是在滿足 實際應用 的需求 ，圓極化 電磁波具有 一些 重要性質(zhì) [17]： (1)圓極化 電磁 波是 電場和磁場方向幅度相等的旋轉(zhuǎn) 場， 利用切角實現(xiàn)的圓極化，因為可以產(chǎn)生 兩正交等幅相位相差 90 度 或 270 度 的線極化波 ； (2)實現(xiàn)何種方式的圓極化只能輻射和接受特定方式的圓極化波 ，正是圓極化波的特定性質(zhì)， 圓極化才會在實際 生成 中得到廣泛的應用。 實現(xiàn)圓極化的基本方式 [18]： (1)切角 (truncated corners)； (2)表面開槽 (Slots/slits)； (3)帶有調(diào)諧枝節(jié) (tuning2stub)。 圓極化天線的電參數(shù) 反應就 是最大增益方向上的軸比。軸比 小于 3dB 的帶寬 說明天線的實現(xiàn)圓極化性能 。 所以 得出實現(xiàn) 天線的 圓極化 基本 方法 ： 通過不同實現(xiàn)圓極化方式，從而 產(chǎn)生 在 空間 相互 正交的線極化電場分量， 而且 二者 振幅相等 (簡并模 )，相位相差 90 度。盡管圓極化天線 各種各樣 ，但 實現(xiàn) 的 原理 都是 相同 的。 GPS 天線的 小型化 下面先簡要探討一下微帶貼片天線小型化的具體方法，包括：增加介電常數(shù)、加載、曲流、采用平面倒 F以及平面倒 L結(jié)構(gòu)、采用分形結(jié)構(gòu)等。 首先 ， 介紹采用增加介質(zhì)材料介電常數(shù)來實現(xiàn)小型化 [19]。 電磁波在均勻介質(zhì)中的傳播速度依賴于介質(zhì)材料的介電性能，也就是材料的相對介電常數(shù)。其波長和相對介電常數(shù)的關(guān)系可以用下式表示 : 0rcf? ?? (31) 其中， c是真空中的光速， f是頻率， r? 是基底材料的相對介電常數(shù)。通過 (31)可以看出如果增加 r? 的值，在其它參數(shù)不變的情況下就可以減小電磁波在介質(zhì) 中的波長。如果以貼片微帶天線為例，在特定頻率下， r? 增加 4倍則波長可以減小 1/2，也就是在特定頻率下天線的尺寸縮減了一半。 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 11 高的介電常數(shù)使輻射貼片和接地面間的耦 合增大，儲能也會 增加，天線的阻抗帶寬變窄，進一步造成天線的輻射效率下降。設(shè)計微帶天線在選擇基片材料時要多 方面綜合考慮影