圆极化天线

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1、硕士论文毫米波圆极化徽带天线的研究 3 微带天线圆极化技术 3 1 概述 圆极化天线在无线电领域中有重要作用 特别在航天飞行器中 由于 飞行器位置姿态的固定 它们的通讯测控设备都要求共形的 重量轻 体 积小而且成本低的圆极化天线 圆极化微带天线就是能满足这些要求的比 较理想的天线 3 1 1 圆极化波的产生 微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型 当馈电 点位于贴片的 对角线上时 天线中可以同时 维持几 夕 石 1 和不 订 模 两种主模 同相且极化正交 结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行 单点馈电的准方形贴片 方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等 均可以辐射圆

2、极化波 用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的 幅度相等 的 相位相差9 00的线极化波 当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种 方法 一点馈电的单片圆极化微带天线 正交馈电的单片圆极化微带天线 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线 微带天线阵构成的圆极化微带 天线等等 r 卜 3 1 2 圆极化波的性质 根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化 相应的天线称为线极化天 线或圆极化天线 圆极化波具有以下的性质 1 圆极化波时一个等幅的瞬时旋转场 即 沿其传播方向看去 波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆 若瞬时电场矢量沿产波方向按左 手螺旋的方向旋转 称之为 左旋圆 极化波 记为L C P

3、 L e f t 一 H and cir c ula r P ola r iza t i o n 若沿传播方向按右手螺旋旋转 称之为右旋圆极化波 记 R C P R i g h t 一 H a n dC i r c u l a rp o l a r i z a t i o n 2 一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等 幅线极化波 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 相位相差9 0 度 1 1 哎 匕 rse 1卜 口 硕 士 论 文 毫 米 波 回 极 化 御 鱼 玉 些 的 旦 鳖 一 3 任意极化波可以分解为两个旋向

4、相反的圆极化波 作为特例 一个线极化波可以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 也可以由任意极化的天线收到 这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采 用圆极化波的原因 4 天线若辐射左旋圆极化波 则只接受左旋圆极化波而不接收右 旋圆极化波 反之 若天线辐射右旋圆极化波 则只接收右旋圆极化波 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 在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质 例如 国际通信卫星 V号上的 4 G H z多波束发射天线辐射右旋圆极化波 形成两 个东 西 半球波束气 同时

5、也辐射左旋圆极化波 形成两个照射不同地 区的 区域波束 这四个波束都工作于4GHz频段而互不干扰 从而实现 四重频谱服用 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 反射波变成 反旋向的 即左旋波变成右旋 右旋变成左旋 由这个性质可以知道 采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的 能力 因为水点近似呈球形 对圆极化波的反射是反旋的 而雷达目标 如 飞机 导弹等等 一般是非简单对称体 它对于圆极化波的反射波是椭圆 极化波 故具有同旋向的圆极化成分 正是由于上述特性 圆极化天线现在已经获得了广泛的应用 从而进 一步推动了微带天线圆极化技术的发展 3 1 3 圆极化波的参数 卜

6、 圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比 A R A xial Ra t io 或 简 记 为Irl 一 般 是 指 其 最 大 增 益 方向 上 的 轴比 为 反 映 极 化 波 的旋向 规定 左旋波 的符号为正 右旋波 r 的符号为负 对于纯圆 极 化 波 lrl 1 即 d B 轴比 lrl 不 大 于3 dB的 带 宽 定 义 为 天 线 的 圆 极 化 带宽 r L口rl 1 卜1 硕 士论文毫米波圆极化徽带天线的研究 3 2 不同类型的圆极化微带天线 3 2 1 单贴片圆极化微带天线 单个微带贴片被广泛的用于产生圆极化辐射 其实现圆极化辐射可以 有两种设计方法 单馈点法

7、2 和多馈点法 此外也可用多个线极化微带贴 片天线和其它微带天线元来辐射圆极化波 多元法 能产生圆极化波的 不同形状微带天线在不同文献 幻 川中都有介绍 图3 2 1 1 给出三角形 正方形 圆形 圆环 正五边形 椭圆形等等 在实践中正方形和圆形使 用较为广泛 其馈电方法如图3 2 1 2 所示 第一种是正交双馈电 它需 要一个额外的功率分配网络 第二种单点馈电不需要功分器 今甲Q零今甲 图3 2 1 1各种不同形状的单贴片微带天线 图3 2 1 2 a b 正交双馈 c d 为单馈电方式 双正交馈电使得天线激励起两个幅度相等相位正交的模 从而实现天 线的圆极化 利用能量功分器的双正交馈电的圆

8、极化贴片的基本结构如图 3 2 1 3 天线结构的能量功分电路主要包括求积电路 圆环电路 wilki n s on 能量分配器 T形能量功分器等等 在双馈圆极化微带天线的 设计中 常见的馈电方法有三种 1 使用W i l k i n s o n 能量功分器的两缝 隙祸合馈电圆极化微带天线 2 使用 W i lkinson能量功分器能量功分器 的两电容祸合馈电圆极化微带天线 3 B r a n c h 一Lin e 祸合器的两电容祸 合馈电圆极化微带天线 在设计中 贴片介质与馈电基片之间多采用较厚 的空气层或泡沫层 由W i l kinson 功分器提供两路能量相等 相位相差90 的输入能量 了

9、 口r r卜 1 硕士论文毫米波口极化徽带天线的研究 图3 2 1 3双馈电的基本结构 而典型的单馈电圆极化微带天线示意图如图3 2 1 2 c d 所示 通常单贴片总是辐射线极化波 一个形状规则的单片微带天线由一点馈电 可以产生极化正交幅度相等的两个简并模 但是不能形成900相位差 为了 在简并模之间形成90 相位差 要在规则的单片微带天线上附加一简并分离 单元 具体理论将在下一节介绍 当简并分离单元大小选择合适时 就能 够使一个模的等效阻抗相角超前45 另一个模的等效阻抗相角滞后4 50 这样就形成了圆极化辐射 3 2 2 圆极化天线阵列 圆极化天线阵列分为圆极化微带线阵和圆极化贴片天线阵

10、 所谓的圆 极化微带线阵是指利用微带行波天线来辐射圆极化波 主要优点是不需要 复 杂的功分器组合电 路 其原理是 一个微带行波节上可能有几个不同极化 的辐射单元 如果它们之间有适当的相位差 就有可能合成圆极化辐射 但是构成圆极化的各线极化辐射单元的相位中心不在同一点上 因此在不 同方位角上观察到的极化轴比是不同的 并且相差很大 但是一般在天顶 方向上是理想的圆极化 而离开天顶方向很小的角度方位内 圆极化恶化 不严重 这种天线较为实用的形式有 壁垒线阵 R 二p art 线阵 周期祸 合微带阵 方环微带阵等等 圆极化贴片天线阵就是利用功分器组合电路 将单个圆极化微带贴片 天线组合起来所构成的 具

11、体的介绍将在下一章给出 3 2 3 其他类型的圆极化天线 为了获得相对宽频带的圆极化微带天线 近来已 研制出曲线微带辐射 的微带天线 这是一种结构紧凑的宽频带圆极化微带天线 其结构示意图 如图3 2 3 1 所示 其中一个端点是馈电点 另一个端点是吸收负载 电 波在分别圆扇形和螺旋线形成行波 主要依据的原理是一圈有2 二 相位的圆 rlL L r lrl 盯叮 IILI 硕士论文毫来波圆极化微带夭线的研究 线行波天线可以产生圆极化辐射 平面螺旋天线也能产生圆极化辐射并有 很宽的带宽 所以用微带来实现这种圆形和螺旋天线是可以的 但是此类 天线的缺点是理论分析较为困难 且对天线的制造公差要求较严格

12、 故在 实际中较少使用 吸健钻工b 负八J 负载 馈电点 图3 2 31圆极化曲线微带天线 a 圆扇形 b 螺旋形 3 3 单馈圆极化微带天线理论 根据前面所述 单馈圆极化微带天线的设计主要是选择合适模分离单 元的大小 位置 以及选择恰当的馈电位置 下面将基于腔模理论 介绍 单馈圆极化微带天线的原理 0 J 3 3 1 简并分离 如图3 3 1 1 所示 这种馈电点在x 轴或y 轴上的矩形微带天线称为 A 型 馈电点在对角线上的 矩形 微带天线称为B 型 山 奴 叭 称为简 并分离单元 A型和 B 型分析方法一样 所以下面就以A型为例说明简并 分离单元山的对矩形微带天线的影响 y 平 2 八

13、月 2 兰 了 二 图3 3 1 1附加简并分离单元矩形圆极化微带天线 硕士论文 毫米波图极化微带夭线的研究 当 矩 形 贴 片 一 L 一 a 时 磁 流 分 布 的 周 边 为 于 一 号 和 一 土 全 相应于 及的基模标量特征函数为 汽 叽 s in kx x 呐 叽 s in 气 y 3 3 1 1 式 中 凡 二 拒加 kx 气 可 当 矩 形 微带 天 线附 加分 离 单 元彻以 后 波 数棍 或称就不同 了 下面定 量地分析它们的变化 由腔模理论可知 矩形微带天线可以看作一个等效的开路边界的腔 体 方程 v Z 蠕 蠕蠕 旦 选 巴 加 3 3 1 2 当蠕 离散时才存在不为零

14、的解 每一个蠕 值对应一个特征函数 把式 3 3 1 2 两 边乘以 特征函 数的 共扼值嘛 然 后在腔 体体 积上积分 考虑 到腔体高度h 上积分于坐标x y 无关 并应用格林函数第一恒等式则有 几 州 恤 睿 蠕 鲁 一 沙 蠕 蠕 且 圈 ds 0 3 3 1 3 由式 3 3 1 2 的第二式可知 3 3 1 3 经过整理得到 礁 在矩形微带天线周界 c上积分为零 式 孔 Iv 心 且 目 3 3 1 4 显然 编是零或为正 数 式 3 3 1 4 为呱的 变 分表 达式 因 此 根据瑞 利一 里兹法可求矩形微带天线附加丛后的 模的波数编 特征值 设矩形微带天线只激励基模 在附加分离单

15、元山后 可令新的特征函 数为杯 相应的 波数 特征 值 为k 则 可 设 护 P10 以 3 3 1 5 硕士论文 把 3 3 1 毫来波圆极化微带天线的研究 5 代入式 3 3 1 4 得出 尸 3 1 6 3 1 7 八JCO 了 了t k 2 二 瓶 以0 2而 什 汀拈 式中s 5 匀十 叭 四汽 QV叭 2 山 四九 妙呐 Z de PV九 卯姨 2 公 四儿 1 卯叭 Z de 几 几 f Z 式中 加二执 姚 现在令 汉 叼2 卜ql 仅 呐 尹 免 几几 几 1 r r L 1 把式 3 3 1 8 代入到 3 3 1 7 则式 3 3 1 7 可以简化为 k 2 几 P 3

16、3 1 9 把上式变换成 石 P Q 一 砂 人 P Q r卜 r卜 下 对上式分别求关于P 和Q的导数 得到两个关于P Q的一次代数齐次方 程 如果P Q有解必有 硫 犷k p ql 厂 k P1 2 ql Z 一 尸 P1 2 塌十 吸 一 k 0 乃 0 3 3 1 1 0 对于A 型天线计算结果 ql 兔 ql Z 0 PI 几 2 山加 P1 2 月山加 3 3 1 1 1 把式 3 3 1 1 1 代入到 3 3 1 10 对于一次近似来说 口 r 压 尹 卜 硕 士论文毫米波图极化微带夭线的研究 峨 峪 1 一 4 阿5 硫 白 r r 3 3 1 1 2 由特征函数的正交性可知 伽向 你P401 以0 z ds 由上式可以得到 尸十 Q Z 1 线性无关的解有 尸 Q 材 涯 尸 Q 一 V 万 3 3 1 1 3 于是我们得到附加分离单元后的特征函数为 丸 gh01 一 丸 再 40 九 咪sin标 一 sin气 y 万 K 5 运 k0 1x 5 访 气 少 万 3 3 1 1 4 甲 甘 1 上面的分析说明在矩形微带天线上附加分离单元山后 产生两个特征模 它们相应