【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)的天線 在實(shí)測(cè)過程中由于儀器的局限不能測(cè)增益所以無法探究實(shí)測(cè)的增益到底多大。 ，需要獲得高增益的天線，則需要對(duì)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。 S21（ dB） 圖 實(shí)測(cè) S21隨旋轉(zhuǎn)角度變化表 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)，正是 當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，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(duì)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(jì)了工作在 的單個(gè)圓極化微帶天 線，定性的比較了切角深度對(duì)于 軸比帶寬的影響。 340176。 300176。 260176。 220176。 180176。 S2（ dB） 140176。 100176。 60176。 20176。 增益由于實(shí)驗(yàn)裝置的局限性，沒法測(cè)量，這也是本次實(shí)驗(yàn)的遺憾之處 。實(shí)驗(yàn)的天線貼片如圖 ， 尺寸為 *，與仿真結(jié)果相符， S11最低點(diǎn)位于 處，為 ，符合工程設(shè)計(jì)要求，測(cè)試所得的圖如圖 所示。 沿 被測(cè)天線的機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)，記下與旋動(dòng)角相應(yīng)的各個(gè) S21參數(shù) ， 軸比 則 由 觀察 S21曲線沿天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化的最大值與最小值的差決定 。 在 測(cè)軸比時(shí) 將被測(cè)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(gè) 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置 ，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由一個(gè)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。 6. 實(shí)驗(yàn)探究 實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，接下來我對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了貼片實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中也有很多技巧，其中要注意幾點(diǎn)：（ 1）防止虛焊；（ 2）盡量保持貼片平整、對(duì)稱；（ 3） 若測(cè)得的天線工作頻點(diǎn)偏低，則需再刮掉銅片；若偏高則需再增貼銅片；（ 4）多次測(cè)量時(shí)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(duì)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 。 圖 不同介質(zhì)厚度下的增益 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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。 介質(zhì)厚度對(duì)軸比帶寬的影響 對(duì)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 。 圖 h=7mm 時(shí)最佳尺寸表 圖 h=9mm 時(shí)最佳尺寸表 通過 matlab 軟件對(duì) h 分別為 5mm、 7mm、 9mm 三種介質(zhì)厚度進(jìn)行仿真，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得如下圖 。 前兩種方法制作起來比較簡(jiǎn)單，容易加工；第三種方法以天線增益的降低為代價(jià)；第四種方法需要設(shè)計(jì)寬帶匹配電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。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(yàn)證 中的結(jié)論，并對(duì)介質(zhì)厚度的變化對(duì)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。方向增益也增大不少，分析其原因一定程度上是因?yàn)榈匕宓脑龃?，?chǎng)的反射面就變大，能量 能更方便地輻射出去。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 h=5mm 的最佳尺寸表見圖 ,仿真得的增益結(jié)果如圖 。 本章小結(jié) 本章進(jìn)一步仿真了介質(zhì)厚度為 7mm 時(shí)的天線性能，經(jīng)過對(duì)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。 而阻抗帶寬下降，這與參考資料不符 [25]。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。通過調(diào)節(jié)貼片大小、饋電點(diǎn)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。不足之處是方向圖背瓣過大，有待后面進(jìn)一步改進(jìn)。圖中， S11在中心頻點(diǎn)處為 ﹤ 10dB,符合要求，阻抗帶寬從 ～ 為 9MHz，軸比在中心頻點(diǎn)是 ﹤ 5dB，軸比帶寬（按軸比 ﹤ 5dB 算）從 ～ 為 3MHz，增益在 處為，背瓣較大。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。 1 . 2 6 8 G H z 39。 0 d e g 39。 0 d e g 39。圖 表示 S11回?fù)p系數(shù)，圖 （ a）、（ b）表示增益，圖 （ a）、（ b）表示軸比。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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 00 . 0 0dB(S(LumpPort1,LumpPort1))A n s o f t C o r p o r a t i o n H FS S D e s i g n 8X Y P l o t 9m1C u r v e In f od B ( S ( L u m p P o r t 1 , L u m p P o r t 1 ) )S e t u p 1 : S w e e p 1N a m e X Ym1 1 . 1 5 6 0 6 . 2 2 5 5 圖 L≈ 時(shí)的天線工作頻點(diǎn)（未匹配好） 圖 中各參數(shù)的含義如下： h 為介電常數(shù)為 18,損耗角正切為 的介質(zhì)的厚度； l0 為貼片尺寸，由于貼片是正方形，所以為邊長(zhǎng)； l1 為饋電所在位置與中心點(diǎn)的距 離； length 為空氣包的尺寸； cx 為切角的直角邊長(zhǎng)； l2 為地板的尺寸。 圓極化微帶天線單元的設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)一個(gè)工作中心 頻點(diǎn)在 處的天線，在中心頻率處 S11小于 10dB，軸比小于 5dB。的切角。 仿真速度比較快，可以采取此方法。 在 L 方向上電場(chǎng)有 的改變，因此在長(zhǎng)度 L 方向上，從中心點(diǎn)到兩側(cè)，阻抗逐漸變大，此定性規(guī)律可以用來調(diào)節(jié)饋電位置實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 由式 L= 得貼片的尺寸越大，工作頻率越低。 仿真得出結(jié)果再進(jìn)行微調(diào)。對(duì)于圖 中所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點(diǎn)位于貼片的中心，以（ ， ）表示 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 16 頁 共 32 頁 饋電的位置坐標(biāo)。還需要確定同軸線饋電的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。假設(shè)矩形貼片天線的有效長(zhǎng)度為 ，則有 ,式中 表示導(dǎo)波波長(zhǎng)，有 ，式中 表示自由空間的波長(zhǎng)， 表示有效介電常數(shù)，且 ，式中，表示介質(zhì)的相對(duì)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。 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置利用了一個(gè)圓盤，在圓盤上面刻上標(biāo)度，另外的 一個(gè)小架子與黑色的小圓柱固定在一起，可以繞圓盤的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，將圓柱 固定起來，在架子上再 加工一個(gè)固定天線的裝置，這樣轉(zhuǎn)動(dòng) 小圓柱的時(shí)候，也就在轉(zhuǎn)動(dòng)天線，并 且能夠使被測(cè)天線的中心和輔助天線的中心對(duì)準(zhǔn)，天線的平面互相平行，滿足了圓極化測(cè)試的要求。 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(dòng)，否則將引起誤差。 2)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。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(cè)試微帶天 線的極化旋向。 測(cè)量的方法是，將被測(cè)天線作為發(fā)射天線，將輔助的線極化天線作為接收天線，兩者中 心對(duì)準(zhǔn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 14 頁 共 32 頁 圖 當(dāng)矩形貼片 W=L=a 時(shí)，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 , 。 簡(jiǎn)并分離 如圖 所示，這種饋電點(diǎn)在 x 軸或 y 軸上的矩形微帶天線稱為 A 型 ； 饋電點(diǎn)在對(duì)角線上的矩形微帶天線稱為 B 型， ，稱為簡(jiǎn)并分離單元。 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(jì)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?。主要依?jù)的原理是一圈有 2 相位的圓線行波天線可以產(chǎn)生圓極化 輻射 ； 平面螺旋天線也能產(chǎn)生圓極化輻射并有很寬的帶寬，所以用微帶來實(shí)現(xiàn)這種圓形和螺旋天線是可以的。 其他類型的圓極化天線 為了獲得相對(duì)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(jì)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。 另一個(gè)模的等效阻抗相角滯后 45176。相位差，要在規(guī)則的單片微帶天線上附加一個(gè) 簡(jiǎn)并分離單元，具體理論將在下一節(jié)介紹。 相位差。 的輸入能量。(3)BranchLine 耦合器的兩電容耦 合饋電圓極化微帶天線。在雙饋圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)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 。利用能量功分 器的雙正交饋電的圓極化貼片的基本結(jié)構(gòu)如圖 。第二種單點(diǎn)饋電不需要功分器。能產(chǎn)生圓極化波的不同形狀微帶天線在不 同文獻(xiàn) [3][21]中都有介紹，圖 給出三角形、正方形、圓形、圓環(huán)、正五邊形、橢圓形等等。 不同類型的圓極化微帶天線 單貼片圓極 化微帶天線 單個(gè)微帶貼片被廣泛的用于產(chǎn)生圓極化輻射，其實(shí)現(xiàn)圓極化輻射可以有兩種設(shè)計(jì)方法 :單饋點(diǎn)法 [23]和多饋點(diǎn)法。 而 圓極化天線的基本參數(shù)就是它所輻射的電磁波的軸比 ，一般是指其最大 增益方向上的軸比。 為反映極化的旋向，現(xiàn)規(guī)定 r 具有正 、負(fù)號(hào) :對(duì) 于 左旋波， r 的符 號(hào)為止 。 任意極化波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡為一橢圓。 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(dòng)了微帶天線圓極化技術(shù)的發(fā)展。因?yàn)樗c(diǎn)近似呈球形，對(duì)圓極化波的反射是反旋的 。 (5)圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo) (如平面、球面等 )時(shí)，反射波變成反旋向的， 即左 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 11 頁 共 32 頁 旋波變成右旋，右旋變成左旋。在通信和電子對(duì)抗等應(yīng)用中的廣泛利用這個(gè) 性質(zhì)。這稱為圓極化天線的旋向正交性。 (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 。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。 (3)任意極化波可以分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。即 :沿其傳播方向看去，波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡時(shí)一個(gè)圓。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是 :產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差 90 度。 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。 的線極化波。 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(lì)模型，當(dāng)饋電點(diǎn)位于 貼片 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 10 頁 共 32 頁 的對(duì)角線上時(shí)，天線中可以同時(shí)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(diǎn)所在對(duì)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。特別在 航天飛行器中，因?yàn)?飛行器位置姿態(tài)的固定，它們的通訊測(cè)控設(shè)備都要求重量輕、體積小 、共形 而且成本低的圓極化天線。 本章小結(jié) 本章介紹了微帶天線的分析方法，重點(diǎn)依據(jù)腔模理論闡述了微帶天線的輻射機(jī)理，同時(shí)簡(jiǎn)單的介紹了微帶天線常用饋電方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。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(duì)較高的寄生輻射 :天