微帶天線介紹

1　微帶天線簡(jiǎn)介 
1.1　微帶天線結(jié)構(gòu)與分類 
　　微帶天線是近30年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一類新型天線。早在1953年就提出了微帶天線的概念，但并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發(fā)展和使用是在70年代。常用的一類微帶天線是在一個(gè)薄介質(zhì)基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對(duì)貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線。當(dāng)貼片是一面積單元時(shí)，稱它為微帶天線；若貼片是一細(xì)長(zhǎng)帶條則稱其為微帶陣子天線。圖1所示為一基本矩形微帶天線元。 
 
 
 
 
圖1　微帶輻射元及其附近的場(chǎng)分布 
 
　　長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W2的矩形微帶天線元可看作一般低阻傳輸線連接兩個(gè)輻射縫組成。L為半個(gè)微帶波長(zhǎng)即為λg/2時(shí)，在低阻傳輸線兩端形成兩個(gè)縫隙a-a和b-b，構(gòu)成一二元縫陣，向外輻射。 
　　另一類微帶天線是微帶縫隙天線。它是把上述接地板刻出窗口即縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印刷出微帶線對(duì)縫隙饋電。 
　　按結(jié)構(gòu)特征把微帶天線分為兩大類，即微帶貼片天線和微帶縫隙天線；按形狀分類，可分為矩形、圓形、環(huán)形微帶天線等。按工作原理分類，無(wú)論那一種天線都可分成諧振型(駐波型)和非揩振型(行波型)微帶天線。前一類天線有特定的諧振尺寸，一般只能工作在諧振頻率附近；而后一類天線無(wú)諧振尺寸的限制，它的末端要加匹配負(fù)載以保證傳輸行波。 
1.2　微帶天線的性能 
　　微帶天線一般應(yīng)用在1～50GHz頻率范圍，特殊的天線也可用于幾十兆赫。和常用微波天線相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： 
　　(1)體積小，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形； 
　　(2)電性能多樣化。不同設(shè)計(jì)的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化； 
　　(3)易集成。能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件。 
1.3　微帶貼片形狀 
　　貼片形狀是多種多樣的，實(shí)際應(yīng)用中由于某些特殊的性能要求和安裝條件的限制，必須用到其他形狀的微帶貼片天線。例如，國(guó)外某型炮彈引信天線要求半球覆蓋的方向圖，即E面和H面方向圖在端射方向()的電平也要求在半功率電平以上，而規(guī)則的矩形或圓形貼片無(wú)法滿足。因此，為使微帶天線適用于各種特殊用途，對(duì)各種幾何形狀的微帶貼片天線進(jìn)行分析就具有相當(dāng)?shù)闹匾�性�?nbsp;
 
2　微帶天線的分析方法 
　　微帶天線進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)天線的性能參數(shù)(例如方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等)預(yù)先估算，這將大大提高天線研制的質(zhì)量和效率，降低研制的成本。這種理論工作的開(kāi)展，帶來(lái)了多種分析微帶天線的方法，例如傳輸線、腔模理論、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計(jì)算微帶天線的方向圖，其結(jié)果是一致的，特別是主波束。本部分將對(duì)一般的矩形微帶天線進(jìn)行分析討論，為特殊形狀要求的微帶天線做好理論分析基礎(chǔ)。 
　　利用傳輸線模式分析微帶天線是比較早期的方法，也較簡(jiǎn)單，其精確度可以滿足一般工程設(shè)計(jì)要求。以下將用傳輸線法如圖1所示的基本矩形微帶天線元為例，說(shuō)明它的工作原理與主要電參數(shù)。 
2.1　物理模型 
　　傳輸線方法的基本假設(shè)：(1)微帶片和接地板構(gòu)成一般微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波。波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)。線段長(zhǎng)度取1≈λg/2，λg為準(zhǔn)TEM波的波長(zhǎng)。場(chǎng)的傳輸方向是駐波分布，而在其垂直方向(圖中的寬度W方向)是常數(shù)。(2)傳輸線的兩個(gè)開(kāi)口端(a-a，b-b)等效為兩個(gè)輻射縫，長(zhǎng)為W，寬為h，縫的徑場(chǎng)為傳輸線開(kāi)口端場(chǎng)強(qiáng)。縫平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開(kāi)口面向上折轉(zhuǎn)90度，而開(kāi)口場(chǎng)強(qiáng)也隨之折轉(zhuǎn)。 
2.2　輻射原理分析 
　　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(天線薄)，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λg/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=λg/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。 
　　圖2表示其中一個(gè)裂縫的幾何關(guān)系。 
 
 
 
 
 
圖2　單裂縫的坐標(biāo)關(guān)系 
 
　　裂縫平面與接地面平行，裂縫受水平電場(chǎng)Ey的激勵(lì)。Ey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h＜＜λ，所以Ey沿y方向也是常數(shù)，故相應(yīng)的磁流Im可寫為 
 
 
 
 
(1) 
 
　　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。將磁基本陣子的輻射場(chǎng)沿裂縫長(zhǎng)度W積分，就可以得到其遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為 
 
 
 
(2) 
 
2.3　微帶線特性參數(shù) 
　　特性阻抗　；　傳播波長(zhǎng)　；　傳播常數(shù)　 
　　式中εe為等效相對(duì)介電常數(shù)。 
　　，εr為介質(zhì)板介電常數(shù)。 
　　空氣微帶天線特性阻抗Z0為 
 
 
 
3　微帶天線的應(yīng)用分析與設(shè)計(jì)方法 
3.1　應(yīng)用情況 
　　微帶天線具有小型化、易集成、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景廣闊，尤其可在無(wú)線電引信上積極的推廣與應(yīng)用。現(xiàn)以國(guó)外某型炮彈引信為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明微帶天線在引信上的分析與設(shè)計(jì)。該引信是—調(diào)頻體制引信，天線部分由頭部的塑料封帽、微帶貼片和金屬底板組成，安裝在彈體頭部。該天線在電流不連續(xù)點(diǎn)形成等效磁流源，靠改變各磁流的位置，可改變天線的方向性。 
3.2　饋電方式與阻抗匹配 
　　矩形微帶天線的饋電方式基本上分成側(cè)饋和背饋兩種。不論那種方式，其諧振輸入電阻Rin很大，為使Rin與50Ω饋電系統(tǒng)相匹配，則阻抗變換器是不可少的。為實(shí)現(xiàn)匹配，輸入阻抗的大小必須知道。整個(gè)微帶天線的輸入導(dǎo)納可看作是一個(gè)縫的導(dǎo)納，經(jīng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的低特性阻抗傳輸線變換后，再與另一個(gè)縫的導(dǎo)納并聯(lián)，諧振狀態(tài)其輸入電納為零，輸入導(dǎo)納等于兩倍的輸入電導(dǎo)Yin-2G∑〃 
　　當(dāng)Wλ時(shí)，有 
 
G∑〃=w2/90λz 
 
其值通常比微帶傳輸線的特性導(dǎo)納小很多，接近開(kāi)路狀態(tài)，因此限制了天線的阻抗頻帶。為了使頻帶加寬，可增加基片的厚度，減小基片的εr值，以使特性導(dǎo)納降低；再增加W使輻射電導(dǎo)提高。 
　　由上式可見(jiàn)，方向函數(shù)由兩個(gè)因子組成，其中一個(gè)sinθ即基本磁陣子的方向函數(shù)；另一個(gè)就是長(zhǎng)度為L(zhǎng)的等幅同相連續(xù)陣的陣因子。 
 
 
 
圖3　傳輸線物理模型 
 
　　矩形微帶天線單元的輻射就等于上述裂縫組成的間距為L(zhǎng)的二元陣的輻射。如圖3所示二元陣 
天線的輻射場(chǎng)為 
 
 
，r是微帶中心到場(chǎng)點(diǎn)的距離。 
　　由于hλ，故F2(θ,φ)≈1 
　　同樣 
 
 
 
(4) 
 
　　由上式可見(jiàn)，若φ=0，則此平面上僅有Eθ分量，故此平面為E面；而在φ=90°平面，Eθ=0，僅有Eφ分量，故為H面，這是與波傳播方向垂直的平面，最大輻射方向在θ=0即z軸。這是因?yàn)榧��?lì)二元陣的特點(diǎn)。 
　　該型炮彈引信微帶天線采用側(cè)饋方式，在制作側(cè)饋的矩形微帶天線時(shí)，可按下述方法實(shí)現(xiàn)匹配：將中心饋電天線的貼片同50Ω饋線一起光刻制作，實(shí)測(cè)其輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配變換器，然后在天線輻射元與微帶饋線間接入該變換器就做成所需的天線。 
 
 
.3　輻射模型 
　　圖4所示為該型天線式樣  
 
 
圖4　某型引信微帶天線 
 
　　由實(shí)地測(cè)量、試驗(yàn)等方法，可得出其εr,f0,h,W,L,并由上述公式得出微帶天線εe,λg,Z0。 
　　以傳輸線理論分析方法為依據(jù)，用等效磁流的觀點(diǎn)建立模型。同時(shí)根據(jù)電壓波形考慮微帶兩開(kāi)口端輻射，以及兩轉(zhuǎn)折彎頭的輻射，給出各不連續(xù)處的電場(chǎng)，得到磁流的大小與方向。由于金屬底板的反射，用鏡像的原理得其相應(yīng)的場(chǎng)源分布情況。微帶天線上各處輻射情況如圖5所示。 
 
 
 
 
圖5　該型微帶天線的輻射模型 
 
3.4　定量分析方法 
　　由天線輻射原理模型可以看出，共有6對(duì)磁流源，y軸平行排列著Im6Im′6，Im1Im′1，Im3Im′3，Im5Im′5，x軸軸向排列有Im2Im′2，Im4Im′4等。 
　　求解總輻射場(chǎng)時(shí)，可看作是這5個(gè)二元縫陣輻射場(chǎng)的疊加。圖5中所標(biāo)的字母Im1，Im2，Im3…等，是以Im1點(diǎn)為參考所作的歸一化，用來(lái)表示各輻射點(diǎn)電場(chǎng)幅值的大小；另外用β1，β2，β3表示Im3，Im5，Im6點(diǎn)電壓相位滯后于Im1點(diǎn)的數(shù)值。這些數(shù)值的獲取是通過(guò)對(duì)微帶貼片的實(shí)際測(cè)量，代用公式求得微帶上傳輸波的波長(zhǎng)并求得相應(yīng)的波形，這樣各點(diǎn)相位滯后情況就可知道，代用式(1)便可求出各點(diǎn)的等效磁流的大小。由于測(cè)量的誤差，勢(shì)必造成計(jì)算結(jié)果的失真，嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致所得到的天線參數(shù)與實(shí)際情況背離很遠(yuǎn)。 
　　針對(duì)上述輻射源排列，現(xiàn)簡(jiǎn)單的作一探討，列出其輻射方程，供大家討論。該情況下，天線方向圖的E面、H面上有水平和垂直兩種極化方式。求解時(shí)單獨(dú)考慮。 
　　(1)φ=90°平面上，Im1-Im′1，Im6-Im′6，Im3-Im′3，Im5-Im′5組成的輻射陣，在該面上只有Eφ分量，Im2-Im′2，Im4-Im′4組成的輻射陣，則只有Eθ分量。所以存在兩種極化方式。公式如下： 
　　 
　　上述式(5)、(6)、(7)、(8)描述了該型微帶天線輻射的情況。C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)該過(guò)程。由模擬出的方向圖可以較清楚地看到，φ=90°平面即垂直于彈軸的赤道面上，天線的方向圖呈兩個(gè)8字型，一個(gè)為豎8字型，一個(gè)為橫8字型，這一點(diǎn)與實(shí)測(cè)的天線方向圖相符合。φ=0°平面即平行于彈軸的子午面上，水平極化為一前傾的半圓形，這與實(shí)際也相符，但是垂直極化的方向圖與實(shí)測(cè)的方向圖不夠符合。其原因與尺寸測(cè)量誤差有關(guān)。 
　　改變介質(zhì)板的厚度，介電常數(shù)，微帶貼片的寬度等，就從根本上改變了微帶傳輸線上的波形(傳輸波長(zhǎng)λR與上述參數(shù)有密切的關(guān)聯(lián))。從對(duì)方向圖影響的角度來(lái)看，赤道面上影響不大，但在子午面上影響明顯，前傾的半圓形可能會(huì)變成橫8字型(當(dāng)然這是在保證天線尺寸不變的情況下)。 
 
4　結(jié)束語(yǔ) 
　　微帶輻射理論有著廣闊的應(yīng)用前景，我們?cè)诖朔矫骐m做了一些有益的探索，但由于水平所限，難免有不妥之處。在完成本論文的過(guò)程中，西安機(jī)電信息研究所為我們提供了不少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在此表示衷心的感謝。

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建議看I·J·鮑爾的微帶天線。

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好好學(xué)習(xí)，天天向上

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為什么沒(méi)有圖

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沒(méi)有圖 
確實(shí)遺憾 
2樓說(shuō)得I·J·鮑爾的微帶天線 
確實(shí)不錯(cuò)算得上是經(jīng)典教材 
還有國(guó)內(nèi)鐘順時(shí)以及張鈞的兩本微帶天線的書也不錯(cuò) 
這兩本書資料下載區(qū)有pdf版的 
感興趣的版友可以下來(lái)看看 
呵呵

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頂！

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不錯(cuò)的說(shuō)  支持一下

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