微带天线的基本理论和分析方法

目录摘要................................................................2Abstract............................................................31绪论..............................................................41.1研究背景及意义...............................................41.2国内外发展概况...............................................51.3本文的主要工作...............................................62微带天线的基本理论和分析方法......................................72.1微带天线的辐射机理..........................................72.2微带天线的分析方法...........................................82.2.1传输线模型理论.........................................92.2.2全波分析理论..........................................112.3微带天线的馈电方式..........................................122.3.1微带线馈电............................................122.3.2同轴线馈电............................................122.3.3口径（缝隙）耦合馈电..................................132.4本章小结....................................................133宽带双频双极化微带天线单元的设计.................................143.1天线单元的结构..............................................143.2天线单元的设计..............................................153.2.1介质基片的选择........................................163.2.2天线单元各参数的确定..................................163.3天线单元的仿真结果.........................................173.4本章小结....................................................184结束语...........................................................19参考文献...........................................................20致谢...............................................................22ku波段双频微带天线的设计摘要本文的主要工作是Ku波段宽带双频双极化微带天线研究。在微带天线的基本理论和分析方法的基础上，对微带天线的技术进行了深入的研究，设计了3种不同结构的Ku波段宽带双频微带天线单元，并完成了实验验证。依据传输线模型理论并结合软件仿真分析了3种不同结构的天线单元在天线的带宽、隔离度和增益等性能方面的差异，并作了比较，得出了性能最佳的一种天线单元结构形式。最后，对全文的研究工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。关键词：Ku波段；双频；传输线模型；微带天线AbstractInthispaper,broadbanddual-frequencyanddual-polarizedmicrostripantennaatKubandisdescribed.Threekindsofwidebanddual-frequencyanddual-polarizedmicrostripantennaelementareproposedandtheirexperimentalverificationsarecompletedwhichbasedontheclassicaltheoryandadeeperstudyonbroadband,dual-frequencyanddual-polarizationtechniqueofmicrostripantenna.Fromthetransmission-linemodetheoryandsimulativeresults,hebandwidth,isolationandgaincharacteristicsofamicrostrippatchelementwithvariousstructuresareanalyzedindetailandcompared,andanantennaelementwiththebestperformanceisadopted.Basedontheelementdescribed,four-elementlineararrayandplanararrayisdesignedwhichadoptedanti-phasefeedinganddislocationanti-phasefeedingtechnique,respectively.Inaddition,thetechniqueofanti-phasefeedingwhichsuppresscross-polarizedisfurtherstudiedbyusingtheeven/oddtheoreticalanalysis.Finally,wesummarizetheresearchofthepaperwithanoutlookforthefurtherresearches.Keywords:Kuband;dual-frequency;dual-polarized;microstripantenna1绪论1.1研究背景及意义近年来，随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务及卫星移动通信的迅猛增长，以往的微波较低频段(300MHz-10GHz)已经变得拥挤不堪，因此卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以满足大信息量的需求。目前，广泛用于Ku波段的通信天线主要是抛物面天线，然而这种传统的天线体积大、重量沉、造价高而且调整困难。由于物理空间的限制，这种抛物面天线体积过大不能满足某些天线的技术要求，因此天线的小型化迫在眉睫。在某些特殊应用的领域如移动通信方面，要求天线具有隐蔽性好、机动性强的特点，而这种传统的天线尺寸大、机动性差、难与载体共形、容易暴露目标，已不再适应现代卫星通信系统的需求。现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为了满足大容量通信的需求，要求天线具有双极化、多频性及宽带特性。微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、成本低、易与有源器件集成、能与载体共形、易实现双频、极化形式多样性等优点在卫星通信领域备受亲睐[1][2]。传统的卫星通信天线只工作在单一的某个频段内，单一的频段不能实现收发共用。未来的卫星通信需要收发共用一付天线，以处理同步进行接收与发射的两个分离频段的信号，满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用。这需要天线能够实现双频工作，而微带天线易于实现双频或多频工作，能够解决这些问题。因此微带天线的双频或多频技术亦成为重要的研究课题之一。在卫星通信系统中，目标的反射特性、电磁波的传播和信号的接收性能均与波的极化形式有关。天线极化匹配良好与否，系统的效果迥然不同。传统的卫星通信天线很难实现双极化工作，效能概率低，已不再适应现代和未来的卫星通信天线的要求。为了适应卫星通信系统的不断升级，满足大容量通信的需求，有效解决路径衰落问题，减少天线数量、降低天线成本，实现频率复用、极化分集、极化捷变特性，要求天线能实现双极化工作。微带天线易实现双极化或多极化工作，能有效解决上述问题。宽带双频双极化微带天线集合了微带天线、双频天线和双极化天线各自的优点，不仅大大提高了天线的各方面性能，而且在很大程度上降低了天线的成本。随着卫星通信技术的发展，对Ku波段宽带双频双极化微带天线的研究就变得十分迫切，同时对我国在新一代卫星通信系统中占据国际有利位置具有重要作用。该项目不仅具有广阔的经济前景，而且对保证国家安全也意义深远。1.2国内外发展概况近年来微带天线倍受重视，由于微带天线为平面结构的谐振式天线，因此它具有平面型、小型化的特点。但其工作频带较窄，一般矩形贴片天线的带宽只有5%。因此，如何展宽微带天线的阻抗带宽具有十分重要的实际意义。CamNguyen等人提出采用不同材料的介质基片、天线加载、采用多层贴片、口径耦合等方式有效地降低了天线的Q值，展宽了频带[3-6]。双频或多频天线能实现收发一体化的要求，D.M.Pozar和K-LWong教授等提出采用同一贴片，通过加载或者开缝的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终实现双频工作[7-11]。Zhang-FaLiu等人提出利用多层贴片结构形成多个谐振器，产生双频或多频段工作特性[12][13]。双极化天线在频率复用、实现大容量通信、收发一体化、极化分集、极化捷变等领域得到了广泛的应用。对于层叠式结构的微带天线，S.Gao、WansukYun和S.Kwon等人采用在接地板上开正交“H”型、“十”型、“T”型等缝隙的方式实现了双极化工作[14-17]。Ku波段宽带双频双极化微带天线一方面要求天线具有双频特性，且每个频带又要求宽带工作；另一方面要求天线具有双线性极化辐射特性，而且要求具有较高的隔离度和较低的交叉极化电平。因此，Ku波段宽带双频双极化微带天线虽然体积小，但由于要求微带天线同时实现宽频带、双极化、双频特性，具有一定的难度。在国内，对微带天线的双频双极化技术的研究在引进、消化和吸收外国先进技术的基础上，做了不少自主性的工作。尽管我国的通信技术在近年取得了长足的发展与进步，然而天线的关键技术和产品，主要为国外大公司所拥有，尤其是双频双极化微带天线技术，基本上大部分被国外公司和研究机构所垄断。目前国内对微带天线的双频双极化技术的研究也主要集中在L波段、S波段、C波段和X波段，研究的单位主要有西安电子科技大学、上海大学、国防科技大学和电子科技大学等高校。这些高校对国外相关双频双极化微带天线技术进行了充分的研究，作了不少改进，并开发出了一些具有自主知识产权的天线。如：上海大学的X.Qu和S.S.Zhong等设计了一种用于星载SAR的S/X波段双极化天线阵[18]，在S波段和X波段分别取得了8.9%和17%（VSWR≤2）的相对阻抗带宽。西安电子科技大学的潘雪明、焦永昌等设计了一种槽耦合的双频双极化天线单元[19]，在880MHz～960MHz的GSM频段和1710MHz～1880MHz的DCS频段上取得的反射损耗均大于10dB。国防科技大学的蔡明娟、刘克诚等提出了一种新型的双频双极化共口径微带天线[20]，天线工作的中心频率分别为2.1GHz(L波段)和8.6GHz(X波段),并用时域有限差分法对微带单元进行了模拟分析。西安电子科技大学的朱艳玲和焦永昌等设计了一种共口径双频双圆极化微带天线[21]，通过工作于主模和高次模的两辐射贴片嵌套实现了双频双圆极化辐射的要求。但是，根据查