射頻微波天線及仿真第1頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.1天線基礎(chǔ)知識(shí)

12.1.1天線基本指標(biāo) 天線的基本指標(biāo)介紹如下：

(1)天線增益G定義為 （12-1a）

式中,Pr為被測(cè)天線距離R處所接收到的功率密度,單位為W/m2;Pi為全向性天線距離R處所接收到的功率密度,單位為W/m2。第2頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 增益為G的天線距離R處的功率密度應(yīng)為接收功率密度,即

(2)天線輸入阻抗Zin定義為

式中,U為在饋入點(diǎn)上的射頻電壓；I為在饋入點(diǎn)上的射頻電流。（12–1b）（12–2a）第3頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 天線是個(gè)單口網(wǎng)絡(luò),輸入駐波比或反射系數(shù)是一個(gè)基本指標(biāo),為了使天線輻射盡可能多的功率,必須使天線與空氣匹配,輸入駐波比盡可能小。阻抗、駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系為（12–2b）第4頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(3)輻射效率ηr定義為 （12-3） 式中,Pr為天線輻射出的功率,單位為W；Pi為饋入天線的功率，單位為W。

(4)輻射方向圖：用一極坐標(biāo)圖來表示天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)度與輻射功率的分布,如圖12-1所示。

(5)半功率角的定義如圖

12-2所示。

第5頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-1輻射方向圖第6頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-2半功率波束寬度(a)按電場(chǎng)定義；(b)按功率定義第7頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(6)旁瓣:在主輻射波瓣旁,還有許多副瓣,沿角度方向展開如圖12-3所示。其中,HPBW為半功率波束寬度,輻射最大功率下降3dB時(shí)的角度;FNBW為第一零點(diǎn)波束寬度;SLL為旁瓣高度,輻射最大功率與最大旁瓣的差。

第8頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-3主瓣與旁瓣第9頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(7)方向系數(shù)D定義為 （12-4） 式中,Pmax為最大功率密度,單位為W/m2;Pav為平均輻射功率密度,單位為W/m2。 常見的天線方向系數(shù)如下： 偶極天線D=1.5或1.76dB

單極天線D=1.5或1.76dB

拋物面天線 喇叭天線 式中,d為拋物面半徑,λ為信號(hào)波長(zhǎng),A為喇叭口面面積。第10頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.1.2遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)概念 通常,天線看作是輻射點(diǎn)源,近區(qū)是球面波,遠(yuǎn)區(qū)為平面波,如圖12-4所示。輻射方向圖是在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量。下面給出遠(yuǎn)、

近場(chǎng)的分界點(diǎn)。

第11頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-4遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)概念第12頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 在圖12-4中,有以下幾何關(guān)系： 通常,R<<Δl時(shí),有

如果,相位誤差為22.5°,遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為（12-5）

（12–6b）

（12–6a）

第13頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 如果,相位誤差為11.25°,遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為 （12-6c）

12.1.3天線的分析 一般地,天線的分析是解球坐標(biāo)內(nèi)的Helmholtz方程,得到矢量位函數(shù)。如圖12-5所示,天線體積為V,電流為J,在觀測(cè)點(diǎn)的矢量位函數(shù)為（12-7）第14頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

為自由空間的格林函數(shù)。矢量位函數(shù)為天線上的電流與觀測(cè)點(diǎn)格林函數(shù)乘積在天線體積上的積分。有了A(r),即可得到H(r),然后再求出E(r)。實(shí)際天線工程中,由于天線電流的分布很難確定,由積分計(jì)算矢量位函數(shù)也十分困難,常用的數(shù)值解法過程也很麻煩。

第15頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-5求解矢量位函數(shù)第16頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.2常見的天線結(jié)構(gòu) 在射頻/微波應(yīng)用上,天線的類型與結(jié)構(gòu)有許多種類。就波長(zhǎng)特性分,有八分之一波長(zhǎng)、四分之一波長(zhǎng)、半波天線；就結(jié)構(gòu)分,有單極子型、對(duì)稱振子型、喇叭型、拋物面型、角型、螺旋型、介質(zhì)平板型及陣列型天線等,如圖12-6所示；就使用頻寬分,有窄頻帶型（10%以下）和寬頻帶型（10%以上）。表12-1歸納了天線類型。圖12-7給出了三種天線的增益比較。

第17頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-6常見天線第18頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-7三種常用天線增益比較第19頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六表12-1天線分類第20頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.3單極天線和對(duì)稱陣子天線 單極天線和對(duì)稱陣子是全向天線,廣泛應(yīng)用于廣播、移動(dòng)通信和專用無線系統(tǒng)中。對(duì)稱陣子是基本天線,單極天線是對(duì)稱陣子的簡(jiǎn)化形式,長(zhǎng)度是對(duì)稱陣子的一半,與地面的鏡像可以等效為對(duì)稱陣子,如圖12-8所示。對(duì)稱陣子長(zhǎng)度小于一個(gè)波長(zhǎng),輻射方向圖是個(gè)油餅形或南瓜形。在θ=90°時(shí)電場(chǎng)輻射最強(qiáng),θ＝0°時(shí)沒有輻射。磁場(chǎng)輻射是個(gè)圓環(huán),沿方向相同。單極天線是個(gè)全向天線,可以接收任何方向的磁場(chǎng)信號(hào),增益為1。第21頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-8單極天線和對(duì)稱陣子及其方向圖第22頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 一般地,對(duì)稱陣子天線的長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng),單極天線的長(zhǎng)度等于四分之一波長(zhǎng),阻抗為73Ω,增益為1.64（2.15dB）。如果天線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),稱為短陣子,輸入阻抗非常小,難于實(shí)現(xiàn)匹配,輻射效率低,短陣子的增益近似為1.5(1.7dB)。實(shí)際中把單極陣子稱作鞭狀天線,長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng),與同軸線內(nèi)導(dǎo)體相連,接地板與外導(dǎo)體相接,接地板通常是車頂或機(jī)箱,如圖12-9所示,輻射方向圖是對(duì)稱陣子方向圖的一半(上半部分),阻抗也是對(duì)稱陣子的一半（37Ω）。

第23頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-9單極天線的饋電第24頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 對(duì)稱陣子和單極天線有許多變形,折合陣子是兩個(gè)對(duì)稱陣子的對(duì)接,如圖12-10所示,折合后的長(zhǎng)度為半波長(zhǎng),阻抗為4×73≈300Ω。折合陣子可以看成對(duì)稱模和非對(duì)稱模的疊加。第25頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-10折合陣子天線第26頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 單極天線的另一種變形是倒L型和倒F型天線,如圖12-11所示。四分之一波長(zhǎng)的變形天線尺寸降低,便于安裝。圖12-11(c)是一種寬帶變形,用金屬板代替了導(dǎo)線。 單極天線的另一種變形是倒L型和倒F型天線,如圖12-11所示。四分之一波長(zhǎng)的變形天線尺寸降低,便于安裝。圖12-11(c)是一種寬帶變形,用金屬板代替了導(dǎo)線。第27頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-11倒L型和倒F型天線第28頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.4喇叭天線 喇叭天線是波導(dǎo)與空氣的過渡段,有圓喇叭和方喇叭兩種,分別與圓波導(dǎo)和方波導(dǎo)相連接。 喇叭天線可以單獨(dú)用于微波系統(tǒng),也可作為面天線的饋源。喇叭天線增益可以嚴(yán)格計(jì)算，通常使用喇叭天線做測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

第29頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 對(duì)于圖12-12所示矩形波導(dǎo)喇叭,獲得最佳增益的天線尺寸和增益為

（12-8）

（12-9）

第30頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-12矩形喇叭及其方向圖第31頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

對(duì)于圖12-13所示圓錐喇叭,獲得最佳增益的天線尺寸和增益為

如a×b=22.86mm×10.16mm,A×B=22.86cm×10.16cm的10GHz矩形喇叭,增益為22dB。

（12-10）

（12-11）

第32頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-13圓錐喇叭第33頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.5拋物面天線 拋物面天線是一種高增益天線,是衛(wèi)星或無線接力通信等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中使用最多的反射面天線。如圖12-14所示,金屬拋物面反射器將焦點(diǎn)上的饋源發(fā)射的球面波變成平面波發(fā)射出去。如果照度效率為100％,則有效面積等于實(shí)際面積,即 （12-12）第34頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-14拋物面天線第35頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

實(shí)際中,由于溢出、阻塞和損耗,照度效率只有55％～75％,取最壞情況55％： 半功率波束寬度為

增益為（12-13）

（12-14）

（12-15）

第36頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 若有拋物面口徑為1m,工作頻率為10GHz,照度效率為55％的拋物面天線,可以計(jì)算出增益為37dB,HPBW為2.3°,在55m處形成遠(yuǎn)場(chǎng)（平面波）。 拋物面的增益很高,波束很窄。拋物面的對(duì)焦非常重要。喇叭饋源與同軸電纜連接。拋物面天線通常有四種饋源方式,如圖12-15所示。第37頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 圖12-15拋物面天線的四種饋源方式(a)前饋;(b)卡賽格倫;(c)格利高里;(d)偏饋第38頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 前饋?zhàn)詈?jiǎn)單,照度效率為55%～60％,饋源及其支架會(huì)產(chǎn)生遮擋,增加旁瓣和交叉極化。卡賽格倫的優(yōu)點(diǎn)是饋源靠近接收機(jī)前端,連接線短。格利高里與卡賽格倫相似,只是用了橢圓副反射面,效率為76％。偏饋的方法避免了饋源或副反射面的遮擋,旁瓣類似,同樣增益下尺寸較小。 在微波低端或射頻波段,拋物面的尺寸太大,可以用部分拋物面,這種天線常用在船上。為了減輕重量、

承受風(fēng)壓,拋物面可以做成網(wǎng)狀的。

第39頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.6微帶天線

微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。因而，在大約從100MH到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做得很薄，因此，不擾動(dòng)裝載的宇宙飛船的空氣動(dòng)力學(xué)性能；無需作大的變動(dòng)，天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；天線的散射截面較小；稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化（左旋和右旋）；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。第40頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六但是，與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點(diǎn)：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；最大增益實(shí)際上受限制（約為20dB）；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。但是有一些辦法可以減小某些缺點(diǎn)。例如，只要在設(shè)計(jì)和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。第41頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶天線的應(yīng)用

在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有：移動(dòng)通信；衛(wèi)星通訊；多普勒及其它雷達(dá)；無線電測(cè)高計(jì)；指揮和控制系統(tǒng)；導(dǎo)彈遙測(cè)；武器信管；便攜裝置；環(huán)境檢測(cè)儀表和遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)；生物醫(yī)學(xué)輻射器。這些絕沒有列全，隨著對(duì)微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識(shí)的提高，微帶天線的應(yīng)用場(chǎng)合將繼續(xù)增多。

常用的微帶天線是矩形或圓形。矩形貼片天線如圖12-16所示。

第42頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-16矩形貼片天線第43頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.6.1微帶天線基本知識(shí)和矩形微帶天線 常用的微帶天線的分析設(shè)計(jì)方法有傳輸模法和諧振模法。傳輸模法的思路是把矩形塊等效為輻射阻抗加載的一段很寬的微帶線,由于設(shè)計(jì)公式近似且有實(shí)驗(yàn)調(diào)整,這種方法是不準(zhǔn)確的。諧振模法是把微帶天線看成是具有磁壁的封閉腔體,這種方法精度好,但計(jì)算成本太高。 工程上,微帶天線用傳輸模式近似設(shè)計(jì),很寬的微帶線沿橫向是諧振的,在貼片下面電場(chǎng)沿諧振長(zhǎng)度正弦變化,假定電場(chǎng)沿寬帶W方向不變化,并且天線的輻射是寬邊的邊沿。第44頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 輻射邊沿可以看作用微帶傳輸線連接起來的輻射槽,如圖12-17所示,單個(gè)輻射槽的輻射電導(dǎo)為 單個(gè)輻射槽的輻射電納為

W>λ0

W≤λ0

（12-16）

（12-17）

第45頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 式中

k0=2π/λ0是自由空間的波數(shù),Z0是寬度W的微帶特性阻抗,εe是有效介電常數(shù),ΔL是邊沿電容引起的邊沿延伸。由圖12-17可看出,邊沿電場(chǎng)蓋住了微帶邊沿,等效為貼片的電長(zhǎng)度增加。

（12-18）

第46頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12–17邊沿輻射槽第47頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

為了計(jì)算天線的輻射阻抗,天線可以等效為槽阻抗和傳輸線級(jí)聯(lián)。輸入導(dǎo)納為 式中Ys為式（12-17）給出的輻射槽導(dǎo)納,β=2πεe/λ0微帶線內(nèi)傳播常數(shù)。諧振時(shí),L+ΔL=λg/2=λ0/2εe,式(12-19)僅剩兩個(gè)電導(dǎo),即

Yin=2G(12-20)（12-19）

第48頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 微帶天線的工作頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為

W不是很關(guān)鍵,通常按照下式確定:

(12-21)(12-22)第49頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-18矩形天線實(shí)例第50頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 設(shè)計(jì)實(shí)例： 設(shè)計(jì)3GHz微帶天線,基板參數(shù)為2.2/0.762,并用四分之一線段實(shí)現(xiàn)與50Ω饋線的匹配。 天線拓?fù)淙鐖D12-18所示。 步驟一：確定各項(xiàng)參數(shù): W=3.95cm,εe=2.14,ΔL=0.04cm L=3.34cm,Rin=288Ω

步驟二：阻抗變換器的特性阻抗為 ZT0==120Ω第51頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 步驟三：由微帶原理計(jì)算得變換器的長(zhǎng)度和寬度為 l1=1.9cm,w1=0.0442cm

微帶天線的輻射方向圖可以用電磁場(chǎng)理論嚴(yán)格計(jì)算。圖12-19是典型的方向圖,典型HPBW=50°～60°,G=5～8dB。第52頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-19微帶天線的典型方向圖第53頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 在許多場(chǎng)合下要利用合適的饋線點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微帶天線的圓極化。如圖12-20所示,90°耦合器激勵(lì)兩個(gè)方向的線極化構(gòu)成圓極化,或者擾動(dòng)微帶天線的輻射場(chǎng)實(shí)現(xiàn)圓極化。第54頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-20圓極化微帶天線第55頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.6.2微帶天線的其他形式 導(dǎo)體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元,如矩形、圓形或圓環(huán)形薄片等,也可以是窄長(zhǎng)條形的薄片振子(對(duì)稱陣子)。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和微帶振子天線,如圖12-21（a）、（b）所示。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變(如彎曲、直角彎頭等)來形成輻射,稱為微帶線型天線,如圖12-21(c)所示。因?yàn)檫@種天線沿線傳輸行波,故又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙,由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其他饋線(如稽線)對(duì)其饋電,稱之為微帶縫隙天線,如圖12-21(d)所示。由各種微帶輻射單元可構(gòu)成多種多樣的陣列天線,如微帶貼片陣天線、

微帶振子陣天線,等等。

第56頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-21微帶天線的四種形式第57頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 圖12-22為兩種饋電形式的矩形微帶天線示意圖,圖（a）是背饋,同軸線的外導(dǎo)體與接地板連接,內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)與貼片天線焊接；圖（b）為側(cè)饋,通過阻抗變換與微帶線連接。第58頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-22微帶天線的兩種饋電方式第59頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶天線饋電大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。圖3-7微帶線饋電的天線圖3-9同軸饋電的微帶天線第60頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶饋電中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點(diǎn)的位置也決定激勵(lì)那種模式。當(dāng)天線元的尺寸確定以后，可按下法進(jìn)行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50的饋線一起光刻，測(cè)量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新做成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線模可用許多方法激勵(lì)。如果場(chǎng)沿矩形貼片的寬度變化，則當(dāng)饋線沿寬度移動(dòng)時(shí)，輸入阻抗隨之而變，從而提供了一種阻抗匹配的簡(jiǎn)單辦法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個(gè)小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變。不過，稍加改變貼片尺寸或者天線尺寸，可補(bǔ)償諧振頻率的漂移。第61頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六同軸線饋電各種同軸激勵(lì)示于圖3-。在所有的情況中，同軸插座安裝在印制電路板的背面，而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)體上。對(duì)指定的模，同軸插座的位置可由經(jīng)驗(yàn)去找，以便產(chǎn)生最好的匹配。使用N型同軸插座的典型微帶天線示于圖3-中。圖3-9同軸饋電的微帶天線第62頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六同軸饋電模擬根據(jù)惠更斯原理，同軸饋電可以用一個(gè)由底面流向頂面的電流圓柱帶來模擬。這個(gè)電流在地板上被環(huán)狀磁流帶圈起來，同軸線在地板上的開口則用電壁閉合。如果忽略磁流的貢獻(xiàn)，并假定電流在圓柱上是均勻的，則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化到最理想的情況是，取出電流圓柱，用一電流帶代替，類似微帶饋電的情況。該帶可認(rèn)為是圓柱的中心軸，沿寬度方向鋪開并具有等效寬度的均勻電流帶，對(duì)于給定的饋電點(diǎn)和場(chǎng)模式，等效寬度可以根據(jù)計(jì)算與測(cè)量所得的阻抗軌跡一致性經(jīng)驗(yàn)地確定。一旦這個(gè)參數(shù)確定了，它就可以用在除饋電點(diǎn)在貼片邊緣上以外的任何饋電位置和任何頻率。當(dāng)饋電點(diǎn)在貼片邊緣上時(shí)，可以認(rèn)為，在貼片邊緣上的邊緣場(chǎng)使等效饋電寬度不同于它在天線內(nèi)部時(shí)的值。在矩形天線中，等效寬度為同軸饋線內(nèi)徑的五倍時(shí)，可給出良好的結(jié)果。圖3-10同軸線饋電的微帶天線第63頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 矩形微帶天線作為獨(dú)立天線應(yīng)用時(shí)采用背饋方式,而作為單板微帶天線的陣元時(shí)必須采用側(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)出匹配器,然后在天線輻射元與微帶饋線間接入該變換器。 任何形式的平面幾何結(jié)構(gòu)都可以用作微帶天線,圖12-23是部分微帶天線形式。第64頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 圖12-23微帶天線的其他結(jié)構(gòu)（a）常用形式;（b）可能結(jié)構(gòu)第65頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶行波天線微帶行波天線（MTA）是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長(zhǎng)TEM波傳輸線（也維持一個(gè)TE模）和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負(fù)載，當(dāng)天線上維持行波時(shí)，可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。圖3-5微帶行波天線第66頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶縫隙天線微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環(huán)形。窄縫圓環(huán)縫寬縫圓貼片縫圖3-6微帶縫隙天線第67頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.6.3圓盤微帶天線的設(shè)計(jì)實(shí)例 圓盤形微帶天線是另一種基本形式。參數(shù)包括圓盤半徑、饋電位置、輸入阻抗、天線Q值、輻射效率、總效率、輸入VSWR及頻帶、輻射方向圖。計(jì)算過程復(fù)雜,已有圖表和軟件可使用。下面給出圓盤半徑計(jì)算公式,并以900MHz天線為例。圓盤半徑為（12-23）

第68頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 式中

設(shè)計(jì)實(shí)例： 設(shè)計(jì)900MHz圓盤微帶天線,介質(zhì)參數(shù)為4.5/1.6。

(1)確定參數(shù)。天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：設(shè)計(jì)頻率f0=0.9GHz,最大輸入駐波比VSWR=2.0∶1,基板參數(shù)為高度h=0.16cm,介電常數(shù)εr=4.5，損耗正切tanδ=0.015,導(dǎo)體銅的ρ=1.0。

第69頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(2)利用公式求出圓盤圓形天線的半徑、接頭饋入位置、頻率與輸入阻抗的關(guān)系。 半徑=4.580cm

饋電點(diǎn)=1.800cm

頻率與阻抗對(duì)應(yīng)關(guān)系如表12-1所示。第70頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六表12-1頻率與阻抗對(duì)應(yīng)關(guān)系

第71頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

頻帶內(nèi)阻抗在圓圖上的位置如圖12-24(a)所示。

(3)利用公式求出天線的總Q值、輻射效率、總效率、天線頻帶寬度。

計(jì)算結(jié)果:

輸入阻抗50.90ohms

矩形片總

Q=47.639

輻射效率=95.97%

總效率=21.10%

相對(duì)帶寬=1.48%阻波比2.00∶1VSWR第72頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(4)利用公式求得天線的輻射方向圖,如圖12-24(b)、(c)所示。

(5)圓盤天線的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖12-24

(d)所示。

第73頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-24圓盤形微帶天線結(jié)構(gòu)圖第74頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.7矩形微帶天線的設(shè)計(jì)

第75頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕炀€設(shè)計(jì)的基本流程掌握矩形微帶天線的設(shè)計(jì)方法熟悉在ADS的layout中進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)的方法第76頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（二）設(shè)計(jì)要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27mm，設(shè)計(jì)一個(gè)在3GHz附近工作的矩形微帶天線。基片選擇的理由是：陶瓷基片是比較常用的介質(zhì)基片，其常用的厚度是h＝1.27mm，0.635mm，0.254mm。其中1.27mm的基片有較高的天線效率，較寬的帶寬以及較高的增益。第77頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（三）微帶天線的技術(shù)指標(biāo)輻射方向圖天線增益和方向性系數(shù)諧振頻率處反射系數(shù)天線效率第78頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（四）設(shè)計(jì)的總體思路計(jì)算相關(guān)參數(shù)在ADS的Layout中初次仿真在Schematic中進(jìn)行匹配修改Layout，再次仿真，完成天線設(shè)計(jì)第79頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（五）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算需要進(jìn)行計(jì)算的參數(shù)有貼片寬度W貼片長(zhǎng)度L饋電點(diǎn)的位置z饋線的寬度第80頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（五）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算（續(xù)）貼片寬度W、貼片長(zhǎng)度L、饋電點(diǎn)的位置z可由公式計(jì)算得出饋線的寬度可以由TransmissionLineCalculator軟件計(jì)算得出第81頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（五）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算（續(xù)）第82頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（六）用ADS設(shè)計(jì)過程有了上述的計(jì)算結(jié)果，就可以用ADS進(jìn)行矩形微帶天線的設(shè)計(jì)了下面詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過程第83頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六ADS軟件的啟動(dòng)啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面第84頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六創(chuàng)建新的工程文件進(jìn)入ADS后，創(chuàng)建一個(gè)新的工程，命名為rect_prj。打開一個(gè)新的layout文件，首先設(shè)定度量單位。在ADS中，度量單位的缺省值為mil，把它改為mm。方法是：?jiǎn)螕羰髽?biāo)右鍵－>Preferences…－>LayoutUnits，如下圖所示第85頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六設(shè)定度量單位第86頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六介質(zhì)層設(shè)置在ADS的Layout中進(jìn)行設(shè)計(jì)，介質(zhì)層和金屬層的設(shè)置很重要在菜單欄里選擇Momentum－>Substrate－>Create/Modify…，在SubstrateLayer標(biāo)簽里，保留FreeSpace和////GND////的設(shè)置不變，點(diǎn)擊Alumina層，修改其設(shè)置為：第87頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六介質(zhì)層設(shè)置（續(xù)）第88頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六金屬層設(shè)置點(diǎn)擊MetallizationLayers標(biāo)簽，在LayoutLayer下拉框中選擇cond，然后在右邊的Definition下拉框中選擇Sigma（Re，thickness），參數(shù)設(shè)置如下頁圖。然后在SubstrateLayer欄中選擇“------”后，點(diǎn)擊“Strip”按鈕，這將看到“------Stripcond”。一切完成后，點(diǎn)擊OK。第89頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六金屬層設(shè)置（續(xù)）第90頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中制版準(zhǔn)備工作做好以后，下面就可以進(jìn)行Layout中的作圖了。先選定當(dāng)前層為vcond，再按照前面計(jì)算出來的尺寸作圖。最后在饋線端加入端口第91頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中制版（續(xù)）第92頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真預(yù)設(shè)置在進(jìn)行l(wèi)ayout仿真之前，先要進(jìn)行預(yù)設(shè)置。在菜單欄選擇Momentum->Mesh->Setup，選擇Global標(biāo)簽。鑒于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允許的精度下，可以把“MeshFrequency”和“NumberofCellsperWavelength”設(shè)置得小一點(diǎn)第93頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真預(yù)設(shè)置（續(xù)）第94頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六進(jìn)行仿真點(diǎn)擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Linear，Start、Stop分別選為2.5GHz、3.5GHz，F(xiàn)requencyStep選為0.05GHz。Update后，點(diǎn)擊Simulation按鈕。第95頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真結(jié)果第96頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六對(duì)仿真結(jié)果的探討由上圖可見，理論上的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的符合還是相當(dāng)不錯(cuò)的，中心頻率大約在2.95GHz左右。只是中心頻率處反射系數(shù)S11還比較大，從而匹配不理想，在3GHz處，m1距離圓圖上的坐標(biāo)原點(diǎn)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）＝5.15－j22.1第97頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六總體的2D輻射方向圖第98頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六在原理圖中進(jìn)行匹配為了進(jìn)一步減小反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，可以在Schmatic中進(jìn)行匹配。天線在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）＝5.15－j22.1，這可以等效為一個(gè)電阻和電容的串連。第99頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配原理匹配的原理是：串聯(lián)一根50歐姆傳輸線，使得S11參數(shù)在等反射系數(shù)圓上旋轉(zhuǎn)，到達(dá)g=1的等g圓上，然后再并聯(lián)一根50歐姆傳輸線，將S11參數(shù)轉(zhuǎn)移到接近0處。所需要計(jì)算的就是串連傳輸線和并聯(lián)傳輸線的長(zhǎng)度ADS原理圖中優(yōu)化功能可以出色的完成這個(gè)任務(wù)第100頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程新建一個(gè)Schematic文件，繪出如下的電路圖：

第101頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續(xù)）其中TL1和TL2的L是待優(yōu)化的參量，初值取10mm，優(yōu)化范圍是1mm到20mm。設(shè)置好MSub的值第102頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續(xù)）插入S參數(shù)優(yōu)化器，一個(gè)Goal。其中Goal的參數(shù)設(shè)置如下：這里dB（S（1，1））的最大值設(shè)為-50dB，是因?yàn)樵赟chematic中的仿真要比在Layout中的仿真理想得多，所以要求設(shè)置得比較高，以期在Layout中有較好的表現(xiàn)。第103頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續(xù)）設(shè)置好OPTIM。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。這里選擇Random。優(yōu)化次數(shù)可以選得大些。這里設(shè)為300。其他的參數(shù)一般設(shè)為缺省即可。第104頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續(xù)）優(yōu)化電路圖為：第105頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續(xù)）點(diǎn)擊仿真按鈕，當(dāng)CurrentEF＝0時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)完成。把它update到原理圖上（Simulate－>UpdateOpimizationValues）。Deactivate優(yōu)化器。最終原理圖如下：第106頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續(xù)）第107頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六原理圖中的仿真點(diǎn)擊仿真按鈕，可以看到仿真結(jié)果為：第108頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六原理圖中的仿真（續(xù)）放置Marker可以得到更詳細(xì)的數(shù)據(jù)在中心頻率f＝3GHz處，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可見已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)理想的匹配。第109頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六修改Layout參照Schematic計(jì)算出來的結(jié)果，修改Layout圖形如下第110頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六兩點(diǎn)說明由于這里是手工布板，而不是由Schematic自動(dòng)生成的，傳輸線的長(zhǎng)度可能需要稍作調(diào)整(但不超過1mm)。注意要把原先的3mm饋線長(zhǎng)度也算進(jìn)去。為了方便輸入，在電路的左端加了一段50Ω的傳輸線。其長(zhǎng)度對(duì)最終仿真結(jié)果的影響微乎其微。這里取1mm。第111頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真結(jié)果按照前述的步驟進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果是第112頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真結(jié)果（續(xù)）為了較精確地給出匹配的結(jié)果，我們將仿真頻率范圍設(shè)為2.9GHz到3.1GHz，步長(zhǎng)精確到10MHz。可見進(jìn)行原理圖匹配的結(jié)果是十分理想的。下面具體給出一些仿真結(jié)果。第113頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六總體的2D輻射方向圖第114頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六天線增益和方向性系數(shù)第115頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六天線效率第116頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（七）設(shè)計(jì)小結(jié)矩形微帶天線設(shè)計(jì)是微帶天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，然而作為一名新手，想熟練順利地掌握其設(shè)計(jì)方法與流程卻也有些路要走。多仿照別人的例子操作，多自己動(dòng)手親自設(shè)計(jì)，多看幫助文件，是進(jìn)入射頻與微波設(shè)計(jì)殿堂的不是捷徑的捷徑。第117頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（七）設(shè)計(jì)小結(jié)（續(xù)）一般來說，按照公式計(jì)算出來的矩形天線其反射系數(shù)都還會(huì)比較大的，在圓圖中反映出來的匹配結(jié)果也不是很理想。這也許是由一些公式的近似導(dǎo)致的，但這也使電路匹配成為設(shè)計(jì)工作必不可少的一環(huán)。

在用Schematic進(jìn)行天線的匹配時(shí)，以S11為目標(biāo)利用仿真優(yōu)化器來求所需傳輸線長(zhǎng)度的方法，是一種省時(shí)省力有效的方法。第118頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

Thankyou！

fugw 2003.6第119頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.7天線陣和相控陣 單個(gè)天線的波束寬度與增益的矛盾限制了它的使用。在有些場(chǎng)合,要用更高的增益和更窄的波束。由于天線的尺寸與工作波長(zhǎng)有關(guān),必須用多個(gè)天線形成極窄波束。天線陣把能量聚焦于同一個(gè)方向,增加了系統(tǒng)的作用距離。

第120頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.7.1天線陣 考慮圖12-25所示的沿z方向分布的一維天線陣,總輻射場(chǎng)為每個(gè)單元的疊加。第121頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-25沿z方向分布的一維n元相控陣第122頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)幅