线极化微带天线阵列的设计(3)

7 线极化微带天线阵列的设计

任何位置，而且由于没有微带线从而避免了对天线辐射特性的影响。为达到最佳的匹配效果通常会采用两种或者三种方式来进行阻抗匹配。研究发现若馈电点位置发生变化，那么贴片的输入阻抗随之一起发生变化。但是馈线与微带贴片之间具有耦合效应，我们可以通过对贴片尺寸稍加改变，再借助计算机软件找到最合适的尺寸使得天线谐振频率回到中心频率上。 3．串、并联馈电[3]：

串、并联馈电是指馈电结构的几何形状，而不是所等效的电路图。 串联馈电：

如图2.3所示为串联馈电结构，将各天线单元之间直接用微带线连接。

图2.3 串联馈电

它具有以下优点： （1） 传输效率高；

（2） 在馈线上的损耗小、馈线产生的辐射小； （3） 结构简单，空间利用率高，结构紧凑。

但是，在各个天线单元之间容易相互影响，最大的不足是由于串联结构中贴片的插入相位偏移造成了波束产生的固定偏移，在实际设计中可以通过调整阵列参数使产生的偏移变小，保持在低水平上。 并联馈电：

第二章 微带天线及其阵列基本原理 8

如图2.4所示为两种并联馈电结构。

图2.4 并联馈电

图（a）为非对称馈电方式，图（b）为对称馈电方式，并联馈电只有一个输入端，并且由多个输出端和馈线并联组成，每一个输出端接有单独的天线单元。 它具有以下优点：

（1）阵元与阵元之间互不干扰，相互独立；

（2）输入端口到各个阵元之间的馈线长度相等，能够保证激励相同； （3）在与其他微波器件集成时方便。

因此本文采用的是并联馈电结构对微带天线阵列进行馈电。

2.4 天线的特性参量

天线辐射特性主要取决于以下几个方面：阵元数目、激励相位、激励幅度和阵元的空间位置及分布情况。通过阵元的参数来求天线阵的辐射特性，此过程称作阵列的分析；相反，利用天线阵的辐射特性来构成这种天线阵的分布参数，此过程称作天线的综合。

无论天线的任何形式，都具有描述其电性能的基本参量。天线的特性参量包括：天线的方向特性、天线的极化特性、天线的阻抗特性、天线的频率特性、天线的有效接收面积等。

9 线极化微带天线阵列的设计

1．天线的方向特性 （1）方向函数

天线的远区电场E( )定义为天线的方向函数，其定义式为：

E( )= （2-1）

式中 的取值范围为 — ， 的取值范围为0—2 。 （2）方向图

天线的方向图是衡量天线性能的一个重要指标，又称辐射方向图，是指距离天线一定距离的辐射场相对场强随方向的变化而变化的图形，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。辐射方向图主要包括主瓣宽度、旁瓣电平和前后比等。从天线的方向图可以直接看出天线在某一特定方向上的增益或辐射强度。 （3）方向图的参数

方向图中的重要参数有最大辐射方向、半功率波束宽度、旁瓣电平等。最大辐射方向是指天线辐射的最大方向，也称为主瓣，其他辐射方向称为副瓣、旁瓣、后辦；半功率点所围成的空间角度称为半功率波束宽度；半功率点是辐射方向图上辐射功率为最大辐射功率一半的点。如果波瓣的宽度越窄，天线的定向性就越好。

（4）方向系数D、增益G和天线效率 方向系数D：

定义：天线辐射远场区球面上的最大辐射功率 与辐射功率平均值之比。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 10

D

（2-2）

=

式中

是归一化功率。

方向系数是描述天线聚焦能力强弱的重要参数，方向系数越大，天线辐射功率就越集中，方向性就越强。全向天线的方向系数D=1，其他任意天线方向系数D 1。 增益G：

天线的增益系数是指在相同的输入功率下，在某一距离和角度天线在最大辐射方向上某处辐射功率密度与无方向性天线在同一处辐射功率密度之比，也可以用效率 和方向系数D的乘积来表示,即：

G=计算天线增益的若干公式[4]：

对于一般天线，主瓣宽度越窄，增益越高，可用下式估算其增益：

= （2-4）

式中， 与 分别是天线在两个主平面上的波瓣宽度，32000是统计出来的经验数据。天线主瓣宽度越窄，增益越高。

对于抛物面天线，可用下式近似计算:

= (2-5)

或

G= D （2-3）

式中，D为抛物面直径， 为中心工作波长，4.5是统计出来的经验数据。

对于直立全向天线，可用下式近似计算：

11 线极化微带天线阵列的设计

= (2-6)

式中，L为天线长度， 为中心工作波长。

天线增益是一个衡量天线性能的重要参数，它表明了天线在最大辐射方向上比理想的无方向性天线把输入功率增大的倍数，天线的增益系数可以很好地表征天线对功率集中辐射的能力，它与天线的方向图有着密切的关系，我们需要尽量得到增益高的天线，增益G越大，方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线在特定方向上的辐射效果就越好。 天线效率 ：

定义：辐射功率与输入功率之比，即：

（2-7）

式中 为辐射功率， 为输入功率，输入功率总是大于辐射功率。

方向系数D、增益G和天线效率 的关系为：

（2-8）

=1时，即辐射效率为 的天线。 2．天线的极化特性[5]

波的极化是指：在规定均匀平面波传播方向前提下，某一波振面上电场强度矢量的振动状态随时间变化的方式。

极化的几种方式：

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