圆极化天线.pdf-资料库

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硕士论文毫米波圆极化徽带天线的研究 3.微带天线圆极化技术 3.1概述圆极化天线在无线电领域中有重要作用.特别在航天飞行器中，由于飞行器位置姿态的固定，它们的通讯测控设备都要求共形的、重量轻、体积小而且成本低的圆极化天线。圆极化微带天线就是能满足这些要求的比较理想的天线。 3.1.1圆极化波的产生微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持几夕石1和不订)。模，两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的，幅度相等的，相位相差900的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法:一点馈电的单片圆极化微带天线;正交馈电的单片圆极化微带天线: 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线:微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。 3.1.2圆极化波的性质根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质’”: (1)圆极化波时一个等幅的瞬时旋转场。即:沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为LCP(Left一Handcircular Polarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波，记 RCP(Right一HandCircularpolarization). (2)一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是:产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差 90度。 . . . r 卜 . 哎 . . 匕 . r se . . 1 卜口 11

硕士论文 . ，.… 毫米波回极化御鱼玉些的旦鳖 — --一 (3)任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到;反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。 (4)天线若辐射左旋圆极化波，则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波:反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如: 国际通信卫星 V号上的 4GHz多波束发射天线辐射右旋圆极化波，形成两个东、西 “半球波束气同时也辐射左旋圆极化波，形成两个照射不同地区的 “区域波束”，这四个波束都工作于 4GHz 频段而互不干扰，从而实现四重频谱服用，增加了通信容量。 (5) 圆极化波入射到对称目标 (如平面、球面等)时，反射波变成反旋向的，即左旋波变成右旋，右旋变成左旋。由这个性质可以知道，采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。因为水点近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的;而雷达目标 (如飞机、导弹等等 )一般是非简单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。正是由于上述特性，圆极化天线现在已经获得了广泛的应用，从而进一步推动了微带天线圆极化技术的发展。 3.1.3圆极化波的参数圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比 AR(Axial Ratio)或简记为Irl，一般是指其最大增益方向上的轴比·为反映极化波的旋向，规定:左旋波，;的符号为正;右旋波，r的符号为负。对于纯圆极化波，lrl=1，即。dB·轴比lrl不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。 } 卜 r . . L 口 r l ‘ 1 ‘ 。卜 1

硕士论文毫米波圆极化徽带天线的研究 3.2不同类型的圆极化微带天线 3.2.1单贴片圆极化微带天线单个微带贴片被广泛的用于产生圆极化辐射，其实现圆极化辐射可以有两种设计方法:单馈点法〔2.:和多馈点法。此外也可用多个线极化微带贴片天线和其它微带天线元来辐射圆极化波 (多元法 )。能产生圆极化波的不同形状微带天线在不同文献’幻‘川中都有介绍，图 3，2.1.1给出三角形、正方形、圆形、圆环、正五边形、椭圆形等等。在实践中正方形和圆形使用较为广泛，其馈电方法如图 3.2.1.2所示:第一种是正交双馈电，它需要一个额外的功率分配网络;第二种单点馈电不需要功分器。今甲Q零今甲图3.2.1.1各种不同形状的单贴片微带天线，⑨ · 图 3.2.1.2 (a)(b)正交双馈，(c)(d)为单馈电方式双正交馈电使得天线激励起两个幅度相等相位正交的模，从而实现天线的圆极化。利用能量功分器的双正交馈电的圆极化贴片的基本结构如图 3.2.1.3。天线结构的能量功分电路主要包括求积电路、圆环电路、 wilkinson 能量分配器、T形能量功分器等等.在双馈圆极化微带天线的设计中，常见的馈电方法有三种:(1) 使用 Wilkinson能量功分器的两缝隙祸合馈电圆极化微带天线;(2) 使用 Wilkinson能量功分器能量功分器的两电容祸合馈电圆极化微带天线;(3)Branch一Line祸合器的两电容祸合馈电圆极化微带天线。在设计中，贴片介质与馈电基片之间多采用较厚的空气层或泡沫层，由 Wilkinson 功分器提供两路能量相等、相位相差90。的输入能量。 . 了 ‘ . . . . . 口 r r 卜 . . 1

硕士论文毫米波口极化徽带天线的研究图 3.2.1.3双馈电的基本结构而典型的单馈电圆极化微带天线示意图如图 3.2.1.2(c) (d) 所示，通常单贴片总是辐射线极化波，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可以产生极化正交幅度相等的两个简并模，但是不能形成900 相位差。为了在简并模之间形成90。相位差，要在规则的单片微带天线上附加一简并分离单元，具体理论将在下一节介绍。当简并分离单元大小选择合适时，就能够使一个模的等效阻抗相角超前45。，另一个模的等效阻抗相角滞后450，这样就形成了圆极化辐射。 3.2.2圆极化天线阵列圆极化天线阵列分为圆极化微带线阵和圆极化贴片天线阵。所谓的圆极化微带线阵是指利用微带行波天线来辐射圆极化波，主要优点是不需要复杂的功分器组合电路。其原理是一个微带行波节上可能有几个不同极化的辐射单元，如果它们之间有适当的相位差，就有可能合成圆极化辐射。但是构成圆极化的各线极化辐射单元的相位中心不在同一点上，因此在不同方位角上观察到的极化轴比是不同的，并且相差很大。但是一般在天顶方向上是理想的圆极化，而离开天顶方向很小的角度方位内，圆极化恶化不严重。这种天线较为实用的形式有:壁垒线阵 (R二part线阵)、周期祸合微带阵、方环微带阵等等。圆极化贴片天线阵就是利用功分器组合电路，将单个圆极化微带贴片天线组合起来所构成的。具体的介绍将在下一章给出。 3.2，3其他类型的圆极化天线为了获得相对宽频带的圆极化微带天线，近来已研制出曲线微带辐射的微带天线，这是一种结构紧凑的宽频带圆极化微带天线，其结构示意图如图3.2.3.1所示。其中一个端点是馈电点，另一个端点是吸收负载，电波在分别圆扇形和螺旋线形成行波。主要依据的原理是一圈有2二相位的圆 ‘ ‘ . ， r l L . L . r ‘ . ‘ ; l r l . . . 盯叮 . . . I I L I

硕士论文毫来波圆极化微带夭线的研究线行波天线可以产生圆极化辐射;平面螺旋天线也能产生圆极化辐射并有很宽的带宽，所以用微带来实现这种圆形和螺旋天线是可以的。但是此类天线的缺点是理论分析较为困难，且对天线的制造公差要求较严格，故在实际中较少使用。负载馈电点吸健负八 J! ，、钻工 ( b: 图 3.2.31圆极化曲线微带天线 (a)圆扇形;(b)螺旋形 3.3单馈圆极化微带天线理论根据前面所述，单馈圆极化微带天线的设计主要是选择合适模分离单元的大小、位置、以及选择恰当的馈电位置。下面将基于腔模理论，介绍单馈圆极化微带天线的原理‘，，“0，[“][，‘，〔，，J. 3.3.1简并分离如图3.3.1.1所示，这种馈电点在 x轴或 y轴上的矩形微带天线称为 A型;馈电点在对角线上的矩形微带天线称为B型，山=奴+叭，称为简并分离单元。A型和 B型分析方法一样，所以下面就以 A型为例说明简并分离单元山的对矩形微带天线的影响。 y 平 /2 : 八月 /2 兰了二“ 图 3.3.1.1附加简并分离单元矩形圆极化微带天线

硕士论文毫米波图极化微带夭线的研究当矩形贴片，一L一a时，磁流分布的周边为于一‘号和，一土全，相应于及的基模标量特征函数为: 汽，=叽sinkxx 呐。=叽sin气y (3.3.1.1) 式中凡二拒加，kx=气=可。。当矩形微带天线附加分离单元彻以后，波数棍或称就不同了·下面定量地分析它们的变化。由腔模理论可知，矩形微带天线可以看作一个等效的开路边界的腔体，方程: vZ蠕+蠕蠕=。旦选巴=。加 (3.3.1.2) 当蠕离散时才存在不为零的解，每一个蠕值对应一个特征函数。把式 (3.3.1.2)两边乘以特征函数的共扼值嘛，然后在腔体体积上积分.考虑到腔体高度 h上积分于坐标 x，y无关，并应用格林函数第一恒等式则有: 几(。’·州“恤=睿蠕鲁“一沙蠕!’“·蠕且圈’ds’=0 由式 (3.3.1.2)的第二式可知 (3.3.1.3)经过整理得到: ，在矩形微带天线周界 c上积分为零，式 (3.3.1.3) 礁 (3，3.1.4) 孔Iv心‘ 且.目，显然，编是零或为正数.式(3，3.1.4)为呱的变分表达式.因此，根据瑞利一里兹法可求矩形微带天线附加丛后的模的波数编 (特征值)。设矩形微带天线只激励基模，在附加分离单元山后，可令新的特征函数为杯，相应的波数 (特征值)为k’，则可设护‘=P10，+以。 (3.3.1.5)

‘ . ，， . 尸 ‘.‘ ..‘... .， ; ! ‘ r . r . ‘ . . ， L ， . . ‘ 1 ，， . . r 卜 . r 卜 . 下 . 口 ‘ ， ‘ . ‘ r 压 . ，尹 . 卜硕士论文毫来波圆极化微带天线的研究把 (3.3.1 .5)代入式 (3.3.1.4)得出: (瓶 ;+以0)2而 k，2二什 ” -汀拈 3.1.6) 了 ‘ 、八J : 式中s’=5+匀十叭。 fZ= 几 (四汽:+QV叭。)2山+ -几 (四九，+妙呐。)Zde+ (PV九，+卯姨。)2公 (四儿1+卯叭。)Zde 了 t 、 C O 3.1.7) 式中:加二执+姚。现在令: 几汉叼2卜ql 仅呐。尹*=免几几1&01险=，几140海=“ 几汽九山=Plz 几 V丸碱。山=qll (3.3.1.8) 把式(3.3.1.8)代入到(3.3.1.7)，则式(3.3.1.7)可以简化为: k，2= 几(P (3.3.1.9) 把上式变换成石(P·Q)一砂人(P·Q)=。对上式分别求关于 P和 Q的导数，得到两个关于 P，Q的一次代数齐次方程，如果 P，Q有解必有 △{硫+犷k”([+p‘，，ql?厂k”P12 }qlZ一尸P12，塌十吸一k‘0+乃) =0 对于 A型天线计算结果: ql=兔=qlZ=0 PI=几，2山加 P12=月山加把式(3.3.1.11)代入到 (3.3.1.10)，对于一次近似来说， (3.3.1.10) (3.3.1.11)

. r ， . r ， . 甲， . ‘ ‘ ‘ . 甘， 1 ‘ 玉 . 口 L 甲 1 1 . . ‘ . 硕士论文毫米波图极化微带夭线的研究峨=峪(1一4阿5) 硫=‘=白， (3.3.1.12) 由特征函数的正交性可知: 伽向‘=你P401+以0)zds’=‘ 由上式可以得到: 线性无关的解有: 尸十QZ=1 尸=Q=材涯尸=Q=一V万 (3.3.1.13) 于是我们得到附加分离单元后的特征函数为: 丸=(gh01一丸再=(40，+九咪sin标:一sin气y)/万 K(5运k01x+5访气。少)/万 (3.3.1.14) 上面的分析说明在矩形微带天线上附加分离单元山后，产生两个特征模，它们相应的特征函数和波数 (特征值)如式(3.3.1.14)和式(3.3.1.12)，两个特征模对应的谐振频率分别为: =寿 + =忘十硫峨 =忘 (l一2山介) ”粼几=众 (3.3.1.15) 兀儿 3.3.2等效电路及参量由第二章的腔模理论可以知道，微带天线任意激励模可以等效为一谐振回路，得到两分离模的等效电路如图 3.3.2.1所示。其等效参量如下:

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