【正文】 質(zhì)因素降低 ， 帶寬展 寬 ， 制造公差降低 ，但這些性能的提高以犧牲增益為代價(jià)。此外 ， 加載切片電容 (chip capacitor) 也可有效降低諧振頻率 ， 減小天線尺寸 ，但帶寬有所減小。這類高介質(zhì)天線的主要缺陷是 : (a) 激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波 ， 表面損耗較大 ， 使增益減小 ， 效 率降低。為提高增益 ， 常在天線表面覆蓋介質(zhì) (superst rate) (如圖 2 所示 ) 。有機(jī)高分子磁性材料在寬溫度范圍內(nèi)電感和磁性能穩(wěn)定 ， 由其設(shè)計(jì)成的微帶天線可顯著減小尺寸 ， 但損耗大 ， 增益低。 3． 表面開槽（ slot） 當(dāng)在貼片表面開不同形式的槽或細(xì)縫時(shí) (如圖 3 所示 ) ， 切斷了原先的表面電流路徑 ， 使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長(zhǎng) ， 在天線等效電路中相當(dāng)于引入了級(jí)聯(lián)電感。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵(lì)相位差 90176。圖 4 為表面開槽的口徑耦合饋 電的小型圓極化貼片天線。如何破除增益和帶寬這兩個(gè)限制 ，開發(fā)實(shí)用化、易調(diào)諧的此類天線尚待深入研究?？衫糜性淳W(wǎng)絡(luò)的放大作用及阻抗補(bǔ)償技術(shù)彌補(bǔ)由于天線尺寸縮小引起的指標(biāo)下降。利用有源網(wǎng)絡(luò)的高輸出阻抗、低輸入阻抗 ， 天線帶寬高低端頻比可達(dá) 20～ 30 。 (3) 便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 (5) 有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。 5 .采用特殊形式 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 21 這些方法總的思路是使貼片的等效長(zhǎng)度大于其物理長(zhǎng)度 ， 以實(shí)現(xiàn)小型化目的。為改善天線性能 ， 常綜合采用多種方法。 小型機(jī)載天線的研究 24 圖 3 折疊式微帶天線的回波損耗 圖 4 折疊式微帶天線的駐 波比和帶寬 圖 5和圖 6分別為折疊式天線 2個(gè)不同平面的方向圖 . 由微帶天線理論可知 ， 當(dāng)天線工作在主模時(shí) ， 微帶天線的輻射外電場(chǎng)方向與貼片所在的平面平行 ， 因此這里把與貼片平面平行的平面稱為 E面 . 與普通微帶天線的方向圖類似 ， 微帶所在平面的輻射圖( E面θ = 90176。 ） 方向圖則呈現(xiàn)出前向輻射特性 . 天線增益 ， 3dB波束寬度達(dá) 100176。 圖 5 天線的 E面方向圖 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 25 圖 6 天線的 H面方向圖 定性分析與討論 按照腔模理論 ， 普通矩形微帶天線工作在 TM模 ， 其縫隙激勵(lì)的遠(yuǎn)場(chǎng)取決于等效磁流的大小 . 需要注意 ， 折疊天線不是雙縫輻射而是單縫輻射 ， 因此其增益要小一些 .激勵(lì)源初始相位為零、頻率為 1. 15GHz時(shí) ， 微帶天線內(nèi)場(chǎng)的矢量圖如圖 7. 我們知道 ，常規(guī)天線的內(nèi)場(chǎng)為半波式分布 :電場(chǎng)矢量從正最大值 (峰值 )逐漸變化到負(fù)最大值 .而文中仿真結(jié)果與常規(guī)的微帶不同之處在于 :整個(gè)微帶內(nèi)場(chǎng)的方向相同 (均向上 ) ， 而電場(chǎng)的數(shù)值大小從左到右逐漸增大 .拋開最初的設(shè)計(jì)思想 ， 僅從天線的實(shí)際結(jié)構(gòu)來(lái)看 ， 天線的地平面 (Ground)與上表面 ( surface)通過 ( joint)連接在一起 ， 其效果可以與加載梢釘短路的微帶天線相類比 . 由于加載梢釘微帶天線的諧振頻率大約為λ /4 ， 因此 ， 有理由認(rèn)為折疊天線的諧振頻率對(duì)應(yīng)于λ /4介質(zhì)波長(zhǎng) ， 嚴(yán)格的計(jì)算要考慮邊緣效應(yīng)引起的縮短長(zhǎng)度 l? 的影響 . 需要說明的是 ， 如果認(rèn)為輻射元為上表面 ( surface) ， 則λ /4應(yīng)該為上表面的長(zhǎng)度而并非中間層貼片的長(zhǎng)度 . 此外 ， 天線的側(cè)面 寬度要與上下表面的寬度相同 ， 這樣可以消除由于微波電路不均勻帶來(lái)的反射 ， 易于實(shí)現(xiàn)饋電匹配 . 前面曾經(jīng)算出當(dāng)頻率為 1. 15GHz時(shí) ， 普通貼片天線貼片的大小為 61. 0mm， 二者相比 ， 折疊式天線的尺度僅為常規(guī)微帶天線的 52. 5%. 考慮到常規(guī)貼片天線必須采用比微帶大的反射地板 ( 91. 4mm) ， 折疊式微帶天線的尺度僅僅為常規(guī)微帶天線的 35. 0%. 如果在設(shè)計(jì)中采用其它輔助手段 ， 如在天線上開槽開縫 ， 折疊式天線的尺寸還可小型機(jī)載天線的研究 26 以進(jìn)一步減小。 對(duì)線極化微帶天線來(lái)說， 通?？紤]的特性參數(shù)是 : 方向圖、 增益和阻抗。 對(duì)大多數(shù)微帶天線特別是微帶貼片天線而言， 其主要的缺點(diǎn)便是它的窄頻帶特性。 對(duì)于薄微帶天線，其駐波比帶寬不大于 ? 的相對(duì)帶寬的計(jì)算公式為 1 100%BWQ? ???? （ 3 – 2 ） 因此展寬頻帶的方法可以 通過降低 Q值的各種因素去尋找，如增大基片厚度、 降低基片相對(duì)介電常數(shù)等， 也可以 考慮用附加的匹配措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。 選擇合適的介質(zhì)基片與貼片 微帶貼片天線的窄頻帶特性是由 其高 Q的諧振本性所決定的，也就是說，貯存于天線結(jié)構(gòu)中的能量比輻射和其它的耗散能量大得多。當(dāng)微帶天線的 VSWR一定時(shí) ( 通常為 VSWR ?2 ) ， 其帶寬和品 質(zhì)因素成反比， 因此降低天線品質(zhì)因素 Q是改善天線帶寬的根本途徑 . 首先，選用厚基片。 該方法雖然容易實(shí)現(xiàn)， 但是受到客觀條件的限制， 加大基片的厚度可增加頻帶寬度，但作用有限。 在一些空氣動(dòng)力性能及重量不甚苛刻的場(chǎng)合，這種方法還是行之有效的。 微 帶 線的 等效損耗角 tan eff? 與品質(zhì)因 素成反比， tan eff? 越大，品質(zhì)因素 Q 越小， 天線帶寬 BW越大。 還可以選用楔形或階梯形基片。采用階梯形基片的諧振器在VSWR ?2 ，帶寬 可達(dá) 2 5 %； 采用楔形基片的諧振器在 VSWR? 2 ，帶寬可達(dá) 2 8 % ； 而一個(gè)厚度相當(dāng)?shù)囊话憔匦挝зN片天線帶寬僅為 13% 。 一些形狀的貼片與其它形狀的相比 具有低 Q值， 相應(yīng)的它們的帶寬就寬。 例如， 某環(huán)孔天線工作在 12TM 模時(shí)，其帶寬比 相似尺寸的 矩形微帶貼片天線的帶寬增加了 5 倍還多 。 小型機(jī)載天線的研究 28 阻抗匹配技術(shù) 實(shí)際上這并不屬于微帶天線本身的問題， 而是饋線的匹配問題。 這些匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)接在距輻射單元盡可能近的地方， 以便獲得較高的總功率和帶寬。 因此， 由于匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和損耗的限制，天線帶寬只能達(dá)到 1 0 % 3 0 % 左右。 工作于主膜的矩形或圓形微帶貼片天線，其等效電路可以用一個(gè) RLC諧振回 路 來(lái) 描 述。 當(dāng) 基 片 厚 度 h ? g?時(shí)，饋電探針的作用更為顯著 ； 當(dāng) h? g?時(shí) ， 其作用等效于 一 個(gè)電感，這個(gè)電感與上述并聯(lián)諧振回路相串聯(lián)， 形成天線的輸入阻抗。 對(duì)于圓形微帶貼片天線， 主要的匹配元件是一個(gè)串聯(lián)電容，在天線工作頻率上這個(gè)電容與饋電探針的等效電感近似構(gòu)成串聯(lián)諧振。 如圖 3 . 5 所示的 采用 3D錐形過渡的 一種新穎天線，實(shí)驗(yàn)測(cè)得， VSWR =2 時(shí)的帶寬約為 9 0 %.探頭饋源與長(zhǎng)方形懸浮貼片間的這種過渡采用懸浮微帶線。過渡帶可 以 是與地面傾斜的等寬度金屬帶，如圖 (a)所示 也可以是與地面垂直的變寬度帶， 如圖 (b)所示。 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 29 a 采用傾斜式 3D錐形過渡的懸浮貼片 b 采用垂直式 3D錐形過渡的懸浮貼片 圖 采用 3D錐形過渡的寬帶單層貼片天線 電阻性加載技術(shù) 引入天線損耗是提高天線阻抗帶寬的一種方法。 通常的加載微帶天線是通過加載電阻的方法引入歐姆損耗，降低天線的品質(zhì)因素，從而有效地增加天線的帶寬。將加載短路稍釘換作一個(gè)低阻值如 1? 的貼片電阻，這時(shí)天線的諧振頻率和加載稍釘時(shí)的諧小型機(jī)載天線的研究 30 振頻率幾乎不變，而天線的帶寬則有顯著的提高。 通過在矩形微帶貼片上安裝 1? 的片狀電阻證實(shí)了這一點(diǎn)。該天線的 10dB回波損耗帶寬約為無(wú)電阻負(fù)載貼片的 ，而貼片的尺寸減小到無(wú)負(fù)載貼片的 。 加載技術(shù)在實(shí)現(xiàn)天線的小型化時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶。此項(xiàng)技術(shù)的基本設(shè)計(jì)思想是借鑒了耦合諧振器的基本原理。在采用多模技術(shù)的天線設(shè)計(jì)中，有的使用了 2個(gè)或者多個(gè)諧振單元，他們的諧振頻率略有不同，彼此間近距離耦合，通過控制耦合來(lái)提高帶寬。典型的層疊貼片微帶天線有雙貼片結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，有第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 31 許多變量，例如基片厚度和介電常數(shù)，貼片中心的偏移，貼片尺寸和潰源位置等。不同的應(yīng)用選擇不同的變量。因此， 在接地板的適當(dāng)位置處“ 開窗” ， 可改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性，這些都可能展寬頻帶。 由于微帶天線頻帶的展寬常常伴隨著天線尺寸的增大， 因此限制了微帶天線的應(yīng)用范圍。 例如采用短路桿能大大減小天線尺寸， 在微帶天線的表面覆蓋一層介 質(zhì)也可以減小天線尺寸。一種在相同條件下減小頻率從而相對(duì)減小尺寸的方法也被提出， 這種方法已 應(yīng)用于圓極化微帶天線。 當(dāng)然，另一方面， 在增大微帶天線的帶寬時(shí)也應(yīng)考慮到不應(yīng)使天線過于復(fù)雜， 否則將增大天線制造和分析的難度。如果我們能實(shí)現(xiàn)雙頻工作，并且每個(gè)頻段都可以得到較大的帶寬， 這 種微帶天線將得到更為廣泛的應(yīng)用。 小型機(jī)載天線的研究 32 第四章 微帶天線的寬頻帶設(shè)計(jì) 33 第四章 微帶天線的 寬頻帶設(shè)計(jì) 1. 設(shè)計(jì)思想 寬頻帶微帶天線的基本技術(shù)是降低等效諧振電路的 Q 值，降低介質(zhì)損耗等。對(duì)線極化微帶天線來(lái)說，通常考慮的電參數(shù)有：方向圖、 輸入阻抗 和增益。微帶天線阻抗頻帶窄的主要原因是在于它是一種諧振式天線，它的諧振特性猶如一個(gè)高 Q 值的并聯(lián)諧振電路。如圖 圖 1 雙極化電容耦合饋電的雙層微帶天線 基本要求 如圖 圖 雙層微帶貼片尺寸介紹圖 小型機(jī)載天線的研究 34 其中 (1)h1=h2=8mm (2) 1r? = 2r? = (3)Heightpatch1Heightpatch2=20mm (4)l_patch1=w_patch2=250mm (5)l_patch2=w_patch2=260mm (6)h_patch1=h_patch2=8mm 1 仿真結(jié)果 通過以上條件，在軟件 HFSS中建立雙貼片模型，如圖 1所示： 圖 1 雙貼片微帶天線模型圖 對(duì)其進(jìn)行仿真得出以下結(jié)果： 第四章 微帶天線的寬頻帶設(shè)計(jì) 35 圖 2 仿真結(jié)果 — 方向圖 （ 1） 方向圖及增益 如圖 2所示，能看到，仿真出來(lái)結(jié)果增益能達(dá)到 ， 符合要求 （ 2） 帶寬及其駐波比 圖 3 駐波比及其帶寬 小型機(jī)載天線的研究 36 如圖 3所示 駐波比在 2以下其相對(duì)帶寬達(dá)到 10%以上，符合寬頻帶要求 2. 結(jié)論 本設(shè)計(jì)中只提出了一種簡(jiǎn)單的展寬頻帶的方法，結(jié)果也不是很完美。 第五章 結(jié)束語(yǔ) 37 第五章 結(jié)束語(yǔ) 微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而自其誕生以來(lái)就得到社會(huì)各界的廣泛研究與應(yīng)用。同時(shí)，隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，寬帶的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，新的標(biāo)準(zhǔn)相繼提出，通訊產(chǎn)品越來(lái)越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設(shè)計(jì)的又一研究熱點(diǎn)。 (1)本文提出了一種實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化的新技術(shù) . 該設(shè)計(jì)以增加厚度為代價(jià)有效的減小了微帶貼片天線的面積 . 應(yīng)用 HFSS軟件對(duì)所提出的天線進(jìn)行了電磁仿真 . 結(jié)果表明 ， 該天線為單縫輻射 ， λ /4波長(zhǎng)諧振天線 . 天線具有與常規(guī)微帶天線相似的 E面和 H面方向圖 . 其增益小于雙縫貼片天線 . 天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 易于制作 ， 特別適用于對(duì)天線尺度要求比較苛刻便攜式通訊設(shè)備等 . (2)利用 Ansoft公司仿真軟件制作并分析了一種微帶天線的寬頻帶方式 —— 雙層貼片微帶天線，通過分析與修改 ，基本達(dá)到了寬 頻帶的要求，雖然不夠完美，但是也體現(xiàn)了一種實(shí)現(xiàn)寬頻帶的方法 。研制出實(shí)用的小型化、寬頻 帶天線是一項(xiàng)非常有意義的課題。 小型機(jī)載天線的研究 38 致謝 39 致謝 在論文即將完成之際，我心中充滿了深深的感激之情，因?yàn)樵诒菊撐牡耐瓿蛇^程中得到了很多人的幫助和支持 ! 首先，衷心感謝我的 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 導(dǎo)師鄢澤洪教授，感謝鄢教授半年來(lái)，對(duì)我的教導(dǎo)鼓勵(lì)和支持， 深深感謝鄢教授在微波與天線方面對(duì)我的教導(dǎo)， 使我在迷茫之中找到了奮斗的目標(biāo)和