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端射天线的研究与设计-电磁场与微波技术专业论文docx

发布时间:2019-06-14 19:12 来源:未知 编辑:admin

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  摘要 I 摘要 在雷达探测系统中,要求接收与发射信号的天线阵列具备良好的空气动力学 特性的同时,还要更好的与载体共形。端射天线以其独特的方向图特性解决了雷 达“盲区”问题。和其他天线相比,端射天线增益高、定向性好。无论是在民用 还是在军用设备上,端射天线成为天线领域的一个研究热点。 本文首先简单介绍了最为典型的端射天线——八木天线。文中针对八木天线 的结构与特性进行了仿真。分析了八木天线的振子对天线的增益与方向图特性的 影响,为最后的阵列仿真提供了参考数据。 其次是在八木天线的设计原理基础上,文中分别提出了微带准八木天线、基 于基片集成波导( SIW )结构的八木天线、印刷八木天线和高增益八木天线等新 型的端射天线。由于微带准八木天线具有低剖面,加工方便的优点,在近年来受 到很多关注。微带准八木天线利用缝隙耦合的方式实现了天线有源振子的馈电, 改善了以往微带准八木天线的对称性,进一步解决了以往天线由于采用不对称微 带线馈电带来的方向图偏离端射方向的问题。基于基片集成波导( SIW )结构的 八木天线是在基片集成波导的基础上,设计出来的一款新型的端射天线,该天线 尺寸小,具有波导缝隙天线的优点和微带天线结构上的优势。本文还提出了一款 新型的宽带印刷八木天线%,适宜在端射阵列中使用。在本 章最后提出了一款新型的高增益八木天线dBi 。 文章的最后对端射天线阵进行初步的研究。八木天线阵是最为基础的端射天 线阵。端射天线阵采用八木天线单元作为阵元,发挥了天线单元增益高的优点。 本文以仿真的方法,对八木天线单元之间的布阵间距进行了详细的研究,为改善 端射天线阵的后瓣与阵列增益提供了参考数据。同时也为其他类型的端射天线阵 的设计与仿真提供了参考。 关键词:端射阵,八木天线,微带天线,宽带,高增益 Abstract III Abstract In radar probing systems, a signal receiving and transmitting antenna array was required not only good aerodynamic characteristics, but also better conformal .with its unique pattern, end-fire antenna solve the radar “blind spot” problem. Compared to other antennas, the end-fire antenna with high gain and directional plays an important role in radar receiving and transmitting system. The end-fire antenna become a hotspot in the filed of antenna in civilian and military. First of all, the Yagi antenna, the most typical end-fire antenna, is briefly described. In this paper, the Yagi antenna is simulated for the structure characteristic and properties. Analysis of the impact of the dipole on the antenna pattern is given in this paper for the simulation of the end-fire antenna arrays. Then, based on the design principles of the Yagi antenna, most of novel end-fire antenna, such as microstrip quasi-Yagi antenna, Yagi antenna based on SIW, printed Yagi antenna and hign gain Yagi antenna, are introduced in this paper. Microstrip quasi-Yagi antenna is received a lot of attention due to its advantages, especially its low profile and easy fabrication. The microstrip quasi-Yagi antenna described in this paper improves the symmetry and further solved the antenna pattern problem of the previous microstip antenna due to the asymmetric microstrip feed. Yagi antenna Based on SIW is a novel end-fire antenna based on Substrate Integrated Waveguide, the antenna has advantage of waveguide slot antenna and microstrip slot antenna. A novel wideband printed Yagi antenna with about 50% relative bandwidth is also introduced in the paper. it is the best candidate of the end-fire antenna array. a new pattern of high gain Yagi antenna will be introduced in the last of the second chapter, the gain of the antenna is about 13.5 dBi. Finally, a preliminary study of Yagi antenna array is made. Yagi antenna array is the basic of the end-fire antenna arrays. The end-fire antenna array has the advantages of high gain for the use of Yagi antenna. In this paper, a detail research of the space between the units in the array is done by simulation. The simulation data for the improvement of backlobe and gain of end-fire antenna array is given, and it will provide a reference for the design of other end-fire antennas. Key word: end-fire antenna array, Yagi antenna, microstrip antenna, wideband, high gain. 目录 V 目 录 第一章 绪论..................................................................................................................... 1 1.1 端射天线研究背景 ......................................................................................... 1 1.2 研究历史与现状 ............................................................................................. 3 1.3 本文的工作安排 ............................................................................................. 5 第二章 八木天线 ....................................................................................................................... 7 2.1 八木天线简介 ................................................................................................. 7 2.2 八木天线的结构与工作原理 ......................................................................... 7 2.3 八木天线的设计 ........................................................................................... 11 2.4 八木天线的仿真 ........................................................................................... 14 2.5 小结 ............................................................................................................... 16 第三章 新型的端射天线........................................................................................................17 3.1 微带准八木天线 ........................................................................................... 17 3.1.1 微带准八木天线的结构与原理......................................................... 17 3.1.2 微带准八木天线的仿真..................................................................... 19 3.1.3 测量结果与分析................................................................................. 22 3.1.4 微带准八木天线进一步优化............................................................. 24 3.2 基于基片集成波导的微带八木天线 ........................................................... 26 3.2.1 研究与设计背景................................................................................. 26 3.2.2 双层微带基片集成波导结构............................................................. 28 3.2.3 天线仿真与加工................................................................................. 31 3.3 宽带端射天线 ............................................................................................... 33 3.3.1 研究背景............................................................................................. 33 3.3.2 印刷八木天线..................................................................................... 33 3.3.3 印刷八木天线的具体仿真................................................................. 34 3.3.4 印刷八木天线进一步优化................................................................. 36 3.4 高增益八木天线的仿真 ............................................................................... 38 3.4.1 高增益八木天线结构图..................................................................... 38 3.4.2 高增益八木天线的仿真结果............................................................. 39 3.5 小结 ............................................................................................................... 41 第四章 端射天线阵 ................................................................................................... 43 4.1 天线阵列的相关理论 ................................................................................... 43 4.1.1 理论背景............................................................................................. 43 4.1.2 端射阵的优缺点与难点..................................................................... 46 4.2 八木天线端射阵的仿真 ............................................................................... 46 4.3 印刷端射天线阵 ........................................................................................... 51 4.4 小结 ............................................................................................................... 54 第五章 结论...................................................................................................................................55 VI 端射天线的研究 致谢 .................................................................................................................................................. 57 参考文献......................................................................................................................................... 59 研究成果......................................................................................................................................... 63 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 端射天线研究背景 作为无线通信系统的辐射器,天线特性的好坏对系统整体功能的发挥具有很 重要的作用。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率、增益和前后 比等指标差别不大,天线的辐射形式成为系统选择天线类型考虑的一个重要的因 素。根据天线辐射特性的不同,可以分为以下几种类型的天线. 全向天线 全向天线,即在水平方向图上表现为 360°都均匀辐射,也就是平常所说 的无方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽 度越小,增益越大。全向天线在移动通信系统中覆盖范围大。现在一般密集 城区用的全向天线 dBi 左右的中增益天线. 定向天线 定向天线,即在水平方向图上表现为一定角度范围内辐射,也就是平常 所说的有方向性。在方向图上表现为有一定宽度的波束,同全向天线一样, 波瓣宽度越小,增益越大。端射天线在移动通信系统中覆盖范围小。 3. 机械天线 所谓机械天线,即使用机械调整转动角度的移动天线。机械天线与地面 垂直安装以后,通过调整天线背面支架的位置改变天线的倾斜角。天线倾斜 角度对机械天线的辐射方向图影响比较严重。 4. 电调天线 所谓电调天线,即使用电子调整天线位置的天线。电调天线的原理是通 过改变天线阵天线振子的相位,从而改变天线辐射方向图。与机械天线比较, 电调天线调整更方便,天线方向图更稳定。 根据辐射方向图的特点,本文研究的端射天线属于定向天线。考虑到成本与 调节的可操作性问题,端射天线以其定向性好,辐射范围可调性强的特点,在雷 达系统、车载系统得到了广泛的应用。随着工艺技术的日益提高,端射天线的种 类不断增加,由起初最典型的八木天线发展到今天的微带、印刷等多种形式的端 射天线。 现代设备中对天线的特性要求越来越高。微带天线具有低剖面、轻重量、易 共性、易于与微波集成电路集成的特点,在相控阵和多波束天线的设计中扮演着 重要的角色。虽然全向天线在无线网络中应用频繁,但是全向天线存在明显的缺 点——抗干扰性差、增益低。相对比与全向天线,微带准八木天线 端射天线的设计与研究 射天线方向性强、增益高的特点,更重要的是,微带准八木天线的抗干扰性强, 在指定的辐射方向抑制外部干扰。 作为端射天线的一种,近年来有关于微带准八木天线]频频发表在一 些重要的学术期刊中,更大的提高和丰富了人们对微带准八木天线的认识。传统 的八木天线只能实现端射辐射,无法直接与载体表面共面安装。利用微带天线实 现传统八木天线的功能,可与载体表面共面安装,使得微带准八木天线在无线网 络、微波集成电路中得到广泛的应用。微带准八木天线 所示。 作为一种新型的八木天线,微带准八木天线 微带准八木天线 木天线的结构集成到单层介质板上,不仅具有谐振型天线的紧凑结构,而且具有 行波辐射的宽带特性。该天线使用微带地板印刷在介质板上,用微带到共面带状 转换结构作为微带准八木天线的馈电端,整副天线的尺寸小于半波长,结构紧凑。 由于微带准八木天线的结构特点,使其完全可以集成在基于微带的单片微波集成 电路上。 微带准八木天线. 前后比高、交叉极化低。 2. 结构紧凑,体积小。与喇叭天线相比,相同频段相同辐射特性的微带准八木 天线在体积上要比前者小两倍。 3. 较低的阵子间耦合。对于传统的八木天线来说,设计过程中阵子间的互耦对 天线的辐射特性有着复杂的影响。互耦不仅使得天线在设计过程中变得复杂, 更重要的是将产生扫描盲区问题。微带准八木天线有较低的互耦影响,有利 于端射天线. 易于共型。传统的八木天线由于结构上的限制,无论是在军用上还是在民用 上,已经逐渐被其他类型的天线取代。而微带准八木天线 研究历史与现状 端射天线应用在雷达天线,车载天线等多个领域中。在日常应用中,端射天 第一章 绪论 3 线具有很好的方向性,较偶极天线有高的增益。用它来测向、远距离通信效果特 别好。端射天线可以应用在许多场合,以八木天线为例,该天线广泛应用于无线 网卡,电视接收,电台的信号传输,如果再配上仰角和方位旋转控制装置,更可 以随心所欲与包括空间飞行器在内的各个方向上的电台联络。典型的八木天线 民用八木天线典型结构 在军事应用中,以雷达天线为例,在当今的相控雷达系统中,天线作为阵列 单元,其辐射方向图垂直于阵列平面。天线阵口径面大,而在实际应用中往往要 求天线在有限的空间发挥作用。而采用端射天线阵可以解决天线阵口径大的问题, 原因在于端射天线阵的辐射方向图不再是天线阵列法向,而是轴向,最大辐射方 向上没有与方向系数成正比例的口径尺寸。 鉴于以上特点,端射天线阵列在军事应用中备受青睐。改善雷达盲区问题, 可以采用端射天线,对天线增益起到主要影响的是机身长度方向上的尺寸,获得 与侧射阵面相匹配的探测性能。 瑞典皇家空军 1983 年起决定独立发展预警机,采用有源相控雷达,2 面背对 背的端射天线安置在机身上方的长条形雷达天线罩内。每面天线°的方位角,所以在前后各有 60°的雷达盲区。美国出口澳大利亚的 E-737 预警机,是第一种采用端射天线阵列的预警机。在平衡木的设计中采用了端射天 线,为前后盲区进行弥补,获得了全方位性能。 E-2 “鹰眼”是美国格鲁门公司 研制的舰载预警机,用于舰队防空和空战导引指挥,但也适用于执行陆基空中预 警任务。1956 年 3 月开始设计,其研制三架原型机,第一架于 1960 年 10 月 21 日首次试飞。雷达天线为八木端射阵,雷达天线的背面是敌我识别天线。所获得 的雷达和敌我识别信号,通过一个三通道的旋转同轴耦合器向飞机内部设备传送。 这就是 E-2 的一个典型特点,也是多数预警机所共有的特点。 4 端射天线 飞机 八木天线作为阵列单元,其最大的缺点就是带宽太窄。在瞬息万变的信息战 争中,八木天线这一缺点尤为明显。为了进一步的提高天线的带宽,天线的结构 逐渐转变。早在 1995 年,在一篇美国专利[5]中就提出利用一款新型的天线作为端 射天线阵中的天线单元,该天线 宽带端射天线 该天线也称为“兔耳朵天线”( bunny ear antenna )[6]。相对比一般的对称振 子,该单元在 E 面方向图上的波束宽度比 H 面宽,这一特性在端射天线波束扫描 中很重要。其频率覆盖范围可从 0.5GHz ~ 20GHz 。 1999 年,美国列克星敦的雷神( Raytheon )公司提出以该宽带天线],其具体的结构图如图 1.5 所示。 图 1.5 宽带端射天线阵 在该文献中将该端射天线排列为一个更大的圆阵,使天线阵的方向图覆盖范 围达到 360°,圆阵的示意图如图 1.6 所示。 第一章 绪论 5 图 1.6 圆形端射天线 年雷神( Raytheon )公司 HRL 实验室利用宽带端射天线单元与电磁带 隙( EBG )结构相结合[8],提出了可变方向图的端射天线结构。该结构可以通过 电磁带隙来改变端射天线的方向图,可以应用在飞行器与车辆天线中,宽带端射 天线 基于可调阻抗表面(EBG)的端射天线 近年来,国内也开始了对端射天线的研究。国内的一些院校也在相应的期刊 中发表了相关的文献[9]。虽然文献中给出了相应的理论与实验结果,但是距离实 际的大规模应用还是有一定的差距。在有限的文献资料中,很少有关于端射天线 的理论资料。进一步研究端射天线阵,对国内端射天线的发展具有很重要的意义。 1.3 本文的工作安排 与其他类型的天线不同,现有的端射天线技术并不成熟。端射天线的形式有 以下几类:八木天线、微带准八木天线、印刷八木天线、高增益多层八木天线。 本文各个章节内容安排如下: 第一章为绪论,简单阐述了端射天线的概念,国内外发展历史与研究情况。 第二章介绍了八木天线的基本理论,研究了八木天线的各个振子对八木天线 方向图的影响,为其他类型的端射天线的研究提供理论参考。 第三章设计了多款类型的端射天线,分析了各种端射天线 端射天线的设计与研究 测量结果。 第四章是在前一章的基础上,对八木天线阵进行仿真,初步了解端射天线阵。 第五章为总结,对本文工作进行简单的总结,并提出不足之处。 第二章 八木天线 第二章 八木天线 八木天线简介 八木天线早期叫“定向天线”或“寄生天线”,是最为典型的端射天线 年日本仙台大学的宇田太郎( Shintsro Uda ),利用二极真空管制作的振荡器,产 生了波长为 4.4 公尺的讯号,他把该讯号加在一个环形天线上做电波传导实验, 同时将一个共振频率稍低的寄生组件,摆在辐射组件附近,后来又把环形改为直 条型寄生组件,摆的数目越多,测到的信号越强。经过研究发现,当反射组件是 波长的一半,且与辐射组件保持四分之一波长的距离时,天线的增益最佳,要保 持该情况,在加入导向组件时,导向组件的长度要比波长少百分之十的长度,与 辐射组件的距离约为三分之一波长距离最为理想。 该研究成果最初在 1926 年发布,宇田的导师八木秀次( Hidetsugu Yagi )的 一片论文中评价了宇田的工作。1928 年,八木访问美国,在无线电工程师协会 ( IRE )的会议上宣读了该论文,才得到公认,并一致称为“八木宇田天线”,简 称“八木天线”。 八木天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动,并有一定的增 益。缺点是频带窄,增益不够高,因此常排成阵列使用。它在超短波和微波波段 应用广泛。 八木天线在实践中都得到广泛的应用,其中包括用在室内外移动通信系统网 络覆盖工程中和电梯井、隧道、长廊等场合。军事方面应用中,为了排除控阵雷 达的搜索盲区,八木天线被用在舰艇上,增强抗干扰能力,同时扩大搜索范围。 2.2 八木天线 八木天线的结构 典型的八木天线有三对振子,整个结构呈“王”字形。与馈线相连的称为有 源振子,或叫主振子,处于在三对振子中间。比有源振子稍长一点的称为反射器, 或叫反射阵子,处于有源振子的一侧,起着削弱从这个方向传来的电波或从本天 线发射去的电波的作用;比有源振子略短的称引向器,或叫引向阵子,它位于有 源振子的另一侧,它能增强从这一侧方向传来或向这个方向发射出去的电波。引 向器可以有许多个,每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点。 引向器越多,方向越尖锐、增益越高,但实际上超过四、五个引向器之后,增益 增加就不太明显了,而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问 8 端射天线的设计与研究 题逐渐突出。八木天线 传统的八木天线 每个引向器和反射器都是用一根金属杆做成。所有的振子,都是按一定的间 距平行固定在一根金属杆上。振子的中点不需要与金属杆绝缘,原因是电波在这 些约为半个波长长度的振子上传播时,振子的中点正好位于感应信号电压的零点。 在空间感应到的静电正好可以通过这些接触点、天线的金属立杆再导通到建筑物 HYPERLINK /view/16761.htm  的避雷地网。 2.2.2 八木天线的工作原理 八木天线的工作原理,可以依据电磁学理论进行详尽的数学推导,但是比较 繁琐复杂,可以定性的简单分析[10],八木天线 所示: B A C λ/ 4 λ/4 图 2.2 八木天线结构图 与天线电气特性指标密切相关的是波长 λ ,长度略长于 λ / 4 整数倍的导线呈 电感性,长度略短语 λ / 4 整数倍的导线呈电容性。由于主振子 A 采用长度约为 λ / 2 的半波对称振子或者半波折合振子,在中心频点上工作时处于谐振状态,阻抗呈 现为纯电阻,而反射器 B 比主振子略长,呈电感性。假设两者之间间距为 λ / 4 , 以接收状态为例,从天线前方某点过来的电磁波将先到达主振子,并产生感应电 动势 ε A 和感应电流 IA ,再经 λ / 4 的距离后电磁波到达反射器,产生感应电动势 ε B 和感应电流 IB ,因空间上相差 λ / 4 的路程,故 ε B 比 ε A 滞后 90°,又因反射 器呈感性 IB 比 ε B 滞后 90°,所以 IB 比 ε A 滞后 180°。反射器感应电流 IB 产生 辐射到达主振子形成的磁场 HB 又比 IB 滞后 90°,根据电磁感应定律 HB 在主振 第二章 八木天线 子上产生的感应电动势 ε A 比 HB 滞后 90°,也就是 ε A 比 ε A 滞后 360°,即反 射器在主振子产生的感应电动势 ε A 与电磁信号源直接产生的感应电动势 ε A 是 同相的,天线输出电压为两者之和。同理可推导出,对天线后方某点信号来说, 反射器在主振子产生的感应电动势与信号直接产生的感应电动势是反相的,起到 了抵消输出的作用。 而引向器 C 比主振子略短,阻抗呈容性,假定振子间距也等于 λ / 4 ,按上述 方法也可以推导出引向器对前方过来的信号起着增强天线输出的作用。综上所述, 反射器能够有效消除天线方向图后瓣,并和引向器共同增强天线对前方信号的灵 敏度,使天线具有了强方向性,提高了天线增益。 以上分析可以简单的用以下示意图说明: 如图 2.3 所示,在半波振子距离 λ / 4 的地方,加入一个比有源振子稍短的无源 振子,其方向图就会向半波振子方向偏移。 图 2.3 引向振子对方向图的影响 在半波振子另一边,加入一个比有源振子稍长的无源振子,则方向图向无源 振子方向偏移,如图 2.4 所示。 图 2.4 反射阵子对方向图的影响 10 端射天线的设计与研究 在半波振子的两边同时加入不同长度的无源振子,则方向图发生很大的偏移。 如图 2.5 所示。通过以下示意图反映了反射振子和引向振子的作用。由于加入了 反射器和引向器,天线的方向图发生改变,由原来的 8 字形变为单向辐射的波形。 图 2.5 引向振子与反射振子对方向图的共同影响 第二章 八木天线 八木天线的设计 有源振子、引向振子和反射振子的尺寸是设计八木天线首先考虑的问题。作 为八木天线的唯一馈源,有源振子是关键的一个单元,有两种常见形态:折合振 子与对称振子。对称极子是二分之一波长偶极振子,折合振子是其变形。有源振 子与馈线相接的地方必需与金属杆保持良好的绝缘,而折合振子中点仍与金属杆 相通。 八木天线是在对称振子(或折合振子)的基础上,增加了反射器和引向器。 其中对称振子(折合振子)是八木天线最为敏感的部位,其设计将直接影响八木 天线的性能。具体分析如下[10]。 1. 对称振子 对称振子由两根同样粗细和同等长度的直导体构成。这两根导线称为对称振 子的双臂,每一臂的长度用 L 表示。对称振子中间馈电,馈电后,对称振子两臂 将产生一定的电流,半波对称振子的电流分布图如图 2.6 所示。 2L=0.5λ 图 2.6 对称振子电流分布图 对于 L = 0.25λ 的对称振子,因为两臂相加,正好等于半个波长,故称为半波 振子。半波振子电流有以下特点: 1、振子端点是电流波节点,馈电输入端是电流波腹点。 2、电流是按照正弦规律分布。 3、电流分布对中心点是完全对称的,即振子两臂对应点的电流大小相等,方向一 致。 12 端射天线的设计与研究 对称振子上的电流分布和辐射方向图如图 2.7 所示: F(θ) 2L=0.5λ 78.0° 0.707 图 2.7 对称振子的电流分布图与辐射方向图 对称振子天线的方向图在与振子垂直的方向幅度最大。理想情况下,半波振 子的 3dB 波瓣宽度为 78°。经计算,半波对称振子的输入阻抗为:Z = 73 + j42.5Ω 。 经过略微减小半波振子的长度,可以使天线,则半波振子的 输入阻抗约为 73 Ω 。 对称振子天线是谐振式结构,属于窄带天线。可以通过调整对称振子的半径 来改变带宽,一个普遍的原理是:振子越粗,带宽越宽。 2. 折合振子 折合振子是由两个两端连接的平行振子组成,形成一个窄导线环,其中 d 远 小于 L,馈电在一边的中心,折合振子本质上是一个具有不等电流的非平衡传输线 折合振子示意图 折合振子相当于两个半波振子并联,其水平方向图与半波对称振子相同,呈 8 字形,所不同的是阻抗特性。半波折合振子(谐振时)的输入阻抗是普通振子的 4 倍。谐振时半波振子的输入阻抗为 73 Ω ,折合振子输入阻抗为 292 Ω ,此阻抗 非常接近于普通的双导线 Ω 。 第二章 八木天线 对于八木天线的有源振子来讲,一般选择折合振子,因为单个折合折子的阻 抗较高,八木天线的其他无源振子加上后会使天线的整个输入阻抗下降,比单根 折合振子的输入阻抗要小很多。但是折合振子天线的调整比较麻烦,为了快速的 了解八木天线的辐射特性,本文采用的八木天线一致选为半波对称振子。图 2.9 为两种类型的天线在 HFSS 中的建模。 图 2.9 八木天线的两种典型结构:折合振子和对称振子 天线振子间距是设计八木天线时考虑的另一个重要问题。对于八木天线,引 向振子间距选得太大,方向图主瓣变窄,增益变高。相反,间距变小,增益和方 向性都会变差。天线的增益随着引向振子的数目增加而提高,但引向振子增加到 一定的个数后,天线的增益几乎不再增加。 天线振子间距对天线阻抗也存在影响。总的来说八木天线比仅有基本振子的 阻抗要低很多,且八木各单元间距大则阻抗高,反之阻抗变低,同时天线效率降 低。工程上一般认为,引向振子与有源振子间距 0.15 λ 时阻抗最低,0.2~0.25 λ 时 阻抗高,效率提高。这时阻抗的变化范围约在 5~20?间。 经典的折合振子八木 天线?,(振子间距约四分之一波长)如常见的电视接收天线。 八木天线振子尺寸的选择主要取决于天线的工作频率。无源振子长度的确定,可 以根据八木天线的工作频带 Δf 与中心频率 f0 ,由以下公式计算振子特性阻抗[11] Z = (9.6 ?12.8) f0 0 Δf  (2-1) 有源振子可选用单根半波天线或折合振子,一般长度约为 0.475λ ,振子越粗, 则还应短一些。 14 端射天线 八木天线的仿真 在上一节分析的基础上,利用现在流行的一款八木天线设计软件“yagi”,可 以快速的设计出 n 元的八木天线。为了更好的设计八木天线,首先在该软件中简 单的得出八木天线的大致尺寸,然后在 HFSS 电磁仿真软件中进一步优化天线 八木天线计算器 分别在该软件下设计 4 元、7 元、9 元八木天线 不同单元数的八木天线振子长度尺寸(单位:mm) 类型LRLSL1L2L3L4L5L6L74 元302725.224.57 元30.1252825.524.523.522.521.59 元30.528.527.0262524232221经过大量的仿线 单元的八木天线dBi (本文中四元八木增益为 9.5dBi ),7 单元的八木天线dBi (本文 中七元八木增益为11dBi ),9 单元的八木天线dBi(本文中九元八 木增益为12dBi )。在单元数较少的情况下,八木天线的引向器可以起到提高天线 元八木天线 元八木天线dBi 。但是引向 阵子增加到 9 单元时,八木天线的增益提高的幅度相应减小。 表 2.2 不同单元数的八木天线增益与波瓣宽度 类型增益3 dB 波瓣宽度4 元9.5dBi56°7 元11dBi52°9 元12dBi50°设计天线考虑的另外一个因素是天线 中可以 发现,随着八木天线引向器个数的增加,天线的后瓣相应的减小。同时发生变化 的还有天线的主波束宽度,引向器越多,主波束宽度越小,定向性越好。 第二章 八木天线 -12 -12 0 12  300 240  330 210 0 180  30 150 H_plane E_plane 60 90 120 图 2.11 四元八木天线 -20 -30 270 90 -20 -10  240  120 0 10 210  180  150 图 2.12 七元八木天线 E_plane 0 -12  300 60 -24 -36 270 90 -24 -12  240  120 0 12 210  180  150 图 2.13 九元八木天线方向图 在大型的端射天线阵中,八木天线增益高定向性好的特点是非常具有优势的。 但是同时存在一些比较棘手的问题,那就是八木天线引向器的个数与振子之间的 相互间距的选择。不仅如此,增加八木天线引向器的个数将会降低天线的输入阻 抗。一般的理论分析认为,半波对称振子天线 Ω ,半波折合振子 为 292 Ω 。就以半波折合振子为例,一旦引向器增加到一定的个数以后,天线 端射天线的设计与研究 输入阻抗将降低到 200 Ω 左右。 八木天线的缺点是不可以实现波束扫描,利用八木天线作为端射阵单元组阵, 必须依靠外部机械进行扫描。在军事应用中,八木天线作为端射天线单元设置在 一个旋转天线罩结构内部,利用复杂的馈电网络进行控制。 2.5 小结 本章简单的介绍了八木天线的历史背景,分析了八木天线工作的原理,并给 出不同个数的引向阵子的八木天线的仿真结果。八木天线的方向性好,结构简单, 而且加工方便,在民用与军用中应用频繁。??是八木天线的缺点也明显,在大型 的天线中无法灵活的改变天线方向图,必须依靠外部结构来调整天线辐射方向图, 结构较大,调整起来也很不方便。本章简单的对八木天线进行仿真,为下一步研 究端射天线奠定了基础。 第三章 新型的端射天线 第三章 新型的端射天线 微带准八木天线的结构与原理 随着微波技术的发展,高增益、低成本的天线备受关注。近年来,微带准八 木天线(微带八木天线)成为国内外的一个研究热点。在文献[12~15]中提出了多种 形状的微带准八木天线。以上文献中所出现的微带准八木天线,其共同的特点就 是采用一段 180°相差的微带传输线作为馈线,馈入八木天线的两臂的信号刚好 等幅反向。微带准八木天线的设计关键在于馈电电路,以往的文献中采用 180° 相位差的微带线。虽然设计思路简单,易于实现,但引入 180°相差的微带线, 将使得天线的方向图向左右两边偏转,无法对准端射方向。基于 180°相差的微 带线的微带准八木天线°相差微带线微带准八木天线 在软件 HFSS 中对该天线进行建模,天线的 E 面和 H 面方向图如图 3.2 所示。 8 4 0 -4 -8 -12  300  330 0 30 E_Plane H_Plane 60 -16 270 90 -12 -8 -4 240 0 4 8  210  180  150  120 图 3. 2 微带准八木天线的 E 面和 H 面方向图 若采用该天线作为端射天线阵列单元,必然会影响方向图。为了更好的解决 18 端射天线的设计与研究 以上问题,本文提出了一种新型的微带准八木天线——基于魔 T 的微带准八木天 线。 设计的思路源自于文献[16~17]中提高的微带魔T。魔T是微波、毫米波电路中的 重要器件,广泛应用于微波集成电路、电子对抗以及制导系统等。如图 3.3 所示, 传统的魔T是一种四端口网络,实现反向输出和同向输出。使信号同向输出的端 口称为 Σ 端口,使信号反向输出的端口称为 Δ 端口。信号从 4 端口输入,从 1、3 端口输出,信号等幅反相;信号从 2 端口输入,从 1、2 端口输出,信号等幅同相。 本文所设计的微带准八木天线的优点在于采用了缝隙耦合馈电,使得结构上 图 3.3 魔 T 结构图 更加对称,降低了馈电结构对天线方向图的影响。馈电结构如图 3.4 所示。 L1 图 3. 4 平面魔 T 结构 输出端口相位差的仿线 所示。两个输出端口之间相位差在 180° 左右,完全可以取代微带线作为微带八木天线的馈电电路,保证微带准八木天线 有源振子两臂输入信号相位相反。相对比以往文献提到的微带准八木天线馈电电 路,新型的馈电电路在结构上更加对称。 第三章 新型的端射天线1359090454500-45-45-90-90-135-135-180-1804.04.55.05.56.06.5 Ang(S21)-Ang(S31) Phase Angle(deg) Freq(GHz) 图 3. 5 输出端口相位差仿真结果 经过 S 参数仿线 参数略差,接近于与理想结 果有差别,这是因为能量在两次微带与缝隙传输过程中向外辐射造成。 0 -5 S Parameter( dB) -10  S11 S21 S31 -15 -20 -25 -30  4 5 6 7 8 Freq(GHz) 图 3. 6 平面魔 T 的端口 S 参数仿线 微带准八木天线 本文提出的基于魔 T 的微带准八木天线 基于魔 T 结构的微带准八木天线 端射天线的设计与研究 微带准八木天线是由三部分组成:一个有源阵子,一个引向阵子和实现等幅 同相的魔 T 结构。其中魔 T 结构是用耦合馈电的方式实现两个输出端口的相位相 反,地板作为微带八木天线反射器的作用。天线各个单元尺寸如下:微带馈电单 元 L0×W0;地板耦合缝隙宽度 S,长度 Ls;50 欧姆传输线,输出端口间距 g; 四分之一波长阻抗变化器 L2×W2;有源阵子 L3×W3,引向阵子 L4×W4,阵元间 距 G。本文采用介电常数为 2.65,厚度为 1mm 的介质板,尺寸为 L×W。 通过软件仿真优化,影响微带准八木天线性能的主要参数有耦合缝隙的宽度 S、有源振子的长度 L3、引向振子的长度 L4 和振子间距 G。 设计的微带准八木天线的馈电方式是采用缝隙耦合。缝隙的设计是实现能量 从微带传递到天线辐射单元的一个重要设计环节。经过仿真分析,缝隙的宽度 S 是影响结果的一个重要参数。如图 3.8 所示,缝隙的宽度由小变大,中心频率将 从低频移动到高频,而且带宽也随着变窄。缝隙的宽度不仅仅影响中心频率,而 且影响天线mm VSWR 1.50 1.25 1.00 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 Freq(GHz) 图 3. 8 S 对电压驻波比的影响 微带准八木天线的有源振子长度理论上应该半波长,在实际的仿真中仍然需 要进行微调。如图 3.9 所示,微带准八木天线的有源振子长度越长,中心频率越 低。以中心频率为 5.5GHz 为标准,有源振子的尺寸略微大于半波长。 2.00 1.75  L1=15mm L1=17mm L1=19mm VSWR 1.50 1.25 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 Freq(GHz) 图 3. 9 L1 对电压驻波比的影响 第三章 新型的端射天线 微带准八木天线的引向振子的长度理论上同样为半波长,在实际的设计中, 引向振子的长度略微大于半波长。如图 3.10 仿真结果所示,当引向振子长度取为 15mm,仿线mm VSWR 1.6 1.4 1.2 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 Freq(GHz) 图 3. 10 L2 对电压驻波比的影响 天线有源振子与引向振子之间的间距 G 仿线。微带准八木天线 能量由有源向外部空间辐射主要是通过引向振子,合适的振子间距可以改善输入 端口电压驻波比。间距 G 太小,引向振子不但起不到传递能量的作用,而且会将 能量反射回去,使得端口驻波比变差。G 太大,能量无法耦合引向振子传递到外 部空间。仿真结果最终也验证了以上分析,当振子间距 G 选择为 7.5mm 或 10mm 时,端口电压驻波比变化不是很大。振子间距超出一定距离以后,端口电压驻波 比的变化平缓。最终选择振子间距为 7.5mm。 2.0 1.8  G=5mm G=7.5mm G=10mm VSWR 1.6 1.4 1.2 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 Freq(GHz) 图 3. 11 G 对电压驻波比的影响 22 端射天线的设计与研究 微带准八木天线采用缝隙耦合的方式馈电, 能量经 50 Ω 传输线传送到地板 缝隙上方,经缝隙耦合,微带线转带状线馈入微带准八木天线的辐射振子,最终 辐射到外部空间。天线的表面电流分布图如图 3.12 所示。 图 3.12 微带准八木天线 测量结果与分析 利用矢量网络分析仪测量出该天线的电压驻波比,测量结果与仿线GHz 之间的驻波比小于 1.6,测量结果与仿线GHz 之间,测量结果与仿真结果存在差距,但都小于 2。 2.0 1.8  Measured Simulated VSWR 1.6 1.4 1.2 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 Freq(GHz) 图 3.13 电压驻波比的仿真与测量结果 第三章 新型的端射天线 所示。由于底板微带缝隙的存在,能量不可避免 将要从微带缝隙辐射到外部空间,从而影响了微带准八木天线的辐射方向图。仿 真出来的结果可见,在缝隙处,方向图存在副瓣。天线270-12-9-6 -3 300 -3 240 0 3 6  330 210 0 180  30 150 E_plane H_plane 60 90 120 图 3. 14 5.1GHz 天线 -6 300 -6 240 0 6  330 210 0 180  30 150  E_plane H_plane 60 90 120 图 3.15 5.5GHz 天线 微带准八木天线进一步优化 端射天线的设计与研究 在前一章中提到,增加八木天线增益的一个途径就是添加八木天线的引向器。 同理,为了进一步提高准八木天线的增益,对该天线的引向器形状进行优化,同 时增加天线的引向器,以达到提高微带准八木天线增益的目的。 采用椭圆形振子代替对称振子,以四元引向器为准,优化椭圆振子的长轴长 度 LR,单元振子间距不变,仍为 G=7.5mm。天线mm。 在前面一章的分析中,八木天线增加引向振子,必将影响八木天线的输入阻 抗。对于微带准八木天线,其中椭圆形振子的长度与引向振子之间的相互间距同 样会影响天线的输入阻抗。以下对椭圆形振子的长度 LR 进行仿真优化,仿真结 果和最终微带准八木天线mm LR=8.3mm LR=8.8mm VSWR 2.0 1.5 1.0 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Freq(GHz) 图 3. 17 LR 对电压驻波比的影响 L G W LR 图 3. 18 优化以后的微带准八木天线 采用椭圆形辐射器,可以有效的降低引向器的尺寸。根据 HFSS 的优化结果, 所有振子(包括有源振子和引向振子)的尺寸 LR 选为 8.3mm,比半波振子的尺 寸降低 50%左右。实物加工图和端口驻波比的仿线 所示。 第三章 新型的端射天线 优化以后的微带准八木天线  Simulated Measured 2.00 1.75  1.75 VSWR 1.50 1.50 1.25 1.25 1.00 1.00 4.8 5.2 5.6 6.0 6.4 6.8 Freq(GHz) 图 3. 20 电压驻波比仿真与实测结果 引向器的个数增加到 4 个,天线的增益也随着提高,最大增益可达到 9.5dBi。 优化以后的微带准八木天线 所示。添加引向阵子以后的微带准 八木天线,后瓣略微变小。H 面方向图较差,究其原因还是因为地板缝隙向外辐 射能量造成的。 10 5 -5-10-15270-10-5 0 300 0 240 5 10  330 210 0 180  30 150  E_plane H_plane 60 90 120 图 3.21 优化以后的微带准八木天线 端射天线 基于基片集成波导的微带八木天线 研究与设计背景 毫米波系统的快速发展,要求在微波器件的设计上更加高效。矩形波导已经 广泛应用在毫米波工程中。然而矩形波导的设计加工要求精度高、不易集成、制 作费用昂贵,实际应用受到了限制。近年来出现了一种新型的波导结构——基片 集成波导(Substrate Integrated Waveguide-SIW)。基片集成波导(SIW)具有微带 线的许多优点,如体积小、重量轻、便于与微波电路集成等。同时还继承了矩形 波导品质因数高、便于设计等特点。目前已经广泛应用于滤波器、天线]。 基片集成波导(SIW)是一种人工集成的波导结构,图 3.22 所示为一个典型 的单层基片集成波导结构,由两排线性紧密排列的金属通孔或销钉嵌入到上下底 面为金属的低损耗基片上构成。图中介质基片的上下表面为金属,在介质基片中 相隔一定距离制作两排金属化通孔,这样就在上下金属面和两排金属化通孔之间 形成了一个类似于矩形波导的结构[22]。 W h d r 图 3.22 基片集成波导的典型结构图 通过合理的选择基片集成波导(SIW)各个单元的尺寸:金属通孔之间的相 互间距 d,金属孔直径 r,两排金属孔阵之间的距离 W 和介质基片的厚度 h。大 部分电磁场可以被限制在两排通孔和上下金属面之间的区域内进行传播,在金属 通孔之间的相互间距 d 足够小的前提下,从通孔缝隙泄露的能量可以忽略。 SIW具有与金属矩形波导相似的传输特性,因此可以运用矩形波导的相关理 论分析SIW。目前分析方法有全波分析法、等效模型法和商业电磁软件仿线]对基片集成波导进行了分析,提出基片集成波导的等效矩形波导尺寸计算 公式。在介质基片相同且厚度相同h的前提下,给出以下尺寸转换公式: r2 ae = W ? 0.95× d (3-1) 新型的端射天线 其中 ae 为等效矩形波导的宽度,r、d 分别为金属通孔直径和金属通孔间距。 相邻金属通孔之间间距越小,等效精度越高。考虑金属通孔直径与金属孔阵之间 间距时,可以将转换公式进一步修正如下: r 2 ae = w ?1.08× d r2 + 0.1× w  (3-2) 基片集成波导等效为矩形波导的前提条件是: d 2, r r w  0.2  (3-3) 在该条件下,可以认为基片集成波导的损耗忽略不计,具备类似于矩形波导 的传输特性,类似于矩形波导,为了保证基片集成波导工作在主模 TE10 模,因此 工作频率还必须满足: f fc1 =  2ae  c μrεr  (3-4) 同时为了抑制高次模 TE20 ,工作频率还必须满足: f fc 2 = ae  c μrεr  (3-5) 根据以上几个设计原则,设计基片集成波导可以分为以下几个步骤: a) 确定工作频率 f 以及等效矩形波导宽度 ae ,工作频率由以下公式确定 f = fc1 + fc 2 2  (3-6) b) 选择通孔之间间距 d 与直径 r c) ??定基片集成波导的宽度 w 28 3.2.2 双层微带基片集成波导结构 端射天线的设计与研究 基片集成波导(SIW)结构在天线中应用频繁,主要是以单层基片集成波导 结合微带缝隙天线 所示。 图 3.23 基于 SIW 结构的微带缝隙天线 基于 SIW 结构的微带准八木天线 在高频频段,特别是毫米波频段,微带线和共面波导(CPW)结构的辐射损 耗增大。而基片集成波导的出现,恰好克服了以上结构高频段损耗大的缺点。近 年来,基片集成波导不仅仅应用在微带缝隙天线阵中,在设计其他形式的天线中 也备受青睐。 在已查阅的众多有关基于基片集成波导的天线文献中,单层微带基片集成波 导占据了其中很大部分[27,28],而多层微带基片集成波导结构则少之又少。由于空 间的合理应用,相对于单层微带基片集成波导结构,多层微带基片集成波导结构 的最大优点是降低尺寸。在已发表的几篇文章[29~31]中,提出了多款新型的基片集 成波导结构(SIW),这对SIW结构的设计与应用提供了更广阔思路。 在前一小节的分析基础上,本节在 HFSS 软件中设计了一款基于双层微带基 片集成波导结构的三端口网络,其结构如图 3.25 所示。 新型的端射天线 底层 金属贴片 金属通孔 端口3 图 3.25 双层微带基片集成波导结构 在以往的微带八木天线的设计中,传输馈电网络在天线的设计中扮演着一个 很重要的角色。除了前面文章提出的基于魔 T 的微带八木天线之外,现有的设计 思路无一例外采用微带传输线作为馈电电路,以保证微带八木天线°。利用微带线馈电的最大缺点是天线对微带线与带状线的转化非常敏感, 设计尺寸稍有变动,天线的相关参数变化剧烈,而且一旦应用在在高频频段,微 带线结构辐射损耗大。SIW 结构恰恰克服了微带线稳定性不高的缺点。同时,由 于 SIW 结构上下表面电流相位相位相差 180°,因此可以将这种结构看为平面平 衡线。利用 HFSS 软件仿真该结构,其端口的 S 参数如图 3.26 所示。 S11 S21 S31 0 -5 -10 S Parameter -15 -20 -25 -30 -35 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 Freq(GHz) 图 3.26 双层微带集成波导结构的 S 参数仿真结果 由仿真结果可以看到,该结构在 5.4GHz~7.4GHz 带宽内,S11-10dB,两个 输出端口的 S 参数——S21 和 S31 约为-3.5 dB,比理想情况略微变差,主要原因 是能量在传输的过程中,通过两排金属通孔阵向外部空间泄露。 30 端射天线的设计与研究 利用软件给出了该结构的电场动态分布图 3.27,可以很清晰的看到,能量从 输入端口馈入,经由双层基片集成波导结构分别传送到上下端口。电场基本被束 缚在基片集成波导结构内,在两排金属通孔阵的外部,几乎看不到电场的分布。 图 3.27 双层集成波导结构的电流仿真图 根据以上分析,本文将基片集成波导(SIW)结构应用到微带八木天线的设 计中,设计了一款新型的八木天线。基于基片集成波导(SIW)结构的八木天线 所示。 顶层 中间金属 贴片  中间层 底层 图 3.28 基于 SIW 结构的微带八木天线结构图 从以上天线的立体图可以看到,该天线的结构可以分为三层:顶层、中间层 和底层。顶层与底层分别分布在介质基片的上半空间和下半空间。两排线性紧密 排列的金属导体柱贯穿介质基片,并在中间嵌套金属贴片。 电磁软件仿线 基于 SIW 结构的微带八木天线电流分布图 新型的端射天线 电磁信号首先经过微带线向前传输,当到达由两排紧密排列的金属导体柱所 形成的空间中。金属导体柱起到的作用就好比一个矩形波导,大部分电磁信号沿 着金属导体柱所形成的空间向前传播,不再向外部泄露。当信号遇到中间嵌套的 金属贴片时,将分成上下两路信号继续向前传输,最终经印刷贴片传播到外部空 间中。 3.2.3 天线仿真与加工 天线的端口驻波比仿真与实际测量结果如图如图 3.30 所示,仿真结果与测量 结果基本吻合。在 7.8GHz、8.3GHz 的天线 所示。天线 dBi。实物图见 3.32。 2.25 2.00 Measured Simulated VSWR 1.75 1.50 1.25 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 Freq(GHz) 图 3. 30 驻波比仿线 E_plane 30 H_plane 60 -16 270 90 -12 -8 -4 240 0 4 8  210  180  150  120 图 3. 31 GHz 双层微带八木天线270-16-12-8 -4 300 -4 240 0 4 8  330 210  0 180  30 150 E_plane H_plane 60 90 120 图 3.32 8.3GHz 双层微带八木天线 双层微带八木天线实物加工图 第三章 新型的端射天线 宽带端射天线 研究背景 宽带技术最初起源于 20 世纪 40 年代,以脉冲无线通信的形式出现。一直到 20 世纪 90 年代以前,宽带技术的主要应用在军事技术,比如雷达和低截获率、 低侦查率等通信设备中。随着 21 世纪以来,微电子技术和工艺的快速发展与提高, 宽带技术逐渐应用于民用技术。宽带天线作为馈入电磁能量与空间电磁能量、输 入阻抗和自由空间阻抗的变换器。宽带天线的分类主要有偶极子天线、螺旋天线、 双锥天线、维尔瓦利(Vivaldi)天线等等。 天线的带宽是衡量天线性能的一个重要的参数。在许多的带宽定义中,最常 见的是天线的阻抗带宽,阻抗带宽是以天线端口电压驻波比或端口反射系数形式 出现。一般要求端口电压驻波比小于 2 或者反射系数小于-10dB。带宽有两种表述 方式:绝对带宽与相对带宽。绝对带宽是指在满足天线相关指标要求情况下,最 高频率与最低频率之差。相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。 设计宽带天线的方法主要设计思路是增加天线表面电流路径,采用周期变化 的单元形式[32~35]。在总结宽带天线的设计经验以后,本节设计了一种宽带的端射 天线:印刷八木天线。简单的分析其结构,并进行仿线 印刷八木天线 在实际的工程应用中,天线的形式总是尽量的做到简单其功能符合指标要求。 作为信号的接收和发射的关键元器件,在微波电路中,天线结构很大程度上决定 了信号质量的好坏与空间的合理运用[36~39]。 印刷天线,是将贴片敷在介质基板上,包括信号馈入部与辐射体。信号馈入 部用于馈入电磁波信号,辐射体用于收发电磁波信号,包括第一辐射体、第二辐 射体等。印刷天线体积小,性能稳定,重量轻,成本低。典型结构图 3.34 所示。 34 端射天线 印刷八木天线 本节在微带准八木天线的基础上,设计了一款印刷天线,其立体结构图和平 面结构图如图 3.35 所示。 W 顶层 中间 D 层 L 底层 R R*ratio 图 3.35 印刷八木天线结构图 印刷八木天线的结构简单,其上下层是相互对称的金属贴片单元,介质基片 采用介电常数为 2.65 的聚四氟乙烯。阻抗变换线采用两段长度分别为 L1、L2, 宽度为 W1、W2 的矩形金属片。而印刷八木天线的有源振子和引向振子参考前一 章中的微带准八木天线的设计经验,依然采用椭圆形振子,以便更快的调整好端 口驻波。 3.3.3 印刷八木天线的具体仿真 印刷天线电性能主要取决于以下三个参数:1)椭圆振子的短轴长 2)椭圆振 子的长轴长 3)振子间距。为了得到最优的天线结构,分别对以上三个主要参数 进行仿线 所示。 从仿真结构可以看出,其他参数(长轴长和振子间距)不变时,当天线振子 的短轴长度 R 为 2.2mm 时,仿真结构最优,最小反射系数可以接近-45dB。天线 振子长度越长,中心频率越低,反射系数逐渐增大,但是始终低于-10 dB。 第三章 新型的端射天线mm 0 -9 S11(dB) -18 -27 -36 -45  4 5 6 7 8 Freq(GHz) 图 3.36 R 对端口反射系数的影响 天线振子长轴长对天线反射参数的影响与短轴长产生的影响相同,长度越长 中心频率越低。如图 3.37 所示,长轴长并不见得越长越好,最优仿真结果取长轴 长度为 Ratio*R =2.2*3mm=6.6mm。 0 -5 -10  ratio1=2.5 ratio2=2.75 ratio3=3 S11(dB) -15 -20 -25 -30 -35  4 5 6 7 8 Freq(GHz) 图 3.37 Ratio 对端口反射系数的影响 天线振子间距对天线的中心频率影响不是很大,振子间距越大反射系数越高。 在综合以上三个参数的仿真结构以后,最终确定天线的相关参数:椭圆振子短轴 长度 R=2.2mm,椭圆振子长轴长 Ratio×R1=6.6mm,振子间距 D=8.3mm。 36 端射天线的设计与研究  D1=7.5mm D2=7.9mm D3=8.3mm 0 -10 S11 -20 -30 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 Freq(GHz) 图 3.38 D 对端口反射系数的影响 在 HFSS 软件中初步仿线 所示, 能量通过阻抗变换线馈入天线的有源振子,通过有源振子与第一个引向振子的相 互耦合,能量向前传递。由于相互距离较远,第一第二个引向振子与有源振子的 耦合相应逐渐减弱。印刷八木天线的工作原理类似于微带准八木天线,方向图沿 端射方向,是一款典型的端射天线 天线的电场分布图 第三章 新型的端射天线 印刷八木天线进一步优化 为了提高印刷八木天线的增益,对天线的结构进行了优化。采用双层介质基 片的结构,在上下贴片之间加入一层贴片,该贴片起到的作用类似于八木天线的 反射器,将辐射能量向前反射。具体结构如图 3.40 所示。 顶层 中间层 底层 图 3.40 优化以后的印刷八木天线 可以看出,通过添加地板,有源振子与引向振 子之间的相互耦合现象明显增强了。有源振子不仅仅与相邻的引向振子紧密耦合, 而起与相对较远的第二第三个引向振子也存在较强的耦合现象。相对比与第一个 印刷八木天线,这个天线更有效地实现能量的向前传递。 图 3.41 添加地板的印刷天线电场分布图 优化以后的印刷八木天线 所示。仿真和测试 结果大致吻合,带宽覆盖范围为 4.3GHz~7GHz,该范围内电压驻波比 VSWR2, 中心频率 5.5GHz。相对带宽为 49%,具有很好的带宽特性。 2.00  Simulated Measured 1.75 VSWR 1.50 1.25 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Freq(GHz) 38 端射天线 天线端口驻波比的仿真与测量结果 天线GHz 的方向图如图 3.43 所示。天线 -10 -15 -20 -25  300  330 0 E_plane 30 H_plane 60 -30 270 90 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 240  210  180  150 120 图 3.43 5.5GHz 天线 印刷八木天线实物图 第三章 新型的端射天线 高增益八木天线的仿真 前文提到的微带准八木天线或印刷八木天线,都存在一个比较明显的缺点: 单元增益不高,最高不超过 8 dBi。若天线阵列采用以上天线作为阵元,为了提高 整体增益,必须采用大规模的天线单元,成本必将提高,在后期的调整中也很困 难。为此,研究高增益八木天线 高增益八木天线 h 贴片2 贴片3 贴片4 图 3.45 高增益八木天线 高增益八木天线立体图 本章提出了一款高增益的八木天线 所示。该八木天 线是在微带天线的基础上,通过在原有的贴片上方添加新的贴片单元。贴片天线 的地板相当于八木天线的反射器,将能量向上半空间反射。上半空间的贴片相当 于八木天线的引向器,引导能量向前辐射。馈电方式采用同轴线馈电,介质板采 用介电常数为 2.65 的聚四氟乙烯为介质材料。天线h72534842362232282 3.4.2 高增益八木天线的仿真结果 同微带天线 可以看出,带宽仅有 50MHz。天线 1.25 1.00 2.4000 2.4125 2.4250 2.4375 2.4500 Freq(GHz) 图 3.47 天线-22 -11 -11 0 11  300 240  330 210 0 180  30 150  E_plane H_plane 60 90 120 图 3.48 八木天线方向图 继续增加八木天线的引向器的个数,可以进一步的增加八木天线的增益,将 八木天线 元进行仿真,天线 dBi。天线 所示。 第三章 新型的端射天线 九元高增益八木天线 -14 -14 0 14  300 240  330 210  0 180  30 150 E_plane H_plane 60 90 120 图 3. 50 九元八木天线 第三章 新型的端射天线 小结 本章在第二章的基础上,提出了多款新型的端射天线:基于魔 T 的微带准八 木天线、基于基片基成波导的微带准八木天线、宽带端射天线和高增益八木天线。 端射天线的设计主要在于馈电电路。本章利用魔 T 结构的差端口等幅反相的 特点,设计了微带准八木天线。由于是采用缝隙耦合的方式实现馈电,能量不可 避免的将向外辐射,降低天线的增益。同样是利用基片集成波导(SIW)结构的 上下表面相位反相的特点,本章也成功的见 SIW 技术应用于端射天

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