搜索天線的特性及微帶天線的設(shè)計(jì)
2017-04-04 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(dòng)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)。
一、天線的特性
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(jì)量。因?yàn)楣ぷ饔诓ㄩLl = 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(qiáng)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(gè)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(qiáng)度的量度。它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強(qiáng)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(diǎn)所產(chǎn)生的最大輻射強(qiáng)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?yàn)樘炀€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(shí)際天線的輻射功率有時(shí)并不限制在一個(gè)波束中,在一個(gè)波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強(qiáng)度最大,偏離波束中心,輻射強(qiáng)度減小。輻射強(qiáng)度減小到3db時(shí)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(gè)虛擬的量,定義如下:設(shè)有一個(gè)電阻RΣ,當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流時(shí),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(qiáng)。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(shí)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。
二、輸入阻抗與電壓駐波比
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(jì)頻率時(shí),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(shí)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(jì)頻率時(shí),往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí),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(qiáng)100倍,那末該天線工作于接收模式時(shí),接收A方向輻射來的電磁波靈敏度比B方向也強(qiáng)100倍。
如果所觀測點(diǎn)離開波源很遠(yuǎn)、很遠(yuǎn),波源可近似為點(diǎn)源。從點(diǎn)源輻射的波其波陣面是球面。因?yàn)橛^測點(diǎn)離開點(diǎn)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(jì)量的。
同常規(guī)的微波天線相比,微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)是:
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重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu),可以做成共形天線;
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制造成本低,易于大量生產(chǎn);
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可以做得很薄,因此,不擾動(dòng)裝載的宇宙飛船的空氣動(dòng)力學(xué)性能;
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無需作大的變動(dòng),天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上;
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天線的散射截面較小;
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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);
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比較容易制成雙頻率工作的天線;
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不需要背腔;
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微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)(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);
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饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。
但是,與通常的微波天線相比,微帶天線也有一些缺點(diǎn):
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頻帶窄;
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有損耗,因而增益較低;
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大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射;
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最大增益實(shí)際上受限制(約為20dB);
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饋線與輻射元之間的隔離差;
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端射性能差;
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可能存在表面波;
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功率容量較低
但是有一些辦法可以減小某些缺點(diǎn)。例如,只要在設(shè)計(jì)和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。
三、微帶天線應(yīng)用
在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中,微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有:
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移動(dòng)通信;
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衛(wèi)星通訊;
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多普勒及其它雷達(dá);
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無線電測高計(jì);
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指揮和控制系統(tǒng);
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導(dǎo)彈遙測;
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武器信管;
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便攜裝置;
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環(huán)境檢測儀表和遙感;
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復(fù)雜天線中的饋電單元;
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衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī);
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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。
四、微帶天線三種基本類型
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(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(shí)際上,能計(jì)算其輻射特性的貼片圖形是有限的。
圖3-3 實(shí)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(gè)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(shí),可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?yàn)樘炀€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3-8 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(diǎn)的位置也決定激勵(lì)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(jì)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?？捎迷S多方法激勵(lì)。如果場沿矩形貼片的寬度變化,則當(dāng)饋線沿寬度移動(dòng)時(shí),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(gè)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(bǔ)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(gè)電流都很小。在理想的情況下,可假定饋源是一個(gè)恒定電流的均勻電流帶。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(gè)感抗分量,此感抗可以由電流帶的尺寸來計(jì)算。
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(yàn)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3-8中。
根據(jù)惠更斯原理,同軸饋電可以用一個(gè)由底面流向頂面的電流圓柱帶來模擬。這個(gè)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(diǎn)和場模式,等效寬度可以根據(jù)計(jì)算與測量所得的阻抗軌跡一致性經(jīng)驗(yàn)地確定。一旦這個(gè)參數(shù)確定了,它就可以用在除饋電點(diǎn)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(diǎn)在貼片邊緣上時(shí),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(shí)的值。在矩形天線中,等效寬度為同軸饋線內(nèi)徑的五倍時(shí),可給出良好的結(jié)果。
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