第5章-微带天线课件.pptx

第5章 微带天线第5章 微带天线5.1 5.1 微带天线简介和理论分析微带天线简介和理论分析5.2 5.2 微带天线的辐射原理微带天线的辐射原理5.3 5.3 微带天线的分析方法微带天线的分析方法5.4 5.4 微带天线全波分析种的数值分析方法微带天线全波分析种的数值分析方法5.5 5.5 微带天线的馈电微带天线的馈电5.6 5.6 矩形和圆形微带天线辐射特性矩形和圆形微带天线辐射特性5.7 5.7 微带天线的宽频带技术微带天线的宽频带技术5.8 5.8 微带天线小型化技术微带天线小型化技术5.9 5.9 微带天线仿真实例微带天线仿真实例第5章 微带天线5. 1 微带天线简介和理论分析微带天线简介和理论分析5. 1. 1 微带天线的起源、微带天线的起源、 发展以及前景发展以及前景Deschamps 在 1953 年首先提出了微带辐射器的概念。但是由于工艺技术的限制以及理论研究的不充分，微带天线在接下来的许多年并未得到足够的重视。到了 20 世纪 70 年代，随着理论模型的完善以及敷铜或敷金的介质基片的光刻技术的成熟，实际的微带天线才被研制成功，最早的实际微带天线是由 Howell 和 Munson 研制成的。第5章 微带天线之后，在通信卫星、导弹导航、多普勒雷达等众多领域微带天线得到了广泛的关注并得到了迅速的发展。随着微带天线应用的日趋广泛，它已成为天线研究领域的一个重要的分支，并逐渐成为一门重要的学科。微带天线因为自身的许多优点有着很大的发展空间和应用前景。第5章 微带天线5. 1. 2 微带天线的定义和基本模型微带天线的定义和基本模型微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板(介质基片)和覆盖在它两面上的金属片构成(用印刷电路技术或微波集成技术)。微带天线可以通过同轴线或者微带线进行馈电。覆盖在两面上的金属片为辐射贴片和接地板，其中辐射贴片的尺寸可以和波长相比拟，完全覆盖介质板的一片则称为接地板。辐射贴片的形状可以为方形、矩形、圆形等形状，理论分析时我们往往选择规则形状以简化分析，实际仿真设计过程则可以在规则形状的基础上进行相应的改进。最简单的微带天线模型如图 5.1 所示。第5章 微带天线图 5.1 微带天线模型第5章 微带天线5. 1. 3 微带天线的简单分类微带天线的简单分类微带天线大致可以分为四类：微带贴片天线、微带振子天线、微带线型天线和微带缝隙天线。这四种天线的简单模型如图 5.2 所示。其中微带贴片天线根据贴片形状又可以分为矩形微带贴片、圆微带贴片、三角形微带贴片等具体形式。简单的天线单元可以组成天线阵列。第5章 微带天线图 5.2 几种微带天线的简单模型第5章 微带天线5. 1. 4 微带天线的优缺点比较微带天线的优缺点比较相对于其他天线，微带天线有以下优点：(1)低剖面，体积小，重量轻。(2)具有平面结构，很容易做成共形天线，并不扰动装载设备的空气动力学性能。(3)制造成本低，馈电网络和天线结构可以一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产。(4)适合于组合式设计(振荡器、放大器等固体器件可以直接加载到天线基片上)。(5)容易实现双频段、双极化等多功能工作，便于获得圆极化。第5章 微带天线微带天线的主要缺点如下：(1)频带窄，通常只有百分之零点几到百分之几。(2)波瓣宽，损耗大，增益不高，功率容量小。(3)天线性能受基片材料影响大。(4)天线可能激励出表面波。第5章 微带天线5. 1. 5 微带天线的应用微带天线的应用微带天线的优点远远超过它的缺点，所以在实际应用中微带天线的应用范围十分广泛，现在微带天线主要的应用设备有通信卫星、雷达、遥感、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信、飞机高度表、环境检测仪表、医用微波辐射计等，频率范围大致在 100 MHz1000GHz 。随着理论研究的日趋完善和仿真设计的多样化尝试，可以预料微带天线会因为特有的优势而取代一些常规的天线。第5章 微带天线5. 2 微带天线的辐射原理微带天线的辐射原理微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和接地板之间的边缘场产生的。以矩形微带天线为例，天线辐射原理可用图 5.3 ( a )来简单说明。矩形微带贴片与接地板距离 h 为几分之一波长，由于 h 0 ( 0 为工作波长)，所以场沿 h 无变化。再假定电场沿微带结构的宽度方向也没有变化，则辐射器电场可由图 5.3 ( b )表示，电场仅沿贴片长度(半波长)方向变化。辐射基本是由贴片开路边沿的边缘场引起的。第5章 微带天线开路边沿的场可以分解为法向分量和切向分量，由于贴片长 / 2 ，所以两垂直分量电场相反，远区辐射场相互抵消，水平分量电场相同，远区场同相叠加，这时垂直于贴片表面的方向上辐射场最强。因此，两开路端可表示为相距 / 2 同相激励并向地板同相激励的两个缝隙，如图 5.3 ( c )。若考虑电场沿贴片宽度的变化，则微带天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示。第5章 微带天线图 5.3 微带天线第5章 微带天线5. 3 微带天线的分析方法微带天线的分析方法天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求出电磁场，进而得出其方向图增益和输入阻抗等特性指标。分析微带天线的基本理论大致可分为三类：最早出现也是最简单的为传输线模型理论，主要用于矩形贴片；更严格、更有用的是腔模理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况；第5章 微带天线最严格但计算最复杂的是积分方程法即全波理论，从原理上讲积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受到计算模型的精度和机时的限制。下面我们就这三种理论方法进行分析对比。第5章 微带天线5. 3. 1 传输线模型理论传输线模型理论传输线模型理论是一种最简单而又适合某些工程应用的模型。该模型将矩形贴片微带天线看做场沿横向没有变化的传输线谐振器。场沿纵向呈驻波变化，辐射主要由开路端处的边缘场产生。传输线模型理论的优点是方法简明，计算量少，物理直观性强。但其也有缺点：(1)只能用于矩形微带天线及微带振子，对圆形及其他的形式微带天线则不适用。第5章 微带天线(2)传输线模型一般是一维的，因此当馈电点位置在波垂直变化的方向变化时阻抗不变；在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称的，用圆图表示的阻抗曲线对称于实轴，这些都与实验不符合。实验表明，阻抗曲线与馈电点的二维位置有关，当馈电点由边缘向中心移动时，阻抗的不对称逐渐显著，并向电感区收缩。这种计算和实测的差异源于传输线本质的缺陷，因为微带天线并非只存在最低阶的传输线模式，还有其他高次模式的场存在，在失谐时这些模式将显示主要作用。一般说来，传输线较适合于在辐射边附近馈电，并且馈电点位于该边的对称轴上。第5章 微带天线5. 3. 2 腔模理论腔模理论腔模理论由 Y.T.LO 在 1979 年提出，其基于微带天线(h 0 )进行以下假定：(1)电场只有 E 分量，磁场只有 H x 、 H y 分量，即这是对 Z 向的 TM 型场。(2)内场不随坐标而变化。(3)四周边缘处电流无法向分量，即空腔四周视为磁壁。通过这一近似假定，天线辐射场可由空腔四周的等效磁流而得出，天线的输入阻抗可根据空腔的内场和馈源的边界条件而得出。第5章 微带天线腔模理论的优点如下：(1)可以用于精确计算厚度不超过介质波长百分之几的微带天线特性，且计算量不是很大。(2)这一理论对微带天线的工作特性有了更为深入的物理解释，不但可以用于矩形贴片，也适用于其他规则形状的贴片。第5章 微带天线但是，腔模理论也有以下缺点：(1)其假定内场不随 Z 坐标变化只能适用于 h 0 的情况，当使用厚基片时会引入误差。由于内场的假定是近似的，而且天线的外场是基于天线的内场，虽然外场的解法较为精确，但因为内场结果是近似的，所以最终导致外场的计算只能是近似的。(2)基本的腔模理论同样要经过修正才能得到较为精确的结果，特别是边界导纳的引入，把腔内外的电磁问题分成独立的问题，理论上严格，但边界导纳的确定较为困难，计算只能近似。第5章 微带天线5. 3. 3 全波理论全波理论全波理论也称积分方程法，通常先求出在特定的边界条件下单位点源所产生的场即源函数或格林函数；然后根据叠加原理，把它乘以源分布后，在源所在的区域进行积分而得出总场。因为通常源未知，因而要先利用边界条件得出源分布的积分方程，在解出源分布后再由积分算式来求出总场。全波理论是以开放空间中的格林函数为基础的，其基本方程是严格的。但是，由于严格的格林函数要在谱域中展开，求解积分方程有较大的难度和计算量。第5章 微带天线根据具体问题的实际情况，全波理论发展起来了一种简化处理方法：不是通过求解积分方程来得出场源(或等效场源)分布，而是基于先验性知识来假定场源分布。例如，利用空腔模型或传输线模型的已有结果来给出等效磁流分布或贴片电流分布，然后把格林函数与源分布相乘，在源所在区域积分而得出总场。这种方法的优点是既省略了积分方程的求解，又能获得较严格的计入微带基片效应的结果，但其应用受到场源分布的先验假设条件的限制。第5章 微带天线相对于以上两种理论而言，全波理论具有以下几个特性：准确性、完整性、通用性和计算复杂性。准确性是指全波理论能够提供最准确的结果；完整性是指全波理论包括了表面波效应、空间波辐射、单元间的互耦现象；通用性指全波理论可以用来分析任意形状、任意结构、任意馈电形式的微带天线单元和阵列；计算复杂性指全波理论是数值密集型的，需要进行大量仔细的计算。第5章 微带天线5. 4 微带天线全波分析中的数值分析方法微带天线全波分析中的数值分析方法微带天线的数值分析方法主要是指全波分析中的数值分析方法。传输线理论和腔模理论通常是对具体的问题进行近似假设，其模型简单，并没有复杂的数值分析，全波分析法通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程，解出源分布，再由积分算式来求得总场。由于实际问题的复杂性，积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成。第5章 微带天线全波分析中的数值分析方法主要包括矩量法、有限元法和时域有限差分法，而且随计算条件的不断改善，新的方法也不断涌现。在这些数值分析方法中，矩量法最为常用，有限元法和时域有限差分法也运用得较为广泛。下面对这三种方法进行介绍。第5章 微带天线5. 4. 1 矩量法矩量法矩量法是目前微带天线分析中应用最为广泛的方法。矩量法所处理的问题可概括为解线性非齐次方程，统一写为其中： L 为线性算子； g 为已知函数；f 为待求解函数。矩量法对式( 51 )的求解过程如下：第5章 微带天线在 f 的定义域内将其展开为一组线性无关的已知函数 f (x ) 的组合，即其中： a n 称为展开系数；f n ( x )称为基函数或展开函数。将式( 5-2 )代入式( 5-1 )，得离散形式的算子方程：第5章 微带天线在 L 上的值域内取权函数集合 w m (x ) ，并对适当定义的内积(f ， g )用每一个 w m (x ) 对式(53 )两边取内积，表示成矩阵形式如下：其中： l mn m ，Lfn ； g m m ， g 。第5章 微带天线解矩阵方程式(54 )，代入到式( 52 )即可得原问题的近似解。解的精度取决于基函数和权函数的选取及展开式的项数。当 m (x ) =f n (x ) 时，该方法通常称为 GalerMn方法。在一个特定的问题中，矩量法的关键是基函数和权函数的选取。基函数的选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函数；权函数也必须是线性无关的。基函数的选取可选全域基也可选分域基，当求解域为规则区域时，有可能用全域基方便地求解问题；当求解域不规则时，一般要用分域基离散。分域基比全域基具有更大的灵活性。第5章 微带天线5. 4. 2 有限元法有限元法有限元法是建立在变分法基础上的，它把整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。这些基函数在各自单元内解析，在其他区域内为零，这样可以用分片解析函数代替全域解析函数。对于二维问题，单元的划分可以取为三角形、矩形等，但三角形单元适应性最广；对于三维问题，单元可取作四面体、六面体，每个单元的形状都可视具体问题灵活规定。通过规定每个单元中合适的基函数，可以在每个顶点得到一个基函数。分片解析函数通过这些单元间的公共顶点连续起来，拼接成一个整体代替全域解析函数，并通过相应的代数等价可化为代数方程求解。第5章 微带天线由于基函数的定义域限于本单元，在其余区域为零，因此在所建立的矩阵方程中，矩阵元素大多为零，即稀疏矩阵。用稀疏矩阵程序计算该矩阵可以节省 90% 的计算机内存；而在用矩量法求解时，矩阵是满秩矩阵。有限元法最重要的优点是，其不受讨论物理模型形状的限制，这从单元和基函数的选取即可证明。第5章 微带天线5. 4. 3 时域有限差分法时域有限差分法时域有限差分法简称为 FDTD 方法，是一种时域(宽带)、全波、一体化的分析方法，在微带天线的分析和设计领域应用广泛。其先将 MAXWELL 方程在直角坐标系中展成六个标量场的分量方程，再将问题沿三个轴向分成很多网格单元，每个单元长度作为空间变元，相应得出时间变元。用有限差分式表示关于场分量对时间和空间变量的微分，即可得到 FDTD 基本方程。第5章 微带天线选取合适的场初值和计算空间的边界条件，可以得到包括时间变量的MAXWELL 方程四维数值解，并通过傅立叶变换可得到三维空间的谱域解。时域有限差分法与矩量法相比更广泛适用于各种微带结构，以及分层、不均匀、有耗、色散等媒质的问题。而且时域有限差分法易于得到计算空间场的暂态分布情况，有助于深刻理解天线的瞬态辐射特性及其物理过程，利于改进天线的性能。此外，时域有限差分法选用适当的激励源，通过一次时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性，避免了传统频域方法繁琐的逐点计算。第5章 微带天线 5. 5 微带天线的馈电微带天线的馈电 5. 5. 1 微带线馈电微带线馈电微带线馈电的模型如图 5.1 ( a )所示。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便地光刻，制作简便。但这时馈线本身也要引起辐射，从而干扰天线的方向图，降低增益。为此，一般要求微带线宽度 w 不能太宽，希望 w ，还要求微带天线特性阻抗 Z c要高些或基片厚度 c 要小，介电常数 要大。第5章 微带天线天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配可由适当选择馈电点位置来实现。当馈电点沿矩形贴片的两边移动时，天线谐振电阻变化。对于 TM 10 模，馈电点沿馈电边移动时阻抗调节范围很大。微带线也可通过间隔深入贴片内部，以获得所需阻抗。馈电点位置的改变将使馈线与天线间的耦合改变，从而使谐振频率有一个小小的偏移，但方向图一般不会受影响(只要仍保证主模工作)。频率的小漂移可通过稍稍修改贴片尺寸来补偿。第5章 微带天线 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，其背后为空腔磁壁。为计入边缘效应，此电流片的宽度 d 比微带线宽度 w 宽。微带馈线本身的激励往往要用到同轴微带过渡的形式，包括垂直过渡(底馈)和平行过渡(边馈)。第5章 微带天线5. 5. 2 同轴线馈电同轴线馈电同轴线馈电的模型如图 5.1 ( b )所示。用同轴线馈电的优点是： 馈电点可选在贴片内任何所需位置，便于匹配。 同轴电缆置于接地板上方，避免了对天线辐射的影响。用同轴线馈电的缺点是结构不便于集成，制作麻烦。这种馈源的理论模型可表示为 z 向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环。其简化处理是，略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。一种更严格的处理是把同轴开口作为传 TEM 波的激励源，而把圆柱探针的效应按边界条件来处理。第5章 微带天线天线设备作为一个单口元件，在输入面上常体现为一个阻抗元件或等效阻抗元件，与相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题。由于对大多数工程应用来说，简单的传输线模型给出的结果已足够满意。很多文献都给出了用传输线模型计算微带天线输入阻抗的方法。下面给出两种计算方法来进行比较。方法一：用传输线模型计算天线输入阻抗，此方法考虑了天线辐射缝之间的互耦，可适用于任意的馈电点。其等效电路如图 5.4 所示。第5章 微带天线图 5.4 同轴线模型的等效电路第5章 微带天线其中： Y s 为辐射缝的自导纳；Y m 为辐射缝的互导纳(以计入辐射缝的互耦)； Y c 、 分别为贴片形成的传输线的特性导纳和复传播常数( = +j )。图 5.4 中， 3 端口网络的导纳矩阵为第5章 微带天线若从辐射边馈电， I 2 = I 3 =0 ， L 1 =0 ，则有若从任意馈电点馈电，取端口 3 为馈电点， I 1 = I 2 =0 ，则得：第5章 微带天线当用探针馈电时，总输入阻抗还应加上引线电感 j X L 。它可用充填介质的平行板波导中的探针电抗来近似计算。设探针厚度为 d 0 ，有第5章 微带天线其中：自由空间的波阻抗；k 0 =2 / 0 自由空间波数; W e 等效宽度; re 或 e 为等效介电常数， e = e 为等效损耗正切。第5章 微带天线自导纳 Y s = G s+jB s ，其中 B s = Y c tan ( l )， l 是延伸长度。当 时，可忽略表面波的影响，由文献得出：第5章 微带天线而互导纳：第5章 微带天线其中: l = k 0 L e ; L e = L +l ；欧拉常数 Ce 0.577216 。第5章 微带天线J i ( x )和 Y i ( x )分别为 i 阶的第一类和第二类贝塞尔函数。 K g 、 K b 是考虑主辐射缝有限长度和边缝辐射影响的矫正函数，由于边缝辐射电导的影响与主缝有限长度的影响几乎可以完全抵消，因此有 K g =1 。 K b几乎不随 s 和 t 变化，在 2 r 4 ， 1. 5 l 2. 25 时， K b只是 的函数。第5章 微带天线第5章 微带天线方法二：把贴片辐射器的外部储能和辐射能量的影响看做壁导纳，实部对应辐射功率，虚部对应辐射器的外部储能。利用模式展开模型，得到壁导纳 Y 的近似关系式。通过距离L 1 和 L 2 的换算后，可得到任意馈电点的输入导纳为第5章 微带天线式中：Z 0 是微带线的特性阻抗。第5章 微带天线当用探针馈电时，总输入阻抗还应加上引线电感 j X L 。它可用填充介质的平板波导中的探针电抗来近似计算。设探针厚度为 d 0 ，有考虑到辐射贴片与地之间的电容效应，用平行板电容器的电容公式可得其等效电容为第5章 微带天线第5章 微带天线5. 5. 3 电磁耦合型馈电从 20 世纪 80 年代以来，出现了多种电磁耦合型馈电方式。其结构上的共同特点是贴近(无接触)馈电，可利用馈线本身，也可通过一个口径(缝隙)来形成馈线与天线间的电磁耦合，因此它们可统称为贴近式馈电。这对于多层阵中的层间连接问题，是一种有效的解决方法，并且大多能获得宽频带的驻波比特性。第5章 微带天线图 5.5 所示为口径耦合结构几何关系及等效电路，利用口径耦合的电磁耦合型馈电结构是把贴片印制在天线基片上，然后置放在刻蚀有微带馈线的馈源基片上。二者之间有一带有矩形缝隙的金属底板。微带线通过此口径来对贴片馈电。口径尺寸将控制由馈线至贴片的耦合，采用长度上臂贴片稍小的口径一般可获得满意的匹配。第5章 微带天线图 5.5 口径耦合结构几何关系及等效电路第5章 微带天线参看图 5.5 所示的等效电路，对于基片上的贴片，其输入导纳 Y p 由前面的传输线模型可计算得出。由于接地板上的缝隙只截获贴片上 L 方向电流的一部分，因此第一个输入变换比 n 1 取为这部分电流与总电流之比：第5章 微带天线第二个变换器计入微带馈线上由缝隙所引入的模电压变化量 V ：式中： E a 为口径电场，h 1 为微带线归一化磁场， S a 为口径面积； V 0 为缝隙电压。第5章 微带天线对于大的缝隙，变化比 n 2 可由下式得到：第5章 微带天线式中， J 0 ()是零阶 Bessel 函数。其中： W 、 rem 、 m 、 Z 0 m 是微带馈线的参数； W a 、 res 、 s 、 Y 0 s 是槽线的参数。第5章 微带天线由缝隙近场的储能所引入的电纳可简单地由两个短路槽线(特性阻抗为 Z 0s ，波数为 s )得出：再计入开路微带线 L s (特性阻抗为 Z 0 m ，波数为 m )的电抗，便得出总输入阻抗如下：第5章 微带天线式中， n 1 近似等于 L a /( e h )1 / 2 ， e 是微带馈线的有效宽度，故输入电阻随缝隙长度 L a 增加。谐振频率主要由 n21 Y p + Y a 决定，即当 n21 B p + B a 0 时发生谐振。因而意味着 B p 4 W 2 / Z 0 s s L 3 n ，这样，增大 L a 将使谐振频率下降。第5章 微带天线 5. 6 矩形和圆形微带天线辐射特性矩形和圆形微带天线辐射特性 5. 6. 1 矩形微带天线的辐射特性分析矩形微带天线的辐射特性分析矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。其结构如图 5.6 所示，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。第5章 微带天线微带贴片也可看做为宽为 W 、长为 L 的一段微带传输线，其终端(y = L 边)处因呈现开路，将形成电压波腹和电流的波节。一般取 L g / 2 ， g为微带线上波长。于是，另一端(y =0 边)也呈现电压波腹和电流的波节。此时，贴片与接地板间的电场分布也如图 5.6 所示。第5章 微带天线图 5.6 矩形微带贴片天线第5章 微带天线1. 微带天线的传输线模型微带天线的传输线模型微带天线是在导体接地板上的介质基片层加导体贴片而形成的天线，微带天线中的导体贴片可以根据不同的需要采用矩形、圆形以及多边形等不同的形状，其中矩形微带贴片天线是最简单的微带天线。这种天线结构简单，可以用来作为多种天线的单元。第5章 微带天线利用传输线模式分析矩形微带天线是早期的办法，也是最简单的办法。如图 5.7 所示，贴片的尺寸为 a b ，介质基片的厚度为 h ， 0 为自由空间波长。设沿贴片宽度和基片厚度方向的电场无变化，则该电场可近似表示为天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成，由等效性原理知，窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效面磁流密度为第5章 微带天线第5章 微带天线在其他平面上这些磁流的辐射不会完全相互抵消，但与沿两条 a 边的辐射相比都相当的弱。可见，矩形微带天线的辐射主要由沿两条 a 边的缝隙产生，该二边称为辐射边。第5章 微带天线图 5.7 矩形微带天线的传输线模型示意图第5章 微带天线传输线模式分析矩形微带天线方法的基本假设是： 微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输准 TEM 波。波的传输方向决定于馈电点。线段长度 b m / 2 ， m 为准 TEM波的波长。场在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向是常数。 传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝，长为 a ，宽为 h ，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端的延伸面上，即是将开口面向上转折 90 ，而开口场强随之转折。第5章 微带天线如图 5.7 ( a )所示，微带贴片看做是宽 a 长 b 的一段微带传输线，其末端( a 边)处因为呈现开路，将形成电压波腹；由于 b m / 2 ，于是另一端(b 边)处也呈电压波腹，此时微带贴片与接地板间的电场分布如图 5.7 ( b )所示。按第二条基本假设，开口场强向上转折 90 ，则两个辐射缝上切向电场均为 x 方向，且等幅同相。它们等效为磁流，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其中 V 为传输线开口端电压。第5章 微带天线以上分析可以得到，矩形微带天线的辐射等效成二元缝隙阵的辐射，并且缝上等效磁流是均匀的。利用磁流的辐射原理及电场的叠加原理，可以求出天线的辐射场为第5章 微带天线式中第5章 微带天线由于 h ，故 F 2 ( ， ? ) 1 。同样求得由式(532 )可见，若 ? =0 ，则在此平面上仅有 E 分量，故此平面为 E 面，这是包含准 TEM 波传播方向及 z 轴的平面。而在 ? =90 的平面， E =0 ，仅有 E ? 分量，故为 H 面，这是与传播方向垂直的平面。最大辐射方向在 =0 即 z 轴，这是同相激励二元阵的特点。第5章 微带天线尽管传输线法简明、物理直观性强，但是它的应用范围受到很大的限制。首先，传输线模型限制了它只能用于矩形微带天线及微带阵子。传输线法的另一个主要缺点是，除了谐振点外，输入阻抗(导纳)随频率变化的曲线不准确。由于传输线模型是一维的，当馈电点位置在垂直于波的方向上(即宽度方向)变化时，阻抗不变；其次，传输线模型相当于一个单谐振回路，在谐振频率附近，阻抗频率特性是对称的。上述两点与实验不符。尽管传输线法有着它的局限性，但是它可以给出形象的思维和粗略的计算，在工程设计中具有很重要的意义。第5章 微带天线 2. 矩形微带贴片天线的设计理论矩形微带贴片天线的设计理论1 )介质基片的选取确定微带天线形式之后就应选定介质基片，因为基片材料的 r 、 tan 和厚度 h 将直接影响微带天线的性能。采用较厚的基片，可以得到较宽的带宽，效率也较高，但 h / 0 (即电尺寸)过大会引起表面波的明显激励。通常，天线电厚度最大值约为 h / 0 0.2 。采用较高的 r ，微带天线的尺寸较小，但带宽较窄， E 面方向图较宽。当 r减小时，可以使辐射对应的 Q r下降，从而使频带变宽； r 降低还将减小表面波的影响。第5章 微带天线为了得到较宽的频带和较高的增益宜采用较低的 r 和较厚的基片材料。基片材料对天线的频带、效率和方向图等特性有着直接的影响，而这些影响互相制约。例如，为了展宽频带和提高效率而增大基片的厚度 h ，但 h 的增加不但使重量增加而且破坏了低剖面特性，这就限制了其在飞行器上的应用。事实上，并不存在各方面都理想的基片材料，而主要是根据应用的具体要求来权衡选定。第5章 微带天线2 )基板尺寸的确定图 5.8 所示为矩形微带天线的顶视图(即基板尺寸示意图)。所谓基板尺寸，是指图中的 WG 和 LG 。由于辐射的口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质过多向外延伸对这种场分布没有明显影响。在较低频段工作时，从减小天线重量及安装面积和降低成本着眼，WG 和 LG 的尺寸应尽可能小，实验表明沿辐射元各边延伸波长的 1 / 10 就可以了。因此，对于背馈情况可取第5章 微带天线图 5.8 基板尺寸示意图第5章 微带天线3 )贴片宽度 W 的选取在确定矩形微带贴片单元的介质基片材料及其厚度 h 后，应先确定单元宽度 W 的大小，这是因为当 r 和 h 已知时，等效介电常数 e 取决于 W ，而单元长度 L 的尺寸又取决于 e 。对于等效介电常数 e 可以由施奈德公式计算，即第5章 微带天线W 的尺寸对微带天线的方向图宽度、方向性系数、辐射电阻和输入阻抗都有影响，进而也就影响频带宽度和辐射效率。另外， W 的大小还直接决定了微带天线的总尺寸。选取较大的 W 对频带宽度、辐射效率和阻抗匹配都有好处。但为了防止产生高次模引起的畸变，宽度 W 的尺寸不得超过式( 539 )给出的值：式中： c 为光速；f 0 为谐振频率。由此可见，W总是小于 0 / 2 的值。第5章 微带天线第5章 微带天线式中，于是由此可见， L 不仅与 r 、 W 有关，还与厚度 h 有较大关系。第5章 微带天线5 )频带宽度 BW频带窄是微带天线的主要缺陷之一。线极化微带天线输入阻抗对频率的敏感性远大于方向特性对频率的敏感性。因此，天线的频带宽度通常以驻波系数 VSWR 值小于某给定值对应的频率范围来规定，即第5章 微带天线式中， Q 即总的品质因数。通常天线的总 Q 值近似等于天线辐射损耗的 Qr 值，即通常 Q =10100 ，所以微带天线带宽约为 0.7%7% ，可见是窄频带天线。等效介电常数 e和基片厚度 h 对带宽的影响很大。 e 越大， h 越小，则 Q 值越高，谐振特性越尖锐，故频带越窄。因此，基片材料和基片厚度的选取，应考虑天线频带的具体要求。第5章 微带天线3. 方向系数、增益和效率方向系数、增益和效率矩形微带天线的辐射可以认为是由两个相距 g / 2 的开槽天线辐射的叠加。根据方向性系数的定义，其中一个槽的方向性系数为式中第5章 微带天线因此，间隔为 L 的两个缝隙的微带贴片天线的方向性系数为式中 g 12 为归一化互导纳，可根据下式计算式中， J 0 (x )是以 x 为自变量的零阶贝赛尔函数。第5章 微带天线微带天线的增益等于：式中，天线效率式中， G r 、 G d 和 G c 分别为辐射电导、介质电导和导体电导。第5章 微带天线5. 6. 2 圆形及环形贴片的腔模理论分析圆形及环形贴片的腔模理论分析1. 用腔模理论分析圆形微带天线用腔模理论分析圆形微带天线如图 5.9 所示，简单的圆形微带天线是由在介质基片的一侧印有薄金属辐射片，另一侧印制接地板而构成的。基片内电场基本只有 z 分量，而磁场仅有 x 分量与 y 分量。因为h 0 ，可以认为在 z 方向上场没有变化，且微带边缘的法向电流分量趋近于零。基于这些假定，可以把圆形微带天线模拟成一个圆柱腔体，其上、下底面为电壁，侧面为磁壁。由此，在微带介质区域，相应于 TM mn 模的场可用解腔体问题的方法来确定。第5章 微带天线图 5.9 圆形微带天线第5章 微带天线空腔内场满足下列辐射形式的麦克斯韦方程(时间因子 ej t 已经略去，下同)：第5章 微带天线其中 J 为 z 方向的电流源，因基片很薄，假设 J 不随 z 变化，故有：其中对式(554 )两边取旋度可得：再利用式(553 )消去 H 即可得此时的波动方程为第5章 微带天线第5章 微带天线由此解出 E z 后，便可以由式( 554 )求出 H x 、 H y ：解方程(560 )的有效方法为模式展开法，即将其表征为各个本征模之和，本征函数可由求解无源区域的齐次波动方程得出：第5章 微带天线第5章 微带天线上述本征函数均相互正交，并且所有函数都满足空腔边界条件，这些函数的集合可以认为是完备集，因此它们的线性组合即可表示为式(5 60 )的一般解。由此可得，对于任意的分布，不同的激励条件将导致不同的激励振幅，从而获得不同的内场。第5章 微带天线假设场源是位于( 0 ，0 )处，宽度为 ? w 的脉冲电流片，其电流值为 I 0 ，则有：第5章 微带天线利用式(564 )和式( 566 )得或第5章 微带天线式中已取 k2mn =1 。(下同)由式(565 )知，式中 mn 是 J n 的第 m 个零点。圆形贴片 TM mn 模的谐振频率为第5章 微带天线空腔内磁场可由式(561 )、式( 562 )和式( 569 )得出：和第5章 微带天线第5章 微带天线这样，对于每种模式，均可计算出一个贝塞尔函数导数的零点对应的谐振半径。不同模式的内场和面电流分布以及周边等效磁流如图 5.10 所示。按照 ka 值增大的几个低次模情况列在表 5.1 中。其中，整数 n 为贝塞尔函数的阶数， m 是 J n ( ka )的第 m 个零点。第5章 微带天线图 5.10 n =0 ， 1 时的场与电流分布第5章 微带天线第5章 微带天线圆形微带天线 TM mn 模的谐振频率可由下式计算其中： c 为自由空间光速；k mn = (ka ) 为 n 阶贝塞尔函数导数的第 m 个零点。这里为将谐振器的边缘场的影响考虑在内，引入等效半径 a e 。第5章 微带天线在 a / h 1 时，由上式计算出的半径误差不大于 2.5% 。使用该公式可计算出工作于不同模式下微带贴片天线对应的尺寸。由公式及表 5.1 可知，对于圆形微带天线， TM 01 模为静态模，通常是无法辐射工作的；而 TM 11 模作为给定频率下谐振半径最小的模式，也是圆形微带天线最常用的工作模式，即圆形微带天线的主模。第5章 微带天线不同模式的面电流及等效磁流方向如图 5.10 所示，磁流沿周向以 cos n ? 分布，故沿圆周有 2 n 个零点；每经过一次零点，便改变一次方向。而由贴片表面电流分布则可以定性估计出各模式的方向图。定性分析可知，所有 TM 1 m 模均在边射方向上产生最大值，而对于TM 0m 、 TM 2m 、 TM 3m 则可在边射方向产生零点。第5章 微带天线解析时，可以由磁矢位计算出微带天线的远区场，从而由空间内场得出外空间的场。其辐射可由圆片与接地板之间在 = a 处的孔径上的 E x 得出，或由圆形导体中的电流得出。 E 0 在间隙两端的精确数值是未知的，但在 h / 0 1 时，可以认为它近似是 E 0 的常数。上半空间的辐射场则可以用镜像理论得出。将接地板代以等效磁流或者将等效磁流对孔径积分可计算得出电矢量位，于是可以根据此电矢量位求出球坐标中的远区场。第5章 微带天线此时，磁流在远区产生的电矢位为这里计入了接地板接入所引起的 J m 正镜像效应，并考虑到 h 0 ，故沿 z 向积分只是在此基础上乘以 2 h 。对于 TM mn 模空腔周边上(a ， ? ， z )处的等效磁流密度为第5章 微带天线磁流在远区(R ， ， ? )处产生的电矢位为第5章 微带天线用源处的激励电压 V 0 除以电流 I 0 ，即可计算出天线输入阻抗 Z in 。设馈源模型为具有一定宽度的电流片，则可以把该宽度范围内的平均电压值取为 V 0 ，即第5章 微带天线其中， E z 0 为 E z 在馈电宽度的平均值，那么利用式(566 )可知：式中，? mn 0 为 ? mn 在馈电宽度上的平均值。同样的，微带天线的品质因数也可由一定的计算推导得来，从而计算其理论带宽。第5章 微带天线2. 用腔体模型法分析环形微带天线用腔体模型法分析环形微带天线由于环形微带天线也具有对称结构，而且对于展宽带宽可起到较好的作用，同时本文的天线是用环形微带贴片作为辐射结构的，所以这里对环形微带天线的分析作简单介绍。圆环形天线是在介质基片的一面上为圆环形导体带，另一面上为接地板的结构，如图 5.11 所示。可用腔体模型的方法得到场的解。圆环形腔体由磁壁构成。由于 h 0 ，所以场沿 z 方向不变，因此可假定为 TM 模。对于 TM nm 模，在圆柱坐标系中，圆环谐振器的电场与磁场分布为第5章 微带天线第5章 微带天线图 5.11 圆环形微带天线第5章 微带天线其中： J n 和 Y n 分别为第一类和第二类 n 阶贝塞尔函数；整数 n 表示场沿方位角的变动，而整数 m 表示场沿圆环宽度的变动。圆环上面电流可求出，其电流的径向分量在边缘处消失，即第5章 微带天线解此方程即可得出各种模式，分别求出 k 值为 0.677 、 1. 340 、 1. 979 、 2. 587 和 3. 169 ，其主模对应于 n =1 和 m =1 。 k 值的近似值为第5章 微带天线几个模式的内场和面电流分布及边缘处的等效磁流方向如图 5.12 所示。在圆环的内边缘( = a )和外边缘( = b )处， TM 11 、 TM 13 等模的磁流是反向的，而 TM 12 和 TM 14 等模的磁流是同向的，这使 TM 11 模的方向性较弱而 TM 12 模的方向性较强。所有 TM 1 m 模在边射方向上的辐射为零。第5章 微带天线图 5.12 圆环形微带天线不同模式的场分布第5章 微带天线把边缘场的效应考虑进去即可计算出谐振频率：式中， e 是宽度为 W = b - a 的微带线的等效介电常数。谐振频率的理论值和实验值的相对偏差约为 8% 。环形天线的辐射场可由计算磁矢量位的方法得到。这里不作具体分析。在天线主模工作下，波束指向为正面，高次模下波束指向偏向侧面。第5章 微带天线经分析可知，天线的 Q 值越低，带宽和辐射效率将越大。在圆环形微带天线中，一方面主模 TM 11 模的辐射特性将与圆环形微带天线相似，其方向系数较低，频带较窄；另一方面 TM 12 等模的方向系数较高，特别是频带较宽，辐射效率较高。因此，圆环形微带