口径耦合宽频圆极化天线设计

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题目：口径耦合圆极化微带天线设计
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题目类型：√工程设计
2012年12 月25日
摘要
本文首先介绍了微带天线的几种理论分析方法，传输线模型理论，空腔模型理论和积分方程法。

第三章接着讨论了微带天线的圆极化理论，圆极化波的性质，以及如何实现圆极化，重点论述了单点馈电，双点馈电的圆极化天线。

第四章讨论了微带天线的宽频带和小型化技术，讲述了多种实现小型化和宽频带的方法。

本文在第五章讨论小型圆极化天线的设计。

运用了前面章节所述的基本理论，讨论了三种可以实现圆极化微带天线的方法，重点讨论了口径耦合馈电的圆极化微带天线的设计，通过对三种方法的比较，由于口径耦合馈电的方式较其他两种更有优势，最后制作了口径耦合馈电的天线实物，通过实际测量，成功的实现了2.9GHZ到3.3GHZ的带宽，并且在带宽范围内实现了较好的驻波比特性和辐射特性。

关键词：圆极化；宽频带；微带天线；口径耦合
Abstract
This article first introduces several theories of microstrip antenna analysis method, the transmission line model and cavity model theory and integral equation method. Then the third chapter discusses the theory of the circular polarization microstrip antenna, the nature of the circular polarized wave, and how to implement circular polarization, focus on single point feed are discussed, the two point circular polarized antenna feeder. The fourth chapter discusses the broadband microstrip antenna and miniaturization, tells the story of a variety of ways to realize miniaturization and wide band.
This article discussed in chapter 5 small circular polarized antenna design. Utilizing the basic theory, mentioned in the previous section discussed the three method can realize the circular polarization microstrip antenna, of aperture coupled feeding is mainly discussed in the design of the circular polarization microstrip antenna, by comparing three methods, Due to the aperture coupled feeding methods have more advantages than other two, and finally make the antenna aperture coupled feeding material, through the actual measurement, the successful implementation of the 2.9 GHZ to 3.3 GHZ bandwidth, and within the scope of the bandwidth achieved better standing wave ratio and radiation characteristics.
Key words：Circular polarization; Broad band; Microstrip antenna; Aperture coupling
目录
第一章绪论 (1)
1.1天线简介 (1)
1.1.1 天线的出现及发展 (1)
1.1.2天线的基本概念 (1)
1.1.3天线的基本电参数 (1)
第二章微带天线 (4)
2.1 微带天线的出现及发展 (4)
2.1.1微带辐射器 (4)
2.1.2微带天线的基本概念 (4)
2.1.3微带天线的优缺点 (4)
2.2 微带天线的辐射原理 (5)
2.3 微带天线的基本分析方法 (6)
2.3.1传输线模型理论 (6)
2.3.2腔模理论 (8)
2.3.3积分方程法 (8)
2.3.4时域有限差分法（FDTD） (9)
第三章微带天线圆极化技术 (10)
3.1 圆极化波概述 (10)
3.1.1圆极化波的产生 (10)
3.1.2圆极化波的性质 (10)
3.1.3圆极化微带天线的主要电参数 (11)
3.2 圆极化天线的实现 (11)
3.2.1单馈电圆极化微带天线 (11)
3.2.2双馈点法圆极化微带天线 (13)
第四章圆极化微带天线小型化和宽频带技术 (15)
4.1 圆极化微带天线的宽频带技术 (15)
4.1.1微带天线展宽频带的方法 (15)
4.1.2圆极化阵列天线 (16)
4.2 微带天线小型化技术 (17)
4.2.1微带天线小型化的方法 (17)
第五章 HFSS设计圆极化微带天线 (19)
5.1 HFSS简介 (19)
5.2 圆极化微带天线的设计 (19)
5.2.1圆极化天线设计理论分析 (19)
5.2.2圆极化微带天线的设计仿真 (21)
第六章结论 (29)
谢辞 (30)
参考文献 (30)
第一章绪论
1.1 天线简介
1.1.1 天线的出现及发展
德国卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授在1886 年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整元线电系统，其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线，并采用了谐振方环作为接收天线。

此外，赫兹还用抛物面反射镜天线做过实验。

虽然赫兹是一位先驱者和无线电之父，但他的发明只停留在实验室的阶段。

1901 年12 月中旬，意大利博洛尼亚一位20岁的研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的。

自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺之势。

天线无处不在:家庭或工作场所，汽车或飞机里，船舶、卫星和航天器的有限空间内，甚至可以由步行者随身携带。

虽然各种各样的天线令人眼花缭乱，但它们都遵从相同的电磁场基本原理。

1.1.2 天线的基本概念
天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。

同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

这就是天线的互易定理。

1.1.3 天线的基本电参数
描述天线工作特性的参数称为天线的电参数（Basic Antenna Parameters），又称电指标，它们是定量衡量天线性能的尺度。

我们有必要了解天线的电参数，以便正确的设计和选择天线。

（1）方向函数
由电基本振子的分析可知，天线辐射出的电磁波虽然为一球面波，但却不是均匀球面波。

因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。

所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向的关系。

若天线的辐射辐射的电场强度为(,,)E r φϕ，把电场强度写成
60|(,,)|(,)I E r f r
φϕφϕ= （1-1） 其中I 为归算电流，(,)f φϕ为方向函数，因此方向函数可以定义为：
(,)f φϕ=
|(,,)|60/E r I r
φϕ （1-2） （2）方向图 如果我们将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图。

方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形，一句归一化方向函数而绘出归一化方向图。

在实际中，工程上常常采用两个特定的正交平面方向图。

在自由空间中，最重要的两个平面方向图是E 面和H 面方向图。

E 面即是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H 面是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。

（3）增益系数
增益系数表示了天线的定向收益程度，增益系数定义为：在同一距离及相同输入功率条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度max S 和理想无方向性天线的辐射功率密度0S 之比，记为G ，用公式表示如下：
m a x 0
S G s = （1-3）
（4）天线的极化
天线的极化是指该天线在给定方向上远区辐射场的空间取向，一般而言，特指该天线在最大辐射方向上的电场空间取向。

实际上，天线的极化随着偏离最大辐射放而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。

所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上的电场矢量断点随时间运动的轨迹，根据轨迹形状可以分为直线极化，圆极化，椭圆极化，其中圆极化又可以分为左旋圆极化和右旋圆极化。

天线不能接收与其正交的极化分量。

例如，线极化不能接收波中与其极化方向垂直的线极化波，圆极化天线不能接收与其旋向相反的极化分量。

（5）输入阻抗
天线通过传输线和发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配的问题，天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗，即天线的输入阻抗为天线的输入电压和电流之
比：
in in in in in
U Z R jX I ==+ （1-4） 其中，in R ，in X 分别为输入阻抗和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。

有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，无功功率存在于近区中。

天线的输入阻抗决定于天线的结构，工作频率以及周围环境的影响。

输入阻抗的计算式比较困难的，因为这需要准确的知道天线上的激励电流，除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中一般采用近似计算。

（6）频带宽度
频带宽带宽度是天线的重要指标，宽频天线将是未来天线发展的一个重要方向。

天线的所有电参数都与工作频率有关，任何天线也都有一定的工作频率范围，当工作频率偏离中心工作频率时，天线的电参数将变差。

根据频带宽度的不同，可将天线分为窄频带天线，宽频带天线和超宽频带天线。

若天线的最高工作频率为max f
，最低工作频率为min f ，对于窄频带天线，常用相对带宽max min 0[()/].100f
f f -％，对于超宽带天线，常用绝对带宽来表示，即max in
f f 来表示。

第二章微带天线
2.1 微带天线的出现及发展
2.1.1 微带辐射器
微带辐射器的概念首先是由Deschamps在1953年就提出来的。

但是，过了二十多年，当较好的理论模型及敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才被制造了出来，这种基片的介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械性及低损耗正切。

最早的实际的微带天线是Howell和Munson在二十世纪七十年代初期研制的。

之后，基于微带天线的许多优点，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线这个广阔的领域里，作为一个分立的整体而建立起自己的课题。

2.1.2 微带天线的基本概念
如图1.1所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片构成的。

贴片导体通常是铜和金，它可以取任意形状。

但是我们都通常的常规形状来做简单化分析。

基片通常取介电常数较低（2.5），的材料，这样可以产生较强的边缘辐射。

图 2.1
2.1.3 微带天线的优缺点
和常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。

因而，在大约100MHZ到50GHZ的宽频带上获得了大量的应用。

与通常的微波天线相比，微带天线有以下优点：
1.重量轻，体积小，剖面薄，可以做成共形天线；
2.制造成本低，易于大量生产；
3.可以做的很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；
4.无需做大的变动，天线就能很容易的装在导弹，火箭，卫星上；
5.易于实现天线的各种极化；
6.比较容易制成双频工作的天线；
但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：比如频带窄，有损耗，增益较低，辐射性能差，可能存在表面波等缺点。

2.2 微带天线的辐射原理
当前，由于分析微带天线的方法有所不同，对它的辐射原理也有着有不同的说法。

为了简明起见，就以矩形微带天线为例，用传输线模型的分析法讨论它的辐射原理，如图2.2所示：
（a ）微带天线开路端电场
（b ）场分布侧视图 （c ）等效缝隙
图2.2 微带天线辐射原理图
我们假设天线辐射元为L *W 的矩形微带贴片，介质基板的厚度为h 。

分析时可以将该辐射贴片看作是一段长为L 的低阻抗微带传输线，微带传输线的两端断开形成开路，这就形成电压波腹。

根据微带传输线理论，当在激励主模的情况下，且当/2g L λ=（g λ为微带传输线导波长）时的电场结构就如图2.2 （b ）所示，天线的辐射场由贴片与接地板之间的狭窄缝隙形成，其电场值可近似为： 0cos(/)x E E y W π= (2-1)
由式 2-1 可知，电场仅在沿天线贴片长度方向发生变化；天线辐射基本上是由天线贴片开路端的边缘场所引起的，在天线两开路端的电场相对于地板都可以分
解为垂直分量和水平分量，由于贴片的长为/2λ，所以两垂直分量的电场反向，它们在远场区互相抵消；而两水平分量同相，在垂直于接地板方向，两水平分量产生的远区场同向叠加，形成最大辐射方向。

因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同向激励的两个缝隙，天线贴片就可以表示为相距/2g L λ=，长度为 W 的两个缝隙，缝隙宽度为l ∆，如图2.2（c ）所示。

以上讨论的辐射原理是基于传输线模的分析方法，适用于矩形微带天线。

当微带天线的形状复杂时，就必须用其他分析方法讨论。

2.3 微带天线的基本分析方法
天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦 克斯韦方程的特解，因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，因此通常根据微 带天线的实际特征做某些方面的假设和近似，进而得出分析模型，这是当前常用的一种简单有效的处理手段。

微带天线现在已经有很多种分析方法，大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。

其中解析方法是基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，是现在最常用的分析方法，包括传输线模理论（Transmission Line Model ）、腔模理论（Cavity Model ）、多端网络模型（Multiport Network Model ）等。

而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量
（Method of Moments ）、有限元法（Finite Element Method ）和时域有限差分法（Finite Difference In TimeDomain ）等。

2.3.1 传输线模型理论
这是最早出现的最简单的分析模型，并且有助于理解微带天线的基本特性。

在这种模型中，矩形贴片微带天线被等效为一段微带传输线。

天线的辐射主要来 自贴片两个开路终端的边缘场，因此微带天线又可以被等效为两个相距贴片长度 的缝隙，其上分布有面磁流。

利用等效原理可以求出缝隙的面磁流密度，从而得 出每个缝隙的输入导纳和辐射场。

此时微带天线的辐射场可以由两个缝隙组成的 二元阵求得，天线输入阻抗由等效传输线计算。

微带天线的缝隙等效图如图 2.2（c ）所示，在对缝隙进行分析时，采用如图
2.3 所示的坐标系，假设缝隙上的电压为 U ，则缝隙的切线电场为：
/x E U h = （2-2）
缝隙上的等效磁流为： 2m U J z
h = （2-3）
假设磁流在 x 和 z 方向上的分布都是均匀的。

可以求得每个缝隙的辐射场为：
02(,)4j k r
e j U k W F r
E ϕφϕπ-=- (2-4) 其中：
0sin(sin cos )sin(cos )22(,).cos cos 22
kh kW kh kW F φϕφφϕϕφ= （2-5） 由此可以分别求得 E 面和 H 面的归一化方向函数：
0s i n (c o s )2c o s 2
E kh kh
F ϕϕ= （2-6） 0sin(cos )2cos 2
H kh kh F φφ= （2-7）
图 2.3 传输线模型缝隙坐标系
我们已经假定0h λ<<，利用坡印廷矢量积分求得辐射功率P 和辐射电阻R ：
22202
s i n (c o s )t a n s i n 2240kW U d P πθθθθπ=⎰ （2-8）
2
22201202sin (cos )tan sin 2U kW P d R π
πθθθθ==⎰ （2-9）
传输线模理论是在分析矩形微带天线时提出来的，它的优点是概念清晰，计 算简单。

只能用于矩形微带天线以及微带振子天线，对其他形式的微带天线，比如圆形，则不实用。

缺点是计算输入阻抗误差较大，而且没有考虑沿着与传播方 向正交的方向上场的变化。

因此尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不 能使用它来分析。

2.3.2 腔模理论
腔模理论是目前应用比较广泛的一种理论，它适用于分析多种形状的微带天 线，但是还要局限于天线介质基板厚度远小于波长的情况。

这种理论的基本思想，是将微带天线看成是一个上下以电壁为界，四周以磁 壁为界的介质腔体。

其分析方法是，先根据谐振腔理论建立腔内电磁场方程，导 出腔内场的一般函数表达式，然后利用电磁场的边界条件和激励条件，求解腔的 具体内场，从而得出腔体“口面场”（腔体边缘面的场分布），最后由此“口面场” 分布计算微带天线的远区场。

在腔模理论分析方法中有三点假设：
（1）由于介质基片的厚度0h λ<<，，腔内电场只有垂直于上下电壁的纵向分量，磁场只有平行于电壁的横向分量；
（2）由于0h λ<<，腔内的电磁场沿纵向无变化；
（3）在四周壁上垂直于边缘的电流分量近似为零，即忽略磁场的切线分量； 正是由于这些假设比较合理，腔模理论的分析方法得到了与试验相符的结论。

2.3.3积分方程法
积分方程法(IEM-Integral Equation Method)通常也称为或者称为全波理论 （FW-Full Wave ），该理论可用于各种结构、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。

最初的典型作法是，先导出微带贴片上单位电流元满足边界条件的并矢格林函数G ( r , r )，场点(r 处)的电场可表示为：
(,).()()v
G r r J r dv E r jw μ=-⎰ （2-10） 式中，J （r ）是贴片上r 处(源点)的电流密度，令此电场在贴片表面的切向分量为零，便得到对J （r ）的积分方程。

对该电流选择适当的基函数展开式和试验函数， 可将积分方程化为矩阵方程，从而可解出贴片电流并用来计算天线特性。

相对于传统的传输线模型和腔模型理论，积分方程法还有以下几个优点：准
确性、完整性和计算复杂性。

准确性是指相对而言全波理论能够提供更为准确的结果；完整性是指全波理论对微带天线的分析涉及到了表面波效应、空间波辐射、单元间的互耦现象；计算复杂性指全波方法是数值密集型的，需要进行大量仔细的计算。

从数学处理上看，最早出现的传输线模型把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；接着产生的空腔模型则发展到基于二维边值问题的解析求解；20 世纪
80 年代以来形成和发展的全波分析又进了一步，计入了第三维的效应，成为三维
边值问题的数值求解，因而最为严格，但也复杂得多。

前二类方法都是基于某些假设而将问题简化，它们可统称为“经验模型”。

其优点是物理概念清楚，计算简
单。

2.3.4 时域有限差分法（FDTD）
时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。

选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件，便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间的频域解。

时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带
范围内特性。

但是其数值解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。

CST 公司的CST MICROWA VE STUDIO 微波工作室(CST MWS)软件其核心就是时域有限积分法。

在使用ADS,HFSS,CST 的过程中，就能体会到以上三种数值分析方法各自的优缺点。

ADS 功能强大，仿真手段丰富，相对于其他的电路仿真软件，ADS 计算比较精确。

HFSS 精确度也比较高，并且仿真时间较短，不过物理模型的建模比较麻烦。

CST 建模方便，操作简单，精度不够高，而且仿真时间比较长，对电脑配置要求比较高，占用电脑资源很多。

第三章 微带天线圆极化技术
能够辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要的性质:
(1)圆极化是一个等幅的瞬时旋向场，沿其传播方向看过去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆，当用左手拇指指向传播方向,其余四指由相位超前π/2的线极化方向旋转π/2到另一滞后的线极化方向,则该圆极化波为左旋圆极化波;同理,当用右手拇指指向传播方向,其余四指由相位超前π/2的线极化方向旋转π/2到另一滞后的线极化方向,则该圆极化波为右旋圆极化波。

(2)一个圆极化波可以分解成两个在空间上!时间上均正交的等幅线极化波。

因此,从理论上实现圆极化天线的基本原理是:产生空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等,相位差90°。

3.1 圆极化波概述
3.1.1 圆极化波的产生
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01,10TM TM 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。

3.1.2 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：
(1)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 一HandcircularPolarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波。

(2 )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。

(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、西半球波束气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，从而实现四重频谱服用，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 圆极化微带天线的主要电参数
轴比是圆极化微带天线的主要电参数，也是衡量圆极化微带天线圆极化性能的主要参数。

我们可以将圆极化和线极化都看作是椭圆极化的特殊形式，椭圆极化的长轴和短轴之比便是轴比，当轴比为1时，便是圆极化，用db表示就是0db，当轴比为0或是∞时，便是线极化。

3.2 圆极化天线的实现
微带天下的优点之一就是便于实现圆极化，其实现圆极化的方法有如下两种，（1）单点馈电（2）多点馈电，多点馈电我们主要讨论两点馈电。

3.2.1 单馈电圆极化微带天线。