圆极化天线及天线小型化研究

西安电子科技大学

硕士学位论文

圆极化天线及天线小型化研究

姓名：姚凌岳

申请学位级别：硕士

专业：电磁场与微波技术

指导教师：谢拥军

20100101

摘要

随着空间和通信技术的发展，圆极化天线以其具大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。线极化波容易在传输环境中发生极化偏转造成衰减，而圆极化波遇到障碍物会反向，因为直射波和反射波会有极化隔离，所以圆极化波具有很强的抗干扰能力和防雨雾能力，并且在民用和军用领域被广泛使用。

本文对圆极化天线的设计理论与实现方法进行了研究，主要分为平面螺旋天线和微带圆极化天线两部分。第一部分设计了一个背腔阿基米德螺旋天线，其工作频率为１．４ＧＨｚ’２．５ＧＨｚ之间，天线直径和高度分别为１０４ｃｍ和５０ｃｍ。通过在天线末端加入阻抗为１４０欧姆的短路片作为匹配负载，以及在介质上层表面加入金属环，可以更好的提高天线的轴比特性；第二部分以微带天线为理论基础，设计了一个双馈加载指线的圆极化贴片天线，分析了指形加载对天线性能的影ｎ向，并用ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ进行优化仿真。结果与传统双馈天线相比，在相同Ｔｈｅｔａ的情况下，该形式的天线拥有更好的轴比和方向图特性。关键词：圆极化；天线；小型化

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｍｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｐａｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄａｎｔｅｎｎａｓｈａｖｅｇｒｅａｔａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｍａｋｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ．Ｌｉｎｅａｒｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅｗｉｌｌｈａｖｅｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｂｒｉｎｇｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓ，ｂｕｔｔｈｅｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅｗｉｌｌｒｅｔｕｒｎｗｈｅｎｉｔｍｅｅｔａｎｏｂｓｔａｃｌｅ，

ｉｔａｌｓｏｈａｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｒｅｃｔｗａｖｅａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｗａｖｅ，

ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇａｎｄａｎｔｉ－ｍｉｓｔｙｒａｉｎａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎｍｉｌｉｔａｒｙａｎｄｃｉｖｉｌｉａｎｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｅｎ

Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙ

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Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐａｒｔｉｎｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅ—ｆｅｄｆｉｎｇｅｒｌｏａｄ，ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｎｔｅｎｎａｃａｐａｂｉｌｉｔｙｗｈｉｃｈｉｓｍａｄｅｂｙｆｉｎｇｅｒｌｏａｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ、析ｔｌｌＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ，ｗｅｃａｎｃｏｎｃｌｕｄｅｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｏｕｂｌｅ－ｆｅｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＣｉｒｃｕｌａｒｌｙＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；Ａｎｔｅｎｎａ；Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ

西安电子科技大学

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第一章绪论

第一章绪论

１．１课题背景

随着空间技术和通信领域的发展，圆极化天线以他强大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。线极化波容易在传输环境中发生极化偏转造成衰减，圆极化波遇到障碍物会反向。直射波和反射波会有极化隔离。具有很强的抗干扰能力和防雨雾能力。在民用和军用领域被广泛使用。现代无线通信事业的发展，卫星导航定位系统在人类社会的生活中起着的作用已经越来越重要。他们天线的极化方式都是圆极化，因此研究圆极化天线便有很重要的作用。

ＧＰＳ的空间部分是由２４颗工作卫星组成，均匀分布在６个轨道面上（每个轨道面４颗），轨道倾角为５５０。此外，还有３颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到４颗以上的卫星。由于ＧＰＳ天线具有的全天候、高精度的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

格洛纳斯ＧＬＯＮＡＳＳ是俄语中“全球卫星导航系统ＧＬＯＢＡＬＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＳＡＴＥＬＬＩＴＥＳＹＳＴＥ的缩写。作用类似于美国的ＧＰＳ天线，与美国的ＧＰＳ系统不同的是ＧＬＯＮＡＳＳ系统采用频分多址（ＦＤＭＡ）方式，根据载波频率来区分不同卫星（ＧＰＳ是码分多址（ＣＤＭＡ），根据调制码来区分卫星）。每颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星发播的两种载波的频率分别为Ｌ１＝１，６０２＋０．５６２５Ｋ（ＭＨＺ）和Ｌ２＝ｌ，２４６＋０．４３７５Ｋ（ＭＨＺ），其中Ｋ＝Ｉ～２４为每颗卫星的频率编号。所有ＧＰＳ卫星的载波的频率是相同，均为Ｌ１＝１５７５．４２ＭＨＺ和Ｌ２＝１２２７．６ＭＨＺ。

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、２颗备用卫星）北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。

１．２圆极化天线的应用【１】

辐射或接受圆极化波的天线被称为圆极化天线，圆极化天线在无线领域有重要的作用。圆极化天线主要分为两大类，一类是微带天线。在航天飞行器中，由于航天飞行器姿态不固定，他们的通讯测控设备要求共形，重量轻，体积小，成本低的圆极化天线。圆极化微带天线是满足这种要求的理想天线。另一类是螺旋

２圆极化天线及天线小型化研究

天线，由于螺旋天线在很宽的频带上基本呈现电阻特性，易于实现宽频特性，稳定性比较好。

微带天线的概念早在１９５３年就已经提出【２】，但是并未引起工程界的重视，在五十年代和六十年代只有一些零星的研究，真正的发展和实用是在七十年代由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线元，１９７０年出现了第一批实用的微带天线。在８０年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展１３Ｊ。微带天线成为了天线研究中的一个重要课题，受到各方面的注意。通过一定的馈电方式，导体贴片与接地金属面间的介质区域内被激励起射频电磁场，该场从贴片边缘与接地面形成的间隙向外辐射。微带天线的低剖面结构使其本身就属于一维小型化天线，并且相比普通微波天线具有易与载体表面共形，易集成以及便于获得圆极化，实现双频、双极化工作等优点。由于它独特的结构和多样化的性能，其在卫星通信、移动通信以及军事通信中都有广泛的应用前景。

螺旋天线是一种频率无关的天线，已经被人们研究了４０年。不受频率的约束为人们在广泛的频率范围内提供了均衡的电特性。然而，频率不受约束的天线往往具有方向图宽，方向性差和较低的增益，这些缺点使得它无法适应很多实际应用。一种克服这一缺陷的方法是通过利用天线阵列的原理。这种方法可以改善天线的方向图，提高天线的增益，但是它的宽带特性将在阵列的环境下失去。平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其结构紧凑、尺寸小、重量轻而得以在雷达对抗、军事、航天领域都能发挥广泛应用。

其中，在空间定位领域的应用最突出的就是ＧＰＳ全球定位系统。ＧＰＳ能全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、工程变形监测、资源勘察等多种学科。从１９９３年美国的全球定位系统ＧＰＳ全部组网投入使用，由于它能提供高精度的三维位置、三维速度和时间使得ＧＰＳ导航迅速普及应用。但是在某些领域ＧＰＳ存在一定的局限性，如在高山峡谷地带，由于高山遮挡，可见的卫星数减少，森林地区由于受树木遮挡，卫星信号失锁，因此有时卫星数量少于四颗，难以进行ＧＰＳ定位测量，即使接受四颗卫星，定位精度及可靠性也较差，尤其是相对定位，有时候无法求解基线。这些局限性就可以通过ＧＬＯＮＡＳＳ系统和北斗系统加以弥补。因此将微带天线的特点和ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ／北斗系统结合，开发出能同时接受ＧＰＳ，ＧＬＯＮＡＳＳ和北斗信号的圆极化天线，一直为人们所关注。

第一章绪论

１．３本课题研究的主要内容

本论文的主要任务是根据ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ川匕斗天线系统的具体要求，设计一个方案，并结合软件仿真结果来设计天线。文章主要包含以下几部分内容：

第一章：绪论。介绍本课题的背景，圆极化天线的应用，并简介论文主要内容。

第二章：天线的基本理论以及圆极化技术，主要是从微带天线的分析入手，研究其优缺点，引入圆极化天线的各种参数，并且对几种简单的微带天线进行分析和说明。

第三章：研究基于平面螺旋天线的非频变天线，对比了等角螺旋和阿基米德螺旋各参数对天线性能带来的影响。

第四章：设计并优化背腔阿基米德天线，优化馈电网络。利用ＨＦＳＳ软件对天线进行仿真得到了反射系数、方向图、轴比等仿真数据。设计了一个指型加载的双馈贴片天线。比较传统的双馈天线，在低仰角情况下，具有更优的轴比。

第五章：总结和展望。对阿基米德螺旋的研制进行了总结，并提出了该天线在研制过程中存在的问题，及下一步研究方向。

第二章天线理论与圆极化技术

第二章天线理论与圆极化技术

２．１微带天线分析

２．１．１微带天线分类

微带天线根据其辐射单元形式大致可以分为４类１４Ｊ：微带贴片天线，微带振子天线微带线性天线，微带缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。

微带贴面天线是最常见的形式，如图２．１（ａ，ｂ）所示它由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成，通常利用微带线或同轴线类馈线馈电，使在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。其基片厚度与波长相比一般较小，因为它实现了小型化。

（６）

徽接

接地线

ｔｆ）【ｄ）

图２一ｌ

（ａ）微带贴片天线；（ｂ）微带振子天线；

（ｃ）微带线性天线；（ｄ）微带缝隙天线：

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形，圆形或圆环形薄片，也可以是窄长条形的薄振子。由后者形成的天线称之为微带振子天线。如果利用微带线的某种形变（如直角弯头，弧形弯角）来产生辐射，便称之为微带形天线，如图２．１（ｃ）所示，这种天线大多沿线传输行波，他们又称为微带行波天线。也可以利用开在接地板上的缝隙来产生辐射，此时由介质基片另一侧的微带线或者其他馈线（如槽线）对其馈电，这种单元形成的天线称之为微带缝隙天线或微带开槽天

６圆极化天线及天线小型化研究

线，参看图２．１（ｄ）。

微带天线的理论，主要有３类：

１．传输线模型

这个是最早出现的最简单的分析模型，它将一矩形贴片天线等效为一段传输线，两端由辐射缝隙的等效到那加载，但本方法只能够用于薄矩形贴片天线。

２．空腔模

将薄微带天线的贴片下空间看成是由上下为电壁，四周为磁壁围成的谐振空腔（漏波空腔）。这种模型使微带天线的工作特性有了更加深入的理解，可以精确计算厚度ｏ．ｏｏｓ；ｔ，至ｏ．０２乃（乃是介质波长）的微带天线输入阻抗。这个办法可用于各种规则贴片。但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。

３．全波分析法或称积分方程法

最初的典型做法是，先导出微带贴片上单位电流元满足边界条件的并矢格林函数Ｇ（ｒ，，．，），场点（，．处）的电场可以表示为

Ｅ（，．）＝一，纵ｌＧ（ｒ，，．，）・，驴，）西（２－１）

式中，Ｊ（ｒ’）是贴片上，．’处（源点）的电流密度，令此电场在贴片表面的切向分量为零，便得到对，（，，）的积分方程。对该电流选择适当的基函数展开式和实验函数，可将积分方程化为矩阵方程，从而可解出贴片电流并用来计算天线的特性。这种处理方法称为空域矩量法，其缺点是计算时间长。后来更广泛应用的是谱域矩量法，即导出谱域并矢格林函数，在谱域用矩量法解积分方程，从而简化了计算。

２．１．２微带天线的优缺点和应用

与普通微波天线相比，微带天线有以下的优点：

１）剖面薄，体积小，重量轻；

２）具有平面结构，并可制成与导弹，卫星等载体表面共形的结构；

３）馈电网络可与天线结构一起制成，适合用于印制电路大批量生产；

４）便于实现圆极化，易于实现双频，双极化等功能。

５）天线的散射截面小

微带天线很适合于组合式设计（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）但与常规天线相比，微带天线也有不少缺点，比如：

１）频带比较窄；２）有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；

３）功率容量较小，一般用于中小功率场合：

４）性能受到基片材料影响较大。

黧萎黧三二要要求低剖面辐射器的场厶，即磊荔簇轰茬矗鬏；磊蓑●傅檐霎羹萎竺生：掣篓：篓竺鎏意，可以抑制或者清楚表面波。在飞行器或地面也往往被有限使用。一～”…川ｍ’从巾酬八域’

２．１．２微带贴片天线分析

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图２．２

将两条缝隙的辐射场叠力Ⅱ，佣“雾总辐舰其Ｈ面方向可表示为．，冗盼

叭ＩｌＬ、一ＣＯＳ伊）

厶（口）＝—劳Ｌ～ｓｉｎ护（２．２）

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Ｈ面方向图为

．，ｚｈ

ｓｌｎ（＿广ｃｏｓｆ：）

左（劝＝一／ｆＤｚｈ协３，

—一ＣＯＳ伊。Ａｃｏｓ喏咖纠

…～“……开心ｕＶ／Ｊ‘雌矩形贴片天线的传输线模型角。式中，ｐ，咖为场点球坐标，伊是从ｚ轴算起的极角，缈是从ｘ轴算起的方位角ｏ

Ｈ面和Ｅ面板功率宽度的近似值如下

圆极化天线及天线小型化研究

２皖＝２ｃｏｓ４（２－４）

２纠ｃｏｓ。１ｅ辱，

一条Ｗ边，辐射缝隙的辐射电导为（２－５）

ｇ＝志扣ｐ（等ｃｏｓ啊纰鲋伊

其近似值为（２．６）

ｇ＝而１‘石Ｗ）２，形＜ｏ．３５磊

ｑ（２．７）ｚ击一击＇０．３５磊＜…五

ｑ（２．８）ｚ去渺２凡（２．９）

除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳还有电容部分，它由边缘效应引起，其电纳可用延伸长度越来表示

色＝％留（斛）ｚ脚／Ｚｏ

式中（２．１０）

ｚｏ；罢面ｈ，∥；ｋｏＣ，予。２万万∥２ｕ。（２．１１）

乞＝孚＋．ｅ，２－１、１＋可ｌＯｈ）．１．胆

△，：０．４１２ｈ（ｅｅ＋０．３）（Ｗ／ｈ＋０．２６４）．

（‘一０・２５８）（ｗ／ｈ＋０・劲（２－１２）（２．１３）

由图２．４（ｂ）知，矩形微带天线的输入导纳就是将一条缝隙的导纳经长为Ｌ，特性阻抗为Ｚｏ的传输线变换后，与另一条缝隙的导纳并联的结果。如用延伸长度来表示电容效应，应有圪－ｏ，＋Ｋ黔粼

（２．…谐振时，匕的虚部为零，谐振长度为

第二章天线理论与圆极化技术

三＝—兰譬一２世＝—三一２△，２√乞２ｆ４ｅ，

式

Ｊ７（２．１５）式中，ｃ为自由空间的光速，ｃ＝３ｘ１０８ｍ／ｓ，由此得到天线谐振频率工的计算￡＝———二—一２（Ｌ＋２Ａ／）ｘ］－ｉ（２．１６）、。

天线的方向性为

肚击学，２（２－１７）

矩形贴片天线的空腔模型

在薄微带天线的前提下，可将微带贴片与接地板之间的空间看成是上下的电壁，四周是磁壁的漏波空腔，于是便可以根据边界条件，用模展开法或者匹配法解出该区域的内场。天线辐射场由空腔四周的等效磁流的辐射来得到。天线出入阻抗可根据空腔内场和馈源激励条件来求得。

内场由模展开法得到空腔内场一般如下解

乜＝风编善南一髻参协㈦

皿＝击等（２－１９）

ｑ＝盖等（２－２０）

式中，‰。为满足空腔边界条件的本征函数（本征模）；吒。为其本征值（本征模的谐振波数）‰为自由空间传播常数，‰＝２ｘ／Ａｏ＝２ｘｆ／ｃ；ｋ为内场的传播常数；％为自由空间波阻抗，‰＝４７７￡ｏ。＝３７７Ｑ；以为ｚ向激励电流密度。

２．２圆极化特性原理及参数

辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线【５驯，圆极化波具有以Ｆ重要性质：１）圆极化波是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是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为ＬＨＣＰ；若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆

圆极化天线及天线小型化研究

极化波，记为ＲＨＣＰ。

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。

３）任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，其他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由其他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遍采用圆极化工作的原因。

４）天线若辐射左旋圆极化波，则只接收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，这一性质就是发射天线和接收天线之间的互易定理。

５）圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时，反射波变为反旋向的。即左重频谱复用，增加了通信容量。旋波变为右旋波，右旋波被变为左旋圆极化波。

图２．３表示圆极化波入射于导体平面和导体球面的情形。设入射波是左旋圆极化波，入射电场可表为：

艮ｒ髟弋．，

图２．３≮吒ｊ｝

ＥＨ＝Ｅｖｅ却｜２

由于导体平面上切向电场为零，经过到体面反射后的场可以写为：Ｑ・２１）

露＝一％，彰＝耳（２－２２）

即：

睇＝一髟Ｐ一川２＝髟Ｐ肛陀（２－２３）

也就是说，反射波是右旋圆极化波。

由这一性质可知，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）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份。

第二章天线理论与圆极化技术

６）任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆。

设极化椭圆的长轴为２Ａ，短轴为２Ｂ之比，则长轴与短轴的比，称为轴比

ＡＲ（ＡＲ．ＡｘｉａｌＲａｔｉｏ），或简记为，．＝Ａ／Ｂ。一般情况下，轴比用分贝数来表示：

，．Ｉ（招）＝２０１９Ｉｒｌ＝２０１９（昙）

正；对右旋被，，．的符号为负。（２—２４）为反映极化波的旋向，可以规定轴比，．具有正、负号：对左旋波，，的符号为

圆极化天线的基本电参数就是它所辐射电磁波的轴比一般是指其最大增益方向上的轴比。对于纯圆极化波，轴比，＝１，即ＯｄＢ。轴比，．不大于３ｄＢ的带宽定义为天线的圆极化轴比带宽。

２．３圆极化微带天线分析

所谓的极化，它反映的是：空间电磁波的时变电场矢量的幅度大小和方向随传播方向变化的情况【ｌ‘７１。而天线的极化则定义为电磁场中电场的分量相对于地丽的方向。如果无线电波是通过空气传播的，并且它的电场方向与地面垂直，我们称垂直极化波；同样，如果电磁波的电场方向与地面平行，我们称之为水平极化波，还有圆极化和椭圆极化【１８】。而圆极化和椭圆极化又可以分为左旋圆极化和右旋圆极化㈣。

用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个极化方向正交的，幅度相等的，相位相差９０度的线极化波。根据这样的基本考虑，用微带天线实现圆极化辐射主要有以下几种方法：

ａ）正交馈电的单片圆极化微带天线；

ｂ）一点馈电的单片圆极化微带天线

ｃ）由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线

ｄ）微带天线阵构成的圆极化微带天线。

２．３．１单馈电圆极化微带天线技术

微带天线的优点之一是便于实现圆极化工作。用单片微带贴片天线就能实现圆极化辐射可有两种设计方法：单馈点法和多馈点法。此外也可用多个线极化微带贴片天线或其他微带天线元来辐射圆极化波（多元法）。

单馈点圆极化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射。它是基于空腔模型理论，利用两个辐射正交极化的简并模工作。现以矩

圆极化天线及天线小型化研究

形贴片为例介绍其基本技术。

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图２．５

设贴片尺寸为口ｘｂ，参看图２．５。单馈点圆极化微带天线一般有如下几种技术实现圆极化：ａ）切角；ｂ）似方形贴片；ｃ）贴片上刻缝隙；ｄ）外置微扰枝节；ｅ）分裂缝隙。关于极化方向的判定主要是依据馈电点位置来判定，通常可以方便地实现左旋圆极化和右旋圆极化、双极化、多频带等。不同的馈电位置可以实现不同的极化旋向。圆极化微带天线的一个重要电参数是轴比带宽，通常情况下，对于单层、较薄的介质基片，其轴比带宽约为０．１％一２％。

２．３．２单馈电正方形圆极化微带天线设计

这里以单馈点矩形微带天线为例设计圆极化微带天线，参见图所示。

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图２．６．‘ｌ＼一Ｗ｜ｆｅｅｄ

参照图２－６ａ，假定工作在圆极化条件下的频率为丘和五，他们是微扰面积血的函数。对于图２．６ａ所示的切角微带天线，有：

正＝ｆｏｅ口一了２Ａｓ】（２－２５）

Ｉ学８“

第二章天线理论与圆极化拉术其中工是没有切角时天线的谐振频率，Ａｓ为截去的面积－而且上＝‘对于似正方形贴片．参照圈２《ｂ．一般有：｛，＝ｆｏ［１一“－ｆ］Ｌ＝ｆａ，＆＝Ｌｃ（２—２６）关于极化旋向与馈电点相关，不同的馈电位置决定了左旋或是右旋圆极化天线，这一点在前面已经讨论过。为强调起见，图２－７给出了不同旋向馈电点的位置参考１２０］。Ｌ８。Ｐ彦ｆｅＢｄＬ”Ｐｆ＝＝ｄ２．３３

图２．８给出了一种分裂的缝隙实现的圆极化微带天线。其中，馈电ｃ位置是右极化波．馈电Ｄ位置是左旋圆极化波。ａ为方形贴片，ｂ为圆形贴片。囱、◇：阡图２．９给出了一个利用四个分裂缝隙实现的圆极化微带天线的实例Ⅲｊ，其分别在ｘ、Ｙ方向上利用两个对称的缝隙。当缝隙长度ｔ＞ｔ时，馈电点ｃ产生右手圆极化波，馈电点Ｄ产生左手圆极化波。

圆极化天线及天线小型化研究图２－９

第三章平面螺旋的理论

第三章平面螺旋的理论

３．１非频变天线

非频变天线或称为频率无关天线，表示工作频带几乎没有限制的天线１２引。真正的非频变天线应该以固定的物理尺寸，在快频带上同时具有相对恒定的阻抗，波瓣图，极化和增益【２孔。但由于物理条件的限制，天线的电特性想要在所有频率都近似保持恒定是不可能的。实际上，频率无关天线是指在很宽的频带内，天线所有的电特性随频率变化都很微小。

非频变天线分为两类：天线的结构完全由角度决定，则当角度连续变化时，必可得到连续的与原来结构相似的缩比天线。这样的天线的方向特性和阻抗特性都与频率无关。另一种类型的与频率无关概念紧密联系的天线是所谓对数周期结构天线，这种天线按某一特定的比例变换以后仍等于它自己，即在离散的频率点上满足“自相似”条件，对数周期结构天线的电特性严格来说是与频率有关的，它仅在一些离散的频率点上电特性相同，但只要在一个频率周期内电性能变化不大，就可近似认为其特性与频率无关。从理论上讲，上述两类天线的电特性若能真正做到与频率无关，则要求天线结构须从中心点开始一直扩展到无限远。就是说，如果将此天线单元向小的方向延伸，所需要的结构应该收敛到一点；如果此天线单元向大的方向延伸，则尺寸将无限增加。实际中，天线的尺寸总是有限的，有限的结构不仅是角度的函数，而且也是长度的函数。因此，当天线为有限长时，是否仍具有结构近似为无限长时的非频变特性，将是能否构成实际的非频变天线的关键所在。有限长与无限长天线的区别，就在于前者有一个终端的限制，可以用“终端效应＂来说明。当天线在馈电端被激励后，波离开馈电点沿着结构传输，在到达终端之前，电流波如果因为有效辐射而有较大的衰减，这样，即使把靠近终端的部分截断，也不会对天线性能有显著的影响；馈电端的几何结构也不可能缩小至无限小以至于一点，也就是始端截断的问题，它主要影响天线高频端的电性能。如果将满足“角度条件”的天线的终端（始端也是一种终端）部分截断，对天线特性没有显著的影响，则在这种情况下，有限尺寸的天线就可以在相当宽的频带范围内具有非频变天线的特性。这种现象就称为“终端效应”小，这是构成实际非频变天线的重要条件。天线结构形式以及合理的尺寸设计对“终端效应”的大小均有影响。

非频变天线的相似原理相似原理亦称缩比原理【２４】，它是非频变天线的理论依据，亦可用于天线的缩

圆极化天线及天线小型化研究

尺模型测量。相识原理是说：若天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同的比例变化。天线的性能保持不变。换言之，若天线的电尺寸保持不变，天线的性能将不变。例如，若天线的所有尺寸增加２倍，而工作频率降低２倍，天线的性能保持不变。有简单的推导即可得到。

在￡，／ｚ的常数空间，某天线的场方程为

ＶｘＥ．－－一ｉｗｔｚＨ

ＶｘＨ＝ｊｍｌ比Ｅ＋Ｊ（３．１）（３—２）

若天线的所有尺寸增加到原来的Ｋ倍，天线材料的电导率减少１／Ｋ倍，而工作频率降低１／Ｋ倍，则新的场方程可以写成

ＶｌｘＥｌ＝－ｊｏ．［］Ｉ＇Ｈ１‘（３・３）

（３－４）飞１×Ｈ１＝ｊｏ）＇ｇ’Ｅ“＋ｙ

工作频率降低到１／Ｋ倍和天线的材料的电导率减小到１／Ｋ倍，意味着在数值上０９＇＝ｃｏ／Ｋ，Ｊ７＝Ｊ，因而有础’＝掣，于是上式变为

Ｖ７ｘＥ７＝－ｊｏ）ｇＨ７（３—５）

（３－６）Ｖ’×∥＝ｊｗｇＥ’＋／

式（３．１）（３．２）和（３．５）（３．６）不仅有相同的形式，而且有数值相同的常数（掣，嬲）和自由相（Ｊ），并且由于新天线的所有尺寸均是原来的Ｋ倍，这都意味着大线具有相同的边界条件。式（３．１）（３．２）和（３．５）（３．６）具有数值完全相同的解，即两个天线有相同的方向图，阻抗和极化特性。

非频变天线所满足的一般形状方程，假设天线的几何形状由球坐标（，．，０，咖来描述，两端点无限靠近坐标原点，每个端点沿秒＝０和万轴对称放置。并假设天线是理想导体，至于无界均匀各向同性媒质中，它的表面或表面边缘由曲线，．＝Ｆ（０，≯）来描述，式中，－表示沿表面或表面边缘的距离。若天线对频率缩尺即若频率降低原来的１／Ｋ倍，为保持相同的电尺寸，天线表面必须增大到原来的Ｋ倍，因此新的表面由，７Ｆ（Ｏ，咖来描述。新的表面和原表面是相同的（若表面无限大），即它们不仅相似而且全等。全等可通过仅矽的旋转得到。平移是不允许的，因为两表面的端点位于坐标原点，０的旋转也是不允许的。因为端点是沿０＝０和刀轴对称放置。为了使新天线和原天线全等，原天线的痧必须旋转一个角度Ｃ，使得

ＫＦ（ｅ，力－－Ｆ（Ｏ，痧＋ｃ）（３－７）

旋转角度Ｃ取决于Ｋ而与口和矽无关，实际的全等意味着原天线在两个频率上具有相同的电性能，但辐射方向图水平的旋转角度ｃ，方向图的形状不变，因为方

第三章平面螺旋的理论１７

同图和阻抗是非频焚的。

为了得到Ｆ（ｅ，妒）的函数表达式，式（２．７）的两边对ｃ求导：

ｄ［ｇＦ（㈣】＝警刑舻扣叫卅】＝志ｍ加）】对矽求导得出（３—８）

品【灯（只例＝Ｋ等铲＝品叭删Ｍ】＝丽‰叭鲫＋ｃ）】式（２．８）和（２．９）相等得出（３－９）

华ａｃ刑舻Ｋ警ｃ『口（３・ｌＯ）

将，＝Ｆ（秒，矽）带入（２．１０）得到

一一＝＝一一Ｋｄｃａ西ｒ１扰１却（３—１１）

式（２．１１）的左边与秒和痧无关，可以令

一ｍ口Ｋｄｃ１赦（３—１２）

式中ａ为常数，，．＝Ｆ（８，力的通解为

，＝，（只彩ｍｅ＿厂（刃

式中ｆ（Ｏ）为任意函数

对于非频变特性的天线，需要由式（２．１３）描述。可以通过规定函数ｆ（Ｏ）或他的导数得出非频变天线表面或表面边缘的曲线方程。（３—１３）

圆极化犬线及天线小犁化研究

３．２等角螺旋天线

包图３．１

Ｊ：』荨＿为个下而等角螺旋天线示意图．是ｖＨＲｕｍｓｅｙ提出的一种角度天线ｏ”，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。等湘螺旋线的极屯标方程为ｒ＝ｒｏｅ曲，式中，ｒ为螺旋线矢径．ｐ为投坐标的旋转角，‘山ｏ－０。叫的起始半径，１／ｄ为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。由于螺旋线与矢径之间的必角ｖ处处相等，因此这种螺旋线称为等角螺旋线，矿称为螺旋角，它ｊ｛与螺旋率有关：

矿：缸ｃｔａｎ三

ａ（３．１３）

在图３—１所示的等角螺旋天线中．两个臂的四条边缘具有相同的Ⅱ，若一条边缘线为‘＝ｒｏｅ邮，则只要将该边缘旋转占角，就可以得到该臂的另一条螺旋线＾＝ｒｏｅ巾“，另一臂相当于该臂旋转１８０。而构成，即ｒ３＝ｒｏｅ４ｆＰ”，ｒ４＝ｒｏｅ“一。。由Ｊ：下面等角螺旋天线的边缘仅山角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。如粜取占＝Ｆ／２，天线的盒属与两臂之间的空气缝隙是同一形状，称为自补结构。

当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一对变影的传输线，臂卜电流沿线传输，边辐射，边衰减。螺旋线上的每一小段都是基本辐射片，它们的取向沿螺旋线而变化，总的辐射场就是这些元辐射场的叠加。实验表明，臂上电流在流过约一个波长以后就迅速衰减到２０ｄＢ一下，终端效应很弱。因此，辐射场主要是由结构Ｌ｝】周长约为个波长以内的部分产生的，这个部分称为有效辐射区，传输行波电流。换而言之，螺旋天线存在“电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留部分的电性能造成显著影响，因而，可以用有限尺寸等角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。波长改变后．有效区的几何大小将随波长成比例地变化，从而可以在定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。ｆ…格税米，阿基米德平面螺旋天线并不是一个真ＪＦ的非频变天线，因为它的

第三章平面螺旋的理论１９

几何结构并不满足自相似条件（２．７）式。但只要参数ａ及天线的总长度取得适当，并在其末端按以吸收电阻或吸收材料，则可使这种天线具有很宽的工作频带。

３．３阿基米德平面螺旋天线

图３—２

平面阿基米德螺旋线的方程为

，．＝ｒｏ＋ａ（ｃａ－缟）（３・１４）

其中，．为曲线上任意一点到极坐标原点的距离，缈为方位角，鲲为起始角，％为螺旋线起始点到原点的距离，口为常数，称为螺旋增长率。在（３．１４）式中令％＝０和编＝ｙ／＂，即可得到两条起始点分别为Ａ和Ｂ的对称阿基米德螺线。以这样的两条阿基米德螺线为两臂，在Ａ、Ｂ两点对称馈电，就构成了阿基米德平面螺旋天线。通常用印刷技术制造这种天线，并使金属螺线的宽度等于两条线问的距离，以形成自补结构，这样有利于实现宽频带阻抗匹配。

天线主要辐射是集中在周长约等于名的螺旋环带上，称之为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之变化，故阿基米德螺旋天线具有宽频带特性。虽然这一天线能在很宽频带上工作，但它不是一个真正的非频变天线，因为电流在工作区后不明显减小，因而不满足截断要求，必须在末端加负载，以避免波的反射。

通过在螺旋平面一侧装置圆柱形反射腔构成背腔式阿基米德螺旋天线，可以得到单一主瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。阿基米德螺旋天线具有宽频带，圆极化，尺寸小，效率高以及可以嵌装等优点，目前的应用越来越广泛。

阿基米德螺旋线的参数可按下述原则选择：

（１）螺旋线外径Ｄ取决于下限频率对应的波长九戤，一般应使其周长Ｃ＝ｎ＇Ｄ≥１．２５ｋ。（２）螺旋线内径也就是两馈电点Ａ、Ｂ之间的距离，对天线的阻抗匹配和上限

圆极化天线及天线小型化研究

工作频率都有较大的影响。一般应取２％＜气。／４，缸是上限工作频率对应的波长。

（３）螺旋增长率。愈小，螺旋线的曲率半径愈小。在外径Ｄ相同的条件下，螺旋线总长度大，终端效应小，波段持性较好。但ａ太小，圈数太多，传输损耗就会加大。

（４）螺旋线宽度大一些，其输入阻抗就低一些。自补结构输入阻抗理论值为１８８．５Ｑ，实际结构输入阻抗约为１４０Ｑ左右。若螺旋线宽度大于间隙宽度，则可降

阿基米德螺旋天线具有宽频带、小尺寸、圆极化等优点，但由于其辐射是双低输入阻抗。向的；因而增益较低。为了获得单向辐射特性，可在其一边加装反射腔。对于２：ｌ频带宽度，反射腔可采用平底腔，腔深约为中心频率对应波长的ｌ／４，腔体直径与螺旋外径相同。带宽大于２：ｌ的宽频带天线，宜采用的锥形腔。由于反射腔是一个谐振器件，必然会使天线工作频带变窄，也就是说，用反射腔实现单向辐射。提高增益，是以牺牲工作带为代价的。

３．４有限元法介绍

本文在设计中主要使用了ＡＮＳＯＦＴ公司的ＨＦＳＳｌｌ软件。它是国际上主流的三维高频电磁场仿真软件，采用了自动匹配网格产生及加密、切线向向量有限元、ＡＬＰＳ（ＡｄａｐｔｉｖｅＬａｎｃｚｏｓＰａｄｅＳｗｅｅｐ）和模式．节点转换等先进技术，可利用有限元法对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。其自适应网格加密技术使ＦＥＭ方法得以实用化。初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。采用高阶基函数、对称性和周期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度。ＨＦＳＳ自动计算多个自适应的解决方案，直到满足指定的收敛要求值。其基于ＭＡＸＷＥＬＬ方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。在建模时，如果注意应用对称关系，合理设置激励和辐射边界（特别是一些特殊的面，孔的结构），根据需要合理设置扫描次数，收敛条件，对细节部分进行手动划分网格，都会加快方针速度，提高方针精度，得到更加准确的结果。

下面简要介绍ＨＦＳＳ软件所采用的数值分析与计算方法即有限元法的基本原理：

第三章平面螺旋的理论２ｌ

有限元方法是求边值问题的数值过程，该方法的原理是用许多子域来代表整个连续区域。在子域中，未知函数用带有未知系数的简单插值函数来表示。因此，无限个自由度的边值问题被转化成了有限个自由度的问题，或者换句话说，整个系统的解用有限数目的未知系数来近似。然后，用里兹变分或伽略金方法得到一组代数方程（即方程组）。最后，通过求解方程组得到边值问题的解。所以，边值问题的有限元分析应包括以下基本步骤：

（１）区域的离散或子域的划分。在任何有限元分析中，区域离散是第一步，也是最重要的一步，因为区域离散的方式将影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果的精确度。在这一过程中，全域将被划分成许多小区域，这些小区域通常被称为单元。对于实际上是直线或曲线的一维区域，单元通常是短直线段，它们连接起来组成原来的线域。对于二维区域，单元通常是矩形或者小三角形。当然，矩形单元最适合离散矩形区域，而三角形单元可用来离散不规则区域。在三维求解中，区域可划分成四面体、三棱柱或矩形块，其中四面体是最简单、最适合离散任意体积区域的单元。

（２）插值函数的选择。有限元分析的第二步是选择一个能近似表达单元中未知解的插值函数。在每一个离散单元的结点上的值是我们要求的未知量，在其内部的其它点上的值依靠结点值对其进行插值。通常，插值函数可选择为一阶（线性）、二阶（二次）、或高阶多项式。高阶多项式的精度较高，但通常得到的公式也比较复杂。因此，简单且基本的线性插值仍被广泛采用。

（３）方程组的建立。导出方程组公式是有限元分析中的主要内容。对Ｍａｘｗｅｌｌ方程利用变分方法建立误差泛函，由于问题已经离散化为很多个子域的组合，我们可以首先在每个单元内建立泛函对应的小线性表达式，其次，将其填充到全域矩阵中的相应位置，最后利用边界条件得到矩阵方程的最终形式。

（４）方程组的求解。方程组的求解是有限元分析的最后一步。最终的方程组通常是下列两种形式之一：

忆肜，＝杪，（３－１５）

（３－１６）Ｍ肜Ｊ＝，ｔ［ｓｌ｛ｏＪ

方程（３．１５）是确定型的，它是从非齐次微分方程或非齐次边界条件或从它们两者兼有的问题中导出的。在电磁学中，确定性方程组通常与散射、辐射或其它存在源或激励的确定性问题有关。而方程（３．１６）是本征值型的，它是从齐次微分方程和齐次边界条件导出的。在电磁学中，本征值方程组通常与诸如波导中波传输和腔体中的谐振等无源问题有关。在这种情形下，已知向量｛．厂｝为零，矩阵陋】可以写成阻】－名陋】的形式，这里九表示未知的本征值。一旦解出影）的方程组，

圆极化天线及天线小型化研究

就能计算出所需要的参数。

由某些外部源而产生的电磁波射向一个物体，物体的相对介电常数和相对磁导率分别记为￡，和以。入射场在物体上感应出电流和电荷，它反过来产生散射场。使用有限元法求解电磁场时，有必要引入一个包围该物体的虚构面，将无限的区域截断为有限的体积。为了解的唯一性，在虚构面上需要一种边界条件，且这种边界条件应该使虚构面对外散射场尽可能透明。存在两类边界条件，一类边界条件可由精确边界积分方程或本征函数展开而获得；另一类是吸收边界条件。这里只讨论吸收边界条件。

三维矢量场吸收边界条件可写成：

声×（９×豆”）＝一豇。声×◇×豆卵）（３．１７）

声×（９×雷”）ｚ—ｊｋ。声×ｐ×豆”）＋ｆｌ（ｒ）Ｖｘ［Ｆ（Ｖｘ／爵”），】＋ｐ（ｒ）Ｖ，（Ｖ．豆严）（３．１８）其中，雷”表示散射场，ｇ（ｒ）＝ｒ／２（１－Ｉ－Ｊｋｏｒ），，．是应用吸收边界条件处的球面半径。另外，在上式中，下标ｔ表示横向（相当于尹）方向分量，下标表示径向分量。更具体地说，

彰＝一尹×（尹×豆卵），豆夕＝尹．雷”

（３．１７）式是索末菲辐射条件，两式可统一写为（３．１９）

声×（ｖ×雷卵）＋户仁卵）－ｏ

式中Ｐ是矢量算子，对（２．２３）式，它由下式定义：（３．２０）

户（豆”）＝弦。尹×ｐ×雷”）

对（３—１８）式，有（３．２１）

Ｐ一（Ｅ一”）＝北。尹×（尹×雷”）一∥（，）Ｖ×【尹（Ｖ×豆卵），一ｆｌ（ｒ）Ｖ，（Ｖ・豆产）】（３－２２）它们可应用于散射场。为了获得可用于总场的相应吸收条件，我们将豆卵＝豆一豆ｍ。代入（３．２０）式，可得：

声×勺×豆）＋户仁）＝尹×（ｖ×豆眦）＋声陋加。）

为了简化，可写为：（３．２３）

声×（Ｖ×五）＋户忙）＝Ｄ眦

矽加＝声×（９×豆加）＋声（毒船）

显然，对给定的入射场雷胁，口栅是一个已知矢量。现在我们建立这个问题的等效变分公式。把索末菲辐射条件用于描述虚构面Ｓ

第三章平面螺旋的理论

上的场，应用广义变分原理，可得出变分表达式：

碓）＝三啦（ｖ叫协分如肌Ｐ

＋讯粤（尹峋够旧厄俨］ａｓ（３－２４）

建立变分公式后，离散Ｆ，将散射目标划分为许多小的体积单元，选择适当的插值函数，建立方程组，强加边界条件，就可解出方程组，得到所需要的参数。

第四章天线的优化和设计

第四章天线的优化和设计

４．１平面辐射器的设计

平面阿基米德螺旋线的方程为：

，．＝ｒｏ＋口（伊一编）（４・１）

其中，．为曲线上任意一点到极坐标原点的距离【２６１，矽为方位角，鲲为起始角，，．为螺旋线起始点到原点的距离，ａ为螺旋增长率。令ｑＯｏ－－０和‰＝７／＂，即可得到两条对称的阿基米德螺线，并使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以形成自补结构，这样有利于实现宽频带阻抗匹配。对于阿基米德螺旋天线，周长约为一个波长的那些环带形成了有效辐射区。螺旋线外径Ｄ取决于下限频率对应的波长ｋ，一般应使其周长Ｃ＝ｎ＇Ｄ≥ｋ。螺旋线内径２％对天线的阻抗匹配和上限工作频率都有较大的影响。一般应取２ｔｏ＜丸缸／４，丸；。是上限工作频率对应的波长。自补结构输入阻抗理论值为１８８．５ｆｌ，实测值约为１４０ｆ２。

（１）参数口的确定

参数ａ的计算公式为：ｆ（，．）＝ｅ－２栅。，为提高天线的幅射效率，在设计时应使能量主要集中在主辐射区（周长等于一个波长的环带），也就是说，能量在通过主辐射区时衰减大于１６ｄＢ。如图４所示，当衰减大于１６ｄＢ时，参数万不小于Ｏ．４。如果取主辐射区边界处ｒ＝０．４，就可以计算出ａ的值。

—－

一１

—１

－２

图４．１主辐射区能量的衰减与ｒ的关系

（２）带线宽度和缝隙宽度的计算

带线宽度和缝隙宽度的计算公式为：Ｗ＝Ｓ＝Ｕｒａｓｉｎ沙）／２。其中ｓｉｎｙ＝，．／ａ，对于带线宽度等于缝隙宽度的阿基米德平面螺旋天线，我们通常称之为自补型的阿基米德平面螺旋天线。首先确定螺旋辐射器半径，使其满足Ｃ－－万Ｄ≥１．２５丸一则Ｄ＝１０４ｍｍ，ｒｏ＝２ｍｍ，馈电点间距为２ｍｍ，ｎ＝７．３经过调试发现，当金属螺线的宽度略小于两条螺线间的距离时，有更好的轴比特性。当频率ｆ＝１．５７５ＧＨｚＳ

圆极化天线及天线小型化研究

时，天线的轴比特性如图

圈４－２

图４－３

可以看出，在不加背腔和巴伦的情况下，中心位置基本是理想的圆极化，随若仰角的增加，轴比特性变差，在９０度时，为线极化。单元的轴比仰角特性比较差。因为没有反射板，所以是单元双向辐射电磁波。由于能量主要集中于馈源附近，所以波束宽度比较窄。下图是其方向图。

第四章天线的优化和设计

４２巴伦设计

ＢａｌＩｌｎ）是平衡非平衡转换器的英文翻巴伦（ｂａｌａｎｃｅｄｔｏｕｎｂａｌａｎｃｅｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ

译，在微波平衡混频器、倍频器、推挽放大器和天线等设备中得到广泛应用”Ｉ。在天线领域中，巴伦可以实现某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。在实际应用中，许多模拟电路要求平衡输入和输出，以减少噪音和谐波，以及提高电路的动态范围，经常在幅度相位相反的信号需要平衡激励时用到变换器巴伦【２”，也就是将信号在不平衡电路结构和平衡电路结构之间进行转换，将不平衡信号转换为平衡信号［２９】。其中，平衡电路结构中的信号由两个幅度相等、相位相差１８０度的信号组成。在天线领域的应用中，巴伦转换的主要目的是：按照天线理论，在天线领域中，偶极子天线属于平衡型天线，而同轴电缆则属于不平衡传输线，如果将其直接连接，就会影响天线的辐射，因此需要在天线和电缆之间加入平衡非平衡转换器一巴伦。巴伦不仅可阻起到阻抗变换的作用，而且可以实现某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。正是由于这些特点，使得巴伦在微波技术中的天线领域得到了广泛的应用。

巴伦是个三端１３网络，其中一个端口为不平衡输入（或输出）端口，另外两个端口是平衡输出（或输入）端口，如图４．５所示

２８圆极化天线及天线小型化研究

拿端口２

端ｆ１ｉ奉

Ｉ巴伦

个

图４．５巴伦网络

此三端口网络的电流，电压关系，可用Ｙ参数表示

‘＝Ｘ．Ｋ＋Ｋ：Ｋ＋Ｉ，Ｋ

厶。＝艺。巧＋Ｅ：Ｋ＋艺。巧端口３

（４．２）

吲鞋萋ｌ

由于巴伦是互易网络，固有巧＝匕，此时该导纳矩阵变为（４．３）

ｌＸ。Ｉ：Ｋ，Ｉ

Ⅳ卜阢Ｙ１２ＥＹ２２，ＥＹ２，３Ｉ（４．４）

（４－５）

带入之后有：誓：＝－ｒ，，，Ｅ：＝匕，

巴伦的主要技术指标有：

１工作频率

工作频率一般由巴伦工作频段的两边频率

２带宽

带宽主要由三种给法ａ绝对带宽ｖ＝ｔ一厶；ｂ边带比，即厶／厶；ｃ相对带宽百分数，即ｖ／ｆｏｘｌ００％。

３通带电压驻波比（反射系数）此指在通带范围内输入端口（不平衡端口）的电压驻波比。

第四章天线的优化和设计２９

４平衡度（幅度和相位）

本文所研究的巴伦用于工作在１．５ＧＨｚ＇－－＇２．５ＧＨｚ频段的双臂平面阿基米德螺旋天线。双臂平面阿基米德螺旋天线是一种对称结构，其整个频带内的输人阻抗１４０Ｑ左右。

由于在平面等角螺旋天线的工作区后电流衰减得很快，应用截断特性可以制成一个巴伦。这种巴伦可以避免在输入端相连的同轴线外导体上激励起电流，可将同轴电缆沿螺旋的一个臂焊起来，因为在天线扩展臂方向没有辐射，螺旋天线工作区后的结构上将不激励起电流，此时同轴线外屏蔽导体成为天线的一部分。为保持天线结构的对称性，焊一根假同轴线在另一臂上，这种装置被称为无限巴伦。但是，同轴线电缆的标准特性阻抗为５０Ｑ，而平面等角螺旋天线的输入阻抗约为１４０ｆ２，试验测试结果为：在整个频带范围内，反射损耗比较平稳，但是大多在．５ｄＢ，－ｖ．１０ｄＢ之问，不满足设计参数指标要求。可见，无限巴伦虽然可以完成不平衡２平衡的转换，但还不能满足阻抗匹配的要求。故考虑采用微带线馈电。

图４—６

与同轴线相同，微带线馈电也为非平衡馈电方式。在满足频率要求的同时，从微带线转换到平行双线，是从非平衡馈电方式到平衡馈电方式变换的一种很好的选择。并且，可以在微带传输线到平行双线转换传输同时，引入阻抗变换电路，从而实现一定程度的阻抗匹配，可以达到良好的效果。用四分之一波长阶梯阻抗匹配器来进行阻抗匹配，是实现阻抗匹配的有效方法。除此之外，还可以采用渐变线来实现阻抗匹配，在很宽的工作频带上都有比较好的性能。设计采用的渐变线，即是随着阶梯阻抗变换器中阶梯的数目无限增多，每个阶梯的长度将无限缩短，则多阶梯式阻抗匹配器就可以看成是截面尺寸和截面特性阻抗连续变化的渐变线。渐变线的频带非常宽，功率容量也较大。

图（４．６）中，，为总长度；Ｚｏ为初始端阻抗；Ｚ为终端阻抗。

设渐变线各个部分阻抗，导纳是坐标Ｘ的函数，分别为Ｚ（ｘ），Ｙ（ｘ）。渐变线上的电压，电流满足一下的方程

圆极化天线及天线小型化研究

—ｄＶ—＝一Ｚ／出（４．６）

堕＝一∥出（４．７）

将两式合并，可以得到以下方程兰萎孚一＿出２ａ［出Ｚ（ｘ）］—ａ－ｖ一】，（ｘ）ｚ（．）ｃ）矿＝０出～～（４．８）

罢善一＿ｄ［１ｎＹ（ｘ）］ｊｄ！一ｙ（ｘ）ｚ（ｘ）Ｊ＝０１ｎ

出２出出～～（４．９）

上述方程为变系数微分方程，求解复杂。如果一直渐变线各点的阻抗Ｚ（ｘ）和导纳Ｊ，（ｘ），就可以得到电压ｙ和电流，。

Ｚ（ｘ）＝Ｚ（Ｏ）ｅ搬（４－ｌｏ）

ｒ（ｘ）＝Ｙ（Ｏ）ｅ以（４－１１）

式中，万是指数线阻抗变化的参量。这种渐变线就是指数渐变线，与双曲渐变线，抛物渐变线，贝塞尔渐变线及切比雪夫渐变线相比较，当，／２＜Ｏ．５时，指数线的反射系数是最小的。而且频带极宽，因此选择指数渐变的微带线．平行双线作为阿基米德螺旋的巴伦。

指数

的微

接天线

图４．７指数渐变的微带线．双线结构示意图

如图，巴伦由不平衡的微带结构逐渐过渡到平衡馈电的平行双线结构，其中地板和微带线均采用指数渐变的方式，在工作频带内由输入端的５０Ｑ变为输出端的１４０Ｑ，渐变线长度选为最低频率工作波长的二分之一

４．３背腔设计

阿基米德平面螺旋天线普通反射腔体的结构如图４．８所示。理论和实际测试都表明，普通反射腔体的侧壁对天线轴比和增益的影响较大，因此在设计时，在允许的尺寸范围内，应使腔体直径Ｄ尽可能大对于普通阿基米德平面螺旋天线，人

第四章天线的优化和设计

们多在腔体内填加微波吸收材料，这样做，可显著提高天线的驻波比、带宽和轴比特性，但是，天线的效率却大大降低。一般来说，天线最大增益只有约４ｄＢ，另外，在腔体内填加吸收材料后，天线的性能将不受腔体深度Ｈ和侧壁的影响

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图４—８

由于在普通反射腔体中填加微波吸收材料会极大降低天线的辐射效率，不加微波吸收材料会使天线方向图带宽变得很窄，因为，对于平面螺旋辐射器来说，它的辐射是双向的，向腔体一侧辐射的电磁波经过距离为Ｈ的自由空间后到达腔体底部并反射回来，反射波又经过距离为Ｈ的自由空间重新到达平面螺旋辐射器表面，此时，反射波与向前辐射的电磁波相位已不再相等，当二者反相时，天线方向图轴向将出现零点。如果能使二者相位仍然保持相等，则反射波与前射波相迭加，天线效率理论上能够提高一倍，增益上将增加３ｄＢ，即约７ｄＢ。使反射波与前射波相位相等，唯一的办法就是在反射波传播过程中改变其相位。我们知道，电磁波在自由空间每传播一个波长的距离，它的相位延迟３６００，而平面螺旋辐射器向腔体一侧辐射的电磁波在腔体底面发生反射时，它的相位改变１８０，也就是说，我们只需使向腔体一侧辐射电磁波经过自由空间传输后，相位延迟１８０就可以了，在距离上就是使电磁波传播半个波长，由此可以知道，普通反射腔体的深度Ｈ应等于波长的四分之一。然而，光使普通反射腔体的深度Ｈ等于波长的四分之一还不够，因为该天线是宽频带天线，当带宽大于４：１时，如果我们取Ｈ等于频带中间频率点处波长的四分之一，则对于最高工作频率来说，该深度刚好是它的波长的二分之一，在最高频率点，反射波与前射波相位仍然反相方向图正前方将会出现零点。由于天线的能量主要集中在主辐射区，当频率改变时它的主辐射区直径也随之改变。如果能够使反射波在任意频率点，它到达平面螺旋辐射器表面所经过路径的长度都等于该频率波长的二分之一，那么该天线仍然满足宽频带特性。按照这种思路，我们设计了如图４－９所示的异形反射腔体。

圆极化天线及天线小型化研究

图４—９

根据前面的分析，异形反射腔体的设计应注意以下几点：

（１）顶端直径ｄ处的周长等于其所对应频率点的主辐射区的周长，在这里我们取为最高工作频率点的波长：

（２）顶端直径ｄ处到平面螺旋辐射器表面的距离等于其所对应频率点波长的四分之一，在这里我们取为最高工作频率点波长的四分之一；

（３）底端直径Ｄ处的周长的取最低工作频率点的波长；

（４）底端到平面螺旋辐射器表面的距离的取为最低工作频率点波长的四分之。

以上四点仅仅是理论设计应注意的，由于实际使用环境的不同，最佳ｄ，Ｄ，Ｈ值必须要通过仔细调整才能够得到。但通过调整发现，其实天线对于下底Ｄ远不如上底ｄ那么敏感。考虑到加工精度等一系列的因素，故改进原先设计，令Ｄ＝ｄ，及斜边垂直与底面，这样可以再不影响天线性能的前提下，减少天线复杂度和加工精度。

４．４背腔螺旋的优化设计

根据以上的理论，我们可以用阿基米德平面螺旋天线设计一个带宽在１．５Ｇ．２．５Ｇ的圆极化天线。其中，加入异性反射腔，实现单向辐射。

首先设计一个指数渐变巴伦并且测试其驻波比，使之有最优特性并且实现阻抗变换。平面辐射器的输入阻抗为１４０欧姆，同轴线特性阻抗为５０欧姆，选取最低工作频率对应波长的一半作为渐变线长度，，＝５０ｒａｍ

第四章天线的优化和设计

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图４—１０

考虑采用同轴馈电。介质基片伸出背腔，在背腔项开了一段口子。调整背腔上底和下底的大小，从而保证在全屏段有最优的轴比特性和驻波特性。

由于引入背腔后，侧壁反射的电磁波重新耦合到天线上，使得天线电流分布变差。为了抵消选种影响，常用天线末端接阻性负载的方法来改善螺旋臂上的电流分布。加金属环的方法也是为了提高轴比特性，金属环在介质基板的上层。馈电网络采用阻抗渐变微带巴伦，末端５００ｈｍ同轴馈电。天线的侧视图和俯视图如下。

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，＝２４９１ＧＨｚ三种情况下天线的轴比特性及其增益情况。图４．１２馈电方式选择为５０欧姆同轴馈电。分别考虑ｆ＝ｉ．５７５Ｇ／／ｚ，ｆ＝１．６０１ＧＨｚ

３４圆极化天线及天线小型化研究

图４－１３

在ｆ＝ｌ５ＧＨｚ～２５ＧＨｚ的范围内扫频，轴比小于１．５４－１４ｆ＝１．５７５ＧＨｚ时天线的增益

第四章天线的优化和设计

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图４．１５ｆ＝１．５７５ＧＨｚ时天线的轴比特性

可以看出．当ｆ＝１．５７５ＧＨｚ时，天线有良好的轴比特性，Ｔｈｅｔａ在－８５。－８５。之间轴比均小于６ｄＢ，天线最高增益为５３ｄＢ，低于理想值。考虑主要是山于引入末端吸收负载和还有加入背腔后侧壁的散射，使得天线最大增益减小。

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图４一１６，＝１．６０１ＧＨｚ时天线的增益

圆极化天线及天线小型化研究

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图４・１７厂＝１６０１ＧＨｚ时天线的轴比特性

当ｆ＝１．６０１ＧＨｚ时，轴比与，＝１．５７５ＧＨｚ时比较，Ｐｂｉ＝Ｏ。和Ｐｈｉ－＝９０。的轴比特性开始出现分离。但满足圆极化特性。ｍ协在－１００。到１０００的区间内，满足圆极化特性。天线的增益略有增加，Ｇ＝５

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图４－１８ｆ＝２４９１ＧＨｚ时天线的增益

第四章天线的优化和设计

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图４－１９ｆ＝２．４９１ＧＨｚ时天线的轴比特性

ｆ＝２．４９１ＧＨｚ时，轴比与前ｆ＝１．５７５ＧＨｚ，ｆ＝１６０１ＧＨｚ频率比较，Ｔｈｅｔａ＝０。时的轴比略有增加，而且Ｐｈｉ＝００和Ｐｈｌ－－９０。的轴比特性分离比较严重，在波瓣内轴比特性不平稳，开始起伏震荡。只在Ｔｈｅｔａｅ［－７０。，７０。】内满足圆极化特性的要求。

４．５双馈贴片圆极化天线设计

为了与平面背腔螺旋天线有所比较，又设计了一个双馈电的贴片天线。馈电方式为双端口同轴等幅反相馈电，工作频率为ｆ＝１．５７５ＧＨｚ。研究其轴比特性和增益有哪些优缺点。

设计一个双馈的贴片天线，天线尺寸ｒ＝３３５ｒａｍ，两个馈电偏离中心位置４ｍｍ，等幅反相馈电。介质基板为８０ｍｍｘＳＯｍｍ，厚度４ｍｍ，介电常数为２６５

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—０图４－２０图４．２１

圆极化天线及天线小型化研究

与工作在ｆ＝１５７５ＧＨｚ的频率时，天线的有很好的仰角特性。由图可知，ｐｈｉ＝１０００时，天线依旧有较好的轴比特性。天线的单向辐射比平面阿基米德螺旋要好。最大增益６８ｄＢ，但是由于贴片天线本身的局限性，导致工作带宽较窄。

图４—２２

尉４．２３

选择合适的线长和宽度，优化了在电流在贴片边缘的分布，从而使得轴比的仰角特性进一步增加。改进后，天线的优于不加载时的轴比。当Ｔｈｅｔａ＝１００＊时，轴比下降了０６ｄＢ。如图

…ＸＹｐｌｏｔ＇一幽４—２４第四章天线的优化和设计：■

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圆极化天线及天线小型化研究

４．６小结

分析了阿基米德天线的辐射原理以及影响参数，设计了一个工作频率在１．５Ｇ．２．５Ｇ的圆极化螺旋天线。逐步设计了其反射腔和相应的馈电巴伦，在ＨＦＳＳ环境下，对天线的尺寸进行优化，在仰角为１００时，具有良好的轴比特性和增益特性。满足设计要求。

设计了一个指型双馈圆极化天线，与传统贴片天线相比，具有更低的仰角特性，在当Ｔｈｅｔａ＝１０００时，轴比下降了０．６ｄＢ。

第五章总结

第五章总结

本论文充分研究现存的圆极化天线，在对比了传统贴片天线和螺旋天线的优缺点，并在此基础上对天线的性能进行了深入分析，通过仿真优化对论文提出的设计思路和研究方法进行了完整的分析。

本文的主要工作的创新点：

１、通过大量的文献阅读，对天线圆极化在进行了概述。

２、设计了一副工作频率为１．５ＧＨｚ～２．５ＧＨｚ的背腔阿基米德螺旋天线，天线半径５２ｃｍ，高度５０ｃｍ，可以同时工作在ＧＰＳ／ＧＬｏＮＡＳＳ／北斗三个频段内。在Ｔｈｅｔａ＝８０度的低仰角情况下，通过调节背腔，加入末端负载和金属环的方法，成功将轴比压低在６ｄＢ以下，满足圆极化的基本要求，并且使增益大于．２ｄＢ。

３、设计了一副指型加载的贴片天线，中心频率为１．５７５ＧＨｚ。与原天线进行比较，该天线具有更优良的仰角特性在Ｔｈｅｔａ＝８０度的情况下，轴比下降了０．８ｄＢ。

在以后的工作中，对于如何设计贴片使之具有更宽的频率特性，如何进一步降低背腔尺寸从而减小天线尺度，使之能在多条件下应用。

致谢４３

致谢

本论文的研究工作是在导师谢拥军教授的直接指导和许多老师同学的鼓励与帮助下完成的。因而，在全文完成之际，我要向他们致以诚挚的谢意和由衷的感激。

首先要感谢我的导师谢拥军教授，在读研的三年以来，谢老师以其渊博的学识、严谨的学风和严肃认真的科学态度指导、帮助和影响着我。他那一丝不苟的精神、兢兢业业的学者风范、淡泊名利和终身奉献于学术研究的品德值得我学习。

感谢雷振亚老师，在我的研究中，是雷老师的细心指导和大力帮助，帮我克服了一个又一个难关。雷老师的勤奋和认真的态度一直让我很敬佩。

感谢杨锐、李雷、李晓峰、王元源、邓超、成博韬、等各位师兄师姐。在与他们的交流中，我获得了相关的知识，提高了分析和处理问题的能力。

感谢我的同学：许昭、樊军、满明远、徐廷威、田超、李慧、王瑞、王博、陈潇、吴召海、成晓阳、俞建国、杨晓东、田富贵、吴海滨、查锋涛、关莹等，在我的研究生生活和学习中给与我的帮助和鼓励。

感谢莫远南、张佳亮、宁高利等师弟师妹的热心帮助。

感谢在我的求学过程中遇到的每一个朋友和同学。

最后，诚挚地感谢我的父母和家人，是父母用辛勤的汗水抚养我长大，是他们用自己的血汗钱支持我上学，直到今天。他们的毫无保留的支持、鼓励和关心令我倍感温暖。

参考文献４５

参考文献

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圆极化天线及天线小型化研究

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研究成果

在学期间的研究成果

一．参加科研情况：

１．２００９．０３＂－＇２００９．０９，完成三合一天线的设计和仿真；

２．２００８．６＂－－－２００９．０１，主要负责航天“８６３＂课题“电磁悬浮系统关键技术研究’’；４．２００７．１０～２００８．０３，参与完成了“柱面共形天线阵列”的设计和测试工作。

二．发表论文情况：

１姚凌岳，谢拥军，许昭。“一种低仰角特性的螺旋天线”。现代电子技术。（第一作者）（以录带刊）

２许昭，谢拥军，姚凌岳，徐挺威，田超。“宽带可调交叉场天线的匹配网络设计”。电子器件。（第三作者）文章编号：１００５．９４９０（２００９）０６－１０８４－０３