微帶天線頂級(jí)教程

微帶天線§6.1縫隙天線縫隙天線：開(kāi)在波導(dǎo)或諧振腔上縫隙，用以輻射或接收電磁波。6.1.1理想縫隙天線理想縫隙天線：開(kāi)在無(wú)限大、無(wú)限薄的理想導(dǎo)體平面上的直線縫隙，用同軸傳輸線激勵(lì)。假設(shè)位于假設(shè)位于yoz平面上的無(wú)限大理想導(dǎo)體平面上開(kāi)有寬度為（）、長(zhǎng)度2/2l的縫隙?？p隙被激勵(lì)后，只存在垂直于長(zhǎng)邊的切向電場(chǎng)，并對(duì)縫隙的中點(diǎn)呈對(duì)稱駐波分布，其表達(dá)示為：EzEsinklze?myE---縫隙中間波腹處的場(chǎng)強(qiáng)值。m縫隙相當(dāng)于一個(gè)磁流源，由電場(chǎng)分布可得到等效磁流密度為：Esinklze?,x0Jmn?Ez0mmklzez?z,x0Esin等效磁流強(qiáng)度為：mlEdl22EEmmsinsinkkllzz,,xx00I也就是說(shuō)，縫隙可等效成沿Z軸放置的、與縫隙等長(zhǎng)的線狀磁對(duì)稱陣子。根據(jù)對(duì)偶原理，磁對(duì)稱陣子的輻射場(chǎng)可由電對(duì)稱陣子的輻射場(chǎng)對(duì)偶得出。對(duì)于電對(duì)稱陣子，電流分布為：I(z)Isink(lz)輻射場(chǎng)表達(dá)式：60Iejkrcos(klcos)cos(kl)Ej r sinIejkrcosklcoscosklHj 2r sin由此得到x0半空間，磁對(duì)稱陣子的輻射場(chǎng)為：Eejkrcosklcoscoskl Emjm r sinEejkrcosklcoscoskl Hmjm rsin在x0的半空間，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的符號(hào)與上式相反。理想縫隙與電對(duì)稱陣子：理想縫隙與電對(duì)稱陣子為互補(bǔ)天線；方向性相同，其方向函數(shù)為：fcosklcossincoskl場(chǎng)的極化不同，H面、E面互換，理想縫隙E面無(wú)方向性，對(duì)稱陣子H面無(wú)方向性；二者輻射阻抗、輸入阻抗乘積為常數(shù)，即：輻射電阻RR(60)2rmre輻射阻抗ZZ(60)2 rm re輸入阻抗ZZ(60)2任線的輸入阻抗、輻射阻抗均可由與其互補(bǔ)的電對(duì)稱陣子的相應(yīng)值求得。例如，半波對(duì)稱陣子的輻射阻抗為R73.1，理想半波縫隙天線re的輻射電阻應(yīng)為：R(60)2500rm 73.1由于諧振電對(duì)稱陣子的輸入阻抗為純阻，因此諧振縫隙的輸入阻抗也為純阻，并且其諧振長(zhǎng)度同樣稍短于2，且縫隙越寬，縮短程度越大。6.1.2縫隙天線最基本的縫隙天線是開(kāi)在矩形波導(dǎo)臂上的半波諧振縫隙，如下圖所示。波導(dǎo)壁電流分布波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)闹髂門(mén)E模，波導(dǎo)壁上有橫向和縱向中心處為零；縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大。波導(dǎo)窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布。波導(dǎo)縫隙輻射縫隙：縫隙切斷電流線，中斷的電流線以位移電流的形式延續(xù)，縫隙因此受到激勵(lì)，波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓β释ㄟ^(guò)縫隙向外輻射，見(jiàn)圖中的a,b,c,d,e。非輻射縫隙：縫隙與電流線平行，不能激勵(lì)電場(chǎng)，不具有輻射能力，見(jiàn)圖中f。波導(dǎo)縫隙與理想縫隙的區(qū)別結(jié)構(gòu)尺寸的限制，邊界條件不同，存在繞射；E面方向圖發(fā)生畸變，H面方向圖差別不大；c)輻射功率和輻射電導(dǎo)為理想縫隙天線的一半。波導(dǎo)縫隙的等效電路波導(dǎo)開(kāi)縫會(huì)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸特性產(chǎn)生影響，可以將縫隙等效成傳輸線上并聯(lián)導(dǎo)納和串聯(lián)阻抗，結(jié)合微波網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)其影響進(jìn)行分析。波導(dǎo)開(kāi)縫方式不同，縫隙的等效電路也不同。下圖給出了各種波導(dǎo)縫隙的等效電路。如果縫隙的長(zhǎng)度等于諧振長(zhǎng)度，等效阻抗或?qū)Ъ{只有實(shí)部，虛部為零。下圖給出了三種典型縫隙，其歸一化電阻或電導(dǎo)與位置參數(shù)的關(guān)系為：g2.09abgsin2x21cos2 1 agr0.523g3ab2cos24acos2ax1sincos2sin 3 g0.131g 2g sin 2 a3b12 sin g 6.1.3縫隙天線陣由開(kāi)在波導(dǎo)上按一定規(guī)律排列、尺寸相同的縫隙構(gòu)成。這里主要介紹幾種縫隙陣。6.1.3.1諧振式縫隙陣所有縫隙同相激勵(lì)，最大輻射方向與天線軸線垂直，是邊射陣。常見(jiàn)的諧振式縫隙陣如下圖所示。圖（a）為開(kāi)在寬壁上的橫向縫隙陣，相鄰縫隙間距為，以保證同相激勵(lì)。缺點(diǎn)是存在柵瓣，增益低，g因此很少采用。圖（圖（b）為在寬壁中心線兩側(cè)每隔2g交替開(kāi)縱向縫隙2組成的縫隙陣。利用中心線兩側(cè)對(duì)稱位置處橫向電流反相、沿波導(dǎo)每隔場(chǎng)強(qiáng)反相的特點(diǎn)保證同相激勵(lì)。2g6.1.3.2非諧振式縫隙陣2g波導(dǎo)端接吸收負(fù)載，波導(dǎo)內(nèi)部傳輸行波，縫隙間距不等于2g圖（a）結(jié)構(gòu)，相鄰縫隙的相位依次滯后2d。g圖（b）結(jié)構(gòu)，相鄰縫隙波程差帶來(lái)的相位差為2d，g附加相移為180，總的相差為2d。g由均勻直線陣的分析可知，當(dāng)kdsin0時(shí)，方向函數(shù)取得最大值，由此可得非諧振縫隙天線陣的最大輻射方向偏離陣法線的角度為：arcsinmax 2d可見(jiàn)最大輻射方向隨的變化而改變，而與頻率有關(guān)，因此非諧振式縫隙陣可實(shí)現(xiàn)頻率掃描。6.1.3.2匹配斜縫隙陣波導(dǎo)壁上開(kāi)有諧振斜縫，終端端接匹配負(fù)載，構(gòu)成匹配斜縫隙陣。下圖為開(kāi)在波導(dǎo)寬壁上的匹配斜縫隙陣。適當(dāng)調(diào)整縫隙對(duì)中心線的偏移x1、斜角和附近螺釘，可使縫隙歸一化等效導(dǎo)納g1，且同相激勵(lì)，最大輻射方向與寬壁垂直。以上介紹的波導(dǎo)縫隙陣的方向圖可由方向圖乘積定理得到，陣元方向圖為半波對(duì)稱陣子的方向圖，陣因子取決于相鄰縫隙的間距和激勵(lì)的相位差。§6.2微帶天線微帶天線是敷于介質(zhì)基片上的導(dǎo)體貼片和接地板構(gòu)成。如下圖所示。 微帶天線示意圖微帶天線示意圖微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)：體積小、成本低、重量輕、低剖面，易于與載體共形；散射截面小、波瓣寬；易于和微帶電路集成；易于實(shí)現(xiàn)線極化、圓極化、雙極化和雙頻段工作；帶寬窄、增益低、功率容量低（<100W）。貼片的形狀：微帶天線的分析方法：數(shù)值方法如全波分析方法，包括頻域混合勢(shì)積分方程法（MPIE）和時(shí)域有限差分法（FDTD）等。算法精度高、編程復(fù)雜。近似方法如腔模理論和傳輸線法等，算法相對(duì)簡(jiǎn)單。6.2.1矩形微帶天線導(dǎo)體貼片為矩形的微帶天線，由傳輸線或同軸探針饋電，在貼片與接地板之間激起高頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。矩形微帶貼片可看作寬為W、長(zhǎng)為L(zhǎng)（一般L2）的一段微帶傳輸線，其終端（yL）處呈g現(xiàn)開(kāi)路，是電壓波幅和電流波節(jié)面。貼片和接地板之間的電場(chǎng)分布如下圖所示。1.輻射機(jī)理選擇圖示坐標(biāo)系，假設(shè)電場(chǎng)沿z方向均勻分布，沿y方向的電場(chǎng)分布可近似表示為：EEcosye? 0 Lx貼片四周窄縫上的等效面磁流密度為： Jme?E（*）s ne?--縫隙表面的外法向單位矢量。由電場(chǎng)只有x方向分量，因此等效面磁流均與接地板平行，見(jiàn)圖中箭頭所示。由（*）式可知，表面磁流沿兩條W邊是同向的，其輻射場(chǎng)在x軸方向同相疊加，呈最大輻射，并隨偏離角的增大而減小，形成邊射方向圖。在每條L邊上，磁流呈反對(duì)稱分布，在H面（xoz面）上的輻射相互抵消；兩條L邊的磁流彼此呈反對(duì)稱分布，在E面（xoy面）上的輻射場(chǎng)也相互抵消。L邊在其它平面上的輻射雖然不會(huì)完全抵消，但與兩條W的輻射場(chǎng)相比，顯得非常微弱。可見(jiàn)矩形微帶天線的輻射主要由兩條W邊的縫隙產(chǎn)生，稱為輻射邊。2．輻射場(chǎng)的求解矩形微帶天線的輻射場(chǎng)由相距L的兩條W邊縫隙輻射場(chǎng)疊加而成?？紤]y0的縫隙，表面磁流密度為：Jme?E s z0對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)Pr,,，磁矢位為：Fe?1rWW22hhE0ejkrxsincoszcosdzdxz4式中考慮了接地板引入的鏡像效應(yīng)。積分后得到： zErhsinkhkhsinsincoscossin12kkWcoscosejkrFe?0 由EF可得遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)矢量為：1Ee?jEr0hsinkhkhsinsincoscossin2coskWcossinejkr對(duì)于yL處面磁流對(duì)輻射場(chǎng)的貢獻(xiàn)，可考慮間距L2的等幅同相二元陣，其陣因子為：g1sinf2coskLsin n 2矩形微帶天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為： 1 Eej2E0hsinkhsincossin2kWcossincos1kLsinsinejkr? r khsincoscos 23．方向圖由于實(shí)際微帶天線的kh1，地因子近似等于1，方向函數(shù)可表示為： 1 sinkWcosF,12 sincos12kLsinsinkWcos2E面（xoy面），90，方向函數(shù)為：cos1kLsinE2H面（xoz面），0，方向函數(shù)為： 1 sinkWcos FH12 sinkWcos2下圖給出了理論計(jì)算和實(shí)測(cè)的矩形微帶天線的方向圖。4．輻射電導(dǎo)1如果定義UEh，輻射電導(dǎo)定義為PU2G， m 0 r2m rm可求得每條邊的輻射電導(dǎo)為：Wsin2cos1sin3drm0 cos21W2當(dāng)W時(shí)，Grm90W當(dāng)W時(shí)，G 。rm1205．輸入導(dǎo)納矩形微帶天線的輸入導(dǎo)納可由微帶傳輸線法進(jìn)行計(jì)算，等效電路見(jiàn)下圖所示。假設(shè)微帶線的特性導(dǎo)納為Y，則輸入導(dǎo)納為：cYinGjBYcYGjGjBjBtantanLLc22e--有效介常數(shù)。當(dāng)振邊處于諧振狀態(tài)時(shí)，輸入導(dǎo)納為：Y2G。 in rm6.2.2雙頻微帶天線微帶天線易于實(shí)現(xiàn)雙頻段工作，矩形貼片天線是利用激勵(lì)多模來(lái)獲得雙頻的，見(jiàn)下圖所示。圖中在非輻射兩邊各開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)度相等的縫隙，在貼片中心線上一適當(dāng)位置處饋電。這種結(jié)構(gòu)的工作模式有兩種，一種是TE10模，另一種模式介于TE10和TE20之間，兩種模式電流分布和輻射特性均相似，并具有相同的極化平面，兩種模式分別工作于不同的頻率。mmWmmW5.15,mmL5.11,mml5.0,mmdW11W5.5mm,h0.8mm,2.2。pFDTD計(jì)算和實(shí)測(cè)的s曲線如下圖所示。11可見(jiàn)雙頻特點(diǎn)和饋電位置對(duì)頻率特性的影響。實(shí)現(xiàn)雙頻工作的另一方法是采用多層貼片結(jié)構(gòu)。