（無(wú)線電物理專(zhuān)業(yè)論文）新型超寬帶平面天線研究.pdf

摘要 摘要 天線是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或換能器，它們是任何無(wú)線 電系統(tǒng)必不可少的組件。隨著電子器件朝著小型化、微型化的方向發(fā)展，以及擴(kuò) 頻、跳頻技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)天線的寬帶化和小型化也提出了越來(lái)越高的要求。在輻 射原理方面，超寬帶天線和傳統(tǒng)的窄帶天線并沒(méi)有本質(zhì)的差別，超寬帶天線是在 常規(guī)的窄帶天線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其主要研究?jī)?nèi)容是探索頻帶寬度極大地?cái)U(kuò) 展之后給天線帶來(lái)的新理論、新技術(shù)和新方法。 本文主要研究了維瓦迪( v a l d i ) 錐槽天線和蝴蝶結(jié)天線的寬帶化問(wèn)題。提 出了若干種與主題相關(guān)的天線形式及饋電方式，并采用理論分析、數(shù)值仿真和實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證的方式對(duì)它們進(jìn)行了研究。 第一種天線是改進(jìn)的維瓦迪錐槽天線。我們將維瓦迪錐槽天線的兩片置于基 板兩側(cè)，改變天線的形狀( 切掉9 0 。的扇形) ，在尖銳的槽角進(jìn)行倒角。通過(guò)這些 方法，維瓦迪錐槽天線的阻抗帶寬可以達(dá)到1 8 2 ，實(shí)測(cè)工作頻率為0 2 3 , - - 一5 g h z 。 同時(shí)，相對(duì)于普通的維瓦迪錐槽天線，這種天線在低頻段獲得更加優(yōu)良的性能， 取得了較高的前后比，有著較強(qiáng)的抗高壓性能，方向圖隨頻率的變化也更加穩(wěn)定。 第二種天線是新型的蝴蝶結(jié)天線。我們將蝴蝶結(jié)天線的兩片同樣置于介質(zhì)板 兩側(cè)，這為饋電提供了便利，比較容易的實(shí)現(xiàn)了阻抗變換。通過(guò)這些方法，這種 蝴蝶結(jié)天線以1 0 d b 回波損耗為標(biāo)準(zhǔn)的阻抗百分比帶寬為1 7 6 ，工作頻率0 5 g h z 到8 g h z 。 、 研究結(jié)果表明，平面天線是一種比較適合寬頻帶工作的天線。它們都可以通 過(guò)優(yōu)化天線的幾何尺寸來(lái)達(dá)到較大的帶寬，平面天線在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化上起著不 可估量的作用。 關(guān)鍵詞：超寬帶天線，平面天線，維瓦迪錐槽天線，共面波導(dǎo)饋電，蝴蝶結(jié)天線， 擴(kuò)展帶寬 a b s l l r a c t a b s t 黝c ， a n t 鋤a sa r eak i n do fc o n v e r t e r s 缸e n e r g yc o n v e r t e r s ) b e t w e e nt r a v e l i n gw a v e a n df r e es p a c ew a v e t h e ya r et h en e c e s s a r yc o m p o n e n t si nt h em o d e mw i r e l e s s s y s t e m s t h em i n i a t u r e a n d 、) l r i d cb a n d o ft h ea n t e n n a sb c 9 7 o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt h a nb e f o r ea st h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e r e a r en o t a n yd i f f e r e n c e si nt h er a d i a t i o nt h e o r i e sb e t w e e nt h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n aa n dt h e o r d i n a r yn f l l t o wb a n do n e , b u tt h ef o r m e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h el a t t e r t h em a i n c o n t e n to ft h es u b j e c t0 nt h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n ai st oe x p l o r et h en o v e lt h e o r i e s , t e c h n i q u e s ，a n dm e t h o d st or e s e a r c ht h e mi nv e r yb r o a d b a n d t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h ev i v a l d is l o ta n t e n n a sa n db o w t i ea n t e n n a s s e v e r a ln o v e lp l a n a ra n t e n n a sa r ep r o p o s e d m a n yt e c h n o l o g i e so ft h e ma r ed i s c u s s e di n t h e o r y , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ef i r s tn o v e lp l a n a ra n t e n n ai sm o d i f i e d ac o n v e n t i o n a lv i v a l d is l o ta n t e n n a p l a c i n ge a c hm e t a lp a r to ne a c hs i d eo fd i e l e c t r i c - s l a b 、m o d i f yt h es h a p eo fa n t e n n a s ( r e m o v eas e c t o ro f9 0 。) a n da d dr o u n dc o m e r st ot h em o d i f i e ds l o t , w eg a i na1 0 d b r e t b r nl o s sb a n d w i d t ho f18 2 ，f r o m0 2 3t o5g i - i z m o r e o v e r , t h er a d i a t i o np a t t e r no f t h ep r o p o s e da n t e n n ag e t sm o r es t a b l ea n di t sm a i nb e a mi sk e p ta l m o s tu n c h a n g e da s t h ef r e q u e n c i e si n e r c a s e t h es e c o n dp l a n a ra n t e n n ai sm o d i f i e df r o mac o n v e n t i o n a lb o w t i ea n t e n n & a s a b o v e , w ep l a c ee a c hm e t a lp a r to ne a c hs i d eo fd i e l e c t r i c - s l a b ，w h i c hi sc o n v e n i e n c e f o rf e da n de a s yf o r t h et r a n s i t i o nf r o mu n b a l a n c et ob a l a n c e b yt h e s em e a n s ，w eg a i na lo d br e t u r l ll o s sb a n d w i d t ho f17 6 ，f r o m0 5t o8g h z i ti sc o n c l u d e df r o mt h er e s u l t so ft h i st h e s i st t l 砜p l a n a ra n t e n n a sa r ef i tf o r b r o a d b a n dw o r k i n g a n dm o s to ft h e s ea n t e n n a s 啪b ew o r k e do u tb yo p t i m i z i n gn l e i r g e o m e t r yp a r a m e t e r s p l a n a ra n t e n n a sw i l lp l a c ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h em i n i a t u r e s y s t e m s k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n da n t e n n a , p l a n a ra n t e n n a , v i v a l d is l o ta n t e n n a , c o p l a n a r w a v e g u i d ef e d ，b o w t i ea n t e n n a , b r o a d e nb a n d w i d t h l l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示謝意。 簽名：翟墨日期：砂8 年月鄉(xiāng)日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名： 導(dǎo)師簽名：乞皇! 塹篁p 日期：年月 日 第一章引言 1 1 研究背景及意義 第一章引言 “天線是人們見(jiàn)聞世界的耳目，是人類(lèi)與太空的聯(lián)系，是文明社會(huì)的組成要 素一【1 1 。天線是無(wú)線通信、廣播電視、導(dǎo)航等工程系統(tǒng)中輻射或接收無(wú)線電波的部 件。它的作用是將發(fā)射機(jī)送來(lái)的高頻電流( 或?qū)Р? 變換為無(wú)線電波并傳送到空間； 將空間傳來(lái)的無(wú)線電波轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諜C(jī)能夠傳送的高頻電流。因此，天線是導(dǎo)波和 輻射波的變換裝置，即能量轉(zhuǎn)換器件。它是電路與空間的界面器件。 多年來(lái)，隨著軍事應(yīng)用的要求和無(wú)線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，數(shù)字、基帶電路模塊， 甚至是射頻模塊也已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了微型化、芯片化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。正是無(wú)線通 信模塊的小型化、微型化的發(fā)展，使得天線作為無(wú)線通信中最笨重的部件凸顯出 來(lái)。人們不但要求天線小型化，而且要效率高、頻帶寬、內(nèi)置化、智能化，這已 經(jīng)成為未來(lái)天線發(fā)展的趨勢(shì)。平面天線以其低輪廓、一維小型化及易集成的特點(diǎn) 滿(mǎn)足了現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)和要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。已應(yīng)用平 面天線的系統(tǒng)如：衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、導(dǎo)彈遙測(cè)遙控、電子對(duì)抗、武器引信、 飛機(jī)高度表、環(huán)境檢測(cè)儀表、醫(yī)用微波輻射計(jì)等，其頻率范圍大約為1 0 0 1 d h z - - i o o g h z 的寬廣頻域上。 與此同時(shí)，隨著人們對(duì)通信系統(tǒng)帶寬的要求越來(lái)越寬，寬帶化也逐漸成為了 研究的熱點(diǎn)。從1 8 8 9 年至今的一百多年里，有大量的超寬帶天線研究成果發(fā)表， 最早的超寬帶天線是雙錐天線和蝴蝶結(jié)天線( 1 8 9 8 ) ，后來(lái)又研究了包括t e m 喇 叭天線、對(duì)數(shù)周期天線、螺旋天線、v 一錐天線等各種類(lèi)型的超寬帶天線。雖然這 些超寬帶天線在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用，但他們自身結(jié)構(gòu)具有很多的限制，如尺寸 過(guò)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不便等等。在這種情況下，人們?cè)絹?lái)越傾向于使用尺寸更 小、加工和安裝更方便的新型超寬帶平面天線。 近年來(lái)，多年的努力帶來(lái)了多種新型的超寬帶平面天線及多種增加天線帶寬 的方法。新型的超寬帶平面天線主要包括由v 錐天線發(fā)展而來(lái)的蝴蝶結(jié)天線及其 多種變形，用于不同目的的各種槽天線，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的寬槽天線等等，這些 天線比早期的寬帶天線不但在阻抗帶寬上大大提高，而且天線方向圖的穩(wěn)定性也 有不同程度的改善。在超寬帶技術(shù)方面，除原有的加載方法、加袖技術(shù)和折合方 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 法等單純的方法外，目前還發(fā)展了多種技術(shù)結(jié)合的增加天線帶寬的方法以及基于 計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化方法，取得了很好的性能。 1 2 超寬帶天線簡(jiǎn)介 天線的研究可以追溯到1 9 世紀(jì)末。1 8 6 4 年，英國(guó)科學(xué)家m a x w d l 完整地給 出電磁場(chǎng)滿(mǎn)足的方程組，對(duì)宏觀電磁現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)一而簡(jiǎn)潔的描述，從此，人們 對(duì)電磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1 8 9 7 年，德國(guó)人h r h c r t z 用實(shí)驗(yàn)方法 驗(yàn)證了電磁波的存在，他用火花間隙發(fā)生器，設(shè)計(jì)了源與接受裝置，形成了最早 期的天線f 2 捌。 隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電頻譜不斷地得到開(kāi)拓，無(wú)線電系 統(tǒng)的帶寬也不斷地?cái)U(kuò)展，促進(jìn)了二十世紀(jì)末一門(mén)新的學(xué)科一超寬帶電磁學(xué)的誕生。 超寬帶電磁學(xué)指出，時(shí)域電磁波也是人類(lèi)非常重要的自然資源，而且是尚待開(kāi)發(fā)、 非常寶貴的自然資源。 天線理論與技術(shù)已經(jīng)有了很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，無(wú)數(shù)的學(xué)者研制出了能滿(mǎn)足各種 無(wú)線電系統(tǒng)要求的天線。無(wú)論無(wú)線電如何發(fā)展，天線都是不可替代的。超寬帶無(wú) 線電系統(tǒng)要求超寬帶天線來(lái)完成超寬帶被導(dǎo)電電磁波和自由空間無(wú)線電波之間的 轉(zhuǎn)變工作。 多年來(lái)天線的小型化一直是人們最關(guān)心的課題之一。天線的小型化對(duì)整個(gè)超 寬帶通信系統(tǒng)都有著至關(guān)重要的作用，天線的小型化適應(yīng)了整個(gè)系統(tǒng)小型化的趨 勢(shì)、降低了天線的構(gòu)建成本，同時(shí)提高了抵御自然界作用的能力，而且加強(qiáng)了隱 蔽性。實(shí)際應(yīng)用中，小型化的天線越來(lái)越受到重視。 1 3 超寬帶天線的主要性能參數(shù) 1 3 1 天線的輸入阻抗 天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值稱(chēng)為天線輸入阻抗。 驢寺2 芒噸慨 n 。1 ) 設(shè)計(jì)天線的一個(gè)很重要的工作是使天線輸入阻抗與標(biāo)準(zhǔn)饋線的特性阻抗匹 配。天線輸入阻抗取決于天線的工作原理，結(jié)構(gòu)尺寸，周?chē)橘|(zhì)，工作環(huán)境以及 2 第一章引言 工作頻率。 天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻 抗，這時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變 化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量 盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)， 行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系。 1 3 2 駐波比 它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1 到無(wú)窮大之間。駐波比為l ，表示完全匹配； 駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。 1 3 3 回波損耗 它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0 d b 到無(wú)窮大 之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0 d b 表示全反射， 無(wú)窮大表示完全匹配。 1 3 4 頻帶寬度 天線總是在一定頻率范圍內(nèi)工作，在該頻率范圍內(nèi)，一個(gè)或者一組選定的天 線參數(shù)的變化不超出可以接受的允許值。天線有多種形式的帶寬，方向圖帶寬、 增益帶寬、輸入阻抗帶寬等，用得較多的是天線輸入阻抗帶寬。在超寬帶天線研 究領(lǐng)域，天線帶寬始終是一個(gè)重要參數(shù)，下面給出幾種常見(jiàn)的定義方式： i 絕對(duì)帶寬： a t = 以一石 ( 卜2 ) 其中五為考察頻帶的最高頻率，石為考察頻帶的最低頻率。絕對(duì)帶寬常用于 電磁頻譜的劃分，有時(shí)也用于描述天線的實(shí)際工作頻率。 i i 相對(duì)帶寬曰： 廣義的講，相對(duì)帶寬有幾種不同的定義。在通信領(lǐng)域常用的相對(duì)帶寬指系統(tǒng) 絕對(duì)帶寬與中頻之比。 曰形= 盟：2 盥( 1 - 3 ) 。 l l h 七矗 這一定義常用在現(xiàn)有的頻帶比較窄的通信和雷達(dá)系統(tǒng)中。實(shí)際上，由定義可 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 知占取值范圍為0 b 彤2 。有的文獻(xiàn)稱(chēng)之為分?jǐn)?shù)帶寬。 百分比帶寬曰w 2 g 定義為系統(tǒng)絕對(duì)帶寬與高低端頻率之和的比值，也就是絕對(duì)帶寬與二倍中頻 之比。 艿呢= 而l - f , ( 1 4 ) 曰觀取值范圍為0 b 鞏i 。這個(gè)定義常用在超寬帶領(lǐng)域。 最高和最低頻率之比定義的倍頻程帶寬曰： 顧名思義這個(gè)帶寬定義為： 曰呢= 厶f , ( 1 - 5 ) 曰取值范圍1 b 暇o o ，這個(gè)定義也常用在超寬帶領(lǐng)域。超寬帶的定義為 相對(duì)帶寬大于2 5 或倍頻比大于2 。 1 3 5 方向圖 天線的方向圖是天線的一個(gè)重要特性。如圖i - i 所示，它是表示天線在空間 各個(gè)方向輻射電磁波功率大小的圖形，也稱(chēng)天線的輻射圖。它可表示為球坐標(biāo)秒和 的函數(shù)。工程上一般采用兩個(gè)相互正交的主平面上的方向圖來(lái)表示天線的方向 性，這兩個(gè)主面分別稱(chēng)為e 面和h 面，e 面是通過(guò)最大輻射方向并平行于電場(chǎng)矢 量的平面；h 面是通過(guò)最大輻射方向并平行于磁場(chǎng)矢量的平面。 在特定頻率點(diǎn)上，天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)可以表示為 ， h e ( r ，口，伊) = k f ( e ，伊) 二一 ( 1 6 ) ， 其中f ( o ，9 ) 為天線的方向性函數(shù)，用圖形表示出來(lái)即天線方向圖。令方向性函數(shù) 的最大值為l ，畫(huà)出的天線方向圖為歸一化方向圖。 可以設(shè)計(jì)天線具有不同的波束形式，定向的單波束或者多波束用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通 信或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；全向( 在一個(gè)指定平面內(nèi)有均勻輻射特性) 波束用于廣 播電視等場(chǎng)合；賦形主波束用于衛(wèi)星通信和電視覆蓋特定區(qū)域的情況。 波瓣寬度是定向天線常用的一個(gè)很重要的參數(shù)，它是指天線的輻射圖中低于 峰值3 d b 處所成夾角的寬度。 4 第一章引言 副 1 3 6 方向性系數(shù) 圖l - i 輻射方向圖f ( 0 ，由) 和方向性d 方向性系數(shù)說(shuō)明了天線輻射集中的程度。它的大小通常是以理想的點(diǎn)源天線 作為比較的標(biāo)準(zhǔn)。天線的方向性系數(shù)定義為：在相同的總輻射功率下，某天線產(chǎn) 生于最大輻射方向的輻射強(qiáng)度與一理想點(diǎn)源天線產(chǎn)生于同一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度的比 值。天線輻射越集中，方向性系數(shù)越大。 1 3 7 增益 。= 苦- i p 一； i ( 1 - 7 ) 在同樣距離和相同輸入功率條件下，天線方向圖上最大功率密度與理想全向 天線( 效率為1 0 0 ) 的輻射功率密度之比定義為天線增益。考慮到天線上的損耗， 增益g 等于方向性系數(shù)乘以天線效率。天線效率是天線輻射功率與輸入功率之比。 如果計(jì)入饋線系統(tǒng)的損耗，這時(shí)的天線增益稱(chēng)為實(shí)際增益。 1 2 d ：壘l：i 壘l ( 1 _ 8 ) 刪l 輸入功率相同i 五ol 輸入瓣相廚 1 3 8 天線的極化 所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。一個(gè)發(fā)射天線輻 射時(shí)，其最大輻射方向上，隨著時(shí)間變化電場(chǎng)矢量( 端點(diǎn)) 在空間描出的軌跡。 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 天線的極化形式分為線極化，圓極化和橢圓極化三種。線極化和圓極化是橢圓極 化的特例。圓極化又分為正交的左旋和右旋圓極化。橢圓極化波可分解為兩個(gè)旋 向相反的圓極化波。兩種正交極化的電磁場(chǎng)可以在相同頻率上傳輸不同的信息( 極 化復(fù)用) 。接收天線的極化與來(lái)波一致稱(chēng)為極化匹配。 1 3 9 天線效率 天線輻射功率總是比輸入到天線的功率小一些，也就是說(shuō)天線有損耗。因此 天線效率定義為 刁2 乏= 彘 m 9 ， 其中e ，最，已分別是天線的輻射功率、損耗功率和輸入功率。天線損耗包括導(dǎo)體 損耗、介質(zhì)損耗和加載電路中的損耗。 1 4 超寬帶天線的類(lèi)型及設(shè)計(jì)思路 天線是完成輻射功能的電子器件( 或者系統(tǒng)) ，其輻射能力總是與天線電長(zhǎng) 度和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。有限尺寸天線的特性不可能完全與頻率無(wú)關(guān)，換句話(huà)說(shuō)，其 頻帶寬度總是有限的。只要我們關(guān)心的天線參數(shù)，輻射方向圖、輸入阻抗、極化 特性、相位中心等等，其中一個(gè)參數(shù)或者幾個(gè)參數(shù)，在工作頻段內(nèi)( 例如在五f = l o 的頻帶內(nèi)) 保持為常數(shù)或者在允許的范圍內(nèi)變化，可以認(rèn)為天線是超寬帶天線。 超寬帶天線類(lèi)型很多，其結(jié)構(gòu)還是有一些共同性。天線是傳輸線經(jīng)過(guò)變形得到的， 比如無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線和v - 錐天線本身就是傳輸線，它們沒(méi)有破壞原有的傳輸線結(jié) 構(gòu)，因此，它們是與頻率無(wú)關(guān)的超寬帶天線。 1 4 1 角形結(jié)構(gòu)天線 設(shè)計(jì)與頻率無(wú)關(guān)天線，實(shí)際上就是盡量減小對(duì)天線長(zhǎng)度的依賴(lài)性，增大對(duì)天 線角結(jié)構(gòu)的依賴(lài)性。角形結(jié)構(gòu)的天線有雙錐天線【4 1 、v - 錐天線 5 1 、螺旋天線【6 】、 b o w - t i e 天線i _ 7 】等。這幾種天線的理論模型都是無(wú)限長(zhǎng)的，和無(wú)限長(zhǎng)傳輸線一樣， 不管終端的狀態(tài)如何，都將是匹配的，而且與頻率無(wú)關(guān)。角形結(jié)構(gòu)保證了天線輻 射的是t e m 波，在有限長(zhǎng)度情況下，其結(jié)構(gòu)不隨徑向坐標(biāo)變化，在天線區(qū)域傳播 的主模式是t e m 模式，因此，它們是超寬帶天線。 6 第一章引言 1 4 2 自補(bǔ)結(jié)構(gòu)天線 另一個(gè)很重要的問(wèn)題是天線的自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。設(shè)一個(gè)金屬天線的輸入阻抗z 拓， 把金屬換成介質(zhì)( 大氣) ，把介質(zhì)換成金屬就得到其對(duì)偶結(jié)構(gòu)，互補(bǔ)天線的輸入 阻抗就為z 0 ?；パa(bǔ)天線就像照片的正負(fù)片一樣。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子就是條帶偶極 子天線和同樣形狀的槽天線，如圖1 - 2 所示。 條 帶 偶 極 子 糟 天 線 圖1 2 互補(bǔ)的電偶極子天線和槽天線 b a b i n e t 原理【8 】來(lái)自于光學(xué)：兩個(gè)互補(bǔ)屏在它們不存在時(shí)的未照明空間中任 何點(diǎn)上產(chǎn)生相同的照度。把b a b i n e t 原理推廣到電磁學(xué)導(dǎo)出如下互補(bǔ)天線輸入阻 抗之間的重要關(guān)系，即二者的乘積等于一個(gè)常數(shù)。 乙乙= 等= t ( 1 2 0 萬(wàn)) 2 = 3 6 0 0 萬(wàn)2 ( 1 1 0 ) 這里假定沒(méi)有電介質(zhì)材料和磁介質(zhì)材料的自由空間，如果是別的介質(zhì)，式( 1 1 0 ) 中應(yīng)代入相應(yīng)介質(zhì)的波阻抗。如果條帶偶極子是諧振的( 其長(zhǎng)度比半波長(zhǎng)稍稍短 一點(diǎn)) ，輸入阻抗等于半波振子阻抗，約為7 0 q ，可以算出互補(bǔ)槽天線的輸入阻 抗為 z 出= 立4 z = 焉= 1 2 6 8 9 q (1-卻出2 o u2 面礦2 1 z o 葛兆2 ( 1 - 1 1 ) 這是半波槽天線的輸入阻抗。兩個(gè)互補(bǔ)天線輸入阻抗的乘積等于常數(shù)，7 2 4 。如果 一個(gè)天線是其自己的互補(bǔ)天線，那么其輸入阻抗一定是與頻率無(wú)關(guān)的。當(dāng)一個(gè)天 線結(jié)構(gòu)與其互補(bǔ)天線完全相等時(shí)稱(chēng)之為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)平移和旋轉(zhuǎn)得到自補(bǔ) 結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。由式( 1 - 1 1 ) 可以得到自補(bǔ)天線的輸入阻抗為 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 乙，= z o 扣= r 2 _ - - 6 0 n f 2 ( 卜1 2 ) 式( 卜1 2 ) 是設(shè)計(jì)與頻率無(wú)關(guān)天線的第二條原則。自補(bǔ)天線是與頻率無(wú)關(guān)天線。 螺旋天線、v 一錐天線、對(duì)數(shù)周期天線、t e m 喇叭天線等都可以設(shè)計(jì)成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的 天線。 1 4 3 自相似天線 與頻率無(wú)關(guān)天線的另一個(gè)特性是其輻射只發(fā)生在天線的其中一部分，這一部 分的尺寸( 長(zhǎng)度) 接近半波長(zhǎng)、或者( 周長(zhǎng)) 是一個(gè)波長(zhǎng)，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)之為天線 的有效區(qū)域。隨著頻率的增加，有效區(qū)域逐漸向天線尺寸較小的部分移動(dòng)，那里 的輻射長(zhǎng)度約為半波長(zhǎng)。對(duì)數(shù)周期天線和螺旋天線結(jié)構(gòu)上都具有自相似性。角形 結(jié)構(gòu)也有自相似性，雙錐天線、v _ 錐天線的輻射特性和對(duì)數(shù)周期天線、螺旋天線 不同，不存在所謂的有效區(qū)域，所以不把它們歸入這里。典型的自相似結(jié)構(gòu)天線 是分形天線。在分形天線研究中成功地利用分形幾何改善天線的輻射特性，提高 輻射電阻，擴(kuò)展天線帶寬。 1 4 4 增大電流輻射面積 設(shè)計(jì)與頻率無(wú)關(guān)天線的另一條原則是，用較厚較粗的金屬材料。例如，雙錐 天線是加粗了的偶極子天線，它的輻射面積比一般的偶極子天線大得多，也比v _ 錐天線的輻射面積大，所以它的輻射電阻比偶極子天線和v - 錐天線大，而輸入電 抗則比偶極子天線和v 一錐天線小。根據(jù)這一原理，即便是對(duì)稱(chēng)振子，僅僅用較粗 的導(dǎo)體也可以擴(kuò)展天線的帶寬。 1 4 5 補(bǔ)償與加載 、 根據(jù)天線的傳輸線模型，應(yīng)用傳輸線方法對(duì)天線進(jìn)行補(bǔ)償和加載。在第三章 中使用加載的辦法對(duì)雙面蝶形天線進(jìn)行饋電，得到了較為理想的效果。各種偶極 子形式的電小天線都有相似的特性，利用p a p a s 和d 9 j 給出的有限長(zhǎng)圓錐天線輸 入阻抗公式，導(dǎo)出了用短路傳輸線表示的電小偶極子天線等效電路，進(jìn)而用“開(kāi) 路傳輸線和補(bǔ)償電阻串聯(lián) 實(shí)現(xiàn)完全電抗補(bǔ)償。這種方法用分布參數(shù)電路補(bǔ)償分 布參數(shù)的天線，真正實(shí)現(xiàn)了超寬帶補(bǔ)償。還可以用加載方法擴(kuò)展天線帶寬，提高 8 第一章引言 天線輻射特性。對(duì)天線加載也是基于傳輸線模型。常用的加載方法有：電阻加載、 電容加載、連續(xù)加載和集總參數(shù)加載、網(wǎng)絡(luò)加載、介質(zhì)加載等等?？傊?，或者增 加天線電長(zhǎng)度、或者在天線中引入吸收負(fù)載，形成長(zhǎng)線效應(yīng)。各種類(lèi)型和尺寸的 電偶極子天線都可以采用上述加載方式。一般說(shuō)來(lái)，引入任何加載電路，一方面 會(huì)改善天線性能，另一方面也會(huì)產(chǎn)生一定的副作用。每一種加載方法都有一定的 作用，但是作用都有限。比較好的方法是把理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合 起來(lái)，設(shè)計(jì)研制性能良好的超寬帶天線。 1 4 6 波紋喇叭天線 波紋喇叭天線除了有非常寬的頻帶以外，還具有多方面的理想化性能，包括 軸對(duì)稱(chēng)輻射場(chǎng)圖、很低的副瓣電平、在主平面內(nèi)與相位中心重合、比較高的口徑 效率、交叉極化電平很低等。波紋喇叭天線成為一種接近理想化特性的饋源。波 紋喇叭天線的寬頻帶特性是來(lái)自于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)。在光壁喇叭圓錐面上刻出 一組環(huán)行槽就構(gòu)成波紋喇叭。環(huán)行槽使波紋喇叭沒(méi)有縱向電流分量。如果環(huán)行槽 的深度和寬度合適，波紋喇叭表面可近似為一種各向異性表面，方向的電抗為零， 縱向電抗為無(wú)限大。當(dāng)槽的深度合適時(shí)，喇叭表面呈容性，不支持表面模式。大 張角的波紋喇叭稱(chēng)為標(biāo)量喇叭，比小張角的波紋喇叭有更寬的頻帶寬度。 1 4 7 多回路微帶天線 微帶天線本來(lái)是一類(lèi)窄帶天線，許多研究采用各種各樣的方法來(lái)展寬微帶天 線的頻帶寬度，其中一種方法就是采用互相耦合的多回路原理，如圖1 3 所示。每 一個(gè)微帶貼片可用一個(gè)諧振回路描述，尺寸不同的微帶貼片諧振頻率也不相同， 通過(guò)適當(dāng)方式耦合起來(lái)，則整個(gè)天線的帶寬得到展寬。圖1 - 3 ( a ) 是輻射邊耦合的三 貼片微帶天線，圖1 - 3 ( b ) 是非輻射邊耦合的三貼片微帶天線，圖1 3 ( 0 是四邊耦合 的五貼片微帶天線。也可以采用直接耦合方式，和縫隙耦合的多回路微帶天線一 樣，其帶寬可以大大擴(kuò)展。多回路微帶天線還有其他結(jié)構(gòu)形式如圖卜4 所示，圖1 叫a ) 是孔徑堆積形式，圖1 - 4 ( b ) n 是用雙工器連接的電路形式。 這里列舉了：角形結(jié)構(gòu)、自補(bǔ)結(jié)構(gòu)、自相似結(jié)構(gòu)、增大輻射電流面積、補(bǔ)償 和加載、波紋結(jié)構(gòu)和多回路結(jié)構(gòu)等七種擴(kuò)展天線帶寬的原理方法，應(yīng)當(dāng)說(shuō)還有一 些方法難以用這幾種原理方法概括。隨著時(shí)間推移和技術(shù)進(jìn)步，必然會(huì)有新的方 法被開(kāi)發(fā)出來(lái)。 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 口 ( b ) 口 口 圖1 3 縫隙耦合的多回路微帶天線 輸入口 i i l ”“r - _ - 硬工囂 _ - 一：- “ ：瓠 ； ： ；( b ) ： ! 圖卜4 ( a ) 孔徑堆積形式的微帶天線( b ) 雙工器連接形式的微帶天線 1 5 超寬帶天線的分析方法 電磁理論發(fā)展到今天，電磁場(chǎng)問(wèn)題已經(jīng)有很多種求解途徑，按求解途徑的不 l o 口 口口口 第一章引言 同可以分為解析法、數(shù)值法和半解析數(shù)值法。解析方法典型的有：保角變換法、 模式匹配法、傳輸線模型法等。但是解析方法應(yīng)用起來(lái)有很大的局限性，只有那 些特殊結(jié)構(gòu)的電磁長(zhǎng)問(wèn)題才有嚴(yán)格的理論解。而對(duì)于數(shù)值方法，隨著計(jì)算機(jī)e d a 技術(shù)的發(fā)展，各種商用電磁仿真軟件涌現(xiàn)出來(lái)。主要的廠商有安捷倫( a g i l e n t ) ， a n s o f t ，z e l a n d ，c s t 微波工作室等。這些電磁仿真軟件一般以矩量法、有限元 法、時(shí)域有限差分法等基本的電磁場(chǎng)全波分析方法作為內(nèi)核，并配以友好的圖形 界面以及豐富的參數(shù)轉(zhuǎn)換、圖表輸出功能。全波分析法通常要先利用邊界條件得 出源分布的積分方程，解出源分布，再由積分算式來(lái)求得總場(chǎng)。由于實(shí)際問(wèn)題的 復(fù)雜性，積分方程的求解和場(chǎng)積分的計(jì)算一般都要借助數(shù)值計(jì)算技術(shù)來(lái)完成。 典型的數(shù)值分析方法主要包括矩量法( m o m ：m e t h o do fm o m e n t ) ，有限元法 ( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，時(shí)域有限差分法( f d t d ：f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ) ，譜域法( s p e c t r a ld o m a i n ) ，傳輸線矩陣法( t l m ：t r a n s m i s s i o nl i n em a t r i x m e t h o d ) 而且隨著計(jì)算條件的不斷改善，新的方法也不斷涌現(xiàn)。在這些數(shù)值分析 方法中，矩量法最為常用。 使用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)的步驟是： ( 1 ) 根據(jù)所給的性能指標(biāo)選擇合理的天線結(jié)構(gòu)，并在e d a 軟件中建立正確的 天線結(jié)構(gòu)模型。 ( 2 ) 使用e d a 的仿真功能對(duì)天線進(jìn)行全波分析數(shù)值計(jì)算。 ( 3 ) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改某些參數(shù)，并將其設(shè)置為優(yōu)化變量，用e d a 軟件的優(yōu) 化功能進(jìn)行優(yōu)化，以使各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或接近設(shè)計(jì)指標(biāo)要求( 這是一個(gè)反復(fù)的過(guò) 程) 。 ( 4 ) 再確定天線的最終結(jié)構(gòu)尺寸，將最終仿真結(jié)果輸出。 天線的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)天線的指標(biāo)要求越來(lái)越高，天線的帶寬越來(lái)越寬， 天線的尺寸要求越做越小，而設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn) 足天線設(shè)計(jì)的需要，使用微波e d a 軟件工具進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為天線設(shè)計(jì)的 必然趨勢(shì)。e d a 電磁仿真軟件極大的提高了天線設(shè)計(jì)的效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè) 計(jì)周期。但是軟件只能作為一種工具來(lái)使用，要想設(shè)計(jì)出理想的天線，必須要有 良好的電磁場(chǎng)理論以及各種物理概念為前提。下面將簡(jiǎn)單介紹有限元法。 有限元法的數(shù)學(xué)處理是在1 9 4 3 年由c o u r a n t 所提出來(lái)的，直到1 9 6 8 年才用 于電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題【1o ，1 1 】。有限元法在原理上是有限差分法和變分法中里茲法 的結(jié)合。它是以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。它對(duì)變分問(wèn)題 作離散化處理，將場(chǎng)域劃分為有限小的單元，并使得復(fù)雜的邊界分段屬于不同的 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 單元，每個(gè)單元內(nèi)用合適的插值函數(shù)來(lái)表示未知量，該函數(shù)包括每個(gè)單元的各個(gè) 節(jié)點(diǎn)處的場(chǎng)值，并以此作為未知量。然后將整個(gè)場(chǎng)域上泛函的積分式展開(kāi)成各單 元上泛函積分總和，其中每個(gè)單元的頂點(diǎn)就是未知函數(shù)的取樣點(diǎn)，類(lèi)似于差分法 中的節(jié)點(diǎn)。各單元內(nèi)試驗(yàn)函數(shù)采用統(tǒng)一的函數(shù)形式，其待定系數(shù)取決于本單元中 各頂點(diǎn)上的函數(shù)取樣值。泛函極小值的條件是泛函對(duì)試驗(yàn)函數(shù)中各待定系數(shù)的偏 導(dǎo)數(shù)等于零，轉(zhuǎn)化為對(duì)各點(diǎn)函數(shù)的差商等于零，據(jù)此列出差分近似的代數(shù)方程組， 并直接計(jì)算節(jié)點(diǎn)函數(shù)值的數(shù)值解，再確定試驗(yàn)函數(shù)以表示各單元內(nèi)函數(shù)的近似解。 由于應(yīng)用加權(quán)余量法中的最小二乘法得到了有限元方程，這使得有限元法可應(yīng)用 于任何微分方程所描述的各類(lèi)物理場(chǎng)中，適用于時(shí)變場(chǎng)、非線性場(chǎng)以及分層介質(zhì) 中的電磁場(chǎng)問(wèn)題求解。 在用有限元法計(jì)算電磁場(chǎng)的過(guò)程中，主要有以下步驟： ( 1 ) 找出與邊值問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的泛函及其變分問(wèn)題： ( 2 ) 將場(chǎng)域剖分，然后將剖分單元中任意點(diǎn)的未知數(shù)用該剖分單元中形狀函 數(shù)及離散函數(shù)上的函數(shù)值展開(kāi)，即把連續(xù)介質(zhì)中無(wú)限個(gè)自由度的問(wèn)題離散化成有 限個(gè)自由度的問(wèn)題； ( 3 ) 求泛函的極值，導(dǎo)出聯(lián)立代數(shù)方程組即所謂的有限元方程； ( 4 ) 用直接法或迭代法求解有限元方程。 有限元法的優(yōu)點(diǎn)在于：有限元法采用物理上離散與分片多項(xiàng)式插值，因此具 有對(duì)材料、邊界、激勵(lì)的廣泛適應(yīng)性；有限元法基于變分原理，將數(shù)理方程求解 變成代數(shù)方程組的求解，因此非常簡(jiǎn)易；有限元法采用矩陣形式和單元組裝方法， 其各環(huán)節(jié)易于標(biāo)準(zhǔn)化，程序通用性強(qiáng)，且有較高的計(jì)算精度，便于編制程序和維 護(hù)，適宜于制作商業(yè)軟件。 1 6 本論文的主要工作和內(nèi)容安排 本論文主要研究了應(yīng)用于工程實(shí)驗(yàn)的兩種平面超寬帶天線。本文的第一個(gè)工 作重點(diǎn)是研究了一種新型維瓦迪錐槽天線的性能。本文第二章介紹了新型維瓦迪 錐槽天線的大量仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)分析了天線各參數(shù)對(duì)天線性能的影響，這 為后來(lái)的研究者提供了全面的參考。因工程對(duì)天線的工作電壓有著特殊要求，我 們提出將天線的兩片置于基板兩側(cè)，因而得到了一種抗高壓性能良好的維瓦迪錐 槽天線，不僅如此，新型天線在較寬的頻帶內(nèi)還保持了方向圖的穩(wěn)定性。通過(guò)在 天線的邊緣倒角使天線在低頻得到了優(yōu)良的性能，仿真和測(cè)試結(jié)果均表明新型天 1 2 第一章引言 線在工程運(yùn)用中起到了較好的效果。 本文的另一個(gè)工作重點(diǎn)是研究了雙面蝶形天線，通過(guò)大量的仿真結(jié)果向讀者 展示了我們?cè)诤Y(jié)天線研究方面所得的成就。實(shí)際上，天線的寬帶化和小型化 之間是密不可分的，天線的帶寬向低端擴(kuò)展即帶來(lái)天線的小型化，天線的小型化 也即是天線的工作頻帶向低端擴(kuò)展的結(jié)果。由于理想蝴蝶結(jié)天線本身的帶寬沒(méi)有 高頻截止，故其帶寬可用工作頻帶的最低工作頻率來(lái)代表，而最低工作頻率又間 接表示了天線的電尺寸，故對(duì)蝴蝶結(jié)天線而言，小型化技術(shù)和寬帶技術(shù)實(shí)質(zhì)上是 統(tǒng)一的。我們的工作就是如何降低蝴蝶結(jié)天線的最低工作頻率。本文研究了在天 線表面開(kāi)徑向槽，通過(guò)開(kāi)槽和不開(kāi)槽的天線仿真結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)在天線表面開(kāi)槽 大大降低了天線的最低工作頻率。本文使用的饋線裝置充分利用了基板空間，增 大了阻抗?jié)u變器的階數(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)了天線和饋線的匹配。 本文的內(nèi)容安排如下： 第一章簡(jiǎn)單介紹了超寬帶天線的研究背景、理論意義、性能參數(shù)和基本結(jié)構(gòu)， 對(duì)超寬帶天線的分析方法，主要是數(shù)值方法作了粗略介紹，簡(jiǎn)要介紹了自己的創(chuàng) 新點(diǎn)和工程應(yīng)用價(jià)值。 第二章詳細(xì)敘述了本文的第一個(gè)工作重點(diǎn)，共兩大部分內(nèi)容。本章第一部分 開(kāi)始介紹維瓦迪錐槽天線的發(fā)展過(guò)程，并作了分析和總結(jié)。第二部分開(kāi)始詳細(xì)分 析天線各參數(shù)對(duì)天線性能的影響，通過(guò)大量的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了雙面維瓦迪 錐槽天線的效果，驗(yàn)證了這種方法的實(shí)用性。通過(guò)改變維瓦迪錐槽天線的形狀( 切 掉9 0 。的扇形) ，在尖銳的槽角進(jìn)行倒角，天線的阻抗帶寬可以達(dá)到1 8 2 ，工作 頻率為0 2 3 - - 5 g h z 。這種天線有著較強(qiáng)的抗高壓性能，方向圖隨頻率的變化也很 穩(wěn)定。 第三章詳細(xì)敘述了本文的第二個(gè)工作重點(diǎn)。首先介紹了v 錐天線和蝴蝶結(jié)天 線的發(fā)展概況，分析總結(jié)了前人的研究成果。第二部分開(kāi)始詳細(xì)分析了饋線性能， 充分利用基板空間可以增大饋線阻抗?jié)u變器的階數(shù)，更好實(shí)現(xiàn)饋線和天線的匹配。 接著提出了兩種展寬天線低頻帶寬的方法，通過(guò)開(kāi)徑向槽可以大大展寬天線的低 頻帶寬。最后給出了使用加載的饋線饋電的天線性能，分析了使用電容加載和調(diào) 節(jié)枝節(jié)的區(qū)別。 第四章為結(jié)論及未來(lái)工作展望，給出了本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)以及一些將來(lái)需要 進(jìn)一步研究的問(wèn)題。 1 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章維瓦迪( v iv aidi ) 錐槽天線研究 維瓦迪錐槽天線是1 9 7 9 年g i b s o n 提出的一種按指數(shù)規(guī)律漸變的槽線天線，它 是具有非周期結(jié)構(gòu)連續(xù)逐漸變化的天線，因此，理論上，它有很寬的頻帶，這種 天線是一種高增益，線極化，可以做成隨頻率變化具有恒定增益的天線【1 2 1 。同時(shí) 由于維瓦迪錐槽天線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平面天線，可以用印刷技術(shù)將它與其它模 塊集成為一體，所以它被用于各種測(cè)量接收系統(tǒng)中，用來(lái)探測(cè)頻率帶寬較寬的電 磁波信號(hào)。 本章第一部分首先介紹了維瓦迪錐槽天線的發(fā)展歷程和前人提出的各種改良 方法；第二部分詳細(xì)分析了槽線縫寬、基板介電常數(shù)、基板厚度等與天線特性阻 抗的關(guān)系，并且在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的維瓦迪錐槽天線。新型天線降低了 反射，在低頻段獲得更加優(yōu)良的性能，取得了較高的前后比，有著較強(qiáng)的抗高壓 性能，在整個(gè)寬頻帶范圍內(nèi)方向圖較為穩(wěn)定。 2 1 維瓦迪錐槽天線的發(fā)展?fàn)顩r 維瓦迪錐槽天線的指數(shù)漸變曲線如圖2 - 1 所示。 y = a e 6 肘糾一d ( 2 1 ) 其中，指數(shù)因子b 決定了天線的波束寬度，在x 較大時(shí)，指數(shù)曲線的截?cái)?處使天線工作頻帶范圍內(nèi)的導(dǎo)波輻射出去，而在x 較小時(shí)，天線中的導(dǎo)波能量會(huì) 被束縛在天線的導(dǎo)體之間。天線低頻端的截止波長(zhǎng)可以確定為槽線最大寬度的2 倍，而天線的高頻端的特性則受到槽線最窄處寬度的限制【1 2 l 。給a ，d 賦不同的數(shù) 值可以得到不同的維瓦迪錐槽天線始端縫隙寬度。 1 9 8 6 年，文獻(xiàn) 1 3 給出了槽線特性阻抗的數(shù)值擬合公式，如式( 2 - 2 ) ，( 2 3 ) 所示。 其中w 為槽線的縫隙寬度，磊為自由空間波長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)公式( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 的 研究和使用c s t 進(jìn)行的仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)：影響維瓦迪錐槽天線特性阻抗最敏感的參 數(shù)就是天線始端縫隙寬度。在公式( 2 - 1 ) 中選擇合適的參數(shù)珥d 使得天線始端縫 隙寬度和公式( 2 2 ) 中槽線縫寬w 相等，發(fā)現(xiàn)使用軟件仿真和和理論計(jì)算的結(jié)果 很一致。這也驗(yàn)證了仿真運(yùn)算的正確性。 1 4 第二章維瓦迪( 、，a l d i ) 錐槽天線的研究 圖2 _ l 維瓦迪錐槽天線示意圖 z c = + 3 6 9 s i n 百( s ，- 2 2 2 ) z 們3 刪。勺，層+ 2 8 1 1 - 0 0 1 l e , ( 4 4 8 + i n e , ) ( 銣半+ m m 舵8 乩，加2 舶 ( 1 + o 1 8 1 n e , ) 詈 f 面 浯2 ) 0 0 0 1 5 _ - - w _ 0 0 7 5 磊 乏= l 努“q 3 4 晦_ 1 醪+ 2 勸【2 9 叭弓- l 對(duì)( 箏趣回 ( 3 艇油& 6 碡o 字一1 ) r n b 畔+ 1 磯眺。1 礞 ( 2 - 3 2 - 3 ) 吒吒 ( ) w q 曬二1 o 無(wú) 1 9 8 8 年，e h u dg a z i t 在文獻(xiàn) 1 4 中提出工作在匹配狀態(tài)下的槽線，如果槽線 的寬度遠(yuǎn)小于半個(gè)工作波長(zhǎng)( 2 2 ) 時(shí)，槽線就不會(huì)輻射能量，此時(shí)的槽線可以 作為一種低損耗的傳輸介質(zhì)。維瓦迪錐槽天線就是利用了寬度大于2 2 的槽線的 特性，在這種條件下，槽線可以明顯的輻射能量。維瓦迪錐槽天線是由較窄的槽 線過(guò)渡到較寬的槽線構(gòu)成的，它是底端饋電的行波天線，將介質(zhì)板上的槽線寬度 逐漸加大，形成喇叭口向外輻射或向內(nèi)接收電磁波。在不同的頻率上，它的不同 部分發(fā)射或接收電磁波，而各個(gè)輻射部分的相對(duì)于對(duì)應(yīng)的不同頻率信號(hào)的波長(zhǎng)的 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 電長(zhǎng)度是不變的，所以，從理論上講，維瓦迪錐槽天線具有很寬的工作頻率帶寬， 在這個(gè)頻率范圍內(nèi)具有相同的波束寬度。 文章使用微帶線到槽線的轉(zhuǎn)換對(duì)天線進(jìn)行饋電。微帶線是非平衡線，而維瓦 迪錐槽天線是一種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)天線饋電的槽線是平衡線。這樣就需要一個(gè)至少 工作在兩個(gè)或者更多個(gè)倍頻程上的巴倫，如果巴倫是與頻率無(wú)關(guān)的將會(huì)取得更好 的效果。e h u dg a z i t 使用了一種從微帶線到平行帶線再到對(duì)稱(chēng)雙邊槽線的饋電方 式，如圖2 _ 2 所示。 溉暫o f f n 廠f s e c t i o ne - e 二 皇一磊囂面 j 、。：，： 、 y1 一 、 - ， - l s e c 3 t 一柚n b - b 。三： 。， ， ， 圖2 - 2 從微帶線到對(duì)稱(chēng)槽線的傳輸線和維瓦迪錐槽天線 1 9 9 3 年，文獻(xiàn) 1 5 中提出了一種新型低交叉極化的超寬帶維瓦迪錐槽天線。 它是在對(duì)跖維瓦迪錐槽天線( 如圖2 - 3 ) 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)添加另外的一 層介質(zhì)板并在其上敷上金屬?gòu)亩纬梢环N平衡對(duì)跖維瓦迪錐槽天線( 如圖2 4 ) ， 新天線保持了原天線的寬帶特性，在1 8 ：l 的帶寬上交叉極化降低了1 5 d b 。 d 五 圖2 3 對(duì)跖維瓦迪錐槽天線示意圖和通過(guò)輻射槽的主要電場(chǎng)方向 1 6 第二章維瓦迪( v i v a l d l ) 錐槽天線的研究 b o i a n c e d g r o u n dl ：, i a r e s | t r i p 4 西e 增i c l r i 島 口掃 圖2 4 平衡對(duì)跖維瓦迪錐槽天線示意圖和通過(guò)輻射槽的主要電場(chǎng)方向 1 9 9 7 年，d a n i dh s c h a u b e r t 在文獻(xiàn) 1 6 研究了作為陣列單元使用的維瓦迪 錐槽天線?？梢杂伤鼈兘M成單極化和雙極化的陣列，用于寬帶天線陣列或?qū)掝l帶 的相控陣中。 1 9 9 8 年，文獻(xiàn) 1 7 提出使用介質(zhì)轉(zhuǎn)換器來(lái)解決維瓦迪錐槽天線的匹配問(wèn)題， 如圖2 - 5 所示。圖中乜，b ，q ，分別是介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)度和寬度。饋電 槽線的長(zhǎng)度和寬度分別是厶和w ，介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)和厚度分別是和d 。 圖2 - 6 ，圖2 7 分別給出了維瓦迪錐槽天線在特定頻率上的輸入阻抗測(cè)量值 比較和維瓦迪錐槽天線駐波比測(cè)量值的比較。 1 1 1 蘿 、 ，：、一 、，乙 、l 鷥iz 囂沁 * ；倉(cāng) 、，- l - - 一l l _ ：l 8 i d _ 、- d 0 l 仁 k 卜 圖2 5 帶有介質(zhì)漸變器的維瓦迪錐槽天線 1 7 、：=：rl，f、 ，、 k、。 歹，_= o v ，o r ，o 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 舅 乍 島 百 叵 a 舅 乍 罱 1 4 f r e q u e n c y g h z b f r e q u e n c y g h z 圖2 - 6 維瓦迪錐槽天線在特定頻率上的輸入阻抗測(cè)量值比較 a 阻抗實(shí)部 ( i ) 無(wú)介質(zhì)漸變器 ( i i ) 有介質(zhì)漸變器 b 阻抗虛部 ( i ) 無(wú)介質(zhì)漸變器 ( i i ) 有介質(zhì)漸變器 f r e q u e n c y g h z 圖2 7 維瓦迪錐槽天線駐波比測(cè)量值 ( i ) 無(wú)介質(zhì)漸變器( i i ) 有介質(zhì)漸變器 2 0 0 0 年，s t o c k b r o e c k x 在文獻(xiàn) 1 8 中分析了維瓦迪錐槽天線的極化和交叉極 化輻射方向圖特性。分析方法分為兩個(gè)部分：先計(jì)算了兩天線片之間的電場(chǎng)分布， 再使用格林公式分析了