射频微波天线.ppt

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1、第第1212章章 射射频频/微波天微波天线线12.1 12.1 天天线线基基础础知知识识12.1.1 天线基本指标天线的基本指标介绍如下：(1)天线增益G定义为 （12-1a）式中,Pr为被测天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2;Pi为全向性天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2。增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度,即(2)天线输入阻抗Zin定义为式中,U为在馈入点上的射频电压；I为在馈入点上的射频电流。（12 1b）（12 2a）天线是个单口网络,输入驻波比或反射系数是一个基本指标,为了使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可能小。阻抗、

2、驻波比与反射系数的关系为（12 2b）(3)辐射效率r定义为 （12-3）式中,Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W。(4)辐射方向图：用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布,如图12-1所示。(5)半功率角的定义如图 12-2 所示。图 12-1 辐射方向图 图 12-2 半功率波束宽度(a)按电场定义；(b)按功率定义(6)旁瓣:在主辐射波瓣旁,还有许多副瓣,沿角度方向展开如图12-3 所示。其中,HPBW为半功率波束宽度,辐射最大功率下降3dB时的角度;FNBW为第一零点波束宽度;SLL为旁瓣高度,辐射最大功率与最大旁瓣的差。图 12-3 主瓣与旁

3、瓣(7)方向系数D定义为 （12-4）式中,Pmax为最大功率密度,单位为W/m2;Pav为平均辐射功率密度,单位为W/m2。常见的天线方向系数如下：偶极天线 D=1.5 或 1.76dB 单极天线 D=1.5 或 1.76 dB 抛物面天线 喇叭天线式中,d为抛物面半径,为信号波长,A为喇叭口面面积。12.1.2 远区场概念通常,天线看作是辐射点源,近区是球面波,远区为平面波,如图12-4 所示。辐射方向图是在远区测量。下面给出远、近场的分界点。图 12-4 远区场概念在图12-4 中,有以下几何关系：通常,R0 W0（12-16）（12-17）式中k0=2/0是自由空间的波数,Z0是宽度W

4、的微带特性阻抗,e是有效介电常数,L是边沿电容引起的边沿延伸。由图12-17 可看出,边沿电场盖住了微带边沿,等效为贴片的电长度增加。（12-18）图12 17 边沿辐射槽为了计算天线的辐射阻抗,天线可以等效为槽阻抗和传输线级联。输入导纳为式 中 Ys为 式（12-17）给 出 的 辐 射 槽 导 纳,=2e/0微 带 线 内 传 播 常 数。谐 振 时,L+L=g/2=0/2e,式(12-19)仅剩两个电导,即Yin=2G (12-20)（12-19）微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W不是很关键,通常按照下式确定:(12-21)(12-22)图 12-18 矩形天线实例设计实例：设 计

5、 3 GHz微 带 天 线,基 板 参 数 为2.2/0.762,并用四分之一线段实现与50 馈线的匹配。天线拓扑如图12-18 所示。步骤一：确定各项参数:W=3.95cm,e=2.14,L=0.04cm L=3.34cm,Rin=288步骤二：阻抗变换器的特性阻抗为ZT0=120 步骤三：由微带原理计算得变换器的长度和宽度为l1=1.9 cm,w1=0.0442cm 微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算。图12-19是典型的方向图,典型HPBW=5060,G=58 dB。图 12-19 微带天线的典型方向图在许多场合下要利用合适的馈线点实现微带天线的圆极化。如图12-20 所示,9

6、0耦合器激励两个方向的线极化构成圆极化,或者扰动微带天线的辐射场实现圆极化。图 12-20 圆极化微带天线12.6.2 微带天线的其他形式导体贴片一般是规则形状的面积单元,如矩形、圆形或圆环形薄片等,也可以是窄长条形的薄片振子(对称阵子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和微带振子天线,如图12-21（a）、（b）所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变(如弯曲、直角弯头等)来形成辐射,称为微带线型天线,如图12-21(c)所示。因为这种天线沿线传输行波,故又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙,由介质基片另一侧的微带线或其他馈线(如稽线)对其馈

7、电,称之为微带缝隙天线,如图12-21(d)所示。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线,如微带贴片阵天线、微带振子阵天线,等等。图 12-21 微带天线的四种形式图12-22 为两种馈电形式的矩形微带天线示意图,图（a）是背馈,同轴线的外导体与接地板连接,内导体穿过介质与贴片天线焊接；图（b）为侧馈,通过阻抗变换与微带线连接。图 12-22 微带天线的两种馈电方式矩形微带天线作为独立天线应用时采用背馈方式,而作为单板微带天线的阵元时必须采用侧馈方式。在制作侧馈的矩形微带天线时,可按下述方法实现匹配：将中心馈电天线的贴片同50 馈线一起光刻制作,实测其输入阻抗并设计出匹配器,然后在天线辐射

8、元与微带馈线间接入该变换器。任何形式的平面几何结构都可以用作微带天线,图12-23是部分微带天线形式。图 12-23 微带天线的其他结构（a）常用形式;（b）可能结构12.6.3 圆盘微带天线的设计实例圆盘形微带天线是另一种基本形式。参数包括圆盘半径、馈电位置、输入阻抗、天线Q值、辐射效率、总效率、输入VSWR及频带、辐射方向图。计算过程复杂,已有图表和软件可使用。下面给出圆盘半径计算公式,并以900 MHz天线为例,利用计算程序Mathcad描述设计过程。圆盘半径为（12-23）式中设计实例：设计900 MHz圆盘微带天线,介质参数为4.5/1.6。(1)确定参数。天线的拓扑结构为：设计频率

9、f0=0.9 GHz,最大输入驻波比VSWR=2.01,基板参数为高度h=0.16 cm,介电常数r=4.5，损耗正切 tan=0.015,导体铜的=1.0。(2)利用设计软件（cpatch.exe）求出圆盘圆形天线的半径、接头馈入位置、频率与输入阻抗的关系。半径=4.580 cm 馈电点=1.800 cm频率与阻抗对应关系如表 12-1 所示。表 12-1 频率与阻抗对应关系 频带内阻抗在圆图上的位置如图 12-24(a)所示。(3)利用设计软件（patch.exe）求出天线的总Q值、辐射效率、总效率、天线频带宽度。输入数据：SUBSTRATE HEIGHT=0.1600 cm SUBSTR

10、ATE RELATIVE DIELECTRIC CONSTANT=4.50 SUBSTRATE LOSS TANGENT=0.0150 CONDUCTOR RELATIVE CONDUCTIVITY=1.000 PATCH RADIUS=4.580 cm FEED LOCATION=1.800 cm FREQUENCY=0.9000 GHz 计算结果:INPUT RESISTANCE=50.90 ohms PATCH TOTAL Q=47.639 RADIATION EFFICIENCY=95.97%OVERALL EFFICIENCY=21.10%PATCH BANDWIDTH=1.48%2

11、.001 VSWR(4)利用设计软件（cirpat.exe）求得天线的辐射方向图,如图 12-24(b)、(c)所示。(5)圆盘天线的实际结构如图12-24(d)所示。图 12-24 圆盘形微带天线结构图12.7 12.7 天天线阵线阵和相控和相控阵阵单个天线的波束宽度与增益的矛盾限制了它的使用。在有些场合,要用更高的增益和更窄的波束。由于天线的尺寸与工作波长有关,必须用多个天线形成极窄波束。天线阵把能量聚焦于同一个方向,增加了系统的作用距离。12.7.1 天线阵考虑图12-25 所示的沿z方向分布的一维天线阵,总辐射场为每个单元的叠加。图 12-25 沿z方向分布的一维n元相控阵远区场幅度相

12、等,即r1=r2=r3=rN=r （12-24）每个天线单元的家间距为d,引起的相移为,由距离引起的相移分别是r1=rr2=r+dcosrN=r+(N-1)dcos （12-25）故总场强为（12-26）式(12-26)称为方向图乘积原理。阵因子AF与单元的分布有关。12.7.2 相控阵 考虑波束扫描情况,假定每个天线单元都相同,相位从左到右步进增加,如图12-26 所示。图 12-26 N元天线阵的辐射方向 阵因子为相邻单元的步进相移决定了辐射方向0。由式（12-15）知,辐射最大方向发生在=0的条件下。此时,有=k0dcos=k0dsin0 式中（12-27）（12-28）扫描角度为 的变

13、化必须满足式（12-29）所限定的扫描角（波束方向）,或者说，改变可以调整天线的辐射方向。这就是相控阵的原理。在相控阵中,天线的总波束宽度和增益与天线单元的数量有关。通常,为了避免旁瓣,间距为半波长,笔形波束的半功率宽度与单元数的关系为HPWB100-1/2 （12-29）（12-30）总增益为GN 在相控阵中,可以电子控制每个单元的相位,保证辐射方向上的波前面相位相同,实现波束的调整。与机械旋转天线的方式比较,相控阵速度快,天线机构简单,系统稳定。阵因子是个周期函数,在不同方向都会出现最大值,称为栅瓣。=2的整数倍为栅瓣的发生条件。在图12-26 中,=2,栅瓣发生在主瓣的反方向,180。由

14、式（12-29）可得（12-31）为了避免栅瓣的出现,相邻单元的距离必须小于式（12-31）的计算值。在两个方向上调整单元的相位和间距,就是两维相控阵,可在两个相互垂直的方向上实现扫描。阵因子AF为（12-32）式中,dx 和dy分别是x和y方向的单元间距,x和y分别是x和y方向的单元相移量。天线阵的馈电有两种基本形式：并联形式和串联形式,如图12-27所示。图（a）中用的3dB功率分配器,每个支路都有一定的损耗,但分配均匀对称,图（b）中每个天线在一定的位置与传输线耦合。图 12-27 天线阵的两种馈电形式（a）并联形式;（b）串联形式图12-28 是个1616相控阵天线,256个天线单元采用并联馈电的方式,总的输入信号在阵列中央,用功分器把功率送到每个单元。图 12-28 1616 相控阵天线