I 摘要  耦合饋電是從二十世紀(jì)八十年代興起的一種非接觸式饋電方式，主要分為口徑耦合饋電和臨近耦合饋電等兩種方式。耦合饋電具有方便調(diào)節(jié)輸入阻抗，擴展天線帶寬等特點，在目前微帶天線朝著小型化和寬帶化發(fā)展的趨勢下，耦合饋電正逐漸成為流行的饋電方式。  本文圍繞著耦合饋電和耦合寄生貼片的應(yīng)用， 進(jìn)行了以下 幾 方面 內(nèi)容的討論 ： 1）介紹了耦合饋電的特點和發(fā)展過程，闡述了微帶貼片和耦合的相關(guān)理論； 2）設(shè)計了一個工作在 5耦合串行饋電微帶貼片天線陣，對天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 分析， 并進(jìn)行了實物測量，顯示天線具有較寬的帶寬且主波束指向偏離度較小； 3）設(shè)計了一個工作在5圓極化耦合串行饋電微帶貼片天線陣。對天線進(jìn)行了仿真，顯示具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬 ； 4）利用 L 形地面 實現(xiàn)單層直接饋電 ，并在方形切角貼片天線旁加矩形耦合寄生貼片擴展帶寬的方式，設(shè)計了一個寬帶圓極化 寫器天線。天線進(jìn)過實測和仿真， 增益 達(dá)到設(shè)計要求 ， 帶寬能夠完全覆蓋超高頻  段 ； 5）通過利用微帶 計了一個寬帶全向水平極化天線及其天線陣。該天線進(jìn)過仿真設(shè)計，工作在 蓋了目前工作在 2 近的 2G/3G 系統(tǒng)所需頻段 ，并且該天線具有很好的全向性。  關(guān)鍵字 ：耦合饋電； 寄生貼片；耦合串饋天線陣；讀寫器天線； 全向水平極化 天線 。   is an 980s, be as an a is to be of In is a as of of we a of we a  A of is . We of . A is . is of is A is . a A is in is to a a is to of A is  a is  of  錄  摘要  . I . 一章  緒論  . 1 題背景及意義  . 1 帶天線技術(shù)的概況  . 3 線陣及陣列饋電技術(shù)  . 3 文主要完成的工作以及內(nèi)容安排  . 5 第二章  微帶天線及耦合理論  . 7 線理論  . 7 線作用  . 7 線主要電參數(shù)  . 7 帶天線的分析理論  . 9 合  . 11 章小結(jié)  . 12 第三章  耦合串行饋電微帶貼片天線陣的設(shè)計  . 13 饋微帶線陣?yán)碚? . 13 勻激勵等間距直線陣  . 13 饋陣列  . 14 計步驟  . 16 質(zhì)基板材料的選擇  . 16 元的設(shè)計  . 17 陣方案的選擇  . 17 電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計  . 18 列構(gòu)造  . 18 列的測量及結(jié)果分析  . 20 路特性測試  . 21 射特性測試  . 22 數(shù)分析  . 24  同陣元數(shù)目的陣列對比  . 25 章小結(jié)  . 30 第四章  圓極化微帶天線的設(shè)計  . 31 極化微帶貼片天線  . 31 極化天線基本概念  . 31 極化技術(shù)  . 32 極化串行耦合饋電微帶貼片天線陣設(shè)計  . 34 線結(jié)構(gòu)  . 34 真結(jié)果與分析  . 35 數(shù)分析  . 39 帶 寫器天線設(shè)計  . 40 線結(jié)構(gòu)  . 41 果與參數(shù)分析  . 42 章小結(jié)  . 44 第五章  寬帶全向水平極化天線及其天線陣  . 46 向水平極化天線  . 46 線結(jié)構(gòu)  . 47 真結(jié)果及分析  . 49 線單元的仿真結(jié)果及分析  . 49 列天線的仿真結(jié)果及分析  . 50 章小結(jié)  . 54 結(jié)論  . 55 參考文獻(xiàn)  . 57 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果  . 62 致謝  . 63 第 一 章  緒論  1 第一章  緒論  題背景及意義  微帶天線的饋電技術(shù)分為直接法和非接觸法 1， 其中直接法包括邊沿饋電、探針饋電等。非接觸法包括口徑耦合、臨近耦合等。也有一些激勵方法如 L 形探針，其實是探針和臨近耦合的混合形式。  微帶線 饋電技術(shù)是最早出現(xiàn)的微帶天線的饋電方式 2。因為饋電單元和貼片可以蝕刻在同一塊基板上，所以 微帶線 饋電的制造工藝比較簡單，所以大多數(shù)平面陣采用 微帶線 方式。這種饋電技術(shù)很容易控制輸入阻抗水平，當(dāng)饋線與貼片的接觸點位于貼片的輻射邊時，諧振阻抗可以高達(dá) 150 以上，而當(dāng)接觸 點位于貼片中心時下降為只有幾個歐姆。但是由于饋電網(wǎng)絡(luò)沒有與天線分開，因此 微帶線饋電 微帶天線具有較窄的帶寬和相對較高的寄生饋電輻射 ； 另外如果基板介電常數(shù)較高， 則表面波的效率很低。  探針饋電是二十世紀(jì) 七十年代中期提出的一種饋電方式 2。 同軸線的內(nèi)導(dǎo)體即探針與輻射貼片連接，外導(dǎo)體與地相連。探針饋電有幾個優(yōu)點：首先是饋電網(wǎng)絡(luò)通過接地面與輻射部分分離 ，這樣就可以分別對每一層進(jìn)行優(yōu)化；其 次，探針直接與天線接觸，且饋電網(wǎng)絡(luò)的大部分與貼片隔離，從而使雜散 輻射最小。但是探針饋電 連接復(fù)雜，帶寬也相對較窄，探針容易產(chǎn)生較高的交叉極化場，制造也比較復(fù)雜 。  從上面可以看出， 直接接觸式饋電有著內(nèi)在的窄帶寬和不利的表面波效應(yīng)等因素，所以就發(fā)展了非接觸激勵機制 耦合饋電?？趶今詈橡侂娛巧鲜兰o(jì)八十年代提出的一種饋電方式 3， 如 圖 1-1(c)，疊層之間通過地面分開，饋線與微帶貼片之間通過接地面上的窄縫進(jìn)行耦合?？趶今詈橡侂娞炀€的各部分之間是分離的，可以分別進(jìn) 行優(yōu)化，制作工藝也相對簡單；口徑耦合貼片具有更多的設(shè)計參數(shù)， 方便設(shè)計；采用這種饋電方式的天線上沒有劇烈的電流不連續(xù)點，相對較容易建模和分析；此外，口徑耦合天線的阻抗匹配很容易調(diào)節(jié)，所以通常具有 顯著的 阻抗帶寬 。  除了口徑耦合饋電，還有一種非接觸式饋電方式，即臨近耦合饋電 4，如圖 1-1(d)所示。饋線在地與微帶貼片之間，饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片通過電磁作用進(jìn)行功率耦合。臨近耦合饋電的關(guān)鍵特性在于它的耦合機制本質(zhì)上是電容性的，而直接接觸法主要是感性的。耦合機制的差異使得臨近耦合饋電方法可以獲得較寬的阻抗帶寬。同口徑耦合一樣，臨華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  2 近耦合饋電天線上沒有電流的不連續(xù)點，所以易于分析。但是臨近耦合同樣會產(chǎn)生相對較高的寄生輻射。 圖 1上述四種饋電方式的示意圖，表 1這四種饋電方式之間的對比。  綜上所述，耦合饋電方式相較于其他饋電方式能夠獲得較寬的阻抗帶寬，并且能有效抑制表面波的產(chǎn)生。基于耦合饋電的這種特性，本 文將著重研究耦合饋電以及耦合寄生貼片在實際天線設(shè)計中的應(yīng)用。  (a)微帶線饋電                            (b)探針饋電  (c)口徑耦合饋電                            (d)臨近耦合饋電  圖 1種常見的饋電方式  表 1種饋電方式的對比 5 饋電方式  性能  同軸探針饋電  微帶線 饋電  臨近耦合  口徑耦合  極化純度  差  差  差  極其好  構(gòu)造難易  焊接和挖孔  容易  需要校準(zhǔn)  需要校準(zhǔn)  可靠性  差  很好  好  好  帶寬  2213% 21% 第 一 章  緒論  3 帶天線技術(shù)的 概況  通常 的微帶天線是在薄介質(zhì)基片的一面敷有金屬薄層作為接地板，另一面做出一定形狀的金屬貼片的方法構(gòu)成的，可以用微帶線或者同軸探針對其饋電。微帶天線按照結(jié)構(gòu)特征可以分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線；按照工作原理可以分為諧振（駐波）型和非諧振（行波）型。與其他類型的天線相比 ，微帶天線 具有剖面薄、重量輕、體積小、便于和有源器件集成、適合構(gòu)成天線陣等諸多優(yōu)點。 微帶天線是在 1953 年就已經(jīng)提出的一種天線類型， 雖然微帶天線在發(fā)現(xiàn)之初沒有獲得工程界的重視，但自二十年后第一批實用的微帶天線制成后 6，新型及新性能的微帶天線不斷出現(xiàn)在學(xué)術(shù)論文和研究報告中。并且隨著無線電技術(shù)向越來越高的頻率發(fā)展時，對天線的小型化、輕便等要求也越來越高。所以，微帶天線自然而然的受到研究者的關(guān)注。 直到目前，微帶天線的研究仍然是天線研究的一個重要課題。但是，微帶天線 在擁有如此多優(yōu) 點的同時，也有很多不足，比如頻帶 窄、增益低、 介質(zhì)基板對性能影響大、功率容量低、 輻射效率低等。這些缺點極大地限制了微帶天線在實際中的應(yīng)用。 目前，微帶天線應(yīng)用的場合主要 有：無線通信技術(shù)，包括無線局域網(wǎng)（ 手機天線、藍(lán)牙等；小型衛(wèi)星通信；多普勒及其它制式的雷達(dá)；無線電測高計；導(dǎo)彈遙測； 星導(dǎo)航接收機等。  微帶天線技術(shù)隨著應(yīng)用范圍的擴大得到飛速的發(fā)展，目前對微帶天線技術(shù)的研究方向主要有以下幾個方面：高增益、低副瓣設(shè)計；小型化、寬帶化設(shè)計；多極化；多頻段；分形微帶天線；光子帶隙（ 術(shù)在微帶天線設(shè)計上的應(yīng)用等。  線陣及陣列 饋電技術(shù)  天線陣是由多個形式相同并按照一定規(guī)律布置的輻射單元組成的輻射系統(tǒng) 7。陣列中的單個輻射單元叫做陣元或者單元天線。天線陣中的 單個陣元在空間中形成的輻射場在某些方向上互相疊加而 在某些方向上互相抵消，可以產(chǎn)生出特定的方向圖，從而提高方向性并且改善增益。陣列天線的輻射特性一般由陣元的性質(zhì)、數(shù)量、排列方式和其上的電流幅度及相位等因素決定。天線陣按照陣元的排列方式可以分為線陣、面陣、立體陣等。陣元的排布可以為等間距和不等間距排列，陣元的結(jié)構(gòu)可以是相同也可以是不同的。研究陣列天線的方法有兩種，一種叫做天線分析法，是指對于給定基本參數(shù)的陣列，求其輻射特性的方法。第二種叫做天線綜合法，是指在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體要求的輻華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  4 射特性或者性能指標(biāo)，求出相 應(yīng)的天線參數(shù)再進(jìn)行布陣?？梢妰煞N方法是相反的過程。  陣列天線有較長的應(yīng)用歷史， 早在 1920 年短波遠(yuǎn)距離通信中就用到了陣列天線。而真正使陣列天線得到廣泛應(yīng)用的是在上世紀(jì)三十年代出現(xiàn)的雷達(dá) 8。緊接著，由于需要跟蹤高速移動的飛行器，所以要求天線波束能在較大的空間區(qū)域內(nèi)能夠靈活高速地掃描，這使得陣列天線發(fā)展出電掃描技術(shù)，形成了相控陣。現(xiàn)在陣列天線的應(yīng)用面非常廣泛，如在軍事中用于軍事通信、預(yù)警技術(shù)等，在衛(wèi)星通信，無線通信等領(lǐng)域都能看到陣列天線的影子。  為了保證天線陣中的每個 陣元得到所要求的激勵振幅和相位，我們需要 給天線陣設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)。饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的原則是阻抗匹配，結(jié)構(gòu)簡單和損耗小。有適當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，天線陣才能形成所要求的方向圖，或者讓天線的某項性能指標(biāo)達(dá)到最佳。天線陣的主要饋電方式為串行饋電和并行饋電，也有使用兩種饋電 方式的組合 9。  并饋線陣的傳輸線在輸入端進(jìn)行饋電后，沿線的每個陣元都耦合一部分的功率，剩余的小部分功率被終端負(fù)載吸收。并饋線陣的陣元間隔不是     的整數(shù)倍以避免反射波同相疊加。并饋 線陣的波束不是指向邊射 方向，而是傾斜的。并聯(lián)饋電的設(shè)計比較簡單，每個陣元需要的激勵振幅和相位通過設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。當(dāng)饋線的長度相等時，波束的指向與頻率無關(guān)，所以阻抗匹配的帶寬決定了頻帶寬度，因此比較容易形成寬頻帶。這種形式的饋電網(wǎng)絡(luò)適用于固定波束陣，或者電移移相器進(jìn)行波束掃描的相控陣。但是，并聯(lián)饋電陣列需要大量的功分器， 饋線的長度也較長，不僅降低了空間利用率，也大大增加了傳輸線的損耗，饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度也較高。  串饋線陣 是輻射單元沿著傳輸線的方向排列的天線陣，傳輸線可以有兩種：駐波（諧振式）饋源和行波（非諧振式）饋源。諧振式串行 饋電線陣的相鄰陣元之間的距離為     ,或者   （   代表介質(zhì) 波長），這樣做可以保證波束指向邊射方向而且陣元都是同相饋電。傳輸線的終端短路或者開路，沿線形成駐波分布，這種饋源可以使用周期性的加載的傳輸線來表示，但頻帶范圍比較窄。 從等效網(wǎng)絡(luò)的角度看，串饋形式可以說是一種級聯(lián)形式的饋電。 每一個天線陣元都可以等效成一個四端網(wǎng)絡(luò)。串聯(lián)饋電陣列中的各陣元所需要的激勵幅度和相位是通過改變陣元的尺寸來達(dá)到的。將陣元尺寸設(shè)計成各不相同時可以得到具有幅度和相位加權(quán)的串聯(lián)饋電陣列。當(dāng)串饋陣列的頻率發(fā)生變化時，陣元激勵相位也相應(yīng) 地發(fā)生改變，從而使波束指向發(fā)生改變。與并饋陣列相比，串饋陣列的設(shè)計要更復(fù)雜一些，特別需要考慮各陣元間的互耦影響。 但串饋陣列效率較高，傳輸線的損第 一 章  緒論  5 耗也較小，饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也比較緊湊和簡單。  下表是這些饋電方式 的比較 6。  表 1列天線饋電技術(shù)對比  饋電方式  波束指向  帶寬  效率  帶寬限制  空間利用  串行饋電  駐波式  端點饋電  邊射  很窄  中 駐波比  好  中心饋電  邊射  很窄  中 駐波比  好  行波式  端點饋電  傾斜，頻率敏感  寬  中 方向圖  好  中心饋電  邊射  窄  中 端饋好  方向圖  好  串聯(lián)補償饋電  邊射，頻率無關(guān)  寬  中 方向圖或單元匹配  中  并聯(lián)饋電  邊射，頻率無關(guān)  寬  中 方向圖或單元匹配  差  文 主要完成的工作以及內(nèi)容安排  本文的主要工作是 在現(xiàn)有的 基本理論以及方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者所作的工作，分析總結(jié)了耦合 饋電 以及耦合寄生貼片在實際天線設(shè)計中對天線帶寬等性能的影響 ， 并且根據(jù)總結(jié)出來的研究方法設(shè)計出一種耦合串行饋電微帶貼片天線陣。經(jīng)過對天線參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，最后制作出一款 8 單元的耦合串饋 貼片天線陣。天線經(jīng)過測量后得出的性能結(jié)果與仿真結(jié)果有較好的吻合。隨后，改變了貼片的形狀， 并且利用方形切角貼片實現(xiàn)了圓極化耦合串饋貼片天線陣。 本文還介紹了一種利用耦合寄生貼片擴展帶寬的寫器天線。最后提到一款寬帶全向水平極化天線。以上天線均采用了耦合的方式，相較于其他同類型的天線具有更寬的帶寬。 本文采用理論研究、電磁軟件仿真、以及實測分析相結(jié)合 的研究方法，從而達(dá)到對耦合饋電微帶天線 有一個比較全面的認(rèn)識。  本文具體章節(jié)安排如下：  第一章緒論主要介紹了 幾種常見的微帶天線饋電方式，并對這幾種饋電方式進(jìn)行了對比，總結(jié)了耦合饋電的優(yōu)勢，接著介紹了微帶天線的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢，最后闡述了 天線陣的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀 以及對天線陣的饋電技術(shù) 做了 說明和 類比。  第二章講述了 介紹了 微帶貼片天線及 耦合機理等 相關(guān)理論，包括天線的輻射機理，天線的基本 電 參數(shù) ， 幾種分析 微帶貼片天線的 理論 。最后介紹了 微帶貼片之間耦合 的一些相關(guān)的理論 。  華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  6 第三章 首先介紹了串饋微帶線陣的一些理論知識，包括 串饋直線陣?yán)碚?、舉例討論了一個 N 元等幅 饋電邊射直線陣的方向圖、 計算陣列輸入阻抗和饋電幅度及相位的方法。然 后詳細(xì) 闡述了構(gòu)造串饋線陣的步驟。接著提出了一個八單元耦合串饋微帶貼片天線陣，通過電路參數(shù)和輻射參數(shù)的測量說明了該陣列天線的性能，并且給出了相應(yīng)的四單元、十二單元、十六單元的仿真結(jié)果，并對這些結(jié)果進(jìn)行了對比。  第四章 按照第三章的思路 首 先介紹了圓極化天線的基本概念 及圓極化微帶天線的實現(xiàn)方法，然后按照第三章中提到的設(shè)計步驟提出 了 一種圓極化耦合串行饋電陣列天線，接著給出了陣列天線的仿真性能并且對一些重要的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析 。 該天線陣依然采用臨近耦合饋電的方式，具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬。 另外本章還提出了一種直接饋電 的單層 極化讀寫器天線，這種天線覆蓋了 段。 利用耦合寄生貼片 擴展了天線的 阻抗帶寬和圓極化帶寬。 最后對出現(xiàn)的問題作出總結(jié)。  第五章介紹了一種寬帶全向水平極化天線并且利用其作為陣元組成了一個八單元陣列天線。 該天線利用一種微帶 具有很好的水平面全向性。 相應(yīng)的 天線陣采用了并聯(lián)饋電的方式， 利用功分器對各陣元均勻饋電。本章重點分析了陣元構(gòu)造和天線陣的性能結(jié)果。  最后是 對 全篇 論文 的總結(jié) ，歸納了本文所作的工作，并針對本文的設(shè)計提出了尚待改進(jìn)的地方 。第 二 章  微帶天線及耦合理論  7 第二章  微帶 天 線 及 耦合 理論  線理論  線作用  天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，處于系統(tǒng)的末端， 是無線系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的橋梁 ，為輻射和接收無線電波提供了手段，其性能的好壞將直接影響整個移動通信系統(tǒng)的性能。 大多數(shù)天線是互易器件，發(fā)射時的行為與接收時相同。 它發(fā)射信號時將傳輸線上的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成自由空間波，接收時再將空間中的電磁波轉(zhuǎn)換成傳輸線上的導(dǎo)波。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的 重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就 無法完成無線 通信。為了區(qū)別天線的工作頻率、用途、應(yīng)用場合及其它要求的不同，我們需要對天線進(jìn)行分類。按照工作頻率可以分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按照用途可以分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等； 按照方向圖可以分為全向天線和定向天線；按照外形可以分為線狀天線和面狀天線等等。  線主要 電 參數(shù)  天線的 主要電參數(shù)包括輻射方向圖、方向性、極化、增益，輸入阻抗、帶 寬、效率等。這 些電參數(shù)還可以分為輻射特性參數(shù)和電路 特性參數(shù)。下面 介紹 一下 輻射特性參數(shù)：  （ 1） 輻射方向圖  電磁波經(jīng)天線輻射到自由空間后，其能量分布是不均勻的，輻射方向圖表述了天線發(fā)射電磁波時距離天線固定的距離上輻射隨角度變化的情況。輻射用距離天線 r 處的功率密度 S 來表示 。  對于天線的方向圖，有的天線的需要對準(zhǔn)性很強，所以就需要主瓣盡可能窄；而有的天線卻需要各個方向都能給予等量的輻射強度， 這就需要方向圖是一個球形，即假想中的各向同性點源。  （ 2） 方向性與增益  天線的本質(zhì)就是電磁波的空間放大器，方向性則表示一個天線輻射的功率密度的峰值與各向均勻輻射的天線的功率密度的 比 值，是天線集中能量程度的表示，即  （    ）  華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  8 也可以表示為：  其中   是波束立體角。  方向性是由輻射方向圖單一決定的。而增益 是一個與方向性息息相關(guān)的參數(shù) 。天線增益是指在輸入功率一樣的情況下，實際天線與理想的各向同性點源在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。增益定量地描述了一個天線把輸入功率集中輻射的程度。同時，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。用公式可以表示為：  方向性系數(shù)表示天線輻射電磁能量的集中程度，效率表示天線能量的轉(zhuǎn)化率，而增益與方向性的關(guān)系則可以表示為 ：                      即天線的增益等于它的方向性與輻射效率的乘積。 一般說來，天線的方向性越好，增益越大，反之亦然。  （ 3） 極化方式  極 化是指 電磁波在 自由 空間傳播時， 電場強度矢量在空間運動的軌跡或者變化的狀態(tài)。一般說來，電場強度矢量在空間運動的軌跡是一個橢圓。我們定義這種極化方式為橢圓極化， 如圖 2示。 沿著波的傳播方向看， 當(dāng)電場強度矢量 E（ t）的軌跡是沿著逆時針旋轉(zhuǎn)時，我們把這樣的電磁波叫做右旋橢圓極化，反之叫做左旋橢圓極化。 橢圓極化在一些情況下可以轉(zhuǎn)換成圓極化和線計劃。 當(dāng)振幅    和    相等并且它們的相位x 和 y 之間相差 /2 時，電場強度矢量的軌跡則會由橢圓演變成圓形，我們稱此時的電磁波為圓極化波。相應(yīng)的也有左旋和右旋的分別。 當(dāng)電場矢量的相位 x 和 y 之間相差 ，橢圓軌跡就會演變成一條直線，這時我們稱之為線極化。當(dāng)線極化方向與水平面平行時，叫做水平線極化；當(dāng)線極化的方向與水平面垂直時，叫做垂直線極化。  第 二 章  微帶天線及耦合理論  9 圖 2化橢圓圖  天線的接收具有極化正交性 。 當(dāng) 接收天線的極化方式與來波的極化方式不一致時，接收到的信號強度就會變小，也就是產(chǎn)生了極化損耗。 例如，當(dāng)水平極化波或者垂直極化波被  45 雙極化天線接收時，或者用水平或垂直極化天線接收  45 的極化波等等情況時，都會產(chǎn)生一定的極化損耗。圓極化天線在接收線極化來波時，或者相反，線極化天線接收圓極化來波時，接收到的能量只有來波能量的一般。而當(dāng)來波與天線的極化方式完全正交時，接收天線將無法接收來波的能量，即發(fā)生了極化完全隔離。這一性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于天線的極化分集技術(shù)中 。  設(shè)計天線時預(yù)定的極化方式叫做主極化，形成的方向圖叫做主極化方向圖。對于線極化而言，在與主極化垂直的方向上可能會產(chǎn)生極化分量，我們叫做交叉極化或者正交極化。比如，讓主極化為垂直極化時，可能會在水平極化方向產(chǎn)生的極化分量就是交叉極化。交叉極 化是我們在設(shè)計天線時應(yīng)該加以避免或抑制的。      帶 天線 的分析 理論  微帶 貼片天線是敷于介質(zhì)基片上的導(dǎo)體貼片和接地板構(gòu)成的天線。它可以利用同軸線或者微帶線饋電，從而在接地板和金屬貼片之間激勵起電磁場，并且通過貼片周圍與接地板間的縫隙將電磁場向外輻射。 導(dǎo)體貼片一般是形狀規(guī)則的幾何體，如矩形、圓形或圓環(huán)形金屬薄片。  華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  10 圖 2帶 貼片 天線結(jié)構(gòu)圖  分析微帶天線的基本理論可以分為三類： 第一類是傳輸線模型理論， 這是最早出現(xiàn)的最簡單的分析模型， 適用于各種矩形貼片 10。該理論 將微帶矩形貼片 看成是電場沿橫向方向不變的諧振器并等效為一段傳輸線， 輻射縫隙的等效導(dǎo)納加載在傳輸線的兩端。第二類為空腔模型理論，該理論 于 1979 年提出 11。它 將微帶貼片下面的空間看做是上下為電壁，垂直貼片的四周為磁壁而圍成的諧振空腔 。天線的遠(yuǎn)場輻射電場是通過空腔四周的等效磁流計算得出。而天線的輸入阻抗及工作頻率可以通過空腔內(nèi)的電磁場及邊界條件求解?？涨荒＠碚撌菍鬏斁€模型的發(fā)展，該理論 能應(yīng)用于范圍更加廣泛的微帶天線。又由于涉及了高次模，所以可以計算得到更準(zhǔn)確的阻抗曲線并且計算量不大，很適合工程設(shè)計的需求。但是要想得到較 為準(zhǔn)確的結(jié)果還需要對基本空腔模型理論進(jìn)行修正。在空腔模型中，認(rèn)為空腔內(nèi)的電磁場為二維函數(shù)，所以要求介質(zhì)基片為薄基片，對于厚基片將引入誤差。該方法 可以比較精確地計算厚度在  介質(zhì)波長的微帶天線的輸入阻抗。第三類為積分方程法，即全波理論。 傳輸線模型和空腔模型比較簡單，但也受到較多的限制，比如對介質(zhì)的厚度，微帶貼片的寬度等都有適當(dāng)?shù)囊蟆?而全波理論則不需要受到這些要求的限制。 該方法的典型做法是：先導(dǎo)出貼片上單位電流元滿足邊界條件的并矢格林函數(shù)， r 處場點的電場 可以用下式表示：  為格林函數(shù)，      為源點點處的電流密度。令貼片表面的電場的切向分量為零，從而得到對      的積分方程。選擇合適的基函數(shù)展開式和實驗函數(shù)，則可將 積分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，進(jìn)而解出貼片電流再計算天線的特性。該方法復(fù)雜且計算時間長，適用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線求解。  第 二 章  微帶天線及耦合理論  11 合  耦合是指微帶貼片之間不通過直接接觸而進(jìn)行功率能量傳遞的一種方式 。雖然有過利用傳輸線模型和空腔模型成功分析微帶天線單元之間耦合的例子 14-16，但是相對于全波分析法而言，這兩種模型還是太過困難了。兩個微帶貼片之間，或者口徑天線，又或者線天線之間的耦合，是一個天線相對于另一個天線的位置的函數(shù)。 當(dāng)兩個微帶貼片沿 E 面擺放時，這種擺放方式叫做 E 面擺放；當(dāng)兩個貼片沿 H 面擺放時，擺放方式稱為 H 面擺放 ，如圖 2示 。 當(dāng)貼片之間的距離 S 較小時 （ S      ）， H 面擺放表現(xiàn)出很小的耦合 。固定擺放方式后，一個貼片相對于另一個貼片的距離對耦合的影響取決于電氣特性和微帶貼片的集合形狀。圖 2距離對耦合影響的一種典型的變化趨勢。  圖 2帶貼片的 E 面和 H 面擺放  圖 2E 面和 H 面擺放時，兩同軸饋電微帶天線之間互耦的 計算和測量值 7 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  12 一般說來，互耦主要是由空氣和介質(zhì)交界處的場產(chǎn)生的。這種場可以分解為自由空  間波 （    的徑向變化率）、高次模波（     的徑向變化率）、表面波（       的徑向變化率）、漏波（               的徑向變化率） 1718。當(dāng)貼片間距離較小時，自由空間波和 高次模波發(fā)揮主要作用， 當(dāng)貼片間距離較大時， 表面波 占據(jù)主要作用。 表面波在電介質(zhì)內(nèi)存在和傳播，它的輻射是關(guān)于介質(zhì)厚度的函數(shù) 13。 在給定方向上，最低次模的表面波是截止頻率為零的 。對于 矩形微帶貼片而言，這種場就是沿 E 面?zhèn)鞑シ较蛏系?和沿 H 面?zhèn)鞑シ较蛏系?。 E 面擺放時，兩貼片間縫隙內(nèi)的場主要為 元之間的表面波激勵也比較強，所以耦合也較大。然而，圖 2 H 面擺放時，貼片之間的場為 ，縫隙間沒有較強的主模表面波激勵，所以貼片之間的耦合也較小。當(dāng)介質(zhì)厚度增加后，高階 表面波被激勵， 則上述情況會發(fā)生改變。  章小結(jié)  本章主要介紹了 天線、 微帶貼片以及 耦合 的相關(guān)理論。首先介紹了 表征天線性能的基本電參數(shù)，然后介紹了微帶貼片天線的幾種分析理論 。最后介紹了 關(guān)于耦合的一些理論。第 三 章  耦合串行微帶貼片天線陣的設(shè)計  13 第三章  耦合串行饋電 微帶貼片天線陣的設(shè)計  饋微帶線陣 理論  勻 激勵等間距直線陣 10 直線陣是指陣元放置在同一條直線上，并且每個陣元的電流都沿著該直線流動的天線陣。一個天線陣的方向圖可以分解為陣元方向圖和陣因子的乘積，即方向圖乘積原理。也可以表述為一個與原天線陣具有同樣位置、同樣的激勵幅度和相位的各向同性點源陣的方向圖與原天線陣中其中一個陣元的方向圖的乘積即為該天線陣的方向圖。  下面討論一個由 N 個陣元組成的邊射直線陣的方向圖。 N 個陣元沿著 陣 軸依次排列，設(shè)陣元間距為 d，各陣元等幅饋電，電流幅度為   ，相位按照等差數(shù)列遞變，這里我們只考慮由陣元間相移  引起的線性形式的陣元相位。則 均勻 激勵等間距直線陣的陣因子為 ：  接下來我們將上式兩邊都乘以    得到  將上面兩個公式相減得到  相位因子           代表陣的相 位中心相對于原點的相移，如果陣中心在原點附近，相位因子就不會出現(xiàn)，除非天線陣的輸出信號與其他天線的輸出信號產(chǎn)生疊加。在省略了陣因子之后，上式可以簡化為  當(dāng)陣元間的相位差為 0 時，即    時，上式有最大值，為  華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  14 用公式 3公式 3到歸一化的陣因子為  上式即為陣中心在原點附近，等間距且均勻激勵的 N 元線陣的歸一化陣因子。這是一個以   為周期的函數(shù)，形式類似于函數(shù)           ， 但是旁瓣卻不會隨著變量的增加而減小 。對該陣因子進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)果：  （ 1）  陣元數(shù)目 N 增加時，主瓣的寬度會變窄；  （ 2）  當(dāng)陣元數(shù)目 N 增加時，陣因子一個周期中會出現(xiàn)更多的波瓣，總的波瓣數(shù)目為就是說每個周期會出現(xiàn)一個主瓣和 旁瓣；  （ 3）  以  為變量的副瓣的寬度為     ，而主瓣和柵瓣的寬度為     。  （ 4）  隨著陣元數(shù)目的增加，旁瓣的峰值會相應(yīng)地減小。旁瓣峰值可以用旁瓣電平衡量，即   最大旁瓣的最大值      主瓣的最大值   。當(dāng) N=5 時，陣因子的旁瓣電平為  N=20 時，旁瓣電平為  N 持續(xù)增加時，旁瓣電平趨于一個穩(wěn)定的 值，為   饋陣列  圖 3陣列天線由八個陣元構(gòu)成，陣元之間用高阻抗傳輸線連接，饋點在天線陣左邊。線陣經(jīng)常使用串行饋電，工作模式為諧振式或者非諧振式。串饋線陣性能最大的局限在于在一定的頻率范圍內(nèi)，天線阻抗會發(fā)生大幅度的 變化，并且主波束的指向也會發(fā)生偏移。主波束的指向和掃描靈敏度可 由下面公式計算 5：  圖 3饋微帶貼片線陣  其中， d 代表陣元間距， l 代表連接相鄰單元的傳輸線的長度， f 代表工作頻率， 代表波束指向偏離邊射方向的角度。  為了使天線陣具有較小的旁瓣，需要根據(jù)所需的電流幅度分布確定每個貼片單元的輻射阻抗，并且可以通過變化矩形貼片陣元的非諧振寬度來達(dá)到要求。利用貼片的空腔d l 第 三 章  耦合串行微帶貼片天線陣的設(shè)計  15 模型可以精確設(shè)計出一系列的串行饋電天線陣，陣參數(shù)如電壓駐波比、帶寬等均可以利用此模型計算得出。設(shè)計諧振式和非諧振式串饋天線陣需要圍繞以下兩方面展開：  （ 1） 計算工作頻段內(nèi)線陣的輸入阻抗（即輸入特性）  圖 3口位于矩形單元的 非諧振邊上。假設(shè)負(fù)載為   ，則饋電處的輸入阻抗為 19 其中    為雙端口網(wǎng)絡(luò)阻抗矩陣的參數(shù)。在確定 損耗因數(shù) 之后，根據(jù) 陣元兩端的端口位置就可以確定雙端口微帶貼片的 上一章 我們得知每一個 陣元可以看做是等效尺寸為 a腔的上下面為電壁，四周為磁壁，利用貼片的有效尺寸可以計算出阻抗矩陣。對于串行饋電陣列來說，首先計算出最后一個陣元的輸入阻抗，然后將該陣元的輸入阻抗看做是負(fù)載   ，進(jìn)而計算倒數(shù)第二個陣元的輸入阻抗，如此反復(fù)，直到得出線陣的輸入阻抗為止。  （ 2） 測算每個陣元的激勵幅度和相位（即輻射特性）  陣元的激勵由每個陣元的 輻射功率 決定。在計算有效功率時，傳 輸線與陣元連接處的反射也需要考慮在內(nèi)。 陣元激勵幅度的大小取決于它的輻射功率。首先確定歸一化輻射電導(dǎo)為  其中     為貼片陣元的輻射阻抗，   為饋線的特性阻抗。利用前面估算的每個陣元的輸入阻抗，可以得到 第 n 個連接處的反射系數(shù)  是第 n 個鏈接處的輸入阻抗，    代表饋電線的阻抗。則串饋線陣中第 n 個陣元的輻射功率可由下面的一般表達(dá)式計算：  上式中的   和  可以分別從式 3式 3求得。由于采用的是串聯(lián)饋電，所以激勵的幅度以自然指數(shù)的形式依次遞減， 從最后一個陣元處反射并且指向激勵源的 反向波與華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文  16 入射波相比相對較小，在計算陣元功率輻射時可以假設(shè)為很小。  串饋陣列的相位分布可由貼片和連接線的插入相位獲得。根據(jù)貼片和饋線的電長度可以估算出每個陣元處的相對相位。一旦清楚了每個陣元的激勵幅度和相位，便可以計算出陣列的陣因子。如果陣元的輻射場也是已知的，則能夠通過方向圖乘積原理獲得陣列的輻射方向圖。  計步驟  陣列的饋電方式主要分為串行饋電和并行饋電。直接串行饋電的例子有很多：文獻(xiàn)20提出一種周期性結(jié)構(gòu)的串饋陣列，具有較寬的帶寬；文獻(xiàn) 2122通過設(shè)計不同形狀大小的陣元來優(yōu)化方向圖 ；文獻(xiàn) 23通過在地板上開大縫隙 擴展帶寬 。但是這些方法不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計困難，帶寬也相對較窄。為了克服直接饋電的不足，不少文獻(xiàn)在設(shè)計串行饋電陣列時采用了耦合饋電的方式。一種口徑耦合饋電的串行全向微帶天線陣，陣元之間采用了間隙耦合的方式。 文獻(xiàn) 26設(shè)計了一個臨近耦合饋電的印刷偶極子陣。與直接饋電方式相比，這些耦合饋電串行陣列 通常結(jié)構(gòu)較簡單，帶寬也較寬。  質(zhì)基板材料的選擇  前面說過 介質(zhì)基板的材料 和厚度 對 微帶天線的影響很 大，所以在設(shè)計微帶天線時首先要選擇合適厚度和介電常數(shù)的基板。一般說來，介電常數(shù)比較小的基板材料可增強輻射縫隙處的邊緣場，同時能在一定程度上增加天線帶寬。對于介質(zhì)厚度而言，經(jīng)過試驗驗證，天線帶寬會隨著    的增加而增加，但是相應(yīng)的耗損也會增加，使得效率降低。所以在確定介質(zhì)厚度時要綜合考慮帶寬和效率這兩個因素。 在微波波段，微帶天線選擇基板時可依據(jù)的準(zhǔn)則有： 是否會激勵表面波 ；銅耗和介質(zhì)損耗的大??；色散對損耗角正切以及介電常數(shù)的影響；環(huán)境對基板材料的影響；機械加工對基板的要求；成本等。  當(dāng)基板的厚度 h 滿足下式時，一般不會出現(xiàn)表面波，  其中 f 是諧振頻率，   為相對介電常數(shù)。當(dāng) h 很小時會影響天線帶寬和輻射效率，所以介質(zhì)基板的厚度應(yīng)該在滿足上式的情況下盡可能取大。介電常數(shù)相對可以取小一點的值。  第 三 章 &nb