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1、会计学1射频与微波电路设计微带天线设计解析射频与微波电路设计微带天线设计解析天线一般概念天线一般概念第1页/共34页天线举例天线举例n n天线大体可分为线天线、口径天线和面天线三类。天线大体可分为线天线、口径天线和面天线三类。n n移移动动通通信信用用的的VHFVHF、UHFUHF天天线线，大大多多是是以以对对称称振振子子为为基基础础而而发发展展的的各各种种形形式式的的线线天天线线，卫卫星星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径天线）。地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径天线）。n n天天线线的的性性能能特特征征与与天天线线的的形形状状、大大小小及及构构成成材材料料有有关关。天天线线的的
2、大大小小一一般般以以天天线线发发射射或或接接收收电电磁磁波波的的波波长长 来来计计量量。工工作作波波长长=2=2m m的的长长为为1 1m m的的偶偶极极子子天天线线的的辐辐射射特特性性与与工工作作于于波波长长 =2=2cmcm的长为的长为1 1cmcm的偶极子天线是相同的。的偶极子天线是相同的。第2页/共34页描述天线特性的主要参数描述天线特性的主要参数n n与天线方向性有关的参数：方向性函数或方向图。与天线方向性有关的参数：方向性函数或方向图。n n离离开开天天线线一一定定距距离离处处，描描述述天天线线辐辐射射的的电电磁磁场场强强度度在在空空间间的的相相对对分分布布的的数数学学表达式，称为
3、天线的方向性函数；表达式，称为天线的方向性函数；n n把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。n n最最大大辐辐射射波波束束通通常常称称为为方方向向图图的的主主瓣瓣，主主瓣瓣旁旁边边的的几几个个小小的的波波束束叫叫旁旁瓣瓣，向向后辐射的波束叫后瓣。后辐射的波束叫后瓣。n n1.1.为为了了对对各各种种天天线线的的方方向向图图进进行行比比较较，就就需需要要规规定定一一些些表表示示方方向向图图特特性性的的参参数数，这这些些参参数数有有：增增益益G G、方方向向性性系系数数GGDD、波波束束宽宽度度（或或主主瓣瓣宽宽度度）、旁旁瓣瓣电平等。电平等。n n2 2
4、天线效率天线效率n n3 3极化特性极化特性n n4 4频带宽度频带宽度n n5 5输入阻抗输入阻抗第3页/共34页增益增益G与方向性系数与方向性系数GD第4页/共34页波束宽度与旁瓣电平波束宽度与旁瓣电平n n实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3dB时的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为n n旁瓣电平n n旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的第一旁旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的第一旁n n瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区n n一般是不需要辐
5、射的区域，其电平应尽可能的低。一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。n n后瓣电平B第5页/共34页天线效率与辐射电阻天线效率与辐射电阻第6页/共34页极化特性、输入阻抗与天线带宽极化特性、输入阻抗与天线带宽n n极极化化特特性性是是指指天天线线在在最最大大辐辐射射方方向向上上电电场场矢矢量量的的方方向向随随时时间间变变化化的的规规律律。按按天天线线所所辐辐射射的的电电场场的的极极化化形形式式，可可将将天天线线分分为为线线极极化化天天线线、圆圆极极化化天天线线和和椭椭圆圆极极化化天天线线。线线极极化化又又可可分分为为水水平平极极化化和和垂垂直直极极化化；圆圆极极化化和和椭椭圆圆极极化都可
6、分为左旋和右旋。化都可分为左旋和右旋。n n输输入入阻阻抗抗与与电电压压驻驻波波比比：天天线线的的输输入入阻阻抗抗等等于于传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗，才才能能使使天天线线获获得得最最大大功功率率。当当天天线线工工作作频频率率偏偏离离设设计计频频率率时时，天天线线与与传传输输线线的的匹匹配配变变坏坏，致致使使传传输输线线上上电电压压驻驻波波比比增增大大，天天线线效效率率降降低低。因因此此在在实实际际应应用用中中，还还引引入入电电压压驻驻波波比比参参数数，并并且且驻驻波波比比不不能能大大于于某某一一规定值。规定值。n n天天线线带带宽宽：天天线线的的电电参参数数都都与与频频率率有有关关，当当
7、工工作作频频率率偏偏离离设设计计频频率率时时，往往往往要要引引起起天天线线参参数数的的变变化化。当当工工作作频频率率变变化化时时，天天线线的的有有关关电电参参数数不不应应超超出出规规定定的的范范围围，这这一频率范围称为天线带宽。一频率范围称为天线带宽。第7页/共34页天线的互易性与远区场定义天线的互易性与远区场定义n n在在天天线线很很多多应应用用场场合合，远远区区场场的的假假设设都都是是成成立立的的。远远区区场场假假设设为为我我们们分分析析研研究究天天线线辐辐射射的的场场带带来来很很大大方方便便。这这里里所所谓谓很很远远很很远远都是以波长来计量的。都是以波长来计量的。互易性 多数天线具有互易
8、性，即天线在发射模式和接收模式具有相同的方向性。如果一给定天线工作在发射模式，A方向辐射电磁波的能力比B方向强100倍，那末该天线工作于接收模式时，接收A方向辐射来的电磁波灵敏度比B方向也强100倍。本章以后讨论的天线都是互易的。远区场 如果所观测点离开波源很远很远，则波源可近似为点源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远，在观察者所在的局部区域，其波阵面可近似为平面，当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场，r/(2*Pi)。第8页/共34页微带天线微带天线第9页/共34页微带天线的优缺点及应用微带天线的优缺点及应用n n 同同常常规规的的微微波波天天线线相相比比，
9、微微带带天天线线具具有有一一些些优优点点。因因而而，在在大大约约从从100MHz100MHz到到50GHz50GHz的的宽宽频频带带上上获获得得了了大大量量的的应应用用。与与通通常常的的微微波波天天线线相相比比，微微带带天天线线的的一一些些主主要优点要优点：n n重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；n n制造成本低，易于批量生产；制造成本低，易于批量生产；n n可以做得很薄，因此不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；可以做得很薄，因此不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；n n无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫
10、星上；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；n n天线的散射截面较小；天线的散射截面较小；n n稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；n n比较容易制成双频或多频工作的天线；比较容易制成双频或多频工作的天线；n n不需要背腔；不需要背腔；n n微微带带天天线线适适合合于于组组合合式式设设计计(一一些些固固态态器器件件，如如振振荡荡器器、放放大大器器、可可变变衰衰减减器器、开开关关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上，进行组合式设计调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上，进行组合式设计
11、)；n n馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。第10页/共34页微带天线的优缺点及应用 但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增益受限制(上限约为20dB)；馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。但是有一些办法可以减小某些缺点。例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波等。第11页/共34页微带天线的应用微带天线的应用n n在在许许多多实实际际设设计计中中，微微带带天天线线的的优优点点远远远远超超过过它它的的缺缺点点。在在一一些些显显要
12、要的的系系统统中中已已经经应应用用微微带带天线的有：天线的有：n n移动通信；移动通信；n n卫星通讯；卫星通讯；n n多普勒及其它雷达；多普勒及其它雷达；n n导弹遥测；导弹遥测；n n指挥和控制系统；指挥和控制系统；n n卫星导航接收机；卫星导航接收机；n n便携装置；便携装置；n n武器信管；武器信管；n n环境检测仪表和遥感；环境检测仪表和遥感；n n复杂天线中的馈电单元；复杂天线中的馈电单元；n n无线电测高计；无线电测高计；n n生物医学辐射器。生物医学辐射器。n n这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。这些绝没有列全，随着对微带天线应用
13、可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。第12页/共34页微带天线结构微带天线结构n n微微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。n n微带贴片天线n n微微带带贴贴片片天天线线MPAMPA（Microstirp Microstirp Patch Patch AntennaAntenna）是是由由介介质质基基片片、在在基基片片一一面面上上有有任任意意平平面面几几何何形形状状的的导导电电贴贴片片和和基基片片另另一一面面上上的的接接地地板板所所构构成成。实实际际上上，能能计计算算其其辐
14、辐射射特特性性的的贴贴片片图图形形是是有限的。有限的。n n正方形正方形 圆形圆形 矩形矩形 椭圆形椭圆形 五角形五角形 圆环形圆环形 三角形三角形 半圆形半圆形n n图图3-3 3-3 实际使用的各种微带天线图形实际使用的各种微带天线图形n n图图3-4 3-4 微带天线其它可能的几何图形微带天线其它可能的几何图形第13页/共34页微带行波天线微带行波天线n n微带行波天线MTA MTA(Microstirp(Microstirp Traveling Traveling Antenna)Antenna)是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线（也维持一个TE模）和基片另一
15、面上的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。图3-5 微带行波天线第14页/共34页微带缝隙天线微带缝隙天线n n微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙可以是矩形（宽的或窄的），环形或圆形。n n 窄缝 圆环缝 宽缝 圆贴片缝n n图3-6 微带缝隙天线第15页/共34页微带天线馈电微带天线馈电n n大大多多数数微微带带天天线线只只在在介介质质基基片片的的一一面面上上有有辐辐射射单单元元，因因此此，可可以以用用微带线微带线馈电。馈电。n n因因为为天天线线输输入入阻阻抗抗不不等等于于通通常常的的5050传
16、传输输线线阻阻抗抗，所所以以需需要要匹匹配配。匹匹配配可可由由适适当当选选择择馈馈电电的的位位置置或或匹匹配配网网络络来来做做到到。但但是是，馈馈电电的的位置也影响辐射特性。位置也影响辐射特性。图3-7 微带馈电的天线第16页/共34页微带馈电微带馈电n n中心中心微带馈电和微带馈电和偏心偏心微带馈电。微带馈电。n n馈电点的位置也决定激励那种模式。馈电点的位置也决定激励那种模式。n n当天线元的尺寸确定以后，可按如下方当天线元的尺寸确定以后，可按如下方n n法进行匹配：先将中心馈电天线的贴片法进行匹配：先将中心馈电天线的贴片n n同同5050的馈线一起光刻，测量输入阻抗的馈线一起光刻，测量输
17、入阻抗n n并并设设计计出出匹匹配配变变阻阻器器；再再在在天天线线元元与与馈馈线线之之间间接接入入该该匹匹配配变变阻阻器器，重重新新做做成成天天线线。另另外外，如如果果天天线线的的几几何何图图形形只只维维持持主主模模，则则微微带带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。馈线可偏向一边以得到良好的匹配。n n特特定定的的天天线线模模可可用用许许多多方方法法激激励励。如如果果场场沿沿矩矩形形贴贴片片的的宽宽度度变变化化，则则当当馈馈线线沿沿宽宽度度移移动动时时，输输入入阻阻抗抗随随之之而而变变，从从而而提提供供了了一一种种阻阻抗抗匹匹配配的的简简单单办办法法。馈馈电电位位置置的的改改变变，使使得得馈馈线线
18、和和天天线线之之间间的的耦耦合合改改变变，因因而而使使谐谐振振频频率率产产生生一一个个小小的的漂漂移移，而而辐辐射射方方向向图图仍仍然然保保持持不不变变。不不过过，稍稍加加改改变变贴贴片片尺尺寸寸或或者者天天线线尺尺寸寸，可可补补偿偿谐谐振振频率的漂移。频率的漂移。第17页/共34页微带馈电模拟微带馈电模拟n n 对于微带馈电，用惠更斯原理可以把馈源模拟为贴在对于微带馈电，用惠更斯原理可以把馈源模拟为贴在磁壁上沿磁壁上沿z z方向的电流带。在薄的微带线中，除了馈线方向的电流带。在薄的微带线中，除了馈线的极邻近区域处外，在贴片边界上的其他任何地方，的极邻近区域处外，在贴片边界上的其他任何地方，这
19、个电流都很小。在理想的情况下，可假定馈源是一这个电流都很小。在理想的情况下，可假定馈源是一个恒定电流的均匀电流带。个恒定电流的均匀电流带。边缘效应要求电流带的宽度等于馈线的有效宽度，馈线对微带天线输入阻抗的影响表现为增加了一个感抗分量，此感抗可以由电流带的尺寸来计算。第18页/共34页同轴线馈电同轴线馈电n n也可以穿过微带的底板，从背后引入同轴线进行馈电。如图所示，同轴插座安装在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上，同轴外导体和底板相连。对指定的模，同轴插座的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。图3-9 同轴馈电的微带天线第19页/共34页同轴馈电模拟同轴馈电模拟n n根根据据惠
20、惠更更斯斯原原理理，同同轴轴馈馈电电可可以以用用一一个个由由底底面面流流向向顶顶面面的的电电流流圆圆柱柱带带来来模模拟拟。这这个个电电流流在在地地板板上上被被环环状状磁磁流流带带圈圈起起来来，同同轴轴线线在在地地板板上上的的开开口口则则用用电电壁壁闭闭合合。如如果果忽忽略略磁磁流流的的贡贡献献，并并假假定定电电流流在在圆圆柱柱上上是是均均匀匀的的，则则可可进进一一步步简简化化。简简化化到到最最理理想想的的情情况况是是，取取出出电电流流圆圆柱柱，用用一一电电流流带带代代替替，类类似似微微带带馈馈电电的的情情况况。该该带带可可认认为为是是圆圆柱柱的的中中心心轴轴，沿沿宽宽度度方方向向铺铺开开并并具
21、具有有等等效效宽宽度度的的均均匀匀电电流流带带。对对于于给给定定的的馈馈电电点点和和场场模模式式，等等效效宽宽度度可可以以根根据据计计算算与与测测量量所所得得的的阻阻抗抗轨轨迹迹一一致致，根根据据经经验验确确定定。一一旦旦这这个个参参数数确确定定了了，它它就就可可以以用用在在除除馈馈电电点点在在贴贴片片边边缘缘上上以以外外的的任任何何馈馈电电位位置置和和任任何何频频率率。当当馈馈电电点点在在贴贴片片边边缘缘上上时时，可可以以认认为为，在在贴贴片片边边缘缘上上的的边边缘缘场场使使等等效效馈馈电电宽宽度度不不同同于于它它在在天天线线内内部部时时的的值值。在在矩矩形形天天线线中中，等等效效宽宽度度为
22、为同同轴轴馈馈线线内内径径的的五五倍倍时时，可可给给出良好的结果。出良好的结果。图3-10 同轴线馈电的微带天线第20页/共34页关于表面波的抑制关于表面波的抑制n n在在微微带带天天线线中中，除除了了直直接接辐辐射射之之外外，还还可可以以激激励励表表面面波波，从从而而产产生生轴轴向向辐辐射射。因因此此，在在设设计计中中必必须须给给予予考考虑虑。这这些些表表面面波波是是TMTM型型和和TETE型型，它它们们传传播播到到微微带带贴贴片片之之外外的的介介质质基基片片中中。当当沿沿微微带带贴贴片片传传播播的的准准TEMTEM波波相相速速接接近近于于表表面面波波相相速速时时，就就出出现现了了波波间间的
23、的强强耦耦合合。这这类类表表面面波波耦耦合合的的最最低频率确定了微带天线工作频率的上限。低频率确定了微带天线工作频率的上限。n n最低次最低次TMTM模的截止频率没有下限，高次模（模的截止频率没有下限，高次模（TMTMn n和和TETEn n）的截止频率为）的截止频率为n n式式中中，c c是是真真空空中中的的光光速速；n=1n=1，3 3，5 5，（TETEn n模模），或或n n=2 2，4 4，66（TMTMn n模模）。对对于于TETE1 1模模，以以duroidduroid（r r =2.322.32）和和氧氧化化铝铝（r r =1010）为为基基片片时时，h h/c c（c c为为
24、截截止止波波长长）的的计计算算值值分分别别为为0.2170.217和和0.08330.0833。因因此此，最最低低次次TETE模模对对于于0.16cm0.16cm厚厚的的duroidduroid基基片片，在在约约41GHz41GHz上上可可以以激激励励起来，对于起来，对于0.0635cm0.0635cm厚的氧化铝陶瓷基片，在约厚的氧化铝陶瓷基片，在约39GHz39GHz上可以激励起来。上可以激励起来。n n由由于于TMTM0 0模模的的截截止止频频率率没没有有下下限限，所所以以，在在开开路路微微带带天天线线上上，总总能能激激励励到到相相当当程程度度，甚甚至至在在介介电电常常数数较较低低而而且且
25、非非常常薄薄的的基基片片上上，也也能能以以近近于于光光速速的的相相速速传传播播起起来来。计计算算表表明明，当当h/h/0 00.09(0.09(r r 2.32.3的的基基片片)和和h/h/0 00.030.03(r r 1010的的基基片片)时时，表表面面波波的的激激励励就就相相当当可可观观了了。因因此此，一一般般来来说说，在在特特定定的的应应用用中中，如如果果按按照照上上面面的的表表面面波波抑抑制制条条件件来来选选择择基基片片，表表面面波波的的影响就可不必考虑。影响就可不必考虑。第21页/共34页微带天线的辐射原理微带天线的辐射原理n n以矩形微带天线为例，用传输线模分析法介绍它的辐射原理
26、。以矩形微带天线为例，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。n n设设辐辐射射元元的的长长为为l l，宽宽为为w w，介介质质基基片片的的厚厚度度为为h h，现现将将辐辐射射元元、介介质质基基片和接地板视为一段长为片和接地板视为一段长为l l的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。n n根根据据微微带带传传输输线线理理论论，由由于于基基片片厚厚度度h h 0.090.09（r r 2.32.3的的基基片片）和和h h/0 0 0.030.03（r r 1010的的基基片片）时时，表表面面波波的的激激励励就就相相当当可可观观了了。因因此此，一一般般来来说说
27、，在在特特定定的的应应用用中中，如如果果按按照照上上面面的的表面波抑制条件来选择基片，表面波的影响就可不必考虑。表面波抑制条件来选择基片，表面波的影响就可不必考虑。第27页/共34页单元宽度单元宽度wn n对于厚度为h的介质基片，天线工作频率为fr以及有较高的辐射效率，其实用宽度w是n n（3-30）n n式中，c是光速。当选用小于式（3-30）的宽度时，辐射效率较低；而选用大于式（3-30）的宽度时，辐射效率虽较高，但这时将产生高次模，从而引起场的畸变。第28页/共34页n n在图在图3-143-14中，对三种常用介质基片画出了式（中，对三种常用介质基片画出了式（3-303-30）的曲线。）
28、的曲线。n n图图3-14 3-14 不同介质基片的单元宽度与频率的关系曲线不同介质基片的单元宽度与频率的关系曲线第29页/共34页单元长度单元长度Ln n一旦知道了W，则线伸长l和等效介电常数e可分别式（3-14）和（3-15）来计算。因此，谐振单元长度为n n （3-31）n n （3-14）n n （3-15）n n由于谐振单元所固有的窄带宽，所以，它的长度是一个临界参数，应当用式（3-31）来求线长L的精确值。第30页/共34页单元长度单元长度Ln n根据式(3-31)，图3-15画出了不同基片时L与fr的关系曲线图。由图可见，频率低于2GHz时，L随h的变化可以忽略不计。图3-15 不同介质基片的单元长度与频率的关系曲线第31页/共34页馈点位置的确定馈点位置的确定 可以采用试探法 也可以采用阻抗匹配法第32页/共34页天线设计软件天线设计软件n ADSn Sonnetn HFSSn CST第33页/共34页