4阵列原计划微带天线设计要点

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毕业设计(论文)说明书

题 目： 圆极化微带4单元阵列天线 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师：

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题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发

2012 年 6 月 5 日

摘要

桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书

圆极化天线具有一些显著的优点: 任意线极化的来波都可以由圆极化天线收到, 圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到; 圆极化天线具有旋向正交性, 圆极化波入射到对称目标反射波变为反旋向等。正是由于这些特点使圆极化天线具有较强的抗干扰能力, 已经被广泛地应用于电子侦察和干扰,通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等领域。

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目录

第一章 微带天线简介 .............................. 错误!未定义书签。

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§1.1 微带天线的发展 ............................. 错误!未定义书签。 §1.2 微带天线的定义和结构 ....................... 错误!未定义书签。 §1.3 微带天线的优缺点 ........................... 错误!未定义书签。 §1.4 微带天线的应用 ............................................. 6 第二章 微带天线的辐射原理与分析方法 .............. 错误!未定义书签。 §2.1 微带天线的辐射原理 ......................... 错误!未定义书签。 §2.2 微带天线的分析方法 ......................... 错误!未定义书签。

§2.2.1 传输线模型法 .......................................... 8 §2.2.2 空腔模型法 ............................ 错误!未定义书签。 §2.2.3 积分方程法 ............................ 错误!未定义书签。 §2.3 微带天线的馈电方法 ......................... 错误!未定义书签。 第三章 圆极化微带天线单元的设计与仿真 ............ 错误!未定义书签。 §3.1 ANSOFT HFSS高频仿真软件的介绍 ............... 错误!未定义书签。 §3.2 微带天线圆极化技术 ........................................ 14

§3.2.1 圆极化天线的原理 ...................... 错误!未定义书签。 §3.2.2 圆极化实现技术 ....................................... 15 第四章 圆极化微带4单元阵列天线的设计与仿真 ...... 错误!未定义书签。 §4.1 圆极化微带天线单元的设计与仿真 ............. 错误!未定义书签。

§4.1.1圆极化微带天线单元的设计仿真 .......... 错误!未定义书签。 §4.1.2天线单元轴比的优化 .................... 错误!未定义书签。

§4.2馈电网络的仿真与设计 ........................ 错误!未定义书签。 §4.2.1两路微带等功率分配器的设计与仿真..........错误!未定义书签。 §4.2.2连续旋转馈电网络............................错误!未定义书签。 §4.3圆极化阵列天线模型的设计与仿真 .............. 错误!未定义书签。

§4.3.1阵列天线的创建与仿真................错误!未定义书签。 §4.3.2阵列天线的优化设计................错误!未定义书签。

第五章 结论

致 谢 ............................................ 错误!未定义书签。 参考文献 错误!未定义书签。

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第一章 微带天线简介

1.1 微带天线的发展

微带天线的概念早在1953年就已经提出了，但并未引起工程界的重视。在五十年代和六十年代只有一些零星的研究。真正的发展和实用是在七十年代。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展又迫切需要低剖面的天线元。1970年出现了第一批实用的微带天线。1979年在美国新墨西哥大学举行了微带天线专题国际会议，1981年IEEE天线于传播会刊在一月号上刊登了微带天线专集。这以后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。这表明微带天线终于成为天线研究中的一个重要课题，受到各方面的关注。由于独特的结构和多样化的性能，它必将在广阔的波段内的各种无线电设备上得到越来越多的应用。

1.2 微带天线的结构与分类

微带天线(microstrip antenna)是指在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。由于它利用微带线或同轴线等馈线馈电，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，微带天线也可以看作一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的。因而它实现了小型化，属于微小天线的一类。

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（偶极子）。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。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）来形成辐射，称之为微带线形天线，第三种形式的微带天线因为沿线传输行波，又称之为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片的另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电，称之为微带缝隙天线。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。

1.3 微带天线的优缺点

1.与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：

（1） 剖面薄，体积小，重量轻，能与载体共形，并且除了在馈电点外要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。

（2） 电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化；特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。

（3） 能与有源器件和电路集成为单一的模件，因此适合大规模生产，简化了整机

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的制作和调试，大大降低了成本。

（4） 不需要背腔，微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、相移器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

（5） 稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；无须做大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上。

2.微带天线的主要缺点是：

（1） 频带较窄，主要是谐振式微带天线，现在已有一些改进办法。

（2） 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。

（3） 单个微带天线功率容量较小，一般用于中、小功率场合； （4） 性能受基片材料影响大。

（5） 大多数的微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受（约为20dB）。 （6） 馈线与辐射元之间的隔离差，端射性能差，可能存在表面波。

不过已发展了不少新技术来克服或减少上述缺点。例如，已有多种途径来展宽微带天线的频带。常规设计的相对带宽的约为中心频率的（1-6）%，新一代设计的典型值为（15-20）%，利用带固态功率放大器的有源微带阵来组阵，可获得相当大的总辐射功率。

1.4 微带天线的应用

微带天线最初作为火箭和导弹上的共形全向天线获得了应用。现已应用于大约100M-100GHz的宽广域上的大量无线电设备中。特别是在飞行器上和地面便携式设备中，已应用微带天线的系统如：卫星通信、雷达、遥感、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信、飞机高度表、环境检测仪表、医用微波辐射计等。

圆极化微带天线特别是高性能圆极化微带天线在当前的应用愈加广泛。圆极化天线的实用意义主要体现在:1. 圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到,故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；2. 在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性；3. 圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等) 时旋向逆转,因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

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第二章 微带天线的辐射原理与分析方法

2.1 微带天线的辐射原理

微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。Lewin对微带的不连续性的辐射首次作了研究，他的分析是基于导体中流动的电流进行的。这个方法也可以用来计算辐射对于微带谐振器品质因数的影响。这个分析是以微带开路端和地板所构成的口径场为基础。按此分析，辐射对于品质因数的影响可描述为谐振器尺寸、工作频率、相对介电常数及基片厚度的函数。理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗。还证明，在用厚的而介电常数低的基片时，开路微带线的辐射更强。微带天线的分析方法有很多，为简单起见，我们以矩形微带天线为例，采用传输线模型分析方法介绍它的辐射原理。

设辐射元长L，宽W，介质基片厚h。贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度w方向和厚度h方向无变化。仅沿长度L方向有变化，其结构见图2.1(a)。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度L/2，所以两开路端的垂直电场分量反相，如图2.1(b)所示，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱）。而水平分量的电场是同相的，可等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，如图2 .1(c)。远区辐射场主要由该分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向。也就是说，微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙组成的二元阵。

(a) 开路端电场结构 (b) 场分布侧视图

图2.1 矩形微带天线及其等效电路

(c) 等效辐射缝隙

2.2 微带天线的辐射原理

微带天线的分析方法主要有3种方法：传输线模型法、空腔模型法和积分方程法。这3种分析方法各有所长，在具体的模型中应根据具体情况具体选择分析方法。在分析设计天线的过程中，应该合理使用理论分析和计算机辅助设计软件两种手段，扬长避短，综合运用，才能顺利、快速的完成天线的设计分析，得到满意的结果。由于传输线法较为简单方便，且特别针对矩形微带贴片天线，这里主要介绍传输线模型法，对其他两种方法只做简单介绍。

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2.2.1 传输线模型法

图2.2 矩形微带天线及坐标系

传输线模型法只适用于矩形微带贴片天线。如图2.2所示矩形微带贴片天线及坐标系，矩形的宽为w，长ld/2，g为介质内波长。为了计算方便按如下的方法设置坐标系：z轴和y轴位于接地板上，z轴沿缝的方向。传输线模型将矩形微带天线看成是场沿横向没有变化的半波长传输线谐振器，场沿纵向呈驻波分布，天线的辐射主要由两开路端边缘缝隙产生。

ˆE0，缝隙的辐射可以用等效首先研究y=0处的缝隙辐射情况。设y=0处的电场为z磁流来计算，等效磁流为

VˆxˆE0yˆxˆE0zˆE0zˆ0 (2.1) JmnhV0是缝隙电压，该磁流与镜像一起在自由空间辐射，其辐射场的电矢量位为

ejk0rˆAmz4rV0jk0x'sincosz'cosdx'dz' w/2hhew/2hk0wsincosjk0rsink0hsincoswe (2.2) ˆV0zrk0hsincosk0cosˆ分量辐射场可由已知式计算，在图中所示的坐标系中远区场的矢量位只有AmAmxsin，因此

Ejk00Amjk00Amzsin

k0wsincosjk0rsink0hsincos2esin (2.3) jV0r0k0hsincoscos由上式可以计算缝隙的辐射功率并进一步计算缝隙的辐射电导，当k0h1时

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Gs2Pr2V02V0201E2/220rsindd

/22 10010kwsin20costan2sind

2 sinxxSixcosx2 (2.4) 00xxsinudu。 0u除了辐射电导外，缝隙的导纳还有一由于边缘效应引起的电纳部分，这部分可用微带传输线的延伸长度来表示

式中0120为自由空间波阻抗，xk0w，Six BsYctanl (2.5) l可用如下经验公式计算

l0.412hh (2.6) we0.2580.813h12h12w12we0.30.262 er1r12 (2.7)

式中e为介质基板厚度为h微带宽度为w的微带传输线的等效介电常数，Yc为其特性导纳。

下面计算相距ld/2的两条缝的辐射情况。y=l缝的等效磁流为

VˆxˆE0yˆxˆE0zˆE0zˆ0 (2.8) Jmnh与y=0处磁流的方向相同。构成一同相二元阵，二者的辐射场应由y=0处磁流的辐射场乘以二阵因子

1e即

jk0lsinsin0sinsink0lj22cosjsinsine (2.9)

2klk0wsincosk0lsinsinejk0rsink0hsincos2k0lj2Ej2V0 sincosjsinsiner0k0hsincoscos2kljk0r0sinsin2j2V0er0kwsin0cossink0hsincos2sincosk0lsinsink0hsincoscos2 (2.10)

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由此可得H面（0）和E面（/2）两个主平面的方向函数

kwsin0cossin (2.11) 2FH cos

k 0l  (2.12) F E     cos  sin

2图2.3 矩形微带天线方向图

图为2.3。根据计算得到的微带天线的方向图，微带贴为方形，w和l分别为半波长，图(a)为FH，图(b)为FE。

当用微带线从辐射边对矩形贴片馈电时，天线的输入导纳应等于馈电缝隙的导纳与端接另一条缝隙的宽度为w，长度为l的微带传输线的输入导纳并联，即

YinYsYcYsjYctanl (2.13)

YcjYstanl式中Ys=G+jB为缝隙的辐射导纳，e0。

2.2.2 空腔模型法

空腔模型法把贴片与接地板之间的空腔看成是四周为磁壁、上下为电壁的有耗谐振腔，空腔的损耗主要是边缘缝隙的辐射损耗。空腔模型法首先求解空腔内的场，由边缘电场的切向分量求得边缘的等效磁流。然后再由等效磁流计算辐射场。空腔模型法适用于任何规则形状的微带贴片天线

2.2.3 积分方程法

无论是传输线模型还是空腔模型都没有考虑空腔内的场在与贴片埀直方向上的变化，对于介质基片的厚度与波长相比不是很小时这种近似就会带来很大的误差。并且以上两种方法都只适用于形状简单的贴片，而积分方程法适用于任何介质厚度和任何结构

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的微带天线。

积分方程法又称格林函数法，这种方法认为微带贴片天线的辐射场是由贴片表面的电流产生的。计算电流的辐射场可以借助并矢格林函数，首先要求得满足微带天线结构边界条件的并矢格林函数，然后利用积分式计算场。

 ErjGr,r'Jr'dv' (2.14)

v在一些简单的情况下可以假设贴片上的电流分布，电流分布Jr'乘以并矢格林函数Gr,r'然后在电流所在体积积分即可确定辐射场，用这种方法确定场称为格林函数法。

实际上这个积分式中源Jr'和场Er都是未知的，如果把场点r设置在贴片表面，利用

导体表面总切向电场分量为零的边界条件可以确定贴片表面的场Er，从而该方程成为

源电流Jr'的积分方程，因此称为积分方程法。积分方程可以利用矩量法求解，求出电流后代回原方程即可确定场。

2.3 微带线的馈电方法 一．微带线馈电

微带线馈电又称为边馈。用微带线馈电时，馈线与微带贴片共面，因此制作简单。但此时馈线本身要辐射，从而干扰方向图降低增益。由于微带贴片天线的输入阻抗与馈电点的位置有关，因此天线与馈线特性阻抗的匹配由适当选择馈电点位置来实现。馈电点的位置除了沿馈电边移动之外还可以通过一个间隙伸入贴片内部，如图2.4(a)所示。馈电点位置改变引起谐振频率的微小漂移可以通过修正贴片尺寸来补偿。在理论计算中，微带馈源的模型可等效为沿z轴方向的一个薄电流片，电流片的宽度为微带线的等效宽度。

(a) 微带馈电 (b) 同轴馈电

图2.4 微带馈电和同轴馈电

二．同轴线馈电

同轴线馈电是利用从接地板上的小孔伸入谐振空腔内的探针激励贴片天线，探针与同轴线的内导体相连，同轴线的外导体与接地板相连,如图2.4(b)所示。同轴线馈电的优点一是馈电点可置于贴片空腔内任意位置，便于天线与馈线的匹配；二是馈线位于接地板的下方，不会对天线辐射造成影响。缺点是不便于集成，用于天线阵时加工工作量大且很难保证各阵元馈电的一致性。

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三．电磁耦合型馈电

电磁耦合型馈电是利用与贴片靠近但不相连的微带传输线对贴片馈电，微带线与贴片可以共面也可以不共面。

在不共面电磁耦合型馈电结构中还可以在馈线与贴片之间插入一带有矩形缝隙的接地板，微带线通过缝隙对贴片馈电。调节缝隙的尺寸可以方便地控制馈线至贴片的耦合。采用长度比贴片尺寸稍小的缝隙一般可获得满意的匹配。

图2.5 电磁耦合型馈电

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第三章 圆极化微带天线单元的设计与仿真

3.1 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍

因为微波工程在分析计算和实际设计中具有很大的难度，传统的分析方法只能用来解决少数的简单问题，所以对于高复杂的当代电磁系统微波工程问题，往往是采用近似分析和实验验证，这使得设计的过程通常需要经过反复的设计、计算和调试过程，才能得到比较满意的结果，但却需要一个时间非常长的设计周期。众所周知，当今科技发展的速度如此迅猛，漫长的设计周期显然不能满足工程设计的要求。

20世纪六十年代微波分析数值方法的出现，美国Ansoft公司利用该方法，设计了第一款微波电子设计自动化软件HFSS（High Frequency Simulator Structure ）。该软件利用电磁场的有限元法来分析微波工程问题，具有精度高、仿真速度快、可靠性强、稳定性好等优点，由于其自适用网络剖分技术，使HFSS软件成为天线结构设计的首选工具。广泛的应用于航空、航天、电子、半导体和通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种微波结构[6]。

HFSS采用Windows图形用户界面简洁直观；HFSS的使用简单，首先用户只需创建或导入设计模型，其次指定模型的材料属性，然后正确分配模型的边界条件和激励，最后准确定义求解设置，仿真软件就可以根据模型参数计算出输出用户需要的设计结果。用户还可以根据设计的需要对模型进行优化设计、灵敏度分析、参数扫描分析和统计分析等操作。

图3.1 Ansoft HFSS 的用户界面

一、HFSS设计流程：

（1）启动HFSS软件，新建一个设计工程，保存路径必须全英文；

（2）选择求解类型，包括模式驱动求解（Driven Modal）、终端驱动求解(Driven

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Terminal)、本征模求解(Eigenmode)；

（3）创建设计模型，构造准确的结构模型、设定好模型的材料属性； 边界条件（Radiation)；激励主要包括波端口激励、集总端口激励； （5）求解设置包括定义求解频率，扫频范围； （6）设计检查、运行仿真计算；

（7）数据处理，查看计算结果，包括S参数、增益大小、场分布、辐射方向图； （8）进行优化设计得到最优解； 二、Ansoft HFSS可显示的参数： （1）S、Y、Z等参数矩阵； （2）电压驻波比（VSWR）； （3）端口阻抗和传播常数； （4）电磁场分布和电流分布； （5）谐振频率和品质因素Q；

（6）天线辐射方向图和各种天线的参数：增益、方向性、回波损耗、波束宽度； （7）比吸收率（SAR）；

3.2 微带天线圆极化技术

辐射或接受圆极化的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要性质： 1．圆极化是一个等辐的瞬时旋转场。即，沿其传播方向看去波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，沿其传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波。

2． 一个圆极化波可以分解为两个在空间和在时间上均正交的等幅的极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，振幅相差90。

3．任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可分解为两个旋向相反，振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到，反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可由任意极化的天线收到。这正是电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化波工作的原因。

4．天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不能接收右旋圆极化波，反之，若天线辐射有旋圆极化波，则接收右旋圆极化波，这称为圆极化天线的旋向正交性，其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用这个性质。例如，国际通信卫星V号上的4GHz多波束发射天线辐射有旋圆极化波，形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波，形成两个辐射不同地区的“波束区域”,这四个波束都工作于4GHz频段互不干扰，从而

（4）设置边界条件和激励；边界条件主要包括：理想导体边界（Perfect E）、辐射

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实现四重频谱复用，增加了通信容量。

5．圆极化波入射到对称目标（如平面，球面等）时，反射波变为反旋向的，即左旋波变右旋，右旋波变左旋。

微带天线的优点之一是便于实现圆极化工作，实现圆极化工作可采用单片法或多片法，单片法又分单点馈电法和多点馈电法，下面分别讨论这两种方法。

3.2.1 圆极化实现技术 一．单片法 单点馈电

单片法是设法在微带贴片空腔中激励两个简并模，这两个简并模能辐射正交极化、幅度相等、相位相差/2的电磁波。

以矩形微带贴片天线为例介绍如何在贴片空腔中激励出这两种模式，设矩形贴片尺寸为a×b，TM01模和TM10模在z轴方向的辐射场为 TM01模：

E0

4k0hC011jk0r (3.1)

EEyje0r2k0aTM10模：

EExj

4k0hC101jk0re0r2k0b (3.2)

E0由上两式可见TM01模和TM10模在边射方向的场在空间是相互正交的，为使它们合成圆极化波，还应该满足时间（相位）上正交和幅度相等的条件，即它们的比值应为

j：

EybC01ExaC1022bkk10j (3.3)

2x0k2k01acosabcosy0式中k01/b，k10/a。由上式可见为使两种模式的场同时被激励并具有相同的振幅，应有ab，k10k01，但此时它们的比值为实数而不是j。为了实现相位上的正交并同时实现两种模式简并工作只能取ab，k01k10。为此，取近似正方形贴片

0abb，激励频率满足关系k10kk01。设

ycos0b (3.4) Axcos0a在k01k10的条件下式(3.3)可近似为

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Akk10j (3.5) kk01圆极化条件要求kk10比kk01超前或滞后/2并且

Akk01 (3.6)

kk10下面来求满足上述条件的A值，即求激励点的坐标x0,y0值。

图3.2 圆极化波的k平面

上面各式中k值应为:

1kk0r1jtaneffk0r1jtaneffk'jk\" (3.7)

2 k'k0r，

k\"11taneff (3.8) k'22Qkk01,0为圆心，对于三者之间在k平面中应有图3.2所示的关系，即k应位于以102以左旋圆极化波，由式(3.5)，kk10应比kk01超前/2，式(3.5)右边取j。因此

k,k10,k01k01k10 为直径的圆上，并且满足关系

k\"11taneff。 k'22Q利用图3.2的几何关系求A的解：由三角形相似关系得

k\"k\"pq， (3.9) kk10kk01kk01kk10由上式及式(3.7)得

pk'k10kk10kk01k\"k\"A， qk01k'kk01kk10k\"Ak\" (3.10)

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上两式相加得

1k'1k01k10k\"AA (3.11)

A2QA由式(3.10)及式(3.8)得

k'k10由上式解出k'

k'k10 (3.13) 112QAk\"Ak10k' (3.12) 2QA代入式(3.11)可得A的方程

aa A221QA0 (3.14)

bb该方程的解为

A1,2aaaQ1Q21 (3.15)

bbb2由上式解出A，由式(3.4)即可确定馈电点的位置，由式(3.13)可确定谐振频率。 由式(3.15)可见，若ab则A＝0，式(3.4)的x0,y0 无法确定。若A=1，由式(3.14)得

a2Q1111121 (3.16) b2Q1QQQ由式(3.4)得

y0b，此时馈电点的轨迹就是矩形贴片的对角线，可在这种贴片的x0a一角用微带线馈电获得圆极化特性。

对右旋圆极化波式(3.5)右边取j，只需定义

cos Ay0b (3.17) xcos0a则以上的讨论对右旋圆极化波完全适用，由三角关系

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cosy0bcosby0b,cosx0bcosbx0b

可见，若x0,y0是左旋圆极化波的馈电点，则x0,by0或ax0,y0就是右旋圆极化波的馈电点。以上分析对其他形状的贴片同样适用。 二．单片法 多点馈电

用单贴片实现圆极化的另一方法是利用两个馈电点电来激励一对正交简并模并用馈电网络来实现相位上的正交。图3.3(a)采用T型分支激励正方形贴片中的TM10模和TM01模，两种模式的辐射场是正交的线极化波，90°的相位差依靠在一个支路中插入四分之一波长延迟线来实现。双点馈电网络的另一种形式是采用如图3.3(b)所示的3dB分支电桥。3dB分支电桥可在较宽频率范围内保持90°相移，而且由于匹配负载吸收了输入端口及辐射元的反射，有利于改善输入阻抗特性及终端反射所带来的轴比恶化，圆极化带宽可达30%。

(a) T型分支激励 (b) 3dB分支电桥

图3.3 多点馈电圆极化微带天线

三．多片法

多片法是在不同的贴片中激励相互正交的模式来实现圆极化辐射的。

图3.4所示的开在接地板上的微带缝隙和微带振子适当的组合也能产生圆极化波，微带振子和微带缝隙都为半波长，彼此相距四分之一波长，因此可以产生在空间和相位上都相互正正交的场。馈电微带线在离微带振子四分之一波长处短路，使振子和缝隙分别位于电压和电流的最大值处，辐射场是左旋圆极化波；如果缝隙位置不变，将振子置于距终端四分之三波长处则可得到一可旋圆极化波。为了得到单向辐射可以在离地板四分之一波长处放置一反射器。

图3.4 振子—缝组合圆极化微带天线

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第四章 圆极化微带4单元阵列天线的设计与仿真

4.1 圆极化微带天线单元的设计与仿真

对于微带贴片天线来说，无论是单元天线还是阵列天线，首先是要设计一个天线单元，这是天线的辐射部分，也是最重要的部分。

4.1.1圆极化微带天线单元的设计仿真

本人的毕设题目是《圆极化微带4单元阵列天线》，其仿真要求为：1. 中心频率5.83GHz，带宽大于150MHz，轴比AR<5dB的带宽大于40MHz；2. 增益>9dBi；3. 驻波系数：≤2；4. 极化方式为左旋圆极化。

经过考虑，天线单元的设计决定采用单点侧馈的方形贴片切角圆极化天线。天线单元机构图如下图所示。

图4.1 天线单元结构图

该天线在面积为S、介质板厚度为h、介电常数为εr的侧馈方形微带天线基础上削去两个面积相等、和为Δs的等边直角三角形，使之形成圆极化功能，并通过1/4波长微带传输线与50Ω匹配。根据空腔模理论，采用单点侧馈方式的矩形贴片天线可产生极化正交、幅度相等的2个简并模（TM01，TM10），但2个简并模不能形成90°的相位差。为实现简并模间90°相位差以辐射圆极化波，需要在方形微带天线上附加一简并模分离单元，使简并正交模的2个谐振频率产生分离，天线实际工作频率f 选在2个谐振频率之间。 天线单元的边长W和切角面积Δs可由式(4.1)和式(4.2)求出，

Wc2fe2L (4.1)

式中的εe和ΔL可由式(2.7)和(2.6)分别求出。

s1 (4.2) S2Q 桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书 第2页 共40页

其中Q是微带天线的品质因数。

天线模型采用板材为介电常数εr＝4.4的聚四氟乙烯双层覆铜板，厚度为h=1.6mm，其中铜层厚度为1Oz（约35μm 厚）。经过matlab程序计算，初步确定天线单元边长为 W＝12mm，切角为等边直角三角形，其边长为C=2.1mm；1/4波长匹配线宽度为W1＝0.8mm，长度为L1=7.1mm；50Ω微带馈线的宽度为W2＝3.2mm，长度为L1=6.8mm。其仿真模型如图4.2所示。

图4.2 微带天线单元

相较于正交馈电和同轴馈电，单点微带线侧馈显得更简洁，易于集成。馈电点选择在方形贴片边长的中点，通过1/4波长微带传输线与50Ω传输线匹配。

回波损耗是衡量微带天线反射性能和阻抗匹配程度的重要参数，通常我们希望回波损耗越小越好，其单位是dB。回波损耗越小，则表明天线的阻抗匹配越好，信号反射功率越小，越有利于信号的传输。微带天线单元的回波损耗如图4.3所示。

图4.3 微带天线单元的回波损耗(S11)

从图4.3中我们可以看到，中心频率处回波损耗已经达到-34dB，阻抗匹配很理想。 电压驻波比(VSWR)是衡量微带天线带宽的重压指标，在本设计中要求VSWR≤2的带宽为150MHz。微带天线单元的仿真驻波比如图4.4所示。

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图4.4 微带天线单元的电压驻波比

从图4.4中可看出，在5.83GHz处的驻波比为1.08接近1，效果与回波损耗相对应。在5.65GHz和5.95GHz处的驻波比约等于2，即VSWR≤2的带宽为300MHz。

(a) (b)

图4.5 微带天线单元在（a）E 面(φ=0°)和(b)H 面(φ=90°)的辐射方向图

图4.5显示了天线单元的远场辐射图形，辐射方向图方向性的绝对值是2.28dB。其3D辐射模型如图4.6所示，从图中可知天线单元的最大增益为2.28 dB。

图4.6 微带天线单元的3D辐射模型 图4.7 微带天线单元的史密斯圆图

从图4.7的史密斯圆图的标记可知，在中心频率5.83GHz处的归一化阻抗非常接近1。证明阻抗匹配很好。

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