微帶天線設(shè)計

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

天線大體可分為線天線和口徑天線兩類。移動通信用的VHF、UHF天線,大多是以對稱振子為基礎(chǔ)而發(fā)展的各種型式的線天線,衛(wèi)星地面站接收衛(wèi)星信號大多用拋物面天線(口徑天線)。

天線的特征與天線的形狀、大小及構(gòu)成材料有關(guān)。天線的大小一般以天線發(fā)射或接收電磁波的波長l來計量。因為工作于波長l = 2m的長為1m的偶極子天線的輻射特性與工作于波長l = 2cm的長為1cm的偶極子天線是相同的。與天線方向性有關(guān)參數(shù):方向性函數(shù)或方向圖離開天線一定距離處,描述天線輻射的電磁場強度在空間的相對分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式,稱為天線的方向性函數(shù); 把方向性函數(shù)用圖形表示出來,就是方向圖。最大輻射波束通常稱為方向圖的主瓣。主瓣旁邊的幾個小的波束叫旁瓣。為了方便對各種天線的方向圖進(jìn)行比較,就需要規(guī)定一些表示方向圖特性的參數(shù),這些參數(shù)有:

1.天線增益G(或方向性GD)、波束寬度(或主瓣寬度)、旁瓣電平等。

2.天線效率

3.極化特性

4.頻帶寬度

5.輸入阻抗

天線增益是在波陣面某一給定方向天線輻射強度的量度。它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強度與被研究天線具有同等輸入功率的各向同性天線在同一點所產(chǎn)生的最大輻射強度之比。

天線方向性GD與天線增益G類似但與天線增益定義略有不同。

因為天線總有損耗,天線輻射功率比饋入功率總要小一些,所以天線增益總要比天線方向性小一些。

理想天線能把全部饋入天線的功率限制在某一立體角ΩB內(nèi)輻射出去,且在ΩB立體角內(nèi)均勻分布。這種情況下天線增益與天線方向性相等。

理想的天線輻射波束立體角ΩB及波束寬度θB

實際天線的輻射功率有時并不限制在一個波束中,在一個波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強度最大,偏離波束中心,輻射強度減小。輻射強度減小到3db時的立體角即定義為ΩB。波束寬度θB與立體角ΩB關(guān)系為

旁瓣電平

旁瓣電平是指主瓣最近且電平最高的。第一旁瓣電平,一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)一般是不需要輻射的區(qū)域,其電平應(yīng)盡可能的低。

天線效率ηA定義為:

式中,Pi為輸入功率;P1為歐姆損耗;PΣ為輻射功率。

天線的輻射電阻RΣ用來度量天線輻射功率的能力,它是一個虛擬的量,定義如下:設(shè)有一個電阻RΣ,當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流時,其損耗的功率就等于輻射功率。顯然,輻射電阻越大,天線的輻射能力越強。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為

即輻射電阻為

仿照引入輻射電阻的辦法,損耗電阻R1為

將上述兩式代入效率公式,得天線效率為

可見,要提高天線效率,應(yīng)盡可能提高RΣ,降低R1。

極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。按天線所輻射的電場的極化形式,可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化;圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。

輸入阻抗與電壓駐波比:天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,才能使天線獲得最大功率。當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計頻率時,天線與傳輸線的匹配變壞,致使傳輸線上電壓駐波比增大,天線效率降低。因此在實際應(yīng)用中,還引入電壓駐波比參數(shù),并且駐波比不能大于某一規(guī)定值。

天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān),當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計頻率時,往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時,天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍,這一頻率范圍稱為頻帶寬度,簡稱為天線的帶寬。

多數(shù)天線具有互易性,即天線在發(fā)射模式和接收模式具有相同的方向性。如果一給定天線工作在發(fā)射模式,A方向輻射電磁波的能力比B方向強100倍,那末該天線工作于接收模式時,接收A方向輻射來的電磁波靈敏度比B方向也強100倍。

如果所觀測點離開波源很遠(yuǎn)、很遠(yuǎn),波源可近似為點源。從點源輻射的波其波陣面是球面。因為觀測點離開點源很遠(yuǎn)很遠(yuǎn),在觀察者所在的局部區(qū)域,其波陣面可近似為平面,當(dāng)作平面波處理。符合這一條件的場通常稱為遠(yuǎn)區(qū)場。

在天線很多應(yīng)用場合,遠(yuǎn)區(qū)場的假設(shè)都是成立的。遠(yuǎn)區(qū)場假設(shè)為我們分析研究天線輻射的場帶來很大方便。這里所謂很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)都是以波長來計量的。

同常規(guī)的微波天線相比,微帶天線具有一些優(yōu)點。因而,在大約從100MHz到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比,微帶天線的一些主要優(yōu)點是:

重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu),可以做成共形天線;
制造成本低,易于大量生產(chǎn);
可以做得很薄,因此,不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學(xué)性能;
無需作大的變動,天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上;
天線的散射截面較小;
稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋);
比較容易制成雙頻率工作的天線;
不需要背腔;
微帶天線適合于組合式設(shè)計(固體器件,如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上);
饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時制作。

但是,與通常的微波天線相比,微帶天線也有一些缺點:

頻帶窄;
有損耗,因而增益較低;
大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射;
最大增益實際上受限制(約為20dB);
饋線與輻射元之間的隔離差;
端射性能差;
可能存在表面波;
功率容量較低。

但是有一些辦法可以減小某些缺點。例如,只要在設(shè)計和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。

在許多實際設(shè)計中,微帶天線的優(yōu)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有:

移動通信;
衛(wèi)星通訊;
多普勒及其它雷達(dá);
無線電測高計;
指揮和控制系統(tǒng);
導(dǎo)彈遙測;
武器信管;
便攜裝置;
環(huán)境檢測儀表和遙感;
復(fù)雜天線中的饋電單元;
衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī);
生物醫(yī)學(xué)輻射器。

這些絕沒有列全,隨著對微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識的提高,微帶天線的應(yīng)用場合將繼續(xù)增多。

微微帶天線可以分為三種基本類型:微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。

微帶貼片天線

微帶貼片天線(MPA)是由介質(zhì)基片、在基片一面上有任意平面幾何形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。實際上,能計算其輻射特性的貼片圖形是有限的。

圖3-3 實際使用的各種微帶天線圖形

圖3-4 微帶天線其它可能的幾何圖形

微帶行波天線(MTA)是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長TEM波傳輸線(也維持一個TE模)和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負(fù)載,當(dāng)天線上維持行波時,可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向

圖3-5 微帶行波天線

微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形(寬的或窄的),圓形或環(huán)形。

圖3-6 微帶縫隙天線

大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元,因此,可以用微帶天線或同軸線饋電。

因為天線輸入阻抗不等于通常的50W傳輸線阻抗,所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電的位置來做到。但是,饋電的位置也影響輻射特性。

圖3-7 微帶線饋電的天線

圖3-9 同軸饋電的微帶天線

中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點的位置也決定激勵那種模式。

當(dāng)天線元的尺寸確定以后,可按下法進(jìn)行匹配:先將中心饋電天線的貼片同50W的饋線一起光刻,測量輸入阻抗并設(shè)計出匹配變阻器;再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器,重新做成天線。另外,如果天線的幾何圖形只維持主模,則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。

特定的天線模可用許多方法激勵。如果場沿矩形貼片的寬度變化,則當(dāng)饋線沿寬度移動時,輸入阻抗隨之而變,從而提供了一種阻抗匹配的簡單辦法。饋電位置的改變,使得饋線和天線之間的耦合改變,因而使諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移,而輻射方向圖仍然保持不變。不過,稍加改變貼片尺寸或者天線尺寸,可補償諧振頻率的漂移。

對于微帶饋電,用惠更斯原理可以把饋源模擬為貼在磁壁上沿z方向的電流帶。在薄的微帶線中,除了饋線的極鄰近區(qū)域外,在貼片邊界上的任何地方,這個電流都很小。在理想的情況下,可假定饋源是一個恒定電流的均勻電流帶,如圖3-8所示。邊緣效應(yīng)要求電流帶的寬度等于饋線的有效寬度,饋線對微帶天線輸入阻抗的影響表現(xiàn)為增加了一個感抗分量,此感抗可以由電流帶的尺寸來計算。

各種同軸激勵示于圖3-。在所有的情況中,同軸插座安裝在印制電路板的背面,而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)體上。對指定的模,同軸插座的位置可由經(jīng)驗去找,以便產(chǎn)生最好的匹配。使用N型同軸插座的典型微帶天線示于圖3-9中。

根據(jù)惠更斯原理,同軸饋電可以用一個由底面流向頂面的電流圓柱帶來模擬。這個電流在地板上被環(huán)狀磁流帶圈起來,同軸線在地板上的開口則用電壁閉合。如果忽略磁流的貢獻(xiàn),并假定電流在圓柱上是均勻的,則可進(jìn)一步簡化。簡化到最理想的情況是,取出電流圓柱,用一電流帶代替,類似微帶饋電的情況。該帶可認(rèn)為是圓柱的中心軸,沿寬度方向鋪開并具有等效寬度的均勻電流帶,對于給定的饋電點和場模式,等效寬度可以根據(jù)計算與測量所得的阻抗軌跡一致性經(jīng)驗地確定。一旦這個參數(shù)確定了,它就可以用在除饋電點在貼片邊緣上以外的任何饋電位置和任何頻率。當(dāng)饋電點在貼片邊緣上時,可以認(rèn)為,在貼片邊緣上的邊緣場使等效饋電寬度不同于它在天線內(nèi)部時的值。在矩形天線中,等效寬度為同軸饋線內(nèi)徑的五倍時,可給出良好的結(jié)果。

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