1、 南京理工大學 碩士學位論文 Ka波段微帶天線設計 姓名：田曉英 申請學位級別：碩士 專業：電磁場與微波技術 指導教師：婁國偉;錢嵩松 20080601 碩士論文 摘 要 波段微帶天線設計 微帶天線由于其重量輕、剖面小、易共形、設計靈活、成本低且易和、 等電路相集成等優點得到了越來越廣泛的應用，比如導彈制導、雷達、衛星通信等方 面。毫米波波長介于微波和紅外之間，因而其特性也在一定程度上介于兩者之間，如 適中的分辨率及良好的煙塵穿透性，因此在某些情況下可以完成微波和紅外均難以完 成的任務。 波段是毫米波頻段中的一部分，本文針對波段設計了三種微帶天線，工作 頻率均為。并且為了測試的需要，設計了波導

2、一微帶過渡結構，即天線由一段 微帶線激勵，而這段微帶線的下端從波導寬邊中線上所開的小槽伸入波導腔中作為波 導的探針激勵。 本文的工作主要包括： ）波段微帶單脈沖天線設計及測試；首先利用 輔助設計了工 作頻率為單個微帶天線，考慮了饋電方式并調整了饋電點；然后仿真了由 個單個貼片組成了×微帶天線陣列以及微帶單脈沖和差網絡。最后加工測試了× 微帶天線子陣和×微帶單脈沖天線。 ）波段寬帶口徑耦合微帶天線設計及仿真；利用 輔助設計了 工作頻率為的口徑耦合微帶天線，實現了寬帶特性。并設計仿真了口徑耦合微 帶天線陣列，分析了結果。 ）波段寬帶微帶單極子天線設計及仿真；利用 輔助

3、設計了工 作頻率為的圓形和橢圓形微帶單極子天線，在，、，的范圍內都滿 足，帶寬達到，遠遠超過普通的微帶天線的典型帶寬。 關鍵詞：波段微帶單脈沖天線寬帶口徑耦合微帶天線寬帶微帶單極子天線 波導一微帶轉換 碩士論文 ， ， ， ， ， ， （） ， ， ， ， ： ） ， 、 ， ） -5 ） 碩士論文 波段微帶天線設計 ： ； ； ； 礎 ； 聲 明 本學位論文是我在導師的指導下取得的研究成果，盡我所知，在本學 位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經發表或公布 過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構的學位或學歷而使用過的 材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均已在論

4、文中作了明 確的說明。 研究生簽名： 年月 日 學位論文使用授權聲明 南京理工大學有權保存本學位論文的電子和紙質文檔，可以借閱或上 網公布本學位論文的部分或全部內容，可以向有關部門或機構送交并授權 其保存、借閱或上網公布本學位論文的部分或全部內容。對于保密論文， 按保密的有關規定和程序處理。 研究生簽名： 年月 日 碩士論文 緒論 波段微帶天線設計 波段微帶天線的發展及研究意義 波段微帶天線是指工作頻段在，波長范圍在的微帶天線。 鑒于頻段具有可用帶寬寬、干擾少、設備體積小等優點，波段天線在空間方面 主要應用于衛星通信，頻段衛星通信系統可為高速衛星通信、千兆比特級寬帶數字 傳輸、高清晰度電視（）

5、、衛星新聞采集（）、業務、直接到家庭（） 業務及個人衛星通信等新業務提供一種嶄新的手段。在全球信息基礎設施中，波段 衛星發揮著至關重要的作用，能夠向最終用戶提供各種經濟實惠的實時網絡服務，例 如高速互聯網接入、遠程教育、遠程診斷以及電視娛樂等。因此，波段天線具有不 可替代的重要作用。而波段微帶天線以其重量輕、剖面小、設計靈活、成本低廉 且易和、等電路相集成等優點應用于各種通信系統，并且已廣泛應用于軍 事領域，例如雷達、導彈制導、引信等方面。 頻段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高，但這些都可以采取相關技 術手段予以克服。總之，頻段衛星通信系統主要是在提供雙向多媒體業務方面具有 較大優勢。

6、 目前，波段微帶天線在空間方面主要應用于衛星通信、飛機上的通信及警報設 備、飛船與地面的通信等。另外，在宇宙空間方面主要應用于資源探測。在地面應用 主要針對地面通信或對空中飛行物的定位、定向等。例如地面無線通信、飛機測高、 機場管理、環境監測、汽車防撞雷達醫療設備、衛星電視接收等。 波段微帶天線設計中的一些考慮 盡管波段微帶天線具有很多優點，但是波段微帶天線因為其工作頻率較高， 因而具有其特殊性，一般在設計過程中需要考慮以下幾點【】： ）表面波損耗。在頻段，特別是在采用厚基片時，表面波問題顯得更加嚴重， 由它引入的損耗有時不可忽略。 ）饋線損耗及雜散輻射。尤其并饋系統到每個單元的饋電微帶線都比

7、較長，而且 在天線之間繞行，因此，在設計過程中必須考慮饋線的損耗及其雜散輻射對天線方向 圖性能的影響。 ）對加工公差的要求。因為波段微帶天線工作波長很短，因而微帶單元貼片 尺寸很小，饋線也很窄。饋線寬度只有零點幾個毫米，而一般要求的公差要小一個數 量級，可見對加工精度的要求是很高的。 緒論 碩士論文 ）互耦的影響。天線陣元上的能量可以通過空間波耦合或表面波耦合。當互耦電 平大于時，天線的性能就會受到極大影響?；ヱ钐螅坏珪垢卑觌娖阶兇螅?主瓣變形，甚至還會產生陣列的盲點。 除了上述幾點外，還應注意到如果波段微帶天線陣的陣元數不多，比如只有 ×，等，天線陣效率可以設計得比較高，方向

8、性也可以設計得比較好。但是， 在大陣中就很難得到像小陣這么好的特性了，因為大陣主要是為了得到高的方向性增 益，損耗就會很大。絕大多數這種損耗來自于饋電系統。對于饋電系統而言，微帶輻 射單元上的損耗幾乎可以不考慮。微帶線在毫米波頻段損耗比較大，功率耗散也大， 特別是在由長走線的平面并饋系統中。在波段低端， 微帶貼片諧振器可以有超過 的輻射效率。具有長饋線系統的微帶天線陣的另一問題就是介質材料的表面不均 勻性會導致陣列單元的激勵存在相差，從而引起方向圖的畸變【。 本文主要內容 第一章主要介紹了波段微帶天線的發展及研究意義，并提出了波段微帶天 線設計中需要特殊考慮的地方。 第二章介紹了微帶天線的基本

9、理論和分析方法，主要回顧了經典的傳輸線模型法、 腔模分析法，并詳細介紹了微帶天線的輻射機理和設計方法。 第三章介紹了單脈沖天線的工作原理，利用 輔助設計了工作頻率 在的×微帶達單脈沖天線，其中包括×天線陣列和微帶單脈沖和差網絡。 在天線子陣設計過程中考慮了饋線問題，減少了饋線與陣元的耦合。 第四章利用 輔助設計了工作頻率為的口徑耦合微帶天線， 實現了寬帶特性，并組成了口徑耦合微帶天線陣列。 第五章介紹了微帶天線到單極子天線的轉化過程，并通過偶極子的特性得到單極 子的設計方法，最后利用 輔助設計了波段微帶圓形和橢圓形單極 子天線，并給出了仿真結果。 第六章總結了本文的工作內容

10、，并提出了本文的不足和有待改進的地方。 碩士論文 波段微帶天線設計 微帶天線基本原理與設計理論 引言 微帶輻射器的概念早在年就由美國的提出了【】，但是實用的 各種微帶天線卻十世紀七十年代才逐漸發展起來。隨著各種低耗介質材料的出現、 微波集成工藝的發展（光刻技術等）、微帶輻射理論模型的完善再加上微帶天線本身所 具有的許多優勢，各種新型平面微帶天線開始備受世界各地的學者關注并且不斷被開 發和應用。關于實際微帶天線最早的工作是由美國的和完成 的。年，提出了一種微帶天線單元的設計。年，對 基本的微帶貼片天線（矩形和圓形）進行了研究和設計。從世紀年代開始，微帶 天線理論以及應用的深度和廣度有了長足的發展

11、，并逐漸趨于成熟。 隨著微波集成電路技術的發展和新型介質材料的出現，各種形狀、不同功能的微 帶天線應運而生，并被廣泛用于衛星通信、移動通信，以及多普勒雷達、飛行器等大 量無線電設備中。在空間通信技術中，如在海洋衛星、航天飛船、成像雷達系統中都 使用了平面結構的微帶天線陣列。微帶天線的特點是設計尺寸靈活，體積小，重量輕， 適于內置式。對于便攜式無線通信設備，如無繩電話、個人通信業務，蜂窩電話、尋 呼機、無線調制解調器以及對于通信天線有特殊要求的場合，微帶天線的獨特技術性 能就成為其最好的選擇。隨著相關科學技術的發展，微帶天線的應用領域將會進一步 擴展。 與普通微波天線相比，微帶天線有很多優點，比

12、如剖面薄、體積小、重量輕；具 有平面結構，并可制成與導彈、衛星等載體表面共形的結構；饋電網絡可與天線結構 一起制作，適合于用印制電路技術大批量生產；能與有源器件和電路集成為單一模件； 便于獲得圓極化，容易實現雙頻段、雙極化等工作。 但微帶天線也有一些缺點，如頻帶窄；有導體和介質損耗，功率容量較小；性能 受基片材料影響較大等。但目前已發展了不少技術來克服上述缺點。 微帶天線的分類及參數 微帶天線的分類 微帶天線是利用微波集成工藝技術在雙面敷金屬板上制成的輻射體和饋線系統。 與通常的微波天線相比，微帶天線的設計可根據需求有較為任意的幾何形狀和尺寸， 具有更多的物理參數。 微帶天線的形式有多種，按照

13、分類方式的不同，可以歸納為以下的形式。 微帶天線摹本原理與設計理論 碩士論文 ）按幾何形狀分 矩形、圓形、三角形、半圓形、橢圓形微帶天線等； ）按天線結構分 微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶線形天線、微帶縫隙天線； ）按饋電方式分 微帶饋電、同軸饋電、共面波導饋電、電磁耦合饋電、口徑耦合饋電等； ）按天線上波的傳播形式分 微帶駐波（諧振式）天線、微帶行波（非諧振式）天線； ）按極化方式分 線極化、圓極化、橢圓極化微帶天線等。 微帶天線的參數 微帶天線的主要特性參量有方向圖、主瓣寬度、副瓣電平、方向性系數、增益、 極化、效率、輸入阻抗、工作頻率、頻帶寬度和交叉極化電平等。下面對其中重要的 參量進

14、行介紹【引。 ）方向圖 天線的方向圖是表示天線在空間各點輻射功率大小的分布圖。它直觀地顯示出了 天線在不同方向輻射的相對大小。在工程上，一般采用兩個相互正交的主平面上的方 向圖來表示天線的方向性，這兩個主平面被稱為面和面。面是通過天線最大輻 射方向并平行于電場矢量的平面，而面是通過天線最大輻射方向并垂直于面的平 面。 ）主瓣寬度（島朋和島塒） 在天線的方向圖中，包含最大輻射方向的波瓣稱為主瓣。一般用主瓣寬度來反映 天線的輻射集中程度。主瓣寬度定義為主瓣中輻射強度（即功率密度）為最大值一半的 兩個向徑之間的夾角。面和面的主瓣寬度分別記為皖蛐和島刪。 ）副瓣電平（） 副瓣是指方向圖中除了主瓣外的其

15、它含極大輻射方向的副瓣。副瓣的最大值和主 瓣的最大值之比稱為副瓣電平，記為。一般只需要最大的副瓣電平，即第一副瓣 電平，記為乩厶。 ）方向性系數（） 方向性系數反映了天線集中輻射的程度。定義為在相同的總輻射功率下，某天線 產生于最大輻射方向的輻射強度與電源產生于同一點的輻射強度的比值。天線的輻射 越集中，方向性系數越大。 碩士論文 波段微帶天線設計 ）增益（） 增益的定義為在同一輸入功率下，某天線產生于最大輻射方向的輻射強度與電源 產生于同一點的輻射強度的比值。增益和方向性系數關系密切，可用式（）表示： （） 極化 天線輻射的電磁波的極化形式決定了天線的極化形式。一般有線極化天線和圓極 化天線

16、。有地面時，線極化又分為垂直極化和水平極化。圓極化又可以分為左懸圓極 化和右旋圓極化。極化不匹配將嚴重影響接受的效果。 ）輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線在饋電點電壓和電流的比值。輸入阻抗決定匹配的設計。 匹配越好，反射越小，駐波系數（）就越小。 ）頻帶寬度 微帶天線中的頻帶寬度一般用或，一頻帶寬度來定義。 ）交叉極化電平 交叉極化電平是用來衡量天線極化純度的一個量，定義為交叉極化場強幅度 與主極化場強度之比的平方，一般用表示。 拋）斟 （） 微帶天線的分析方法 微帶天線的分析是求解天線在周圍空間建立的電磁場。經過多年的科學研究，已 獲得許多種微帶天線的實用分析方法，其主要理論主要有：（）傳輸線

17、模型（）（） 空腔模型（）（）全波分析法（），即積分分析法（）（）格林函數法：腔模格林函 數法和表面電流模型（）多端網絡法【。 本小節主要介紹兩種常用的分析方法：傳輸線法和腔模理論，兩種理論均用矩形 貼片天線做物理模型。 傳輸線法 用傳輸線模式分析微帶天線是比較早期的方法，也是最簡單的方法。近適用于矩 形微帶天線和微帶振子天線。傳輸線物理模型如圖所示。此方法的有以下兩個基 本假設： （）微帶貼片和接地板構成一段微帶傳輸線，傳輸準波。波的傳輸方向決定 于饋電方式和饋電位置。線段長度丸，屯為準波在微帶天線中的傳輸波 微帶天線基本原理與設計理論 碩上論文 長。在某一時刻，場在傳輸方向即三邊是駐波分布

18、，而在形邊為常數。 （）把傳輸線的兩個開端（始端和末端）等效為兩個輻射縫，長為形，寬為，縫 口徑的場即為傳輸線開口端的場強。可以把縫平看作位于微帶貼片的延伸面上，即是 將開口面向上折轉度，則開口場強隨之折轉。 三 ， 尹 圖傳輸線物理模型 根據上述兩條基本假設可以看出，當無時，兩個縫上的切向電場均為膏方 向，且等幅同相。可以把電場等效為磁流，由于接地板的作用，相當于兩倍磁流向上 半空間輻射。縫上等效磁流密度為 （） 其中虼。辦為加在縫隙上的電壓。 圖微帶貼片天線的一條等效主輻射縫隙 由圖可以看出，矩形微帶貼片天線可以等效為二元縫陣，并且縫上的等效磁 夕縫隙 碩士論文 波段微帶天線設計 流是均勻

19、分布的。由矢量位法，司以求出矩形微帶天線的輻射場： 歹譬伊： 炒硼州吲蚴（?？冢?， （ 【 秒 ）（，驢）疋（秒，緲） （） 式中 缸華伊） 詠見咖飛口了 （掣伊） 以見咖飛箋五了 （） 彳三二一燉，是微帶片中心到場點的距離。 由于九，所以（，伊） 同理，可以求得 易：秒【緲）（，緲）（臼，緲） （） 若，則在此平面上僅有易分量，故此平面為面，這是包含準波傳播 方向及軸的平面。芏。平面，僅有色分量，故為面，這是與波傳播方向 垂直的平面。 微帶輻射單元的等效電路如圖所示，是微帶貼片的物理長度，是微帶貼 片的等效長度，世是微帶貼片的延伸長度。 通過傳輸線理論可以得到微帶天線的輸入導納： 圪囂舞告

20、糌 仁， 彘 贏 微帶天線皋奉原理設計理論 。 圖微帶輻射單元等效電路 土 碩二論文 式中 三 矗 （） 厶萬 九 凡 量， （） ） ，為延甲長度，戶日采表不微帶升路輸陰電谷雙應。 ，：（，乞）（） （乞一）（） （ ） 其中， 巳孚丁 可）； （） 當（三，）萬時，其中，丸磊，以是波在傳輸線中的 波長，也是自 空波長。 圪，壇的虛部為零，天線工作在諧振狀態。諧振長度為 從卜式可以彳導刮諧振炳奎為： 三孺。上， （）、乞、 碩士論文 “ 波段微帶天線設計 、 傳輸線模型合理地解釋了輻射原理，把微帶輻射單元看作一個橫向方向沒有場變 化的線型輻射器，在長度方向，電場為余弦變化?？梢钥醋饔蓛蓚€開路

21、端的等效磁流 輻射。貼片可表示為相距，同相激勵并向地板以上半空間輻射的兩個縫隙。并且 給出了簡單的特性公式，不需要大量的計算，適合工程上的運用，但只局限用于矩形 微帶天線和微帶振子天線。 腔模理論 腔模理論是為解決使用傳輸線法受到的局限而提出的理論方法。由于諧振式微帶 天線與微帶諧振腔在形式上沒有顯著的區別，所以人們就借助于微帶諧振腔的分析方 法，建立了腔模理論。一般分析微帶諧振腔時，先要確定腔中的一個主模，根據其邊 界條件來計算諧振頻率、品質因數和輸入阻抗等參數。將這種方法用到微帶天線的分 析中就稱為單模理論。但是在單模理論中，認為諧振腔中僅存在一種模式，這只有當 激勵源和該模式的場完全匹配

22、時，或其工作頻率正處于該模式的諧振頻率上時，才是 成立的。當引入具體的激勵源時，就會激勵產生多種模，為此需要采用多模理論模型。 多模理論分析方法是用無限正交模表示腔內場，因而能比較準確地表示腔內場分布， 使人們對微帶天線的工作特性有更深入的物理理解。 腔模理論中把矩形微帶天線看作一個磁壁腔。規定腔的邊界條件，找出腔中的一 個主模，從而計算出諧振頻率、品質因數和輸入阻抗等。 腔模理論有兩個基本假設： （）由于腔高度元，可認為腔內電場僅有，分量，且不隨而變。而且 ，因此腔內的場是與無關的二維場，對而言，腔內僅存波。 （）在微帶片的周界上，片電流沒有垂直于周界的分量，這意味著沿側壁的切 向分量為零，

23、故腔的側壁可假設為磁壁。即諧振腔可視為上、下為電壁，周圍為磁壁 的腔體。 采用腔模理論要先求解空腔內的場，由邊緣電場的切向分量求得邊緣的等效磁流， 再由等效磁料計算輻射場。 羅遠祉等人提出了把微帶天線看作是微帶線腔體的模型。這個模型的提出示基于 觀察到：在以微帶和地板為邊界的區域內，電場云只有分量，而磁場曰只有和分 量： 在此區域中，對于所有有意義的頻率，場都和坐標無關；在邊緣的任何點上， 微帶中的電流都沒有正交于邊緣的分量，這意味著詹沿邊緣的切向分量可以忽略。 因此，微帶和地板之間的區域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下兩面的電壁圍 ，：（三，三乞一） 微帶天線基本原理與設計理論 碩士論文 成

24、的腔體。天線中的場可假定為腔體的場，從而可求出輻射方向圖、輻射功率和饋電 點在任何位置的輸入導納。 內場：當諧振腔內或其周界上有激勵源時，則腔內電場丘的波動方程為 （后）豆，： 現將丘展開為正交模無窮級數，令 丘。 其中滿足齊次波動方程及腔邊界條件，有 （七。） （） （） 利用格林第二恒等式 警 ， （） 工（咿矽母州工（鼉一豢）搬 令妙所行妙（幸表示共軛），豆，為腔的體積，而為其包面， （） 艿為的外 法向單位矢量，將式（）乘（）及邊界條件代人，可知（）右端為零， 得 以。磁面孑了 （） 式中， 將（）代入（）得 五刪互五少翮 行沙刪互門沙。翮棚 （） （） 豆紙 一、； （） 式中吼，瓦

25、，萬厶，吒。是諧振模的截止波數，為實數， 由天線尺寸和模序號，擰決定。當工作頻率選得七很近于刪時，分母上聊很 小而得第（所，擰）項振幅變得很大，內場基本由這個項決定。這時我們就說天線對聊。 模諧振。其次，該式也表明，對任一分布，不同的位置（激勵條件）將導致不同的 激勵振幅（展開系數），從而將得出不同的內場。 對規則形狀貼片，一般可用分離變量法解出及相應的，對于同軸探針饋電 矩形貼片如圖所示。 碩士論文 圖同軸探針饋電矩形微帶天線 波段微帶天線設計 。等。半 （） （） 對于圖所不的饋源為司軸探針時，它司表不由攝地枚流司貝占片陰 司甩流利 接地板上同軸開口處的小磁流環。后者很小，可以略去；前者可

26、等效為中心在點（。）， 向寬為的電流片。設總電流為，即有： 每 ， 將式（），（）代入式（）及（），得 。弦孚聰扣等出駟等孚五曙， （） 式中（）： 沙，刪脅（等陟卜（孚陟姍最（） 這里磊。，磊。是聶曼數 艫船爿 五：【，一譬而，少 微帶天線基本原理與設計理論 為表達簡潔起見，取。，將上述關系式代入式（），則： 丘：風莓莓礙？ 嘣）訾（等）（孚 豆風吼厶；軍噬鏜警嶼（等） 則辦模的諧振頻率可由（）得出（?。?厶厶礪赤、（矽爭【（爭 厶礪、（矽（ 碩上論文 （） （） ） 輸入阻抗與品質因素：饋源處的激勵電壓除以電流厶便得出天線輸入阻抗乙， 設饋源模型為一定寬度的電流片，可將寬度上的電壓平均值取

27、作，即 一恤 疋。是在饋源寬度上的平均值，于是利用（）得 （） ， 式中。是在饋源寬度上的平均值。用上式計算時，實際上并不能得到正確 的阻抗特性。 這是因為， 但在某刪刪模諧振時， 上式分母 一一（一歹萬）很小，（主要與有關），使這一項起主要作用。然 而，這里只計入了介質損耗而并不包括大很多的輻射損耗。這樣，在計算 上可能誤差就將大大影響阻抗值。從另一方面說，空腔諧振特性與其值（即品質因 數）有關。對于只有介質損耗的理想空腔，。這里是介質損耗角正切 而未考慮其他損耗效應，因此所得空腔品質因數值是過高的。這就是說，現在所研究 的是具有輻射損耗的漏波空腔，若作為理想的封閉空腔來處理，必須計入全部損

28、耗得 出的值【引。為此，我們引入引入等效損耗角正切翰，這里是計入全部 損耗后的值，相應的代替（）？的，即取 （）（。）寺壁赤（爭（【乙罷風荔聳三畿（擴） 碩上論文 式甲 波段微帶天線設計 ， 釩妨西西西西 （） ，分別為輻射、導體損耗和介質所引起的相應的值，分別等于 （） 面 （） ，刀， （） 因此利用（），并用代替后， 。 一仟 （爭 傳輸線模型很容易被使用，但并不是所有的結構形式都能用這種模型進行分析， 因為它沒有包括橫向波的影響。而腔模理論中微帶天線的輻射由輻射貼片邊緣的等效 磁流分布來計算，從而獲得了相應的電壓分布。因而，微帶天線的分析問題可以被歸 納成為給定激勵和特定模型找到邊緣電

29、壓分布。這些方法對規則的幾何形狀來說是正 確的，但并不適合任意形狀的貼片構造。對于復雜的幾何形狀，可使用數值計算法如 、等。這些方法基于貼片導體和地面上電流分布的數值技術對于任 意形狀的天線都能得到很好的結果，但是它們非常耗費時間。這些方法能夠用來繪制 貼片上的電流分布，但是對天線設計中的物理解釋幫助很小。 警靠乙篆，舒厶” 微帶天線基本原理與設計理論 微帶天線輻射機理 碩士論文 下 土 上 一一。二、 輻射縫隙 下 ；土 圖（）電場側視圖 （）電壓電流分布圖（）等效輻射縫隙 從圖（）可以看出矩形微帶天線工作在刀。模式時，三邊的電場分布的特點為 兩端密集，中間稀疏，服從余弦分布。三邊和形邊電壓

30、變化分布如圖（）所示。 碩士論文 波段微帶天線設計 假定電場沿微帶結構的寬度與厚度方向沒有變化，電場僅沿約為半波長的貼片長 度方向（三邊）變化。輻射基片上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。在兩端的場相對 于地板可以分解為法向分量和切向分量，因為貼片長，所以，法向分量反相，由 他們產生的遠區場在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成 場增強，從而使垂直于結構表面的方向上的輻射場最強。所以，貼片可表示為相距， 同相激勵并向地板以上半空間輻射的兩個縫隙，如圖（）所示。 一 ： × ×要萎萎 × 圖矩形微帶天線模式等效磁流分布圖 在腔模理論中，微帶貼片和地

31、板之間的區域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下 兩面的電壁圍成的腔體。其腔體磁壁四周的等效磁流可由露應×菇計算得出，當微 帶天線的工作模式為時，其等效磁流分布圖如圖所示。沿兩條形邊的磁流是 同相的，故其輻射場在貼片法線方向同相疊加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的 增大而減小，形成邊射方向圖。沿每條三邊的磁流都由反對稱的兩個部分構成，它們 在面上各處的輻射互相抵消；而兩條三邊的磁流又彼此呈反對稱分布，因而在面 上各處，它們的場也都相互抵消。在其它平面上這些磁流的輻射會完全相消，但與沿 兩條形邊的輻射相比，都相當弱。由此，矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條邊的縫 隙產生，該二邊稱為輻射邊。微

32、帶天線地板上半空間輻射的方向圖理論上視為邊的 磁流輻射產生。所以貼片可表示為相距，同相激勵并向地板以上半空間輻射的兩個 縫隙。也可以考慮電場沿貼片寬度的變化。這時，微帶貼片天線可以用貼片周圍的四 個縫隙來表示。同樣，其它微帶天線結構也可用等效的縫隙來表示。 微帶天線基本原理與設計理論 碩士論文 微帶天線的設計方法 本文主要介紹工作在主模。、線極化矩形微帶貼片天線的設計方法。為了解釋 的需要，先介紹微帶貼片的等效長度、等效寬度和延伸長度。在這里微帶貼片的長度 和寬度分別用、表示，如圖所示。 圖微帚貼片不恿圖 當口邊是輻射邊時，電場在邊為正弦變化，根據傳輸線理論，在邊的兩端會有 一定的延伸長度出【

33、塒。根據。模式的諧振頻率公式 其中。為等效長度，占。為等效介電常數。 ） 。 。 圖微帶貼片延伸長度示意圖 空腔尺寸吒、是計入邊緣延伸出后的等效尺寸，它比物理尺寸、稍大。 址（）由式（ ） 吃口（） 吃出（口） （） （）一三麗一麗疏下二；（ 碩上論文 波段微帶天線設計 出：（，）（） （乞一）（） 得出，取或，更簡單的經驗值為。 可以理解為如果邊是輻射邊礦，那么根據傳輸線理論，邊兩側有延伸，這 就和吃（）相吻合；如果是輻射邊，同理可得吒口（）。 （）， 乞按下式取值）乞（），刀 ， （） 【乞）乞（）， 唧）由式（）。孚字（等圳算出。 可以看出，設計微帶天線首先要選好邊是輻射邊，還是邊是輻射

34、邊。兩者的 不同直接導致等效長度和等效介電常數結果不同，那諧振頻率也有很大的區別。 設計微帶天線的第一步：選擇具有適當厚度的合適的介質基片。薄金屬敷層能使 天線便于制造，易達到公差要求，而較厚的金屬敷層則容易焊接。介電常數較低的基 片可增強產生輻射的邊緣場，且在一定程度上可以增加帶寬。至于介質的厚度，實驗 表明，隨從的增加，帶寬會增大，但同時天線的損耗會增加，效率降低，所以要綜 合考慮帶寬和效率的指標。 第二步：選擇微帶貼片合適的寬度矽。對于介質基片厚度為，天線工作頻率為五 且有較高效率的輻射器，其實用寬度是： ，、 （） 第三步：確定單元長度三。當單元的確定后，則延伸長度出和等效介電常數玩

35、可分別通過式（）和（）計算得出。因此貼片長度三為： （） 第四步：優化。由式（）和（）計算得出的微帶貼片單元的矽和三還需要在仿 真軟件中優化。 第五步：饋電點的選擇。通常用同軸線或微帶線直接給微帶貼片饋電。 恥等蠆 警（爭職當蠆 （熾當 （） ：丟（三書邶，、 三：二一。、 微帶天線基奉原理與設計理論 式（）和（）分別用于微帶輻射貼片單元的工作模式為和。 碩士論文 碩士論文 波段微帶天線設計 波段微帶單脈沖天線設計實例 引言 隨著導彈、火箭、人造衛星和宇航技術的發展，對跟蹤雷達的跟蹤速度、跟蹤精 度、跟蹤距離和抗干擾能力都提出了越來越高的要求【】。采用順序比較波瓣的圓錐掃 描體制已不能滿足跟蹤

36、高速飛行器的要求。這是由于這種體制必須在饋源繞天線軸旋 轉一周后才能判明目標的方向，限制了跟蹤速度。在波束掃描過程中，目標運動狀態 的變化引起回波信號幅度的起伏，給誤差信號附加上了一個調幅干擾，降低了角跟蹤 精度。另外，圓錐掃描的跟蹤距離有限，抗干擾能力差。而單脈沖跟蹤采用同時比較 波瓣法，即由單脈沖天線同時產生幾個波束，用幾個獨立的接受支路，同時接收這幾 個波束從目標反射的單個回波信號，然后將這些回波信號加以比較來獲取目標的角誤 差信號，所以稱為單脈沖跟蹤。由于采用同時比較法，獲取誤差信號迅速，跟蹤速度 快；誤差信號只與接收到的幾個波束的回波脈沖幅度的相對值有關，不存在目標起伏 干擾，因此，

37、角跟蹤精度高，抗干擾能力也強。而且，這時獲取目標距離的信息和波 束在天線軸向輻射最強，雷達的作用距離也遠。因此，目前單脈沖跟蹤已逐步取代圓 錐掃描跟蹤而獲得了廣泛的應用。當然，單脈沖跟蹤體制的電路和設備都要復雜得多。 單脈沖跟蹤體制的出現，促進了天線的發展。 單脈沖天線的工作原理 根據比較回波信號的幅度和相位，單脈沖跟蹤分為幅度單脈沖、相位單脈沖和幅 度一相位單脈沖。它們的主要區別在于天線。無論是幅度單脈沖，還是相位單脈沖， 要確定目標在一個平面內的角坐標，都要求同時產生兩個形狀相同的波束。 圖幅度比較單脈沖示意圖 在幅度單脈沖中，兩個波束的最大值方向與天線的軸各偏離一個±目角，形成

38、兩個 交叉的波束，如圖所示。如以代表目標方向，這時，兩波束收到的回波信號相 位相同，而幅度不等。兩信號相減形成的誤差信號是目標方向的函數，誤差信號的大 波段微帶單脈沖天線設計實例 碩士論文 小表示了目標偏離天線軸向的大小，而誤差信號的符號（正、負）則表示目標偏向哪一 邊。由誤差信號驅動天線轉動使之對準目標，誤差信號為零，實現了跟蹤。 圖所示是單脈沖雷達的系統框圖，它同時有和通道和差通道（方位方向和俯仰 方向）的輸出。和信號、方位差信號和俯仰差信號能用來確定目標相對于瞄準線的角度。 這種結構標準的單脈沖雷達能用來進行搜索和高精度的跟蹤，可以用于航管、防空、 制導、定位等【。 接收天線 圖單脈沖雷達的系統框圖 由于天線收到信號的大小與目標的方向有關，因此，由它們合成的和信號與差信 號便是目標所在方向的函數。和信號與目標所在方向的關系稱為單脈沖天線的和方向 圖，差信號與目標所在方向的關系稱為單脈沖天線的差方向圖。相應地有三個波束， 即和波束、方位差波束和俯仰差波束。差波束的作用前面已經介紹