微带天线的基本理论和分析方法

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-L Wong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-Fa Liu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、Wansuk Yun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，根据查阅相关数

据库的结果，国内对Ku波段宽带双频双极化微带天线的研究刚刚起步，目前还没有相关的文献报道。国外提出的Ku波段双频双极化天线，都采用多层贴片结构有效地展宽了工作频带，但采用多层贴片增加了天线的成本；两种极化的馈电网络都分布在不同的介质层上，使实现双极化的馈电方式更加复杂且匹配困难，这给天线的调试带来一定的难度。这些天线的缺点限制了微带天线在卫星通信领域的应用潜力。为了适应未来卫星通信系统不断升级的要求，研究结构简单、成本低的宽带双频双极化微带天线迫在眉睫。

1.3本文的主要工作

第一章：绪论。首先介绍了本文的研究背景、意义，其次重点介绍了国内外发展概况及本文的研究内容，最后介绍了本文的结构安排。

第二章：微带天线的基本理论和分析方法。主要介绍了微带天线的辐射机理，微带天线的分析方法，重点介绍了利用经典的传输线模型理论来分析口径耦合微带天线的方法。最后介绍了微带天线常用的馈电方式。

第三章：宽带双频双极化微带天线单元的设计。主要介绍了实现宽带双频双极化特性的天线单元结构，重点介绍了微带天线单元的设计方法，最后给出了天线单元的仿真结果，并对天线单元进行了比较。

第四章：结束语。对全文的工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。

2 微带天线的基本理论和分析方法

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴探针等对导体贴片进行馈电，在导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。1972年，芒森和豪威尔等研制成功了第一批实用的微带天线，之后随着基片光刻技术和各种低损耗介质材料的出现，微带天线得到了迅速的发展。至今，如手机、LAN、蓝牙、卫星通讯、散射通信、多普勒雷达、无线指挥和导弹遥测遥控、便携装置、环境检测仪表和遥感、电子对抗、武器引信、医用微波辐射计等领域己经广泛应用到了微带天线。

11双负媒质已经成为当今电磁学领域，光电子学领域和材料学等领域研究的热点课题之一。基于双负媒质奇特的性质和研究价值，揭示双负媒质的物理本质和规律是极其有必要和价值的。对双负媒质展开基础性的研究、揭露其基本性质能极大拓展与深化人们对客观世界的认识。双负媒质的应用必将对未来科学技术、经济社会的发展产生极其重大影响。随着技术和经济的发展，在目标探测和目标识别中对信号的信带宽度提出了更高的要求，只有更宽的信带才能携带更多的而且丰富的目标信息，因此宽带计算和快速算法更有必要被提出。利用宽带快速算法对双负媒质散射体快速计算更有必要而且有极其重要的意义。

2.1 微带天线的辐射机理

首先来讨论微带天线的辐射机理。微带天线的辐射机理，可通过矩形微带贴片来说明。如图2-1(a)所示，贴片尺寸为a?b，介质基片厚度为h，h???0，?0为自由空间波长。微带贴片可看作为宽为a长为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b??m/2,?m为微带线上波长。于是另一端(a边)处也呈电压波腹。此时贴片与接地板间的电场分布如图2.1(b)所示。该电场可近似表达为(设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化)。

Ex?E0cos(?y/b) (2-1-1)

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效性原理知，窄缝上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：

Ms??n?E (2-1-2)

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图2-1 矩形微带天线示意图

式中，E?xEx ，x是x方向单位矢量；n是缝隙表面(辐射口径)的外法线方向单位矢量。这些等效磁流的方向已在图2-1上用虚线标出。可以看到，沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向(x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个部分构成，它们在xz面上各处的辐射互相抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在xy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。由以上分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该两边称为辐射边。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Ms的正镜像。由于h???0，因此它只相当于将磁流Ms加倍，而辐射图形基本不变。

^^^2.2微带天线的分析方法

目前用来对口径耦合微带天线进行理论分析的方法有很多种。最传统的经典方法是传输线模型（TLM-Transmission Line Model）理论，主要用于矩形贴。更严格更有用的是空腔模型（CM-Cavity Model）理论，可用于各种规则贴，但基本上局限于天线厚度远小于波长的情况。计算最复杂的是积分方程法（IEM-Integral Equation Method）即全波（FW-Full Wave）分析法。从数学方面看，第一种理论把微带线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论可计入第三维的变化，计算时间。被广泛使用的数值分析方法有结合谱域技术的矩量法(MOM)、能解决带及瞬号的时域有限差分法(FDTD)。另外，由于计算机性能的提高以及算对成熟，有限元法(FEM)在天线计算方面也得到了较多的应用。传输线模型空腔模型法是较早出现的比较实用的方法，适合规则形状贴片的分析设计，好满足工程计算的精度要求。但随着现代通信技术的发展，微带天线结构复杂，传统的解析或半解析方法己经不能够