天线与电波传播课件(第五章)天线新技术

《天线与电波传播》8/13/20201Dept.PEEHefeiNormalUniversity张忠祥8/13/20202Dept.PEEHefeiNormalUniversity教材：《天线与电波传播》王增和卢春兰钱祖平等编著机械工业出版社参考书：《天线原理》2003年7月第一版主编：江贤祚出版社：北京航空航天大学出版社《Antennas:ForAllApplications》1993年第一版主编：JohnD.Kraus出版社：theMcGraw-HillCompanies出版时间：2002《天线》编著：[美]JohnD.KrausRonaldJ.Marhefka出版社：电子工业出版社2004年4月第一版《RadioPropagationforModernWirelessSystems》编著：[美]JohnD.Kraus出版社：电子工业出版社RonaldJ.Marhefka2002年8月第一版天线与电波传播8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity3第1章天线基础知识第2章窄带天线第3章宽带天线第4章口径天线第5章天线新技术第6章电波传播概论8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity45天线新技术概述8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity58/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity6Gain(dBi):18V.S.W.R＜1.5Polarization±45°IsolationBetweenTwoPorts(dB)≥30Cross-PolarDiscrimination(dB)≥15Horizontal-3dBBeamwidth(°):87Vertical-3dBBeamwidth(°):4.78/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity75.1微带天线8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity8微带天线优点及应用在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，微带天线的一些主要优点是：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，因此，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；稍稍改变馈电位置就可以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；微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相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。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity9微带天线缺点与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受限制；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。但是有一些办法可以减小某些缺点。例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity108/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity11微带天线分类8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity128/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity138/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity148/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity158/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity168/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity17微带天线工作---辐射机理贴片尺寸为，介质基片厚度为。微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取，为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。bah2/mbm,walb8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity18微带天线工作---辐射机理电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为)/cos(0bxEEzEnMs8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity19微带天线工作---辐射机理沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity20微带天线工作---辐射机理矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流的正镜像。由于，因此它只相当于将加倍，辐射图形基本不变。sM0hsM8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity218/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity22微带天线的分析设计方法从原理上说，积分方程法可用于各种结构、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。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity23微带天线的分析设计方法这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Green’sFunctionApproach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-MultiportNetworkApproach)等。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity24微带天线分析---传输线模型分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型是传输线模型。该模型将矩形微带贴片看成场沿横向（a边）没有变化的传输线谐振器．场沿纵向（b边）呈驻波变化，辐射主要由两开路端（a边）处的边缘场产生。因此，微带天线可表示为相距b的两条平行缝隙（长a宽h）。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity25y=0处的缝隙等效面磁流为该磁流所产生的电矢位为hVEEyzxzzns00eeeeeMvrjksdvre041MF微带天线分析---传输线模型8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity26微带天线分析---传输线模型惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特性阻抗Zc的计算公式如下：•w/h1•w/h112758.088.1ln11165.0883.0377hwhwZrrrrrcrrrrchwwhZ1208.02258.0113218ln)1(212028/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity27微带天线分析---传输线模型施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相对介电常数的一个简单经验公式：2/11011121whrre8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity28微带天线分析---传输线模型缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数展开式表示，略去高阶项后可得近似结果如下:0202012016011201901aaaGs)2()235.0()35.0(0000aaa8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity29微带天线分析---传输线模型除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳还有一电容部分。它由边缘效应引起，其电纳可用延伸长度Δl来表示：哈默斯塔德给出Δl的经验公式如下：)tan(lYBcs8.0264.0258.03.0412.0hwhwhlee8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity30微带天线分析---传输线模型当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条缝隙的导纳加上长为b的传输线变换后的另一缝隙导纳，便得出微带天线的输入导纳：bjYYbjYYYYYsccscsintantan8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity31微带天线分析---传输线模型等效电路如图8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity32微带天线分析---传输线模型用延伸长度来表示电容效应，则可获得更简便的计算式：)2(tan)2(tanlbjGYlbjYGYGYsccscsin8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity33微带天线分析---传输线模型H面：E面：sincoscos21sin)(0akFHsin21cos)(0bkFE8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity34微带天线分析---传输线模型半功率波瓣宽度近似值如下：015.0121cos22aHbE4sin22015.08/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity35微带天线分析---传输线模型8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity36微带天线分析---传输线模型2/1212rfcWlLg25.0gLLG2.0gWWG2.0矩形贴片天线的尺寸设计：8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity37微带天线分析---空腔模型罗远祉(Y.T.Lo)等在1979年提出了空腔模型理论。基于薄微带天线(hλ0)的假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件求得。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity38微带天线分析---空腔模型由复数形式的麦克斯韦方程可得式中化为标量方程JEE022jktan100jkkrzzJjEk0228/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity39微带天线分析---空腔模型可用模展开法或模式匹配法求解方程。模展开法即把解表示为各本征模的叠加。本征函数由求解无源区与波动方程得出：在磁壁处需满足的边界条件为22()0mnmnkmn0