圆极化微带天线的设计与应用毕业设计

圆极化微带天线的设计与应用毕业设计内容摘要：

圆极化作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支，在通信及电子对抗中广泛采用圆极化天线的旋向正交性。 例如圆极化波入射到对称目标 (平面，球面等 )时具有旋向逆转的特性，这一特性在移动通信和 GPS领域中用来抗雨雾干扰和多径反射；圆极化天线可以接收任意极化的来波，而其辐射波也能被任意极化的天线收到，其特性在电子侦察和电子干扰中也普遍使用。 因此研究 圆极化技术对于微带天线技术的发展是非常重要的。 天线在无线通信系统中，实现着有线链路和无线链路之间的相互转化和连接，是无线通信系统中的关键部件，天线的研究对于无线通信技术的发展有着重要影响。 天线经过上百年的发展，有着多种多样的形式，也有着各自不同的特点。 微带天线是上个世纪七十年代提出的一种天线形式，它是在有接地板的介质基板上贴金属片，形成辐射，金属片结构形状不同，天线的辐射性能也不同。 正 是由于微带 天线的这种结构形式，使得微带天线与传统天线相比具有一些突出优 点。 它的馈线结构和天线 可以同时制作且易于和其他微波器件集成。 微带天线是 20世纪 70年代出现的一种新型天线形式。 早在 1953年美国的(G． A． Descharnps)教授就已经提出微带辐射器的设想， 但是由于当时的集成技术和介质基片材料尚未趋于成熟因此未能取得较大的进步。 直到 20世纪 70年代初期，当微带传输理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，R． E． Munson和 J． Q． Howell等研究者才将实际的微带天线制作出来。 微带天线最初是作为火箭和导弹上的共形全向天线获得应用，随着材料科学技术的发展，实 用的微带天线才得到了长足的发展。 现在已经大量的应用于 100MHz100GHz的宽频无线电设备中，特别是在飞行器和地面便携式设备中。 常用 的微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一 定形状的金属贴片，利用微带线或者同轴探针对贴片馈电。 微带天线通过馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。 因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。 通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。 它与常用的微波 天线相比，有更多的物理参数，它们可以有任意的几何形状和尺寸，具有如下一些优点： 太原理工大学毕业设计（论文） 2 1．体积小，重量轻，低剖面； 2．具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面共形的结构； 3．能与有源器件和电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整体的制作和调试，大大的降低了成本； 4．便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。 和其它天线相比，它也有一些缺点：如相对带宽较窄，损耗较大，单个微带天线的功率容量低，介质基片对性能影响大。 但由于微带天线的优点远远大于它的缺点，再加上微带天线的实验方法和计算方 法都己非常成熟，从而使它在 100MHz至 50GHz的极宽的频率范围内获得了多种多样的应用，例如：在卫星通信、雷达、无线电高度计、导弹的控制系统及遥测技术、空间环境测试技术和遥感、以及生物医学等许多方面的应用。 圆极化天线在无线电领域中有重要作用。 随着卫星通信、遥测、遥控技术的发展，雷达应用技术的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件跟踪测量豹需要，圆极化天线的应用就显得十分重要。 在雷达中使用圆极化天线可以减少云雨的干扰；在剧烈摇动或滚动的飞行器上装置圆极化天线可以在任何时候都收到信息；在电视广播中采用圆 极化天线可以克服重影等等。 可见，圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的应用前途是相当广阔的。 主要内容安排 第一章即本章为绪论内容，概述了 发展背景和 本论文的主要安排。 第二章介绍 天线的基本知识， 微带天线基本理论，重点介绍其馈电方法以及发展方向。 第三章比较详细的阐述了圆极化的产生方法、采用圆极化的优势。 第四章借助 HFSS电磁仿真软件，观察天线参数改变对其性能的影响，分析性能改变的原因， 以及圆极化微带天线的前景。 太原理工大学毕业设计（论文） 3 第二章 微带天线基本理论 天线的概念 天线是一个具备传输与 发送电磁能量的导电元件。 天线能够将电磁能量转化为电磁场传播出去，同时又能够通过将空间中的电磁场转化为电磁能量来接收电磁波 天线是无线电通信和探测系统中不可缺少的重要组成部分，它是发射和接收 电磁波的一种设备。 作为发射天线，它将被馈线引导的高频电流转换为电磁波并向特定的方向发射出去；而作为接收天线，它又要做相反的变换，从而在任意两点之间实现了电磁信号的传递。 从上世纪初的单一点对点通信到现在覆盖全球的卫星通信系统，天线技术无疑承担了最基本、最前端的角色，它在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成为现代文明中不可缺 少的部分。 限制天线带宽的因素 天线带宽主要取决于各项性能参数的频率特性，如输入阻抗、方向图、增益、极化特性、主瓣宽度、副瓣电平等，因此天线主要的电参数均有其各自定义的带宽。 主要有： 1．输入阻抗 天线输入端电压与输入端电流的比值定义为天线的输入阻抗。 一般情况下，它是一个复数，包含表示电阻分量的实部和表示电抗分量的虚部，其大小随频率而变化。 天线的输入阻抗带宽 (简称阻抗带宽 )可以用馈线上的驻波比 (或回波损耗 )来规定。 将驻波比 (或回波损耗 )低于某一规定值时的频带宽度，定义为该天线的阻抗带宽。 这种表示方法 在天线工程中得到了普遍使用，它既反映了天线阻抗的频率特性，也说明了天线与馈线的匹配效果。 2． 极化带宽 天线的极化是指天线在最大辐射方向上的电场矢量的取向。 当该电场矢量取向不变时，该天线为线极化天线：当该电场矢量的取向随时间而变化，其矢量端点在垂直于传播方向的平面内构成一个椭圆时，就称为椭圆极化；若构成一个圆，则称为圆极化。 当频率变化时，天线极化特性随之改变。 将天线极化特性恶化到允许值时的频带宽度，定义为该天线的极化带宽。 对于圆极化天线，其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。 3．增 益 天线在某方 向某点产生的场强平方与点源天线在同方向同一点产生的场强平方的比值称为天线的增益。 通常，天线增益指最大辐射方向的增益，并将该增益下降到允许值时的频带宽度定义为该天线的增益带宽。 它往往限制了下限频率Z． 4．方 向 图 天线方向图是一个三维的立体图形，被用来描述电磁场强度在空间的分布情况，是描述天线方向性的重要表示方法。 但工程上为了方便常采用在两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向性，通常取 E平面 (即电场矢量与传播方向 太原理工大学毕业设计（论文） 4 构成的平面 )和 H平面 (即磁场矢量与传播方向构成的平面 )内的方向图。 当频率变化时，方向图可 能会发生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎缩；副瓣电平增大；前后辐射比下降等。 当方向图恶化到不能满足电指标要求时，就限制了天线的可用带宽，称此为方向图带宽。 一般来说，高端频率方向图易迅速恶化，从而限制了上限频率。 总之，天线的主要电参数，具有其各自带宽的限制。 若同时对几项指标都作具体要求时，应该取其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。 要使天线工作在最有效的状态，需要两个条件 ： （ 1） 谐振（ resonance）：当天线工作在中心频率时，其阻抗值为一实数即为谐振阻抗。 那么我们应该将中心频率设置在适当的频率上，这样 才能在工作频率内获得对我们有用的谐振阻抗 （ 2） 匹配： 天线与传输线的匹配即指天线的阻抗与传输线的特征阻值相同，这样才能使天线在接口处得到所有的电磁能量。 否则，将产生驻波，那么将会有一部分电磁能量被反射回发射机。 由于地球表面的曲线，天线的发射与接受距离受到了光传播的限制。 在城区，可能会由于以下几种效应对传播造成不利影响 : 多径效应（ Multipath effect） ， 电磁波在多个建筑物表面发生多次反射，这样会导致接收端收到多路回波（我们在房间内，或者在建筑物密集的街道中接收到的手机信号就是有这类效应 ） 多径衰落（ Multipath fading） ， 接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机。 由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。 不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。 这样接收信号的幅度将会发生急剧变化，从而导致多径衰落。 当电磁波在物体表面发射以后，他将产生 180度的相移，发射。 波与入射波叠加，将导致电磁波的衰减。 衰减增加（ Increase of attenuation），当电磁波 在水泥墙之间或者窗户之间传播时，衰减将加剧，参数 2/1d 将被衰减为 3/1d 或者 4/1d 目标的自由空间范围应该事先指定。 但是实际的测量应该视实际情况而定。 天线的种类 不同的天线有不同的属性，我们将根据实际需要来决定用何种天线。 总的来说，天线的工作效率是与天线的体积有关的，同时天线的大小也与波长有关。 这么说来，一段很短的，工作在较低频率下的天线，它的工作效率将非常低。 参考天 线 （ Reference antenna） 该天线的辐射模式是等方向性的，也就是说它在 x、 y、 z轴上辐射都是均匀的。 由于它是我们所分析的天线的参考标准，因而我们定义它的增益 G=0dBi， 显然，它仅仅是一个理论模型，因为在实际应用中等方向辐射同电磁振荡的本质不符。 虽然如此，但是它还是一个非常有用的模型，因为它将为我们研究其他天线带来方便。 偶极子天线 （ Dipole antenna） 太原理工大学毕业设计（论文） 5 天线长度是λ /2整数倍的天线是谐振天线。 下面就以λ /2天线为例说明 导线内部电流的分布如下 21 图 21 导线内部电流分布 该天线的馈点在他的中间。 其具体模型如下图 22所示，我们把该模型叫做 Lenz 天线 T o t a l l e n g t h :λ / 2F e e d p o i n tL 图 22 Lenz天线 在实际应用中，我们取 f=434MHZ, 该偶极子的直径为 4 mm I： 10 mm L: mm 两偶极子间距为 : 6 mm 则该天线的总长为 2 * + 6 = 321 mm, 而λ /2 为 691/2 = 345 mm，所以该天线的总长为 *(λ /2). 天线的阻抗略大于 50 Ω ，增益接近于 2 dBi.，且在 E平面内天线的辐射是全方位的（ omnidirectional）。 该 λ /2天线在 E平面内的辐射图： 太原理工大学毕业设计（论文） 6 图 23 λ /2天线在 E平面内的辐射图 四分之一波长天线 （ Quarter Wave） 1/4波长天线是最简单的天线，它只需要一根钢丝和接地板即可构成。 其组成如下图 24所示： 图 24 λ /4天线 1/4 波长天线必须同接地板相连，接地板可以为 PC板或者出口处的金属板。 不管采用的何种接地板都应保证天线是垂直于接地板的，因为只有这样才能获得最大的阻抗值。 无论如何，该阻抗值都必须保持在 50 Ω 以下，如果天线水平与地面放置，阻抗将显著减小。 λ /4的长度是理想化的，在实际应用中，考虑到天线的属性及接地板的的几何因素，实际天线的长度为 k*λ /4, k是一个 ~。 同时必须注意天线长度至少应为 mm。 图 25中的分析未考虑上述因素，仅就以理 想的长度来计算。 图 25 4/ 辐射图（理想情况） 从上图可以看出：与 λ /2偶极子相比，该辐射模式在 E平面内看起来更加的圆润，因为该圆弧度更加得高。 在大多数的数据分析中，人们把四分之一波长线作为参考天线，因而此时 G=0dBi。 环天线 （ Loop） 太原理工大学毕业设计（论文） 7 环天线的主要优点是成本低，它的辐射模式是平行于地面的全方位辐射（ omniderectional）根据 PC板位置决定可变电容值。 螺旋天线（ Helical） 螺旋天线具有很高的空间有效性， 并且很容易设置。 但是由于很难对这种天线做一个理论模型的定义，在大多数实际调控中，我们都是根据实际经验操作。 并且螺旋天线的具有窄带特性这一特点，因而很难确定它的谐振点。 方向性是螺旋天线的一个非常重要的参数。 同前面分析的所有天线都不同，螺旋天线不具有对称的天线增益，同时它的极化方式更类似于椭圆极化。 贴片天线（ Printed） 贴片。