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微带天线的报告doc
微带天线的综述
卢宁
摘要:
移动通信技术的迅速进展和应用,有力地推动了现代通信天线向小型化、多功能(多频段、多极化和多用途)的方向进展,设计小型化多功能天线已成为当前天线界研究的重点。
微带天线以其体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形,易于制造,本钱低,易于与有源器件和电路集成为单一的模件,便于实现圆极化、双极化和双频段等长处取得日趋普遍的关注和应用。
本文详细介绍了关于微带天线的基础知识。
1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。
以图所示的矩形微带贴片天线为例,能够简单说明其辐射机理。
图微带天线辐射机理示用意
矩形微带贴片天线由介质基片、在基片上面的矩形导电贴片(辐射器)和基片下面的接地板组成。
假定电场沿微带贴片的宽度与厚度方向没有转变,则辐射贴片上的电场仅沿贴片长度(
/2)方向转变。
辐射大体上是由贴片开路边沿的边缘场引发的。
在两头的场相对于地板能够分解为法向分量和切向分量,因为贴片长为
/2,所以,法向分量反相,由它们产生的远场区在正面方向上彼此抵消。
平行于地板的切向分量同相,因此,合成场增强,从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。
所以,贴片可表示为相距
/2、同相鼓励并向接地板以上半空间辐射的两个裂缝。
微带天线的辐射场是由各类假定的电流及其沿天线结构的散布得来的。
为了求解微带天线辐射场中的远场值(方向图等),必需明白贴片表面精准的电流散布。
若是介质材料各向同性、均匀且无损耗,微带导体和地板导体的电导率为无穷大,则面电流和面磁流能够别离用切向电场和切向磁场表示为:
式中:
-----面法向单位矢量
图就是微带天线辐射边沿的场态和电流密度散布(侧面图)。
由图中能够清楚地看出,微带天线的向外辐射是由边缘裂缝实现的。
实际应用中,为简单起见,能够以为贴片单元上、下表面的面电流和面磁流相同。
然后,就可以够利用位函数由面电流和面磁流求解辐射场。
图微带天线辐射边沿场态和电流密度(侧面图)
假定只有电流存在,则微带天线外部任意点
的电场和磁场为:
式中:
-----介质的介电常数,F/m
-----磁导率,H/m
-----角频率,rad/s
上标e表示由电流产生的场,磁矢量位函数:
式中:
-----自由空间波数,
-----距离原点为日的点上的面电流密度,
同理,利用电矢量位函数F,磁流产生的场为:
上标m表示磁流产生的场,电矢量位函数F为:
式中:
-----距离原点为
的点上的面磁流密度,
为简单起见,所有场和电流的时刻因子
均略去。
总场为:
电矢量位函数F和磁矢量位函数A都是下列波动方程的解:
在远场中,成心义的场分量只是相对于传播方向的横向分量。
只考虑电流时,式能够写为:
而在自由空间中
只考虑磁流时,式能够写为:
式中:
-----自由空间波阻抗,
2微带天线分类
微带天线的特征之一就是相对于普通的微波天线有更多的物理参数,能够有任意的几何形状和尺寸。
微带天线能够分为三种大体类型:
微带贴片天线、微带行波天线和微带裂缝天线。
微带贴片天线
微带贴片天线(MicrostrippasteAntenna,MPA)由介质基片、在基片一面上形状任意的导电金属贴片和基片另一面的接地板组成。
实际上,能计算辐射特性的贴片图形是有限的(仅限于矩形、三角形、圆形和五角形等几种图形)。
而另外几种可能的形状如图所示。
图微带贴片天线其它可能几何图形
微带行波天线
微带行波天线(MicrostriPTraveling-waveAntenna,MTA)由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片另一面上的接地板组成。
原则上,任何一个TEM波传输体都能够改造成一个行波天线。
对微带线而言,TEM波传输线天线分为两种:
微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。
通常驻波天线为边射,而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。
因此,当波瓣指向边射方向时,行波天线就成为驻波天线。
微带行波天线一般为周期性结构,可预先计算其辐射特性。
同其它行波天线一样,能够用频率来控制主辐射方向。
图微带行波天线
微带裂缝天线
微带裂缝天线(MicrostripSlotAntenna,MSA)由微带馈线和开在接地板上的裂缝组成。
其概念是由带状线裂缝天线进展而来的,更确切地说,是由三板传输线进展过来的。
带状线裂缝天线的研究和应用都已比较成熟,但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。
图微带裂缝天线
MSA的长处是能产生双向或单向方向图。
在微带天线的设计中,采用贴片和裂缝的组合结构,能够额外增添一个自由度。
沿着微带馈线一边排列的导带和裂缝的组合能够产生圆极化辐射场。
微带裂缝天线能产生所希望取得的极化,且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。
3微带天线的鼓励方式
大多数微带天线在介质基片的一面上有辐射贴片,因此多采用微带馈电或同轴线馈电。
因为天线输入阻抗通常不等于50传输线阻抗,所以需要匹配。
匹配需要恰被选择馈电的位置,同时馈电的位置也会影响辐射特性。
图馈电模拟
微带馈电
微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电。
馈电点的位置将决定鼓励出哪一种模式。
若是天线的几何图形只维持主模,则微带馈电可偏向一边以取得良好匹配。
若是场沿矩形贴片的宽度转变,则当馈线沿宽度移动时,输入阻抗随之改变,进而使馈线和天线之间的藕合发生改变,使天线谐振频率产生一个小的漂移,而辐射方向图仍维持不变,能够略加改变贴片尺寸或天线尺寸,补偿谐振频率的漂移。
对于微带馈电,如图(a)所示,利用惠更斯原理能够把馈源模拟成贴在磁壁上沿特定方向的电流带。
在薄的微带线中,除馈线的极临近区域外,在贴片边界上的任何地方,那个电流都很小。
在理想情形下,可视馈源是必然电流的均匀电流带,以此来为天线提供鼓励。
同轴线馈电
一般情形下,同轴线的外表插座安装在接地板(印刷电路板)的背面,而同轴线内导体接在天线导体上。
对指定的天线模式,同轴馈电点的位置可由经验去找,以便产生最好的匹配。
如图(b)示,按照惠更斯原理,同轴馈电能够用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。
若是忽略磁流的奉献,并假定电流在圆柱上是均匀的,则可进一步简化。
简化到最理想的情形是,掏出电流圆柱,用一电流带代替,类似微带馈电的情形。
该带能够为是圆柱的中心轴,沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带,对于给定馈电点和场模式,等效宽度能够按照计算与测量所得的阻抗轨迹由经验肯定。
4矩形微带天线的分析方式
毫无疑问,最简单的微带贴片结构是矩形微带天线。
其大体天线元是薄介质层上的矩形金属贴片,介质层背面是接地板。
由于这种天线结构简单,因此成为大量研究论文的课题,而且多方尽力估计和计算矩形微带天线的辐射特性参数(如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带宽度等),如此就可以够大大提高天线研制的质量和效率,降低研制本钱。
目前己经出现了许多分析微带天线的方式,如传输线法、腔模理论、格林函数法和数值计算法等。
这些方式彼此补充、各有长短,不同形状、不同配置的矩形微带天线都能够找到适当的方式进行理论分析,对于微带天线的设计和分析十分有利。
进行微带天线分析,就是对已经由设计指标设计取得的天线模型进行预测,预测它的辐射特性、各项参数是不是知足要求,近、远场特性如何,通过度析,改良设计中的不足,减少边做边试的循环次数,因为矩形微带天线的自由度比较多,很多参数彼此影响限制,盲目地、毫无按照地“乱试”只会造成时刻、精力和财力上的大量花费。
必需弄清各类分析方式的优、缺点和局限性,在研究传统分析方式的基础上,不断了解最新的设计分析方式、改良方式和各类新的天线机构,方能事半功倍。
矢量位法
考虑矩形微带天线辐射的严格解。
可用Sommerfeld提出的波传播模理论来肯定水平电偶极子产生的场,并用数值法求解天线的特性。
如图所示的微带天线,基片的相对介电常数是
,厚度为h,微带上的电偶极子产生的场可用矢量位A来肯定。
图矢量位法坐标系
为了知足空气介质分界面上的边界条件,A必需有x和z分量,这些分量知足非奇次亥姆霍兹方程:
式中:
-----狄拉克占函数
由式解出A后,能够求出电磁场:
因此只要找到矢量位A,就可以够取得电磁场的解。
由于A的严格解是从方程中解出来的严格解,写不出显明的表达式,分析结果并非令人满意,而且也很难对所得结果做出清楚的物理解释。
并矢格林函数法
众所周知,明白并矢格林函数,任意源散布的场可由重积分求出。
Alexopoulos等人研究了印制在带地板的基片赫兹偶极子的并矢格林函数:
式中:
在必然假设下,贴片天线能够为是二维传输线。
应用边界条件、麦克斯韦方程和持续性方程可求出电流密度分量
和
。
但和矢量位法的情形一样,这种方式在数学上的计算也很麻烦,不易于分析。
导线网模型
Agarwal和Bailey将微带辐射结构模拟成细导线组成的导线网,应用Richmond反作用定理求得导线段上的电流,就可以够取得天线的全数特性。
虽然当线网够细时,此法能够取得专门好的结果,但计算需要相当大的运算机存储量,提高了设计本钱。
传输线模型
上述所有模型在预测微带天线辐射特性方面都不够完美,且计算量较大。
Munson和Derneryd提出的传输线模型能够得出适合大多数工程应用的结果,而且需要的计算量不大。
如图4所示此法的物理模型。
假设:
(1)微带贴片和接地板组成一段微带传输线,传输准TEM波,波的传输方向决定于馈电点。
线段长度
,
为准TEM波的波长。
场在传输方向上是驻波散布,而在其垂直方向(图中的宽度方向)上是常数。
(2)传输线的两个开口端(始端和结尾)等效为两个辐射缝,长为L,宽为W,缝口径场即为传输线开口端场强。
缝平面看做位于微带贴片两头的延伸面上,即将开口面向上折转
,而开口场强也随之折转。
由上述两条大体假设能够看出,当
时,两个裂缝上的切向电场均为x方向,且等幅同相,等效为磁流。
由于接地板的作用,相当于有两倍磁流向上半空间辐射,缝上等效磁流密度为:
式中:
V-----传输线开口端电压,V
传输线法物理模型
由于缝已放平,在计算上半空间辐射场时,就可依照自由空间处置,这
正是该法的方便的地方。
图微带天线等效电路
图是依照传输线法成立的微带天线等效电路。
图(a)为微带馈电方式,
为裂缝辐射导纳,
为微带贴片特性导纳;图(b)为同轴馈电方式,探针从接地板穿孔引出(称为“底馈”),该等效电路与图(a)的不同的地方在于:
(l)它在微带贴片开口端馈电,鼓励源离始端距离
。
(2)探针本身要引入感抗,用
表示。
利用上述等效电路能够求出裂缝的辐射导纳,然后利用传输线公式变换取得输入导纳。
当变换后的阻抗为实数时,表明天线发生了谐振,即可求得天线的谐振频率。
对于图(a)的微带馈电方式,输入导纳为:
B用等效伸长
表示:
式中:
-----传输线的等效介电常数,F/m
谐振时,
,在式中令总电纳等于零,即可取得:
由上式即可求出丸或谐振频率。
传输线法简明、物理直观性强。
但仍由于一些缺点使其应用范围受到专门大限制。
(1)传输线模型限制它只能用于矩形微带天线及微带振子。
(2)除谐振点外,输入阻抗(导纳)随频率转变的曲线不准确。
(3)缝导纳计算不准确,它的电纳部份通常按准静法计算,所取得的等效伸长在高频条件下不够准确。
腔体模型
腔体模型分析是在微带谐振腔分析的基础上进展而来的。
实际上,谐振式微带天线的形状和微带谐振腔并无显著区别。
分析微带谐振腔的一般方式是:
规定腔体的边界条件,找出腔中的一个主模,从而计算出谐振频率、品质因数和输入阻抗等。
把这种方式移植到
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