【正文】 盡管圓極化天線形式各異，但產(chǎn)生機(jī)理萬變不 離其宗，對于微帶天線也是這樣。 微帶天線圓極化產(chǎn)生的方法 任一圓極化波可分解為兩個(gè)在空間、時(shí)間上均正交的等幅線極化波，由此得到實(shí)現(xiàn)圓極化的基本原理：產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等、相位相差 90176。 )2/( ?? jVVH eEeEE j ??? ? （ ） 式 (3． 6)說明，反射波是右旋圓極化波，即發(fā)生了極化旋 轉(zhuǎn)。39。 （ ） VV EE ?39。圖 3． 2表示圓極化波入射于導(dǎo)體平面和導(dǎo)體球面的情形。利用旋向正交性可達(dá)到比較理想的極化隔離。 圓極化天線還具有一些顯著的 優(yōu)點(diǎn)： 1．圓極化天線可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線收到 (這里的任意極化理解為包括不同方向的線極化、橢圓極化和與其同旋向的圓極化，而與其正交的圓極化除外 )。此時(shí)如果采用圓極化天線接收，不僅利用了極化間的獨(dú)立性獲取較低的相關(guān)性，還可以取得平衡的接收功率，有利于 后端的空時(shí)處理技術(shù)。 45176。 這是由于無線通信中， 水平極化波容易被地表吸收，故在建筑物少的空曠地帶，水平分量的波會(huì)有更嚴(yán)重的損耗；即使在建筑物豐富的地帶，當(dāng)發(fā)射天線為垂直極化波時(shí)，經(jīng)過多徑傳播，到達(dá)接收端的波分量往往是垂直分量的功率高于水平分量的功率，這種現(xiàn)象使兩路分支產(chǎn)生嚴(yán)重的接收功率差。定義為： CROSSCOPPXPD ? () 其中為 COP 接收點(diǎn)接收到的預(yù)期極化的功率密度， CROSSP 為接收點(diǎn)接收到的交叉極化的功率密度。 理想情況下，互為交叉極化的一對極化是互相隔離的，比如，用 LHCP的天線接收 RHCP的來波，理論上是無法接收到任何信號的，這稱為極化隔離。實(shí)際應(yīng)用中，通常認(rèn)為軸比在 3dB以下即為圓極化了。其中軸比 AR(Axial Ratio)是最重要的一個(gè)參數(shù)， 定義為極化橢圓的長軸與短軸之比： BAdBAR lg20)( ? () Y2 B2 AβE 1E 2X 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 31 極化橢圓示意圖 其中 2A為長軸長度， 2B為短軸長度。 線極化和圓極化可以看成是橢圓極化的兩種特殊形式。 的線極化：任一橢圓極化可分為兩個(gè)振幅不等，旋向相反的圓極化。 的電流或磁流元 (它們的極化方式均為線極化 )正交放置，就可構(gòu)成圓極化。場極化方向是根據(jù)橫截面內(nèi)場矢量的旋轉(zhuǎn)方向定義的，因此，一右手螺旋線產(chǎn)生一左旋極化波。 按照 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的極化定義，當(dāng)觀察者沿波的傳播方向由發(fā)送端向接 收端看去，在某一固定橫截面上電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)極化方向稱為右旋，否則為左旋。軌跡在一條直線上的極化稱為線極化，軌跡在一個(gè)圓或一個(gè)橢圓上，相應(yīng)稱為圓極化和橢圓極化。定義電場強(qiáng)度矢量終端端點(diǎn)的軌跡為電磁波的極化，相應(yīng)地，天線輻射場中電場矢量的方向就是天線極化方向。自麥克尼和波波夫的第一次無線電試驗(yàn)以來的一個(gè)世紀(jì)，支持無線通信的天線研發(fā)領(lǐng)域一直都相當(dāng)活躍，為滿足新的性能指標(biāo)而進(jìn)行的工作也將不斷繼續(xù)。 可調(diào)天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和整個(gè)天線陣可以在傳統(tǒng)天線或天線陣不能適用的情況下使用。與信號處理結(jié)合起來 的陣列天線可以實(shí)現(xiàn)多樣性組合、自適應(yīng)波束成形或空－時(shí)處理，從而抑制多路傳播和干擾的影響。 結(jié) 論 新型高性能天線的出現(xiàn)是為了滿足無線設(shè)備對小型化、嵌入式以及支持多種服務(wù)的寬帶和多頻帶天線的日益迫切的需求。 智能基站天線試驗(yàn)臺可以對空間、極化和角度的相異性進(jìn)行直接測量。最近的研究表明在一個(gè)手持無線電設(shè)備上將幾個(gè)天線靠的很近可以實(shí)現(xiàn)不等增益。陣列天線可以用在移動(dòng)基站，在進(jìn)行發(fā)射和接收的時(shí)候提供不同的增益，這是為了增強(qiáng)蜂窩單元的覆蓋和可靠性。在發(fā)射和接收設(shè)備使用陣列天線，空－時(shí)編碼的通信系統(tǒng)能有效 的利用多信道來支持以超過單一信道香農(nóng)限制所預(yù)計(jì)的傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ?。對于空－時(shí)處理，可以結(jié)合信道均等來控制方向圖以抑制寬帶信號在多路通道傳輸時(shí)出現(xiàn)的信號間的干擾。較新的方法是利用 PIN二極管或微電機(jī)系統(tǒng)開關(guān)在特定的頻段或工作模式下調(diào)整天線結(jié)構(gòu)或天線單元。較早應(yīng)用的是 Wullenweber陣列天線，它可以使用呈向外輻射狀分布的全向或是有方向性的天線單元，這些單元數(shù)一般為 30～ 100個(gè)，且均勻分布，利用其中相鄰的大約 1/3可以形成從天線陣向外輻射的波束。臨近單元之間的電磁干擾會(huì)破壞單元的方向圖，從而影響整個(gè)陣列天線的方向圖，在設(shè)計(jì)陣列天線的時(shí)候必須考慮互耦和頻率之間相關(guān)影響。寬頻帶的天線單元是陣列天線的構(gòu)成基礎(chǔ)，并且這些單元要合理布局以使天線的主波束能在帶寬范圍內(nèi)的每個(gè)頻率上都能進(jìn)行寬角度 掃描。由于軍艦和軍用飛機(jī)上面的空間有限，這就需要陣列天線來在較寬頻帶內(nèi)支持通信、雷達(dá)、情報(bào)交換和導(dǎo)航。幾十年來陣列天線在軍事中得到來廣泛的應(yīng)用并逐漸用于民用。背部有接地平面的正方形天線在工作帶寬上的增益是 7～ 9dB，同時(shí)可以利用更多的單元得到更高的增益和更窄的波束。正方形天線在 ： 1的帶寬上的駐波比為 2： 1，四角天線的帶寬可以達(dá)到 3： 1。這 種天線的方向圖與偶極子天線的方向圖是等效的，天線在 160MHz附近和 800MHz附近的回波損耗較小，而增益相對要大的多。目前有一種全新的可調(diào)天線可以在很寬的頻帶上進(jìn)行調(diào)諧，這個(gè)頻帶要比天線的瞬時(shí)帶寬寬的多。隨著各種服務(wù)和頻率的要求日益增多，多頻帶天線是一種比較經(jīng)濟(jì)的解決方法。 SLH天線已經(jīng)在 WLAN系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，工作在 8英寸長的 SLH天線增益一般可以 達(dá)到 10dB。 SLH使用了獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，能夠提供比軸式螺旋天線大的多的增益，而尺寸卻縮到其四分之一。另外，小尺寸天線的風(fēng)力載荷也較小， 這意味著天線的支撐 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 結(jié)構(gòu)也可以做的較小，這樣不但安裝費(fèi)用得到降低，也增強(qiáng)了天線在惡劣環(huán)境中的耐用性。 除了移動(dòng)終端設(shè)備需要小尺寸天線外，固定無線系統(tǒng)也同樣需要這樣的天線。所以，天線設(shè)計(jì)師就必須權(quán)衡天線的尺寸和性能，使兩者的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)。 小尺寸與嵌入式天線 手提電話越來越小，收發(fā)機(jī)已經(jīng)集成到一個(gè) 芯片中，小尺寸天線已經(jīng)必不可少。然而，在不明顯影響天線的增益和效率的同時(shí)減小天線的尺寸卻是一項(xiàng)艱巨的工作。 微帶天線的發(fā)展方向 微帶天線技術(shù)經(jīng)過 40多年的發(fā)展，相關(guān)理論與實(shí)踐已取得巨大進(jìn)展，并 且隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)著， 為適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的需求，天線的研發(fā)主要朝幾個(gè)方面進(jìn)行，即減小尺寸、寬帶和多波段工作、智能方向圖控制。 當(dāng)然，臨近耦合微帶貼片也有一些缺點(diǎn)：因?yàn)轲伨€和天線之間并不是完全獨(dú)立的，具有相對較高的寄生輻射；天線是多層結(jié)構(gòu)，層與層之間的對齊定位很重要。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。饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片之間通過電磁作用進(jìn)行功率耦合的，這就是有時(shí)也把這種天線稱為電磁耦合貼片天線的原因。微帶貼片就蝕刻在它的上表面。微帶天線包含有一個(gè)帶有微帶饋線的基板組成。 臨近耦合貼片 用來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。其原因是與直接接觸饋電貼片不同，它沒有劇烈的電流不連續(xù)點(diǎn)，因此可以進(jìn)行相對簡單的、準(zhǔn)確的、計(jì)算較快的全波分析。 與直接接觸饋電貼片相比，口徑耦合貼片具有更多的設(shè)計(jì)參數(shù)，因而對設(shè)計(jì)者來說可以具有更靈活的選擇。疊層之間的粘合材料對天線的作用也至關(guān)重要。然而由于需要多層制造工藝，各層之間的對齊定位非常重要。疊層之間通過接地面分開，饋線與貼片天線之間通過接地面上的窄縫進(jìn)行耦合。 口徑耦合貼片 由于直接接觸式饋電技術(shù)的缺點(diǎn)，及其內(nèi)在的窄帶寬和不利的表面波效應(yīng)，所以引進(jìn)了非 接觸機(jī)制。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 探針饋電貼片具有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)： ，這個(gè)特性使得它可以分別對每一層進(jìn)行優(yōu)化； ，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。通過探針的位置來控制阻抗與 邊饋貼片的插入饋線類似。探針或饋電針通常是同軸線的內(nèi)導(dǎo)體，因此探針饋電一般指同軸線饋電。 不過側(cè)饋的缺點(diǎn)也比較明顯，由于天線的阻抗是隨著工作頻率的變化而變化的，這會(huì)導(dǎo)致天線帶寬較窄，另外側(cè)饋還存在表面波效應(yīng)和寄生輻射。 這種方法最主要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：饋電單元與貼片可以制作在同一塊介質(zhì) 上，工藝簡單。這是因?yàn)椴贿B續(xù)點(diǎn)處的電流分布與微帶線和貼片天線的接觸點(diǎn)是相應(yīng)的。 當(dāng)采用較薄的材料時(shí)，邊沿饋電貼片具有簡單的形式，因而容易建模，此時(shí)可以采用簡單的傳輸線模型來估計(jì)天線的輸入阻抗。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)是制造工藝簡單，因此大多數(shù)平面陣都采用邊饋技術(shù) 。 邊沿饋電貼片 邊沿饋電技術(shù)是微帶貼片天線最早的一種激勵(lì)方法。一些正在研發(fā)的饋電技術(shù)如 L形探針，其實(shí)是探針和臨近耦合的混合形式。微帶貼片天線的饋電共有 4種基本技術(shù)，包括邊沿饋電、探針饋電，口徑耦合及臨近耦合。另外，對空腔模型進(jìn)行擴(kuò)展，又產(chǎn)生了多端網(wǎng)絡(luò)法 (MN Approach)。 從數(shù) 學(xué)上縱向比較這幾種方法： 第 一 種方法把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題； 第 二 種方法則發(fā)展到基于二維邊值問題的解析求解； 第 三 種方法又進(jìn)了一步，可計(jì)入第三維的變化，成為三維邊值問題的數(shù)值求解，最為嚴(yán)格，也復(fù)雜的多。 這種處理成為空域矩量法，后來又發(fā)展 了頻域矩量法、時(shí)域有限差分法等數(shù) 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 值解法。這一模型可用于各種規(guī)則貼片，對微帶天線的工作特性有了更為深入的理解，但基本上限于天線厚度 遠(yuǎn)小于波長的情況。 第 二 類為空腔模型 (CM——Cavity Model)，由羅遠(yuǎn)祉教授提出。 分析微帶天線的 基本理論大致可分 三 類 ： 第 一 類為傳輸線模型 (TLM——Transmission Line Model)，分析過程類似于上面微帶天線輻射機(jī)理的分析，將一矩形天線等效為一段微帶傳輸線，兩端由輻射縫隙的等效導(dǎo)納加載。 圖 28(c)、 (d)分別表示其 H面和 E面方向 圖。此時(shí)貼片與接地板間的電場分布如圖 28(b)所示，天線的輻射主要就由貼片與接地板之間沿這兩端的 a邊縫隙形成，于是矩形貼片可表示為相距為 b的兩條具有復(fù)導(dǎo)納的縫隙。微帶貼片可看作寬度為 a、長度為 b的一段微帶傳輸線，沿 a邊終端處因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 微帶天線的輻射機(jī)理和分析方法 微帶天線的輻射可以用矩形微帶貼片天線來簡單說明。 不過在微帶天線研究領(lǐng)域，由于電子技術(shù)和材料科學(xué)以及相關(guān)學(xué)科的不斷進(jìn)步，能夠提高和改善微帶天線性能的新技術(shù)、新方法、新工藝和新材料不斷涌現(xiàn)，使得微帶天線能夠向高性能、多功能的方向 發(fā)展和完善。 中心頻率 帶寬 VSWR=2 輸入阻抗 4?r? 厚度 + ?r? 厚度 + 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 微 帶 線導(dǎo) 體 貼 片介 質(zhì) 基 片接 地 板 27 (a)微帶貼片天線 接 地 板槽 線導(dǎo) 體 陣 子 微 帶 線接 地 板縫 隙 27（ b） 微帶陣子天線 27（ c）微帶縫隙天線 微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 與普通微波天線相比，微帶天線主要有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)剖面薄，體積小，重量 輕，可與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等載體表面共形； (2)制造成本低，適合于大批量生產(chǎn)； (3)饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成； (4)便于獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等功能。 微帶天線種類和結(jié)構(gòu) 最普通的微帶天線即前面定義中提到的微帶貼片天線，輻射貼片是規(guī)則形狀的面積單元，如圖 2． 7(a)所示；如輻射貼片采用細(xì)長條形的導(dǎo)體陣子，稱為微帶振子天線，如圖 2． 7(b)所示；還有一種微帶天線利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其它饋線如槽線對其饋電，稱為微帶縫隙天線，如 圖 2． 7(c)所示。它是利用饋電信號在貼片與接地板之間激勵(lì)起電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射電磁波，從 而實(shí)現(xiàn)天線功能的。同時(shí)我們也將注意到該天線的阻抗并不是 5