圓極化微帶天線的設計與研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 效介電常數，e?Yc 為其特性導納。下面計算相距 的兩條縫的輻射情況。y= 縫的等效磁流為2/dl??l ()????hVzExyExnJm 0000 ??? ????????與 y=0 處磁流的方向相同。構成一同相二元陣，二者的輻射場應由 y=0 處磁流的輻射場乘以二陣因子 ????sin01ljke? ???sin200sin2coslkjelkj???????（）即 ?E???????sinco2sincsin2022 ???????? wkhkreVjj ??sin200sin2colkjelkj??????（2.?? ??????????????????? ???? sicsicsicsin0000sin200 lkkkrejljk10）由此可得 H 面（ ）和 E 面（ ）兩個主平面的方向函數?/??　　　 　　　　　　　　 （）　　　　　　　　　　　　　　　　　 ??0cosin2EklF???????? （）圖 矩形微帶天線方向圖圖為 。根據計算得到的微帶天線的方向圖，微帶貼為方形， 和 分別為半波wl長，圖(a)為 ，圖(b)為 。???HF???EF當用微帶線從輻射邊對矩形貼片饋電時，天線的輸入導納應等于饋電縫隙的導納與端接另一條縫隙的寬度為 ，長度為 的微帶傳輸線的輸入導納并聯，即wl　　　　　　　　　　　ljYYscsin?tan??（）式中 Ys=G+jB 為縫隙的輻射導納， 。0???e167。 空腔模型法空腔模型法把貼片與接地板之間的空腔看成是四周為磁壁、上下為電壁的有耗諧振腔，空腔的損耗主要是邊緣縫隙的輻射損耗。空腔模型法首先求解空腔內的場，由邊緣電場的切向分量求得邊緣的等效磁流。然后再由等效磁流計算輻射場。空腔模型法適用于任何規則形狀的微帶貼片天線 167。 積分方程法無論是傳輸線模型還是空腔模型都沒有考慮空腔內的場在與貼片埀直方向上的變化，對于介質基片的厚度與波長相比不是很小時這種近似就會帶來很大的誤差。并且以上兩種方法都只適用于形狀簡單的貼片，而積分方程法適用于任何介質厚度和任何結構的微帶天線。積分方程法又稱格林函數法，這種方法認為微帶貼片天線的輻射場是由貼片表面的電流產生的。計算電流的輻射場可以借助并矢格林函數，首先要求得滿足微帶天線結構邊界條件的并矢格林函數，然后利用積分式計算場。　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　???????vdvrJGjrE39。39。,????（）在一些簡單的情況下可以假設貼片上的電流分布，電流分布 乘以并矢格林函??39。rJ?數 然后在電流所在體積積分即可確定輻射場，用這種方法確定場稱為格林??39。,rG?函數法。實際上這個積分式中源 和場 都是未知的，如果把場點 設置在??39。rJ?rEr?貼片表面，利用導體表面總切向電場分量為零的邊界條件可以確定貼片表面的場，從而該方程成為源電流 的積分方程，因此稱為積分方程法。積分方程??rE? 39。r可以利用矩量法求解，求出電流后代回原方程即可確定場。167。 微帶天線的饋電方法一．微帶線饋電微帶線饋電又稱為邊饋。用微帶線饋電時，饋線與微帶貼片共面，因此制作簡單。但此時饋線本身要輻射，從而干擾方向圖降低增益。由于微帶貼片天線的輸入阻抗與饋電點的位置有關，因此天線與饋線特性阻抗的匹配由適當選擇饋電點位置來實現。饋電點的位置除了沿饋電邊移動之外還可以通過一個間隙伸入貼片內部，如圖 (a)所示。饋電點位置改變引起諧振頻率的微小漂移可以通過修正貼片尺寸來補償。在理論計算中，微帶饋源的模型可等效為沿 z 軸方向的一個薄電流片，電流片的寬度為微帶線的等效寬度。(a)微帶饋電　　　　　　　　(b)同軸饋電圖 微帶饋電和同軸饋電二．同軸線饋電同軸線饋電是利用從接地板上的小孔伸入諧振空腔內的探針激勵貼片天線，探針與同軸線的內導體相連，同軸線的外導體與接地板相連,如圖 (b)所示。同軸線饋電的優點一是饋電點可置于貼片空腔內任意位置，便于天線與饋線的匹配；二是饋線位于接地板的下方，不會對天線輻射造成影響。缺點是不便于集成，用于天線陣時加工工作量大且很難保證各陣元饋電的一致性。三．電磁耦合型饋電電磁耦合型饋電是利用與貼片靠近但不相連的微帶傳輸線對貼片饋電，微帶線與貼片可以共面也可以不共面。在不共面電磁耦合型饋電結構中還可以在饋線與貼片之間插入一帶有矩形縫隙的接地板，微帶線通過縫隙對貼片饋電。調節縫隙的尺寸可以方便地控制饋線至貼片的耦合。采用長度比貼片尺寸稍小的縫隙一般可獲得滿意的匹配。圖 　電磁耦合型饋電167。 微帶天線圓極化技術167。 圓極化天線的原理輻射或接受圓極化的天線稱為圓極化天線，圓極化波具有以下重要性質：1．圓極化是一個等輻的瞬時旋轉場。即，沿其傳播方向看去波的瞬時電場矢量的端點軌跡是一個圓。若瞬時電場矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉，稱之為左旋圓極化波，沿其傳播方向按右手螺旋旋轉，稱之為右旋圓極化波。2． 一個圓極化波可以分解為兩個在空間和在時間上均正交的等幅的極化波。由此，實現圓極化天線的基本原理就是：產生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等，振幅相差 。?903．任意極化波可分解為兩個旋向相反的圓極化波。作為特例，一個線極化波可分解為兩個旋向相反，振幅相等的圓極化波。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由任意極化的天線收到。這正是電子偵察和干擾等應用中普遍采用圓極化波工作的原因。4．天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不能接收右旋圓極化波，反之，若天線輻射有旋圓極化波，則接收右旋圓極化波，這稱為圓極化天線的旋向正交性，其實，這一性質就是發射和接收天線之間的互易定理。在通信和雷達的極化分集工作和電子對抗等應用中廣泛利用這個性質。例如，國際通信衛星 V 號上的 4GHz 多波束發射天線輻射有旋圓極化波，形成兩個東、西“半球波束”同時也輻射左旋圓極化波，形成兩個輻射不同地區的“波束區域”,這四個波束都工作于 4GHz 頻段互不干擾，從而實現四重頻譜復用，增加了通信容量。5．圓極化波入射到對稱目標（如平面，球面等）時，反射波變為反旋向的，即左旋波變右旋，右旋波變左旋。微帶天線的優點之一是便于實現圓極化工作，實現圓極化工作可采用單片法或多片法，單片法又分單點饋電法和多點饋電法，下面分別討論這兩種方法。167。 圓極化實現技術一．單片法　單點饋電單片法是設法在微帶貼片空腔中激勵兩個簡并模，這兩個簡并模能輻射正交極化、幅度相等、相位相差 的電磁波。2/?以矩形微帶貼片天線為例介紹如何在貼片空腔中激勵出這兩種模式，設矩形貼片尺寸為 ab，TM 01 模和 TM10 模在 z 軸方向的輻射場為TM01 模：　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　rjkyearhCkjE00124?????（）TM10 模：　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　021400?????EebkrhCjrjx（）由上兩式可見 TM01 模和 TM10 模在邊射方向的場在空間是相互正交的，為使它們合成圓極化波，還應該滿足時間（相位）上正交和幅度相等的條件，即它們的比值應為 ：j?　　　　　　　　 （）jkaxbyaCbExy ????202210cos?式中 ， 。由上式可見為使兩種模式的場同時被激勵并具有k/01??k/10相同的振幅，應有 ， ，但此時它們的比值為實數而不是 。為了b01? j?實現相位上的正交并同時實現兩種模式簡并工作只能取 ， 。為此，ba?10k取近似正方形貼片 ，激勵頻率滿足關系 。設??a??010k?　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 axbyA0cos??（）在 的條件下（）式可近似為10k? 　　　　　　　　　 （???01）圓極化條件要求 比 超前或滯后 并且10k?012/?　　　　　　　　　　　　　 10kA??（）下面來求滿足上述條件的 A 值，即求激勵點的坐標 值。??0,yx圖 圓極化波的 k 平面上面各式中 k 值應為:　????????????efrefr jkj ????tan21tan100 39。jk??（） ， rk?039。?Qef21tan39。??（ ） 對于三者之間在 k 平面中應有圖 所示的關系，即 k 應位于以 為圓心，以左旋圓極化波，由（）式，???????0,21k應比 超前 ， （）式右邊取 。因此 為直徑10k?01/?j?01,k??10?的圓上，并且滿足關系 。Qef2tan39。??　 利用圖 的幾何關系求 A 的解：由三角形相似關系得　　 ， 　　　　　　　　0110kkp??1001kq??（）由上式及（）式得，　 　　Akkp39。0110??? 39。1001kAkq??（）上兩式相加得　　　　　　　　???????????????AQkAk1239。110（）由（）及（）式得 　　　　　　　 （）QAkk239。39。 1010??由上式解出 39。k　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　 Ak2139。0?（）代入（）式可得 A 的方程　　　　　　 　　　　　　　　　　　012?????????baQA（）該方程的解為　　　　　　　baQbaA????????????????222,1 1（）由上式解出 A，由（）式即可確定饋電點的位置，由（ ）可確定諧振頻率。由（）式可見，若 則 A＝0， （）式的 無法確定。若ba???0,yxA=1，由（）式得　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　b1122????（）由（）式得 ，此時饋電點的軌跡就是矩形貼片的對角線，可在axy?0這種貼片的一角用微帶線饋電獲得圓極化特性。　　對右旋圓極化波（）式右邊取 ，只需定義j?