平面印刷天線的設(shè)計(jì)--畢業(yè)論文

1、<p><b>　　編號(hào) </b></p><p><b>　　濰 坊 學(xué) 院</b></p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 報(bào) 告</p><p>　　課題名稱： 平面印刷天線的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué)生姓名： 胡郭偉</b></p&

2、gt;<p>　　學(xué) 號(hào)： 11021340107</p><p>　　專 業(yè)： 通信工程</p><p>　　班 級(jí)： 2011級(jí)1班</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： 李厚榮</b></p><p><b>　　2015年6月</b></p>

3、<p><b>　　平面印刷天線的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　【摘要】：在本世紀(jì)，電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展。作為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要組成部分，它們經(jīng)常需要具有小天線，多頻帶和寬帶特性。目前，由于采用先進(jìn)的印刷電路板技術(shù)和工藝，印刷天線，因?yàn)橐准庸?，重量輕，低輪廓，容易與有源器件和微波電路集成的特點(diǎn)已經(jīng)廣泛的關(guān)注和研究。微帶貼片天線具有良好的指向性圖案，在雙極化

4、和圓極化方面容易實(shí)現(xiàn)，適合陣列的組合從而得到一個(gè)高增益;印刷單極和隙縫天線全向性好，容易實(shí)現(xiàn)多頻帶和寬帶特性，這些平面印刷天線被廣泛用于雷達(dá)，衛(wèi)星通信，移動(dòng)通信和其他通信設(shè)備之間。因此，對(duì)平面印刷天線的研究有著很大的價(jià)值和實(shí)際意義。在本文中，結(jié)合科研的需要和各種無(wú)線通信系統(tǒng)的需求，對(duì)雙極化微帶陣列天線和多頻帶和寬頻帶平板天線的印刷的相關(guān)幾個(gè)問(wèn)題展開了研究。本文先是對(duì)國(guó)內(nèi)天線技術(shù)進(jìn)行了分析，了解了一下國(guó)內(nèi)外對(duì)平面印刷天線的研究的情況，并且

5、了解了對(duì)該技術(shù)研究的現(xiàn)狀，并且重點(diǎn)研究了多層雙極化微帶陣列天線技術(shù)和多頻帶平面印刷天線設(shè)計(jì)，并對(duì)它們做了一系列的研究的分析。對(duì)多層雙極化未帶陣列天線技術(shù)主要分析了單脈沖技術(shù)、雙極化微帶天線、以及陣列的排布方式和其方向圖的估算方面。最后并且對(duì)結(jié)果</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：平面印刷天線 微帶天線 陣列天線 單脈沖 多頻段天線</p><p>　　PLANAR PRINTED ANTEN

6、NA DESIGN</p><p>　　Abstract: In this century, electronic technology and wireless communication technology has been developing rapidly. As modern wireless communication system, an important part, they often n

7、eed to have a small antenna, a multiband and wideband characteristics. Currently, the use of advanced printed circuit board technology and processes, printed antenna, because easy processing, light weight, low profile, e

8、asy to integrate with active devices and microwave circuit characteristics have been widespr</p><p>　　Key words: Planar printed antenna Microstrip antenna Array Antenna Single pulse Multi-band antenna<

9、;/p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要..................................................................1</p><p>　　Abstract........................................................

10、......3</p><p>　　緒論............................................................1</p><p>　　1.1研究的背景及意義...................................................1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀........

11、.............................................2</p><p>　　多層雙極化微帶陣列天線技術(shù)......................................8</p><p>　　2.1單脈沖技術(shù)的基本原理..............................................8</p><

12、p>　　2.2雙極化微帶天線單元................................................9</p><p>　　2.3陣列的排布方式....................................................9</p><p>　　2.4陣列方向圖估算.................................

13、...................12</p><p>　　2.5天線陣列設(shè)計(jì)與分析................................................15</p><p>　　多頻帶平面印刷天線設(shè)計(jì).........................................20</p><p>　　3.1多頻段環(huán)形單極天線..

14、..............................................20</p><p>　　3.2加載曲折線枝節(jié)的矩形環(huán)天線........................................22</p><p>　　3.3雙頻段U形環(huán)天線..................................................27</

15、p><p>　　結(jié)束語(yǔ)........................................................36</p><p>　　致謝..................................................................37</p><p>　　參考文獻(xiàn).....................

16、.........................................38</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　本章介紹的背景和相關(guān)研究的意義;大體上國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)科的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行系統(tǒng)的審查;概述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用雙極化單脈沖陣列天線方面;總結(jié)了多波段天線的方法和裝置;總結(jié)寬帶印刷天線的發(fā)展和當(dāng)前狀態(tài)。</p>

17、<p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　在今天電子科學(xué)與技術(shù)每天都在不斷的發(fā)展當(dāng)中，各種各樣的新技術(shù)在不斷的涌現(xiàn)出來(lái)。特別是最近的幾十年中，電路板印刷技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得其相關(guān)一系列的器件得到了研究和發(fā)展。微型處理器(MCU）、超大規(guī)模集成電路(VLSIC）、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等集成電路的快速發(fā)展，使通信設(shè)備更加小型化和智能化。例如，在20世紀(jì)90年代時(shí)期，體型巨大的大

18、哥大在中國(guó)被廣泛的使用，但是經(jīng)過(guò)多年想過(guò)技術(shù)的研究和發(fā)展，現(xiàn)在的手機(jī)大小已經(jīng)比最開始的大哥大縮小了很多。與此同時(shí)移動(dòng)終端的功能發(fā)展出許多種，如視頻通話，WiFi無(wú)線上網(wǎng)，藍(lán)牙通信，手機(jī)刷卡等。在民用通信的迅速發(fā)展和國(guó)際形勢(shì)沒(méi)有太大變化的背景下，世界各國(guó)軍備不斷更新，軍用通信設(shè)備正面向向高性能、高尖端的方向發(fā)展。并且在此同時(shí)，作為電子通信設(shè)備收發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵部件之一，天線在其設(shè)計(jì)方面也因此遭遇到了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。</p>

19、<p>　　印刷電路板技術(shù)和工藝進(jìn)一步推動(dòng)發(fā)展到天線的開發(fā)。小型無(wú)線電子裝置趨勢(shì)類型需要天線具有低輪廓，成本低，體積小等特點(diǎn)。通過(guò)借助印刷電路板的工藝技術(shù)，所述這些要求可以容易地實(shí)現(xiàn)。由于印刷電路板加工容易，加工周期短，重量輕，成本低。利用天線電路板制造的許多天線中，微帶天線無(wú)疑是一個(gè)天線的最廣泛使用的形式。它的適用范圍跨越多個(gè)領(lǐng)域，例如飛機(jī)上的共形微帶天線，雷達(dá)單脈沖陣列天線，微帶相控陣天線等等。此外，隨著無(wú)線通信技術(shù)的快

20、速發(fā)展，基于印刷電路板的加工工藝，印刷單極天線和平面印刷天線等一系列平面的印刷天線，因?yàn)樗鼈兒苋菀讓?shí)現(xiàn)多頻段和寬帶的特點(diǎn)得到了迅速發(fā)展，每年都有大量文獻(xiàn)報(bào)道出平面印刷天線。因此，平面印刷天線深入研究是一項(xiàng)非常有意義的工作。在本論文文中，結(jié)合科研課題以及各種無(wú)線通信系統(tǒng)的要求，研究了雷達(dá)和無(wú)線通信的多頻帶天線的單脈沖天線的的相關(guān)方面。</p><p>　　對(duì)空間動(dòng)態(tài)的信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的獲取和判定在軍用領(lǐng)域被迫切的需

21、求，因此雷達(dá)技術(shù)在此條件下產(chǎn)生了。目前，雷達(dá)已經(jīng)在地面，空中，海上和外空間上被管飯的應(yīng)用。地面上的雷基地向上主要用于飛機(jī)或其他空間目標(biāo)檢測(cè)、定位和跟蹤。經(jīng)過(guò)雷達(dá)偵察到目標(biāo)后，需要雷達(dá)對(duì)其偵查到的目標(biāo)要連續(xù)的跟蹤。在跟蹤雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的同時(shí)，需要計(jì)算出的角度位置數(shù)據(jù)并且傳達(dá)跟跟蹤系統(tǒng)，方便進(jìn)行瞄準(zhǔn)瞄準(zhǔn)。自20世紀(jì)40年代后期，單脈沖技術(shù)在軍隊(duì)中得到很廣泛的應(yīng)用，它在空中和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的一個(gè)重要的角色。在單脈沖測(cè)角系統(tǒng)，可以從空間角度信息，測(cè)

22、量角速度更快的數(shù)據(jù)速率，高角精度的目標(biāo)回波脈沖。因此，今天的主動(dòng)導(dǎo)引頭和設(shè)備，幾乎都是通過(guò)單脈沖測(cè)角技術(shù)開發(fā)。此外，單脈沖三維成像技術(shù)在制導(dǎo)雷達(dá)上也有了廣泛的應(yīng)用，它可以完成目標(biāo)的傳入探測(cè)，跟蹤和識(shí)別，并攔截導(dǎo)彈控制整個(gè)過(guò)程，直到摧毀來(lái)襲目標(biāo)。</p><p>　　作為單脈沖雷達(dá)的關(guān)鍵部件之一，單脈沖天線設(shè)計(jì)是非常重要的。為了允許單脈沖接收機(jī)的獲取更多詳細(xì)信息，為了提高其靈敏度，分辨率和方位分辨率等功能，有必要需

23、要使用具有雙偏振、寬帶、高隔離度、低交叉極化電平、高效率的天線。在過(guò)去，這一天線大多采用波導(dǎo)縫隙陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗募夹g(shù)比較成熟，效率高，可以達(dá)到很好的結(jié)束端口隔離和交叉極化特性。但它的個(gè)體是比較重的、需要很長(zhǎng)的處理時(shí)間、處理程序復(fù)雜。特別是對(duì)于被用于衛(wèi)星和導(dǎo)彈上時(shí)容易受空間，重量等的限制，不能需要太大的體積。此外，在多極化特性方面波導(dǎo)裂縫陣列很難實(shí)現(xiàn)。但是多極化技術(shù)允許單個(gè)脈沖系統(tǒng)獲得更多的信息，它可以配對(duì)目標(biāo)距離和方位做出更準(zhǔn)確的

24、判斷。例如，作為多極化天線的一種，在現(xiàn)代無(wú)線通信和軍事應(yīng)用方面多極化先天已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。雙極化天線通常是指接收兩個(gè)正交極化的電磁波的天線。因?yàn)闃O化天線發(fā)射兩個(gè)信號(hào)具有相同的帶寬，與單純線極化天線相比具有更好的實(shí)際價(jià)值，比如收發(fā)器的集成、頻率復(fù)用、極化分集等。目前，國(guó)內(nèi)使用微帶天線來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，因?yàn)樗哂兄亓枯p、低剖面、該系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單的、周期短的優(yōu)勢(shì)，并適合加工成一個(gè)大的共面陣列，便于實(shí)現(xiàn)共口徑雙極化功率</p><

25、;p>　　21世紀(jì)是信息化高度發(fā)展的時(shí)代，在通信和信息技術(shù)中移動(dòng)通信服務(wù)、多媒體信息服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用這單個(gè)方面有著突出的成就。正如習(xí)近平主席說(shuō)：“人們應(yīng)該分享發(fā)展的成果，”信息社會(huì)的最終結(jié)果是使人們的生產(chǎn)和生活的進(jìn)步和改進(jìn)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長(zhǎng)和人民的收入的不斷增長(zhǎng)，市民對(duì)新生活、工作和娛樂(lè)有新的需求和期望。目前，各類無(wú)線技術(shù)的在不斷的推出和發(fā)展，在中國(guó)市場(chǎng)中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。如無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)，它顛覆了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

26、通過(guò)雙絞線的歷史，通過(guò)無(wú)線傳輸連接到互聯(lián)網(wǎng)的方法。這極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的安裝，并且網(wǎng)絡(luò)終端可以移動(dòng)的工作。此外，無(wú)線城域網(wǎng)（如WiMAX）技術(shù)，超寬帶（UWB）、無(wú)線數(shù)字電視技術(shù)（DVB-H）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、個(gè)人手持電話系統(tǒng)（PHS）、全球通信系統(tǒng)（GSM）、藍(lán)牙通信（Bluetooth）等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也在被大范圍的使用。結(jié)合通信標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際需要，采用先進(jìn)的印刷電路板技術(shù)，紙多層雙極化微帶陣列天線和單個(gè)平面印刷天線設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)

27、研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用到單個(gè)多樂(lè)隊(duì)和打印單脈沖陣列天線的脈沖系統(tǒng)和無(wú)線通信設(shè)備的寬帶雙極化微帶天線，相信在這方面的開發(fā)工作將有非常積極的意義。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以知道在平面印刷天線的相關(guān)方面研究有很多。本文著重在兩個(gè)方面：首先，利用多層介質(zhì)板生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)極化微帶單脈沖陣列天線雷達(dá);第二，單層印刷板介質(zhì)，用于多頻帶印刷天線和印刷

28、天線為寬帶無(wú)線通信的研究。所以通過(guò)參考其他方面的資料，給出下面幾個(gè)具體的研究進(jìn)展。</p><p>　　1.2.1雙極化單脈沖天線進(jìn)展</p><p>　　傳送或接收兩個(gè)正交極化電磁波的天線稱為雙極化天線。它最初被用作一個(gè)提供兩個(gè)通信通道頻段，但是，今天的現(xiàn)代無(wú)線通信的快速發(fā)展，其意義和價(jià)值已不限于此。因?yàn)闃O化天線可以在相同帶寬發(fā)送，這兩個(gè)信號(hào)，從而使簡(jiǎn)單的線性極化天線與更實(shí)際值進(jìn)行比較。

29、例如，許多新的應(yīng)用程序可以在一個(gè)雙極化天線被開發(fā)，從而改善收發(fā)系統(tǒng)集成，頻率復(fù)用，極化分集等性能。因此，雙極化成為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)和軍事應(yīng)用中不可缺少的技術(shù)。</p><p>　　系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雙極化天線有著不同的形式，如雙圓極化、多頻雙極化、雙線極化等，更單向和雙向雙極化天線點(diǎn)的形式，其方法是不同的。本文側(cè)重于兩極分析和陣列天線的設(shè)計(jì)，而且由于除了薄型，重量輕，成本低，易于生產(chǎn)的微帶天線等，但也可以容易地設(shè)計(jì)為雙極

30、化模式，所以陣列單元的基本形式選用多層微帶貼片。</p><p>　　雙極化微帶陣列有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式，一種是利用兩個(gè)正交偏振單極陣列，單位兩個(gè)極化位于不同的層，每一層都是一種陣列的極化。比如X.Qu設(shè)計(jì)了一對(duì)雙極化微帶天線陣的合成孔徑雷達(dá)。兩個(gè)偏振天線元件是通過(guò)不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)試表明，這兩種極化天線的交叉水平小于一個(gè)26分貝另一個(gè)小于31分貝，隔離度大于20分貝。雖然兩個(gè)偏振可以在相同的口徑的工作，在一定

31、程度上看到減小孔徑的大小，但其厚度稍大，顯然與現(xiàn)代通信天線適合低剖面的設(shè)計(jì)理論不符。另一種是直接用雙極化單元排列，每個(gè)雙極化天線元件本身具有排列成特定形式的單元陣列的特性，然后在兩個(gè)被設(shè)計(jì)種極化饋給網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)雙極化陣列。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于和有源組件集成，這是目前的主流雙極化天線陣列的形式。</p><p>　　為了使雙極化天線在排陣列方面比較適合，通常需要使用饋送電源的微帶線。鐘順任教授對(duì)角線饋微帶天線是非常系

32、統(tǒng)而深入的研究，研究結(jié)果表明，角饋雙極化單元從程度比傳統(tǒng)的側(cè)饋雙極化單元多大約10dB。并且在研究雙極化角饋微帶天線陣列在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該天線端口隔離度是27?38分貝，交叉極化寬邊方向電平低于23?-30dB 。SC高和LW Li等采用多饋點(diǎn)和對(duì)角饋電技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)雙極化微帶天線進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)四元件雙極化微帶陣列天線，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該天線具有低交叉極化電平以及高的隔離，雙極化端口隔離靠近帶39分

33、貝的中央，交叉極化電平小于20dB的。約翰格蘭霍姆和Kim Woelders設(shè)計(jì)了一種雙極化微帶天線陣列層壓結(jié)構(gòu)，該天線設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序是一個(gè)新的設(shè)計(jì)原則，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙極化天線，以獲得更好的水平的交叉極化低旁瓣電平的特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，交叉極化天線的電平為40dB的，端口隔離水平極化是50分貝和垂直極化一樣。S.高和A.Sambell設(shè)計(jì)一種低成本，寬波束雙極化微帶陣列天線。其中，一種使用耦合饋電另一種使用帶有縫隙板微帶天線。由于兩個(gè)正交

34、極化電源電路位于地</p><p>　　單脈沖天線的早期多用防空導(dǎo)彈卡塞格倫天線，其一級(jí)和二級(jí)反射點(diǎn)不要雙曲拋物面以及通過(guò)多技術(shù)和多揚(yáng)聲器的應(yīng)用程序獲得其他單脈沖天線和差分信號(hào)這種天線體積大，安裝不方便架設(shè);的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不能滿足快速定位的需要。與此相反，在平面波導(dǎo)饋縫隙天線具有高增益，小尺寸，高的輻射效率，以及非口徑屏蔽效果，可以精確地控制天線表面的電磁場(chǎng)分布，有效地抑制了顯著的交叉極化分量功能，因此往往是用來(lái)設(shè)

35、計(jì)單脈沖天線。然而，一個(gè)大的波導(dǎo)管縫隙陣列天線的結(jié)構(gòu)，處理，設(shè)計(jì)和制造都比較困難，而且成本高，難以滿足機(jī)載雷達(dá)等特殊場(chǎng)合要低輪廓天線的指標(biāo)要求。微帶天線，重量輕，小橫截面，設(shè)計(jì)靈活，成本低，更重要的是，要實(shí)現(xiàn)雙極化微帶天線比波導(dǎo)管縫隙陣列天線，以實(shí)現(xiàn)雙偏振功能要簡(jiǎn)單得多。這些優(yōu)勢(shì)使得越來(lái)越多的民用和軍事裝備的微帶天線單元的設(shè)計(jì)。</p><p>　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微帶天線的單脈沖已經(jīng)取得了大量的研究。報(bào)告的

36、天線形狀</p><p>　　鍵入包括一個(gè)線性陣列和平面陣列。簡(jiǎn)單微帶單脈沖線性陣列天線的結(jié)構(gòu)可以用二維來(lái)實(shí)現(xiàn)蹤。張?jiān)?，使用L波段單脈沖天線，傘部微帶印制偶極子天線之前是誰(shuí)設(shè)計(jì)并供給至天線元件饋送，并通過(guò)泰勒合成方法和用于天線全面圖案的數(shù)值方法。測(cè)試接收天線的方位角和波束旁瓣電平低于一個(gè)23.7分貝，方位差光束深度小于零值32分貝。桑圭Kim和開唱設(shè)計(jì)Ka波段單脈沖天線的工作，采用雙向送電微帶陣列技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)

37、一個(gè)3dB環(huán)橋和差波束。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。測(cè)試獲取零差價(jià)束可以達(dá)到30分貝的深度。平面陣列形式微帶天線的單脈沖結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，但它允許單脈沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3D追蹤功能。在這方面，國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者開展調(diào)研，這單極微帶平面陣列南京理工大學(xué)方大港教授單脈沖天線深入的研究，設(shè)計(jì)緊湊的新的單脈沖微帶天線陣列，并且在網(wǎng)絡(luò)與天線陣列中的同一平面上，其具有之間的差的結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，易加工，成本低。毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)，還研究了單脈沖天線，通

38、過(guò)其集成波導(dǎo)（SIW）的介質(zhì)成功設(shè)計(jì)了一個(gè)單脈沖縫隙天線，忠吳雨等設(shè)計(jì)的C波段脈沖雷達(dá)單個(gè)寬帶天線，天線駐波比小于28.2％2阻抗帶寬，以及頻帶幾乎為零深-28dB。文獻(xiàn)報(bào)道</p><p>　　在所有相關(guān)的文獻(xiàn)中，雙極化微帶單脈沖天線幾乎很少報(bào)道。南京理工大學(xué)的梅霞研究了兩種雙極化單脈沖天線，單元采用雙H槽災(zāi)難組合雙極化天線，兩個(gè)陣列分別采用串聯(lián)饋送和并聯(lián)饋送的方法，排列方式以網(wǎng)格陣列的形式使用;還有于晶和李尚

39、生一些人設(shè)計(jì)的單脈沖雙極化天線陣列，雙“H”槽耦合的刷極化天線被使用在單元中。單脈沖差束的功能通過(guò)“十字形”和差器來(lái)達(dá)到目的的，矩形網(wǎng)格陣列為其的排列方式。不幸的是，這種天線僅停留在理論分析和軟件仿真階段。本文提出布置在雙極化單脈沖天線的多環(huán)的排布方式，以及天線的實(shí)物處理的具體實(shí)例。這將會(huì)給國(guó)內(nèi)外同仁發(fā)揮微帶單脈沖天線的設(shè)計(jì)提供了參考作用。</p><p>　　1.2.2多頻段印刷天線綜述</p>

40、<p>　　在近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)有許多新的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)不斷的涌現(xiàn)，頻率資源利用率越來(lái)越得到提高。目前已廣泛用于無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，例如：GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)/ PCS / DCS / UMTS，無(wú)線局域網(wǎng)（Wlan），無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）和藍(lán)牙（Bluetooth），但是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率一般都是不一樣的，這使得單個(gè)裝置或終端配備的發(fā)射和接收天線通常需要多個(gè)頻帶，以滿足各種無(wú)線通信的需求上的無(wú)線通信，但

41、增加的天線的數(shù)目將無(wú)疑提高該裝置提供困難的挑戰(zhàn)，因?yàn)樘炀€可在多個(gè)頻率上同時(shí)操作的要求的尺寸小，所以多頻率天線就在這種情況下產(chǎn)生了。</p><p>　　多頻率天線是單波段天線相對(duì)術(shù)語(yǔ)。對(duì)于單頻天線，參數(shù)和指標(biāo)的最重要的區(qū)別是天線的工作頻率和帶寬。天線的帶寬是指在主要性能參數(shù)，如天線阻抗、增益、圖案、極化、主瓣寬度和旁瓣電平，前后比其他區(qū)域，以滿足該頻率范圍的設(shè)計(jì)要求。如果在同一時(shí)間幾個(gè)性能參數(shù)有明確的要求，應(yīng)該在

42、最標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，確定天線帶寬之一。</p><p>　　天線帶寬通常以兩種方式來(lái)表示，一種被稱為“相對(duì)帶寬”，它被定義為：絕對(duì)天線帶寬Δf和工作頻帶的中心頻率比f(wàn)0 ，即:</p><p>　　其中，fh和fl分別為天線工作頻率的上邊沿和下邊沿頻率，一般由電壓的駐波比VSWR≤2或者 Retunloss≥1OdB來(lái)定義回波損耗。限定天線的工作頻率在本文中的以下部分的上部和下部邊緣都基于后者

43、。</p><p>　　另一種帶寬表示方法稱為“倍頻帶寬”，它的定義為:工作頻帶的上邊沿頻率與下邊沿頻率的比值，即:</p><p>　　在一般情況下，更窄頻帶天線使用術(shù)語(yǔ)相對(duì)帶寬，以及寬帶天線通常所示倍頻帶寬。有時(shí)，為了方便，它也可以被用于描述天線的絕對(duì)帶寬的帶寬特性。例如，在本文和寬帶天線設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用絕對(duì)帶寬可以迅速改變的參數(shù)值反映的天線帶寬的特性的影響的多頻段天線，提高了分析的效

44、率。</p><p>　　單頻天線，這些定義也適用于多頻率用天線。僅對(duì)于多頻率用天線，經(jīng)常還要求它的多相距甚遠(yuǎn)的一個(gè)工作頻率指標(biāo)滿足天線的要求。對(duì)于多頻率用天線的特定應(yīng)用中，一個(gè)最代表意義現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話。例如，為了實(shí)現(xiàn)基本電話服務(wù)G網(wǎng)手機(jī)一般都配有雙頻段GSM / GPRS（900/1800）或三頻GSM / GPRS（900/1800/1900）天線，甚至一些手機(jī)配備與四頻GSM / GPRS（850/

45、900/1800/1900）天線，以滿足不同的國(guó)家。此外，無(wú)線上網(wǎng)的WiFi需要的2.4GHz天線，GPS天線GPS需要1.575GHZ，藍(lán)牙無(wú)線傳輸，需要藍(lán)牙的2.4GHz天線，DVB-H移動(dòng)電視天線等的需要。在表1.1，它列出了常見的頻率范圍內(nèi)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，它的使用可以在當(dāng)今無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)品種被發(fā)現(xiàn)，從而開創(chuàng)了天線的多樣化需求。</p><p>　　表1.1常見的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)所使用的頻段</p>

46、<p>　　另外，隨著多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)WiMAX、新一代PHS及LTE等都將采用MIMO無(wú)線技術(shù)。這就需要在手機(jī)內(nèi)配置多根天線組成陣列，如何合理地安排天線的空間布局是極具挑戰(zhàn)的課題，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了小型化多頻段天線設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展。</p><p>　　2.多層雙極化微帶陣列天線技術(shù)</p><p>　　雙極化天線一般是指兩個(gè)正交極化的電磁波的天

47、線能夠正常的收發(fā)和接收。因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)傳輸?shù)男盘?hào)的雙偏振波天線在同一個(gè)帶寬，使得它簡(jiǎn)單的線性極化天線，并有更多的實(shí)用價(jià)值，如收發(fā)器，頻率復(fù)用，極化優(yōu)點(diǎn)設(shè)置。因此，雙極化現(xiàn)代無(wú)線通信，并已被廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。例如，合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)，這需要使用一個(gè)雙極化和寬帶，高隔離度，高效率的有源相控陣天線。此外，低剖面和小型化的合成口徑雷達(dá)，采用了波導(dǎo)管縫隙陣列技術(shù)是難以實(shí)現(xiàn)的。目前的趨勢(shì)是使用微帶天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，更重要的是

48、，因?yàn)槲炀€可以容易地實(shí)現(xiàn)雙極化。</p><p>　　2.1單脈沖技術(shù)的基本原理</p><p>　　單脈沖天線主要是通過(guò)回波信號(hào)的振幅和相位進(jìn)行比較，從而進(jìn)行雷達(dá)的跟蹤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離和位置確定。主要有兩種不同的方法可以從回波信號(hào)中得到目標(biāo)的較低信息：幅度比較（振幅比）和相位比較方法（相比較）。通過(guò)比較兩個(gè)光束振幅比較方法所接收的回波信號(hào)的振幅值來(lái)定位，但是相位比較的方法是通過(guò)兩

49、個(gè)天線接收到的信號(hào)的相位進(jìn)行比較，以在目標(biāo)定位。相比較而言，更加直觀和簡(jiǎn)單的方法是幅度比較，所以下面簡(jiǎn)要采用單脈沖技術(shù)原理比用于定位和跟蹤的振幅的方法說(shuō)明。</p><p>　　圖2.1 比幅法定位示意圖</p><p>　　單脈沖測(cè)角技術(shù)屬于同時(shí)波瓣測(cè)角。圖2.1為理想情況下的比幅定位示意圖。如圖所示，在一個(gè)俯仰平面內(nèi)，兩個(gè)波束部分重疊，其交疊方向即為等信號(hào)軸。兩個(gè)波束的最大值方向與等強(qiáng)

50、度信號(hào)方向偏離角度為±θ。，目標(biāo)飛機(jī)偏離等強(qiáng)度信號(hào)方向的角度為θ。從圖中可以看出，方向圖F1收到的回波信號(hào)幅度明顯大于方向圖F2收到的回波信號(hào)幅度。這兩個(gè)信號(hào)的振幅之間的差可以表示為偏移目標(biāo)對(duì)等信號(hào)強(qiáng)度，并且信號(hào)強(qiáng)度的方向相對(duì)于目標(biāo)的偏差方向可以用幅度查的符號(hào)表示。此偏移方向和偏移誤差信息提供給天線伺服系統(tǒng)來(lái)控制天線移動(dòng)的方向，以減小誤差。同樣，取向目標(biāo)飛機(jī)的坐標(biāo)也可以利用接收機(jī)分支的和取向的一對(duì)圖案測(cè)定，以確定飛機(jī)的方位。當(dāng)

51、目標(biāo)方向的信號(hào)強(qiáng)度等，方向一致通過(guò)接收兩個(gè)光束都等于回波信號(hào)的振幅，該振幅差為零，即此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)定位。通過(guò)反復(fù)測(cè)量和調(diào)整，就可以達(dá)到目標(biāo)飛行器定位跟蹤的目的。為了時(shí)刻不斷的掌握目標(biāo)時(shí)的位置，天線應(yīng)處在恒定的傳輸和接收的狀態(tài)。因?yàn)閮晒馐瑫r(shí)接收到的回波信號(hào)，所以單脈沖角度測(cè)量技術(shù)對(duì)目標(biāo)角錯(cuò)誤消息可以是在一個(gè)時(shí)間非常短的時(shí)間內(nèi)獲得，從理論上講，只要作為回波脈沖分析可以確定角度誤差，將它被稱為“單脈沖”。</p><p&g

52、t;　　用比相角測(cè)量方法的雷達(dá)稱為相位和差單脈沖雷達(dá)。其天線的組成是由天線孔徑的幾個(gè)波長(zhǎng)的間隙，每一個(gè)天線孔徑，以產(chǎn)生對(duì)稱軸的波束天線軸。在遠(yuǎn)的地方，兩個(gè)模式幾乎完全重疊，兩個(gè)光束所接收到的光束的目標(biāo)信號(hào)幅度內(nèi)是相同的。當(dāng)目標(biāo)從對(duì)稱軸偏離，這兩個(gè)天線接收的信號(hào)因所引起的相位差的波程差一樣。從天線的軸線偏差通過(guò)相位檢測(cè)，以獲得目標(biāo)角誤差信號(hào)，從目標(biāo)的偏差的極性的相位，以反映天線軸的位置。</p><p>　　在實(shí)踐

53、中，這兩個(gè)天線或天線陣列，通過(guò)對(duì)它們所連接的網(wǎng)絡(luò)和差產(chǎn)生光束聯(lián)系一起。網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)是兩束波束分別之間的信號(hào)與差信號(hào)。與此相反，該信號(hào)被饋送端口電時(shí)，此時(shí)單脈沖產(chǎn)生天線波束為和波束;在差端口饋電時(shí)，此時(shí)生成的光束被叫做差波束，位置圖被叫做差方向圖。發(fā)射的同時(shí)照射目標(biāo)和接收到是目標(biāo)的位置信息是差波束的作用，并提供一個(gè)相位參考的差值信號(hào)。差分光束的作用是確定目標(biāo)方位。圖2.2示出了單個(gè)脈沖接收機(jī)本文的高頻前端結(jié)構(gòu)的示意圖，本文中設(shè)計(jì)天線是把集

54、成饋電網(wǎng)絡(luò)與天線相結(jié)合的單個(gè)脈沖的天線。</p><p>　　圖2.2 單脈沖測(cè)角系統(tǒng)高頻前端機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　2.2雙極化微帶天線單元</p><p>　　雙極化微帶天線基本是通過(guò)雙饋送點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，它可分為探針式饋電和平面式饋電兩種。第二種一般是通過(guò)微帶式天線來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，其中包括三種方式，如微帶直接式饋電、微帶耦合式饋電、微帶縫隙耦合式的饋電。明顯可以看

55、出探針式饋送電源雖然是一種方法方法，但考慮到豎直連接結(jié)構(gòu)將顯著增加天線處理的復(fù)雜性和該陣列的成本，天線陣列的方式大多通過(guò)平面式饋電來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，對(duì)于兩個(gè)極饋線是在天線元件的相同水平來(lái)說(shuō)，是因?yàn)闆](méi)有足夠的空間，無(wú)法完成排列。如圖所示2.3所示，（a）單元被直接饋送微帶線，（b）單元為雙H形狹縫式饋電，這兩個(gè)的共同點(diǎn)是在饋線的兩個(gè)極化都在同一水平，這意味著一個(gè)對(duì)于很多大型陣列的數(shù)量，這是不可能出現(xiàn)在被安排在兩個(gè)相互正交極化饋電網(wǎng)絡(luò)同一層足夠

56、的空間，你不能選擇這種類型的單位。</p><p>　　（a） （b）</p><p>　　圖2.3 兩種雙極化單元</p><p>　　本文對(duì)雙極化天線單元的主要標(biāo)準(zhǔn)要求有:工作頻帶寬度大于600MHz，中心頻率fo（GHz)，隔離度小于-30分貝。</p><p>　　考

57、慮到指標(biāo)前排接線方便，端口隔離度這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們選擇雙極化饋線位于兩個(gè)樓層H形的一組天線元件的縫隙雙極化天線陣列一側(cè)。這樣的好處有兩個(gè)：（1）兩個(gè)極化饋線位于樓面裂縫的兩邊，不僅提高了端口隔離，而且方便網(wǎng)絡(luò)布線; （2）天線加在地板的下方，對(duì)于向后輻射能夠有效的抑制。</p><p>　　2.3 陣列的排布方式</p><p>　　二維陣列具有兩種不同類型，第一種是矩形柵格全部由所有單元組

58、成的平面式陣列;另一種是所有單元都位于同心環(huán)或橢圓環(huán)，稱為環(huán)或橢圓形陣列環(huán)狀陣列的平面陣列。假設(shè)兩個(gè)平面陣列等距的，當(dāng)然，并不一定相等隔開所謂在兩個(gè)正交方向的單元間隙是相等的，它可以是在徑向方向上具有相等距離。為了產(chǎn)生和差圖，假定兩個(gè)陣列可分成四個(gè)象限對(duì)稱。矩形網(wǎng)格陣列可以是矩形邊界可以是圓形或橢圓形的。圓形或橢圓形網(wǎng)格陣列需要四個(gè)周邊沒(méi)有角的的矩形網(wǎng)格陣列形成。圓形或者橢圓形陣列的所有邊界必須是圓形或橢圓形。</p>&

59、lt;p>　　對(duì)矩形網(wǎng)格陣列來(lái)說(shuō)，如果它的邊界也是矩形的，其口徑基本上都為二維可分開的，其陣列方向圖可以根據(jù)方向圖乘積定理計(jì)算，很大程度上縮減了陣列計(jì)算的工作量。但是這種有一個(gè)很不好的缺點(diǎn)就是增益大大的受到了限制，而可以不受這影響的就是關(guān)于ψ對(duì)稱的方向圖，然而這一系列的設(shè)計(jì)程序非常的麻煩。</p><p>　　與此相反，在環(huán)狀陣列具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如簡(jiǎn)單的矩陣結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)易但是規(guī)范，與對(duì)稱圖案的方向，以最大限度

60、地利用圓形孔，縮小柵瓣電平等。橢圓環(huán)陣列通常使用的很少，除非對(duì)天線的口徑有一定的需求。</p><p>　　2.3.1 多圈圓環(huán)單脈沖陣列形式</p><p>　　1978年，Donald A. Huebner提出了一種方案是通過(guò)使用多圈圓環(huán)陣列以此來(lái)得到單脈沖和差波束的方案。圖2.4所示為一個(gè)典型的四圈同心圓環(huán)陣列。如圖所示，因?yàn)橐玫胶筒畈ㄊ?，陣列結(jié)構(gòu)的四個(gè)象限必須關(guān)于X軸和Y軸對(duì)稱，

61、陣元的數(shù)目要是4的整數(shù)倍，并而且在同心圓換陣列的中心不能擁有小單元。</p><p>　　圖2.4 經(jīng)典四圈單脈沖陣列</p><p>　　靠近象限邊界線的單元機(jī)會(huì)在一天直線上排列這是這種陣列的一個(gè)特點(diǎn)。由此我們可以得到靠近象限分界線上的單元于分界線的距離大約為一個(gè)常數(shù)。設(shè)其總共N圈，假設(shè)第一圈的半徑為R1，每圈半徑遞增Rd，第n圈的半徑為Rn，第n圈的單元數(shù)目為Nn= 4n，則第n圈上臨

62、近象限分界線上的單元距離分界線的距離dn可以表示為:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　將Rn和Nn的表達(dá)式帶入式(2-1)可以得到:</p><p><b>　　（2-2)</b></p><p>　　若將第一圈半徑設(shè)為R1=Rd，則</p><

63、;p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　可以的得到當(dāng)Rd為一個(gè)定值時(shí)，dn大約是一個(gè)常數(shù)。但是臨近象限分界線的單元機(jī)會(huì)在一條直線上排列，這將使我們有相對(duì)足夠的空間在分界線區(qū)域放上和差網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于陣列的總體設(shè)計(jì)有好處。本章通過(guò)這種結(jié)構(gòu)的多圈圓環(huán)組陣方式，把微帶天線單元排列成多圈圓環(huán)行陣列，還對(duì)雙極化的單脈沖微帶陣列天線進(jìn)行了研究。</p><p>

64、　　2.4陣列方向圖估算</p><p>　　由于采用電磁仿真軟件仿真大型陣列需要高配置的計(jì)算機(jī)并且需要很長(zhǎng)的時(shí)間。所以在這里我們用陣列因子來(lái)計(jì)算陣列方向的相關(guān)性質(zhì)。并且需要以下幾個(gè)相關(guān)方面的數(shù)據(jù)：（1）單元的數(shù)目; （2）每個(gè)單元的坐標(biāo);（3）每個(gè)單元的幅度和相位。通過(guò)前面可以的研究，結(jié)合天線孔徑大小，最先確定了天線元件的坐標(biāo)的數(shù)量和布置。為了能夠滿足-30dB的副瓣電平，用圓形泰勒口徑綜合方法可以每個(gè)單元的加

65、權(quán)幅度的大小。最后，計(jì)算的陣列圖形。</p><p>　　圖2.5立體和方向圖</p><p>　　圖2.6立體方位差方向圖</p><p>　　圖2.7立體俯仰差方向圖</p><p>　　圖2.8方位/俯仰面和差方向圖</p><p>　　由圖2.8中得到，和方向圖的第一副瓣電平為-29.7dB。通過(guò)計(jì)算半功率波瓣

66、寬度HPBW=4.6°。由于陣列的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性質(zhì)，并且單元方向圖也關(guān)于ψ對(duì)稱，所以差方向圖、俯仰面和、差方向圖與方位面和這三個(gè)方面都一樣。因此得到的研究結(jié)果具有低副瓣和窄波瓣寬度的性質(zhì)。</p><p>　　2.5天線陣列設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　這部分，我們將前面的幾個(gè)單獨(dú)的部分柔和在一起，以形成最終的雙極化單脈沖微帶天線。設(shè)計(jì)出了該天線的基本雛形，并進(jìn)行處理和實(shí)物測(cè)試

67、，通過(guò)測(cè)試結(jié)果的分析，給出了原因和采取糾正措施。</p><p>　　2.5.1陣列天線模型</p><p>　　下圖是天線的層疊結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，天線四層介質(zhì)組成部分都用了Rogers RT/duroid 5880介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2，恰年兩層的厚度都是0.381mm，后面兩層的介質(zhì)厚度都是0.254mm。介質(zhì)中間通過(guò)半固化片粘合，接地孔的作用是將兩層地板電位達(dá)到大約相同的

68、數(shù)值，焊接孔以便于在頂層將探針和饋線進(jìn)行連接，探針孔是為了將電源送到探針中。</p><p>　　整個(gè)雙極化微帶天線陣列共由五個(gè)金屬層構(gòu)成，具體如下：第一層是一個(gè)貼片層，主要是把貼片天線放在上面;第二層是水平極化的饋電網(wǎng)絡(luò)層，提供饋電給水平極化輻射;第三層是縫隙地板層，在該層開放H狀槽孔，對(duì)饋電進(jìn)行耦合;第四層是垂直極化饋電網(wǎng)絡(luò)層，提供饋電給垂直極化輻射;第五層是接地層，即在接地層上。</p>&l

69、t;p>　　圖2.9天線層疊結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　水平極化和垂直極化的兩個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)饋電結(jié)構(gòu)通過(guò)前面分析我們可以的得到，如下圖2.10所示</p><p>　　圖2.10饋電網(wǎng)絡(luò)（a）水平極化（b）垂直極化</p><p>　　2.5.2實(shí)測(cè)結(jié)果與分析</p><p>　　因?yàn)槭艿接?jì)算機(jī)的影響，不能準(zhǔn)確的算出288元微帶的陣列

70、，從而只能給出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2.11（a)為實(shí)物雙極化微帶圓環(huán)陣列的俯視圖，即為天線陣的第一層結(jié)構(gòu)，貼片狀的天線、微帶和焊接孔、螺釘?shù)墓潭锥嘉挥谄涮炀€的表層。圖2.11(b)為實(shí)物雙極化微帶圓環(huán)陣列的底視圖，就是天線的接地層，主由匹配負(fù)載、SMA, TNC等幾個(gè)不同的器件構(gòu)成。</p><p>　　圖2.12給出了天線模型的各個(gè)方面在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀下的測(cè)試結(jié)果，分別是水平極化和垂直極化的和口、方位差口、俯仰

71、差口。在圖2.13中給出了對(duì)駐波比的頻帶范圍要求在f0±0.3 (GHz)內(nèi)并且電壓的駐波比不能大于1.71，圖2.14顯示出該天線的高隔離度性能，其水平極化和垂直極化端口的隔離度都比-30dB的好。</p><p>　　圖2.11雙極化天線實(shí)物圖（a）俯視圖（b）低視圖</p><p>　?。╝）水平極化 （b）垂直極化</p

72、><p>　　圖2.12天線的端口駐波比</p><p>　　圖2.13水平極化和口與垂直極化和口的極化隔離</p><p>　　圖2.14可以看出雙極化單脈沖陣列天線在微波暗室中的遠(yuǎn)距離方向圖的輻射特性的測(cè)試結(jié)果。主要有水平和垂直極化在中心頻點(diǎn)的和路方向圖、方位差的方向圖、俯仰差的相關(guān)圖形。</p><p>　　圖2.14雙極化微帶天線方向圖測(cè)

73、試結(jié)果</p><p>　　從圖2.14得到在增益和副瓣方面雙極化單脈沖的性能不是太理想。根據(jù)單元數(shù)目加大一倍增益可增長(zhǎng)3dBi算出這個(gè)天線的增益有31dBi，但是真實(shí)數(shù)據(jù)顯示天線的增益僅僅只有22dBi。另外副瓣的實(shí)際數(shù)據(jù)只有大約-15dB，跟我們從陣列方向圖得到數(shù)值為-29dB差距很多。并且天線的水平極化圖不對(duì)稱w.women總結(jié)的誤差打給有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　第一個(gè)主

74、要是有損耗引發(fā)的增益值太低的問(wèn)題。這類的損耗有兩種，第一種是由于天線的單元數(shù)量多從而引起總端口與單元間的饋線的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，使其在Ku頻段的損耗加大了。第二種是在加工過(guò)程中使用的半固化片介質(zhì)損耗正切值不對(duì)，從而非常加大了天線的損耗。</p><p>　　第二個(gè)主要是在輻射圖上副瓣過(guò)高的問(wèn)題，引發(fā)這個(gè)問(wèn)題的原因有兩個(gè)：(1)因?yàn)樵诿總€(gè)圈內(nèi)的饋電網(wǎng)絡(luò)不一樣，并且他們的位置成弧形，正因?yàn)閳A形的饋電網(wǎng)絡(luò)的這種不規(guī)則特性結(jié)構(gòu)難

75、以得到理想的功分比。從而達(dá)不到理想值上的單元功率分配。（2）由于天線陣列單元之間的互禍會(huì)引發(fā)天線輻射性質(zhì)變差。但是在實(shí)際估算中沒(méi)有考慮到這一方面，使得結(jié)果與理想化。（3）水平極化相依的計(jì)算失誤引發(fā)水平極化方向圖不對(duì)的問(wèn)題在第一版的制作當(dāng)中沒(méi)有考慮到。</p><p>　　3多頻帶平面印刷天線設(shè)計(jì)</p><p>　　這一章當(dāng)中全方面的研究了平面印刷多頻天線。該天線結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，通過(guò)使

76、用環(huán)機(jī)構(gòu)和多枝節(jié)結(jié)構(gòu)，在帶縫隙天線地板刻槽和縫隙內(nèi)加載枝節(jié)等這些簡(jiǎn)單、易加工的方法設(shè)計(jì)了多種多頻段平面印刷天線。</p><p>　　3.1多頻段環(huán)形單極天線</p><p>　　天線設(shè)計(jì)中最常用的一種結(jié)構(gòu)是環(huán)形結(jié)構(gòu)。很早之前就有人設(shè)計(jì)的大地板的單級(jí)天線就是通過(guò)運(yùn)用環(huán)形結(jié)構(gòu)，后來(lái)環(huán)形結(jié)構(gòu)逐漸的廣廣泛的關(guān)注和使用，其中包括圓環(huán)狀的單極天線、單極天線矩形環(huán)、三角環(huán)單極天線以及撕裂環(huán)單級(jí)天線等。

77、本篇提出兩種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思路清晰、且性能良好的環(huán)形單級(jí)天線。</p><p>　　3.1.1三頻段矩形環(huán)天線</p><p>　　對(duì)于兩款基于微帶饋電的矩形環(huán)單極天線本章節(jié)做了重點(diǎn)探討，這兩款天線主要被應(yīng)用于于WLAN 2.5/5.2/5.8GHz頻段，WiMAX 2.5/3.5/5.5GHz頻段，對(duì)于通矩形環(huán)天線只能在低頻產(chǎn)生一個(gè)諧振，但是通過(guò)其他方法可以實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性甚至三頻段特

78、性，如在矩形環(huán)內(nèi)加載一個(gè)枝節(jié)和使用雙矩形環(huán)，但是這種結(jié)構(gòu)過(guò)于繁雜。在這本文使用了在矩形環(huán)內(nèi)加載枝節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)了三頻帶特性，得到的兩款天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易。具體有如下的分析。</p><p>　　3.1.2加載直線枝節(jié)的矩形環(huán)天線</p><p>　　正如線圖3.1所示，我們首先對(duì)矩形環(huán)內(nèi)加載直線枝節(jié)的情況進(jìn)行了研究。其介質(zhì)基板的大小為WxL，并聚四氟乙烯基板，相對(duì)介電常數(shù)εr = 2.6

79、5，厚度h=lmm 。天線的饋電由50Ω微帶線，饋線寬度為Wt。天線的地板大小為WxH。其輻射部分為一個(gè)矩形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中枝節(jié)1、枝節(jié)2是通過(guò)在矩形環(huán)內(nèi)上下邊沿加載兩個(gè)長(zhǎng)條形枝節(jié)。</p><p>　　圖3.1三頻段矩形環(huán)單極天線結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖3.2-圖3.5給出的仿真結(jié)果分別為無(wú)加載、僅加載枝節(jié)僅加載枝節(jié)2、兩個(gè)枝節(jié)全部加載四種情況，非常直接的解釋了加載枝節(jié)的作用。&

80、lt;/p><p>　　圖3.2無(wú)加載矩形環(huán)天線反射損耗 圖3.3加載枝節(jié)1矩形天線反射損耗</p><p>　　圖3.2中的結(jié)果表明，單一矩形環(huán)在低頻段只有一個(gè)匹配良好的諧振點(diǎn)。矩形環(huán)加載枝節(jié)1的情況如圖4.3所示，可以明顯看出加載枝節(jié)1可以在高頻處產(chǎn)生一個(gè)高頻諧振，使天線呈現(xiàn)出一個(gè)雙頻帶特性。圖3.4給出了矩形環(huán)加載枝節(jié)2的反射損耗曲線，從圖中可以看出，加載枝節(jié)2是天線能

81、形成中頻諧振的主要因素。最后，圖3.5給出了最終設(shè)計(jì)的矩形環(huán)加載雙枝節(jié)的反射損耗曲線，可以看出，天線實(shí)現(xiàn)了良好的三頻帶特性，但是天線3. S GHz中頻段的帶寬不是很寬。經(jīng)過(guò)高頻仿真軟件優(yōu)化，得到了天線的最終尺寸如表3.1所示</p><p>　　圖3.4加載枝節(jié)2矩形環(huán)天線反射損耗 圖3.5加載枝節(jié)1和2的矩形環(huán)天線反射損耗</p><p>　　表3.1加載直線枝節(jié)矩形環(huán)天

82、線的具體參數(shù)表</p><p>　　3.2加載曲折線枝節(jié)的矩形環(huán)天線</p><p>　　圖3.6加載曲折線枝節(jié)的矩形環(huán)單極天線結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　通過(guò)仿真可以知道，在加載時(shí)矩形環(huán)天線最適合的中頻段帶寬為3.33-3.77GHz，使中頻帶寬能夠更好的改進(jìn)，需要從天線結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改動(dòng)，可以采用曲折線枝節(jié)和直線枝節(jié)混合加載技術(shù)，如圖3.6開就是得到的天線圖結(jié)構(gòu)

83、。圖中，枝節(jié)1為直枝節(jié)，需要加到矩形環(huán)的邊上，枝節(jié)2為曲折線枝節(jié)，需要加到矩形環(huán)的下面。</p><p>　　從圖3.7到圖3.10顯示了將天線在無(wú)加載、僅加載枝節(jié)1、僅加載枝節(jié)部分2、全部加載。這樣四種情況下得到的反射損耗仿真結(jié)果。從圖3.7中能夠知道，單一矩形環(huán)在低頻段僅有一個(gè)諧振。其他方面，由于改進(jìn)前后天線的地板長(zhǎng)度發(fā)生了輕微的變化，因此這兩個(gè)圖在高頻處的地方是存在差異的，但大致上的趨勢(shì)是差不多的。從后面兩

84、個(gè)圖中能夠得出，矩形環(huán)加載曲折線枝節(jié)會(huì)導(dǎo)致中頻段得到極大地展寬。</p><p>　　圖3.7無(wú)加載矩形環(huán)天線反射損耗 圖3.8加載枝節(jié)1矩形環(huán)天線反射損耗</p><p>　　圖3.9加載枝節(jié)2矩形環(huán)天線反射損耗 圖3.10加載枝節(jié)1和2的矩形環(huán)天線反射損耗</p><p>　　使用高頻仿真軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得到了如表

85、3.2所示最大的尺寸。</p><p>　　表3.2加載曲折線枝節(jié)的矩形環(huán)單極天線的具體參數(shù)表</p><p>　　3.2.1實(shí)測(cè)結(jié)果分析</p><p>　　在進(jìn)一步改進(jìn)并仿真后，將得到的尺寸加工成實(shí)際天線。如下面兩個(gè)圖，分別是兩個(gè)三頻段天線的實(shí)物照片。</p><p>　　圖3.11改進(jìn)前天線實(shí)物照片(a)正面(b)背面 圖3.1

86、2改進(jìn)后天線實(shí)物照片(a)正面(b)背面</p><p>　　通過(guò)兩個(gè)圖得到的兩個(gè)仿真圖和相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，可以得知，測(cè)試與相應(yīng)的仿真得到的結(jié)果是差不多的，其中的不同之處也許是加工不當(dāng)和測(cè)量環(huán)境導(dǎo)致的。加載直線枝節(jié)三頻天線的10dB阻抗帶寬在測(cè)試滯后得到的數(shù)據(jù)是310 MHz(2.39-2.70GHz）,490 MHz(3.38-3.87GHz）和2680MHz(4.82-7.5OGHz ），可以覆蓋WLAN頻段(

87、2.4-2.484GHz, 5.15-5.35GHz,5.725-5.825 GHz)和WiMAX頻段(2.5-2.7GHz,3.4-3.6GHz, 5.25-5.85GHz;加載曲折線枝節(jié)三頻天線的IOdB阻抗帶寬測(cè)試結(jié)果為320 MHz ( 2.29-2.61 GHz ) , 1170MHz( 3.19}.36GHz ）, 1360 MHz ( 4.95-6.31GHz ），可以覆蓋WLAN頻段(2.4-2.484GHz,5

88、.15-5.35GHz, 5.725-5.825GHz)和WiMAX頻段(3.3-3.7GHz, 5.25-5.85GHz)，可見，改進(jìn)后的天線中頻帶寬展寬680 MHz。這兩種天線都使三頻帶特性得到了充分</p><p>　　圖3.13加載直線枝節(jié)天線反射損耗曲線 圖3.14加載曲折線枝節(jié)天線反射損耗曲線</p><p>　　圖3.15加載直線枝節(jié)天線的測(cè)試方向圖

89、(a)2.SGHz (b)3.5GHz (c)5.5GHz</p><p>　　圖3.16加載曲折線枝節(jié)天線的測(cè)試方向圖(a)2.SGHz (b)3.SGHz (c)S.SGHz</p><p>　　分別檢測(cè)了這兩個(gè)天線的增益數(shù)，得到加載直線枝節(jié)天線在頻率為2.5GHz, 3.5GHz和5.5GHz的頻帶內(nèi)的平均增益對(duì)應(yīng)如下數(shù)據(jù)2.34dBi,2.58dBi和4.59dBi;加載曲折線枝節(jié)

90、天線在頻率為2.5GHz,3.5GHz和5.5GHz的頻帶內(nèi)的平均增益對(duì)應(yīng)如下數(shù)據(jù)2.9dBi,3.88dBi和4.18dBi。</p><p>　　這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，這小節(jié)假設(shè)的矩形環(huán)印刷單極子天線在導(dǎo)電方面具有很好的延展性，能夠符合頻率為2.5 , 3.5 , 5.5GHz WLAN/WiMAX時(shí)天線的工作帶寬的本質(zhì)條件。</p><p>　　3.3雙頻段U形環(huán)天線</p>

91、<p>　　在普通環(huán)形天線的基礎(chǔ)上，這一節(jié)主要來(lái)簡(jiǎn)述兩款U形單極天線，分別利用不同的加載枝節(jié)技術(shù)以及地板切角技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)了天線獨(dú)特的雙頻帶特性，第一個(gè)天線是加載枝節(jié)的U形天線，這個(gè)天線能夠符合WLAN2.4GHz,  5.5GHz頻段應(yīng)用時(shí)的要求;第二個(gè)天線是地板切角的U形天線，能夠符合WLAN2.4GHz頻段和UWB高頻段(5.5-10.6GHz）的相應(yīng)要求。</p><p>&l

92、t;b>　　3.3.1天線結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖3.17(a)是第一個(gè)天線的結(jié)構(gòu)圖，圖3.17(b)是第二個(gè)天線的結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)其中的介質(zhì)基板的長(zhǎng)短為W，使用了聚四氟乙烯基板，它的相對(duì)介電常數(shù)εr 的值為2.65，對(duì)應(yīng)的厚度h是lmm。第一個(gè)天線組要是靠50Ω微帶線饋電，饋線寬度組成。第一個(gè)天線的地板尺寸為W。用一個(gè)U形環(huán)形狀的部件作為輻射部分為，同時(shí)在U形環(huán)上面在外邊加上

93、矩形的枝節(jié)。第二個(gè)天線的地板是六邊形的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)是在大小為W的地板上減去兩個(gè)大小為W4×H4的直角三角形而造成的。將一個(gè)簡(jiǎn)單的U形環(huán)作為輻射部分。這兩個(gè)不同的天線對(duì)應(yīng)的U形環(huán)部分的大小為為:比較小的U形結(jié)構(gòu)線的寬度為Wf2，比較大的U形結(jié)構(gòu)以及；兩個(gè)U形環(huán)連接處的線的寬度為Wf1。</p><p>　　圖3.17雙頻段U形單極天線結(jié)構(gòu)示意圖(a)天線1俯視圖(b)天線2俯視圖(c)側(cè)視圖</

94、p><p>　　3.3.2參數(shù)分析及優(yōu)化</p><p>　　U形雙頻中第一個(gè)天線和第二個(gè)天線都是在U形輻射結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上得到的，在第一個(gè)天線中，通過(guò)調(diào)節(jié)枝節(jié)的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻帶，在第二個(gè)天線中，通過(guò)調(diào)節(jié)地板切角來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶雙頻。下面分別針對(duì)這兩種情況，進(jìn)一步驗(yàn)證不同的值對(duì)天線反射損耗會(huì)產(chǎn)生的變化。</p><p>　　1.W1對(duì)天線1阻抗帶寬的影響</p>&

95、lt;p>　　第一個(gè)天線中U形結(jié)構(gòu)的寬度我們用W1表示，圖3.18顯示的是隨著W1的值變化時(shí)第一個(gè)天線的反射損耗發(fā)生變化的曲線圖。從中能知道，在W1的值不斷增加時(shí)，2.4GHz頻段的帶寬會(huì)發(fā)生縮減的變化，同時(shí)諧振點(diǎn)會(huì)更加靠近低頻段。在相同情況下，高頻段的帶寬差不多沒(méi)有受到影響。因此我們經(jīng)常改變W1的值,來(lái)得到想要的低頻諧振點(diǎn)和帶寬。</p><p>　　圖3.18 W1對(duì)第一個(gè)天線的反射損耗影響

96、 圖3.19 H3對(duì)第一個(gè)天線的反射損耗影響</p><p>　　2.H3對(duì)天線1阻抗帶寬的影響</p><p>　　H3為第一個(gè)天線加載枝節(jié)的長(zhǎng)度。圖3.19顯示的是，在H3取不同值時(shí)天線1的反射損耗發(fā)生的相應(yīng)變化曲線圖。能夠得出，是否改變H3 的長(zhǎng)度，對(duì)低頻段幾乎沒(méi)有任何影響，但是對(duì)高頻段的諧振點(diǎn)的位置和帶寬影響很大。這些顯示，經(jīng)過(guò)對(duì)矩形枝節(jié)的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以非常有效地得

97、到適合的高頻段的帶寬，同時(shí)使低端諧振不發(fā)生變化。</p><p>　　3.Wf1對(duì)天線1阻抗帶寬的影響</p><p>　　下圖3.20顯示的是隨著Wf1的值不同時(shí)第一個(gè)天線的反射損耗相應(yīng)發(fā)生的變化曲線。從這個(gè)圖中可以得出，改變線寬可以調(diào)節(jié)兩個(gè)諧振點(diǎn)的匹配情況。從天線的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，增大Wf1相當(dāng)于減小了W1，結(jié)合前面W1的參數(shù)分析，從圖中也可以看出，低頻段的帶寬也略有變化。</

98、p><p>　　圖3.20 Wf1對(duì)第一個(gè)天線的反射損耗影響 圖3.21 H4對(duì)第二個(gè)天線的反射損耗影響</p><p>　　4.H4對(duì)天線2阻抗帶寬的影響</p><p>　　在第二個(gè)天線中，把H4作為一個(gè)地板切角的深度，圖3.21顯示的是隨著H4的值不停變化時(shí)第二根天線的反射損耗發(fā)生相應(yīng)改變的曲線圖。為了使數(shù)據(jù)更明顯，還相應(yīng)地給出沒(méi)有切角時(shí)的影像圖。

99、經(jīng)過(guò)對(duì)比看出，有無(wú)地板切角以及地板切角的大小都會(huì)對(duì)高頻段的帶寬造成干擾 。</p><p>　　3.3.3仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析</p><p>　　在下面兩個(gè)圖的基礎(chǔ)上，在第一個(gè)天線的電流分布圖中，能夠更好的詮釋第一個(gè)天線構(gòu)成雙頻帶的原理，從下圖3.22(a)中了解到，在低頻率時(shí)，外邊的一圈集中了幾乎全部的電流，而在里面的結(jié)構(gòu)上和下面的枝節(jié)上差不多是沒(méi)有電流的，可以證明低頻諧振是取決于外邊一

100、圈結(jié)構(gòu)的，從下圖3.22 (b)了解到，在較高頻率時(shí)，而在里面的結(jié)構(gòu)上和下面的枝節(jié)上的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了外邊一圈結(jié)構(gòu)上分布的數(shù)量。通過(guò)這些可以得出，下面的枝節(jié)在較高頻段時(shí)對(duì)共同振動(dòng)起著調(diào)制的不可或缺的作用。這兩張圖的分析能夠知道，在低頻時(shí)用外邊的一圈進(jìn)行設(shè)計(jì)，在高頻時(shí)用里面的結(jié)構(gòu)上和下面的枝節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖3.22天線1在(a) 2.46C3Hz和(b) 5.51 C3Hz表面電流分布&

101、lt;/p><p>　　由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)HFSS得到的仿真數(shù)據(jù)顯示，改進(jìn)后的兩種雙頻帶天線的最后的參數(shù)顯示如表3.3和表3.4。</p><p>　　表3.3天線1的具體參數(shù)表</p><p>　　表4.4天線2的具體參數(shù)表 </p><p>　　按照兩個(gè)表中的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)出了圖3.23和圖3.24這樣的天線模型。</p><p>

102、;　　圖3.23天線1實(shí)物照片</p><p>　　圖3.24天線2實(shí)物照片</p><p>　　使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的阻抗特性。圖3.25和圖3.26給出了第一個(gè)天線和第二個(gè)天線分別反射損失曲線模擬圖和測(cè)試結(jié)果，可以看出得出的結(jié)果和曲線圖的基本上是一致的,第一個(gè)天線的低頻頻率偏移向高頻部分,差異的存在也許是加工失誤和監(jiān)測(cè)環(huán)境時(shí)導(dǎo)致的。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示第一個(gè)天線的10dB的阻抗帶寬為65

103、0 MHz和790 MHz，能對(duì)WLAN波段(2.4到2.484 GHz,5.15到5.35 GHz,5.725到5.825 GHz)進(jìn)行重新設(shè)定和WiMAX譜(2.5到2.7 GHz,5.25到5.85 GHz)進(jìn)行重新設(shè)定。第二個(gè)天線的10dB阻抗帶寬監(jiān)測(cè)得到的為550 MHz (2.38-2.93GHz)， 1170 MH

104、z(5.17 -11 GHz),能夠重新設(shè)定蓋WLAI}I和WiMAX 2.4GHz這些波段和UWB的較高頻率帶(5.5-10.6GHz。由此得出，兩種不同的天線都有了不錯(cuò)的的雙頻帶特性。</p><p>　　圖3.25天線1仿真與測(cè)試的的反射損耗曲線 圖3.26天線2仿真與測(cè)試的的反射損耗曲線</p><p>　　圖3.27天線1的測(cè)試方向圖(a)