口径耦合宽频圆极化天线设计(编辑修改稿)

口径耦合宽频圆极化天线设计(编辑修改稿)内容摘要：

线时提出来的，它的优点是概念清晰，计 算简单。 只能用于矩形微带天线以及微带振子天线，对其他形式的微带天线，比如圆形，则不实用。 缺点是计算输入阻抗误差较大，而且没有考虑沿着与传播方 向正交的方向上场的变化。 因此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。 腔模理论 腔模理论是目前应用比较广泛的一种理论，它适用于分析多种形状的微带天 线，但是还要局限于天线介质基板厚度远小于波长的情况。 这种理论的基本思想，是将微带天线看成是一个上下以电壁为界，四周以磁 壁为界的介质腔体。 其分析方法是，先根据谐振腔理论建立腔内电磁场方程，导 出腔内场的一般函数表达式，然后利用电磁场的边界条件和激励条件，求解腔的 具体内场，从而得出腔体“口面场”（腔体边缘面的场分布），最后由此“口面场” 分布计算微带天线的远区场。 在腔模理论分析方法中有三点假设： （ 1）由于介质基片的厚度 0h  ， ，腔内电场只有垂直于上 下电壁的纵向分量，磁场只有平行于电壁的横向分量； （ 2）由于 0h  ，腔内的电磁场沿纵向无变化； （ 3）在四周壁上垂直于边缘的电流分量近似为零，即忽略磁场的切线分量 ； 正是由于这些假设比较合理，腔模理论的分析方法得到了与试验相符的结论。 积分方程法 积分方程法 (IEMIntegral Equation Method)通常也称为或者称为全波理论 （ FWFull Wave），该理论可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算 模型的精 度和机时的限制。 最初的典型作法是，先导出微带贴片上单位电流元满足边界条件的并矢格林函数 G ( r , r )，场点 (r 处 )的电场可表示为： ( , ). ( )() v G r r J r dvE r jw   （ 210） 式中， J（ r）是贴片上 r处 (源点 )的电流密度，令此电场在贴片表面的切向分量为零，便得到对 J（ r）的积分方程。 对该电流选择适当的基函数展开式和试验函数， 可将积分方程化为矩阵方程，从而可解出贴片电流并用来计算天线特性。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 35 页 相对于传统的传输线模型和腔模型理论， 积分方程法还有以下几个优点：准 确性、完整性和计算复杂性。 准确性是指相对而言全波理论能够提供更为准确的 结果；完整性是指全波理论对微带天线的分析涉及到了表面波效应、空间波辐射、 单元间的互耦现象；计算复杂性指全波方法是数值密集型的，需要进行大量仔细 的计算。 从数学处理上看，最早出现的传输线模型把微带天线的分析简化为一维的传 输线问题；接着产生的空腔模型则发展到基于二维边值问题的解析求解； 20 世纪 80 年代以来形成和发展的全波分析又进了一步，计入了第三维的效应，成为三维 边值问题的数值求解，因而最为严格 ，但也复杂得多。 前二类方法都是基于某些 假设而将问题简化，它们可统称为“经验模型”。 其优点是物理概念清楚，计算简 单。 时域有限差分法（ FDTD） 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。 CST 公司的 CST MICROWAVE STUDIO 微波工作室 (CST MWS)软件其核心就是时域有限积分法。 在使用 ADS,HFSS,CST 的过程中，就能体会到以上三种数值分析方法各自的优缺点。 ADS 功能强大，仿真手段丰富，相对于其他的电路仿真软件， ADS 计算比 较精确。 HFSS 精确度也比较高，并且仿真时间较短，不过物理模型的建模比较麻烦。 CST 建模方便，操作简单，精度不够高，而且仿真时间比较长，对电脑配置要求比较高，占用电脑资源很多。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 35 页 第三章 微带天线圆极化技术 能够辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线 ， 圆极化波具有以下重要的性质 : (1)圆极化是一个等幅的瞬时旋向场 ， 沿其传播方向看过去 ,波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆 ， 当用左手拇指指向传播方向 ,其余四指由相位超前  /2的线极化方向旋转  /2到另一滞后的线极化方向 ,则该圆极化波为左旋圆极化波。 同理 ,当用右手拇指指向传播方向 ,其余四指由相位超前  /2的线极化方向旋转 /2到另一滞后的线极化方向 ,则该圆极化波为右旋圆极化波。 (2)一个圆极化波可以分解成两个在空间上 !时间上均正交的等幅线极化波。 因此 ,从理论上实现圆极化天线的基本原理是 :产生空间上正交的线极化电场分量 ,并使二者振幅相等 ,相位差 90176。 圆极化波概述 圆极化波的产生 微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持 01, 10TMTM 模，两种主模同相且极化正交结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。 用微 带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的，幅度相等的，相位相差 90的线极化波。 当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法 :一 点馈电的单片圆极化微带天线。 正交馈电的单片圆极化微带天线。 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线。 微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。 圆极化波的性质 根据 天 线 辐射的电磁波是线极化或圆极化，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。 圆极化波具有以下 的性质： (1)圆 极化 波 时一个等幅的瞬时旋转场。 即 :沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。 若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为 LCP(Left一 HandcircularPolarization)。 若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波。 (2 )一 个 圆 极 化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。 由此，实现圆极化天线的基本原理就是 :产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差 90度。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 35 页 (3 ) 任意 极 化 波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。 作为特例，一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。 因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到。 反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。 这正是在电子侦察和干扰等应 用中普通采用圆极化波的原因。 (4 )天 线 若 辐 射左旋圆极化波，则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波 ,反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波。 这称为圆极化天线的旋向正交性。 其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。 在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。 例如 :国际通信卫星 V号上的 4GHz多波束发射天线辐射右旋圆极化波，形成两 个东、西 半球波束气同时也辐射左旋圆极化波，形成两个照射不同地区的“区域波束”，这四个波束都工作于 4GHz频段而互不干扰，从而实现四重频谱服用，增加了通信容 量。 (5) 圆极 化 波 入射到对称目标 (如平面、球面等 )时，反射波变成反旋向的，即左旋波变成右旋，右旋变成左旋。 由这 个 性 质可以知道，采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。 因为水点近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的。 而雷达目标 (如飞机、导弹等等 )一般是非简单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。 正是 由于 上述特性，圆极化天线现在已经获得了广泛的应用，从而进一步推动了微带天线圆极化技术的发展。 圆极化微带天线的主要电参数 轴比是圆极化微 带天线的主要电参数，也是衡量圆极化微带天线圆极化性能的主要参数。 我们可以将圆极化和线极化都看作是椭圆极化的特殊形式，椭圆极化的长轴和短轴之比便是轴比，当轴比为 1时，便是圆极化，用 db表示就是 0db，当轴比为 0或是∞时，便是线极化。 圆极化天线的实现 微带天下的优点之一就是便于实现圆极化，其实现圆极化的方法有如下两种，（ 1）单点馈电（ 2）多点馈电，多点馈电我们主要讨论两点馈电。 单馈电圆极化微带天线桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 35 页 图 单点馈电的圆极化微带天线 根据微带天线理论 ,矩形或圆形贴片微带天线由一点馈电可产生幅度相等 ，正交的两个简并模 ,但不能形成 90176。 相位差。 为了在简并模之间形成 90176。 相位差 ,必须在矩形微带天线上附加一个简并模分离单元 ,使简并模的谐振频率产生分离。 单馈点法是基 于空腔模型理论 ,利用两个辐射正交极化波的简并模 ,并在腔体内引入某种不对称性 ,以便消除两个模的简并性 当简并模分离单元大小选择合适时 ,对工作频率而言 ,一个模的等效阻抗相角超前 45176。 ,另一个模的等效阻抗相角滞后 45176。 ,这样就形成了圆极化辐射。 它无需任何移相网络和功率分配器就可以实现圆极化辐 射。 在 A型和 C型中 ,把馈点 F设定在 X轴上。 在 B型中 ,把馈电点设定在对角线上。 通过附加简并分离单元山来解出简并模的衰减。 对于 A型， 12| / | Qss，对于 B型， 1| / |Qss，对于 C型， 1 41| / | Qss。 其中 Q为微带天线的品质因数。 对于微带传输线有： 1 1 1 1 1t a n e ffc d swQ Qr Q Q Q     （ 31） 03 ( / )8( / )rr abhQ   （ 32） 001 2 0 /c h f hQ      （ 33） 1tandQ  （ 34） 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 35 页 其中， tan eff 为微带线等效损耗角正切值， , , ,c d swQ Q r 分别为辐射损耗，导 体损耗，介质损耗以及表面波损耗引起的相应的品质因数。 r 为介质的相对介电常数， h为介质基片厚度。 通过以上公式可以计算出微带天线的品质因数 ,从而可以计算出简并分离单元的大小。 双馈点法圆极化微带天线 利用两个馈电点来对微带天线馈入幅度相等 ,相位差为 90176。 的两个信号 ,这两个馈电点成直角分布时即可形成圆极化辐射，最简单的实现方法是采用 T形分支 ,使两条支路有四分之一波长的路径差，为此要保证各支路传行波 ,一个实例如图 ,二条支路分别激励 01TM 模和 10TM 模，两者的输入电阻分别为 abRR， ，则可由如下 35公式计算。 1 a 02 0 tt0= RZZ= ZZZ=2ZZ (35)。