【正文】 。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)。 (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，即左旋波變成右旋，右旋變成左旋。因?yàn)樗c(diǎn)近似呈球形，對(duì)圓極化波的反射是反旋的 。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。我們可以將圓極化和線極化都看作是橢圓極化的特殊形式，橢圓極化的長(zhǎng)軸和短軸之比便是軸比，當(dāng)軸比為 1時(shí)，便是圓極化，用 db表示就是 0db，當(dāng)軸比為 0或是∞時(shí)，便是線極化。 單饋電圓極化微帶天線桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 單點(diǎn)饋電的圓極化微帶天線 根據(jù)微帶天線理論 ,矩形或圓形貼片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生幅度相等 ，正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模 ,但不能形成 90176。 為了在簡(jiǎn)并模之間形成 90176。 單饋點(diǎn)法是基 于空腔模型理論 ,利用兩個(gè)輻射正交極化波的簡(jiǎn)并模 ,并在腔體內(nèi)引入某種不對(duì)稱性 ,以便消除兩個(gè)模的簡(jiǎn)并性 當(dāng)簡(jiǎn)并模分離單元大小選擇合適時(shí) ,對(duì)工作頻率而言 ,一個(gè)模的等效阻抗相角超前 45176。 ,這樣就形成了圓極化輻射 。 在 A型和 C型中 ,把饋點(diǎn) F設(shè)定在 X軸上 。通過附加簡(jiǎn)并分離單元山來解出簡(jiǎn)并模的衰減。其中 Q為微帶天線的品質(zhì)因數(shù)。 r? 為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)， h為介質(zhì)基片厚度。 雙饋點(diǎn)法圓極化微帶天線 利用兩個(gè)饋電點(diǎn)來對(duì)微帶天線饋入幅度相等 ,相位差為 90176。 1 a 02 0 tt0= RZZ= ZZZ=2ZZ (35) 圖 雙饋點(diǎn)天線模型 由 于二支路的電抗補(bǔ)償作用 ,這種設(shè)計(jì)的駐波比帶寬比普通矩形貼片寬 ,大約是兩倍或者更大 。 相位差 ， 通常用微帶線制作 ， 它在保證 90176。因此，在這種饋電方式下，該圓極化微帶天線的帶寬要比單饋電的天線寬的多。而且還可以將主饋線的特性阻抗設(shè)計(jì)為與輻射源邊緣輸入阻抗相同，即可省去四分之一波長(zhǎng)的匹配段。雖然這一特點(diǎn)適合于某些帶寬要求很窄的應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)樵谀切?yīng)用中帶外輻射是一種干擾。一般的微帶行波天線的相對(duì)頻帶寬度為百分之幾十，微帶縫天線達(dá)到 1%(窄縫 )~10%(寬縫 )，而普通的微帶貼片僅為 %~3%，這與諸如偶極子、裂縫和波導(dǎo)喇叭天線等常用的天線單元的 20%~50%形成了鮮明的對(duì)比。微帶天線展寬頻帶的方法很多，包括選擇合適的基板、改變天線的形狀尺寸、采用各種饋電技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)、多模技術(shù)以及縫隙加載技術(shù)等，都可以有效展寬頻帶。 1．增大介質(zhì)基片厚度 從物理意義上講，介質(zhì)基片厚度增加，輻射電導(dǎo)也隨之增大，從而輻射所對(duì)應(yīng)的 Q 及總的 Q 值下降，展寬了頻帶。而基片過厚會(huì)導(dǎo)致基片厚度與波長(zhǎng) 之比過大，引起表面波激勵(lì)，同時(shí)基片厚度增加，重量隨之增加，所占的空間也加大。 減小介電常數(shù)和加大損耗都可使天線的 Q值下降，從而有利于微帶天線頻帶桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 16 頁(yè) 共 35 頁(yè) 的展寬，但是這樣做將會(huì)是介質(zhì)基板的面積有所變大，加大損耗也會(huì)使得天線的效率降低。還有其他的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)，可以使 得微帶天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬明顯增大。 采用多層結(jié)構(gòu)的天線可以較好的實(shí)現(xiàn)寬頻帶，采用這種結(jié)構(gòu)的天線通常采用間接饋電的方式，這里就必須提到一種饋電方式 — 口徑耦合饋電，口徑耦合在增加天線帶寬和使天線小型化中有重要的應(yīng)用， 孔徑耦合饋電的結(jié)構(gòu)與電磁耦合饋電的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)相似，不過電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)中，微帶饋線和天線貼片被放置于接地板的同一側(cè)，而對(duì)于孔徑耦合饋電，饋線和貼片被分別放置在接地板的兩側(cè)，即接地板放置在兩塊 介質(zhì)板之間?？讖交蛘呖滩弁ǔＴO(shè)置在天線貼片的正下方，以此來抑制天線的交叉極化電平。槽型耦合孔徑的尺寸可以是諧振的，也可以是非諧振的；對(duì)于諧振尺寸的槽型耦合孔徑，它可以在諧振頻率附近的頻率再諧振，雙頻點(diǎn)比較靠近從而有效地展寬天線的帶寬，但是天線的后向輻射隨之增加，輻射效率降低，因此非諧振尺寸的槽型耦合孔徑比較常用。 圖 口徑耦合饋電示意圖 圓極化陣列天線 圓極化微帶天線陣具有增益高，抗干擾能力強(qiáng) ，波束控制 的特點(diǎn)，其阻抗帶寬和圓極化帶寬也會(huì)變大，在衛(wèi)星通信，雷達(dá)，電子對(duì)抗等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 17 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圓極化微帶天線陣列設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，還有陣元之間的距離，需要用專業(yè)軟件反復(fù)的仿真調(diào)試。 微帶天線小型化的方法 通常 ,微帶天線是一個(gè) 半波結(jié)構(gòu) ,工作的諧振頻率為 01TM 模和 10TM 摸，對(duì)于矩形 微帶天線來說，謝振頻率可由如下公式得到： 2 rcf L ?? （ 41） 式中 C是真空中光速 ,L是矩形貼片的寬度， r? 為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，由公式可以看出 ,天線的諧振頻率 f和 r? 成反比，由此可見 ,采用高介電常數(shù)基板是一種有效的天線小型化方法，但是 ,介電常數(shù)越高天線帶寬越窄 。 在計(jì)算矩形微帶天線諧振頻率的公式 41,L為貼片的等效長(zhǎng)度，可以看出 ,增大 L可以降低天線諧振頻率，微帶天線的表面電流分布直接依賴于貼片的幾何結(jié)構(gòu) ,通過在貼片表面開槽或改變貼片邊緣的形狀引入的擾動(dòng)使電流曲折繞行 ,而有效路徑變長(zhǎng)，貼片諧振頻率降低 ,只要 槽的位置處于電流分布適當(dāng)處，由于槽很窄 ,可以被模擬為在貼片中插入的一個(gè)無限薄橫向磁壁，在保證貼片實(shí)際尺寸不變的情況下增大有效長(zhǎng)度 ,進(jìn)行開槽或開縫是一種比較有效的方法，但是這種類型的天線與結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系 ,阻抗匹配與調(diào)試?yán)щy。上面提到的口徑耦合饋電也是一種小型化的有效方法，同時(shí)還可以獲得較大帶寬，這樣的天線往往是多層結(jié)構(gòu)。本章將重點(diǎn)討論用Hfss設(shè)計(jì)微帶天線。該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用 Hfss，用戶只需要?jiǎng)?chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界的條 件和激勵(lì)，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計(jì)算并輸出用戶需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。 圓極化微帶天線的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)指標(biāo)： 頻帶范圍： 增益： 大于 端口阻抗： 50Ω （ SMA 口 ）； 電壓駐波比：≤ 2； 圓極化天線設(shè)計(jì)理論分析 微帶天線的設(shè)計(jì)首先就是要選擇合適的基片，假設(shè)介質(zhì)幾篇的介電常數(shù) r? ，對(duì)于工作頻率為 f的矩形微帶天線，可以用如下公式計(jì)算出高效輻射貼片的寬度w，即為： 1()21()22rcw f ? ??? （ 51） 公式中， c為光速。 單個(gè)縫隙天線的方向性函數(shù)為： si n ( si n c o s ) si n ( c o s )22( , ) si nsi n c o s ( c o s )22k h k wF k h k w? ? ?? ? ?? ? ?? （ 56） 因此，矩形微帶天線的輻射場(chǎng)只需要在單縫隙天線的表達(dá)式中乘以二元陣的陣因子就可以了。 在一般 情況下， G/ 0Y 1,B/ 0Y ，可以簡(jiǎn)化為： 22() co s ( )in GYz z?? （ 514） 上面的式子中，除了 /2z??? ，該式均成立，可見，選取不同饋電點(diǎn)的位置可以獲得 不同的輸入阻抗。 圖 單片切角微帶天線 hfss模型 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 22 頁(yè) 共 35 頁(yè) 切角圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)：由前面的理論可知， 矩形或圓形貼片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生幅度相等，正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模 ,但不能形成 90176。為了在簡(jiǎn)并模之間形成 90176。 根據(jù)以上理論完成圓極化微帶天線的 hfss仿真，所得參數(shù) 如下圖： 圖 天線 s11參數(shù) 結(jié)果分析：我們看以看出，天線的諧振頻率在 ，通過調(diào)整貼片大小，匹配線尺寸，均會(huì)影響到 s11，調(diào)整貼片的 L邊，謝振頻率會(huì)發(fā)生變化， L越長(zhǎng)，頻率越低。 帶寬小時(shí)微帶單層微帶天線的缺陷，我們也可增加電感的方式來增加帶寬，通過開縫，加槽或是改變形狀，但是均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖 天線電壓駐波比 圖 天線 3d方向增益圖 根據(jù)所需指標(biāo)檢查天線指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)天線阻抗帶寬不足，為了提高阻抗帶寬，我們采用 4片圓極化微帶天線陣列。天線陣元之間的間距一般為二分之波長(zhǎng)，并且通過軟件調(diào)試改變。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 25 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 天線軸比 結(jié)果分析：與單片的圓極化天線相比，陣列天線的圓極化帶寬也相應(yīng)變大了，達(dá)到了 。根據(jù)仿真結(jié)果來看，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到，但是我們也可以看到陣列天線的缺陷，就是旁瓣較大，而且尺寸較大，不符合設(shè)計(jì)要求。 圖 口徑耦合饋電 hfss模型 圖 耦合 饋電 s11參數(shù) 結(jié)果分析：天線的耦合縫隙一般開在輻射貼片的中間，以減少交叉極化。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 27 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 耦合饋電天線軸比參數(shù) 圖 耦合饋電天線輻射增益 結(jié)果分析：此種饋電的天線有較好的輻射特性，也實(shí)現(xiàn)的較大的增益，達(dá)到了 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 28 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 耦合饋電天線的 s11實(shí)測(cè) 圖 耦合饋電天線駐波比實(shí)測(cè) 天線的實(shí)測(cè)結(jié)果分析：用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)天線的 s11參數(shù)，天線完全是現(xiàn)了從 ，從天線的駐波比測(cè)試圖來看，在帶寬范圍內(nèi)，同樣實(shí)現(xiàn)了較好的駐波比特性。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 29 頁(yè) 共 35 頁(yè) 第六章 結(jié)論 通過此次圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)，從最初的設(shè)計(jì)方案到最后制作出實(shí)物 ，并且通過測(cè)試， 不僅對(duì)自己所學(xué)的電磁場(chǎng)，微波技術(shù)，天線技術(shù)等課程有了更深的了解，而且自己親身經(jīng)歷這樣的一個(gè)過程，并且在老師和研究生學(xué)長(zhǎng)的幫助下對(duì)天線進(jìn)行調(diào)試，明白了怎么調(diào)試，為什么要這樣調(diào)試。后來就改用了陣列天線的形式，陣列天線要注意匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，還有陣元之間的距離，在仿真過程中， 實(shí)現(xiàn)了較大的阻抗帶寬和圓極化帶寬，但是從方向圖來看，有較大的旁瓣，輻射特性較差，在分析了情況之后，嘗試將陣元之間距離減小，旁瓣情況有所改善，但是陣列天線尺寸較大，依舊不符合設(shè)計(jì)要求。 最后，根據(jù)仿真制作了口徑耦合饋電的天線實(shí)物 ， 在天線的制作過程中，難免會(huì)有誤差，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，也并沒有取得和仿真結(jié)果一樣的效果，但是后來經(jīng)過一系列的調(diào)試，主要是調(diào)節(jié)饋線的長(zhǎng)度及寬度，最終實(shí)現(xiàn)了 的阻抗帶寬，并且得到了較好的駐波比特性和輻射特性。射頻電路設(shè)計(jì)－理論與