毫米波天線陣列及單元研究_圖文

1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文毫米波天線陣列及單元研究姓名：吳慧嫻申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：物理電子學(xué)指導(dǎo)教師：吳錫東2013-03-08浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要本文旨在研究毫米波天線陣列及其單元的圓極化特性，并給出兩種不同類型天線的設(shè)計(jì)實(shí)例，分別為平面天線和介質(zhì)諧振天線。本文首先提出平面輻射槽天線結(jié)構(gòu)圓極化設(shè)計(jì)方案，并完成了實(shí)物驗(yàn)證，隨后對(duì)介質(zhì)諧振天線圓極化陣列的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行討論研究。主要工作有：設(shè)計(jì)了兩種不同形狀的毫米波平面輻射槽天線：直邊槽平面天線和轉(zhuǎn)角槽平面天線，兩種天線均包含了按特定方式排列的四個(gè)槽天線單元，直邊槽天線的輻射槽為長條矩形，轉(zhuǎn)角槽天線的輻射槽為型，設(shè)計(jì)通過在槽天線外圍的介質(zhì)中垂

2、直放置接地柱短路連接槽天線所在金屬貼片和金屬地板以截?cái)啾砻娌▊鬏?。本文設(shè)計(jì)的天線具有有效抑制表面波和天線尺寸小的特點(diǎn)。本文通過對(duì)這兩種平面天線單元圓極化特性的討論以及參數(shù)優(yōu)化，對(duì)比仿真結(jié)果之后選擇直邊槽平面天線加工和測試。同時(shí)將直邊槽平面天線組成×的矩形陣列，仿真優(yōu)化并加工測試，實(shí)現(xiàn)圓極化相控陣列。在介質(zhì)諧振天線的設(shè)計(jì)中，本文在討論單元線極化和圓極化特性的基礎(chǔ)上，給出兩種不同的圓極化組陣方式：一是由個(gè)線極化天線單元組成×的子陣列，不同方向交錯(cuò)饋電，使得子陣列實(shí)現(xiàn)圓極化，再以子陣列為陣元組陣；二是設(shè)計(jì)圓極化天線單元，以此為陣元實(shí)現(xiàn)圓極化陣列。通過對(duì)兩個(gè)方案組成的矩形方陣進(jìn)行仿

3、真分析，分別討論研究其各自工作特點(diǎn)與優(yōu)劣。關(guān)鍵字：毫米波，平面天線，接地柱，介質(zhì)諧振天線，天線陣列，圓極化浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，；，：，；，。，：，；，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，：，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文致謝白駒過隙，轉(zhuǎn)眼即將碩士畢業(yè)，最難忘，七載求是情。在浙江大學(xué)所經(jīng)歷的生活，學(xué)到的知識(shí)，結(jié)交的師友，將是我未來最美的回憶與最大的財(cái)富。到來時(shí)，滿懷欣喜；離開時(shí)，盡是感恩。首先，要誠摯地感謝我的導(dǎo)師吳錫東老師。本論文的所有工作都是在吳老師悉心指導(dǎo)下完成的。吳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)，對(duì)工作的認(rèn)真態(tài)度，都對(duì)我的學(xué)習(xí)工作產(chǎn)生了巨大的影響。他淵博的知識(shí)與豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，在項(xiàng)目實(shí)踐中給了我極大的幫助。同時(shí)，吳老師也

4、培養(yǎng)了我撰寫報(bào)告時(shí)的邏輯思維與演講的技巧，這為以后的工作匯報(bào)打下了良好的基礎(chǔ)。另外，吳老師儒雅的興趣愛好、健康的生活習(xí)慣也潛移默化地影響著我。感謝毫米波實(shí)驗(yàn)室的周金芳老師，她熱情、細(xì)心，對(duì)大家都關(guān)愛有加，關(guān)心我們學(xué)習(xí)、工作和生活的每個(gè)方面。感謝師姐李韻，本論文的部分工作是在她的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行深入探討的。感謝師兄李波、華昌洲、楊楠、朱道虹，在我遇到疑難的時(shí)候總是熱心解答，不厭其煩。感謝師弟妹陸曉斌、劉維、徐飛在項(xiàng)目中給予我的協(xié)助，感謝同學(xué)王中元、聶與斐，師妹盧翠翠，有了大家，實(shí)驗(yàn)室才會(huì)有家的感覺。感謝黨委副書記樓建悅老師、輔導(dǎo)員趙蕾蕾老師等信電系辦公室的老師們，謝謝你們給予我生活上的關(guān)心與學(xué)生工

5、作上的鼓勵(lì)與幫助，讓我的領(lǐng)導(dǎo)力得到了很大的鍛煉。特別地，感謝我的家人，你們是我堅(jiān)強(qiáng)的后盾，也是我休整的港灣，更是我奮發(fā)前行的動(dòng)力。同樣，感謝我的男友，默默的支持著我，為我排憂解難。懷揣感激，心念社稷，我定會(huì)不斷努力，不辜負(fù)老師親友的期待，不辜負(fù)母校的培養(yǎng)。吳慧嫻年月日于玉泉浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖表目錄圖表目錄圖單輻射槽天線結(jié)構(gòu)示意圖圖平面直邊槽天線輻射方向圖圖兩個(gè)輻射槽組成的天線圖微帶耦合縫隙饋電天線結(jié)構(gòu)示意圖圖表面波的產(chǎn)生與消除圖接地柱間距對(duì)阻隔性能的影響一圖天線部分模型圖波的極化一圖直邊槽天線平面結(jié)構(gòu)圖圖有無接地柱對(duì)直邊槽天線方向圖的影響圖縫隙耦合饋電直邊槽天線場分布圖圖實(shí)現(xiàn)圓極化頻率特性

6、及其正交分量特性圖輻射槽長度與寬度對(duì)平面直邊槽天線性能影響一圖耦合縫隙尺寸對(duì)平面直邊槽天線性能影響圖平面直邊槽圓極化天線單元設(shè)計(jì)幅度與相位差設(shè)計(jì)結(jié)果圖平面直邊槽圓極化天線單元回波損耗與軸比帶寬圖平面直邊槽圓極化天線單元輻射方向圖圖轉(zhuǎn)危槽天線平面結(jié)構(gòu)示意圖以及場分布圖圖平面轉(zhuǎn)角槽圓極化天線單元設(shè)計(jì)幅度與相位差設(shè)計(jì)結(jié)果圖平面轉(zhuǎn)角槽天線回波損耗與軸比帶寬圖平面轉(zhuǎn)角槽圓極化天線單元輻射方向圖圖平面直邊槽天線實(shí)物圖圖直邊槽天線回波損耗仿真與測試結(jié)果圖直邊槽天線測試輻射方向圖圖平面直邊槽天線陣列結(jié)構(gòu)圖圖平面直邊槽天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)圖圖平面直邊槽天線陣列回波損耗與軸比帶寬圖平面直邊槽天線陣列輻射方向圖圖天線陣

7、列相控陣掃描饋電相位延遲結(jié)構(gòu)示意圖圖天線陣列相控陣掃描三維方向圖圖相控陣天線陣列掃描二維方向圖圖平面直邊槽天線陣列加工實(shí)物圖圖測試框架圖圖平面直邊槽天線陣列測試結(jié)果歸一化方向圖圖實(shí)測相控陣掃描圖圖介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)示意圖圖線極化回波損耗與增益圖圖圓極化線極化分量阻抗圖圖圓極化回波損耗與軸比帶寬圖圓極化輻射方向圖圖圓極化子陣列組陣結(jié)構(gòu)示意圖圖圓極化子陣列輻射方向圖圖圓極化子陣列為陣元的相控陣，陣列圖圓極化單元為陣元的×相控陣，元表平面直邊槽天線圓極化單元設(shè)計(jì)參數(shù)一表平面轉(zhuǎn)角槽天線圓極化單元設(shè)計(jì)參數(shù)表相控陣天線陣列掃描方向圖參數(shù)一表圓極化子陣列為陣元的×相控陣，子陣列表圓極化單元

8、為陣元的相控陣，單元緒論引言毫米波是指波長為的電磁波，工作頻率介于微波和紅外線之間。毫米波系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)：由于毫米波整體帶寬大，其主要大氣窗口位于，和總和達(dá)到，如果充分利用可以有效解決當(dāng)前微波波段擁擠的現(xiàn)狀；另外由于毫米波工作波長短，使得系統(tǒng)元件體積減小，設(shè)備輕便，可以有更多的應(yīng)用場合；同時(shí)毫米波系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性能好，可以提供良好的分辨率和較高的精度，并容易受到電子干擾，這使得系統(tǒng)在衛(wèi)星通信上有較好的應(yīng)用；除此之外，毫米波系統(tǒng)比紅外系統(tǒng)穿透力更強(qiáng)，有更好的穿透煙、塵、雨、霧的傳播特性，并可以在夜間工作，受氣候與時(shí)間的影響小，可以全天候工七：【】廣。由于毫米波兼具微波與紅外線的優(yōu)點(diǎn)，在軍事上應(yīng)用尤其廣

9、泛，主要包括：毫米波雷達(dá)、毫米波通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)航、毫米波電子對(duì)抗、電子支援偵察和電子情報(bào)等。毫米波系統(tǒng)除軍事應(yīng)用外，近年來也有在諸如遙感、天氣預(yù)報(bào)、射電天文、民用通信、遙感技術(shù)、車船防撞、頻譜學(xué)以及生物效應(yīng)等方面的應(yīng)用。毫米波平面天線毫米波平面天線從二十世紀(jì)年代就進(jìn)入了天線設(shè)計(jì)者的視野，隨著應(yīng)用的需求，近年來關(guān)于毫米波平面天線的研究在許多方面都有了進(jìn)一步的發(fā)展，對(duì)平面天線的研究主要集中在如何實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗以及實(shí)現(xiàn)集成化陣列等方面。同時(shí)由于平面天線存在中介質(zhì)基板厚度過厚容易產(chǎn)生表面波而影響天線方向圖，而介質(zhì)基板厚度過薄又影響天線工作性能的矛盾，對(duì)抑制表面波、增加介質(zhì)基本厚度的研究也較為熱

10、門【。平面天線包括很多種類，典型的例子有：平面輻射槽天線、微帶貼片天線、微帶振子天線和平面行波天線等，這些天線都主要具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)【：結(jié)構(gòu)簡單、易于平面集成化；低損耗、高效率；浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論方向圖較均勻：具有一定帶寬；低造價(jià)：天線設(shè)計(jì)具有靈活性、工藝要求低；平面天線的基本結(jié)構(gòu)類似，由介質(zhì)基板以及附著于其上下表面的金屬面構(gòu)成，通常金屬層為銅皮，基本可為單層或者是多層，通過工藝在介質(zhì)基板的上表面金屬層上腐蝕相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如輻射縫隙或者微帶貼片等所設(shè)計(jì)的形狀，即為天線的輻射部分，通過改變不同的形狀或者貼片、縫隙的參數(shù)可以設(shè)計(jì)使得天線工作在所需要的頻段。由于其結(jié)構(gòu)簡單且在一個(gè)平面上，平面天

11、線可適用于衛(wèi)星通信或者移動(dòng)通信設(shè)備，因此經(jīng)常被設(shè)計(jì)為陣列，尤其是相控陣。平面天線優(yōu)點(diǎn)諸多，但正如前面提到的，由于天線自身結(jié)構(gòu)的關(guān)系，也存在一些缺陷。首先，平面天線存在導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、寄生輻射損耗等多種損耗，其單元增益較低，與喇叭天線、螺旋天線相比，不適用與需要高增益的場合，但低增益并不完全是劣勢(shì)，這使得平面天線輻射較為均勻，可以適用在需要帶寬較大的場合。平面天線最大的問題就是存在表面波。平面天線由介質(zhì)基板構(gòu)成，受其影響，平面天線工作時(shí)如果介質(zhì)基板過厚，就容易激發(fā)表面波，為了避免這個(gè)問題，天線介質(zhì)基板的厚度一般要求控制在十分之一波長以內(nèi)，但為了使得天線達(dá)到最優(yōu)的輻射特性，要求介質(zhì)基板的厚度在

12、四分之波長，這是相互矛盾的。表面波是一種沿兩種媒質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ膶?dǎo)行波，在平面天線中就是介質(zhì)基板會(huì)使部分電磁波束縛在介質(zhì)與空氣的交界面?zhèn)鞑ァ１砻娌ù嬖谑且該p耗為前提的，它的存在使得天線輻射方向圖惡化、天線陣元間互耦合增加等。因此，解決毫米波平面天線中的表面波尤為重要，國際上很多學(xué)者紛紛致力于消除毫米波平面天線中的表面波這一問題，目前，主要比較典型的解決方法有三種，其工作原理各有不同：采用光子晶體材料（，由兩種折射率不同的材料復(fù)合而成，其中一種材料在另一種材料中周期分布）或電磁帶隙材料（，采用金屬、介質(zhì)、鐵磁等材料周期性排列于介質(zhì)基板中），在天線金屬表面上腐蝕周期性小洞或者是在介質(zhì)基板打入周期

13、性小孔，破壞表面波的傳播，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論以形成對(duì)表面波的阻滯效果，這種方法材料加工比較復(fù)雜，在工藝實(shí)現(xiàn)上有比較大的難度；在介質(zhì)基板外圍加金屬腔或者是金屬柵欄，從而改變平面天線的邊界條件，從而截?cái)啾砻娌ǖ臋M向傳輸，這種方法目前僅限于理論研究，從理論跨越到實(shí)物加工仍然需要一定的改進(jìn)【】。利用微機(jī)械加工工藝技術(shù)（）構(gòu)造空氣介質(zhì)基板，即金屬貼片與金屬地板之間的介質(zhì)是空氣腔，這樣介質(zhì)基板的介電常數(shù)為，與周圍空氣沒有分界面，從而消除表面波，這種方法由于工藝限制，制作的平面天線體積較大，不利于集成化。介質(zhì)諧振天線對(duì)于介質(zhì)諧振天線（）的研究大約在年前開始，最早的關(guān)于介質(zhì)諧振天線的文章是年發(fā)表的圓柱形

14、介質(zhì)諧振天線。此后國內(nèi)外關(guān)于介質(zhì)諧振天線的研究越來越多，主要的研究集中在以下幾個(gè)方面：諧振器結(jié)構(gòu)的變化多樣，有矩形、圓柱形，三角形、圓環(huán)形等，還有一些不規(guī)則形狀；多種饋電形式，如探針饋電、縫隙饋電，微帶線直接耦合饋電、微帶縫隙耦合饋電、介質(zhì)鏡像波導(dǎo)饋電和共面線饋電等；寬帶介質(zhì)諧振天線，在設(shè)計(jì)中增加帶寬，方法有很多，例如堆疊結(jié)構(gòu)、增加一個(gè)單元、空氣縫法、負(fù)載導(dǎo)體帶片、使用特殊形狀的介質(zhì)諧振器或者更好的饋電結(jié)構(gòu)等；圓極化介質(zhì)諧振天線的設(shè)計(jì)研究，解決線極化天線對(duì)傳輸和接受的方向很敏感的問題；提高天線增益，一般采用陣列天線；數(shù)值分析方法，有限差分、有限元和矩量法等。介質(zhì)諧振天線是用高介電常數(shù)，（）和低

15、損耗（以下）的介質(zhì)材料制成的。該天線的特點(diǎn)有：是三維結(jié)構(gòu)，因而其諧振頻率可隨尺寸大小的改變而靈活改變，與一維天線和二維天線相比有更多自由度；另外因?yàn)?，的存在，比普通天線尺寸更??；另外，對(duì)于而言，電磁場主要集中在其諧振器內(nèi)部，因此天線受外界影。向，。介質(zhì)諧振天線有很多吸引人的優(yōu)點(diǎn)：高效的輻射效率（），因?yàn)闆]有導(dǎo)體和表面波損耗，自身介質(zhì)損耗小，并具有較低的輻射因子；與具有相同介電常數(shù)的微帶天線相比，介質(zhì)諧振天線的帶寬要寬的多；設(shè)計(jì)具有靈活性，如介質(zhì)諧振器的形狀可以多種多樣，如圓柱形，矩形等；介電常數(shù)的選擇范圍很大，允許設(shè)計(jì)者靈活控制尺寸和帶寬（低介電常數(shù)對(duì)應(yīng)大帶寬，高介電常數(shù)對(duì)應(yīng)小尺寸），通過選擇

16、合適的諧振參數(shù)可以得到很寬的工作帶寬，也可以同時(shí)具有多個(gè)頻帶；介質(zhì)諧振天線很容易激勵(lì)，幾乎所有種類的傳輸線都可以被用來激勵(lì)天線，使得饋源的考慮非常靈活。因此有多種饋電機(jī)制，如同軸探針，微帶耦合縫隙，波導(dǎo)探針，共面線等都可以用來激勵(lì)，通過改變饋電位置可控制輸入阻抗，易于匹配，且其它天線技術(shù)可以很容易地應(yīng)用到；相似天線之間的隔離度很好，且對(duì)附近物體引起的失諧有較好的抵抗能力；體積小又易于集成，適用于在很小的空間內(nèi)設(shè)置多個(gè)天線的情況；對(duì)加工誤差不像微帶天線那樣敏感，特別是在頻率很高的時(shí)候。由于以上優(yōu)點(diǎn)，介質(zhì)諧振天線在無線通信中的應(yīng)用十分廣泛，例如移動(dòng)終端、無線接入點(diǎn)、基站等各種通信設(shè)備和系統(tǒng)，在一些

17、國防部感興趣的戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)中，比如雷達(dá)中也有廣泛應(yīng)用。介質(zhì)諧振天線存在一定設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如分析比較復(fù)雜，諧振頻率的估計(jì)較為困難，精確的解析較難求出；還有工藝加工、制作過程比較復(fù)雜等。對(duì)諧振頻率的估計(jì)有很多方法，比如近似磁壁、開波導(dǎo)、變分法和數(shù)值計(jì)算等等，它們都難以準(zhǔn)確地計(jì)算出諧振頻率。因?yàn)殡姶艌霾皇峭耆`在介質(zhì)內(nèi)部，肯定存在泄漏，這些泄漏造成電磁場受到外界物體的影響。雖然各種計(jì)算方法都做了一定的假設(shè)，但是與現(xiàn)實(shí)環(huán)境肯定存在差異，而且這些假設(shè)存在一定程度的取舍必然會(huì)影響其精確度。此外諧振頻率不僅僅受到諧振器本身的參數(shù)影響，其支撐介質(zhì)的基板、饋電結(jié)果甚至周圍環(huán)境都會(huì)有影響。實(shí)際設(shè)計(jì)中往往是先粗略確定天線

18、的幾何結(jié)構(gòu)，使其諧振在某個(gè)期望的頻率附近，然后通過仿真軟件調(diào)整以及加工后調(diào)整使天線準(zhǔn)確工作在那個(gè)頻段，并達(dá)到設(shè)計(jì)者的要求。饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要需要考慮的是結(jié)構(gòu)自身阻抗是否與輸入端口相匹配，和介質(zhì)諧振器之間是否有足夠的耦合度，以及結(jié)構(gòu)本身是否便于電路連接和自身輻射情況等【。本文研究方案與內(nèi)容安排本論文提出了兩種技術(shù)方案研究毫米波天線陣列，分別為平面輻射槽天線以及介質(zhì)諧振天線。主要應(yīng)用于毫米波無線通信系統(tǒng)。本文著重對(duì)兩類天線單元的圓極化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究與分析，并對(duì)其組成陣列后的圓極化特性以及相控陣掃描特性進(jìn)行討論。在平面輻射槽天線的設(shè)計(jì)中，本文提出了兩種不同輻射槽結(jié)構(gòu)的平面天線，分別為直邊槽平面天線和轉(zhuǎn)

19、角槽平面天線，兩種天線基本結(jié)構(gòu)相同，區(qū)別在于輻射部分分別為直邊矩形槽和型轉(zhuǎn)角槽。在天線設(shè)計(jì)之前，為了抑制平面天線容易激發(fā)的表面波，在輻射槽外圍一周通過金屬接地柱使得介質(zhì)基板上下表面的金屬短路連接，從而截?cái)啾砻娌ǖ膫鬏?。本文主要設(shè)計(jì)平面天線的圓極化特性，在對(duì)兩種形狀的平面輻射槽天線進(jìn)行參數(shù)研究和圓極化實(shí)現(xiàn)討論之后，分別給出一個(gè)較優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，并進(jìn)行對(duì)比，選擇直邊槽平面天線單元進(jìn)行組陣仿真并實(shí)現(xiàn)相控陣，同時(shí)對(duì)直邊槽天線單元和陣列均進(jìn)行實(shí)物加工與測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)，可以滿足圓極化帶寬需求并實(shí)現(xiàn)相控陣士掃描。在介質(zhì)諧振天線陣列的設(shè)計(jì)中，本文提出了兩種不同方式的圓極化組陣形式，分別為通過個(gè)線極化

20、單元不同方向交叉饋電排列成子陣列為陣元組成圓極化陣列，和使用圓極化單元天線組成圓極化陣列。本文對(duì)這兩種方案分別進(jìn)行討論研究，并通過仿真對(duì)比兩種方案的優(yōu)劣。本論文的具體內(nèi)容安排如下：第一章為緒論，首先簡要介紹了毫米波技術(shù)的特點(diǎn)以及毫米波天線的應(yīng)用范圍與實(shí)用價(jià)值，并簡單介紹了毫米波平面天線的優(yōu)勢(shì)與缺陷，以及國內(nèi)外對(duì)平面天線表面波抑制的研究現(xiàn)狀；隨后介紹介質(zhì)諧振天線的優(yōu)點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)，最后提出本論文的研究內(nèi)容與技術(shù)方案。第二章為天線理論基礎(chǔ)，分別簡要介紹平面天線相關(guān)理論包括基本輻射結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)與接地柱的作用，介質(zhì)諧振天線理論及饋電結(jié)構(gòu)，本文涉及到的天線極化方式和天線陣列及相控陣相關(guān)理論。第三章為毫米

21、波平面天線陣列設(shè)計(jì)，在第二章理論的基礎(chǔ)上，選擇兩種不同形狀的輻射槽作為基本輻射單位設(shè)計(jì)天線，對(duì)其分別進(jìn)行參數(shù)研究與圓極化設(shè)計(jì)，選擇較優(yōu)的結(jié)構(gòu)組成天線陣列實(shí)現(xiàn)相控陣，對(duì)該結(jié)構(gòu)天線單元與陣列均進(jìn)行實(shí)物加工與測試。第四章為介質(zhì)諧振天線陣列與單元的設(shè)計(jì)，首先介紹工作原理并給出線極化與圓極化單元的設(shè)計(jì)結(jié)果，隨后提出兩種不同的組成介質(zhì)諧振天線圓極化陣列的方式，對(duì)每一種方式分別進(jìn)行研究與仿真分析，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比討論。第五章為總結(jié)與展望，對(duì)本文研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行概括總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出未來工作可以探索的方向。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)天線理論基礎(chǔ)引言為了對(duì)文中天線的特性和工作方式有初步的認(rèn)識(shí)與了

22、解，也為后面章節(jié)的天線設(shè)計(jì)有更好的理論依據(jù)，本章將重點(diǎn)分析相關(guān)天線基礎(chǔ)理論以及部分設(shè)計(jì)要領(lǐng)，分為如下四個(gè)部分：第一部分為平面天線的基本理論，首先對(duì)天線的基本輻射單元矩形輻射槽進(jìn)行解析，得到天線遠(yuǎn)區(qū)場電磁場矢量在平面和平面的近似解析式，并由此確定輻射槽結(jié)構(gòu)以及數(shù)量，隨后通過對(duì)饋電結(jié)構(gòu)微帶耦合縫隙中電流、磁流的分布進(jìn)行計(jì)算得到解析式，最后對(duì)平面天線中接地柱的作用進(jìn)行介紹，并通過仿真分析確定其阻隔表面波的最佳間距。第二部分為介質(zhì)諧振天線的基本理論，通過對(duì)矩形介質(zhì)諧振器的等效計(jì)算，得到其電場分布以及頻率計(jì)算的原理，隨后介紹了饋源部分同軸探針的阻抗匹配公式。第三部分介紹天線的極化特性，給出了天線線極化和

23、圓極化示意圖，并給出實(shí)現(xiàn)圓極化的三個(gè)必要條件。第四部分介紹天線陣列與相控陣，首先通過引入陣列因子，在單元天線的場分析基礎(chǔ)上得到矩形陣列天線的陣列因子表達(dá)式，并確定陣元之間的間距，隨后通過理論計(jì)算給出相控陣波束指向與陣元相位延遲值的解析關(guān)系。毫米波平面天線與接地柱基本輻射結(jié)構(gòu)平面槽天線相對(duì)于微帶貼片天線帶寬較寬且具有更多的調(diào)節(jié)參數(shù)，天線設(shè)計(jì)更具靈活性，實(shí)際加工時(shí)對(duì)工藝要求更低。平面直邊槽天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，其輻射槽場分布更為明確，本小結(jié)以此為例，簡要解析平面輻射槽天線的工作原理【。首先考慮的是金屬平面上開設(shè)輻射槽的數(shù)量，從一個(gè)輻射槽的情況開始分析，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，輻射槽長為，寬為。浙江大學(xué)碩

24、士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)介質(zhì)基板金德姑肯平面槽圖單輻射槽天線結(jié)構(gòu)示意圖以輻射槽中心為遠(yuǎn)點(diǎn)，矩形槽內(nèi)部形成的電場表達(dá)式為：晦駟和：老摹糍億，輻射槽的遠(yuǎn)場表達(dá)式為：胛一從眥咧刪嘲剛岫批（）籌巾要羔哆絲。矽】（）舭（）其中為真空中的波傳播常數(shù)，（，）鴨歹絲三為面磁流，可用輻射槽電場豆，）表示如下：廚（少，）云（，）×刀三一丘（）當(dāng)輻射槽的寬度遠(yuǎn)小于自由空間波長允。的時(shí)候，輻射槽的橫向電場近似為常量，設(shè)并且，表達(dá)式和可以做如下簡化：百旭孚警渤（）局：?？?。（）丌其中，笪目。痧由此可以推出其方向性函數(shù)：（，）（譬細(xì)?。ǖ任┙z細(xì)臼摯當(dāng)三時(shí)，得到面的方向性函數(shù)：（譬們）蓑?。ǎǎ┊?dāng)口：至?xí)r，得到

25、面的方向性函數(shù)：（，。肼）矽廠（矽）卜痧（）當(dāng)凡，可以得到（）為常數(shù)，即面方向性與目無關(guān)。為了對(duì)輻射槽天線的方向圖有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，圖（）給出了，的輻射槽的方向圖。圖平面直邊槽天線輻射方向圖（）輻射槽數(shù)量為，（）輻射槽數(shù)量為從圖（）以看出，一個(gè)輻射槽構(gòu)成的平面天線，其遠(yuǎn)區(qū)場輻射方向圖在面和面完全不同，而本文希望設(shè)計(jì)的天線需要輻射波瓣均勻，因此我們考慮采用兩條輻射槽，其平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，以兩個(gè)輻射槽的對(duì)稱中心為原點(diǎn)，其間距設(shè)為。圖兩個(gè)輻射槽組成的天線此時(shí)，天線可以等效成為含有兩個(gè)矩形輻射槽為陣元的陣列，天線的遠(yuǎn)區(qū)場量可以由單個(gè)矩形直邊輻射槽的遠(yuǎn)區(qū)場量場強(qiáng)乘以陣列因子。考慮理想情況，假設(shè)兩個(gè)

26、矩形輻射槽中的電場分布完全相同，此時(shí)陣列因子為：彳。了一（。）其中為真空中的波傳播常數(shù)，為兩個(gè)陣列單元之間的相位差，由于兩個(gè)輻射槽位置對(duì)稱，得到相同相位，則當(dāng)兩條輻射槽沿軸分布時(shí)，；當(dāng)它們沿軸分布時(shí)，在本文中，假設(shè)輻射槽沿軸分布時(shí)，在遠(yuǎn)區(qū)場電場矢量與磁場矢量場強(qiáng)的解析表達(dá)式為：驢肛華蔫等驢學(xué)荔半浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)其中：等觚，?！?，：口彩。當(dāng)罷時(shí)，得到面的方向性函數(shù)：朋）么了當(dāng)口至?xí)r，得到面的方向性函數(shù)：刪刊目麗（）（）圖（）給出了兩條輻射槽情況下的方向圖，可以看到面與面的波瓣基本類似，同時(shí)，調(diào)節(jié)兩條矩形輻射槽之間的距離，可以改善輻射波瓣圖的特性，使得平面與平面隨方向角變化均勻，當(dāng)

27、然，在平行方向輻射槽增多的可以使輻射波瓣圖在空間中分布更均勻，但這會(huì)增加天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，本文中考慮以兩條輻射槽作為平面天線的基本輻射單元?？紤]到天線單元的增益、旁瓣抑制比等因素，以及天線組陣時(shí)需要考慮相控陣應(yīng)用，天線單元的大小需控制在半波長見方的區(qū)域內(nèi)，因此兩條輻射槽的距離小于半波長。我們以兩條輻射槽為毫米波平面天線的基本輻射結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)天線更多的特性，我們可以考慮在原有輻射槽基礎(chǔ)上在垂直方向增加輻射槽，在一定的饋電方式下，天線可以實(shí)現(xiàn)雙線極化、圓極化等特性，這使得平面天線的適用范圍更加廣泛。饋電方式本文采用微帶耦合縫隙作為平面天線的饋電方式如圖所示，由于縫隙到兩邊輻射槽的距

28、離一致，這樣天線輻射方向圖呈現(xiàn)對(duì)稱。合縫隙金屬地板饋線基板圖微帶耦合縫隙饋電天線結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于耦合縫隙的電場分布，我們司以等效成電磁流，輻射縫隙的電流只有方向的，得到如下公式：一田（鳩）一（彤）磁（）磁（心）（）；、）；卜。）其中彤（絲）和域，）為耦合縫隙上方磁流和輻射槽電流彤激勵(lì)的磁場，磁（，）和礦（坂）為耦合縫隙下方磁流。和饋線電流形激勵(lì)的磁場，髟（）和髟（一鳩）輻射槽電流彤和磁流鳩對(duì)應(yīng)的電場耦合縫隙兩邊由磁流。和電流，激起的場可以由格林函數(shù)求得。而由饋線電流，；激起的磁場可以通過引入電壓反射系數(shù)得到：磁（，）（），（）其中吃是饋電的場模式，的定義如下：（），），）（）其中。是耦合縫隙的面

29、積將公式帶入公式中通過一個(gè)分段正弦曲線（）模型來擴(kuò)展磁流，以及通過一組模型來擴(kuò)展電流彤，通過矩量法司以得到以、矩陣方程：【】（，。）（）（）】【，】曠】圪（）其中，（，磚）（）藝（哎）霹（磚）戤哆，為行向量（）（，磚）露（）巧（磚）哦吩，是標(biāo)量（）（，磚），（磚）紙晦，是標(biāo)量（）舢兒編（，磚）鬈（）（）劈（磚）戤晦，×矩陣（）乙（，）（）囂（磚）（勺）戤晦，為列向量（）血（，）吃（，）（）解方程得：肚等兩面嚳備麗而（）由此，耦合縫隙可以表示為一組與饋線相關(guān)的阻抗：苦而（）一一二。、通過以上推導(dǎo)【，可以看出微帶耦合縫隙饋電方式可以調(diào)節(jié)的縫隙的長度、寬度以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，還可以通過調(diào)節(jié)微帶

30、線的開路端到耦合縫隙的距離對(duì)阻抗虛部講行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)參數(shù)靈活多樣，使天線工作在最優(yōu)狀態(tài)。接地柱通常微帶天線的介質(zhì)基板容易存在表面波激發(fā)的問題。圖給出形成表面波的示意圖：當(dāng)電磁波在相對(duì)介電常數(shù)大于的介質(zhì)中傳輸時(shí)，從介質(zhì)層入射到空氣中的電磁波的入射角，在介質(zhì)與空氣的交界面上會(huì)產(chǎn)生沿交界面?zhèn)鞑サ拇怪睒O化波，而且這個(gè)波會(huì)被緊密限制在介質(zhì)與空氣層的交界面上，影響主模的傳播，進(jìn)而使得天線的方向圖惡化、帶寬變窄，同時(shí)也會(huì)造成能量損耗使得天線輻射效率降低。這種現(xiàn)象會(huì)隨著頻率的增高越來越明顯，在平面天線中，介質(zhì)厚度越大表面波就會(huì)越容易被激發(fā)，因而介質(zhì)基板厚度通常不超過十分之波長；而為了使天線工作性能良好，介質(zhì)厚度

31、又需要達(dá)到四分之波長為最優(yōu)，這個(gè)矛盾成為影響平面天線發(fā)展的主要因素。表面波抑制圖表面波的產(chǎn)生與消除緣散射接地柱為了抑制表面波，我們考慮在平面天線輻射槽四周的介質(zhì)中垂直放置金屬接地柱的方法，通過接地柱連接平面槽所在的金屬貼片與金屬地板，使兩者短路，從而改變表面波傳播的邊界條件，進(jìn)而截?cái)啾砻娌ǖ膫鞑?，可以達(dá)到消除由表面波的目的以避免其帶來的不利影響。為了確定接地柱的密度，首先進(jìn)行參數(shù)研究。對(duì)于接地柱的研究主要集中驗(yàn)證其是否具有消除表面波的效果以及對(duì)表面波的抑制作用如何。把天線板看成是上下表面為金屬的平行介質(zhì)板，眾所周知，在介質(zhì)板中要傳播水平極化波的條件是上下兩平行板高度差應(yīng)當(dāng)大于。由于天線工作頻段

32、是，可以得到九盯，而介質(zhì)板厚度為，因此介質(zhì)板中不可能傳播水平極化波。而我們所需要做的就是截?cái)嗥浯怪睒O化波，即用垂直于上下表面并與上下表面相連接的金屬接地柱。根據(jù)天線理論【】以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了實(shí)現(xiàn)良好的旁瓣抑制比，天線陣列陣元間距應(yīng)當(dāng)小于。在本論文中研究的天線單元及其陣列均工作在附近的頻段，因此我們以作為天線單元的大小以及陣元間的間距。受實(shí)際加工精度的限制，我們選擇為接地柱中心到平面槽邊緣的最小距離?；谝陨蠀?shù)選擇，我們進(jìn)一步研究接地柱的間距對(duì)抑制表面波激發(fā)的效果的影響。在介質(zhì)板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一端饋入能量另一端接收，介質(zhì)板上表面金屬層不開有輻射縫隙，即能量都在介質(zhì)板內(nèi)傳播。通過改變接地柱之間

33、的距離來觀察接地柱對(duì)能量阻斷效果。利用仿真，得到傳輸系數(shù)和接地柱間距的關(guān)系，如圖所示，傳輸損耗隨著距離的減小而減小，考慮到加工，以及天線外圍尺寸，最終選擇天線周圍每一邊個(gè)接地柱，即接地柱距離為，此時(shí)傳輸損耗接近，可以達(dá)到阻隔效果，能有效控制表面波在天線介質(zhì)板內(nèi)傳播造成的影響。（）圖接地柱間距對(duì)阻隔性能的影響在以上分析下，接地柱有效抑制了平面天線介質(zhì)基板中表面波的傳播，使天線達(dá)到最優(yōu)的輻射特性和較好的帶寬特性。介質(zhì)諧振天線本文采用矩形介質(zhì)諧振器來構(gòu)成介質(zhì)諧振天線。矩形諧振器可以看成的一個(gè)兩端截?cái)嗟木匦尾▽?dǎo)，放置于金屬地面之上，假設(shè)理想情況，地平面無限大，其天線結(jié)構(gòu)如圖所示。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文天

34、線理論基礎(chǔ)矩形諧振圖天線部分模型金屬地板天線中諧振器的場結(jié)構(gòu)以由波導(dǎo)理論推導(dǎo)：月：一拿上（）（七。）。（）（）：蘭二笠。（顫）。（磚）。（恕）（）。，。（）（七。）（吒）（）七：（）（）（）（）一（）（）（）（）其中，屯，屯是沿著，方向的傳播常數(shù)，且：，通過邊界條件云亓，而為法向向量，取詈，川蘭，得到：也：一磚詈再由磚瑤，得到：鐫切（掣）：厄麗（）在對(duì)諧振器諧振頻率的計(jì)算中，由，刀五，可以知道諧振頻率與介質(zhì)諧振腔的邊長存在關(guān)系，對(duì)于頻率公式的具體表達(dá)形式則需要通過經(jīng)驗(yàn)法得到。本文用矩形介質(zhì)諧振器作為天線部分，饋源部分采用同軸饋電的方式，其阻抗值是由同軸材料的介電常數(shù)以及其內(nèi)徑和外徑?jīng)Q定的：浙江

35、大學(xué)碩士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)厝鋤辱億，式中肼，為填充介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，為外導(dǎo)體內(nèi)半徑，為內(nèi)導(dǎo)體外半徑。天線圓極化極化被用來表示電磁波運(yùn)動(dòng)的空間特性，波的極化可以用電磁矢量末端點(diǎn)在與波矢處置的平面內(nèi)的投影隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)變化軌跡來描述，如果這個(gè)運(yùn)動(dòng)變化軌跡是一條直線，則極化方式為線極化，如圖（）所示；如果其運(yùn)動(dòng)變化軌跡呈一個(gè)圓形，則極化方式為圓極化，如圖（）所示，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通常使用圓極化來提高抗干擾能力，抑制多徑效應(yīng)。一個(gè)時(shí)諧電磁波要實(shí)現(xiàn)圓極化需要滿足三個(gè)條件【】：場可以分解為兩個(gè)正交分量；這兩個(gè)場分量幅度相等；這兩個(gè)場分量相位相差。圖波的極化浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)天線

36、陣列及相控陣天線陣列將若干個(gè)輻射單元按一定方式排列所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為天線陣列【¨。構(gòu)成陣列的輻射單位要稱之為陣元。在對(duì)于天線增益要求不是很高，輻射方向性不是很強(qiáng)的場合，單個(gè)平面天線可以滿足需求，但是在更高增益、更強(qiáng)輻射方向性的應(yīng)用需求下，我們則需要利用天線陣列。以平面直邊槽天線為例，我們用天線單元的遠(yuǎn)區(qū)場量解析表達(dá)式乘以陣列因子的值來表達(dá)平面直邊槽天線陣列的遠(yuǎn)區(qū)場量解析表達(dá)式。設(shè)定天線單元中的兩個(gè)平面輻射槽沿軸分布，直邊槽天線陣列為×的矩形陣列，則陣列的遠(yuǎn)區(qū)場量解析表達(dá)式為：學(xué)赫半。：彳白秒矽！堅(jiān)（）妒（）（要）、西其中為遠(yuǎn)區(qū)場到陣列中心的距離，并且：墮口彩：，、口矽，

37、15;陣列因子與天線陣列的排列方式，天線單元之間的相對(duì)位置以及饋源的激勵(lì)方式有關(guān)系，與天線單元的遠(yuǎn)區(qū)場電磁場量無關(guān)。本文中，天線陣列采用方陣布局，即兩兩相鄰天線之間的間距相等，構(gòu)成天線陣列。在理論分析中，我們假定每個(gè)天線單元是由同幅度同相位的饋源激勵(lì)的，此時(shí)得到的陣列因子表達(dá)式為：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)其中：×：（卜）虬，（卜）竹（）一一、噦翮矽申由于我們的天線陣列設(shè)計(jì)最終要實(shí)現(xiàn)相控陣，在平面天線陣列的相控陣應(yīng)用中，為了避免掃描柵瓣的出現(xiàn)，使旁瓣抑制較好，陣列單元的間距必須控制在半波長以內(nèi)，而為了抑制陣元間的互耦，陣元間距離不宜過小。在本論文中，由于每個(gè)天線單元輻射槽的周圍

38、介質(zhì)中均勻垂直放置接地短路柱，有效抑制了表面波，同時(shí)消除了由于表面波傳輸帶來的陣列間互耦，使得平面天線尺寸和間距都能限制在半波長的范圍。因此，在天線設(shè)計(jì)中利用接地柱作為陣元外邊界，使得陣元間距設(shè)定為半工作波長，既能抑制耦合同時(shí)也保證了良好的旁瓣抑制水平。將代入式，得到矩形平面天線陣列的歸一化陣列因子為：（胛忑圣寫。磊龜（，痧、，冗零、。胛）”相控陣天線通過以上分析可以看出，改變天線陣列各陣元間的距離或者改變陣元激勵(lì)電流的相位差可以改變天線的輻射方向圖。在通常情況下，天線陣列形成后，其陣元之間的距離就固定了，而陣元的饋電電流的相位可以通過控制電路來改變，這種通過控制陣列天線各陣元激勵(lì)電流的相位從

39、而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射方向圖的控制的方式，稱為相控陣。陣元間相位差和陣列掃描時(shí)波束指向的關(guān)系可以由以下計(jì)算得到：假設(shè)平面相控陣天線陣列中第個(gè)天線單元的場強(qiáng)方向圖為彳（咖功，相控陣掃描的目標(biāo)方向的方位角度與仰角分別是矽和，可以得到天線陣列在掃描方向的遠(yuǎn)區(qū)場為：剛：藝刪，）小噍罕（）（矽，臼）（，吖等（浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文天線理論基礎(chǔ)其中，九是第個(gè)天線單元的相位加權(quán)系數(shù)，尼是第個(gè)天線單元到目標(biāo)點(diǎn)的距離：足一越（）為坐標(biāo)原點(diǎn)即相位參考點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，是坐標(biāo)原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離和天線單元到目標(biāo)點(diǎn)的距離之差。由于遠(yuǎn)大于，越，式可以表示為：（，臼）：，（矽，）（丁挑一鴨（）通過式以看出，改變天線單元的相位加權(quán)系數(shù)就

40、司以改變相控陣天線的波束指向。三叉秒妒歹盯（）越，（）諺：孕越（）在式中，當(dāng)，大于時(shí)，相移值是諺減掉萬整數(shù)倍后的值。由此，各個(gè)天線單元之間相移可以由期望的波束指向（九，銘）得到：九百（。以。丸咒。吼九乙以）（）小結(jié)本章主要介紹了本論文中涉及的相關(guān)概念與理論知識(shí)：首先，介紹毫米波平面天線并確定其基本輻射結(jié)構(gòu)，介紹微帶耦合縫隙的饋電方式，并引入接地柱，利用其抑制表面波的特性仿真確定其排列密度；隨后，介紹介質(zhì)諧振天線的相關(guān)理論與場分布，選擇并介紹同軸探針為其饋電方式；之后，介紹了兩種主要的天線極化方式，即線極化與圓極化；最后，通過陣列因子的引入介紹天線陣列，并通過計(jì)算得到相控陣波束指向與天線單元相位

41、差的關(guān)系。這些內(nèi)容為后文的天線設(shè)計(jì)與分析提供了理論依據(jù)。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文毫米波平面天線陣列及單元設(shè)計(jì)毫米波平面天線陣列及單元設(shè)計(jì)引言為了實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的性能要求，首先對(duì)其陣元的特性單獨(dú)進(jìn)行研究。描述天線特性的主要參數(shù)有增益與方向性、極化特性、頻帶寬度、輸入阻抗等。在本章中，我們?cè)谏弦徽鹿?jié)理論分析的基礎(chǔ)上建立平面直邊槽天線模型和平面轉(zhuǎn)角槽天線模型，并通過三維電磁仿真軟件對(duì)這兩種天線模型分別進(jìn)行仿真與分析，研究不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能、特別是圓極化特性的影響，并最終確定可以工作在特定頻段的具有一定圓極化帶寬的毫米波平面天線模型的具體結(jié)構(gòu)和尺寸，并進(jìn)行實(shí)物加工與測試，進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)天線的實(shí)

42、際性能。在完成單元的設(shè)計(jì)之后，再對(duì)天線單元進(jìn)行組陣，對(duì)陣列特性仿真優(yōu)化并進(jìn)行相控陣掃描，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)物加工與測試，驗(yàn)證陣列天線的實(shí)際性能。在本章中基于毫米波平面輻射槽天線陣列的應(yīng)用研究時(shí)，主要需要考慮以下因素：（）圓極化帶寬，（）天線增益，（）天線幾何尺寸，（）輻射方向圖等。結(jié)合以上幾個(gè)方面的考慮，本章所述的多種毫米波天線陣列的目標(biāo)期望達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有：圓極化中心頻率：圓極化帶寬：單元增益：陣列增益：實(shí)現(xiàn)相控陣毫米波平面直邊槽天線單元設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)平面天線具有實(shí)現(xiàn)簡單、加工精度低、易于陣列化、與平面集成工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于普通微帶貼片天線而言，除了能有效抑制表面波以外，天線帶寬也較貼片天線更寬。同時(shí)這種平面輻射槽