圓極化微帶天線和理論與實(shí)驗(yàn).pdf

l 7月 前l(fā) O 鞋射 4期 通信學(xué)報(bào) J0U RN A 0 F CH I N A 1 N S TI TU TE O F CO M M UN I CA TI ON S V 1 0 N o 4 J ul y 1 9 8 9 圓極 化 微 帶 天 線 的 理 論 與 實(shí) 驗(yàn) 羅遠(yuǎn)祉 陽建 平 鐘 順時 E 提要 木 文基 于空艙 模型給 m圓 艇 r 匕 魁 天線 曲一種簡 啊 理論 導(dǎo)出 了對矩形 單元 曲設(shè) 計(jì)公式 井怍了宴 驗(yàn) 驗(yàn) 證 已證 哪 讀理 論對厚 至 0 0 8 質(zhì) r 砬長 灼毖片 仍是適 用的 同時 撙 出了 圓桎 化 帶寬 與基 片厚霞 的芏 系式 已表明 若 基片厚 瘦約 為 8 可獲 樨 3 的回檻化 搬充 The or y a nd Ex pe r i m e nt on Ci r c ul a r l y Pol a r i z e d M i c r o s t r i p A nt e nna s Y uen T L o B Engs t and Zhong Shuns hi A bs t r ac t Ba s e d OR t he c a vi t Y ro o d c I 4 s i P t h y f ot c i r c ul ar t y Po t a t l z e d ta l c f os t r l p a r t t e nna s a n c l d e s i g n f o r m t fla s f o r t he e ct a ng ul a pa t che s a r e pl c s 2 nt c d wl t h ex p e fi m e nt a l v c r l f i c a t l o r t I t i s s hown t h t t t hi s l h c o r v s s t i i a p 1 I ca b e f ot S ub s a t e a s t hi c k as 0 J 8j dl c i e e t r i c wa ve l e c t g l h Th c r e 1 a t i on s hl P b e t w t h C P ba H d i 5 t h CP B V a n d t 0 t h c k 1 s s o f s u b s t r a t e i s s i r e n I t L 5 s h t h a a CP BW o f 3 c an b e o h a i ne d I t h e s ub n a a hJut 8 0 f t It i c k 一 引 言 微 天線能被設(shè)計(jì) 來完成許多功 能 其 中之一就是 單片微啦 天線能 設(shè)計(jì)得輻射任意極 化的電磁波 特別 是 它 無需任何 和移 網(wǎng)絡(luò)和功率分配 器就可 實(shí)現(xiàn) 圓極 化輻 射 在 I 9 7 9 年作者之一 和同事捫就 已報(bào) 導(dǎo) 了對這婁天 線的一 個簡單但精 確的理論 并給 出了一些 實(shí)驗(yàn)?zāi)?型 然而 這些筷型 的閭極 化帶寬 軸 I 七 AR小于某給定 值 例 如 3 d B的頻惜 是 很窄 的 舉 飼米 說 一 個準(zhǔn) 方形的微帶貼 片 采 用厚度 1 6mm 的 Re x o l i t e 2 2 0 0材 料 工作 于 8 0 0 MHz時 的畫極 化帶寬 只有 0 3 左右 這些 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛?多是沿貼片對 角線方向饋 電的 而實(shí)際上 幾乎有無 限多的可能 的設(shè) 計(jì)而且可有 不同的饋 電位置 本 文的 目的就是 進(jìn) 一步 闡述圓極化微帶 無線 的理論 紿出確 定饋 電位置和 工作 額率 的方法 其次 研究展寬圓極化 頻帶 的有效方 法及其實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證 理 論 根據(jù)空 腔模型理論 微帶貼片與按 地板之間 的 向電場 見 圖 1 呵 用模 函數(shù) 的展 開 式來表示 Yu e n T Lo B En g s t I美 國伊剝 話斯大 學(xué) Un i v e r s i t y o f I l l i n o i s n t Ur b a n a Ch a mp a i g n I L 6 8 0 1 US A 鐘順時 t西安電子科掛大平 Xi d i a r t U r t i v e r s i t y X i a r t 副救接 l 9 B 0 年 皿干 I E 電1 R工 程 7 S 1 8 0 年至 1 9 8 2 年任薹日華盛嘲大學(xué)科 和詣 大學(xué)訪問學(xué)者 后期受聘 研究順 現(xiàn)從事l 點(diǎn) 場 與強(qiáng) 泣誼 業(yè)數(shù)學(xué)與科研工作 維普資訊 她d璇 岫極化槽帶無線昀理論與實(shí)驗(yàn) E 一 1 一ij k o to 毪 d 8 一 2 這里 c 為諧振模 的統(tǒng) 一序號 設(shè)按 諧振頻率高低 為序 為 向由空 酬波 數(shù) m為 自由空 間波 阻抗 為第 m模 的諧 振波數(shù) J 是 z向澈勛 電流 是饋 也位 置 y 的函數(shù) o l 1 一 6 l 1 一 d 2 3 或 一 J 矗 4 一 5 一 e 2 一 2 0 6 式中 為基片 的相對介 電常 數(shù) d 為等 效損耗 角正 切 0為天 線 品質(zhì) 因數(shù) 它可 由計(jì)算 或?yàn)R試得 出 天線 在遠(yuǎn)區(qū) 0 處 的輻 刳場為 雷 鳧 是 7 2 R e 盎 n 時d l 8 式 中 是貼片屬邊 c的外法線 單位 矢量 是 向單位矢 量 當(dāng)激勵 頻率在某 m摸諧振頻率 附近時 該模 比所有 其 泡校都 明顯地強(qiáng)得多 對薄 微 天線 尤其 l 此 夸 設(shè)該 模在 軸 片向 日 一 0 的運(yùn) 區(qū)輻 射場螽 X向 利用 式 1 2 7 8 它 可表 為 E 一G Y 9 此時若 與 接近 面 f j則 m十 1模 可能 同樣地被 激勵 而 其極化 與 z 正 交 即 有 一 o j G l 一 1 1 O 則此 正交極 化的比值為 一 簪 篙 魯一 A 導(dǎo) E G 壬 鳧 一 1 髓 l 式 中 G y G y 1 n 1 2 于 是得輻 剩圓極化 波的激勵條件為 A 一 一 J 1 3 J 這 時彳 一 j 號和 一 號分 別對 應(yīng)于左娩 撤 化避 L HcP 和右 旋圓極 化波 R HC P 下面 以矩形貼片 為例 研 究 如何應(yīng)用 式 1 3 束確定 輻射圊赦化漩 曲債電位置和 工作 頻 率 取 對 向的 TM 模 和 T M 模作為 兩個主幞 設(shè)貼 片有效尺 寸為 口 近于 方形 即 0 2 k l Q 有二解 2 若 o k l 2 k 有一解 3 若 o 一 0 0 0 5 2 5 前 面已提到 圓極化措 寬與天線 O值 的理論 關(guān)系是 CP B W O o 近 似等 于 3 5 0 這與 實(shí)測 結(jié) 果 的比較示 1 圈 g巾 可見 二者吻臺得 出人意料地 好 還有一 個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?3 貼 片尺寸為 0 g 4 6 c m 6 0 9 1 1 c i l 1 江 0 0 8 C I T I 0 2 O 沿 對角線 電 為 缸 0 D艟線 微女 地 配 饋 點(diǎn) 標(biāo)選為 0 2 1 e m Y 一 0 2 0 c m 在 1 0 Z 2 GEz上鍘 得二主商方 向譬如圖 1 0所承 可 見 在覓角域上都 有極 好的軸 比 囝l o 5 c 為在兩 個端 頦 1 0 3 0 5 GHz 和 1 O 1 6 GH 測 得 主西方 向霉 網(wǎng)極 化帶 寬約 1 4 4 因此比 1 貼片情況 要窄 些 這大概可 視為是 E 我們 盼實(shí)驗(yàn)誤 差范 圍之 內(nèi) 對不同基片厚度的宴剮固極他帶寬 表 2 CP BW C I I f GHz f c m t i t 0 D 1 6 C 5 9 翩踮 O 0 0 31 C 0 05 1 1 3 0 0 3 5 0 3 2 O 5 9 50 8 5 0 0 O 6 3 0 01 0 8 5 0 5 O 3 2 1 2 O 2 5 O O 日 O l2 B 0 C2 1 5 O O 8 4 o O 8 l0 27 2 9 2 0 0 27 i 0 2 1 5 D 1 S 9 4 3 D 8 0 O 5 2 0 0 8 8 3 3 測 試值 莖在 儀器 準(zhǔn)確 度內(nèi) 維普資訊 j 遺 倍 擎 l l 9 8 9 暈 目8 皿 投億帶寬 與以 波 k計(jì)的鎣 片厚度 的關(guān) 幕 圖 9 圓極 化帶 竟 與錯帶 無線 0值的 關(guān)系 七 1 1 f I l I l f i c l 翳 醒盥 卿f 1 0 6 c f 0 I G H 圖 1 0 3 天 線的 安鍘方向 圖 五 結(jié) 論 盡 管 我們 的圓極 化擻帶 天線理論 是基于對薄微 帶天線有效 的空 腔模型 但 率研 究表 明 它對 厚至 O 0 8 4 的基 片仍 然適用 式 z o 2 1 可 作為設(shè)計(jì)矩形圓極化單元 的有效公式 微帶天 線的圓極化帶 寬近似 與其 a值成反 比 因而可 由增大基 片厚度及降低基 片相對介 電常 數(shù) 來展寬 若基 片厚度 約為 的 8 可獲 得 3 的圓極化帶 寬 這 時天線 a值為 8 故 其輻射效 率仍是高 的 另有一些設(shè) 計(jì)方法 如對 方形 貼片適 當(dāng)切角或開槽 也可 得圓極化 還 可采用橢 圓形 五邊形貼片等 再者 如 同時在左右兩個 角璇饋 電 使 同時輻射左旋和右旋 圓極 藝 雖 天 線 增益可能降y fi o 但 由于 大減 圓極化帶寬 可以增大約 l O倍 多 本文研究 只限于由 單一饋 點(diǎn)對 單片微帶 天線 饋 電的圓極 化微帶天線 它 不需 要 壬何 附加 的 袒移圊絡(luò)和 功率分配器 也已發(fā)展 了利 用雙或 四饋 電點(diǎn)和 刺用雙 或多個線極化 單 琵的組合 等 方法 這 些結(jié)構(gòu)都可 能展寬 圜極化帶 寬 然而它們 的特性不只取 決于天線 片 本 而且 在很 大程度上 與 其饋電網(wǎng)絡(luò)有關(guān) 維普資訊 第 4 j 尊 I 圓楹億撖帶來線的理論與實(shí)驗(yàn) 2 r 參考文獻(xiàn) I H D W e i n s e h c 1 A C y l i n d r i c a l AH y o f Ci r c u l a r l y Po l a r i z e d M i c r o s t r l p An t e n n a s I EEE AP S I n t r na t i on al Sy m po s i um D i ge s t PP 1 75 1 8 3 J une i g7 5 U z ba n a I L 2 J L Ke r r M i c r o s t r i p P o l a r i z a t i o n T e c h n i q u e s P l o c o f t h e 1 9 7 8 An t e n n a Ap P t l c 1 o 5 S y r t l p o s j u m a t A l l e r t oa PaT k Uni vc r s l t y of I H i noi s U r ba ua I L 3 Y T Lo W F Ri c h a r d s a n d D D Ha r r i s o n An h np r o v c d Th e o r v f o r M i c r s Hi 口 An l a s a d A p pl i c at i on s Pzr t 1 l nt e i i m R e po r t RA D C TR 一 79 3 1 1 M a y 1 97 9 8 1 W F ric haI d s Y T L0 a nd D D Ha r r i s on A n h a p r o ve d t h e o r y f o r M i c r o s t r i p A nt c n l a s aI1 d A p pI i ca t i on s I EEE T r ans A P 29 pp 3 8 4 6 J a n l 9 8 I 4 w F Ri c ha r d s Y T Lo a u d P S i mo a D e s i g n a a d Th e o r y o f c I c u a r I P 1 a r j z d M i c f s c r i D a t e i l ll t s I E EE A P S I n t e r na t i on al S ym po s L um D i g e s t PP 11 7 1 2 0 J anc 1 97 9 5 Y T L o a n d V F R i c ha r d s A P e r t u r b a t i o n Ap p r o a c h c o t he De z i g n r Ci r c u a r P o l a r i z c d M i c f 0 一 s t r p A n t e nna s I EEE A P S I n e r na t i oha l g ym p os i um PP 3 3 9 3 4 2 Jun e l 9 M 6 Y T Lo e t al t St udy of M cr os t r i p A t e aaa El g meu t s A r r ay s Fe e gs Lo5 5 c 3 a nd A p pl i c a t i o ns Fi n al Te c hni c a I R e p o r t RA D C TR 81 9 8 J u L 1 e l 9 9 1 7 鐘靦時 微帶無鼓拄術(shù)練連 通信學(xué)報(bào) 第8 卷第4 期 第 t 0 一 8 頁 1 9 8 7 8 Y T Lo a n d H F W a n g M i c i o s t r i p An t e n n a s f o r g f u ki p l e Fu r t t i n Pr 0c I S A E 8 5 Chi n a P p 1 9 9 1 9 4 A u g 1 9 85 1 9 8 7 年9 月2 9 日收到 全 球 衛(wèi) 星 通 信 會 議 將 在 我 國 召 開 為促 進(jìn)衛(wèi)星 通估事 業(yè)的 發(fā)展 p圍誦信 學(xué)臺 將 與 I EE E COm S OC及 I NTE LS A1 聯(lián)舟于 9 9 9年 g月在南 京召 丌壘 球衛(wèi) 星通 術(shù) 會議 窖談 虬挑 單位 南京航 空學(xué)院 南京 郵電學(xué)院 江 蘇省科 協(xié) 太 擊土席 李玉童 1 國通信學(xué) 會理事 眭 D T Tu d g e兜 I N E LS A f 總 拙 剮 主席 朱剖英 教授 南 京航空 學(xué)院 王 洪琺 教授 南 京郵 電學(xué)院 Dr C J W a y l a n GTE空詞 網(wǎng)絡(luò)部 主任 國際 頓向蠶 鼠含囊 替主 席 t楊毒 芳 中國郵 電揶部 長 國際學(xué)術(shù)委員盒主席 Dr P i e r r e J Ma d o n I NT E L S AT 組織委員會 張孝強(qiáng)教授 南京郵電學(xué)院 許棠教授 南京航空學(xué)院 Dr w W Wu I N F E L S A T I EEE COM S OC 史P r o f R L Pi c k b o l z Dr W e n J u i Dr T o na u O a k e Df W W Wu 太 盤船書 處 負(fù)責(zé) 莊 救生 牧投 南 市郵 電畢眈 l 話 0 2 g g 3 5 5 6 1 9 3 0 電