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1、 一、 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的 研宄成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得 南昌大学 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研宄所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名（手写 ）： 签字日期： 年月日 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入
2、有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论 文。同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电子杂志 社将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库和中国优秀博硕士学位 论文全文数据库中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务，同意按 “ 章 程 ” 规定享受相关权益。 学位论文作者签名（手写 ）： 导师签名（手写 ）： 签字日期： 年月日 签字日期： 年月曰 论文题目 有源 RFID标签室内通信区域探测天线的研究 姓 名 胡少文 学号 406107411058 论 文 级 别 博 士 硕士 院 /系 /所 信息工程学院 专业 信号与信息处理 联系电话
3、 Email 通信地址 (邮编 )： 备注： 公开 保密（向校学位办申请获批准为 “ 保密 ” ， _ 年 _月后公开 ) RFID(Radio Frequency Identification)系统作为一种新型的识别技术，已经得 到广泛的应用。其中电子标签室内定位方案，由于其成本低、定位精度高等特 点而有望成为一种优选的室内定位技术。目前利用窄波束天线探测标签通信区 域的定位方案也引起了人们的广泛关注。本选题主要研宄和设计了几种适用于 标签室内定位技术的探测天线，并进行了电子标签通信区域探测实验。其内容 主要有： 首先设计了中心频率 (2.4GHz)的杆状天线、同轴馈电和微带线馈电的微带贴
4、片单元天线，采用微带馈电贴片单元进行组阵，并对贴片单元的间距进行了优 化，得到最佳的间距为 0.6心。仿真优化结果表明，回波损耗在中心频率 (2.4GHz) 满足设计要求，但其 E面的主瓣宽度约为 50 ，其波束比较宽，未达到探测天线 窄波束要求。 其次是设计了一种 2.4GHz隔空阵列天线。该天线是以空气作为介质材料， 在辐射贴片层、接地板层及反射圆形贴片层三层之间采用隔空的方式。通过 HFSS软件设计该天线的整体结构模型，采用 ADS软件设计了该天线的并联馈 电功率分配器网络，经仿真优化得到其最佳结构尺寸，并加工制作成实物。仿 真结果得：在中心频率点 (2.4GHz)Sn = -16.78
5、dB， 且 E面的波束约在 12 ，达到 窄波束的要求。经对该天线实测得：在 2.4GHz其回波损耗为 -12.36dB、 E面的 波束约在 19 ，仿真结果与实测结果相比大致相同。 最后以隔空窄波束阵列天线构建了 2.4GHz有源 RFID电子标签通信区域探 测系统，并进行了电子标签通信区域的测试实验，通过该实验表明，隔空窄波 束阵列天线能应用于有源 RFID电子标签通信区域探测，且有望应用于标签定位 系统。 关键词： RFID电子标签；窄波束；隔空阵列天线；通信区域 ABSTRACT The RFID (Radio Frequency Identification) system as a
6、 new identification technology has been widely used. The electronic tag, because of its low cost and high positioning accuracy, is expected to become a kind of optimization of indoor positioning technology. Currently using narrow beam antenna to detect the tag positioning scheme of communication are
7、as also has raised popular attention. This topic mainly studies and designs several kinds of detecting antennas which apply to the indoor positioning technology of tag, and makes experiments about communication area detection of RFID tag. Its contents mainly include: First of all, the design of rod
8、antenna, a coaxial feed and a micro-strip line fed micro-strip patch antenna elements with 2.4GHz center frequency, using a micro-strip line fed patch unit group array， and the best patch unit space is 0.6义 . The simulation result shows that although the return loss at 2.4GHz center frequency meets
9、the design requirements, the main width of E lobe surface is about 50, which means a relatively wide beam cant reach the narrow beam requirements. Second, a kind of distance array antenna with 2.4GHz center frequency is designed. The antenna uses air as the dielectric materials, and the space betwee
10、n the radiation patch layer, the ground plane layer and a reflective layer are air. Through ADS to design a parallel feed power divider network. After the simulation and optimization process, we obtain the final optimal dimensions for manufacture. A prototype antenna was fabricated according to the
11、best physical dimensions. From simulation results we can see that Sn = -16.78dB at 2.4GHz center frequency and the E plane beam is about 12 which reach the requirements of narrow beam. On the basis of the testing to the antenna, the E plane beam is about 19and return loss is -12.36dB of the antenna,
12、 the simulation results are consistent with the experiment results. Finally, with the distance narrow beam array antenna to build the 2.4GHz active RFID tag communication area detection system, and makes testing experiments about communication area of RFID tag. The experiment results show that the d
13、istance narrow beam array antenna can be applied to an active RFID tag communication area detection and be expected to be applied to the tag positing system. Keywords: RFID tag; Narrow beam; Distance array antenna; communication area 目录 第 1 章绪论 . 1 1.1课题的研宄背景和意义 . 1 1.2国内外发展现状及趋势 . 2 1.3课题的来源和主要工作及内
14、容安排 . 4 1.3.1课题来源 . 4 1.3.2工作及内容安排 . 4 第 2章 2.4GHz有源 RFID基本工作原理及标签定位应 用 . 6 2.1 2.4GHz有源 RFID基本工作原理 . 6 2.2电子标签通信区域及定位应用 . 7 2.3小结 . 8 第 3 章有源 RFID标签天线的基本参数及相关理论 . 9 3.1 RFID天线及其阵列结构的基本原理和分析方法 . 9 3.1.1 RFID天线及其阵列结构的基本原理 . 9 3.1.2 RFID天线的分析方法 . 15 3.2 RFID天线的性能参数及极化性能 . 17 3.2.1 RFID天线的性能参数 . 17 3.2
15、.2天线极化 . 19 3.3标签通信区域探测天线的性能指标及设计步骤 . 20 3.4仿真软件介绍 . 20 3.5 吉 . 22 第 4章标签室内通信区域探测天线的设计仿真及制作 . 23 4.1杆状天线的设计及仿真 . 23 4.2微带辐射单元天线及阵列天线的设计及仿真 . 25 4.2.1微带辐射贴片天线的理论设计 . 25 4.2.2微带辐射贴片单元天线的建模及仿真 . 28 4.2.3微带阵列天线的设计及仿真 . 35 III 4.3窄波束隔空阵列天 线的设计仿真及制作测试 . 36 4.3.1窄波束隔空阵列天线馈电网络的设计与仿真 . 36 4.3.2窄波束隔空阵列天线的设计与仿
16、真 . 40 4.3.3天线阵列的制作与测试 . 41 4.4几种天线参数的对比 . 45 4.5小结 . 46 第 5章有源 RFID电子标签室内通信区域探测实验 . 47 5.1实验测试系统的建立及测试步骤 . 47 5.2测试结果及分析 . 50 5.3小结 . 51 第 6章总结与展望 . 52 6.1总结 . 52 6.2展望 . 52 至夂 i射 . 53 参考文献 . 54 攻读学位期间的研宄成果 . 57 IV 第 1 章绪论 1.1课题的研究背景和意义 近年来越来越多的人关注短距离室内定位，也不断出现了各种相应的定位 方法，但是由于诸如功耗和通信成本等原因，室内定位技术还有待
17、进一步完善 1。 现有基于信号感知的室外定位方法（如 GPS等）在室内易遭到屏障和干扰， 定位稳定性遭到很大的约束。而且室外定位算法的精度难以满足室内智能监控 定 位的需要。针对室内定位需求，一些研宄提出了基于视觉触感 （ 如红外、超 声波等 ） 的室内定位算法，但这类算法无法避免室内障碍源 （ 如家具、灯光等 ) 的影响，定位准确性受到约束，此外，人们亦提出利用蓝牙技术、无线传感器 网络技术、 WiFi热点等技术用于室内定位，但这些技术大多基于信号强度 (RSSI) 的测距法来实现定位，而在室内环境中，极易受到室内电磁环境及传输信道特 性的影响，如墙壁和障碍物的电波反射、折射，会带来多径衰落
18、、吸收以及遮 蔽等一系列问题，而且能耗也比较高 2。 RFID技术由于具有读取便捷，识别速度 快，数据容量大，使用寿命长，应 用范围广，标签数据可动态更改，动态实时通信等优点。 RFID识别各项技术已 日益成熟，随着工作频率的选择、天线设计、防碰撞技术和安全与隐私保护等 核心技术研宄的不断深入，使得射频识别技术逐渐成为一项稳定、可靠的室内 定位技术。 RFID定位技术对环境的要求和受环境的影响都很小，且精度较高， 传输范围大，同时还能从定位目标中读取有关该对象的信息，而且标识的体积 比较小，造价比较低。因此有望成为优选的室内定位技术 3。 射频识别系统主要有线圈型电子标签、微带贴片型电子标签、
19、偶极子型 电 子标签3种基本形式的天线。其中，线圈型电子标签主要应用于近距离识别需 求的射频识别系统中，线圈型电子标签最大的特点是：标签结构简单，制作成 本低廉，工作性能稳定性高，线圈型电子标签主要工作在低频段。微带贴片型 电子标签或偶极子型电子标签主要应用于较远距离的射频识别应用系统中，微 带贴片型电子标签或偶极子型电子标签的工作频段较高，通常为超高频段或微 波频段。射频识别系统能否大规模投入实际应用，最核心的问题就在于电子标 签及其天线的设计 4。 RFID系统最重要的分类依据之一就是工作频率。不同频段的标签天线，空 间能量传输方式，负载调制方式和读写距离都有很大不同。表 1.1列出了一些
20、典 型的情况： 表 1.1 RFID系统工作频段 频段 典型工作频率 常见标签天线 形式 能量传输 方式 读写 距离 典型应用 低频 125KHz 绕线电感天线 磁场感应顆合 约 lcm 动物识别， 物品追踪 商频 13.56MHz 绕线电感天线 磁场感应顆合 约 10cm 公交卡， 校园卡 甚高频 433MHz,866MHz,915MHz 偶极子天线， 微带贴片天线等 电磁波传播方式 大于 lm 商品物流， 港口码头 微波 2.4GHz,5.8GHz 微带贴片天线， 倒 F天线等 电磁波传播方式 大于 3m 工业制造 1.2国内外发展现状及趋势 射频识别技术在美国、英国、德国、瑞典、日本、南
21、非现在都有较为成熟 且领先的 RFID体系。美国麻省理工学院发起的 Auto-ID Center在对 RFID理论、 技术及应用研宄的基础上，对 RFID的发展作出了巨大贡献。 室内定位方面国内外的研宄成果主要有： Want提出了使用红外线进行室内 定位的方案 5;微软研宄所及密歇根大学的 M的 LADMARK体系采用测量室内 不同地方的电磁波能量衰减特点来室内定位 6; Rice大学的 Ladd以及日本 Yamasalti等人分别在文献中提出了基于 IEEE802.11b无线局域网的室内定位体 系，定位偏差在 1.5m左右 7，因为采用现成的蜂窝 WiFi与射频识别定位方法联 系在一起用于创
22、库物品定位。 国内室内定位的方面研宄不多，各高校及研宄机构在 RFID室内定位这一方 面，比较多的还是集中于对 LANDMARC体系的算法改良及精度进步上。譬如 西南交通大学的孙瑜在射频识别方法及室内定位中的应用一 文中首先按照 室内无线传输路径损耗模型获得信号强度与几何空间间隔的映射关系。采取距 离差方法获得位置的大致估计。在读写器数量为 3个时，使用 Fang算法来给待 定位标签进行二维位置定位，在读写器多于 3个时，使用 Chan算法，并屡次迭 代和融入历史数据来填补 Chan算法过程中多次忽略对结果带来的影响。提出空 2 间最近邻居位算法的思路，通过一定的误差加权方法，改善系统定位精度
23、。北 京交通大学的史楠的基于 RFID的室内定位感知系统的研宄与实现一文在 LANDMARC系统的基础上提出了一种 AOA算法，利用三轴直角定向天线阵， 由电磁波穿过三个正交的天线时会产生三个不同的电压值，电压值与入射电磁 波和每个轴的夹角成正比，这样使得待定位的标签被限定于多个参考点标签的 位置，然后融入历史效应来提高精度，可以为室内物体提供三维体定位。 表 1.2示出常用的定位方法 8 11，与这些方法相比若采用窄波束，高增益的 探测天线则可以减小阅读器的数量，降低成本，只需采用一个阅读器就可以完 成此定位系统的探测，并可以同时对多个有源 RFID电子标签进行识别，且能完 成实时识别。 表
24、 1.2基于 RFID的主要定位方法 定位方法 定位算法 标签类型 需要阅读器 的数量 (个） 是否需要 参考标签 SpotON RSS最小二乘法 有源 4 否 LANDMARC kNN 有源 多个 是 Scout RSS贝叶斯法 有源 4 是 RSP RSP/AOA 无源 2 否 Simplex kNN最优化 有源 4 是 Kalman filtering RSSI均方值和卡尔曼滤波 有源 2 是 3-D Constraints 无需测距的最优化 有源 4 否 本方法 测距的最优化 有源 1 否 在 RFID系统中，天线有电子标签天线和读写器天线两种，各自均承担接收 能量和发射能量的作用。
25、RFID系统中的阅读器和电子标签的天线结构主要有偶 极子天线、微带贴片天线、线圈天线等；偶极子天线辐射能力强，制造工艺简 单，费用低，具有全向方向性，一般应用于远距离 RFID系统；微带贴片天线的 方向图是定向的，但工艺较复杂，费用也较高；线圈天线用于电感耦合方式， 适用于短距离的 RFID系统 12。 在 RFID电子标签通信区域探测中，需要具有窄波束性能的阅读器天线。从 文献资料来看，具有窄波束性能 RFID阅读器天线的 研宄还少见报道。如何获得 天线的窄波束性能，一般多是借鉴其它应用领域的窄波束天线的设计。目前， 水平面窄波束基站天线的实现方法主要有几种方式 ： （ 1)采用特殊形状的反
26、射器 ; 3 采用窄波束天线实现；采用水平面组阵的方式。反射器天线通过改变反射 器的类型可以对天线方向图产生特殊的作用，比如产生笔形波束、赋形主波束、 低旁瓣等。抛物面反射器天线是一种常见的反射器天线，主要利用聚焦的方法 形成方向性很强的波束，如偏心抛物面反射器，双反射面天线等。角反射器天 线也是一种常见的反射器天线，它通过调节反射器的夹角和尺寸来改变波束的 宽度。 另一种实现水平面窄波束的方法是通过一些特殊的阵子来实现，在文献 13-14中，介绍了一种双环天线，天线的水平面波束宽度为 30.534.7 。在文 献 15中，介绍了一种矩形喇叭天线，它的波束宽度大小与天线口径有关，口径 越大，波
27、束宽度越小。 此外实现天线水平面窄波束的方法还可通过水平面组阵来实现。该方法可 以较灵活地实现各种需要的波束，属于天线阵综合问题。天线阵综合的目的是 通过天线单元的激励幅度、相位、位置等参数， 使天线阵列的方向图满足一定 的要求。 1946年 Dolph首先提出了在均匀线阵基础上实现切比雪夫方向图的综 合方法 16，这种方法解决了在主瓣宽度一定时，如何使副瓣峰值电平最低的方 向图综合问题。对于天线阵列综合而言，除了优化阵元权系数，阵元位置的选 择对阵列方向图也有很大影响。因此对阵列阵元位置进行优化，选择最优阵元 位置以获得最优方向图成为阵列方向图综合中具有实际应用价值的问题。 1.3课题的来源
28、和主要工作及内容安排 1.3.1课题来源 本课题是来源于南昌大学（宜春 ） 锂电研宄院 “ 超薄锂电池 RFID产品研 发 及应用 ”项目。 1.3.2工作及内容安排 本文主要研宄的内容是设计一款应用于有源 RFID电子标签室内通信区域 探测的天线，通过阅读器及该天线的窄波束性能，扫描和提取标签信号，探测 RFID标签通信区域，估计标签所在位置，并欲应用于 RFID标签室内定位系统。 具体内容如下： 第 1章主要介绍了 RFID电子标签定位技术的发展状况，并对 RFID电子标 4 签的定位方法的国内外的发展现状和应用进行了详细的介绍。 第 2章介绍了 2.4GHz有源 RFID基本工作原理、标
29、签通信区域及定位应用 原理。 第 3章主要讨论了天线的基本参数、极化、阵列天线等基本理论，分析了 阵列天线的馈电方式，明确了本设计方案所采取的馈电方式。本章还介绍了电 子标签通信区域探测天线的性能指标要求、探测天线设计方案的主要步骤、探 测天线的分析方法和仿真软件。 第 4章主要介绍了电子标签通信区域探测天线的具体设计方案，详细介绍 了杆状天线、微带单元及阵列和隔空阵列天线的设计与仿真、隔空阵列天线的 馈电网络设计，并制作了隔空阵列天线实物。根据仿真和测试结果，确定采用 隔空阵列天线作为电子标签 通信区域测试系统的探测天线。 第 5章主要介绍了有源 RFID电子标签室内通信区域模型原理、测试系
30、统的 构建，通信区域测试实验等内容。 第 6章对本文所做工作的总结，阐述了工作中的不足之处并提出了需要进 一步研宄的内容。 5 读写器 ( 控 制 模 块 2储 n ? H器 ) ) 电池 标签 第 2草 2.4GHz有源 RFID基本工作原理及标签足位应用 本章主要是介绍了 2.4GHz有源 RFID基本工作原理、标签通信区域及定位 的应用原理，为后面构建通信区域探测实验系统打下基础。 2.1 2.4GHz有源 RFID基本工作原理 所谓 RFID技术，即利用无线电波对记录媒体进行读写的一种自动识别方 法，典型的 RFID应用系统如图 2.1所示，包括应答器 (标签， Tag)、 读写器 (
31、Reader) 天线 （ Antenna)， 三部分协同工作，完成 RFID标签的识别 17。 计算机网络系统 图 2.1 RFID系统组成框图 RFID的基本原理框图如图 2.2所示。应答器和阅读器之间可以实现双向数 据交换，应答器存储的数据信息采用对载波的负载调制方式向阅读器传送，阅 读器给应答器的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制等方 法实现传送。按照耦合环境的差别， RFID可以分为电感耦合和散射耦合两大类。 通信接口 图 2.2 RFID的基本原理框图 阅读器在一个区域内发射射频能量产生电磁场，感应距离和规模的大小取 决于发射功率和天线。电子标签 (应答器 )处在这一
32、区域时被唤醒，发送存储在电 子标签的数据。阅读器与电子标签是采用无线通信的方式进行通信，向电子标 射频模块 射频模块 读写器模块 6 签发送数据及接受电子标签数据，并能经过标准接口与计算机网络进行通信， 从而实现了 RFID无线通信系统的顺利工作。 在电子标签 (应答器 )当中，天线和电子标签一般是集成在一起的，由于电子 标签尺寸的限制，标签天线的大小、微型化对 RFID系统的性能有决定性的影响。 而本文所研究的探测天线是安装在阅读器上，通过感知有源电子标签的通信区 域，确定标签所在位置。 RFID技术涉及到无线电的低频、尚频、特咼频、和超同频频段。 RFID系 统的所处的频段可划分为下述类别
33、 18: 1) 低频 （ LF， 频率范围为 30 300kHz)。 2) 尚频 （ HF， 频率： ill围为 330MHz)。 3) 特高频 （ UHF,频率范围为 300MHz 3GHz)。 4) 超同频 （ SHF， 频率泪 1围为 330GHz)。 其中 2.4GHz 频段为 ISM (Industrial Scientific Medical)频段，为各国共同 的ISM频段，应用于产业、科学和医疗等领域的频率范围。因此无线局域网、 蓝牙、 ZigBee、 RFID等无线网络，均可工作在 2.4GHz频段上。 2.2电子标签通信区域及定位应用 2.4GHz有源 RFID阅读器及天线、
34、有源电子标签及天线之间的通信边界范 围角度称之通信区域。通过装载在阅读器上的窄波束天线旋转扫描，探测到电 子标签的通信区域，并估算其边界角，从而构建通信区域模型。假如存在两个 或多条交叉线的情况下，则取电子标签交叉线的重心位置来估算电子标签通信 区域及边界角，如图 2.3所示。 图 2.3电子标签通信区域及定位边界角示意图 标注： 1为装载窄波束阵列天线的阅读器， 2为 2.4GHz有源 RFID电子标签室内通信区域边 界， 3为 2.4GHz有源电子标签所在的位置 7 计算时，取通信区域模型包络中心线与基准线的角度外、込，计算其中心 角 d = -d+d2) (2.1) 即可得该标签的通信区
35、域及中心角。 根据角度 0估计电子标签位置原理如图 2.4所示。具体的步骤如下所示： 1) 首先确定基准线 AB; 2) 在 A位置旋转阅读器天线并且进行扫描，得到电子标签通信区域边界角 0A-, 3) 再将装载探测天线的阅读器从 A位置移动到 B位置，测量 A、 B两点的 距离心 B,并且旋转天线进行扫描，得到电子标签通信边界角先； 4) 由电子标签通信区域边界角心、先及 A、 B两点的距离 SAB构成三角形， 然后根据根据三角公式计算电子标签距离基准线的位置 &D， 从而估计电子标签 的位置。 -SCDAD tan 0 (2.2) 2.3小结 本章主要是介绍了 2.4GHz有源 RFID基
36、本工作原理及定位应用，并且介绍 了标签通信区域探测天线对室内标签通信区域探测及定位的作用。 8 第 3 章有源 RFID标签天线的基本参数及相关理论 本章主要介绍了天线的基本参数、极化、阵列天线的基本理论，分析了阵 列天线的馈电方式，给出了本设计方案所采取的馈电方式，并且介绍了电子标 签通信区域探测天线的性能指标及本课题设计方案的主要步骤，最后对微带天 线的分析方法和设计仿真软件也做了简要介绍。 3.1 RFID天线及其阵列结构的基本原理和分析方法 3.1.1 RFID天线及其阵列结构的基本原理 天线就是无线电系统中发射或接收电磁波的部件。 RFID天线的功能首先是 能量转换，即将发射机经传输
37、线输出的射频导波能量变换成无线电波能量向空 间辐射；另一主要功能是能量的的发射与接收都具有方向性，即天线具有对能 量进行空间分配的功能。 采用阵列天线构成窄波束探测天线的辐射单元，可以提高天线的增益，可 以对网络特性起到优化作用，实现天线窄波束的要求。 天线阵的辐射特性决定于单元的数目、分布形式、单元间距、激励幅度和 相位，控制这 5个因素可以改变辐射场的特性。描绘天线辐射特性随着空间方 向坐标变化关系的图形叫做天线的辐射方向图。阵列天线的远区场方向图可以 用阵列因子和阵列元因子的乘积来表示，即： E(0j) = Fa(0j)Fs(0j) (3.1) 其 中 ， 为 阵 列 因 子 和 为 阵
38、 列 元 因 子 。 1. 各类阵列天线的介绍 (1)直线阵 为了加强天线的方向性，增加天线的增益或方向性系数，或者获得所需的 辐射特性，我们可以采取天线阵，以组成阵列天线。天线阵是由多个辐射天线 单元依照一定的排列结构组合在一起的。 阵列中的单元天线一般是同结构、同大小的天线。例如，半波阵子天线构 成的阵列，称为半波阵子天线阵列。阵列天线采取何种形状的单元天线取决于 9 其频率、频带宽度、环境、制造费用等其它因素。 当阵元中心沿一条直线放置，则称其为直线阵。辐射阵元之间等间距排列 的阵列叫等距阵列；辐射阵元在不等间距排列的阵列叫不等距线阵。波瓣的主 波束指向与阵列轴线方向垂直的阵列叫侧射阵；
39、波瓣的主波束指向沿着阵列轴 线的阵列叫端射阵。图 3.1示出了一个直线线源的直线阵。 对于阵列中各单元以等间距位于直线上的线阵，其阵因子为 = A =y4(W_l)V， /2 (八 # 2) 。（产 -1) sin(y/2) = 次欠 = 次 (1 +， + e”) (3.2) (3.3) Z (2)多维阵 对增益要求较高的，主瓣在任何方向扫描的应用。我们就需要多维阵，多维 阵根据三个特点来分类：阵元中间所处的轮廓的形状、天线阵的周界和阵元中间 网络的形状。阵元所处表面可能是直线、圆和平面等。多维阵的阵因子 19为 ： AF 0,(/,) = n= m=l (3.4) 八 nrn=/rrm =
40、 :民 x m ,sin cos +ynm sin 6 cos 。 cos 众 +J,sm0cos 众 (3.6) 10 6。 ,次 =主瓣所指方向 由于电流是可以分开独立的，式 （ 3.4)可简化为 : AF(6J) = X (3-V) m =1 n = 图 3.2示出了一个矩形周界的平面阵，阵网格可能有对等或不等的列间距或 行间距，在主平面中具备相同的阵元间距 4和尖的平面阵，图 3.2中所示的是 阵列的矩形网格，其周界为矩形边界。 2. 阵列天线的馈电方式 阵列天线的馈电方式有串连馈电，并联馈电： (1)串联馈电 它是将辐射元用微带线串接在一起，在设计时必须综合考虑各个辐射元之 间的互耦
41、影响，确保各个辐射元所需的振幅和相位，通过改变辐射元的大小来 为天线阵提供所需的振幅和相位。 基本的串联馈电形式如图 3.3所示，有串联连接和并联连接两种形式。 Feed Termination (a)串联连接 Termination (b)并联连接 图 3.3天线阵的串联连接和并联连接 11 从图 3.3可以看出，串联连接比并联连接的结构简单，所用的馈线长度也比 较短，而且馈线的损耗相对较小，且利用率也比较高，但是串联连接设计繁杂， 而且其波瓣宽度也不好控制。 (2)并联馈电 并联馈电是采用功率分配器，将输入功率分配到各个辐射阵元上去，在并 联馈电网络中，当所有的辐射阵元相同时，各阵元所要求
42、的振幅分布可以通过 改变功率分配器的功率来实现，而各阵元所要求的相位分布则可采用调整各路 馈电线的长度来实现。 并联馈电比较常见的两种连接结构如图 3.4所示 图 3.4并联馈电形式结构图 并联馈电具有如下优点： a. 设计简单 当馈电线长度相同时，频率的带宽主要由阻抗频带来决定，比较容易实现 宽频带 b. 容易实现等幅同相馈电 并联馈电的缺点主要有，需要多个功率分配器，馈电线的长度较长，空间 利用率比较低，且随着馈电长度的增加，传输损耗会相应增加，同时也使得整 个网络变得更复杂。 考虑并联馈电具有容易实现等副同相馈电的优点，本文选取并联馈电为阵 列天线的馈电方式 2；分量相等，则称为圆极化波，如图 3.8所示。圆极化有 两种极端情况 ，一 是电场只有 x分量或者只有 分量，此时电场始终沿着 x轴或