宽带圆极化微带天线设计.doc

宽带圆极化微带天线设计关键词： 微带天线， X波段，设计，分析，HFSS，仿真目 录1 绪 论11.1 本课题研究背景11.2 微带天线的发展11.3 微带天线的优缺点21.4 本课题研究内容32 微带天线基本概念及原理52.1 天线的基本概念52.2 天线的辐射原理62.3 天线的基本参数62.3.1 天线的极化72.3.2 天线方向图的概念72.3.3 天线输入阻抗的计算方式82.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带82.3.5 天线的驻波比92.4 微带天线的简介102.4.1 微带天线的结构与分类102.4.2 微带天线的辐射机理102.4.3 微带天线的形状112.5 微带天线的分析方法112.5.1 传输线模型法112.5.2 空腔模型法132.5.3 积分方程法132.6 微带天线的馈电方法142.7 微带天线圆极化技术152.7.1 圆极化天线的原理152.7.2 圆极化实现技术163 宽带异形贴片微带天线设计213.1 微带天线的仿真213.2 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍213.3 HFSS对具体实例的仿真213.3.1 选取微带天线模型213.3.2 微带天线的仿真优化234 双点馈电圆形圆极化微带天线设计354.1 HFSS对圆极化微带天线的仿真354.1.1 选取圆极化微带天线模型354.1.2 圆形圆极化微带天线的仿真优化355 总结结论及展望41参考文献421 绪 论1.1 本课题研究背景天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信和雷达系统中有着不可替代的作用。自 19 世纪初首次在跨越大西洋的无线通信使用天线以来，无数科学家投身到了 天线的研究当中。早在1953年，G.A.Deschamps教授就已经提出了利用微带线来实现微带天线的观点。但是在其后的二十年里，微带天线技术并未得到很大的发展。直到20世纪70年代，微波集成技术和空间技术的发展以及空间卫星技术对低剖面天线的需求的加大，极大地推动了微带天线的研究和发展，R.E.Munson和J.Q.Howell等人研制成功了首批实用的微带天线。之后，微带天线的研究也取得了突破性的进展。最初的微带天线只作为全向共形天线而应用于导弹和火箭领域；现在，微带天线已得到了空前的发展、被广泛的应用于各种无线通信系统中，覆盖了100MHz-100GHz的宽广频域。随着无线通信和电磁学的发展以及对无线产品需求的增加，圆极化微带天线也已经被广泛的应用。相对于其它种类的天线，圆极化天线具有突出的优点：（1）圆极化天线只能接收旋向相同的圆极化波。例如左旋圆极化天线只能够接收左旋圆极化波。（2）某一旋向的圆极化波射入对称目标后的反射波旋向逆转。即左旋极化波变为右旋极化波，右旋极化波变为左旋极化波。（3）线极化接收与发射天线对准之后旋转任意角度放置，接收信号十分微弱，而圆极化接收与发射天线旋转之后对接收信号强度的影响不大。（4）圆极化天线可接收线极化以及旋向相同的圆极化和椭圆极化的来波，其辐射波也可采用线极化天线以及旋向相同的圆极化天线来接收。宽频带通信具有保密性好、通信容量大、抗干扰能力强等优点，无线通信的发展和业务的增多对通信设备的日益宽带化提出了更高的要求。圆极化微带天线具备圆极化天线和微带天线的优点，在实现圆极化的同时还能够减轻天线的重量和体积，实现天线的低剖面性能，在天线的开发应用中备受关注。但是一般的单馈点微带贴片天线的圆极化频带宽度较窄，3dB轴比带宽通常不超过1.5%，使其在实际中的应用受到了一定程度上的限制。因此，设计具有宽频带性能的圆极化微带天线显得至关重要。本课题对宽频带圆极化微带天线展开了研究。1.2 微带天线的发展自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺之势。天线无处不在：家庭或工作场所，汽车或飞机里，船舶、卫星和航天器的有限空间内，甚至可以由步行者随身携带。天线是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要素。德国卡尔斯洛工学院的赫兹教授在1886年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线，并采用了谐振方环作为接收天线。此外，赫兹还用抛物面反射镜天线做过实验。虽然赫兹是一位先驱者和无线电之父，但他的发明只停留在实验室的阶段。1901年12月中旬，意大利波隆那一位20岁的研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的波长配备了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接受的发自英格兰波尔多的无线电信号。一年后，马可尼又不顾侵犯电缆公司横跨大西洋通信垄断权的诉讼，开始了正规的无线电通信服务。在20世纪初叶，能出现像马可尼的无线电那样举世瞩目的发明，实属罕见。随后，由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，马可尼的发明戏剧性地表现出在海事上的价值，为马可尼赢得了普遍的敬佩和赞赏，他被奉若神明。因为在无线电问世之前，船舶造海上是完全孤立的，当灾难来临时，即使是岸上或临近船舶上的人也无法给予提醒。随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到了更为充分地利用。如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于近地轨道、中高度地球轨道和对地静止轨道。静地卫星如同土星的光环围绕土星那样围绕地球。手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度的信息，其精确度达到厘米级。载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下，已经访问了太阳系的行星背后。探测器用厘米波发回的照片和数据，其信号单程就经历了五个多小时。现有的射电望远镜天线工作于毫米到千米的波长，接收来自百亿光年之遥天体的信号。天线为飞机和船舶提供必不可少的通信联络。移动电话和所有类型的无线器材都借助天线为人们提供对任何地点于任何人的通信。随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度。天线将能提供对任何事物的极其重要的联系。天线将成为未来的明星。微带天线的概念早在1953年就已经提出了，但并未引起工程界的重视。在五十年代和六十年代只有一些零星的研究。真正的发展和实用是在七十年代。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展又迫切需要低剖面的天线元。1970年出现了第一批实用的微带天线。1979年在美国新墨西哥大学举行了微带天线专题国际会议，1981年IEEE天线于传播会刊在一月号上刊登了微带天线专集。这以后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。这表明微带天线终于成为天线研究中的一个重要课题，受到各方面的关注。由于独特的结构和多样化的性能，它必将在广阔的波段内的各种无线电设备上得到越来越多的应用。 1.3 微带天线的优缺点1.与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：（1）剖面薄，体积小，重量轻，能与载体共形，并且除了在馈电点外要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。（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；特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。（3）能与有源器件和电路集成为单一的模件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。（4）不需要背腔，微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、相移器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。（5）稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；无须做大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上。2.微带天线的主要缺点是：（1）频带较窄，主要是谐振式微带天线，现在已有一些改进办法。（2）损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。（3）单个微带天线功率容量较小，一般用于中、小功率场合；（4）性能受基片材料影响大。（5）大多数的微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受限制（约为20dB）。（6）馈线与辐射元之间的隔离差，端射性能差，可能存在表面波。不过已发展了不少新技术来克服或减少上述缺点。例如，已有多种途径来展宽微带天线的频带。常规设计的相对带宽的约为中心频率的（1-6）%，新一代设计的典型值为（15-20）%，利用带固态功率放大器的有源微带阵来组阵，可获得相当大的总辐射功率。1.4 本课题研究内容21世纪随着社会的不断发展，不管是在民用产品还是在军用方面，对天线的要求越来越高，针对以上需求，本文对微带天线发展的现状、采用圆极化微带天线的优点、圆极化天线存在的不足以及开展圆极化微带天线研究的的目的性和必要性进行了说明，并列举了一些微带线性能的实例，还介绍了天线的基本性能参数、研究了微带天线的分类和基本辐射原理，而且对圆极化微带天线技术进行了介绍；简单分析比较了微带天线常见的馈电形式以及宽频带微带天线常采用的方法，并且对这些天线存在的意义、特点、分类以及可能存在的问题给予了非常详细地说明。在此基础上设计了宽带微带天线和双点馈电圆极化微带天线。最后，在研究此课题的过程中，对于今后天线技术的发展及应用前景做出了设想，这样对今后的研究方向和研究方法有一个清晰的认识。2 微带天线基本概念及原理天线是一个用于发送和接受电磁波的重要的无线电设备，没有天线就没有无线电通讯。不同种类的天线适用于不同的用途，不同场合，不同频率，不同要求等不同情况；天线种类繁多，可按照一定特征进行分类：根据用途分类，可分为通信天线，雷达天线等；根据工作频段分类，可分为短波天线，超短波天线，微波天线等。2.1 天线的基本概念天线存在于一个由波束范围、立体弧度、平方（角）度和立体角所构成的三维世界中。天线具有阻抗（自阻抗和互阻抗）。天线于整个空间相耦合，并具有一个用开尔文度量的温度。天线的极化分为线极化、椭圆极化和圆极化。无线电天线可被定义为一种富有导行波与自由空间波互相转换区域的结构。天线将电子转变为光子，或反之。不论其具体型式如何，天线都基于由加（或减）速电荷产生辐射的共同机理。辐射的基本方程可简述为 IL = Qv (Ams-1)基本辐射方程式中 I = 时变电流，As-1L = 电流元的长度，mQ = 电荷，Cv = 速度的时间变化率，即电荷的加速度，ms-2因而，时变电流辐射即加速电荷辐射。对于稳态简谐振荡，我们通常关注其电流；对于瞬态简谐振荡或脉冲，则关注其电荷。辐射的主要方向垂直于加速度，辐射功率正比于IL（或Qv）的平方。所有的无线电设备都需要使用无线电波来开展工作，天线在作发射时，它将电路中的高频电流转换为极化的电磁波，发射向规定的方向；作接收是，则将来自特定方向的极化的电磁波转换为电路中的高频电波。所以天线的功能主要由： （1）能量转换对于发射天线，天线应电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。对于接收天线，传输到接收机上的由天线接收的电磁能量应尽可能转换为电路中的高频电流能量；天线和发射机或接收机应该尽可能良好的匹配。 （2）定向辐射或接收 发射及接收天线的辐射电磁能量应集中在指定的方向上，否则接收所需信号的同时，还有可呢过接收到不同方向的其它信号，造成不必要的干扰。所以好的天线一定需要具有良好的方向性。在接收距离过远的信号时，必须采用定向性好、增益高的天线。 （3）应有适当的极化天线发送或接收的电磁波一定是规定极化的，不同极化的电磁波无法互相接收或接收会损失大部分能量。 （4）天线应有一定的工作频段任何天线都有一定的工作频段。天线的接收和发送是互相的。由互易原理，天线和馈电网络中如果没有非线性器件，那么用同一天线来发射和接受电磁波时，基本特征保持不变，所以可以使用分析发射天线的方法分析接收天线特性。2.2 天线的辐射原理天线是用于发射或接收无线电波的装置，在很久以前科学家们就证实了只有天线才能将带有信息的无线电波传送出去，也只有天线才能将外界的无线电波接收进来，所以在无线电波的传播过程中天线的作用显而易见。作为辐射体，天线在辐射电磁波时，须要具备以下条件：(1)电流源输入到天线上，其频率必须很高。高频电流才可以产生高速变化的电场，在周围建立强大的位移电流，并在附近产生出时间推移而变化的强磁场，这个强磁场又会在附近产生变化的磁场，在空间中互相推进。场强一定，波源频率与位移电流成正比，与能量辐射也成正比，而静态电场或磁场不会变化，它的频率为零，不产生辐射。低频场变化缓慢，低频电磁辐射也较弱。所以必须使用高频以产生有效辐射。(2)天线的结构：并不是任意带电物体都会产生电磁波并且辐射电磁波。要使波源从辐射体辐射出有效的能量，使能量脱离辐射体，必须它的结构是一个带电的开放系统。就是说这个辐射体若要辐射能量，必须将它做成耦合形、开发形传导结构，否则产生的辐射会非常微弱甚至无法辐射。电磁波辐射是导线带有交变电流而形成的，导线的长度、形状决定了辐射能力。如果两根导线的位置非常接近，则两导线相互抵消了感应电动势，从而产生的辐射非常微弱。如果将两导线分开，由于电流方向相同，在同一方向产生感应电动势，从而产生较强的辐射。导线上的电流随导线的长度增大而增大，当导线长度增大到可与波长相比时，则能够形成强大的辐射，称为振子。如图2.1： 图2.1 振子辐射图对于不同种类的天线，他们的发射能力和特性指标各不相同。但每一种天线都既可以做发射天线也可以做接收天线，这是它们的主要特点之一，这就是天线的互易原理。2.3 天线的基本参数要了解天线知识，就需要了解天线的基本参数。对于衡量天线性能的一些指标，就需要运用天线的参数来描述。设计与仿真微带天线时，往往需要一些指标来指导设计者进行天线设计，例如天线的极化、方向图形状，输入阻抗、工作频率和频带宽度、驻波比等。通过定义天线的各个参数可以描述天线的性能。接下来接收天线设计中的一些重要参数。2.3.1 天线的极化电磁波电场矢量的空间指向就是电磁波的极化方向。电磁波的极化是指在空间的一点上，顺着电磁波的传播方向，它的电场矢量在空间的方向随时间变化而形成的轨迹。根据形成的轨迹是直线、圆或椭圆分为线极化、圆极化和椭圆极化。图2-2为电磁波电场矢量在空间的方向随时间变化而形成的轨迹曲线。EyWExEyWyEyzEx短轴长轴极化椭圆（a）线极化（b）圆极化椭圆极化（c）极化椭圆 图2.2电磁波的极化可以确定天线的极化。天线的极化定义为：最大增益方向发射的电磁波的极化，或能使天线终端在接收电磁波时得到可用范围内最大功率的方向入社电磁波的极化。天线可根据不同形式的极化分为线性极化天线和圆极化天线。椭圆极化波就是在传播过程中的方向是旋转的电波。若旋转过程中电场的大小不变，则称之为圆极化波。按传播方向为顺时针或逆时针旋转又分为右旋圆极化波和左旋圆极化波。不同的极化波作接收时，天线需要具有相应的极化特性。用垂直极化波作接收时，天线需要具有垂直极化特性：用水平极化波作接收时，天线需要具有水平特性；用右旋极化波作接收时，天线需要具有右旋极化特性；用左旋极化波作接收时，天线需要具有左旋极化特性。当米波的极化方向与接收天线的极化方向不一致就会在接收过程中产生相应的极化损失，接收天线的极化方向和传入波的极化方向正交时，接收天线将无法收到米波的任何能量，这种情况就称为米波和接收天线极化是相隔离的。2.3.2 天线方向图的概念天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形被称为天线方向图，由天线方向图便可了解天线的辐射特性。天线方向图普遍是在远场区域确定的，所以天线方向图又称为元昌方向图，辐射特性有功率，场强，极化和相位。因此，天线方向图被分为功率，场强，极化和相位四种方向图。这里主要涉及场强和功率方向图。通过两个途径可绘制出天线方向图：第一，分析天线远区辐射场得到方向图的函数，从而计算和绘制方向图；第二，实验测量得到天线方向图的数据，根据数据绘制出方向图。远区辐射电磁场大都可以表示为： （2.1） （2.2）式中，E是电场强度的分量，它与坐标无关，与激励有关；H是磁场强的分量；f(,)为天线的方向图函数；r为天线上一点到某点间的距离， 为自由空间波阻抗； 为相位常数。归一化方向图函数表示为： （2.3）式中，(m,m)为天线最大辐射方向，f(m,m)为方向图函数的最大值。由式（2.1）和（2.2）得出两个值相等，由此得出天线的辐射场方向图由f(,)和F(,)构成。天线方向图为一个三维空间的曲面图形，它描述了电场强度在空间的分布情况。通常是通过描述最大辐射方向的两个正交平面上的侧描图的方法来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面在线极化天线中取为E面和H面。E面：是指通过天线最大辐射方向并与电场矢量平行的平面。H面：是指通过天线最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面。E面和H面互相正交。2.3.3 天线输入阻抗的计算方式天线和馈线的连接端，称为天线的输入阻抗，为了使天线的输入阻抗尽可能是纯电阻，应使电抗分量趋近于零，否则从天线到馈线的有效信号功率会受到输入阻抗的电抗分量的影响而减少。天线的输入阻抗可由公式计算： （2.4）天线的输入阻抗讨论的母的是对天线和馈线实行匹配，天线与馈线连接的最有利的情况是天线的输入阻抗是纯电阻，电阻应该等于传输线的特性阻抗，当天线输入阻抗存在电抗成分，电阻部分是不等于传输线的特性阻抗，必须匹配网络，以得到天线与馈线的良好匹配。天线的输入阻抗受到诸多因素的影响，比如天线的结构，馈电点的位置，其工作频率，几何尺寸，天气条件以及周围的环境等，天线的输入阻抗在天线设计和应用里是被关注的一个参数。2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带天线的共振频率是使天线的输入阻抗为零频率的电抗分量，称为天线的谐振频率。天线在移动通信系统的应用中，频带宽度通常根据驻波比SWR1.5（S-10dB）来定义天线的工作频带宽度。假设天线的最高频率为fmax,最低工作频率为fmin,对于窄频带天线，采用相对带宽(fmax-fmin)/f0×100%来表示其频带宽带。一般的，天线在其工作频带宽度内，它的性能在各个频率点上会产生不同，造成在可接受范围内的性能下降。2.3.5 天线的驻波比驻波比是天线系统的重要特性参数，它表达了对天线与馈线之间的匹配程度状态。由于入射波能量传输到天线的输入末端没有被吸收，产生的反射波，叠加形成了驻波比。驻波比与反射成正比，当它们的值越小，它们的匹配越好。馈线上的电流或电压的最大值与电流或电压的最小值之比，称为驻波比，公式表示为： （2.5）图2.3反映出了驻波比的定义：Z1TNA馈线ZcBZmABUZAUmaxUminmn天线图2.3 驻波比显然驻波比越小越好。若S=1,则天线与馈线完全匹配，不存在能量反射。在实际工作中，这一指标几乎不可能达到。S=1只是理想数值。在实际工作中测量这两个参数时一般都是S>1。2.4 微带天线的简介2.4.1 微带天线的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。常用的一类微带天线是在一个薄介质基上，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，利用微带天线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。还有一类微带天线叫做微带缝隙天线。它将上述接地板刻出缝隙，而在介质基片上的另一面印制出微带天线对缝隙馈电。微带天线可以按结构特征分为微带缝隙天线和微带贴片天线；按形状分为圆形、矩形、环形微带天线等。按工作原理可分为驻波型和行波型微带天线。驻波型天线只工作在谐振频率附近，有特定的谐振尺寸；行波型天线末端增加匹配负载来保证传输行波，它没有谐振尺寸的限制。2.4.2 微带天线的辐射机理微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。Lewin对微带的不连续性的辐射首次作了研究，他的分析是基于导体中流动的电流进行的。这个方法也可以用来计算辐射对于微带谐振器品质因数的影响。这个分析是以微带开路端和地板所构成的口径场为基础。按此分析，辐射对于品质因数的影响可描述为谐振器尺寸、工作频率、相对介电常数及基片厚度的函数。理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗。还证明，在用厚的而介电常数低的基片时，开路微带线的辐射更强。微带天线的分析方法有很多，为简单起见，我们以矩形微带天线为例，采用传输线模型分析方法介绍它的辐射原理。设辐射元长L，宽W，介质基片厚h。贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度w方向和厚度h方向无变化。仅沿长度L方向有变化，其结构见图2.6 (a)。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度，所以两开路端的垂直电场分量反相，如图2.6 (b)所示，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱）。而水平分量的电场是同相的，可等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，如图2.6（c）。远区辐射场主要由该分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向。也就是说，微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙组成的二元阵。 （a）开路端电场结构（b）场分布侧视图（c）等效辐射缝隙图2.6 矩形微带天线及其等效电路2.4.3 微带天线的形状贴片的形状多种多样，在实际应用中根据不同的性能要求和不同的安装条件，要使用的微带贴片天线形状也各不相同。因此，对各种形状的微带贴片天线进行分析，就是为了能使微带天线适用于各种特殊的用途。2.5 微带天线的分析方法微带天线的分析方法主要有3种方法：传输线模型法、空腔模型法和积分方程法。这3种分析方法各有所长，在具体的模型中应根据具体情况具体选择分析方法。在分析设计天线的过程中，应该合理使用理论分析和计算机辅助设计软件两种手段，扬长避短，综合运用，才能顺利、快速的完成天线的设计分析，得到满意的结果。由于传输线法较为简单方便，且特别针对矩形微带贴片天线，这里主要介绍传输线模型法，对其他两种方法只做简单介绍。2.5.1 传输线模型法图2.7 矩形微带天线及坐标系传输线模型法只适用于矩形微带贴片天线。如图2.7所示矩形微带贴片天线及坐标系，矩形的宽为w，长，为介质内波长。为了计算方便按如下的方法设置坐标系：z轴和y轴位于接地板上，z轴沿缝的方向。传输线模型将矩形微带天线看成是场沿横向没有变化的半波长传输线谐振器，场沿纵向呈驻波分布，天线的辐射主要由两开路端边缘缝隙产生。首先研究y=0处的缝隙辐射情况。设y=0处的电场为，缝隙的辐射可以用等效磁流来计算，等效磁流为 （2.6）V0是缝隙电压，该磁流与镜像一起在自由空间辐射，其辐射场的电矢量位为 （2.7）辐射场可由已知式计算，在图中所示的坐标系中远区场的矢量位只有分量，因此 （2.8）由上式可以计算缝隙的辐射功率并进一步计算缝隙的辐射电导，当时 （2.9）式中为自由空间波阻抗，。除了辐射电导外，缝隙的导纳还有一由于边缘效应引起的电纳部分，这部分可用微带传输线的延伸长度来表示 （2.10）可用如下经验公式计算 （2.11） （2.12）式中为介质基板厚度为h微带宽度为w的微带传输线的等效介电常数，Yc为其特性导纳。下面计算相距的两条缝的辐射情况。y=缝的等效磁流为 （2.13）与y=0处磁流的方向相同。构成一同相二元阵，二者的辐射场应由y=0处磁流的辐射场乘以二阵因子 （2.14）即（2.15）由此可得H面（）和E面（）两个主平面的方向函数 （2.16） （2.17）图2.8 矩形微带天线方向图根据计算得到的微带天线的方向图，微带贴为方形，和分别为半波长，图(a)为，图(b)为。当用微带线从辐射边对矩形贴片馈电时，天线的输入导纳应等于馈电缝隙的导纳与端接另一条缝隙的宽度为，长度为的微带传输线的输入导纳并联，即（2.18）式中Ys=G+jB为缝隙的辐射导纳，。2.5.2 空腔模型法空腔模型法把贴片与接地板之间的空腔看成是四周为磁壁、上下为电壁的有耗谐振腔，空腔的损耗主要是边缘缝隙的辐射损耗。空腔模型法首先求解空腔内的场，由边缘电场的切向分量求得边缘的等效磁流。然后再由等效磁流计算辐射场。空腔模型法适用于任何规则形状的微带贴片天线 2.5.3 积分方程法无论是传输线模型还是空腔模型都没有考虑空腔内的场在与贴片埀直方向上的变化，对于介质基片的厚度与波长相比不是很小时这种近似就会带来很大的误差。并且以上两种方法都只适用于形状简单的贴片，而积分方程法适用于任何介质厚度和任何结构的微带天线。积分方程法又称格林函数法，这种方法认为微带贴片天线的辐射场是由贴片表面的电流产生的。计算电流的辐射场可以借助并矢格林函数，首先要求得满足微带天线结构边界条件的并矢格林函数，然后利用积分式计算场。（2.19）在一些简单的情况下可以假设贴片上的电流分布，电流分布乘以并矢格林函数然后在电流所在体积积分即可确定辐射场，用这种方法确定场称为格林函数法。实际上这个积分式中源和场都是未知的，如果把场点设置在贴片表面，利用导体表面总切向电场分量为零的边界条件可以确定贴片表面的场，从而该方程成为源电流的积分方程，因此称为积分方程法。积分方程可以利用矩量法求解，求出电流后代回原方程即可确定场。2.6 微带天线的馈电方法一微带线馈电微带线馈电又称为边馈。用微带线馈电时，馈线与微带贴片共面，因此制作简单。但此时馈线本身要辐射，从而干扰方向图降低增益。由于微带贴片天线的输入阻抗与馈电点的位置有关，因此天线与馈线特性阻抗的匹配由适当选择馈电点位置来实现。馈电点的位置除了沿馈电边移动之外还可以通过一个间隙伸入贴片内部，如图2.9(a)所示。馈电点位置改变引起谐振频率的微小漂移可以通过修正贴片尺寸来补偿。在理论计算中，微带馈源的模型可等效为沿z轴方向的一个薄电流片，电流片的宽度为微带线的等效宽度。(a)微带馈电(b)同轴馈电图2.9 微带馈电和同轴馈电二同轴线馈电同轴线馈电是利用从接地板上的小孔伸入谐振空腔内的探针激励贴片天线，探针与同轴线的内导体相连，同轴线的外导体与接地板相连,如图2.9(b)所示。同轴线馈电的优点一是馈电点可置于贴片空腔内任意位置，便于天线与馈线的匹配；二是馈线位于接地板的下方，不会对天线辐射造成影响。缺点是不便于集成，用于天线阵时加工工作量大且很难保证各阵元馈电的一致性。三电磁耦合型馈电电磁耦合型馈电是利用与贴片靠近但不相连的微带传输线对贴片馈电，微带线与贴片可以共面也可以不共面。在不共面电磁耦合型馈电结构中还可以在馈线与贴片之间插入一带有矩形缝隙的接地板，微带线通过缝隙对贴片馈电。调节缝隙的尺寸可以方便地控制馈线至贴片的耦合。采用长度比贴片尺寸稍小的缝隙一般可获得满意的匹配。图2.10电磁耦合型馈电2.7 微带天线圆极化技术2.7.1 圆极化天线的原理辐射或接受圆极化的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要性质：1圆极化是一个等辐的瞬时旋转场。即，沿其传播方向看去波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，沿其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和在时间上均正交的等幅的极化波。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，振幅相差。3任意极化波可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由任意极化的天线收到。这正是电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化波工作的原因。4天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不能接收右旋圆极化波，反之，若天线辐射有旋圆极化波，则接收右旋圆极化波，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。在通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用这个性质。例如，国际通信卫星V号上的4GHz多波束发射天线辐射有旋圆极化波，形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波，形成两个辐射不同地区的“波束区域”,这四个波束都工作于4GHz频段互不干扰，从而实现四重频谱复用，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，反射波变为反旋向的，即左旋波变右旋，右旋波变左旋。微带天线的优点之一是便于实现圆极化工作，实现圆极化工作可采用单片法或多片法，单片法又分单点馈电法和多点馈电法，下面分别讨论这两种方法。2.7.2 圆极化实现技术一单片法单点馈电单片法是设法在微带贴片空腔中激励两个简并模，这两个简并模能辐射正交极化、幅度相等、相位相差的电磁波。以矩形微带贴片天线为例介绍如何在贴片空腔中激励出这两种模式，设矩形贴片尺寸为a×b，TM01模和TM10模在z轴方向的辐射场为TM01模：（2.20）TM10模：（2.21）由上两式可见TM01模和TM10模在边射方向的场在空间是相互正交的，为使它们合成圆极化波，还应该满足时间（相位）上正交和幅度相等的条件，即它们的比值应为： （2.22）式中，。由上式可见为使两种模式的场同时被激励并具有相同的振幅，应有，但此时它们的比值为实数而不是。为了实现相位上的正交并同时实现两种模式简并工作只能取，。为此，取近似正方形贴片，激励频率满足关系。设 （2.23）在的条件下（2.22）式可近似为 （2.24）圆极化条件要求比超前或滞后并且 （2.25）下面来求满足上述条件的A值，即求激励点的坐标值。图2.11 圆极化波的k平面上面各式中k值应为: （2.26）， （2.27） 对于三者之间在k平面中应有图2.11所示的关系，即k应位于以为圆心，以左旋圆极化波，由（2.24）式，应比超前，（2.24）式右边取。因此为直径的圆上，并且满足关系。 利用图2.11的几何关系求A的解：由三角形相似关系得， （2.28）由上式及（2.26）式得，（2.29）上两式相加得 （2.30）由（2.29）及（2.27）式得 （2.31）由上式解出 （2.32）代入（2.30）式可得A的方程 （2.33）该方程的解为 （2.34）由上式解出A，由（2.23）式即可确定馈电点的位置，由（2.32）可确定谐振频率。由（2.34）式可见，若则A0，（2.23）式的 无法确定。若A=1，由（2.23）式得 （2.35）由（2.24）式得，此时馈电点的轨迹就是矩形贴片的对角线，可在这种贴片的一角用微带线馈电获得圆极化特性。对右旋圆极化波（2.24）式右边取，只需定义 （2.36）则以上的讨论对右旋圆极化波完全适用，由三角关系可见，若是左旋圆极化波的馈电点，则或就是右旋圆极化波的馈电点。以上分析对其他形状的贴片同样适用。二单片法多点馈电用单贴片实现圆极化的另一方法是利用两个馈电点电来激励一对正交简并模并用馈电网络来实现相位上的正交。图2.12(a)采用T型分支激励正方形贴片中的TM10模和TM01模，两种模式的辐射场是正交的线极化波，90°的相位差依靠在一个支路中插入四分之一波长延迟线来实现。双点馈电网络的另一种形式是采用如图3.7(b)所示的3dB分支电桥。3dB分支电桥可在较宽频率范围内保持90°相移，而且由于匹配负载吸收了输入端口及辐射元的反射，有利于改善输入阻抗特性及终端反射所带来的轴比恶化，圆极化带宽可达30%。图2.12 多点馈电圆极化微带天线三多片法多片法是在不同的贴片中激励相互正交的模式来实现圆极化辐射的。图2.13所示的开在接地板上的微带缝隙和微带振子适当的组合也能产生圆极化波，微带振子和微带缝隙都为半波长，彼此相距四分之一波长，因此可以产生在空间和相位上都相互正正交的场。馈电微带线在