天線與電波傳播理論論文

1、天線與電波傳播理論論文關于微帶天線姓名：何探學號：3090731126班級：通信09-1班指導教師：劉月紅隨著全球通信業(yè)務的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術己引起了人們的極大關注，在整個無線通訊系統(tǒng)中，天線是將射頻信號轉 化為無線信號的關鍵器件，其性能的優(yōu)良對無線通信工程的成敗起到重要作用。 快速發(fā)展的移動通信系統(tǒng)需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化)、高性能的天線。微帶天線作為天線家祖的重要一員，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已 經(jīng)取得了可喜的進步，在移動終端中采用內置微帶天線，不但可以減小天線對 于人體的輻射，還可使手機的外形設計多樣化，因此內置微帶天線將是未來手 機天

2、線技術的發(fā)展方向之一，但其固有的窄帶特性 (常規(guī)微帶天線約為2%左右) 在很多情況下成了制約其應用的一個瓶頸，因此設計出具有寬頻帶小型化的微 帶天線不但具有一定的理論價值而且具有重要的應用價值，這也成為當前國際 天線界研究的熱點之一。本論文的主要工作是概述微帶天線。一微帶天線的發(fā)展歷程早在1953年箔尚(G . A . DcDhamps )教授就提出利用微帶線的輻射來制成 微帶微波天線的概念。但是，在接下來的近20年里，對此只有一些零星的研究。 直到1972年，由于微波集成技術的發(fā)展和空間技術對低剖面天線的迫切需求， 芒森(R. E. Mun so n)和豪威爾(J. Q. Howell)等研

3、究者制成了第一批實用的微帶 天線。隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。1979年在美國新墨西哥州大學舉行了微帶天線的專題目際會議，1981年IEEE天線與傳播會刊在1 月號上刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領域中的一個專門 分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世，至今已有近十本書?？梢?，70年代是微 帶天線取得突破性進展的時期；在 80年代中，微帶天線無論在理論與應用的深 度上和廣度上都獲得了進一步的發(fā)展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應 用正在與日俱增。二微帶天線的結構與種類微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼導體薄片而形成的天線。它一般利用微帶線或同軸線等饋線饋電，

4、在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁 場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作是 一種縫隙天線。其典型結構如圖2.1所示(a)微帶貼片天線(b)微帶振子天線(c)微帶行波天線圖2.1微帶天線的典型結構(d)微帶縫隙天線通常介質基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線的一類。另外，隨著技術的進步，現(xiàn)在許多手機天線都是采用曲折 線型的微帶天線實現(xiàn)了手機天線的小型化。導體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環(huán)形薄片等；也 可以是窄長條形的薄片振子（偶極子）。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微 帶貼片天線和條帶振子天線，如圖1-3（a）、

5、（b）所示。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變（如彎曲、直角彎頭等 ）來形成輻射，稱之為微帶線型天 線，如圖1-3（c）所示，這種天線因為沿線傳輸行波，又稱為微帶行波天線。微帶 天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質基片另一側的微帶線或 其它饋線（如帶狀線）對其饋電，稱之為微帶行波天線，如圖1-3（d）所示。由各種微帶輻射單元可構成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天三 微帶天線的輻射原理微帶天線中有一維的尺寸遠遠小于波長，因而天線剖面很低（天線?。?，有利于共形設計保證優(yōu)良的空氣動力特性。圖1所示的長為L,寬為W2的矩形微帶天線元可以看作一般的傳輸線連接兩個輻射

6、縫組成。低特性阻抗的傳輸線是由 微帶饋線擴展其寬度 W1為W2而成，其長度L為半個微帶波長，即 入g/2在 低阻傳輸線兩端形成兩個縫隙（a-a, b-b），那里的電場分解為兩個分量，其中 En 與接地板垂直；另一個與接地板并行，記作E1 ，由于L=X g/2垂直分量反相， 平行分量同相，因此在垂直于輻射源的方向上，水平分量有最大輻射分量，而 垂直分量相互抵消。試驗表明，電場的水平分量在輻射源的兩個端部，各向外 延伸一個介質板厚度h的長度內存在。這樣就可近似認為微帶天線元的輻射等 于兩個長度為W2，寬度為h,間距為L的裂縫組成的二元陣的輻射。裂縫平面 與接地面平行，裂縫受水平電場 Ey的激勵。E

7、y沿裂縫是均勻分布的(即沿x均 勻分布)。裂縫的激勵場Ey可以等效為沿x方向的磁流。磁流密度，其中為裂縫 面的法向單位矢量(沿z方向)?？紤]接地板的反射影響，則源的磁流密度，由于 裂縫寬度hvv入，所訣y沿y方向也是常數(shù)，故相應的磁流Im可寫為 于是裂 縫的輻射就等效為磁流強度Im相同的一系列磁基本陣子沿著x軸排列的連續(xù)陣 的輻射。四微帶天線的優(yōu)缺點與應用與普通微波天線相比，微帶天線有如下優(yōu)點：(1) 體積小，重量經(jīng)；(2) 平面結構，并可制成與導彈、衛(wèi)星等表面相共形的結構；(3) 饋電網(wǎng)絡可與天線結構一起集成，適合于用印刷電路技術進行大批量生產；(4) 能與有源器件和電路集成為單一的配件；(

8、5) 便于獲得圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作；(6) 沒有作大的變動，天線既能很容易地裝在導彈、火箭和衛(wèi)星。(7) 天線的散射截面較??；(8) 稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化 (左旋和右旋)。(9) 微帶天線適合于組合式設計(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調制器、開關等可以直接加到天線基片上）;（10）饋線和匹配網(wǎng)絡可以和天線結構同時設計和加工。但是與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點：1）頻帶窄；2）有導體和介質損耗，并且會激勵表面波，導致輻射效率降低；3）功率容量較小，適用于中、小功率場合；4）性能受基片材料影響大；5）饋線與輻

9、射元之間的隔離差；盡管如此，有一些方法可以用來減小某些缺點。例如，采用一些寬頻帶技 術可以有效地展寬頻帶；在設計和制造過程中特別注意并采取一些措施就可抑 制或消除表面波。在許多實際設計中，微帶天線的優(yōu)點遠超過它的缺點。甚至在仍被認為是 微帶天線發(fā)展幼年時期的80年代時，微帶天線已有多種成功的應用。隨著微帶 天線的繼續(xù)研究和發(fā)展以及日益增多的使用需求，可以預料，對于大多數(shù)的應 用，它將最終取代常規(guī)的天線。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應用微帶天線的有：衛(wèi)星通訊；多普勒及其它雷達，無線電測高計，指揮和控制系統(tǒng)導彈遙測；武器信管；便攜裝置;環(huán)境檢測儀表；復雜天線中的饋電單元;衛(wèi)星導航接收天線;生物醫(yī)學輻射器

10、；相信隨著對微帶天線應用可能性認識的提高，以及各種電路系統(tǒng)對天線的 小型化集成化要求的提高，微帶天線的優(yōu)點日益凸顯，其應用場合將會繼續(xù)增 多。五微帶天線的分析方法微帶天線的分析方法有很多，但是大體上可以分為解析方法和數(shù)值方法兩 大類。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計算輻射場，包括傳輸 線模型、腔體模型、多端網(wǎng)絡模型等。而第二類方法基于貼片和地板上的電流 分布來計算輻射場，包括矩量法、有限元法和時域有限差分法等。1解析方法天線問題的嚴格分析是一個電磁場邊值型問題，需要根據(jù)其邊界條件確定 麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據(jù) 微帶天線的實際特征做某些方面

11、的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種 簡單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分析微帶天線的 解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應用a. 傳輸線模型傳輸線模型很簡單，并且有助于理解微帶天線的基本特性，因此首先介紹 這種模型方法。在這種模型中，微帶貼片天線被視為場沿著橫向沒有變化而沿 著傳輸線的延伸方向呈駐波分布的一個傳輸線諧振器。天線的輻射主要源自兩 個開路終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距貼片長度的縫隙，其上 分布有面磁流。利用矢量位函數(shù)便可由磁流計算出天線的遠場輻射和其它的電 參數(shù)。盡管傳輸線模型易于使用

12、，但是很多結構類型不能使用它來分析，這是因 為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。b. 腔體模型如果說傳輸線模型因為有場沿傳輸線橫向無變化的限制而只是微帶天線在 一維下近似的話，那么腔體模型就可以稱為二維近似。因為腔體模型基于一維 電小的基本假設（即介質基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空 間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。在腔體中，場沿基片厚度方向 保持不變，并且它是該等效的二維諧振器中所有諧振模式之和。天線的遠場輻 射及其它電參數(shù)可以通過空腔四周的等效磁流來得到。c. 多端網(wǎng)絡模型多端網(wǎng)絡模型實際上是腔體模型的一種拓展，在這種模型中，貼片被等效 為一個具有多個

13、端口分布在貼片四周的二維平面網(wǎng)絡。通過二維格林函數(shù)可以 計算出該網(wǎng)絡的多端阻抗矩陣，再添加一個等效的邊緣導納網(wǎng)絡，便可以將邊 緣場和輻射場聯(lián)系起來，然后利用分割方法計算出全局阻抗矩陣，由貼片四周 的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效磁流計算出輻射場。利用等高線積分技術可以使其在不規(guī)則形狀的貼片天線中獲得應用 2數(shù)值方法雖然以上介紹的解析方法具有簡潔性和較為明確的物理意義，但是它們不 能用來分析任意形狀的微帶天線，同時微帶天線工程精確度的提高也對以上簡 化模型分析方法提出了考驗。然而計算機技術的發(fā)展給微帶天線的分析帶來了 新的思路，即依據(jù)微帶天線的電磁場邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉化 為利

14、用計算機來求解矩陣代數(shù)方程。由此也產生了多種數(shù)值方法，它們各具有 一些優(yōu)缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數(shù)建立關于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數(shù)展開法將此積分方程轉化為矩陣 方程，利用計算機便可得出近似解。矩量法因為考慮了貼片周圍的物理邊界的 邊緣場而具有較高的精度。b. 有限元法有限元法的原理是先將整個連續(xù)求解區(qū)域劃分為很多小的離散單元（如在二維結構中選取三角形單元，在三維結構中選取四面體單元等），在子域中將未知函數(shù)（如電磁場量、位函數(shù)或電流等）表示為子域基函數(shù)的插值，根據(jù)變分 原理或迦略金方法便可建立一個關于未

15、知函數(shù)展開系數(shù)的矩陣方程，利用計算 機便可方便求解該代數(shù)方程。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模擬 任意形狀的優(yōu)點，但是其求解精度要受求解區(qū)域剖分精細程度的影響。c. 時域有限差分法時域有限差分法的基本思想是把求解空間進行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉化為關于 電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界 條件，便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通過離散傅里 葉變換還可以得到三維空間的頻域解。時域有限差分法的優(yōu)點是其離散比較簡 單（空間網(wǎng)格大小一致、時間步長恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便

16、的 得到其在寬帶范圍內特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時間步長和空間步長的 限制。結語：微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、 易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點，因而自其誕生以來就得到社 會各界的廣泛研究與應用。但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線，相對帶 寬較窄。同時，隨著通訊技術的發(fā)展，寬帶的應用越來越受到重視，新的標準 相繼提出，通訊產品越來越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設計必須考慮的 重要因素，因此天線的小型化成為天線設計的又一研究熱點。如何設計出同時 具有小型化、多頻帶以及寬頻帶的微帶天線，是當前微帶天線設計的難點與重 點。二十一世紀是個人通信的

17、時代，無線通信在其中占有很大的比例，小型化 微帶天線和寬頻帶微帶天線將有非常廣闊的應用前景。研制出實用的小型化、 寬頻帶天線是一項非常有意義的課題。本論文所做的工作只是一些初步的探索 和嘗試，未來的工作會更加艱巨也將更有實際意義。出師表先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之 臣不懈于內，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽， 以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論 其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下： 愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，有所廣益。將軍向寵，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰能”，是以眾議舉寵為督:愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在 時，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死 節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計日而待也 F臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自 枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當世之事