天線與電波傳播理論論文

1、天線與電波傳播理論論文關(guān)于微帶天線姓名：何探學(xué)號(hào)：3090731126班級(jí)：通信09-1班指導(dǎo)教師：劉月紅隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來個(gè)人通信主要手段的無線移動(dòng)通信技術(shù)己引起了人們的極大關(guān)注，在整個(gè)無線通訊系統(tǒng)中，天線是將射頻信號(hào)轉(zhuǎn) 化為無線信號(hào)的關(guān)鍵器件，其性能的優(yōu)良對(duì)無線通信工程的成敗起到重要作用。 快速發(fā)展的移動(dòng)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(jìn)步，在移動(dòng)終端中采用內(nèi)置微帶天線，不但可以減小天線對(duì) 于人體的輻射，還可使手機(jī)的外形設(shè)計(jì)多樣化，因此內(nèi)置微帶天線將是未來手 機(jī)天

2、線技術(shù)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(yīng)用的一個(gè)瓶頸，因此設(shè)計(jì)出具有寬頻帶小型化的微 帶天線不但具有一定的理論價(jià)值而且具有重要的應(yīng)用價(jià)值，這也成為當(dāng)前國(guó)際 天線界研究的熱點(diǎn)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(duì)此只有一些零星的研究。 直到1972年，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對(duì)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(shí)用的微帶 天線。隨之，國(guó)際上展開了對(duì)微帶天線的廣泛研究和應(yīng)用。1979年在美國(guó)新墨西哥州大學(xué)舉行了微帶天線的專題目際會(huì)議，1981年IEEE天線與傳播會(huì)刊在1 月號(hào)上刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領(lǐng)域中的一個(gè)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。可見，70年代是微 帶天線取得突破性進(jìn)展的時(shí)期；在 80年代中，微帶天線無論在理論與應(yīng)用的深 度上和廣度上都獲得了進(jìn)一步的發(fā)展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應(yīng) 用正在與日俱增。二微帶天線的結(jié)構(gòu)與種類微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼導(dǎo)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(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁 場(chǎng)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(d)微帶縫隙天線通常介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比是很小的，因而它實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線的一類。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許多手機(jī)天線都是采用曲折 線型的微帶天線實(shí)現(xiàn)了手機(jī)天線的小型化。導(dǎo)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(zhǎng)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?yàn)檠鼐€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(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或 其它饋線（如帶狀線）對(duì)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(gòu)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因而天線剖面很低（天線?。?，有利于共形設(shè)計(jì)保證優(yōu)良的空氣動(dòng)力特性。圖1所示的長(zhǎng)為L(zhǎng),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(gè)輻射

6、縫組成。低特性阻抗的傳輸線是由 微帶饋線擴(kuò)展其寬度 W1為W2而成，其長(zhǎng)度L為半個(gè)微帶波長(zhǎng)，即 入g/2在 低阻傳輸線兩端形成兩個(gè)縫隙（a-a, b-b），那里的電場(chǎng)分解為兩個(gè)分量，其中 En 與接地板垂直；另一個(gè)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(yàn)表明，電場(chǎng)的水平分量在輻射源的兩個(gè)端部，各向外 延伸一個(gè)介質(zhì)板厚度h的長(zhǎng)度內(nèi)存在。這樣就可近似認(rèn)為微帶天線元的輻射等 于兩個(gè)長(zhǎng)度為W2，寬度為h,間距為L(zhǎng)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(chǎng) Ey的激勵(lì)。E

7、y沿裂縫是均勻分布的(即沿x均 勻分布)。裂縫的激勵(lì)場(chǎng)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)。考慮接地板的反射影響，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(yīng)的磁流Im可寫為 于是裂 縫的輻射就等效為磁流強(qiáng)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(diǎn)與應(yīng)用與普通微波天線相比，微帶天線有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 體積小，重量經(jīng)；(2) 平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等表面相共形的結(jié)構(gòu)；(3) 饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起集成，適合于用印刷電路技術(shù)進(jìn)行大批量生產(chǎn)；(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(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作；(6) 沒有作大的變動(dòng)，天線既能很容易地裝在導(dǎo)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(shè)計(jì)(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(diào)制器、開關(guān)等可以直接加到天線基片上）;（10）饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)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(diǎn)：1）頻帶窄；2）有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，并且會(huì)激勵(lì)表面波，導(dǎo)致輻射效率降低；3）功率容量較小，適用于中、小功率場(chǎng)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(diǎn)。例如，采用一些寬頻帶技 術(shù)可以有效地展寬頻帶；在設(shè)計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)。甚至在仍被認(rèn)為是 微帶天線發(fā)展幼年時(shí)期的80年代時(shí)，微帶天線已有多種成功的應(yīng)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(yù)料，對(duì)于大多數(shù)的應(yīng) 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(yīng)用微帶天線的有：衛(wèi)星通訊；多普勒及其它雷達(dá)，無線電測(cè)高計(jì)，指揮和控制系統(tǒng)導(dǎo)彈遙測(cè)；武器信管；便攜裝置;環(huán)境檢測(cè)儀表；復(fù)雜天線中的饋電單元;衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線;生物醫(yī)學(xué)輻射器

10、；相信隨著對(duì)微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識(shí)的提高，以及各種電路系統(tǒng)對(duì)天線的 小型化集成化要求的提高，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯，其應(yīng)用場(chǎng)合將會(huì)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(jì)算輻射場(chǎng)，包括傳輸 線模型、腔體模型、多端網(wǎng)絡(luò)模型等。而第二類方法基于貼片和地板上的電流 分布來計(jì)算輻射場(chǎng)，包括矩量法、有限元法和時(shí)域有限差分法等。1解析方法天線問題的嚴(yán)格分析是一個(gè)電磁場(chǎng)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(yán)格分析將是非常復(fù)雜的，而通常根據(jù) 微帶天線的實(shí)際特征做某些方面

11、的假設(shè)和近似進(jìn)而得出分析模型則不失為一種 簡(jiǎn)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(jiǎn)單實(shí)用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應(yīng)用a. 傳輸線模型傳輸線模型很簡(jiǎn)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(chǎng)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(gè)傳輸線諧振器。天線的輻射主要源自兩 個(gè)開路終端的邊緣場(chǎng)，因此微帶天線被等效為兩個(gè)相距貼片長(zhǎng)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(jì)算出天線的遠(yuǎn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)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(chǎng)的變化。b. 腔體模型如果說傳輸線模型因?yàn)橛袌?chǎng)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?yàn)榍惑w模型基于一維 電小的基本假設(shè)（即介質(zhì)基片的厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)），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(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)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(luò)模型多端網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)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(gè)具有多個(gè)

13、端口分布在貼片四周的二維平面網(wǎng)絡(luò)。通過二維格林函數(shù)可以 計(jì)算出該網(wǎng)絡(luò)的多端阻抗矩陣，再添加一個(gè)等效的邊緣導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，便可以將邊 緣場(chǎng)和輻射場(chǎng)聯(lián)系起來，然后利用分割方法計(jì)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(jì)算出輻射場(chǎng)。利用等高線積分技術(shù)可以使其在不規(guī)則形狀的貼片天線中獲得應(yīng)用 2數(shù)值方法雖然以上介紹的解析方法具有簡(jiǎn)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(shí)微帶天線工程精確度的提高也對(duì)以上簡(jiǎn) 化模型分析方法提出了考驗(yàn)。然而計(jì)算機(jī)技術(shù)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(chǎng)邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化 為利

14、用計(jì)算機(jī)來求解矩陣代數(shù)方程。由此也產(chǎn)生了多種數(shù)值方法，它們各具有 一些優(yōu)缺點(diǎn)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(guān)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(zhuǎn)化為矩陣 方程，利用計(jì)算機(jī)便可得出近似解。矩量法因?yàn)榭紤]了貼片周圍的物理邊界的 邊緣場(chǎng)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(gè)連續(xù)求解區(qū)域劃分為很多小的離散單元（如在二維結(jié)構(gòu)中選取三角形單元，在三維結(jié)構(gòu)中選取四面體單元等），在子域中將未知函數(shù)（如電磁場(chǎng)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(gè)關(guān)于未

15、知函數(shù)展開系數(shù)的矩陣方程，利用計(jì)算 機(jī)便可方便求解該代數(shù)方程。有限元法因?yàn)殡x散單元選擇的靈活性而具有模擬 任意形狀的優(yōu)點(diǎn)，但是其求解精度要受求解區(qū)域剖分精細(xì)程度的影響。c. 時(shí)域有限差分法時(shí)域有限差分法的基本思想是把求解空間進(jìn)行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場(chǎng)量進(jìn)行時(shí)間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于 電磁場(chǎng)量的時(shí)域差分方程。選取合適的場(chǎng)初值（或激勵(lì)源）和計(jì)算空間的邊界 條件，便可以得到包括時(shí)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(shí)域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是其離散比較簡(jiǎn) 單（空間網(wǎng)格大小一致、時(shí)間步長(zhǎng)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(nèi)特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的 限制。結(jié)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(diǎn)，因而自其誕生以來就得到社 會(huì)各界的廣泛研究與應(yīng)用。但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線，相對(duì)帶 寬較窄。同時(shí)，隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，寬帶的應(yīng)用越來越受到重視，新的標(biāo)準(zhǔn) 相繼提出，通訊產(chǎn)品越來越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的 重要因素，因此天線的小型化成為天線設(shè)計(jì)的又一研究熱點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)出同時(shí) 具有小型化、多頻帶以及寬頻帶的微帶天線，是當(dāng)前微帶天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重 點(diǎn)。二十一世紀(jì)是個(gè)人通信的

17、時(shí)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(yīng)用前景。研制出實(shí)用的小型化、 寬頻帶天線是一項(xiàng)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(huì)更加艱巨也將更有實(shí)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(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之 臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)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(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)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(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，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(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在 時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長(zhǎng)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(jì)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(dá)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(dāng)世之事