畢業設計-圓極化微帶天線的設計與研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 圖 (a)為 ???HF ，圖 (b)為 ???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 w ， 長度為 l 的微帶 傳輸線的輸入導納并聯，即 ljYY ljYYYYY sc cscsin ??ta nta n???? （ ） 式中 Ys=G+jB 為縫隙的輻射導納， 0???? e? 。 167。 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。 ? ? ? ? ? ?? ??v dvrJrrGjrE 39。39。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 ??39。rJ?? 乘以并矢格林函數 ? ?39。,rrG ??? 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函數法。實際上這個積分式中源 ??39。rJ?? 和場 ??rE?? 都是未知的，如果把場點 r? 設置在貼片表面，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空軍工程大學畢業論文（設計） 9 ??rE?? ，從而該方程成為源電流 ??39。rJ?? 的積分方程，因此稱為積分方程法。積分方程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。 空軍工程大學畢業論文（設計） 10 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 ?90 。 3．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空軍工程大學畢業論文（設計） 11 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 2/? 的電磁波。 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， TM01模和 TM10模在 z 軸方向的輻射場為 TM01模： rjky eakrhCkjEEE000010 2 140??????? （ ） TM10 模： 0214 000100??? ??? ?EebkrhCkjEE rjkx （ ） 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? ： 空軍工程大學畢業論文（設計） 12 jkk kkaxabybaCbCEExy ??????20122102001001c o sc o s?? （ ） 式中 bk /01 ?? ， ak /10 ?? 。由上式可見為使兩種模式的場 同時被激勵并具有相同的振幅，應有 ba? ， 0110 kk ? ，但此時它們的比值為實數而不是 j? 。為了實現相位上 的正交并同時實現兩種模式簡并工作只能取 ba? ， 1001 kk ? 。為此，取近似正方形貼片 ? ? bba ????0 ，激勵頻率滿足關系 0110 kkk ?? 。設 axbyA00coscos??? （ ） 在 1001 kk ? 的條件下（ ）式可近似為 jkk kkA ???? 0110 （ ） 圓極化條件要求 10kk? 比 01kk? 超前或滯后 2/? 并且 1001kk kkA ??? （ ） 下面來求滿足上述條件的 A 值，即求激勵點的坐標 ? ?00,yx 值。 圖 圓極化波的 k平面 上面各式中 k 值應為 : ? ? ?????? ???? e f fre f fr jkjkk ???? t a n211t a n1 00 39。 jkk?? （ ） 空軍工程大學畢業論文（設計） 13 rkk ?039。? ， Qkk eff 21tan2139。 ?? ? （ ） 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 ?????? ? 0,2 0110 kk為圓心，以 左旋圓極化波，由（ ）式， 10kk? 應比 01kk? 超前 2/? ，（ ）式右邊取 j? 。因此 0110, kkk ? ?1001 kk ? 為 直徑的圓上，并且滿足關系Qkk eff 21tan2139。 ?? ?。 利用圖 的幾何關系求 A 的解： 由三角形相似關系得 0110kk kkk p ??? ，1001kk kkk q ??? （ ） 由上式及（ ）式得 Akkkk kkkkp 39。 011010 ??????， 39。100101 kAkkk kkkq ?????? （ ） 上兩式相加得 ?????? ???????? ??? AAQkAAkkk 12 39。11001 （ ） 由（ ）及（ ）式得 QAkkAkkk 2 39。39。 1010 ???? （ ） 由上式解出 39。k QAkk21139。 10?? （ ） 代入（ ）式可得 A 的方程 0122 ???????? ?? baQAbaA （ ） 該方程的解為 空軍工程大學畢業論文（設計） 14 babaQbaQA ??????? ???????? ??222,1 11 （ ） 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 ba? 則 A＝ 0，（ ）式的 ? ?00,yx 無法確定。若A=1，由（ ）式得 Qba 1111112 12 2 ???????? （ ） 由（ ）式得abxy ?00，此時饋電點的軌跡就是矩形貼片的對角線，可在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 j? ，只需定義 axbyA00coscos???? （ ） 則以上的討論對右旋圓極化波完全適用，由三角關系 ? ? ? ?b xbbxb ybby 0000 c osc os,c osc os ?????? ???? 可見，若 ? ?00,yx 是左旋圓極化波的饋電點，則 ? ?00, ybx ? 或 ? ?00,yxa? 就是右旋圓極化波的饋電點。 以上分析對其他形狀的貼片同樣適用。 二．單片法 多點饋電 用單貼片實現圓極化的另一方法是利用兩個饋電點電來激勵一對正交簡并模并用饋電網絡來實現相位上的正交。圖 (a)采用 T 型分支激勵正方形貼片中的TM10模和 TM01模，兩種模式的輻射場是正交的線極化波， 90176。 的相位差依靠在一個支路中插入四分之一波長延遲線來實現。雙點饋電網絡的另一種形式是采用如圖 (b)所示的 3dB 分支電橋。 3dB 分支電橋可在較寬頻率范圍內保持 90176。 相移，而且由于匹配負載吸收了輸入端口及輻射元的反射，有利 于改善輸入阻抗特性及終端反射所帶來的軸比惡化，圓極化帶寬可達 30%。 空軍工程大學畢業論文（設計） 15 圖 多點饋電圓極化微帶天線 三．多片法 多片法是在不同的貼片中激勵相互正交的模式來實現圓極化輻射的。 圖 37 所示的開在接地板上的微帶縫隙和微帶振子適當的組合也能產生圓極化波，微帶振子和微帶縫隙都為半波長，彼此相距四分之一波長，因此可以產生在空間和相位上都相互正正交的場。饋電微帶線在離微帶振子四分之一波長處短路，使振子和縫隙分別位于電壓和電流的最