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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:xxx学 号：08042102xx学院(系):电子工程与光电技术学院专 业:电子信息工程题 目:单馈紧凑型圆极化天线研究副教授指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2012 年 5 月毕业设计说明书（论文）中文摘要微波圆极化技术在通信、导航和制导等领域具有广阔的应用前景，因此开展微带圆极化天线的研究具有重要的工程价值。本文对圆极化微带天线进行了深入系统研究，具体工作如下：1.在分析圆极化天线工作原理的基础上，采用HFSS11.1软件设计了单个单馈圆极化微带天线，并定性的比较了切角深度对轴比带宽的影响。
2、仿真得出了S参数、轴比带宽等参数并对结果进行分析。2.在单个天线研究的基础上，比较同样的介质材料下，介质厚度对天线性能的影响。3.将地板变大，观察方向图的变化，在此基础上验证介质厚度对天线性能的影响。关键词 圆极化 天线 单馈 增益 轴比带宽 介质厚度关键词 圆极化 天线 单馈 增益 轴比带宽 介质厚度毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Research on Circularly Polarized Antenna with a single feedAbstractCircular polarization technology has broad application prosp
3、ects in the field of communications, navigation and guidance，therefore to carry out the study of microstrip circularly polarized antenna has a significant value. The study of work as follows： Firstly, on the analysis of circularly polarized antenna, we used the HFSS11.1 software to design an individ
4、ual single-feed circularly polarized microstrip antenna and qualitatively compared the effect of depth of cutting angle on the axial ratio bandwidth. Through the simulation we obtained S parameters, axial ratio bandwidth and gain. Secondly, on the basis of a single antenna research, we compared the
5、antenna performance with the same dielectric constant and different dielectric thickness. Thirdly, we obversed the changes of the radiation pattern with ground expanded and verified the impact of dielectric thickness on the antenna performance.Keywords Circularly polarized,Antenna,Single feed,Gain,
6、AR Bandwidth, Dielectric thickness目 次1. 绪论11.1 微带天线研究背景11.2 圆极化微带天线的背景和国内外研究动态21.3 本文的主要内容安排32. 微带天线的基本理论32.1 概论32.2 微带天线的分析方法32.2.1 传输线法42.2.2 腔模理论52.2.3 积分方程法62.2.4 其他方法62.3 微带天线的馈电方法62.3.1 探针馈电贴片72.3.2 边沿馈电贴片72.3.3 口径耦合贴片72.3.4 临近耦合贴片82.4 本章小结93. 微带天线圆极化技术93.1 概述93.1.1 圆极化波的产生原理93.1.2 圆极化波的性质103.
7、1.3 圆极化天线的电参数113.2 不同类型的圆极化微带天线113.2.1 单贴片圆极化微带天线113.2.2 其他类型的圆极化天线123.3 单馈圆极化微带天线理论133.3.1 简并分离133.4 圆极化特性测试143.5 圆极化微带天线单元的设计153.5.1 普通微带线极化天线的设计153.5.2 圆极化天线的设计基础线极化天线163.5.3 圆极化天线的设计173.6 圆极化微带天线单元的设计结果173.6.1 圆极化天线的尺寸173.6.2 圆极化天线设计的仿真结果183.7 本章小结204. 介质厚度对天线性能影响的探究214.1 介质厚度为7mm214.2 本章小结235.
8、地板对天线性能影响的探究235.1 地板变大对天线增益的影响235.2 地板变大后介质厚度对天线性能的影响245.2.1 介质厚度对阻抗带宽的影响245.2.3 介质厚度对增益的影响265.3 本章小结276. 实验探究27结 论29致 谢30参 考 文 献311. 绪论1.1 微带天线研究背景微带天线是20世纪70年代出现的一种新型天线形式。早在1953年美国的德尚(G.Adeshcamps)就提出了微带辐射器的设想，但是由于当时的集成技术和介质基片材料尚未趋于成熟，因此未能取得较大的进步。直到20世纪70年代初期，当微带传输理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，R.E.Munson
9、和J.Q.Howell等研究者才将实际的微带天线制作出来23。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题国际会议，1981年IEEE天线与传播会刊刊载了微带天线专辑，最早的两本微带大线专著相继问世，Dubost也完成了关于微带振子大线和阵列的研究专著。在80年代中，微带天线无论在理论还是在应用的深度和广度上都得到了进步的发展。1989年出版的由James和Hall主编的微带天线手册一书，汇集了这一时期国际上许多微带天线专家的研究成果。 微带天线最初是作为火箭和导弹上的共形全向天线获得应用，早期的微带大线具有频带窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大、功率容量有限等不足。随着材料科学技术的发展，
10、实用的微带天线才得到了长足的发展。现在己经大量的应用于10OMHz、1OOGHz的宽频无线电设备中，特别是在飞行器和地面便携式设备中。常用的微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或者同轴探针对贴片馈电。微带天线通过馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。它与常用的微波天线相比，有更多的物理参数，它们可以有任意的几何形状和尺寸，具有如下一些优点:1. 极宽的
11、带宽。通常认为毫米波频率范围为26.5300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力；2. 波束窄。在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波束宽度仅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节，提高目标跟踪和鉴别的分辨率和精度；3. 和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。由
12、于毫米波的这些特点，加上在电子对抗13中扩展频段是取得成功的重要手段，毫米波技术和应用得到了迅速的发展。4. 与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性；1.2 圆极化微带天线的背景和国内外研究动态圆极化天线在雷达、卫星通信、军事以及各种移动通信系统中有着广泛的应用。相对于线极化波而言，圆极化波能够抑制雨雾干扰，减小多径反射，具有很好的移动性，并且在发射和接收系统中，只要有一方应用了圆极化大线，接收大线以任们旋向都可以接收到信号，极大地方便了在无线通信系统中的应用。如在剧烈摇动或滚动的飞行器上装置圆极化天线可以在任何时候都收到信息在电视广播中采用圆极化天线可以克服重影
13、等等。而微带天线由于具重量轻、体积小、易于加工、便于和集成电路集成等特点得到了广泛应用。因此圆极化微带天线因兼具了圆极化波和微带天线的优点，得到了广泛应用。而这些应用的不断需要，又推动着圆极化微带天线技术的不断发展。由于圆极化微带天线的独特优点，它的一些缺点目前正在被研究克服，其中一个主要的缺点就是阻抗带宽和圆极化带宽不高，国内外的许多天线工作者都致力于新型圆极化微带天线方面的研究。新型的圆极化微带天线主要包括表面开槽的圆极化微带天线、口径耦合的圆极化微带天线、共面波导馈电的圆极化微带天线等等。如Jui-Han Lu，Chia-Luan Tang等用等边三角形贴片缝隙耦合2(谐振频率1.9GH
14、z)实现圆极化带宽达到1.15%；钟顺时，崔俊海利用新型磁性材料基片和开槽设计实现单个贴片的小型化5，轴比带宽约为3.5%，阻抗带宽(VSWR2)达到12.6%；T.Sudha，T.Sbedavahty等使用同轴线馈电并使单个方形贴片中心开孔的方法6(谐振频率1.9GHz)使得轴比带宽提高到18.85%，阻抗带宽达到22.13%等等。由此可见，展宽圆极化天线的带宽己经取得了很大的进展。目前，圆极化微带天线的发展趋势是朝小型化、宽频化和多功能化方向发展。1.3 本文的主要内容安排第一章介绍了圆极化微带天线的研究背景、优缺点和开展圆极化微带天线研究的目的性及必要性。第二章阐述了几种微带天线的分析方
15、法，以其中的腔模理论为基础，详细介绍了微带天线的辐射基理和馈电方式。第三章阐述了微带天线的圆极化技术，论述了圆极化波的产生方法、性质和参数，并根据单馈电圆极化理论给出了同轴单馈的设计实例。第四章根据微带天线腔模理论，结合第三章单个微带同轴馈电的设计，改变介质厚度，定性地给出不同介质厚度对阻抗带宽、轴比带宽、增益的影响，并对结果作分析研究。第五章在第四章的基础上进行探究，由于第四章中天线的方向图背瓣过大，探究地板对方向图的影响，并进一步验证不同介质厚度对阻抗带宽、轴比带宽、增益的影响。2. 微带天线的基本理论2.1 概论在进行设计微带天线的时候，需要对天线的电参数(如方向图、方向性系数、输入阻抗
16、、极化和频带等等)进行预估，这将大大提高了天线的性能和效率，降低了研制成本。常用的微带天线的输入阻抗对频率非常敏感，因此确定微带天线的阻抗特性和方向特性就十分关键，因为前者要解决天线与馈线的匹配问题;后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决发射功率或接收机灵敏度问题。而不论是阻抗特性还是方向特性都必须要求解天线在远区的电磁场分布。所以要求解天线边界条件的麦克斯韦方程组，而对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。因此经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。本文就是采用工程近似的方法对圆极化微带天线进行分析与设计的。2.2 微带
17、天线的分析方法分析微带天线的基本理论1大致可分为三类，最早出现的也是最为简单的是传输线模型(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(Cavity Mode)l理论，可用于各种规则贴片，但是前提是天线厚度远小于波长的情况;最严格而计算最复杂的是积分方程(Integral Equation Method)即全波分析法 (FullWave)。理论上来说，积分方程法可用于各种结构、厚度的微带天线分析，但是事实上要受到精度和机时的限制。2.2.1 传输线法利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图2.2.1.1是这种方法的物
18、理模型。方法的基本假设是:（1）微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，波的传输方向决定于馈电点。线段长度L/2，/2为准TEM波的波长。场在传输方向是驻波分布，而在垂直方向(图中的宽度方向)是常数。(2)传输线的两个开口端(始端和末端)等效为两个辐射缝，长为W，宽为L，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两段的延伸面上，即使将开口面向上折转90，而开口场强随之折转。图2.2.1.1 传输线物理模型由以上两条基本假设可以看出，当L/2时，二缝上切向电场均为方向，且等幅同相。它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上半空间辐射。缝上等效磁流密度为M=2V/h,
19、 V为传输线开口端电压。由于缝己放平，我们在计算上半空间辐射场时，就可以按自由空间处理，这是这种方法的方便之处。在各种分析方法中，传输线法最为简单，也最为直观。利用端缝辐射的概念清楚地说明了辐射的机理。凡是由于传输线模式的限制，它难于用于矩形片以外的情况。对于矩形片，它相当于腔模理论中的基模。在谐振频率上，计算的场分布与实际很接近，参量计算合乎工程精度，但失谐大时，场分布与实际相差较大，计算就不可靠了。基本的传输线法对谐振频率预测不够准确时，利用一些修正方法(如等效伸长)可将误差减小到1%以内。如果通过样品实测谐振频率，然后再进行调整，效果更好。2.2.2 腔模理论罗远芷(Y.T.Lo)等在1
20、979年提出了空腔模型理论。腔模理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的。实际上，谐振式微带天线的形状与微带谐振腔并无显著区别。因此借助于谐振腔理论是很自然的，分析微带谐振腔的方法一般是：规定腔的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频率、品质因素、输入阻抗等等。把这种方法移植到微带天线中来，称为单模理论。但是这种简单的方法正如传输线法一样，在一些情况下不能得到满意的结果。作为此法的改进，发展了多模理论，它把腔内场用无限正交模表示，因此就能得到比较准确的腔内场。这种方法得到的结果比较满意，计算也不很复杂，因此为工程界广泛采用。腔模理论是把微带片与接地板之间的盒形区域看作谐振腔:它的上下壁
21、是微带片盒面积相同的接地板。周围的柱形面为侧壁。在分析腔内场时，做如下的假设:(1)由于腔内场高度，可认为腔内电场仅有分量，并且不随z而变化。还假设=0，因此腔内场是与z无关的二维场，对z轴而言，腔内仅存在TM波;(2)在微带片的周界上，片电流没有垂直于周界的分量，这意味着沿磁壁H的切向分量为零，故腔的侧壁可假设为磁壁，即谐振腔可视为上下壁为电壁，周围为磁壁的腔体。在理论上，封闭的磁壁和电壁一样都能将区域内外场互相隔离。但在这里，腔的侧壁虽然等效为磁壁，它实际上是连续空间的一部分，对计算外部空间场来说，侧壁上的可等效为磁流M=上述基本假设的二维场假设和仅有TM波假设都是近似的，侧壁上切向磁场为
22、零也是近似的。因为微带片内壁面的电流可通过周界流向外壁面，因此在周界处内壁面法向电流严格说不是为零(尽管总法向电流即内壁和外壁法向电流之和为零)，只是在h的条件下接近零。由上述讨论可以看出基本的腔模理论应用上的限制，h的条件是很重要的，当不满足此条件时，上述基本假设需要作适当的修改。腔模理论特别是多模理论是对传输线法的发展，它能应用于范围更广泛的微带天线，比较适合工程设计的需要。但是基本的腔模理论同样要经过修正，才能得到较准确的结果。特别值得注意的是边界导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题，理论上是严格的，只是边界导纳确定比较困难，使计算只能使近似的。2.2.3 积分方程法无论是传输
23、线法还是腔模理论，都没有考虑场在片垂直方向上的变化硕士论文毫米波圆极化微带天线的研究(在腔内)对于大多数“薄的”微带天线来说，这种简化不致引入显著的误差，但是对于“厚的”微带天线，即基片厚度与波长相比不是很小时(如h/0.1)这种简化就不准确了。此外，上述方法对微带片的形状都有一定要求，不符合规定形状得不到解。积分方程法将不受这些限制，它是应用范围更为普遍的方法，当片的形状比较复杂时，用这种方法尽管得不到解析解，但是和矩量法结合，数值解总是可能的。积分方程法与腔模理论的基本立足点不同，它讨论的是开放的空间，积分方程法是以开放空间中的格林函数为基础的，因此基本方程是严格的。由于严格的格林函数要在
24、谱域展开(空气微带天线例外)，因此求解积分方程有较大的难度和计算量。通常是通过格林函数作积分计算，然后用矩量法求解得到表面分布电流，再由表面电流求出微带天线的输入阻抗与远场和近场等参数。这种方法计算量大，同时也是最精细的方法。2.2.4 其他方法最后，有限元法作为一种数值方法值得注意，它和分域基函数矩量法一样，不受天线形状的限制。它和矩量法一样，也应用了变分原理，并且形式更为直接。但是，有限元法所设计的场量、单元和基函数的选择乃至表达式都和矩量法不同。由于它的选择，得到的代数方程矩阵是稀疏矩阵，并且矩阵元素易于计算，这是有限元法22的突出优点，但是它只能得到纯数字解，这是它的一个主要缺点。由于
25、对于绝大多数工程应用来说，简单的传输线法和腔模理论得出的结果已经令人满意，所以本文的就是结合传输线法和腔模理论，对所研究的圆极化微带天线进行理论分析和设计。2.3 微带天线的馈电方法馈线的设计对于天线来说至关重要，因为从发射机到天线以及天线到接收机都是靠馈线来实现的。微带贴片天线的馈电共有4种基本技术，包括边沿馈电、探针馈电、口径耦合及临近耦合。其中，前两种称为直接法，后两种称为非接触法。一些正在研发的馈电技术如L形探针，其实是探针和临近耦合的混合形式。各种馈电法4的特性如下。2.3.1 探针馈电贴片微带贴片天线的另一种最早的激励方法是时20世纪70年代中期提出的探针馈电。探针或馈电针通常是同
26、轴线的内导体，因此探针馈电一般指同轴线馈电。将探针插入到底层与贴片导体相连，一般焊接在上面。通过探针的位置来控制阻抗与边馈贴片的插入馈线类似。因为传输线与贴片天线直接接触，探针馈电被认为是直接接触激励的一种。探针馈电贴片具有几个重要的优点。第一，馈电网络通过一个接地面与辐射部分分离，这个特性使得它可以分别对每一层进行优化;第二，在所有的激励方法中，探针馈电有可能是最有效的，因为馈电机制直接与天线接触，并且馈电网络的大部分与贴片隔离，从而使虚假辐射最小。虽然探针馈电方式在连接方面比较复杂，但是其高效性仍然使它应用广泛。2.3.2 边沿馈电贴片边沿馈电技术是微带贴片天线最早的一种激励方法。一般情况
27、下，微带馈线与贴片的一条辐射边接触，它具有其他的馈电技术不具有的几个优点。因为馈电单元和贴片可以蚀刻在同一块板上，故一个主要优点是制造工艺简单，因此大多数平面阵都采用边馈技术。这种方式很容易控制输入阻抗水平：通过简单的将馈线插入贴片导体，当馈线和贴片的接触点位于贴片的辐射边时，谐振阻抗可以调谐为高达150250。而当接触点位于贴片的中心时下降为只有几个欧姆。 当采用较薄的材料时，边沿馈电贴片具有简单的形式，因而容易建模，此时可以采用简单的传输线模型来估计天线的输入阻抗。然而当采用较厚的材料时，性能就没有那么直观了。这是因为不连续点处的电流分布与微带线和贴片天线的接触点是相应的。如果基板采用高介
28、电常数材料时，表面波效率很低，寄生辐射相对也较高，因为馈电网络与天线没有分开。2.3.3 口径耦合贴片由于直接接触式馈电技术的缺点，即其内在的窄带宽和不利的表面波效应，所以引进了非接触机制。第一种就是口径耦合贴片。图2.3.3.1给出了这种天线的结构示意图。图2.3.3.1口径耦合微带贴片天线示意图叠层之间通过接地面分开，馈线与贴片天线之间通过接地面上的窄缝进行耦合。与直接接触式相比，图2.3.3.1具有一些优点：与边馈贴片天线不同，它可以对馈线和基板进行优化;与探针贴片相比，它不需要垂直互联，从而简化了制造工艺但同时保持了印制电路技术的共形特性。然而由于需要多层制造工艺，各层之间的对齐定位非
29、常重要。多层天线还会产生其他问题，介质间存在的间隙将显著改变天线的输入阻抗特性，特别是在高频时间隙的阻抗特性较大。叠层之间的粘合材料对天线的作用也至关重要。如果粘合材料是有损耗的且位于窄缝旁边，则将降低天线的效率。与直接接触馈电贴片相比，口径耦合贴片具有更多的设计参数，因而对设计者来说可以具有更灵活的选择。除了外形比较复杂之外，口径耦合微带贴片天线相对易于准确建模，甚至对于全波分析也是这样。其原因是与直接接触馈电贴片不同，它没有剧烈的电流不连续点，因此可以进行相对简单的、准确的、计算较快的全波分析。2.3.4 临近耦合贴片用来克服直接接触馈电贴片的缺点的非接触馈电贴片的第二种形式是临近耦合贴片
30、。图2.3.4.1给出这种印制天线的示意图。微带天线包含有一个带有微带馈线的基板组成。在这层材料之上是另一种介质层。微带贴片就蚀刻在它的上表面。注意两个介质层之间没有基板。馈电网络和贴片之间通过电磁作用进行功率耦合的，这就是有时也把这种天线称为电磁耦合贴片天线的原因。图2.3.4.1临近耦合微带贴片天线示意图临近耦合贴片的关键特性在于它的耦合机制在本质上是电容性的，这与直接接触法相反，后者主要是感性的，耦合机制的差异显著的影响了可以获得的阻抗带宽，因为边馈和探针馈电几何结构的感性耦合限制了可使用材料的厚度。因此，本质上临近耦合贴片的带宽宽于直接接触馈电贴片。因为在馈电网络和辐射器件间没有电流的
31、不连续点，对临近耦合贴片进行全波分析并不十分困难。当然，临近耦合微带贴片也有一些缺点:因为馈线和天线之间并不是完全独立的，具有相对较高的寄生辐射:天线是多层结构，层与层之间的对齐定位很重要。馈线基板和天线层之间的空气间隙将影响耦合，因此在制造天线时需要特别注意。2.4 本章小结本章介绍了微带天线的分析方法，重点依据腔模理论阐述了微带天线的辐射机理，同时简单的介绍了微带天线常用馈电方法及其优缺点。3. 微带天线圆极化技术3.1 概述圆极化天线在无线电领域中占有重要的地位。特别在航天飞行器中，因为飞行器位置姿态的固定，它们的通讯测控设备都要求重量轻、体积小、共形而且成本低的圆极化天线。圆极化微带天
32、线就是能满足这些要求的比较理想的天线。3.1.1 圆极化波的产生原理微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持和模，两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的，幅度相等的，相位相差90的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法:一点馈电的单片圆极化微带天线；正交馈电的单片圆极化微带天线；由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线；微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。3.
33、1.2 圆极化波的性质根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质7：(1)一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是:产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90度。(2)圆极化波时一个等幅的瞬时旋转场。即:沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为LCP(Left-Hand Circular Polarization)；若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波，记RCP(
34、Right-Hand Circular Polarization)。(3)任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到；反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。(4)天线若辐射左旋圆极化波，则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波;反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如:国际通信卫
35、星V号上的4GHz多波束发射天线辐射右旋圆极化波，形成两个东、西“半球波束”；同时也辐射左旋圆极化波，形成两个照射不同地区的“区域波束”，这四个波束都工作于4GHz频段而互不干扰，从而实现四重频谱复用，增加了通信容量。(5)圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时，反射波变成反旋向的，即左旋波变成右旋，右旋变成左旋。由这个性质可以知道，采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。因为水点近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的;而雷达目标(如飞机、导弹等等)一般是非简单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。正是由于上述特性，圆极化天线现在已经获得了广泛的应用，从
36、而进一步推动了微带天线圆极化技术的发展。3.1.3 圆极化天线的电参数天线的基本电参数有辐射阻抗、输入阻抗与驻波比、方向图、波束立体角与主波束效率、方向性系数、效率、增益、有效口径、有效长度或有效高度、极化方式、带宽、噪声温度等。任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆。极化椭圆的长轴2A和短轴2B之比，称之为AR(Axial Ratio)，或简称为:，.用分贝记，有=。为反映极化的旋向，现规定r具有正、负号:对于左旋波，r的符号为止;对于右旋波，r的符号为负。而圆极化天线的基本参数就是它所辐射的电磁波的轴比，一般是指其最大增益方向上的轴比。对于纯圆极化波，1，即0dB.轴比不大于3dB的带
37、宽，定义为天线的圆极化带宽。3.2 不同类型的圆极化微带天线3.2.1 单贴片圆极化微带天线单个微带贴片被广泛的用于产生圆极化辐射，其实现圆极化辐射可以有两种设计方法:单馈点法23和多馈点法。此外也可用多个线极化微带贴片天线和其它微带天线元来辐射圆极化波(多元法)。能产生圆极化波的不同形状微带天线在不同文献321中都有介绍，图3.2.1.1给出三角形、正方形、圆形、圆环、正五边形、椭圆形等等。在实践中正方形和圆形使用较为广泛，其馈电方法如图3.2.1.2所示:第一种是正交双馈电，它需要一个额外的功率分配网络;第二种单点馈电不需要功分器。图3.2.1.1各种不同形状的单贴片微带天线图3.2.1.
38、2(a)(b)正交双馈，(c)(d)为单馈电方式双正交馈电使得天线激励起两个幅度相等相位正交的模，从而实现天线的圆极化。利用能量功分器的双正交馈电的圆极化贴片的基本结构如图3.2.1.3。天线结构的能量功分电路主要包括求积电路、圆环电路、Wiklinson能量分配器、T形能量功分器等等。在双馈圆极化微带天线的设计中，常见的馈电方法有三种:(1)使用Wiklinson能量功分器的两缝隙耦合馈电圆极化微带天线;(2)使用Wiklinson能量功分器能量功分器的两电容耦合馈电圆极化微带天线;(3)Branch-Line耦合器的两电容耦合馈电圆极化微带天线。在设计中，贴片介质与馈电基片之间多采用较厚的
39、空气层或泡沫层，由Wilkinson功分器提供两路能量相等、相位相差90的输入能量。图3.2.1.3双馈电的基本结构而典型的单馈电圆极化微带天线示意图如图3.2.1.2(c)(d)所示，通常单贴片总是辐射线极化波，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可以产生极化正交幅度相等的两个简并模，但是不能形成90相位差。为了在简并模之间形成90相位差，要在规则的单片微带天线上附加一个简并分离单元，具体理论将在下一节介绍。当简并分离单元大小选择合适时，就能够使一个模的等效阻抗相角超前45，另一个模的等效阻抗相角滞后45，这样就形成了圆极化辐射。3.2.2 其他类型的圆极化天线为了获得相对宽频带的圆极化微带
40、天线，近来己研制出曲线微带辐射的微带天线，这是一种结构紧凑的宽频带圆极化微带天线，其结构示意图如图3.2.2.1所示。其中一个端点是馈电点，另一个端点是吸收负载，电波在分别圆扇形和螺旋线形成行波。主要依据的原理是一圈有2相位的圆线行波天线可以产生圆极化辐射；平面螺旋天线也能产生圆极化辐射并有很宽的带宽，所以用微带来实现这种圆形和螺旋天线是可以的。但是此类天线的缺点是理论分析较为困难，且对天线的制造公差要求较严格，故在实际中较少使用。图3.2.3.1圆极化曲线微带天线(a)圆扇形；(b)螺旋形3.3 单馈圆极化微带天线理论根据前面所述，单馈圆极化微带天线的设计主要是选择合适模分离单元的大小、位置
41、、以及选择恰当的馈电位置。下面将基于腔模理论，介绍单馈圆极化微带天线的原理310111417。3.3.1 简并分离如图3.3.1.1所示，这种馈电点在x轴或y轴上的矩形微带天线称为A型；馈电点在对角线上的矩形微带天线称为B型，称为简并分离单元。A型和B型分析方法一样，所以下面就以A型为例说明简并分离单元的对矩形微带天线的影响。图3.3.1.1附加简并分离单元矩形圆极化微带天线当矩形贴片W=L=a时，磁流分布的周边为和,相应于的基模标量特征函数为: (3.3.1.1)式中,。3.4 圆极化特性测试对于微带天线圆极化特性的测量，本文中采用的是极化图法，这是一种最简单、直接而又常用的方法，该法通常用
42、线极化辅助天线测出轴比AR和倾角用两副反旋圆极化天线(比如螺旋天线)来确定旋向。测量的方法是，将被测天线作为发射天线，将辅助的线极化天线作为接收天线，两者中心对准。沿辅助天线的机械轴转动，记下与旋动角相应的各接收电平，并绘于极坐标图上，即可得到圆极化微带天线在=(0，0)方向上的极化图。根据左旋圆极化天线只接收左旋圆极化波，右旋圆极化天线只接收右旋波的原理，如果使用两副结构相同，而螺旋反绕的圆极化天线作为辅助天线，则由接收电平较高的螺旋天线的旋向确定待测试微带天线的极化旋向。在测试圆极化微带天线的过程中，应该注意的问题:1)如果两正交极化分量是由同一个口径产生的，则振幅和初始相位随距离的变化将
43、服从同一变化规律，极化特性不依赖于距离，因此原则上测量距离可以移近些，但要注意使天线的多次耦合尽可能小些。2)要防止地面、墙壁、天花板及其它周围物体反射和散射的影响。因为反射波对两个正交分量的反射振幅和相位的影响是不相同的，所以影响极化特性。3)应保证辅助天线在垂直于来波方向的平面内转动，否则将引起误差。在圆极化特性的测量中，要用到转动装置，在测量的过程中，记下接收电平和角度的关系，在极化图上表示出接收电平和角度的关系就可以得到圆极化特性。转动装置利用了一个圆盘，在圆盘上面刻上标度，另外的一个小架子与黑色的小圆柱固定在一起，可以绕圆盘的中心转动，将圆柱固定起来，在架子上再加工一个固定天线的装置
44、，这样转动小圆柱的时候，也就在转动天线，并且能够使被测天线的中心和辅助天线的中心对准，天线的平面互相平行，满足了圆极化测试的要求。3.5 圆极化微带天线单元的设计3.5.1 普通微带线极化天线的设计先设计出线极化微带天线，再在此基础上加微扰，制作成圆极化天线，所以下面来介绍一下线极化天线的设计，用的是北斗的其中一个频段1.268GHz。假设矩形贴片天线的有效长度为，则有,式中表示导波波长，有，式中表示自由空间的波长，表示有效介电常数，且，式中，表示介质的相对介电常数，h表示介质厚度，W表示微带天线贴片的宽度。由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有L=-，式中c表示真空中的光速，表示天线的工作频
45、率，表示图3.5.1.1（a）所示等效缝隙的长度，且有,矩形贴片的宽度W可以由下式计算，W=,对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，。还需要确定同轴线馈电的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50。对于图3.5.1.2中所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以（，）表示馈电的位置坐标。对于模式，在W方向上电场强度不变，因此在理论上W方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发模式，在W方向上馈点的位置一般在中心点，即=0。仿真得出结果再进行微调。3.5.2 圆极化天线的设计
46、基础线极化天线 由于我们最终研究的是圆极化天线，按照理论得圆极化天线的贴片都是对称的，这里我们先设计一正方形贴片得出工作在相应频点的线极化天线。由式L=得贴片的尺寸越大，工作频率越低。所以当大致的L长，即L（3.5.2.1），进行仿真，如果工作中心频率偏小则改小贴片尺寸，工作频率变大则改大贴片尺寸。在L方向上电场有的改变，因此在长度L方向上，从中心点到两侧，阻抗逐渐变大，此定性规律可以用来调节馈电位置实现阻抗匹配。当然，还可以通过多仿几个点找到一定的规律后微调馈点位置来实现阻抗匹配。仿真速度比较快，可以采取此方法。图3.5.1.1（a）俯视图 （b）侧视图图3.5.1.23.5.3 圆极化天线的设计圆极化天线的设计运用3.3.1的知识进行加微扰简并分离，在贴片的对角位置都减去一个同样尺寸的45的切角。切角的大小会影响贴片的轴比、阻抗匹配等因素，仿真得主要影响的是轴比，那么是怎么影响轴比的呢，在下面做详细分析。3.6 圆极化微带天线单元的设计结果3.6.1 圆极化天线的尺寸图3.6.1.1 圆极化天线的模型图如图3.6.1.1为圆极化天线模型图，这里运用同轴馈电，特性阻抗50，同轴内径0.5mm，外径与内径之比应为2.30324，所以同轴的外径约为1.15mm，使用的介质尺寸是36mm*36mm，介电常数为18，介质的损耗角正切为0.001，要设计一个工作中心
