微带天线课件

航空天线技术航空天线技术航空天线技术1航空天线技术航空天线技术第五讲第五讲微带天线微带天线航空天线技术第五讲2微带天线微带天线微带天线工作原理微带天线工作原理GPS接收天线设计接收天线设计微带天线微带天线工作原理3微带天线工作原理微带天线工作原理微带天线工作原理4微带天线工作原理微带天线工作原理辐射机理辐射机理贴片尺寸为 ，介质基片厚度为 。微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取 ，为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。微带天线工作原理辐射机理贴片尺寸为 ，介质基片厚度5微带天线工作原理微带天线工作原理辐射机理辐射机理电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为微带天线工作原理辐射机理电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基6微带天线工作原理微带天线工作原理辐射机理辐射机理沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。微带天线工作原理辐射机理沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射7微带天线工作原理微带天线工作原理辐射机理辐射机理矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 的正镜像。由于 ，因此它只相当于将 加倍，辐射图形基本不变。微带天线工作原理辐射机理矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边8微带天线工作原理微带天线工作原理分析方法分析方法 最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmission Line Model)理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。微带天线工作原理分析方法 9微带天线工作原理微带天线工作原理分析方法分析方法从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。微带天线工作原理分析方法从原理上说，积分方程法可用于各种结10微带天线工作原理微带天线工作原理分析方法分析方法这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Greens Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。微带天线工作原理分析方法这三种理论仍不断地在某些方面有所发11传输线模型传输线模型分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型是传输线模型。该模型将矩形微带贴片看成场沿横向（a边）没有变化的传输线谐振器场沿纵向（b边）呈驻波变化，辐射主要由两开路端（a边）处的边缘场产生。因此，微带天线可表示为相距b的两条平行缝隙（长a宽h）。传输线模型分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型12传输线模型传输线模型y=0处的缝隙等效面磁流为该磁流所产生的电矢位为传输线模型y=0处的缝隙等效面磁流为13传输线模型传输线模型等效电路如图传输线模型等效电路如图14传输线模型传输线模型惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特性阻抗Zc的计算公式如下：w/h1w/h1传输线模型惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特性阻抗15传输线模型传输线模型施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相对介电常数的一个简单经验公式：传输线模型施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相对16矩形贴片天线的传输线模型矩形贴片天线的传输线模型缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数展开式表示，略去高阶项后可得近似结果如下：矩形贴片天线的传输线模型缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数17矩形贴片天线的传输线模型矩形贴片天线的传输线模型除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳还有一电容部分。它由边缘效应引起，其电纳可用延伸长度l来表示：哈默斯塔德给出l的经验公式如下：矩形贴片天线的传输线模型除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳还18矩形贴片天线的传输线模型矩形贴片天线的传输线模型当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条缝隙的导纳加上长为b的传输线变换后的另一缝隙导纳，便得出微带天线的输入导纳：矩形贴片天线的传输线模型当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条缝19矩形贴片天线的传输线模型矩形贴片天线的传输线模型用延伸长度来表示电容效应，则可获得更简便的计算式：矩形贴片天线的传输线模型用延伸长度来表示电容效应，则可获得更20矩形贴片天线的传输线模型矩形贴片天线的传输线模型H面E面矩形贴片天线的传输线模型H面21矩形贴片天线的传输线模型矩形贴片天线的传输线模型半功率波瓣宽度近似值如下：矩形贴片天线的传输线模型半功率波瓣宽度近似值如下：22矩形贴片天线的矩形贴片天线的E面方向图面方向图矩形贴片天线的E面方向图23矩形贴片天线矩形贴片天线H面方向图面方向图矩形贴片天线H面方向图24矩形贴片天线的尺寸设计矩形贴片天线的尺寸设计矩形贴片天线的尺寸设计25空腔模型理论空腔模型理论罗远祉(Y.T.Lo)等在1979年提出了空腔模型理论。基于薄微带天线(h0)的假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件求得。空腔模型理论罗远祉(Y.T.Lo)等在1979年提出了空腔模26空腔模型理论空腔模型理论由复数形式的麦克斯韦方程可得式中化为标量方程空腔模型理论由复数形式的麦克斯韦方程可得27空腔模型理论空腔模型理论可用模展开法或模式匹配法求解方程。模展开法即把解表示为各本征模的叠加。本征函数由求解无源区与波动方程得出：在磁壁处需满足的边界条件为空腔模型理论可用模展开法或模式匹配法求解方程。28空腔模型理论空腔模型理论可得内场的一般解式中空腔模型理论可得内场的一般解29空腔模型理论空腔模型理论求得内场，应用等效性原理得出外空间的场。四周为磁壁，切向磁场为零，因而等效电流也为零；但四周磁壁上有切向电场，故有等效磁流：等效磁流源在远区产生的电矢位为空腔模型理论求得内场，应用等效性原理得出外空间的场。四周为磁30空腔模型理论空腔模型理论矩形贴片的本征函数和谐振波数空腔模型理论矩形贴片的本征函数和谐振波数31空腔模型理论空腔模型理论圆形贴片的本征函数和谐振波数空腔模型理论圆形贴片的本征函数和谐振波数32空腔模型理论空腔模型理论圆环贴片的本征函数和谐振波数空腔模型理论圆环贴片的本征函数和谐振波数33空腔模型理论空腔模型理论等边三角形贴片的本征函数和谐振波数空腔模型理论等边三角形贴片的本征函数和谐振波数34圆极化技术圆极化技术微带天线的优点之一是便于实现圆极化工作。用单片微带贴片天线就能实现圆极化辐射。两种设计方法：单馈点法和多馈点法也可用多个线极化微带贴片天线或其他微带天线元来辐射圆极化波（多元法）。圆极化技术微带天线的优点之一是便于实现圆极化工作。用单片微带35圆极化技术圆极化技术单馈点圆极化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射。它是基于空腔模型理论，利用两个辐射正交极化的简并模工作。圆极化技术单馈点圆极化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分36宽频带技术宽频带技术降低等效谐振电路Q值：增大h,降低Er。附加寄生贴片、采用电磁耦合馈电附加阻抗匹配网络宽频带技术降低等效谐振电路Q值：增大h,降低Er。37GPS接收天线设计设计说明设计说明工作频率:1.575 GHz输入阻抗:50 Ohm驻波比:2:1极化:右旋圆极化带宽:3.8%(60 MHz)GPS接收天线设计设计说明38GPS接收天线设计2DGPS接收天线设计2D39GPS接收天线设计3DGPS接收天线设计3D40GPS接收天线设计驻波比GPS接收天线设计驻波比41GPS接收天线设计带宽GPS接收天线设计带宽42GPS接收天线设计阻抗GPS接收天线设计阻抗43GPS接收天线设计阻抗GPS接收天线设计阻抗44GPS接收天线设计Smith圆图GPS接收天线设计Smith圆图45GPS接收天线设计轴比GPS接收天线设计轴比46GPS接收天线设计极化率GPS接收天线设计极化率47GPS接收天线设计方向图GPS接收天线设计方向图48