畢業設計-單饋緊湊型圓極化天線研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 變天線的輸入阻抗特性，特別是在高頻時間隙的阻抗特性較大。疊層之間的粘合材料對天線的作用也至關 重要。如果粘合材料是有損耗的且位于窄縫旁邊，則將降低天線的效率。 與直接接觸饋電貼片相比，口徑耦 合貼片具有更多的設計參數，因 而對設計者來說可以具有更靈活的選擇。除了外形比較復雜之外，口徑耦 合微帶貼片天線相對易于準確建模，甚至對于全波分析也是這樣。其原因是與直接接觸饋電貼片不同，它沒有劇烈的電流不連續點，因此可以進行相對簡單的、準確的、計算較快的全波分析。 臨近耦 合貼片 用 來克服直接接觸饋電貼片的缺點的非接觸饋電貼片的第二種形式是臨近耦 合貼片。圖 給出這種印制天線的示意圖。微帶天線包 含有一個帶有微帶饋線的基板組成。在這層材料之上是另一種介質層。微帶貼片就蝕刻在它的上表面。注意兩個介質層之間沒有基板。饋電網絡和貼 片之間通過電磁作用進行功率耦 合的，這就是有時也把這種天線稱為電磁 耦 合貼片天線的原因。 本科畢業設計說明書（論文） 第 9 頁 共 32 頁 圖 合微帶貼片天線示意圖 臨近耦合貼片的關鍵特性在于它的耦 合 機制在本質上是電容性的，這與直接接觸法相反，后者主要是感性的，耦 合機制的差異顯著的影響了可以獲得的阻抗帶寬，因為邊饋和探針饋電幾何結構的感性 耦合限制了可使用材料的厚度。因此，本質上臨近耦 合貼片的帶寬寬于直接接觸饋電 貼片。 因為在饋電網絡和輻射器件間沒有電流的不連續點，對臨近耦合貼片進行全波分析并不十分困難。當然，臨近耦 合微帶貼片也有一些缺點 :因為饋線和天線之間并不是完全獨立的，具有相對較高的寄生輻射 :天線是多層結構，層與層之間的對齊定位很重要。饋線基板和天線層之間的空氣 間隙將影響耦 合，因此在制造天線時需要特別注意。 本章小結 本章介紹了微帶天線的分析方法，重點依據腔模理論闡述了微帶天線的輻射機理，同時簡單的介紹了微帶天線常用饋電方法及其優缺點。 3. 微帶天線圓極化技術 概述 圓極化天線在無線電 領域中占有重要的地位 。特別在 航天飛行器中，因為 飛行器位置姿態的固定，它們的通訊測控設備都要求重量輕、體積小 、共形 而且成本低的圓極化天線。圓極化微帶天線就是能滿足這些要求的比較理想的天線。 圓極化波的產生 原理 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 本科畢業設計說明書（論文） 第 10 頁 共 32 頁 的對角線上時，天線中可以同時維持 和 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。 用微帶天線產生圓極化波的關鍵是產生兩個方向正交的，幅度相等的，相位相差90176。 的線極化波。當前用微帶天線實現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 ； 正交饋電的單片圓極化微帶天線 ； 由曲線微帶構成的寬頻帶圓極化微帶天線 ； 微帶天線陣構成的圓極化微帶天線等等。 圓極化波的性質 根據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。圓極化波具有以下的性質 [7]： (1)一個圓極化波可以分解為兩個在空 間上和在時間上均正交的等幅線極化波。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，相位相差 90 度。 (2)圓極化波時一個等幅的瞬時旋轉場。即 :沿其傳播方向看去，波的瞬時電場矢量的端點軌跡時一個圓。若瞬時電場矢量沿產波方向按左手螺旋的方向旋轉，稱之為左旋圓極化波，記為 LCP(LeftHand Circular Polarization)； 若沿傳播方向按右手螺旋旋轉，稱之為右旋圓極化波，記 RCP(RightHand Circular Polarization)。 (3)任意極化波可以分解為兩個旋向相反的圓極化波。作為特例，一個線極化波可以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以由任意極化的天線收到。這正是在電子偵察和干擾等應用中普通采用圓極化波的原因。 (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。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。在通信和電子對抗等應用中的廣泛利用這個 性質。例如 :國際通信衛星 V號上的 4GHz 多波束發射天線輻射右旋圓極化波，形成兩個東、西“半球波束” ； 同時也輻射左旋圓極化波，形成兩個照射不同地區的“區域波束”，這四個波束都工作于 4GHz 頻段而互不干擾，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，反射波變成反旋向的， 即左 本科畢業設計說明書（論文） 第 11 頁 共 32 頁 旋波變成右旋，右旋變成左旋。 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。因為水點近似呈球形，對圓極化波的反射是反旋的 。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。 正是由于上述特性，圓極化天線現在已經獲得了廣泛的應用，從而進一步推動了微帶天線圓極化技術的發展。 圓極化天線的電參數 天線的基本電參數有輻射阻抗、輸入阻抗與駐波比、方向圖、波束立體角與主波束效率、方向性系數、效率、增益、有效口徑、有效長度或有效高度、極化方式、帶寬、噪聲溫度等。 任意極化波的瞬時電場矢量的端點軌跡為一橢圓。極化橢圓的長軸 2A 和短軸 2B之比，稱之為 AR(Axial Ratio)，或簡稱為 : ， .用分貝記，有= 。 為反映極化的旋向，現規定 r 具有正 、負號 :對 于 左旋波， r 的符 號為止 。對于右 旋波， r 的符號為負。 而 圓極化天線的基本參數就是它所輻射的電磁波的軸比 ，一般是指其最大 增益方向上的軸比。對于純圓極化波， 1，即 不大于 3dB 的帶寬，定義為天線的圓極化帶寬。 不同類型的圓極化微帶天線 單貼片圓極 化微帶天線 單個微帶貼片被廣泛的用于產生圓極化輻射，其實現圓極化輻射可以有兩種設計方法 :單饋點法 [23]和多饋點法。此外也可用多個線極化微帶貼片天線和其它微帶天線元來輻射圓極化波 (多元法 )。能產生圓極化波的不同形狀微帶天線在不 同文獻 [3][21]中都有介紹，圖 給出三角形、正方形、圓形、圓環、正五邊形、橢圓形等等。在實踐中正方形和圓形使 用較為廣泛，其饋電方法如圖 所示 :第一種是正交雙饋電，它需要一個額外的功率分配網絡 。第二種單點饋電不需要功分器。 本科畢業設計說明書（論文） 第 12 頁 共 32 頁 圖 貼片微帶天線 圖 (a)(b)正交雙饋， (c)(d)為單饋電方式 雙正交饋電使得天線激勵起兩個幅度相等相位正交的模，從而實現天線的圓極化。利用能量功分 器的雙正交饋電的圓極化貼片的基本結構如圖 。天線結構的能量功分電路主要包括求積電路、圓環電路、 Wiklinson 能量分配器、 T 形能量功分器等等。在雙饋圓極化微帶天線的設計中，常見的饋電方法有三種 :(1)使用 Wiklinson 能量功分器的兩縫隙耦 合饋電圓極化微帶天線 。(2)使用 Wiklinson 能量功分器能量功分器 的兩電容耦合饋電圓極 化微帶天 線 。(3)BranchLine 耦合器的兩電容耦 合饋電圓極化微帶天線。在設計中，貼片介質與饋電基片之間多采用較厚的空氣層或泡沫層，由 Wilkinson 功分器提供兩路能量相等、相位相差 90176。 的輸入能量。 圖 而典型的單饋電圓極化微帶天線示意圖如圖 (c)(d)所示，通常單貼片總是輻射線極化波，一個形狀規則的單片微帶天線由一點饋電可以產生極化正交幅度相等的兩個簡并模，但是不能形成 90176。 相位差。為了在簡并模之間形成 90176。相位差，要在規則的單片微帶天線上附加一個 簡并分離單元，具體理論將在下一節介紹。當簡并分離單元大小選擇合適時，就能夠使一個模的等效阻抗相角超前 45176。， 另一個模的等效阻抗相角滯后 45176。 ，這樣就形成了圓極化輻射。 其他類型的圓極化天線 為了獲得相對寬頻帶的圓極化微帶天線，近來己研制出曲線微帶輻射的微帶天 本科畢業設計說明書（論文） 第 13 頁 共 32 頁 線，這是一種結構緊湊的寬頻帶圓極化微帶天線，其結構示意圖如圖 所示。其中一個端點是饋電點，另一個端點是吸收負載，電波在分別圓扇形和螺旋線形成行波。主要依據的原理是一圈有 2 相位的圓線行波天線可以產生圓極化 輻射 ； 平面螺旋天線也能產生圓極化輻射并有很寬的帶寬，所以用微帶來實現這種圓形和螺旋天線是可以的。但是此類天線的缺點是理論分析較為困難，且對天線的制造公差要求較嚴格，故在實際中較少使用。 圖 (a)圓扇形； (b)螺旋形 單饋圓極化微帶天線理論 根據前面所述，單饋圓極化微帶天線的設計主要是選擇合適模分離單元的大小、位置、以及選擇恰當的饋電位置。下面將基于腔模理論，介紹單饋圓極化微帶天線的原理 [3][10][11][14][17]。 簡并分離 如圖 所示，這種饋電點在 x 軸或 y 軸上的矩形微帶天線稱為 A 型 ； 饋電點在對角線上的矩形微帶天線稱為 B 型， ，稱為簡并分離單元。 A 型和 B型分析方法一樣，所以下面就以 A型為例說明簡并 分離單元 的對矩形微帶天線的影響。 本科畢業設計說明書（論文） 第 14 頁 共 32 頁 圖 當矩形貼片 W=L=a 時，磁流分布的周邊為 和 ,相應于 的 基模標量特征函數為 : ysinkV xsinkV y010 x001 ???? () 式中 , 。 圓極化特性測試 對于微帶天線圓極化特性的測量，本文中采用的是極化圖法，這是一 種最簡單、直接而又常用的方法，該法通常用線極化輔助天線測出軸比 AR 和傾角 用兩副反旋圓極化天線 (比如螺旋天線 )來確定旋向。 測量的方法是，將被測天線作為發射天線，將輔助的線極化天線作為接收天線，兩者中 心對準。沿輔助天線的機械軸轉動，記下與旋動角相應的各接收電平，并繪 于極坐標圖上，即可得到圓極化微帶天線在 =(0， 0)方向上的極化圖。根據左旋圓極化天線只接收左旋圓極化波，右旋圓極化天線只接收右旋波的原理，如果使用兩副結構相同，而螺旋反繞的圓極化天 線作為輔助天線，則由接收電平較高的螺旋天線的旋向確定待測試微帶天 線的極化旋向。 在測試圓極化微帶天線的過程中，應該注意的問題 : 1)如果兩正交極化分量是由同一個口徑產 生的，則振幅和初始相位隨距離的變化 本科畢業設計說明書（論文） 第 15 頁 共 32 頁 將服從同一變化規律，極化特性不 依賴于距離，因此原則上測量距離可以移近些，但要注意使天線的多次耦 合盡可能小些 。 2)要防止地面、墻壁、天花板及其它周圍物體反射和散射的影響。因為反射波對兩個正交分量的反射振幅和相位的影響是不相同的，所以影響極化特性。 3)應保證輔助天 線在垂直于來波方向的平面內轉動，否則將引起誤差。在圓極化特性的測量中，要用到轉動裝置，在測量的過程中，記下接收電平和角度的關系，在極化圖上表示出接收電平和角度的關系就可以得到圓極化特性。 轉動裝置利用了一個圓盤，在圓盤上面刻上標度，另外的 一個小架子與黑色的小圓柱固定在一起，可以繞圓盤的中心轉動，將圓柱 固定起來，在架子上再 加工一個固定天線的裝置，這樣轉動 小圓柱的時候，也就在轉動天線，并 且能夠使被測天線的中心和輔助天線的中心對準，天線的平面互相平行，滿足了圓極化測試的要求。 圓極化微帶天線單元的設計 普通微帶線極化天線的設計 先設計出線極化微帶天線，再在此基礎上加微擾，制作成圓極化天線，所以下面來介紹一下線極化天線的設計，用的是北斗的其中一個頻段 。假設矩形貼片天線的有效長度為 ，則有 ,式中 表示導波波長，有 ，式中 表示自由空間的波長， 表示有效介電常數，且 ，式中，表示介質的相對介電常數， h 表示介質厚度， W表示微帶天線貼片的寬度。由此，可計算出矩形貼片的實際長度 L，有 L= ，式中 c 表示真空中的光速， 表示天線的工作頻率， 表示圖 （ a） 所示等效縫隙的長度，且有 ,矩形貼片的寬度 W 可以由下式計算 ， W= ,對于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長度 L 和寬度 W 之后。還需要確定同軸線饋電的位置，饋點的位置會影響天線的輸入阻抗。在微波應用中通常是使用 50Ω的標準阻抗，因此需要確定饋點的位置使天線的輸入阻抗等于 50Ω。對于圖 中所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標原點位于貼片的中心，以（ ， ）表示 本科畢業設計說明書（論文） 第 16 頁 共 32 頁 饋電的位置坐標。 對于 模式，在 W 方向上電場強度不變，因此在理論上 W 方向上的任一點都可以作為饋點， 為了避免激發