微带天线_微带天线用于

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微带缝隙天线的分析

班级：0413101 学号：041300425 姓名：袁振宇

摘 要

微带缝隙天线具有结构简单、加工方便、体积小、宽频带等特性，在微波毫米波系统应用广泛。文中计算了天线的回波损耗和方向图，与文献结果比较吻合，证明了方法的正确性，可为微带缝隙天线的设计工作提供一定的参考。

关键词 微带缝隙天线 回波损耗 方向图

Abstract

Slot antenna has a simple structure, easy to proce, small size, broadband andother characteristics, widely used in microwave, millimeter wave systems.The paper calculated the return lo and antenna radation pattern.Good agreement with the literature results proved the correctne ofthe simulation method can provide some reference for the design of the microstrip slot antenna.Keywordsmicrostrip slot antennaS11radiation pattern

第一章

绪论

1.1研究背景及意义

天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

天线按工作性质可分为发射天线和接收天线。按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频

微带天线的概念早在1953年就由G．A．DeSchamps提出，在20世纪50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世纪70年代初期，当微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来。缝隙天线最早是在1946年H．G．Booker提出的，同微带天线一样最初没有引起太多的注意。缝隙天线可以借助同轴电缆很方便地馈送能量，也可用波导馈电来实现朝向大平片单侧的辐射，还可以在波导壁上切割出缝隙的阵列。缝隙开在导电平片上，称为平板缝隙天线；开在圆柱面上，称为开缝圆柱天线。开缝圆柱导体面是开缝导体片至开缝圆柱导体面的进化。波导缝阵天线由于其低损耗、高辐射效率和性能等一系列突出优点而得到广泛应用；而平板缝隙天线却因为损耗较大，功率容量低，效率不高，导致发展较为缓慢。到1972年，Y．Yoshimura明确提出微带馈电缝隙天线的概念。

从微带天线的概念提出以来，由于它剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点，已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域。但是，微带天线频带较窄的突出缺点又限制了它的实际应用。目前在高频应用上，采用更多的是微带缝隙天线，它具有对加工精度要求低，可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产的优点，尤其是微带宽缝天线更是有效地拓宽了频带。目前缝隙天线(包括波导缝隙天线)已被广泛地应用于无线移动通信天线以及卫星直播电视天线。

1.2天线特性的主要参数

天线的特性参数主要有方向函数或方向图，极化特性，频带宽度，输入阻抗等，为了方便对天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数。这些参数有：天线增益G（或方向性Gd）、波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。下面就简单介绍一下天线特性参数。

1.极化特性

指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。

2.输入阻抗

天线阻抗简单地讲就是在天线部分上的电压和电流比率。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要，对半波长偶极子天线来说就是中央天线。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同。

天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。

3.带宽

天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

4.远区场

如果所观测点离开波源很远、很远，波源可近似为点源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远，在观察者所在的局部区域，其波阵面可近似为平面，当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场。这里所谓很远很远都是以波长来计量的。

5.方向函数或方向图

离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数；在离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形就叫天线的方向图。最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。

天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。G单位立体角最大辐射功率(1.1天线方向性GD与天线增益G类似但与天线馈入天线总功率4增益定义略有不同。

GD单位立体角最大辐射功率(1.2)总的辐射功率4因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。

理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角B内辐射出去，且在B立体角内均匀分布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。

GGD4(1.3)B理想的天线辐射波束立体角B及波束宽度B

实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为 : B42（1.4）B旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。

天线效率A定义为：

APP

(1.5）PiPP11为欧姆损耗；P为辐射功率。式中，Pi为输入功率；P天线的辐射电阻R用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下：设有一个电阻R，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于辐射功率。显然，辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为 P12ImR（1.6）2即辐射电阻为

R2P（1.7）2Im仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻R1为

R12P1（1.8）2Im将上述两式代入效率公式，得天线效率为

AR1（1.9）

RR11R1/R可见，要提高天线效率，应尽可能提高R，降低R1。

6.驻波系数和行波系数

为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数。传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为

UUmaxminIImaxmin（1.10）

驻波系数和反射系数的关系可导出如下

UzUzUzUz1z（1.11）

故得

Umax12UU2min12（1.12）U2UUmaxmin1212（1.13）

行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即

KUUminmaxIIminmax（1.14）

显然： K11212（1.15）

7.效率

效率有辐射效率与天线效率之分。由于入射波反射的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波一起的损耗等等。

为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下： 入射功率P入：指发射机等提供给天线的功率。

反射功率P反：指天线反射回来的功率。输入功率Pin：指收发机等提供给天线的功率。

损耗功率Pd：指由于导线、介质或者地电流等存在而损耗的功率。辐射功率P：指天线把发射机提供的功率扣除损耗辐射出去的功率。根据以上定义，很容易得到：

PinP入P反PPd（1.16）

1.3微带细缝天线的应用

微带缝隙天线在航天器飞行、卫星直播电视以及医学诊断中得到了应用。在卫星直播电视接受中，11.17~12.5GHz频带内的宽缝微带天线阵得到了应用。人们以矩形宽缝微带天线作为作为阵元，作出了2，4，16，64以及512单元平面阵。在H面内，单元缝隙间距为λ，E面缝隙间距为λ/2。缝隙是由微带分路器馈电。图1.2表示512单元宽缝隙组成的阵方向图和增益。这种天线的缺点是单元多，馈电网络复杂。

(a)方向图(b)增益与频率的关系

图1.2512单元缝阵的方向图和增益

近来，人们制作了一种宽带高增益圆缝阵。阵元圆缝结构如图1.3所示。

图1.3 圆缝的结构

圆缝直径与波长可比，因此它也属于宽缝。他是由两介质板之间带线激励的，下面有一段圆波导状金属导体。调整带线宽度和深入缝中的长度可以获得带宽匹配。为了提到增益，在圆缝上金属表面加一层直径大一些的厚金属板，形成短圆喇叭状。

一个4×4圆缝阵的实验数据是：基板厚度1.75mm；相对介电常数2.32；用50欧姆带线馈电。缝隙的工作模式为TEM，中心频率为12GHz，驻波系数为2：1的带宽可达2GHz；单缝增益为10dB。阵的增益为20.6dB。在11.17~12.5GHz频率范围内，天线效率可达到57%~67%。交叉极化低于最大增益25 dB。上述数据表明，在同样指标要求下，圆缝隙阵优于矩形宽缝隙阵。

图1.4为医用宽缝隙微带天线结构示意图。单缝的增益可达到6dB。工作频率为S波段。

图1.4医用宽缝微带天线结构示意图

这种天线放在人体组织附近进行诊断。因此，场强随缝隙表面与人体组织间距离变化的数据是重要的。图表示场强随缝隙表面与水平面距离的变化。在医疗诊断和治疗中，把微带缝隙天线表面贴在人体有关部位或与有关部委保持一定距离，目的是在人体有关部位上产生一定形状和强度的热区。

第二章 缝隙天线的理论分析

如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射，而形成一种天线，这种天线称为缝隙天线。这种天线可以单独使用，也可以作天线阵的辐射单元。

2.1理论缝隙天线

实际上理想缝隙天线是有外加电压或场激励的。不论激励方式如何，缝隙中的电场垂直于缝的长边，并在缝的中点呈上下对称分布，如图2.1（a）所示。不过，由于JmnE，缝隙内外两表面的等效磁流反向，理想缝隙天线的场与前述磁流源激励时的场若在y>0的半空间相同，则在y

图2.1 理想缝隙天线与板状对称阵子

2.2微带缝隙天线

1．微带缝隙天线的结构

在50年代，人们在三板线的一个接地板上开缝构成辐射器，这就是微带缝隙天线，并且以此为阵元构成缝阵。许多人对这种天线进行了研究。随着微波集成电路工艺的发展，人们在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。图2.5表示出了微带缝隙天线的结构。

图2.5 微带缝隙天线

微带缝隙天线产生双向辐射；对制作公差要求低；与微带振子天线组合起来可以构成圆极化天线。他也是一种比较常见的天线。微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形

(a)窄缝(b)圆环缝(c)宽缝(d)圆贴缝

图2.6 缝隙形状

2．微带模型

微带馈电缝隙天线的基本模型，是在微带线的接地平面上蚀刻单个缝隙或缝隙阵列作为辐射单元，该缝隙与微带线的带状导体成直角，微带线的电场经微带传播到达缝隙处通过耦合激励该缝隙，向外辐射能量。为了能有效激励缝隙，可采用两种激励方式：带状导体或者穿过介质基板到缝隙边缘并短路，如图2.7所示，或者该带状导体终止于～个远离缝隙边缘的开路短线，如图2.7所示，在缝隙外边缘实现了一个有效短路。

（a）（b）

图2.7 微带模型

3.微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是通过金属贴片和接地平面之间的场分布来确定的，换句话说，辐射可以由会属贴片上的表面电流分布来描述。由于贴片的场分布或电流分布的精确计算非常复杂，因此一般采用简单的近似理论来建立一个微带天线的工作模型。下面简单介绍一种分析方法：

假设微带天线贴片己接通微波信号，贴片的信号将在上、下表面以及地平面上建立一个电荷分布。由于贴片振荡在主模时大约为半波长，从而引起和特性的电荷分布，这样贴片下表面电荷之间的排斥力将一些电荷从下表面沿其边缘推到其上表面。这种电荷运动在贴片的下表面和上表面产生了相应的电流密度

jb和ji，如图2.8所示：

图2.8 微带天线上的电荷分布和电流分布

对于多数微带天线而言，h/w比值很小，因此电荷间的引力占主导地位。而且多数电荷和电流仍然在贴片的下层，只有少量的电流围绕贴片边缘流到上表面，产生一个与边缘正切的弱磁场。因此，我们可以作一个简单的近似：即正切磁场为0，让磁壁围绕贴片的四周。这种假设对于高r的薄介质基片来说是成立的。由于使用的基片厚度与介质中的波长相比很薄(h)，因此沿厚度的场可以认为是恒定的，电场几乎与贴片表面垂直。这样贴片可以近似为如下模型：顶部和底部有电场壁，沿4个矩形贴片边缘有磁场壁的一个空腔。在这种空腔中，只可能存在TM模式，图2.9所示为空腔模式的电场分布。腔体的4个侧壁代表4个窄孔径或裂缝，通过它们产生辐射。根据惠更斯(Huygens)场等效原理，微带贴片用上表面的等效电流密度j来表示，4个裂缝用等效电流密度j和磁流密度Ms表示，其对应电磁场分别为Ha和Ea，等效电流如图2.10(a)所示

图2.9 微带腔中TM10模式的电场分布

对于薄基片，顶部贴片电流jr远远小于底部贴片电流

jb，因此贴片电流的辐射可以忽略不计。类似地，沿贴片边缘的正切磁场和相应的电流密度上也可忽略不计，如图2.10(b)所示。根据镜像理论可知，地平面的存在将使等效电流密度加倍。因此，贴片的辐射可以看作是沿外围的4条磁电流在自由空间辐射而产生的，如图2.10(c)所示。

（a）

（b）

（c）

图2.10 矩形微带天线上的等效电流密度

(a)

(b)

图2.11 辐射裂缝上的电流分布

裂缝的等效磁流密度如图2.11所示。利用等效原理，每个裂缝的辐射场与电流密度为Ms的磁偶极子相同。由于裂缝上的电流大小相等、方向相反，因此沿x轴分布的裂缝产生的辐射几乎为0。但沿Y轴的裂缝却构成了一个两单元的阵列，其电流密度的幅度相等且相位相同，相隔距离为贴片长度L。因此，贴片辐射等效为两个垂直裂缝的辐射。其它微带天线结构也可以用类似的方法通过等效裂缝来分析。

参考文献

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