微带贴片天线概论-ppt课件.ppt
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1、本讲座关于微带天线设计理论取自“微带天线”(美I.J.鲍尔 P.布哈蒂亚著,梁联倬等译,1985年电子工业出版社),虽然最新资料没有反映,但基本概念仍是有用的。国内也有几本微带天线的书,很多内容也取自鲍尔的著作,故本讲座关于微带天线设计理论部分就参考鲍尔一书。至于本讲座后面推荐的微带天线设计软件是否用了鲍尔的有关公式,我们并不十分关心,比如Sonnet软件依据的是矩量法。不同的设计软件有不同的特色,所依据的设计公式、方法有差别,有兴趣的读者最好参阅相关的文献。ppt课件天线大体可分为线天线和口径天线两类。移动通信用的VHF、UHF天线,大多是以对称振子为基础而发展的各种型式的线天线,卫星地面站
2、接收卫星信号大多用抛物面天线(口径天线)。天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。天线的大小一般以天线发射或接收电磁波的波长来计量。因为工作于波长 = 2m的长为1m的偶极子天线的辐射特性与工作于波长 = 2cm的长为1cm的偶极子天线是相同的。ppt课件与天线方向性有关参数:方向性函数或方向图离开天线一定距离处,描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式,称为天线的方向性函数;把方向性函数用图形表示出来,就是方向图。最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。为了方便对各种天线的方向图进行比较,就需要规定一些表示方向图特性的参数,这些参数有:天线增益G(或方
3、向性GD)、波束宽度(或主瓣宽度)、旁瓣电平等。2天线效率3极化特性4频带宽度5输入阻抗b图8-3ppt课件天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度,它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比4馈入天线总功率率单位立体角最大辐射功G天线方向性 GD与天线增益 G 类似但与天线增益定义略有不同。4总的辐射功率率单位立体角最大辐射功DG因为天线总有损耗,天线辐射功率比馈入功率总要小一些,所以天线增益总要比天线方向性小一些。理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角B内辐射出去,且在B立体角内均匀分布。这种情况下天线增
4、益与天线方向性相等。BDGG4理想天线的辐射波束立体角B及波束宽度Bppt课件实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中,在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大,偏离波束中心,辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为旁瓣电平旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平,一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域,其电平应尽可能的低。24BB ppt课件天线效率A定义为, 1PPPPPiA式中,Pi为输入功率;P1为欧姆损耗;P为辐射功率天线的辐射电阻 R用来度量天线辐射功率的能力,它是一个虚拟的量,定义如下:设有一个电阻 R,当通过
5、它的电流等于天线上的最大电流时,其损耗的功率就等于辐射功率。显然,即辐射电阻越大,天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为RIPm221 即辐射电阻为 22mIPR仿照引入辐射电阻的办法,损耗电阻 R1为2112mIPR 将上述两式代入效率公式,得天线效率为RRRRRA1111可见,要提高天线效率,应尽可能提高 R,降低 R1。ppt课件极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式,可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化;圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。输入阻抗与电压驻波比:天线的
6、输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率。当天线工作频率偏离设计频率时,天线与传输线的匹配变坏,致使传输线上电压驻波比增大,天线效率降低。因此在实际应用中,还引入电压驻波比参数,并且驻波比不能大于某一规定值。天线的电参数都与频率有关,当工作频率偏离设计频率时,往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时,天线的有关电参数不应超出规定的范围,这一频率范围称为频带宽度,简称为天线的带宽。ppt课件在天线很多应用场合,远区场的假设都是成立的。远区场假设为我们分析研究天线辐射的场带来很大方便。这里所谓很远很远都是以波长来计量的。多数天线具有互易性,即天线在发射模式和接收模式具有相同的方向性。
7、如果一给定天线工作在发射模式,A方向辐射电磁波的能力比B方向强100倍,那末该天线工作于接收模式时,接收A方向辐射来的电磁波灵敏度比B方向也强100倍。本章以后讨论的天线都是互易的。如果所观测点离开波源很远、很远,波源可近似为点源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远,在观察者所在的局部区域,其波阵面可近似为平面,当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场。ppt课件同常规的微波天线相比,微带天线具有一些优点。因而,在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比,微带天线的一些主要优点是:重量轻、体积小、剖面薄的平面结构,可以做成共形天
8、线;制造成本低,易于大量生产;可以做得很薄,因此,不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能;无需作大的变动,天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上;天线的散射截面较小;稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋);比较容易制成双频率工作的天线;不需要背腔;微带天线适合于组合式设计(固体器件,如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上);馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。ppt课件但是,与通常的微波天线相比,微带天线也有一些缺点:频带窄;有损耗,因而增益较低;大多数微带天线只向半空间辐射;最大增益实际上受限制(约为20dB);馈线与辐射元之间的隔
9、离差;端射性能差;可能存在表面波;功率容量较低。但是有一些办法可以减小某些缺点。例如,只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。ppt课件在许多实际设计中,微带天线的优点远远超过它的缺点。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有: 移动通信; 卫星通讯; 多普勒及其它雷达; 无线电测高计; 指挥和控制系统; 导弹遥测; 武器信管; 便携装置; 环境检测仪表和遥感; 复杂天线中的馈电单元; 卫星导航接收机; 生物医学辐射器。这些绝没有列全,随着对微带天线应用可能性认识的提高,微带天线的应用场合将继续增多。ppt课件微微带天线可以分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。
10、微带贴片天线微带贴片天线(MPA)是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。实际上,能计算其辐射特性的贴片图形是有限的。正方形 圆形 矩形 椭圆形五角形 圆环形 直角等腰 半圆形 三角形图3-3 实际使用的各种微带天线图形图3-4 微带天线其它可能的几何图形ppt课件微带行波天线(MTA)是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片另一面上的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载,当天线上维持行波时,可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。图3-5 微带行波天线ppt课件微带缝隙天线由微带馈线和开
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