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[转载]微带天线介绍

离线godlx

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0楼发表于: 2007-07-30 12:32:31

1　微带天线简介
1.1　微带天线结构与分类
　　微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。图1所示为一基本矩形微带天线元。

图1　微带辐射元及其附近的场分布

　　长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。
　　另一类微带天线是微带缝隙天线。它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。
　　按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。
1.2　微带天线的性能
　　微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点：
　　(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形；
　　(2)电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化；
　　(3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。
1.3　微带贴片形状
　　贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此，为使微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。

2　微带天线的分析方法
　　微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。本部分将对一般的矩形微带天线进行分析讨论，为特殊形状要求的微带天线做好理论分析基础。
　　利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也较简单，其精确度可以满足一般工程设计要求。以下将用传输线法如图1所示的基本矩形微带天线元为例，说明它的工作原理与主要电参数。
2.1　物理模型
　　传输线方法的基本假设：(1)微带片和接地板构成一般微带传输线，传输准TEM波。波的传输方向决定于馈电点。线段长度取1≈λg/2，λg为准TEM波的波长。场的传输方向是驻波分布，而在其垂直方向(图中的宽度W方向)是常数。(2)传输线的两个开口端(a-a，b-b)等效为两个辐射缝，长为W，宽为h，缝的径场为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上，即是将开口面向上折转90度，而开口场强也随之折转。
2.2　辐射原理分析
　　微带天线中有一维的尺寸远远小于波长，因而天线剖面很低(天线薄)，有利于共形设计保证优良的空气动力特性。图1所示的长为L，宽为W2的矩形微带天线元可以看作一般的传输线连接两个辐射缝组成。低特性阻抗的传输线是由微带馈线扩展其宽度W1为W2而成，其长度L为半个微带波长，即λg/2。在低阻传输线两端形成两个缝隙(a-a，b-b)，那里的电场分解为两个分量，其中En与接地板垂直；另一个与接地板并行，记作E1〃，由于L=λg/2，垂直分量反相，平行分量同相，因此在垂直于辐射源的方向上，水平分量有最大辐射分量，而垂直分量相互抵消。试验表明，电场的水平分量在辐射源的两个端部，各向外延伸一个介质板厚度h的长度内存在。这样就可近似认为微带天线元的辐射等于两个长度为W2，宽度为h，间距为L的裂缝组成的二元阵的辐射。
　　图2表示其中一个裂缝的几何关系。

图2　单裂缝的坐标关系

　　裂缝平面与接地面平行，裂缝受水平电场Ey的激励。Ey沿裂缝是均匀分布的(即沿x均匀分布)。裂缝的激励场Ey可以等效为沿x方向的磁流。磁流密度，其中为裂缝面的法向单位矢量(沿z方向)。考虑接地板的反射影响，则源的磁流密度，由于裂缝宽度h＜＜λ，所以Ey沿y方向也是常数，故相应的磁流Im可写为

(1)

　　于是裂缝的辐射就等效为磁流强度Im相同的一系列磁基本阵子沿着x轴排列的连续阵的辐射。将磁基本阵子的辐射场沿裂缝长度W积分，就可以得到其远区辐射场为

(2)

2.3　微带线特性参数
　　特性阻抗　；　传播波长　；　传播常数　
　　式中εe为等效相对介电常数。
　　，εr为介质板介电常数。
　　空气微带天线特性阻抗Z0为

3　微带天线的应用分析与设计方法
3.1　应用情况
　　微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。
3.2　馈电方式与阻抗匹配
　　矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。不论那种方式，其谐振输入电阻Rin很大，为使Rin与50Ω馈电系统相匹配，则阻抗变换器是不可少的。为实现匹配，输入阻抗的大小必须知道。整个微带天线的输入导纳可看作是一个缝的导纳，经长度为L的低特性阻抗传输线变换后，再与另一个缝的导纳并联，谐振状态其输入电纳为零，输入导纳等于两倍的输入电导Yin-2G∑〃
　　当Wλ时，有

G∑〃=w2/90λz

其值通常比微带传输线的特性导纳小很多，接近开路状态，因此限制了天线的阻抗频带。为了使频带加宽，可增加基片的厚度，减小基片的εr值，以使特性导纳降低；再增加W使辐射电导提高。
　　由上式可见，方向函数由两个因子组成，其中一个sinθ即基本磁阵子的方向函数；另一个就是长度为L的等幅同相连续阵的阵因子。

图3　传输线物理模型

　　矩形微带天线单元的辐射就等于上述裂缝组成的间距为L的二元阵的辐射。如图3所示二元阵
天线的辐射场为

，r是微带中心到场点的距离。
　　由于hλ，故F2(θ,φ)≈1
　　同样

(4)

　　由上式可见，若φ=0，则此平面上仅有Eθ分量，故此平面为E面；而在φ=90°平面，Eθ=0，仅有Eφ分量，故为H面，这是与波传播方向垂直的平面，最大辐射方向在θ=0即z轴。这是因为激励二元阵的特点。
　　该型炮弹引信微带天线采用侧馈方式，在制作侧馈的矩形微带天线时，可按下述方法实现匹配：将中心馈电天线的贴片同50Ω馈线一起光刻制作，实测其输入阻抗并设计出匹配变换器，然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器就做成所需的天线。

.3　辐射模型
　　图4所示为该型天线式样

图4　某型引信微带天线

　　由实地测量、试验等方法，可得出其εr,f0,h,W,L,并由上述公式得出微带天线εe,λg,Z0。
　　以传输线理论分析方法为依据，用等效磁流的观点建立模型。同时根据电压波形考虑微带两开口端辐射，以及两转折弯头的辐射，给出各不连续处的电场，得到磁流的大小与方向。由于金属底板的反射，用镜像的原理得其相应的场源分布情况。微带天线上各处辐射情况如图5所示。

图5　该型微带天线的辐射模型

3.4　定量分析方法
　　由天线辐射原理模型可以看出，共有6对磁流源，y轴平行排列着Im6Im′6，Im1Im′1，Im3Im′3，Im5Im′5，x轴轴向排列有Im2Im′2，Im4Im′4等。
　　求解总辐射场时，可看作是这5个二元缝阵辐射场的叠加。图5中所标的字母Im1，Im2，Im3…等，是以Im1点为参考所作的归一化，用来表示各辐射点电场幅值的大小；另外用β1，β2，β3表示Im3，Im5，Im6点电压相位滞后于Im1点的数值。这些数值的获取是通过对微带贴片的实际测量，代用公式求得微带上传输波的波长并求得相应的波形，这样各点相位滞后情况就可知道，代用式(1)便可求出各点的等效磁流的大小。由于测量的误差，势必造成计算结果的失真，严重时，可能导致所得到的天线参数与实际情况背离很远。
　　针对上述辐射源排列，现简单的作一探讨，列出其辐射方程，供大家讨论。该情况下，天线方向图的E面、H面上有水平和垂直两种极化方式。求解时单独考虑。
　　(1)φ=90°平面上，Im1-Im′1，Im6-Im′6，Im3-Im′3，Im5-Im′5组成的辐射阵，在该面上只有Eφ分量，Im2-Im′2，Im4-Im′4组成的辐射阵，则只有Eθ分量。所以存在两种极化方式。公式如下：
　　
　　上述 ..

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2007-07-30

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