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1、微波电路CAD基础讲解 天线基础 3 天线 微带天线 天线基础 天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器 接收端 将空间传播的电磁波转换为高频电流 发射端 将发射机的高频电流转换为空间电磁波 3 天线 微带天线 天线基础 天线辐射电磁波原理 导线载有交变电流时 就可以形成电磁波的辐射 辐射的 能力与导线的长短和形状有关 如果导线位置如由于两导线的 距离很近 且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消 因而 辐射很微弱 如果将两导线张开 这时由于两导线的电流方向 相同 由两导线所产生的感应电动势方向相同 因而辐射较强 当导线的长度l远小于波长时 导线的电流很小 辐射很微 弱 3 天线 微带
2、天线 天线基础 天线基本工作原理 发射机能够被模型化成戴维南信号源 它包括一个电压振荡器 和一个串联阻抗 由此将发射功率Pt传送到发射天线 发射天 线辐射球面波 在远距离可近似为平面波 至少在局部范围内 可近似为平面波 接收天线截取传输过来的部分电磁波 并将 接收功率Pr送到接收机的负载阻抗上 3 天线 微带天线 发射和接收天线的基本工作原理 3 天线 微带天线 3 天线 微带天线 天线基础 天线的特性参数 天线基础 天线的特性参数 波瓣图 Pattern 与天线方向性有关 又称方向图 3 天线 微带天线 定向天线的三维场波瓣图 3 天线 微带天线 波瓣图的二维场 功率和分贝图 3 天线 微带
3、天线 天线方向图的一般形状 天线垂直方向图 3 天线 微带天线 天线的波瓣图 方向图 天线基础 天线的特性参数 定向性D和增益G 天线的定向性是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其 平均值之比 是大于等于1的无量纲比值 总 波束范围 或波束立体角 由主瓣范围加上副瓣范围所构 成 波束范围越小 则定向性越高 天线增益 效率因子 3 天线 微带天线 天线增益实际上是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度 天线增益是一个实际 或现实 参量 由于天线总有损耗 天线或天线罩的欧姆损耗 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 有很多设计良 好的天线 其 值可以接近于1
4、但实际上G总是小于D且以D为 理想的最大值 3 天线 微带天线 天线基础 天线的特性参数 天线效率 天线效率为天线辐射功率Pr与天线输入功率Pin 辐射功率Pr 与天线内所消耗功率Ps之和 之比 上式还可以用天线输入端的辐射电阻Ro和损耗电阻Rs表示 可见 要提高天线辐射效率 应设法增大辐射电阻 降低损 耗电阻 3 天线 微带天线 天线基础 天线的特性参数 天线的场区 围绕天线的场可划分为两个主要的区域 接近天线的区域称 为近场 或菲涅尔Fresnel区 离天线较远的区域称为远场 或夫琅和费Fraunhofer区 两区的分界可取为半径 3 天线 微带天线 天线基础 天线的特性参数 极化特性 极
5、化特性是指天线在最大辐射方向上电场强度矢量的方向 随时间变换的规律 按天线所辐射的电场强度极化形式 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 3 天线 微带天线 天线基础 天线的特性参数 输入阻抗 驻波比 为使天线能获得最多的功率 应使天线与馈线匹配 因此 当天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗时 天线获得最大 的功率 驻波比 VSWR 由于入射波能量传输到天线输入端未被全波吸 收 辐射 产生反射波 迭加而成 VSWR越大 反射越大 匹配越差 理想的匹配负载情况下 VSWR是1 VSWR 1 说明输进天线的功率有
6、一部分被反射回来 从而 降低了天线的辐射功率 3 天线 微带天线 天线基础 天线的特性参数 频带宽度 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 一种定义 天线增益下降三分贝时的频带宽度 另一种定义 规定的驻波比下天线的工作频带宽度 在移动通信系统中是按后一种定义的 即当天线的输入驻 波比 时 天线的工作带宽 3 天线 微带天线 微带天线 microstrip antenna 在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属 条 片构成的微波天线 3 天线 微带
7、天线 微带天线的工作原理 微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏 一个微波 电路如果不是被导体完全封闭 电路中的不连续处就会产生电 磁辐射 例如微带电路的开路端 结构尺寸的突变 折弯等不 连续处也会产生电磁辐射 泄漏 当频率较低时 这些部分的 电尺寸很小 因此电磁泄漏小 但随着频率的增高 点尺寸增 大 泄漏就大 再经过特殊设计 即放大尺寸做成贴片状 并 使其工作在谐振状态 辐射就明显增强 辐射效率就大大提高 而成为有效地天线 3 天线 微带天线 微带天线的辐射机理 以矩形微带天线为例 用传输线模型分析法介绍它的辐射 原理 设辐射元的长为l 宽为w 介质基片的厚度为h 现将辐 射元 介质基片和
8、接地板视为一段长为l的微带传输线 在传 输线的两端断开形成开路 根据微带传输线理论 由于基片厚度h 场沿h方向均 匀分布 在最简单的情况下 场沿宽度w方向也没有变化 而 仅在长度方向 有变化 3 天线 微带天线 微带天线的辐射机理 两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和 水平分量 两垂直分量方向相反 水平分量方向相同 因而在 垂直于接地板的方向 两水平分量电场所产生的远区场同相叠 加 而两垂直分量所产生的场反相相消 因此 两开路端的水 平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙 缝的电 场方向与长边垂直 并沿长边w均匀分布 缝的宽度为 长度为w 两缝间距为 这就是说 微带天线的
9、辐射可 以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列 3 天线 微带天线 矩形微带天线开路端电场结构 场分布侧视图 等效辐射缝隙 微带天线的优点 与通常的微波天线相比 重量轻 体积小 剖面薄的平面结构 可以做成共形天线 制造成本低 易于大量生产 可以做得很薄 不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能 无需作大的变动 天线就能很容易地装在导弹 火箭和卫星上 天线的散射截面较小 改变馈电位置就能获得线极化和圆极化 左旋和右旋 比较容易制成双频率工作的天线 不需要背腔 适合于组合式设计 固体器件 如振荡器 放大器 可变衰减 器 混频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 3 天线 微带天
10、线 微带天线的缺点 与通常的微波天线相比 微带天线也有一些缺点 有损耗 因而增益较低 大多数微带天线只向半空间辐射 最大增益受限制 约为20dB 馈线与辐射元之间的隔离差 端射性能差 可能存在表面波 功率容量较低 可以采取某些办法来减小这些缺点 例如 在设计和制造过 程中要考虑印制或消除表面波 3 天线 微带天线 微带天线的应用 在许多实际设计中 微带天线的优点远远超过它的缺点 在一些显要的系统中已经应用微带天线 移动通信 卫星通讯 多普勒及其它雷达 无线电测高计 指挥和控制系统 导弹遥测 武器信管 便携装置 环境检测仪表和遥感 复杂天线中的馈电单元 卫星导航接收机 生物医学辐射器 3 天线
11、微带天线 微带天线结构 微带天线可以分为三种基本类型 微带贴片天线 微带 行波天线和微带缝隙天线 微带贴片天线 微带贴片天线 MPA 是由介质基片 在基片一面上有任意 平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板锁构成 3 天线 微带天线 微带天线结构 微带行波天线 微带贴片天线 MTA 是由 介质基片 在基片一面上的链 形周期结构或普通的长TEM波 传输线和基片另一面上的地板 组成 TEM波传输线的末端接 匹配负载 当天线上维持行波 时 可从天线结构设计上使主 波束位于从边射到端射的任意 方向 3 天线 微带天线 微带天线结构 微带缝隙天线 微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成 缝隙
12、可以是矩形 宽的或窄的 圆形或环形 3 天线 微带天线 微带天线的激励方法 微带天线馈电 大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元 因此 可以用微带线馈电或同轴线馈电 3 天线 微带天线 3 天线 微带天线 微带天线馈电方式 主要分为三类 一是微带传输线馈电 二是同轴线探针馈 电 三是耦合馈电 3 天线 微带天线 微带传输线馈电 如图 a 所示 微带传输线馈电的馈线也是一导体带 一般具有 较窄的宽度 微带传输线馈电制造简单 易于匹配 也易于建模 但是会产生更多的表面波和寄生辐射 在实际应用中限制了带 宽 一般2 5 同轴线探针馈电 如图 b 所示 馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上 外
13、 导体接到地面 同轴线馈电也具有制造简单 易于匹配的优点 同时寄生辐射比较低 但它的带宽比较窄 而且建模相对较难 尤其其介质层比较厚时 3 天线 微带天线 耦合馈电 微带传输线和同轴线探针馈电由于自身的不对称性会产生高次模 而导致交叉极化 为了克服这些问题人们引入了传输线耦合馈电 和小孔耦合馈电 如图 c 所示 小孔耦合馈电是几种馈电方式 中最难制造的 而且带宽也比较窄 图 d 所示的耦合馈电 其 带宽相对较宽 3 天线 微带天线 微带天线的主要分析方法 传输线模型法 transmission line 谐振腔模型法 cavite 全波模型法 full wave 一般为矩量法 有限元法 传输线
14、模型法是所有方法中最简单的 而且物理意 义清晰明了 但是精度不够高且不易于模式耦合 谐 振腔模型法相对于传输线模型法精度要高 但比较复 杂 同时它也清晰明了的表达了物理意义且不易于模 式耦合 一般全波模型法是非常精确的 但它是最复 杂的模型且物理意义不明显 微带天线特性仿真模拟 波瓣图 方向性 或增益 波瓣宽度 辐射电阻 品质因数 损耗 效率 输入阻抗 带宽 ADS HFSS Sonnet FEKO 3 天线 微带天线 3 天线 微带天线 微带矩形贴片天线的设计 步骤 1 设置求解类型 2 设置模型单元 3 创建微带贴片天线模型 4 保存工程 5 设置端口激励 6 设置优化变量 7 求解设置 a 设置求解频率 b 设置扫频 8 设置无限大球面 9 求解该工程 10 后处理操作 3 天线 微带天线 微带矩形贴片天线的设计 3 创建微带贴片天线模型 3 天线 微带天线 微带矩形贴片天线的设计 10 后处理操作 3 天线 微带天线 微带矩形贴片天线的设计 10 后处理操作 3 天线 微带天线 微带矩形贴片天线的设计 10 后处理操作
