【正文】 圖 采用 3db電橋設計的天線 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 15 頁 共 35 頁 第四章 圓極化微帶天線小型化和寬頻帶技術 圓極化微帶天線的寬頻帶技術 天線的頻帶寬度是指其參數(shù)特性在規(guī)定的容許范圍內的頻帶范圍 ， 對于線極化微帶天線來說 ,通常考慮的主要性能參數(shù)有 :增益 !方向圖和輸入阻抗 ， 一般情況下 ,天線性能參數(shù)是隨著頻率而變化的 ,因而天線帶寬取決于各個參數(shù)的頻率特性 ， 若幾項性能參數(shù)能夠同時滿足指標要求 ,則應以其中最嚴格要求的參數(shù)作為確定天線頻帶寬度的依據(jù) ， 對于絕大多數(shù)微帶天線而言 ,輸入阻抗隨頻率變化是最敏感的 也就是說 ,如果輸入阻抗?jié)M足頻帶要求時 ,其它的指標也能夠確保 因此通常以微帶天線輸入端的電壓駐波比系數(shù) (或反射系數(shù) )小于某一指定值時所對應的頻帶范圍作為其帶寬 ,即通常所說的天線帶寬是指天線阻抗帶寬 ， 微帶天線是諧振式天線 ,故帶寬較窄是其主要缺陷 ,隨著寬帶無線通信的發(fā)展 ,對天線寬帶性能的要求日益提高 ,如何展寬微帶天線的帶寬已成為 多年來眾多學者研究的重點課題之一 微帶天線展寬頻帶的方法 對于普通微帶貼片天線而言，它的主要缺點是它的頻帶比較窄 。如圖 ，終端匹配負載的接地工作利用一端開路的四分之一波長枝節(jié)來完成，不用在基片上打孔，簡化了制作工 藝。 相移 的同時，還可 以避免終端反射所引起的軸比急劇變化；輻射源本身的反射波也可以由終端負載吸收，這樣就有利于改善該天線的駐波比特性。 還有一種雙饋點型的圓極化微帶天線，就是用 3db定向耦合器， 在直通 和耦合 端口有 90176。的兩個信號 ,這兩個饋電點成直角分布時即可形成圓極化輻射，最簡單的實現(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公式計算。通過以上公式可以計算出微帶天線的品質因數(shù) ,從而可以計算出簡并分離單元的大小。 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） 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（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 體損耗，介質損耗以及表面波損耗引起的相應的品質因數(shù)。 對于 A型， 12| / | Qss??，對于 B型， 1| / |Qss??，對于 C型， 1 41| / | Qss??。在 B型中 ,把饋電點設定在對角線上。 它無需任何移相網(wǎng)絡和功率分配器就可以實現(xiàn)圓極化輻 射 。 ,另一個模的等效阻抗相角滯后 45176。 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 。 相位差 。 圓極化天線的實現(xiàn) 微帶天下的優(yōu)點之一就是便于實現(xiàn)圓極化，其實現(xiàn)圓極化的方法有如下兩種，（ 1）單點饋電（ 2）多點饋電，多點饋電我們主要討論兩點饋電。 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)。而雷達目標 (如飛機、導彈等等 )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。由這 個 性 質可以知道，采用圓極化波工作的雷達具有抑制雨霧干擾的能力。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，從而實現(xiàn)四重頻譜服用，增加了通信容 量。其實，這一性質就是發(fā)射和接收天線之間的互易定理。 (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。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。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。由此，實現(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。若沿傳播方向按右手螺旋旋轉，稱之為右旋圓極化波 。即 :沿其傳播方向看去，波的瞬時電場矢量的端點軌跡時一個圓。 圓極化波的性質 根據(jù) 天 線 輻射的電磁波是線極化或圓極化，相應的天線稱為線極化天線或圓極化天線。由曲線微帶構成的寬頻帶圓極化微帶天線 。當前用微帶天線實現(xiàn)圓極化輻射主要有幾種方法 :一 點饋電的單片圓極化微帶天線 。 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，當饋電點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果導致輻射波的極化方向與饋電點所在對角線平行，單點饋電的準方形貼片、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。 (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 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 35 頁 第三章 微帶天線圓極化技術 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 : (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軌跡是一個圓 ， 當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 ? /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 。 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。 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。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。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界條件， 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。其優(yōu)點是物理概念清楚，計算簡 單 。 從數(shù)學處理上看，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 80 年代以來形成和發(fā)展的全波分析又進了一步，計入了第三維的效應，成為三維 邊值問題的數(shù)值求解，因而最為嚴格 ，但也復雜得多。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（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：準 確性、完整性和計算復雜性。 最初的典型作法是，先導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 (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 )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。 在腔模理論分析方法中有三點假設： （ 1）由于介質基片的厚度 0h ??? ， ，腔內電場只有垂直于上 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 ； 正是由于這些假設比較合理，腔模理論的分析方法得到了與試驗相符的結論。 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 壁為界的介質腔體。因此盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結構類型不 能使用它來分析。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，則不實用。 微帶天線的縫隙等效圖如圖 （ c）所示，在對縫隙進行分析時，采用如圖 所示的坐標系，假設縫隙上的電壓為 U ，則縫隙的切線電場為： /xE U h? （ 22） 縫隙上的等效磁流為： 2m UJzh? （ 23） 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 35 頁 假設磁流在 x 和 z 方向上的分布都是均勻的。利用等效原理可以求出縫隙的面磁流密度，從而得 出每個縫隙的輸入導納和輻射場。 在這種模型中，矩形貼片微帶天線被等效為一段微帶傳輸線。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計算輻射場，包括矩量（ Method of Moments）、有限元法（ Finite Element Method）和時域 有限差分法（ Finite Difference In TimeDomain） 等。微帶天線現(xiàn)在已經(jīng)有很多種分析方法，大體上可以分為解析方法和數(shù)值方法兩大類。當微帶天線的形狀復雜時，就必須用其他分析方法討論。因此，兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上同向激勵的兩個縫隙，天線貼片就可以表示為相距/2gL ?? ，長度為 W 的兩個縫隙，縫隙寬度為 l? ，如圖 （ c）所示。分析時可以將該輻射貼片 看作是一段長為 L的低阻抗微帶傳輸線， 微帶 傳輸線的兩端斷開形成開路， 這就 形成 電壓波腹。 微帶天線的輻射原理 當前 ，由于分析微帶天線的方法 有所 不同，對它的輻射原理 也有著有不同的說法。因而，在大約 100MHZ到50GHZ的寬頻帶上獲得了大量的應用?；ǔＨ〗殡姵?shù)較低（ ），的材料，這樣可以產(chǎn)生較強的邊緣輻射。貼片導體通常是銅和金，它可以取任意形狀。之后，基于微帶天線的許多優(yōu)點，微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，從而使微帶天線獲得了多 種應用，并且在微波天線這個廣闊的領域里，作為一個分立的整體而建立起自己的課題。但是，過了二十多年，當較好的理論模型及敷銅或敷金的介質基片的光刻技術發(fā)展之后，實際的天線才被制造了出來，這種基片的介電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特性和機械性及低損耗正切。若天線的最高工作頻率為 maxf ，最低工作頻率為 minf ，對于窄頻帶天線，常用相對帶寬 m a x m in 0[( ) / ].1 0 0f f f? ％，對于超寬帶天線，常用絕對帶寬來表示，即 maxinff 來表示 。天線的所有 電參數(shù)都與工作頻率有關，任何天線也都有一定的工作頻率范圍，當工作頻率偏離中心工作頻率時，天線的電參數(shù)將變差。輸入阻抗的計算式比較困難的，因為這需要準確的知道天線上的激勵電流，除了少數(shù)天線外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中一般采用近似計算。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，無功功率存在于近區(qū)中。例如，線極化不能接收波中與其極化方向垂直的線極化波，圓極化天線不能接收與其旋向相反的極化分量。 所謂輻射場的極化，即在空間某一固定位置上的電場矢量斷點隨時間運動的軌跡，根據(jù)軌跡形狀可以分為直線極化，圓極化，橢圓極化，其中圓極化又可以分為左旋圓極化和右旋圓極化。 （ 3） 增益系數(shù) 增益系數(shù)表示了天線的定向收益程度，增益系數(shù)定義為：在同一距離及相同輸入功