PAGE8超寬帶天線的理論基礎綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u16493超寬帶天線的理論基礎綜述 1212481.1超寬帶天線的基本原理 1296371.2超寬帶天線基本參數(shù) 120231.3超寬帶天線的結(jié)構(gòu) 4103311.3.1超寬帶天線的輻射特性 6122601.3.2超寬帶天線的饋電方式 682661.4超寬帶天線的阻帶特性 7135721.4.1開槽 851931.4.2加載寄生單元 81.1超寬帶天線的基本原理超寬帶天線雖然與一般窄帶天線不同，但同樣是從窄帶天線發(fā)展而來，二者都遵循著同樣的電磁理論，可以采用通用的參量來測量其性能，但由于其帶寬的特殊性，必須進行特定的參量分析。天線是一種用來發(fā)射和接收電磁波的裝置，將高頻率的電能轉(zhuǎn)化為電磁波，并將其傳送至自由空間，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為高頻電子信號，再由饋線傳送至接收機。它的主要功能是把發(fā)射機的導波能量轉(zhuǎn)換成RF能，然后把它傳輸?shù)桨l(fā)射天線，反過來把它轉(zhuǎn)換成RF，再把它傳輸?shù)浇邮仗炀€上。所以，在這兩種電磁波中，天線起到了轉(zhuǎn)換的作用。天線的另外一種作用是，它的能量傳輸和接收都具有指導性，也就是說，它可以在空間上分配能量。天線的第三種作用是接收和發(fā)射特定的偏振波，這種偏振波就是天線能夠產(chǎn)生所需要的偏振光。為了使天線達到所需的性能，表示這種需求的電氣指標被稱作天線電氣參數(shù)，例如：輻射效率，波束寬度，方向系數(shù)，增益，輸入阻抗，極化，以及帶寬等等。1.2超寬帶天線基本參數(shù)1.輸入阻抗與VSWR輸入阻抗的計算公式為：（2-1）輸入阻抗是指在輸入端接上負載Zl后，輸出端的阻抗響應。天線的輸入阻抗直接影響到整個系統(tǒng)的性能，同時也影響到天線的傳輸效率。工作頻率、天線結(jié)構(gòu)、尺寸等外部因素會對天線的輸入阻抗產(chǎn)生影響。目前，最普遍使用的輸入阻抗為50歐姆。VSWR是指駐波比率，它反映了天線匹配程度的物理量。公式為：（2-2）1.阻抗帶寬當某一特定條件下，某一參數(shù)的頻域就會發(fā)生變化。每個天線的頻寬都與特定的參量有關(guān)，而天線的阻抗、增益、極化等參數(shù)也會有很大的差別。而我們大部分時間都是用更窄的帶寬來計算天線的帶寬。窄帶天線的頻帶通常采用上下限頻段寬度和頻段中心頻率的比率。而寬頻天線則是頻率的上下限之比REF_Ref22137\r\h[4]。3.方向性天線的方向性是指將能量集中輻射的程度，用公式表示為：（2-3）式中，平均輻射強度其實就是輻射功率除以球面積，即：（2-4）而我們經(jīng)常所說的方向性系數(shù),都是指在最大輻射方向上的方向性系數(shù),即:（2-5）4.增益增益是天線用來衡量參考性能的最主要的參數(shù)，通常我們用天線的最輻射的方向來表示增益大小。表達式為：圖2-1Pmzx為被測天線在一定方向上的最大輻射強度，而Pomni則是在相同位置的一個理想天線。由于實際應用中，天線會有一定的損耗和衰減，因此增益要小于方向。他們的公式是：G=η?D（2-7）其中η為天線的效率。5.矩形微帶天線的特性參數(shù)在設計時，首先要考慮到天線的尺寸，假設介電常數(shù)為εr，而矩形微帶天線的中心頻率為f，通過公式可以計算出輻射貼片的寬度w，為：：（2-8）式中c為光速。一般用二分之一的介質(zhì)內(nèi)導電體的波長作為輻射貼片的長度，用以下公式表示介質(zhì)內(nèi)導電體的波長：（2-9）然而，在考慮了邊沿縮減的影響后，貼片的實際長度L的計算公式如下：（2-10）式中，εe是有效介電常數(shù)，ΔL是等效輻射縫隙長度，公式如下:(2-11)(2-12)6.天線的極化電磁波的偏振性一般是指在它的運動中，隨著它的運動而改變的電場方向。一般來講，天線的極化可以分成三類：直線極化、圓極化、橢圓極化極化。線極化可劃分為橫向極化與豎向極化，兩種縱向方向的相位相差npai。橫向極化，顧名思義，當它的傳播方向與地面平行時，被稱為橫向極化。同樣的，如果它的傳播方向是垂直于地面的，這就是它的垂直極化。而橢圓極化法和圓極化法，其成分相位差90度時，稱為圓極化；在不需要振幅和相位的情況下，這是一個橢圓偏振。在實際應用中，我們都會根據(jù)不同的應用要求，選用不同的偏振模式。在不同的情況下，采用不同的偏振模式可以得到較好的結(jié)果。例如，在崎嶇地形上，垂直偏振型電磁波的穿透力要優(yōu)于橫向偏振型，因此，垂直偏振型天線更適于地面間的移動通訊，而橫向偏振型則更適于長途通訊。另外，圓極化對補償衰減的效果較好，所以通常用于衛(wèi)星通訊。另外，軸比的參量也很重要，它是由橢圓形的長、短軸的比例來決定的。這樣就能很容易地分辨出不滿足要求的天線設計。圖2-2三種天線極化方式1.3超寬帶天線的結(jié)構(gòu)前面已經(jīng)說了，天線的結(jié)構(gòu)會影響到天線的性能，而且，天線的形狀和結(jié)構(gòu)也會有很大的區(qū)別。從天線的設計開始，我們應該先了解一下天線的基本構(gòu)造。我們這次提出的一種帶有一阻帶特性的超寬頻天線也是一種微帶天線。所以，微帶天線的外形通常是三角形、長方形、方形、圓形、鉆石等。從輻射的角度來看，可以把天線分成微帶、微帶諧振、微帶線性、微帶窄縫。1)微型帶補片天線微帶貼片天線是其中最基本的一種。這是一種由三層組成的簡易結(jié)構(gòu)，連接地面和貼片之間是一種介電板，在基板的下面有一塊金屬貼片，上面的貼片就是我們所需的金屬補丁，而這種補丁的形狀主要取決于天線的特性，可以通過蝕刻來得到我們想要的貼片形狀，而這種類型的天線通常采用微帶線或同軸供電。利用導電板和接地板間的電場和磁場進行輻射，當然，在設計和研制時，采用較簡單的補片，可使實際生產(chǎn)操作更為簡便。圖2-3貼片模型2）微帶振子天線與傳統(tǒng)的貼片結(jié)構(gòu)相比，振子天線采用了窄條形的薄片式振子?，F(xiàn)有的微帶振子型天線采用了金屬桿，采用特殊的加工方法來達到所需的目的。因此，振子天線具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因此成為了一種應用比較廣泛的天線。圖2-4微帶振子模型3）微帶線性天線微帶線性天線是通過對微帶線的某種形式的變化（比如，直角彎頭，弧形彎曲等）來產(chǎn)生輻射。該天線還具有不規(guī)則的外形，通常沿線路傳播行波，故又稱微帶行波。這種類型的天線，其載荷位于末端，并通過傳輸線路將其輻射到周圍。圖2-4的模式圖2-5微帶線性天線的模型4）微帶縫隙天線微帶縫隙天線是利用地面上的縫隙來進行輻射的，由于這種結(jié)構(gòu)可以通過同軸饋電來提供更多的能量，也可以利用波導饋電來進行輻射，而縫隙式天線就是波導縫隙天線REF_Ref22836\r\h[12]。圖2-6微帶縫隙天線1.3.1超寬帶天線的輻射特性微帶天線的輻射是由基板與基板的邊緣磁場引起的。該技術(shù)的工作原理類似于金屬薄板微帶天線，可以應用于其它類型的微帶天線。以下是該天線的輻射原理圖：圖2-7微帶天線輻射原理圖從圖2至6可以看出，該補丁是一個具有介質(zhì)襯底厚度h和已知自由空間波長的axb矩形。那么，可以看到上面的補丁是一條具有λ/2長度和寬度a的微帶傳送線路。天線的輻射在地面和地面的空隙間形成。1.3.2超寬帶天線的饋電方式天線饋電方式采用50Ω微帶線進行，要滿足S11<-10dB。大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一側(cè)有輻射元件，因此它們可以通過貼片線或同軸線饋電，因為天線進入的障礙不等于50Ω的障礙，所以需要進行阻抗匹配。匹配與位置有關(guān)，因此，饋電位置影響輻射特性。1）微帶饋電正如它的名字所示，它是由微帶導線供電的。采用微帶線進行光刻，由于饋線與微帶線共平面。然而，由于饋線自身的輻射，會對天線產(chǎn)生一定的影響，通過合理地選取饋電點的位置，可以實現(xiàn)天線輸入阻抗和特征阻抗的匹配。若磁場沿著矩形板的寬度發(fā)生改變，那么隨著饋電寬度的增加，其輸入阻抗也相應地發(fā)生改變，為阻抗匹配提供了一種簡便的方法。在饋線與天線間耦合發(fā)生變化時，會引起共振頻率的微小偏移，同時輻射方向圖也不會發(fā)生變化。但是，通過調(diào)整芯片的大小，可以對共振頻率的偏移進行補償。減少增益。因此，微帶的寬度通常比波長要小。2）同軸線饋電同軸插座通常是在印制電路板的背面，而同軸的導線則與天線導線相連。對于具體的模式，通過經(jīng)驗判斷同軸插座的位置，有利于最合適的匹配。這樣做的好處是可以不受影響地任意選定位置。3）電磁耦合饋電這種方式的特點是無接觸的饋電方式，饋線本身給自己饋電，也可通過一個縫隙來進行與天線之間的電磁耦合。通過這種方法，可以獲得寬頻帶駐波比特性REF_Ref23169\r\h[8]。4）共面波導饋電共面波導的意思，簡而言之，就是一個微波單片集成電路傳輸線。執(zhí)行方式為在接地平面上蝕刻共面波導，再禍合縫隙完成。圖2-8共面波導饋電1.4超寬帶天線的阻帶特性超寬帶的覆蓋頻段為3.1GHz—10.6GHz，為了避免窄帶系統(tǒng)對它的影響，我選擇將一個矩形微帶天線嵌入一個環(huán)形的內(nèi)部，進而使他具有一阻帶特性，既降低了干擾，又實現(xiàn)了兩者的協(xié)同。除了我采用的方法，其他實現(xiàn)的方法有貼片開縫，寄生耦合，分形等技術(shù)。1.4.1開槽貼片開槽是本文所采用的方法，調(diào)整縫隙長度和寬度，實現(xiàn)濾波效果。采用開弧型槽實現(xiàn)電阻性能的方法，是目前國內(nèi)外研究與生產(chǎn)中普遍采用的一種方法。不同的槽型對波段的影響也是不同的。最常見的裂縫形式有：U型縫改進天線的駐波比特性、三角形狹縫、弧形狹縫等。U型縫隙的大小和它的受抑制頻率的關(guān)系是：（2-13）由式子可以得出，寬度對阻帶的帶寬有直接影響，而縫隙的長度只能決定中心頻率。1.4.2加載寄生單元目前寄生耦合也是研究帶阻特性的一種常用的方法，引入寄生單元，使阻帶頻段內(nèi)輻射電流與寄生單元內(nèi)電流方向相反，互相抵消，起到抑制作用，進而實現(xiàn)天線的帶阻特性。