小型化微带天线的研究毕业论文(编辑修改稿)

小型化微带天线的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

天线互补。 与微带贴片天线相比，其优点是交叉极化电平低。 但由于缝隙本身电抗的影响，其驻波带宽一般比较窄，且是双向辐射的，不过这可以通过在介质基片的另一侧增加地板来消除背向辐射。 微带缝隙天线的分析可以由等效磁流利用矢位法来计算辐射场，进而得到其它的天线电参数。 现在已经出现了各种不同形式的微带缝隙天线结构，如图 23 所示。 图（ a）为附加了地板的微带缝隙天线 ，消除了背向辐射，采用带状线就可以方便地实现馈电。 图（ b）可以视为矩形排列的四元缝隙阵列，利用共面波导线来馈电。 图（ c）为微带线馈电的微带缝隙天线，其终端的开路枝节用于改善天线的匹配。 图（ d）是用槽线馈电的宽缝，其频带较宽但交叉极化较大。 图（ e）可视为共轴排列的微带缝隙天线，利用共面波导线来馈电。 图（ f）为微带线馈电的圆环缝隙，若缝隙改为长短轴相近的椭圆环，并合理设置馈电位置，还可以实现在边射方向上的圆极化辐射。 第二章 微带天线基本理论及分析方法 11 图 23 微带缝隙天线结构图 微带天线的馈电结构 微带天线的馈电会影响 到其输入阻抗进而影响天线的其它性能，因而它对微带天线的设计至关重要。 微带天线的馈电方法有很多种，我们从贴片与馈线是否有金属导体接触的角度出发将其分为直接馈电和间接馈电两大类。 其中直接馈电包括同轴探针馈电和微带线馈电，这两种方法因为设计简单而在实际微带天线的设计中使用最多。 而间接馈电则包括电磁耦合馈电、孔径耦合馈电和共面波导传输线馈电。 下面我们就分别对这几种馈电形式的结构和特点进行介绍，并在图 24 分别给出了各种馈电形式的结构图。 (a) 同轴馈电 （ b）微带线馈电 小型机载天线的研究 12 （ c）电磁耦合馈电 （ d）孔径耦合馈电 （ e）共面波导馈电 图 24 微带天线的馈电形式 直接馈电 同轴馈电也称为探针馈电，它是将同轴线的外导体与天线的地板相接，而内导体直接与贴片连接。 其优点是同轴线可以根据天线输入阻抗的匹配需求而放置在贴片下面的基片中的任何位置。 其缺点是需要在介质基片中钻孔以满足内导体的连接需求，同时该馈电形式需要一个向地板外面突出的连接器，这就有碍于微带天线的集成一体化设计 ，天线整体结构的非对称性会使得交叉极化相对较大。 此外，对于基片比较厚的贴片天线，探针长度的增加会使得探针的阻抗呈现比较大的感抗，从而给天线与馈线的匹配带来困难；此外对于相对介电常数大的基片，厚度增加还可能导致表面波的激励，从而降低了天线的辐射效率。 不过这可以通过一些变形的探针馈电形式加以弥补，如 L 探针馈电等，通过探针顶部连接的金属片对贴片进行电容耦合馈电，从而降低了探针的长度要求，改善了天线的匹配，提高了辐射效率。 微带线馈电利用集成电路制 造技术而将微带馈线与贴片刻蚀在一起，因而结构简第二章 微带天线基本理论及分析方法 13 单，易于制作。 其缺陷是直接与贴片相连接的馈线会产生一部分辐射。 随着天线工作频率的升高，当馈线尺寸变得可以与贴片尺寸相比拟时，馈线的干扰辐射将进一步加剧，由此会导致性能的恶化。 间接馈电 通常为了展宽微带天线的频带会使用比较厚的介质基片，这就会给以上两种直接馈电方法带来问题。 对于同轴馈电的情形，探针长度的增加会使得输入阻抗呈现出更大的感性，这将给天线的匹配带来问题。 而对于微带线馈电，由于特性阻抗的制约，基片厚度的增加会导致微带线上金属导带宽度的增加， 这将加剧馈线产生的干扰辐射。 下面介绍的这几种间接馈电方法可以解决这些问题。 电磁耦合馈电形式将馈线放置在地板和贴片之间，中间分别填充两种介质。 这种馈电结构消除了馈电网络的干扰辐射，又因天线介质基片的总体厚度的增加而展宽了天线的带宽。 此外，还可以分别调节两种填充介质的参数以优化馈线和贴片各自的性能。 其主要缺点是天线的性能对贴片和馈线的位置敏感。 电磁耦合馈电结构中，馈线和贴片位于地板的同一侧，而对于孔径耦合馈电，二者分居地板两侧。 电磁场通过在地板上切割的电长度较小的孔径或槽 从微带馈线耦合到辐射贴片上。 孔径通常位于贴片的正下方，以利用结构的对称性来抑制交叉极化电平。 耦合孔径的形状、尺寸和位置决定了电磁场由馈线到贴片的耦合度。 槽型耦合孔径的尺寸可以是谐振的，也可以是非谐振的。 对于谐振尺寸的槽型耦合孔径，它可以为天线提供另外一个谐振频率从而有效展宽了天线的频带，但是这要以增加天线的背向辐射为代价。 因此非谐振尺寸的槽型耦合孔径应用比较多。 这种馈电形式对于馈线和贴片位置误差的敏感度相对比较低，而且天线的带宽比较宽。 与电磁耦合馈电相似，也可以分别选择两层介质基片的参数来优化各自的性能。 共面波导线馈电的形式如图 24（ e）所示。 在这种结构中，共面波导线刻蚀在天线的地板上，由同轴探针激励，终止处是一个槽。 这种馈电方法的主要缺点是相当长的槽会产生比较强的辐射，从而导致天线的前后辐射比很差。 其前后辐射比可以通过小型机载天线的研究 14 减小槽的尺寸和改变槽的形状来加以改善。 微带天线的分析方法 微带天线的分析方法有很多，但是大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。 第一类方法基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，包括传输线模型（ The transmission line model）、腔体模 型（ The cavity model）、多端网络模型（ Multiport Network Model）等。 而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量法（ method of moments）、有限元法（ finiteelement method）和时域有限差分法（ finitedifference in time domain）等。 解析方法 天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。 因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天 线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。 由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应用。 传输线模型很简单，并且有助于理解微带天线的基本特性，因此首先介绍这种模型方法。 在这种模型中，微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。 天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙， 其上分布有面磁流。 利用矢量位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。 尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。 如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在一维第二章 微带天线基本理论及分析方法 15 下近似的话，那么腔体模型就可以称为二维近似。 因为腔体模型基于一维电小的基本假设（即介质基片的厚度远小于波长），将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是电壁而四周是磁壁的谐振空腔。 在腔体中，场沿基片厚度方向保持不变，并且它是该等效的 二维谐振器中所有谐振模式之和。 天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔四周的等效磁流来得到。 多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展，在这种模型中，贴片被等效为一个具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。 通过二维格林函数可以计算出该网络的多端阻抗矩阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和辐射场联系起来，然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵，由贴片四周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效磁流计算出辐射场。 利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片天线中获得应用。 数值方 法 虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义，但是它们不能用来分析任意形状的微带天线，同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方法提出了考验。 然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路，即依据微带天线的电磁场边值问题，将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代数方程。 由此也产生了多种数值方法，它们各具有一些优缺点和适用性，这里我们仅介绍几种典型的分析方法。 矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板上的表面电流的积分方程，然后利用函数展开 法将此积分方程转化为矩阵方程，利用计算机便可得出近似解。 矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高的精度。 有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元（如在二维结构中选取三角形单元，在三维结构中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电磁场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的插值，根据变分原理或迦略金方法小型机载天线的研究 16 便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程，利用计算机便可方便求解该代数方程。 有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点，但是其求解精度要受 求解区域剖分精细程度的影响。 时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。 选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件，便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间的频域解。 时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带范围内特性。 但是其数值解的稳定性要受时间步长 和空间步长的限制。 第三章 微带天线的小型化及宽频带技术 17 第三章 微带天线的小型化及宽频带技术 微带天线的小型化技术 概述 现代电磁学历经三百多年的发展 ， 日臻成熟完善。 天线作为实现无线电应用的关键设备 ， 顺应通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展。 今昔对比 ， 天线在功能、设计及制造工艺上都发生巨大变化。 然而微电子技术与大规模集成电路迅猛发展 ， 使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题日渐突出 ，因而对能与设备大小协调且具有有效电性能的小天线的需求愈加迫切。 以移动通信 和个人通信为例 ， 目前广泛应用于移动通信设备的单极天线和螺旋天线有许多缺点 :(1) 不能集成到设备外壳上 ， 尺寸大 ， 易损坏 ； (2)辐射效率低 ， 难于屏蔽 ， 人体对天线的性能影响较大 ； (3) 天线对人体尤其是脑部有较大幅射 ， 局部峰值甚至超出 ANSI/ IEEE C95. 121992 标准规定的限制 ； (4) 仅有一种极化特性 ， 电气性能较差 ； (5) 需要匹配电路 ， 损耗大 ， 成本高。 而若采用微带天线 ， 则拥有以下颇具特色的优点 : (1) 便于与机身共形 ， 集成到设备的印制电路板或外壳上 ， 制成内置式 ， 不易损坏 ， 不额外增加 设备尺寸 ； (2) 可采用高水平的屏蔽技术来屏蔽天线 ， 使天线几乎不受人体的影响 ， 同时大大削减天线辐射对人体的危害 ； (3) 馈电方方式多样化 ， 易获得阻抗匹配 ， 不需匹配电路或平衡转换器 ， 不存在天线与射频电路之间的物理限制 ； (4) 易设计出移动电话使用的双频或多频天线。 此外 ， 小型化微带天线还可用于 PCMCIA 通信卡和无线调制解调器中 ， 为笔记本电脑等便携设备提供通信能力。 然而遗憾的是 ， 在较低频段 (VHF/ UHF) ， 传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。 这样 ， 实用化小型微带天线的研制 ， 特别是用作第三代移动通信 (3G) 系统、蓝牙(Bluetooth) 系统及无线定位系统的天线 ， 成为国内外研究热点。 与普通微波天线相比 ， 微带天线实现了一维小型化 ， 具有低轮廓、可共形、易集成 ， 以及便于获得圆极化 ， 实现双频段、双极化工作等多项优点。 然而任 何事件都具有两面性。 小天线的 Q 值极高 ， 因此辐射效率低、频带窄。 微带天线是小型机载天线的研究 18 一维小天线 ， 必须经恰当设计才能获得良好性能。 微带天线小型化方法 目前 ， 微带天线小型化方法主要有以下几种 : 1． 天线加载 在微带天线上加载短路探针 (shorting post) ， 通 过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化 ， 典型结构如图 1 所示。 天线的谐 振频率主要取决于短路探针的粗细和位置 ， 天线尺寸可缩减 50 %以上。 其缺点是 : (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ ， 往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ ， 这给制造公差提出了苛刻要求。 (2) 带宽窄。 (3) H 面 的交叉极化电平相对较高。 图 1 加载短路探针的微带天线 将短路探针替换为低阻抗的切片电阻 (chip re2sistor) ， 在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。 随加载 电阻增大 ， 天线品质因素降低 ， 带宽展 宽 ， 制造公差降低 ，但这些性能的提高以牺牲增益为代价。 一般地 ， 若加载 1Ω 切片电阻 ， 增益下降约 1. 5dB。