微带天线对电磁波的调控

微带天线对电磁波的调控摘要-随着科学技术的发展，电磁波逐渐被人们发现和认知。天线是一种不可或缺的调控电磁波的工具，它的功能是辐射或接受电磁波。在发射系统中他把高频磁能转变为自由空间中的电磁波，或者在接收系统中作相反的变换，从而达到对电磁波的调控。本文分析了微带天线实现对电磁波的调控的原理。关键字-微带天线；电磁波；调控I.引言微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)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作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点：1.体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形。2.电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化。3.易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。本文利用HFSS软件对微带天线进行了仿真，分析得到了微带天线的特性。II.正文A.概念一．天线辐射电磁波的基本原理：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。当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。如图1所示。图1天线辐射电磁波的基本原理二．微带天线的辐射原理：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，电尺寸增大，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，而成为有效的天线。我们由下面图2来具体说明矩形微带贴片天线的辐射原理。图2微带天线辐射原理图设贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向和厚度h方向无变化。仅沿长度b方向有变化，其结构见上图(a)。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的，如上图(b)(c)所示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度b≈2λ，所以两开路端的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱。而水平分量的电场是同相的。远区辐射场主要由该分量场产生。最大辐射方向在垂直于贴片的方向。由此分析可见，矩形微带天线，可用两个相距2λ，同相激励的缝隙天线来等效。这是微带天线的传输线模型分析方法的解释。如果介质基片中的电场同时沿贴片天线的宽度和长度方向都有变化，这时微带天线可用贴片四周的缝隙的辐射来等效。三．微带天线的辐射参数：1.方向图与方向性系数天线辐射的电磁波能量在空间中时不均匀的，天线的辐射方向性图（简称方向图）是用来表示天线的辐射参量随空间单位变化的图形。若不特别说明，辐射方向图是指功率通量密度的空间分布和场强振幅的空间分布，即功率方向图或场强方向图。方向性系数，也叫方向性增益，是说明天线将能量集中辐射的程度的，它定义在辐射总功率相等的情况下，天线在某个方向(θ,φ)辐射的最大功率密度S(θ,φ)与完全无方向性的天线（理想电源）辐射的功率密度之比。其表达式为：公式中P和分别表示该被测天线的辐射总功率和元天线的辐射总功率，表示被测天线在某方向上的最大辐射功率密度，表示元天线任意方向上的辐射功率密度，表示某方向的电场最大值，表示元天线在任意方向上的电场最大值。一般来说，天线的方向性系数D（θ，φ）是方向的函数，不用方向的数值不同。没有特别说明的情况下，所说的方向性都是指最大辐射方向的方向性系数。2.极化极化是天线的一项重要指标，天线在某方向的极化是该方向界收获的最大功率（极化匹配）时入射平面波的极化（对接收天线）。天线的极化与所讨论的空间方向有关，通常所说的天线极化是指最大辐射方向或者最大接收方向的极化。3.效率效率有辐射效率与天线效率之分。由于入射波反射的存在，天线不可能吧入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输入给它的输入功率全部辐射出去，总有一部分损耗掉。为了便于理解，先将天线的基本功率定义如下：入射功率入：指发射机等提供给天线的功率；反射功率反：指天线反射回来的功率；输入功率：指收发机等提供给天线的功率；损耗功率损:指由于导线、介质或者地电流等存在而损耗的功率；辐射功率：指天线把发射机提供的功率扣除损耗辐射出去的功率；将天线的效率定义为，数值上等于天线的辐射功率与入射功率入的比值,即：入4.增益天线的增益定义为在输入功率相等的条件下，天线在(θ,φ)方向的功率密度S(θ,φ)与无方向性、无损耗天线的功率密度之比。通常所说的天线增益是指天线的线性增益，表达式为G=D*天线的增益可以理解为天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。5.输入阻抗在天线输入端呈现的阻抗称为天线的输入阻抗，其数值上等于天线输入端的电压与电流之比。表达式为：其中表示输入电阻，而表示输入电抗。6.S参数S参量表达的是功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入输出关系。其示意图如图3所示。图3双端口网络S参数示意图在线性微波网络中，由于归一化电压和电流之间呈线性关系，所以归一化入射波和反射波之间也呈线性关系。设端口1上的归一化入射波和反射波为，端口2上的归一化入射波和反射波为，则[⃗]=[S][⃗]其中，列矩阵[⃗]是归一化反射波矩阵，列矩阵[⃗]是归一化入射波矩阵，方阵[S]是双端口网络的散射矩阵，简称S矩阵。各矩阵元素称为散射参数，简称S参数，物理意义如下：=：端口2匹配时，端口1的反射系数；：端口1匹配时，端口2的反射系数；=：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；=：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；四．微带天线的分析方法微带天线分析的目的是要预测天线的辐射特性和近场特性，通过分析与设计相结合，减少高耗费的边做边试的循环次数，弄清楚天线的优点和局限性，帮助了解新的设计方法，现有设计的改进以及对新的天线结构研发来说可能有用的工作原理。天线分析的基本方法有：传输线法和全波理论法。这里不详细讲述。B.仿真利用HFSS对微带天线进行仿真。一．微带天线模型的建立在HFSS中建立的天线模型见图4。图中最外面的矩形代表辐射边界,材料为真空(vacuum)。辐射场里面的矩形板就是设计的微带天线的基板,基板上纵向的矩形线就是微带天线。微带天线的一端为激励端口,该端口通过SMA接头与50Ω的同轴馈线相连(便于测试)。天线工作中心频率是2.45Ghz，扫频范围为2.2-2.8Ghz。图4微带天线模型二．仿真结果1.驻波比2.S参数3.Smith圆图（）4.方向图E面方向图H面方向图III.结论无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线将电磁波集中在某一特定方向上，从而达到了对电磁波的调控。IV.应用微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。微带天线在民用上面常见于微波雷达传感器，如：24GHz雷达传感器，相对于传统的喇叭天线，传感器具有体积小，方向性好，使用方便等特点。参考文献[1]魏文元，宫德明，陈必森《天线原理》，国防工业出版社[2]李明洋，刘敏，杨放《HFSS天线设计》，电子工业出版社