（电磁场与微波技术专业论文）用于个人通信的微带天线的研究.pdf

声明 包括博士的“独创性声明”或硕士的“创新性声明”，以及“关于论文使用授权的说明” 两项。论文的第一页右面为声明，其具体内容和格式如下： 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成粜：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 。 本人签名：i 塑凌日期型咝! 堡塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安t e 子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件允f 查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许 籀要：本文以羽予个人通信笼线移动终端的微带天线的设计为背景，从自出空触l 董意 电、磁流在空澜的辐射炀出发，以传输线横理论为鏊础，论述了微带天线的辐射原理。 出予常规微带必线输入阻抗的频率敏感性，使褥该天线成为一令窜豢天线，本谖蹶辩 究了微带天线的频带震宽方法。作者研镶4 成功的微带天线在电艇驻波比( v s w r ) 小 予2 对，相对带宽达到1 7 8 。在课题指标要求的1 8 6 0 1 9 6 0 m h z 频段内，摄商 n 聪驻波比为l ，2 9 ，惚予电压i 骧波比小予1 5 豹按拳撂瓠要求。 本文阏对论述了攀单元徽赘天线以及汹单元微带阵列天线豹设计。关于挚攀嚣微 带天线的馈电方法比较多，谯设计中采用了较为独特的渐变线式背馈设计。玖方法巧 妙她剩用了镞带传辕线豹特链疆抗与辐射电阻熬交他关系，实瑗了徽豢天线戆宽豢霾 粼。在参数设计秘方岛图的诗葵以及方囱掰豹绘制时，傻愆了m a ：r l a b 优他没谤糕 序和绘图功能。 在没谤终戮天线鞋，嚣簧功率分瓣嚣。在本设计审，没译爨鑫遴疲宽豢徽豢线式 功率分配器。本文从等渤率努霞器出发，谂述了宽卷盎逶瘫等功率分蝣器豹宽带鞭邂 和实现方法，并进一步论述了不等功率分配器的工作原理。该宽带等功率分配器在相 砖媾竟为2 0 霹，7 1 入弱电藤驻波院瓣谤葬蓬仅为1 0 2 7 ，为臻捌天线豹竣诗龟恣了 懿蠢 静接，| 乏基磁。 测试及结巢分析也是本文的重要组成部分。测试结聚表明设计结聚与测试结粜吻 台痰良努，著分掭了熬分不唉含的原豳，爨瘩了奁黻露熬浚 审菇簧毅逶熬搀容。踟 予测试祭l 譬静骧因，煮熄瞧窭巍特逶步遴行。 文章最后还提出了两种基站天线的设计构思，一种是微带型个人通信全向基站天 线，另一种是扇形波束基站天线其中，全向天线的构思是一种新型构思，这种设计 j 梅恩有望从理论上解决全向天线的不圆度问题 美t 蠲，j 醐黼徽带天线宽带功分网络阵列天线计算枫辅助设计 a b s t r a c t ：t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do fm i e r o s t r i pa n t e n n au s e df o r p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n sa r ed e s c r i b e d ，b a s e do nt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r ya n de q u i v a l e n t t h e o r e m ，i nt h i sp a p e r , u s i n gt h ef o r m u l ao ff a rf i e l dr a d i a t i o nf r o me l e c t r i cc u r r e n t sa n d m a g n e t i cc u r r c n t st h a ta r eo na n ys h a p e so fc u r v es u r f a c e ，w ec a l c u l a t e dt h er a d i a t i o n p a t t e r n so fm i c r o s t r i pa n t e n n ae l e m e n ta n da r r a y f o rt h ei m p e d a n c ec h a n g e sw i t ht h e f r e q u e n c yv e r ys e n s i t i v e l y ，u s u a l l y , t h em i c r o s t r i pa n t e n n a s b a n d w i d t hi sn a r r o w w c s t u d i e dt h em e t h o do fe x t e n d i n gt h eb a n d w i d t ho fm i c r o s t r i pa n t e n n a s t h em i c r o s t r i p a n t e n n ae l e m e n ta n dm i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a ya r em a d eb ya u t h o rh a v eaw i d eb a n d w i d t h f o r1 7 8 r e l a t i v ev a l u et ot h ec e n t e rf r e q u e n c y w i t h i nt h eo p e r a t i n gb a n d w i d t h w h i c h f r o mi8 6 0 m h zt o19 6 0m h z ，t h em a x i m u mv o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o ( v s w r ) i si 2 9 t h i sf i tt h es p e c i f i c a t i o n si nt h ep r o p o s a l ，w h i c hi sb e l o w1 5 ，v e r yw e l l i n t h i sp a p e r , w ep r e s e n tt h ed e s i g n i n go fs i n g l em i c r o s t r i pr a d i a t o ra n df o u r - e l e m e n t m i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a y t h ef e e d i n gm e t h o d sc o u l db ef o u n di nm a n yp a p e r sa n db o o k s w ep r e s e n tak i n do fs p e c i a lf e e d i n gm e t h o d t h i sm e t h o d ，u s i n gt h es p e c i a lr e l a t i o n b e t w e e nt h er a d i a n tr e s i s t a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，r e a l i z et h ew i d e b a n d e d m a t c h i n g a n dt h eg r a d u a lc h a n g et r a n s m i s s i o nl i n ew a su s e di nt h i sm a t c h i n g w h e n c a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e ra n d d i r e c t i o np a t t e r n so fa n t e n n a s ，p l o t t i n gt h e m ，t h em a t l a b p r o g r a mi su s e d 。 w h e nw ed e s i g nt h ea n t e n n aa r r a y , ap o w e rd i s t r i b u t o rw o u l db eu s e d t h i sp a p e rp r e s e n t s a na d a p t i v ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k i nt h eb a n d w i d t ho f2 0 r e l a t i v et ot h ec e n t e r f r e q u e n c y , t h e i n p u t v s w r v a l u eo f t h en e t w o r k i s1 0 4 s o 1 j i i s k i n do f a d a p t i v en e t w o r k g i v e saf a v o r i t eb a s ef o rt h ed e s i g n i n go f a n t e n n aa r r a y t h et e s t i n ga n da n a l y s i so ft e s t i n gr e s u l t si st h ei m p o r t a n tp a r t ，t o o t h i sp a r tn o to n l y p r e s e n tt h ef i t n e s sa n du n f i t n e s sb e t w e e nt h et e s t i n gr e s u l tm i dd e s i g n i n gp a r a m e t e r , b u t a l s og i v e st h ea d v i s ef o ri m p r o v ed e s i g n a tt h ef i n a lp a r t ，w eg i v es o m ep r o p o s a la b o u td e s i g n i n gn e wt y p e so ft h eb a s es t a t i o n a n t e n n a s i tc o u l dr e s o l v et h e p r o b l e mo fn o n - c i r c l ed e g r e e ，, v h i c ho c c u r si nt h eo m n i d i r e c t i o n a la n t e n n a s k e yw o r d s ：w i d eb a n d ：m i c r o s t r i pa n t e n n a ；w i d e - b a n d e ( ip o w e rd i s t r i b u t en e t w o r k ： a n t e n n aa r r a y ； c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 铺 论 绪论 世界电信发展的总趋势是：在电信网数字化、综合化的基础之上。向智能化、宽 带化、个人化方向发展而个人通信则是21 世纪世界电信技术发展方向和目标个 人通信系统和技术已被列为邮电“九五”规划研究的关键技术之一预计到本世纪米 或下世纪初，国际上将推出统一的未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 或通用个人 通信系统( u p t ) 国内对个人通信技术的研究才刚刚起步，为使我国通信及早跨入世 界先进行列，我国有必要坚持高起点，采用新技术，加速开展个人通信系统和技术的 研究。 微带天线是七十年代初发展起来的一种新型天线，具有体积小、重量轻、可适应 多种极化要求和双波段工作、可集成化、可与物体表面共形设计等机电方面的优点 同时还具备通用于印刷电路技术加工、便于安装、成本低、便于批量生产等工艺方面 的优点。这些优点，使得微带天线首先在航空航天通信中占据了一席之地同时在 商业天线的应用研究中倍受青睐。国外8 0 年代朱已将微带贴片天线应用于手提箱式 数据通信终端，1 9 9 3 年研制成8 0 0 m h z 移动基站用徽带相控阵天线图外天线研究 人员指出取得天线低造价的关健在于对印刷板式天线的开发和加工据资料统计袁 明，对于个人通信和本地无线环路通信系统，m a - - c o m 公司的天线产品9 0 到9 5 都是由印刷电路板厂家提供的。 国内对微带天线的研究起步于七十年代末，且主娶用于霄达及其它军用目的醯 着移动通信事业的发展，已经有关于g s m 基站用擞带天线的报道“超小型高增益 微带天线”是邮电部1 9 9 6 年重点科技发展计划资助项目“个人通信关键技术”的子 项目，由西安邮电学院和西安徽波设鲁厂合作完成主要研究适用于个人通信的无线 终端徽带天线、徽带阵列天线以及基站用徽带阵列天线1 9 9 8 年6 月本人介入该课 题的研究，在原课题组已经完成基站天线以及无线局域网天线的基础上。展开了对个 人移动终端天线的研究1 9 9 9 年9 月底到l o 月初，正式开始本谭尼的研究并于1 9 9 9 年底完成了微带贴片单元的研究2 0 0 0 年i o 月，完戒了四单元徽带天线阵的研究 该擞带阵列天线是在原徽带单元贴片天线的基础之上，设计了宽带自适应功率分配网 络。达到了良好的匹配。 该天线的设计，不但为宽带徽带天线的研究起了技术积曩作用而且，对于微带 天线的应用发挥了一定的作用在研究的过程中，作者不但把目标放在课题指标上 而且，将眼光投放到了应用上。比如，本谭思驻波比带宽的要求为在1 8 6 0 m h z 到 1 9 6 0 m h z 范围内，电压驻波比小于等于1 5 而中华人民共和田通信行业标准 中 “移动通信羞站技术条件”规定谈颤豪为l 豁0 m h z 到1 9 9 0 m h z 所以。尽管展宽徽 带天线的带宽很困难，但为了使得科研蟾最与产业化距离尽可能近在进行课题研究 时，作者在保课题指标的同时。将目光投向了这一标准 用十个人通信的徽带灭战的耐f 宄 微带单元天线的带宽指标比较临界，1 8 6 0 m h z 到1 9 6 0 m h z 范围内屯压驻波比的 晟大值，已经接近1 5 。但在电压驻波比小于2 时。频带范围为i 8 0 0 m l i z 到2 0 3 0 m h z 。 阵列天线的研究结果则更好，在指标要求的范围内，电压驻波比的晟大值仅为1 2 9 。 在行业标准范围内，即1 8 5 0 n h z 到1 9 9 0 m h z 范围阳。电压驻波比的最大值也只竹 1 3 。该天线在第三代移动通信中的应用前景很好，只有宽带化，才有可能支持多种 数据的高速率传输，才会给多媒体的传输打下基础。 本课题的研究范围包括三类共七付天线。其中个人通信基站全向天线、扇形波束 天线、单单元微带天线以及四单元微带阵列天线为课题主要内容。另三付用于无线局 域网的天线为本课题的开发内容。作者进入课题组时，即1 9 9 8 年6 月课题已宣称 进入鉴定阶段。但由于种种原因，课题未能通过鉴定。后来的课题管理上也出现了一 定的问题致使在作者重新研究伊始，课题就陷入了经费方面的问题。课题的研究可 谓历经艰辛，两付天线的研究一方面受到了西安电子科技大学天线研究所的老帅们的 支持另一方面也受到了西安邮电学院电信系领导和同志们的支持。同时，本人也凭 着对科研的执着与顽强精神。以认真的态度，终于完成了属于西安邮电学院独立完成 的部分。 在该论文完成之后，作者还要迸一步完成属于西安邮电学院和西安微波设备厂合 作完成的基站天线的研究内容。这一研究的经费，西安邮电学院电信系已经给予了基 本保证。我相信，在不久的将来，“个人通信关键技术”一题会圆满地结题。 第一章无限人导i 乜，p 碰i ：的t i 杵场 第一章无限大导电平面上的口径场 r f 径天线在微波频率是常用的其有许许多多不同的几何结构。本章将从i f i 天 线出发，论述与本课题有关的无限大接地导电平面上的口径耦射场。为了与历i j i f 的沦 述一致，将1 3 面的几何尺寸的数学代号与微带天线的有关几何尺寸取得- 一致，j ：儿 在本论文范围内。取同一个坐标系。 1 1 任意封闭面上电磁流的辐射 取图1 1 所示的坐标系，s 面为一个闭曲面。s 面内的体积为v l ，s 面以外的 体积为。其中，在s 面内存在的场为厨口厅，而在s 面外存在的场为e 平l i 厅。 因此在s 面内和s 面外存在的场必须满足对切向电场和切向磁场的边界条件。则根 据等效原理，在s 面上必存在下述等效源： 五= 自( 1 7 。一疗)( 1 i ) 无= - i i x ( e l 一雷) ( 1 1 a ) 其中，豆和詹为厢内存在的场，e ，和为砸外存在的场。它们辐射于一个无 界空f b j ( 各处媒质相同) ，且没有其它源。式( 1 1 ) 和式( 1 1 a ) 所示的电流和磁流桁度看 观察点( x ，：z ) t ：t ：li 1 分析口径面天线的坐标系 成只在v l 内是等效的。因为它们只在s 面外产生场。由于辐射于无限大空间在圈 1 i 所示的坐标系下。电磁流产生的辅助位函数分别为t 缸，：击俨竽 郴- t 肌e 加e 击哗咖 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 揩：，k 为；j | 蛾馥j 1 弗： 馥、。? ，、。fl _ 。a r l n ， ； j 7 。h 。j j i ，| h + i j 。j j 。、一以! ， ，l= m i ， ， 、 8 澍，： 琏 3 i 。 ， v ， 、 0 ， 。船雕 ， ，；“ 强 o 。 一 f 峨。趣 _ _ 。； 1 舅 ， r j “ 雏 玎 s菇玎 辩，q。鱼t ， ，培嫩 基，誊 爱# 。： 舞棼 ，。 。i 8 0 靠豫 弼 。i 。 撬 ，搿 ， l ，? ；簧警 ，_=|i * ， 1 i 第一章无限人导也，卜嘶i ：的t - i 径蜗 砸删= 击少m x t ，z s 下e j k r 拶 j41r兰护，(一巾)耐r 2 一一舻怛一归。 出 讯删；击肛巾下- i k r 凼 一击孚肌x,y,zi 协卅妒出 “4 ，_ ! j 。材【 船 ( 1 7 a ) ( 1 7 b ) 其中，近似等于在远场区才成立。 考虑到无穷大导电平面上电磁流的镜像作用，就可以推知无穷大导电平面上电磁 流在上半空问的辐射场。在无穷大导电平面上，切向电流的镜像为负像，所以它们在 远区所产生的场为0 。切向磁流的镜型为正像它们在远区产生的场( 上半空o j ) 大 约相当于该原像磁流在自由空问时在该远场点所产生的场的2 倍。因此。无穷火导电 平面上口面场的远区总辐射电场可按下式计算； 雷= 一v x 户 ( i 8 ) 那么，此时的远区场如上式所示，其为： 雷= 一v x p 一去步孚无拶 ( 1 在远区场可以进一步近似为t 邑一j 醅x 帚 = 膨( 饵+ 瓯+ 以) = 业( 蜴一)( 1 9 b ) 为了简化数学的复杂性，我们建立如图1 3 所示的矩形口面上的均匀分和。为了 与后面所描述的矩形微带天线所用的参数代号一致我们取矩形口径的x 方向的口面 长度为h ，并取y 方向的口面长度为w ，取电场极化方向为一p 方向电场幅 度为常数昂。即t n ( 善。y ) 宣- $ , e o- w 2 量一s w l 2 ， h i 2 s y h i 2( 1 1 0 ) 考虑到无穷大导电平面的镜像作用利用介质与介质的边界条件，可以将该电场等效 为以下磁流密度： 7 。= 一j ；x ( _ 多2 晶) = 一叠2 晶 利用积分 一- h ，1 2 2 时。 1 。2 l 1 1 2 2 ) 则从最大值玎始槊零 f 1 2 3 ) 壤m 等( 硼4 笥 ：t ， 、弘功率波寐宽瘦静诗算，可令f j 2 0 a ) 爨j 值等予0 , 7 0 7 ，得到 挚州3 9 粼举堙率杰笈生静角度为 ( 1 。2 5 ) 馥= s ；n ( 焉罟) = a r c s t n ( 旦半) ( 弧度，= 娃，a r c 蠡n ( 旦学) 。辑：6 ， 予跫，半功率波寐宽度必0 献0 殍始，出现静第一令毒! 姥零点之秘姻波寒宽痿，瞧簸 魁； 2 0 01 = 2 0 ,嘏= i ( 1 2 7 ) 同样。对于太勰径天线，即h x 时， 勰，硼8 8 3 r a d ) 鲻o 鲁j 1 1 2 8 ) 第一章无限人铮i 乜平面1 ：的u 释场 i 3 2 方向系数 力向系数的计算主要是用数值方法，这一类方法的计算程序较多。在做该课题时， 从方向圈的绘制到方向系数的计算本文主要采用的是m a t l a b 计算程序和方法。即 计算； d 一一生一一 ( 1 2 9 ) f 。f i f ( p ，钟s i n 鲥嘶 本设计主要在该原理的基础之上，采用了传输线模理论去分析和计算矩形微带天 线。目前，天线学者们已经研究出了许多关于微带天线的分析方法，但都只适应个一 两种微带天线形式传输线模理论主要适用于矩形微带天线，腔模理论也比较适j j1 ： 矩形微带天线，精度较传输线模理论高一些。但过程没有传输线模理论简便、直观。 更何况对于天线的实现而占，相当部分的工作为调测。本课题要求的天线为宽俯微带 天线，天线形式已经不是普通的微带天线了。所以，选择了传输线模理论的方法对其 进行计算和设计。 第：章微带天线原理 1 t i n f l f h # ，r 4 m m k m m 0 1 l i i “md _ i l 4 “ 4 自mr l a 2 - i 二m * $ ，# 十* n ”+ i i l j r t i n w m m “r m m m j 啊h m * “* n ”j 、。十* “nin h t 女_ f ；t p ilio ej u l h e ni h m # k 十m k 。“q p x j , m ，k “ lh “【“m i j # * j jj * “m m i f f 】e m r nj ，、m “ e 1m j “n ； a i f l k t m * e i “* m m “ # 4 t f 0c 】i n u n 】i e - h n * 弹“$ 、n * 0 i 自u m ”* * i i ? “，r j j 忆0 j v m h j m 女* m v * j t m j l l - 4 “u * m ：k e t ，_ j m t i _ q m * k f e 04 f r j , f i q n m m f ll lt。“ 1 # a 。# t “* “h l ，1 i ，_ j f 1 m l 【* * * “ ，：i 】 饥j 1 1 * m * m * 一r m m “m 一uo ，t h 41 | “ ：i ：mi - # ”f e k 1 e $ 女。ur “r m 2 # j “jr # - n q m 。k 一i - 4 m n m ，日w f 。ur $ 一e1 删 i ：“i i * h * # m # $ k $ * * m ，# m j 、“i r j _ | r n 。+ i i l 2 ； n 2 j 1 1 4 1 m d t l 0 up p ( 2 ) m j l m | j h # a n i * i i j - 目“”* 4 * * “日i u * ：t j m 2i 诎带k 线的结构特 1 f * m m d * ! # ，目m * ”* ， # m ml t ； “日2 i m “m m h 4 m 镕* ，4 * u - w ，o “1 * ? 叠影 ? 7 。 ，7 7 ，j f7 7 ? | ， 。 u 镕“2 m | 蠢u e e m n mr r * m m # 。 e i “m r i4 4 1 州l ， i4 j ah1 c ，hj 4 m 0 w ，j _ “】” t “ 1 日 。t “m i f , n 0j b * - 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m p k & $ l * w m 一m 十* ；t m 制【j * 所* n 摸m 自目攘m - * # 镕理k g mj 。j j 舢1 i m ： “k 女n t h r ， w f m * h k 2 * 一镕月r j 【l i 一，、 wr h m l e * * # m m * * j n m * 。m f 1 “n m “j ：“十 镕# * m m 自十* m m * * 8 * 女m # m t h b * _ f l m q m ； j “m m 目“* 十# r 自自h * # m t1 1 1 i m * n 镕i i l 十 “十# * m m m * n m m 镕 m n m # & 。镕“i f ， * 1 m24 ( ) f m “m 目j mj e v q ，* mi l * + 第二章徽带天域愿慝 盂= 一多华 ( 2 1 a ) 疗 考虑到理想导电接地板上磁流的正镜像，缝隙的等效磁流为： 五r 瑙x 豆；量孚 ( 2 i b ) 仃 设磁流沿x 和y 的分稚都是均匀的。将e o = 2 v j h 代入( 1 1 3 ) 式可以得到微带天 线单等效缝隙的磁矢量位； 户：一t v o w 厅 争s 一) s i i l 警i n e s , n ) 娶s 枷c 。s 矿 二挚口s i n 妒 竺 ( 2 2 ) r = - j v o k w e - k r 元( 口，妒)( 2 3 ) 讹舻掣掣傅枷洳潮m p ( o ，) ：p o ( o 脚c 。s f 等s i n 占1 ( 2 1 4 ) f ( o ，驴) =咖譬s i n e o o ) s 蛔- 警s i n o s i n 庐 掣s 啪c o s z 3 舳- s i n 口8 i n 庐 xsin2 # + c o s 2 0 c o s z # c o s ( 铷口 ( 2 5 ) 等效单缝隙的e 面( 巾= n 2 ) 归一化方向函数和h 面( 由；0 ) 的归一化方向函数如 式( 1 2 0 a ) 、( 1 2 0 b ) 所示这里用f 。e 和h i 表示，即： s i n ( 等- s i n 们 刖班东丁 2 石口 耻堂型础 耻垫k 三w s i 型n o 础 2 ( 2 6 b ) 4 瘸乎个人壤馈纳擞穆天线的掰襄 霹以了。其e 瓤归一她方良疆数纛 差瑟叛一纯方肉溪数为： 硼：酉s i n ( - 警s i n 0 ) 。c o s ( - 等s n 彩 c z ，盯， s i n k f ws i n 回 r 国3 1 移。0 8 窖 f 2 t 7 舂 一s l n 联露魏妇一戳二方向遁鼗与单缝黢黪魍纯藤数耀弱，这怒盛- 7 - 在该二e 警囊涎，瓣淌缝 的辐射没有波程差，仅辚射场幅度大小增加一倍。必须搔出，微带天线元溅边骢侧缝 将在偏离主辐射方向上，即在偏离微带天线的法线方向上产生一定n 0 辐射从j 衙形成 一定韵瓮叉缀纯。 b 则阻抗变换器输入端口( 与主臂接口) 呈现的归一化导纳值为i 第五帝宽带白适m 功率分龇册的研究 f ：五掣鲤 1 + j y n 。t g 蹲 ：! ! ：坦咝丝型 1 + y ( v 2 一j c t g f l l ) t g f l l ；! ! = 塑咝巡 2 + j v 2 t g # l ：窑丝鲤+ ! 筵 4 2 ( - , 2 一j c t g f l l ) 2 + j q 2 t g ：寿1 一_ 吖r 2 + i j 2 i c t g f # ( 5 12 ) 24 2 ，g2 、。 在中心频! 靼处，f = 力，t g 卢l = t g 万2 一一，c t g # ，= 口上式第二项的值为零。则此 时，阻抗变换器输入口的归一化输入导纳为： p = 万1 y = p k = 可见，与主臂匹配。当偏离中心频率一定范围内，仍有卢卜j r 忍t g 卢1 - - o o c t g 卢一n 再加之分母项为高次项，所以在一定范田内，仍能保证( 5 1 2 ) 式第二项的值 趋近于0 ，即： ，呻上 2 与主臂匹配。 c t g f l l = c 倌( o 5 o 0 5 ) t t 千0 1 5 8 t g f l l = t g ( o 5 0 0 5 ) l r _ 千6 3 1 3 t 9 1 历= 3 9 8 6 3 此时阻抗变换器输入口的归一化输入导纳为： f = 0 7 5 2 8 + j o 0 0 4 1 7 虚部的影响很小实部呈现的输入阻抗为： z = 志z 矿志 反射系数为： 例如，频率偏移1 0 。即2 0 的相对带宽则此时： 吲刮学卜t ， 驻波系数为： p ；滞乩啷 3 8邢十个人通信的微带灭战的研究 该驻波，再数远小于1 1 ，所以在微带天线带宽范围内，实现宽带匹配是完全可能的。 5 3 自适应宽带微带线式功率分配器的设计 本课题所选用的微带线型功率分配器的基本原里如前所述在具体设计时除了 考虑以上原理要求的传输线的长度、特性阻抗之外。还应该考虑第四章设计阵列天线 时计算出的单元间距以保证阵列天线的辐射方向图等指标与- 设计值的一致。 如图5 5 所示，为一个微带线式四端口二功率分配器的的结构示意圈。j 川- 。端 口1 为输入端，即相当于前面传输线模型的主臂，特性阻抗为z ( ，与信号源棚连： 端口2 、端j 3 为输出端，也就是前面所述的支臂2 和支臂3 。与负载相连接：端口 4 为 2 丌惜线，从微波技术有关原理可知x 2 r 路线等效于 4 短路线。该 2 丌路线的特性阻抗为z 叭，与前面叙述的传输线型盘带自适应功率分配器的 4 短路 线一样，起自适应相位补偿作用； z 0 2 5 0 f l 端口1 幽5 5 四端口二二功率分配器结构示意幽 端口4 主臂到接头处为阻抗变换器，特性阻抗为z 。，主要起接头处的总输入阻抗与主臂的特 性阻抗构匹配作用。 下1 呵叙述该微带线式功率分配器的设计原理，为不失一般性。我们先叙述不等功 率分配菩的设计原理。假设端口2 与端口3 的输出功率p 3 和r 之比为k 2 ，丑j ； 卫d = k 2 r 5 1 3 ) 出于端口2 和端口3 的电压v ：、v ，相等，则由功率与电压的关系： b = 罢；b = 罢 可以得到 z 2 = t 2 乙 ( 5 1 4 ) 式中，z 2 、z 3 分别为端口2 和端口3 的输入阻抗。 若选： 乙= ( 5 1 5 a ) 第五章宽带自适成功串分配器的研究 z ，= 争 ( 5 1 5 b ) 且选r 为： 月：+ _ z o ：半z o( 5 1 6 ) k 同时在接头处支臂2 的输入阻抗z 2 、支臂3 的输入阻抗z j 和丌路支节4 并联。：f l ! 中心频率处。丌路支节在接头处呈现的阻抗为无穷大。接头处此时的输入阻抗棚当于 z 2 、z 】的并联，则接头处的总输入阻抗应为： 弘蔫= 手 考虑到( 5 1 5 a ) 式，则可得到： ( 5 17 ) 由于负载( 即微带单元) 的设计输入阻抗为5 0 0 。所以，为了与负载匹配在支节2 和支节3 的输出端设计了5 0 0 微带线。为了与支节2 和支节3 的输入端的微带线匹 配，在两个支节中都设计了阻抗变换器。这样，两个支节输入段的特性阻抗可设计为 其输入阻抗的值。即： z 0 2 = z 2 ； z = z 3 那么，支节中阻抗变换段的特性阻抗分别为t 摩2 些 ( 5 1 9 ) 一 ， i z o ，= 5 0 z o j 在等功率分配的情况下，k = l ，由( 5 i s ) 式可以得到= z o ，= z o 我们选主臂的特性 阻抗为z o = 1 0 0o ，那么得到如下特性阻抗： z o = 1 0 0 g ；z o l = 7 0 7 f 2 ；z 0 2 ；i 0 0 q ； z 0 3 = 1 0 0 g ；z 0 2 = 7 0 7 n ；z 0 3 ；7 0 7 n 频率偏离中心频率时，会引起主臂阻抗匹配段的不匹配。开路支节的自适应相位补偿 作用与前述的z g 4 短路支节的作用相同，这里不再论述。 主臂及支臂2 、3 中阻抗变换段的长度为x g 4 ，开路支节的长度为 g 2 为微 带线的导波长其值与自由空间波长k 的关系为； 幻：牟 占， ( 5 2 0 ) 鐾： 用十个人通信的微带天蛾的研究 。为微带传输线的有效介电掌数，微带传输组的特性豳抗和有效介f 乜常数与导 ：宽度 w 和基扳厚度h 的关系可按下式计算： 当w h 1 时， 弘争( ：s 詈) z - ， 当w h l 时， z o = 1 2 0 疗 占， w 舯，+ o s s ，- n ( 4 。，) 疗 ( 5 2 2 ) ( 5 2 3 ) j f 巾，w 和h 分别为微带传输线的导带宽度、介质基板的有效介电常数和介质基 极厚度。 本酗汁采用了h = l m m 、e ，= 2 7 的聚四；i 乙烯双面覆铜板为材料印刷玖功率 分配器。面有效介电常数e 。，在介质基板及共厚度选定以后，与导带宽度有关。i 目 此，利j + 程中的最优化设计方法中的线性拯索法，很快可以利j 1 1 ( 5 2 3 ) 与( 5 2 1 ) 或( 5 2 2 ) 9 中的一个进行迭代，设计出每一段导带的宽度和长度，如表5 1 所示 表5 i 四端e l _ 二功率分融：器的设、 指标 主臂主臂阻抗支臂2 、3支 变换器输入段耍 特性阻“( q ) 1 0 07 0 71 0 0 带 计芹值( m m ) 0 7 4 8i 5 2 60 7 4 8 宽度 旰催( m i l e s ) 3 06 i3 0 婷带 引葬值( m m ) 2 7 4 0 9 82 6 8 7 l l2 7 4 0 9 82 f 妊度 墩整( m i l e s ) 1 0 9 61 0 7 51 0 9 ( 弩阻抗开路支：盯5 0 0 导带 ：换段 ，0 77 0 7 5 0 5 2 6i 5 2 62 7 2 2 6 i6 l1 0 9 8 7 1 15 5 7 4 2 2 任意 0 7 5 2 1 5 0 任意 将这样两个功率分配器并联，就形成一个四功；玢配 。有必要指明的是每一个二功 率分配器的输入阻抗为1 0 0 ) 这样，当两个二功率分配器并联时四功分器的总输 入端口呈现的阻抗应为5 0 “。这样，易于同5 0 0 的同 轴s m a 头匹配。具体结构示 意图见图5 7 。 图5 7 四功率分配器结构示意凹 列字孚 = 为数电介效有 第六鼋测试及结果分析4 第六章测试及结果分析 天线的测试与分析是天线研究过程中一个重要的环节，天线的测试结果往t 断r 以 反映出研究方法的正确性。尤其是有些指标是在计算的基础之上，利用相关仪器仪表 进行调试才能达到目的的。比如驻波比带宽就需要多次测调，由于天线的输入阻抗足 在理想条件下进行计算的。而实际上，在天线的安装过程中，馈电点的连接与理想条 件有差别，所以往往造成误差。因此，在测试中，要进行有必要的调整。 6 1 1 测试装罱 6 1 驻波比测试及分析 被测天线 图6 1 驻波比测量不葸幽 驻波比的测量基本上是在天线与微波技术国防科技重点实验室迸行的，使抖j 的设 备是w i n t r o n 矢量网络分析仪。该设备的使用较标量网络分析仪来讲，出于内置信号 源等优点，省去了被测设备、阻抗测量电桥以及信号源之间的连接。测量过程较为简 单、直接( 如图6 1 所示) 。 6 1 2 单单元微带天线的驻波比测量及分析 单单元的测试结果见图6 2 c a ) 和6 2 ( b ) 。 ( a ) 天线1 号驻波测量曲线 ( b ) 天线2 号驻波测量曲线 图6 2 单单元天线驻波测量曲线 4 2用1 i ，、人通信的微带天线的研究 本课题共做了两付单单元微截天线，其中民线1 号的参数为： f - 1 8 6 0 m t l zp = 1 ，4 7 2 卢1 9 1 0 m h zp = l1 6 l 仁1 9 6 0 m t t zp = l ，4 7 l 在课题要求的频带范围内，r u 压孽j 波比最大值为p 1 4 7 2 ，最小值为p = 1 2 6 1 达到 了课题指标的要求。但是，该天纣的方向图前后比盼隋况为若二1 8 6 g 1 t z 、1 9 1 g h z 曩 1 9 6 g h z 的测试，e 面方向图| ； 厍l k d , 于指标要求j1 5 d b 。h 丽j 川剖征1 ) 6 g h 频点上的前后比略大于1 5 d b ， 理论计算微带天线的i l l s ) ? j 比丘i 为无限大，。r 1 是，i 订后比为无限人足征接地扳为五 限大的条件下得出来的。天线1 号的接地板尺、j - 较d 、，所以出现n 0 边沿绕自 馒搿历一 辐射存在。为了改善这一现象，乏：频带宽度i i 经满足指标要r 的条什h1 ：t 【人线： 号的基础之上，制作了天线2 号。 天线2 号与天线