线极化微带天线阵列的设计(2)

第一章 绪论 2

国内外的学者们也对微带天线展开了更深入的研究。

全球四大卫星导航系统：中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO，这些卫星也离不开微带天线的应用。正是因为微带天线具有较大的增益和较强的抗干扰能力，在各种车载、弹载、舰载、机载、星载上同样得到了广泛的应用，在各国军方先进的相控阵雷达中也越来越多的被应用。在我们的日常通讯中，保证手机通讯信号的通信基站要求信号能够覆盖的范围大、增益高；在郊区、公路或偏远地区的天线基站，微带天线的使用都随处可见。

如今，微带天线发展的趋势是小型化，这就对微带天线的要求更高了。难点就是微带天线阵列越小，各个天线单元之间的间隔、距离就越小，导致了天线单元之间耦合增大，从而影响到了微带天线的性能。国内外学者研究的重点是：如何减小天线单元之间的耦合、减小天线单元与馈线之间的耦合。

在国内，微带天线阵列的研究相对较缓慢，但是依然在相关微带天线阵列技术进行了充分的研究，做出了很多改进，也取得了一定的突破。很多具有自主知识产权的天线也都被各个单位开发出来。

随着科技的发展，各个领域都离不开微带天线阵列的应用，其研究方法的拓展也在不断地深入，未来必将会得到更加广泛的应用。

1.3 论文主要内容及工作

本文以线极化微带天线阵列的设计为背景，以天线指标为要求，对天线进行了仿真和实物的加工测试，并给出了阵列天线相关的仿真结果和实测数据分析。在内容安排上：

第一章作为绪论介绍了微带天线的发展、研究意义、性能优缺点和国内外的研究现状。最后提到了此次设计所做的主要内容和工作。

第二章主要介绍了包括微带天线的结构、原理、馈电方式、特性参数、功

3 线极化微带天线阵列的设计

率分配器的分类和原理以及两种分析阵列天线的方法：传输线法和数值分析法。

第三章主要介绍了此次微带天线阵列的阵元设计，包括材料的选取，贴片长度等各个参数的计算；然后介绍了仿真所用的软件HFSS并对天线的各参数进行了设计，再对优化的结果进行仿真，最后得出满足设计要求的结果。

第四章主要对天线阵列进行实物的参数测量，将测量数据与仿真结果进行比对，分析误差原因。

第五章主要分析经过此次设计的结果，将指标要求、仿真结果、实测结果的各项参数进行对比。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 4

第二章 微带天线及其阵列基本原理

2.1 微带天线的结构

介质基片上贴加导体薄片，且介质基片上有导体接地板，这样的天线就称作微带天线。馈电方式通常利用微带线或同轴线等馈电线馈电。射频电磁场在导体贴片与接地板之间形成，并通过接地板与贴片四周的缝隙向外辐射。一般将微带天线视为一种缝隙天线组成的阵列。通常，介质基片的厚度远远小于工作波长，即 。微带天线的剖面很低，是一类低剖面天线。

图2.1是微带天线的四种形式：

本文所用的就是图（a）微带贴片天线来构成的阵列。

图2.1 微带天线的四种形式

2.2 微带天线的基本原理

图2.1 微带贴片天线结构

5 线极化微带天线阵列的设计

图2.1是一个简单的微带贴片天线结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成，与天线性能相关的参数包括辐射元长度L、辐射元宽度W、介质层的厚度H（H 工作波长 ）、介质的相对介电常数 和损耗正切tan 、介质层的长度LG和宽度WG。

图2.2 矩形微带天线俯视图和侧视图

图2.2所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，这就是本次设计的矩形微带贴片天线的馈电形式。对于矩形贴片微带天线，理论分析时通常以传输线模型来分析此天线的性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是 模，贴片长度L为半波长 ，介质层厚度为H，贴片和基片之间就可以被视为半波长低阻抗传输线,微带天线的辐射是由贴片边缘与参考地之间的缝隙所引起的，通常将天线视为缝隙天线，并将辐射电场进行分解，分别为平行于参考地平面和垂直于参考地平面的分量，又因为贴片长L= ，垂直分量相反，相互抵消；平行分量同相，合分量叠

第二章 微带天线及其阵列基本原理 6

加并增强，即辐射场最强的方向垂直于参考地平面。

2.3 微带天线的馈电

微带线馈电所采用的是利用微带线与辐射贴片相连作为传输线进行馈电的。由于天线的馈线与贴片在相同的平面，制造时可以将馈线和贴片一起光刻，适合用于大量生产。微带线馈电也是有缺点的，馈线自身也会产生辐射，甚至会干扰到天线的方向图，产生旁瓣电平，而且一定程度上使天线的增益降低。设计时要求微带线线宽尽量窄且远小于工作波长。

微带天线馈电方式多种多样，其中微带线馈电、同轴线馈电和串、并联馈电是最常用的三种馈电方式。 1．微带线馈电（侧馈）：

利用微带线进行馈电时，馈线与微带贴片是在同一平面的，所以便于制作。但是馈线本身也存在辐射，会干扰天线的方向图、降低天线的增益，所以要求馈线不能过宽，且微带线线宽要远小于波长。微带线馈电也需要考虑到天线输入阻抗与特性阻抗的匹配。

常见的微带线馈电方法有三种：

（1）可以通过选择适当的馈电点的位置来实现； （2）通过改变微带贴片的宽度实现； （3）通过设计阻抗匹配器来实现。 2．同轴线馈电（背馈）：

同轴线馈电方式是将同轴插座安装在介质基片的接地板上，同轴线的内导体穿过介质基片连接到辐射贴片上。同轴线的馈电需要考虑到阻抗匹配。馈电位置与天线的输入阻抗是相关的，选择合适的馈电位置很重要，就是为了达到阻抗匹配的效果最佳。相较与微带线馈电，同轴线馈电由于馈电点位置可以是贴片上的

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