微波电路CAD-重庆邮电大学-3

微波电路CAD主讲：王斌[e-mail]18602328202光电工程学院天线基础3.天线&微带天线天线基础天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。接收端：将空间传播的电磁波转换为高频电流发射端：将发射机的高频电流转换为空间电磁波3.天线&微带天线天线基础天线辐射电磁波原理导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度l远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。3.天线&微带天线天线基础天线基本工作原理发射机能够被模型化成戴维南信号源，它包括一个电压振荡器和一个串联阻抗，由此将发射功率Pt传送到发射天线。发射天线辐射球面波，在远距离可近似为平面波，至少在局部范围内可近似为平面波。接收天线截取传输过来的部分电磁波，并将接收功率Pr送到接收机的负载阻抗上。3.天线&微带天线发射和接收天线的基本工作原理3.天线&微带天线3.天线&微带天线天线基础天线的特性参数天线的主要基本参数阻抗特性输入阻抗辐射阻抗互阻抗辐射特性方向图增益极化效率实际应用工作频带宽度天线基础天线的特性参数①波瓣图(Pattern)——与天线方向性有关，又称方向图。3.天线&微带天线定向天线的三维场波瓣图3.天线&微带天线波瓣图的二维场、功率和分贝图3.天线&微带天线主轴主瓣后瓣第一副瓣＝0°0.502020.5天线方向图的一般形状天线垂直方向图3.天线&微带天线天线的波瓣图（方向图）天线基础天线的特性参数②定向性D和增益G天线的定向性是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其平均值之比，是大于等于1的无量纲比值。(总)波束范围(或波束立体角)由主瓣范围加上副瓣范围所构成。波束范围越小，则定向性越高。天线增益效率因子3.天线&微带天线max(,)4(,)avAPDPAGkD(01)kk天线增益实际上是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。天线增益是一个实际(或现实)参量。由于天线总有损耗(天线或天线罩的欧姆损耗)，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。有很多设计良好的天线，其值可以接近于1，但实际上G总是小于D且以D为理想的最大值。3.天线&微带天线k天线基础天线的特性参数③天线效率天线效率为天线辐射功率Pr与天线输入功率Pin(辐射功率Pr与天线内所消耗功率Ps之和)之比。上式还可以用天线输入端的辐射电阻Ro和损耗电阻Rs表示可见，要提高天线辐射效率，应设法增大辐射电阻，降低损耗电阻。3.天线&微带天线rrAinrSPPPPPoAosRRR天线基础天线的特性参数④天线的场区围绕天线的场可划分为两个主要的区域，接近天线的区域称为近场(或菲涅尔Fresnel区)；离天线较远的区域称为远场(或夫琅和费Fraunhofer区)。两区的分界可取为半径3.天线&微带天线22(L)LR为天线的最大尺度天线基础天线的特性参数⑤极化特性极化特性是指天线在最大辐射方向上电场强度矢量的方向随时间变换的规律。按天线所辐射的电场强度极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。3.天线&微带天线天线基础天线的特性参数⑥输入阻抗&驻波比为使天线能获得最多的功率，应使天线与馈线匹配。因此，当天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗时，天线获得最大的功率。驻波比(VSWR)：由于入射波能量传输到天线输入端未被全波吸收（辐射）、产生反射波，迭加而成。VSWR越大，反射越大，匹配越差；理想的匹配负载情况下,VSWR是1；VSWR1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率。3.天线&微带天线天线基础天线的特性参数⑦频带宽度天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。一种定义：天线增益下降三分贝时的频带宽度；另一种定义：规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，即当天线的输入驻波比时，天线的工作带宽。3.天线&微带天线1.5微带天线(microstripantenna)在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。3.天线&微带天线微带天线的工作原理微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射(泄漏)。当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高，点尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态，辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效地天线。3.天线&微带天线微带天线的辐射机理以矩形微带天线为例，用传输线模型分析法介绍它的辐射原理。设辐射元的长为l，宽为w，介质基片的厚度为h，现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为l的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。根据微带传输线理论，由于基片厚度h，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度w方向也没有变化，而仅在长度方向有变化。3.天线&微带天线(2)l微带天线的辐射机理两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同相叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙。缝的电场方向与长边垂直，并沿长边w均匀分布。缝的宽度为，长度为w，两缝间距为。这就是说，微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。3.天线&微带天线矩形微带天线开路端电场结构场分布侧视图等效辐射缝隙lh2l微带天线的优点(与通常的微波天线相比)重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；天线的散射截面较小改变馈电位置就能获得线极化和圆极化(左旋和右旋)；比较容易制成双频率工作的天线；不需要背腔；适合于组合式设计(固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、混频器等可以直接加到天线基片上)；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。3.天线&微带天线微带天线的缺点与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增益受限制(约为20dB)；馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。可以采取某些办法来减小这些缺点。例如，在设计和制造过程中要考虑印制或消除表面波。3.天线&微带天线微带天线的应用在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。在一些显要的系统中已经应用微带天线：移动通信；卫星通讯；多普勒及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。3.天线&微带天线微带天线结构微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线微带贴片天线(MPA)是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板锁构成。3.天线&微带天线微带天线结构微带行波天线微带贴片天线(MTA)是由介质基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线和基片另一面上的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。3.天线&微带天线微带天线结构微带缝隙天线微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙可以是矩形(宽的或窄的)，圆形或环形。3.天线&微带天线微带天线的激励方法微带天线馈电大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此可以用微带线馈电或同轴线馈电。3.天线&微带天线3.天线&微带天线微带天线馈电方式主要分为三类：一是微带传输线馈电，二是同轴线探针馈电，三是耦合馈电。3.天线&微带天线微带传输线馈电如图(a)所示。微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模，但是会产生更多的表面波和寄生辐射，在实际应用中限制了带宽(一般2-5%)。同轴线探针馈电如图(b)所示。馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体接到地面。同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，同时寄生辐射比较低。但它的带宽比较窄，而且建模相对较难，尤其其介质层比较厚时。00.02h3.天线&微带天线耦合馈电微带传输线和同轴线探针馈电由于自身的不对称性会产生高次模而导致交叉极化。为了克服这些问题人们引入了传输线耦合馈电和小孔耦合馈电，如图(c)所示。小孔耦合馈电是几种馈电方式中最难制造的，而且带宽也比较窄。图(d)所示的耦合馈电，其带宽相对较宽。3.天线&微带天线微带天线的主要分析方法传输线模型法(transmission-line)谐振腔模型法(cavite)全波模型法(full-wave)一般为矩量法有限元法传输线模型法是所有方法中最简单的，而且物理意义清晰明了，但是精度不够高且不易于模式耦合。谐振腔模型法相对于传输线模型法精度要高，但比较复杂，同时它也清晰明了的表达了物理意义且不易于模式耦合。一般全波模型法是非常精确的，但它是最复杂的模型且物理意义不明显。微带天线特性仿真模拟波瓣图，方向性(或增益)，波瓣宽度辐射电阻，品质因数，损耗，效率输入阻抗带宽ADSHFSSSonnetFEKO3.天线&微带天线3.天线&微带天线微带矩形贴片天线的设计步骤：？（1）设置求解类型；（2）设置模型单元；（3）创建微带贴片天线模型；（4）保存工程（5）设置端口激励（6）设置优化变量（7）求解设置a、设置求解频率b、设置扫频（8）设置无限大球面（9）求解该工程（10）后处理操作3.天线&微带天线微带矩形贴片天线的设计（3）创建微带贴片天线模型3.天线&微带天线微带矩形贴片天线的设计（10）后处理操作3.天线&微带天线微带矩形贴片天线的设计（10）后处理操作3.天线&微带天线微带矩形贴片天线的设计（10）后处理操作