题目类型：
编号： 题 目： 口径耦合圆极化微带天线设计 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称：
√工程设计
2012年 12 月25日
摘 要
本文首先介绍了微带天线的几种理论分析方法，传输线模型理论，空腔模型理论和积分方程法。第三章接着讨论了微带天线的圆极化理论，圆极化波的性质，以及如何实现圆极化，重点论述了单点馈电，双点馈电的圆极化天线。第四章讨论了微带天线的宽频带和小型化技术，讲述了多种实现小型化和宽频带的方法。
本文在第五章讨论小型圆极化天线的设计。运用了前面章节所述的基本理论，讨论了三种可以实现圆极化微带天线的方法，重点讨论了口径耦合馈电的圆极化微带天线的设计，通过对三种方法的比较，由于口径耦合馈电的方式较其他两种更有优势，最后制作了口径耦合馈电的天线实物，通过实际测量，成功的实现了2.9GHZ 到3.3GHZ 的带宽，并且在带宽范围内实现了较好的驻波比特性和辐射特性。
关键词：圆极化；宽频带；微带天线；口径耦合
Abstract
This article first introduces several theories of microstrip antenna analysis method, the transmission line model and cavity model theory and integral equation method. Then the third chapter discusses the theory of the circular polarization microstrip antenna, the nature of the circular polarized wave, and how to implement circular polarization, focus on single point feed are discussed, the two point circular polarized antenna feeder. The fourth chapter discusses the broadband microstrip antenna and miniaturization, tells the story of a variety of ways to realize miniaturization and wide band.
This article discussed in chapter 5 small circular polarized antenna design. Utilizing the basic theory, mentioned in the previous section discussed the three method can realize the circular polarization microstrip antenna, of aperture coupled feeding is mainly discussed in the design of the circular polarization microstrip antenna, by comparing three methods, Due to the aperture coupled feeding methods have more advantages than other two, and finally make the antenna aperture coupled feeding material, through the actual measurement, the successful implementation of the 2.9 GHZ to 3.3 GHZ bandwidth, and within the scope of the bandwidth achieved better standing wave ratio and radiation characteristics.
Key words：Circular polarization; Broad band; Microstrip antenna; Aperture coupling
目 录
第一章 绪论 ............................................ 1
1.1 天线简介 ..................................................... 1
1.1.1 天线的出现及发展 ........................................... 1
1.1.2 天线的基本概念 ............................................. 1
1.1.3 天线的基本电参数 ........................................... 1
第二章 微带天线 ........................................ 4
2.1 微带天线的出现及发展 ......................................... 4
2.1.1 微带辐射器 ................................................. 4
2.1.2 微带天线的基本概念 ......................................... 4
2.1.3 微带天线的优缺点 ........................................... 4
2.2 微带天线的辐射原理 ........................................... 5
2.3 微带天线的基本分析方法 ....................................... 6
2.3.1 传输线模型理论 ............................................. 6
2.3.2 腔模理论 ................................................... 8
2.3.3积分方程法.................................................. 8
2.3.4 时域有限差分法（FDTD ） ..................................... 9
第三章 微带天线圆极化技术 ............................. 10
3.1 圆极化波概述 ............................................... 10
3.1.1 圆极化波的产生 ............................................ 10
3.1.2 圆极化波的性质 ............................................ 10
3.1.3 圆极化微带天线的主要电参数 ................................ 11
3.2 圆极化天线的实现 ........................................... 11
3.2.1 单馈电圆极化微带天线 ...................................... 11
3.2.2 双馈点法圆极化微带天线 .................................... 13
第四章 圆极化微带天线小型化和宽频带技术 ............... 15
4.1 圆极化微带天线的宽频带技术 .................................. 15
4.1.1 微带天线展宽频带的方法 .................................... 15
4.1.2 圆极化阵列天线 ............................................ 16
4.2 微带天线小型化技术 .......................................... 17
4.2.1 微带天线小型化的方法 ...................................... 17
第五章 HFSS设计圆极化微带天线 . ........................ 19
5.1 HFSS简介.................................................... 19
5.2 圆极化微带天线的设计 ........................................ 19
5.2.1 圆极化天线设计理论分析 .................................... 19
5.2.2 圆极化微带天线的设计仿真 .................................. 21
第六章 结论 ........................................... 29
谢辞 .................................................. 30
参考文献 .............................................. 30
第一章 绪论
1.1 天线简介
1.1.1 天线的出现及发展
德国卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授在1886 年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整元线电系统，其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线，并采用了谐振方环作为接收天线。此外，赫兹还用抛物面反射镜天线做过实验。
虽然赫兹是一位先驱者和无线电之父，但他的发明只停留在实验室的阶段。1901 年12 月中旬，意大利博洛尼亚一位20岁的研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的。
自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺之势。天线无处不在:家庭或工作场所，汽车或飞机里，船舶、卫星和航天器的有限空间内，甚至可以由步行者随身携带。虽然各种各样的天线令人眼花缭乱，但它们都遵从相同的电磁场基本原理。
1.1.2 天线的基本概念 天线（antenna) 是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。
1.1.3 天线的基本电参数
描述天线工作特性的参数称为天线的电参数（Basic Antenna Parameters），又称电指标，它们是定量衡量天线性能的尺度。我们有必要了解天线的电参数，以便正确的设计和选择天线。
（1）方向函数
由电基本振子的分析可知，天线辐射出的电磁波虽然为一球面波，但却不是均匀球面波。因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。
所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向的关系。
若天线的辐射辐射的电场强度为E (r , φ, ϕ) ，把电场强度写成
60I f (φ, ϕ) （1-1） |E (r , φ, ϕ) |=r
其中I 为归算电流，f (φ, ϕ) 为方向函数，因此方向函数可以定义为：
f (φ, ϕ) =
（2）方向图 |E (r , φ, ϕ) | （1-2） 60I /r
如果我们将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形，一句归一化方向函数而绘出归一化方向图。
在实际中，工程上常常采用两个特定的正交平面方向图。在自由空间中，最重要的两个平面方向图是E 面和H 面方向图。E 面即是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H 面是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
（3）增益系数
增益系数表示了天线的定向收益程度，增益系数定义为：在同一距离及相同输入功率条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度S max 和理想无方向性天线的辐射功率密度S 0之比，记为G ，用公式表示如下：
S m a x G = （1-3） s 0
（4）天线的极化
天线的极化是指该天线在给定方向上远区辐射场的空间取向，一般而言，特指该天线在最大辐射方向上的电场空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射放而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。
所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上的电场矢量断点随时间运动的轨迹，根据轨迹形状可以分为直线极化，圆极化，椭圆极化，其中圆极化又可以分为左旋圆极化和右旋圆极化。
天线不能接收与其正交的极化分量。例如，线极化不能接收波中与其极化方向垂直的线极化波，圆极化天线不能接收与其旋向相反的极化分量。
（5）输入阻抗
天线通过传输线和发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配的问题，天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗，即天线的输入阻抗为天线的输入电压和电流之
比：
Z in =U in =R in +jX in （1-4） I in
其中，R in ，X in 分别为输入阻抗和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，无功功率存在于近区中。
天线的输入阻抗决定于天线的结构，工作频率以及周围环境的影响。输入阻抗的计算式比较困难的，因为这需要准确的知道天线上的激励电流，除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中一般采用近似计算。
（6）频带宽度
频带宽带宽度是天线的重要指标，宽频天线将是未来天线发展的一个重要方向。天线的所有电参数都与工作频率有关，任何天线也都有一定的工作频率范围，当工作频率偏离中心工作频率时，天线的电参数将变差。
根据频带宽度的不同，可将天线分为窄频带天线，宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为f
常用相对带宽[(f
即f max max max ，最低工作频率为f min ，对于窄频带天线，-f min ) /f 0].100％，对于超宽带天线，常用绝对带宽来表示，f in
来表示。
第二章 微带天线
2.1 微带天线的出现及发展
2.1.1 微带辐射器
微带辐射器的概念首先是由Deschamps 在1953年就提出来的。但是，过了二十多年，当较好的理论模型及敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才被制造了出来，这种基片的介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械性及低损耗正切。最早的实际的微带天线是Howell 和Munson 在二十世纪七十年代初期研制的。之后，基于微带天线的许多优点，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线这个广阔的领域里，作为一个分立的整体而建立起自己的课题。
2.1.2 微带天线的基本概念
如图1.1所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片构成的。贴片导体通常是铜和金，它可以取任意形状。但是我们都通常的常规形状来做简单化分析。基片通常取介电常数较低（2.5），的材料，这样可以产生较强的边缘辐射。
图 2.1
2.1.3 微带天线的优缺点
和常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约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，微带天线有以下优点：
1. 重量轻，体积小，剖面薄，可以做成共形天线；
2. 制造成本低，易于大量生产；
3. 可以做的很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；
4. 无需做大的变动，天线就能很容易的装在导弹，火箭，卫星上；
5. 易于实现天线的各种极化；
6. 比较容易制成双频工作的天线；
但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：比如频带窄，有损耗，增益较低，辐射性能差，可能存在表面波等缺点。
2.2 微带天线的辐射原理
当前，由于分析微带天线的方法有所不同，对它的辐射原理也有着有不同的说法。为了简明起见，就以矩形微带天线为例，用传输线模型的分析法讨论它的辐射原理，如图2.2所示：
（a ）微带天线开路端电场
（b ）场分布侧视图 （c ）等效缝隙
图2.2 微带天线辐射原理图
我们假设天线辐射元为L *W 的矩形微带贴片，介质基板的厚度为h 。分析时可以将该辐射贴片看作是一段长为L 的低阻抗微带传输线，微带传输线的两端断开形成开路，这就形成电压波腹。根据微带传输线理论，当在激励主模的情况下，且当L =λg /2（λg 为微带传输线导波长）时的电场结构就如图2.2 （b ）所示，天线的辐射场由贴片与接地板之间的狭窄缝隙形成，其电场值可近似为： E x =E 0cos(πy /W ) (2-1)
由式 2-1 可知，电场仅在沿天线贴片长度方向发生变化；天线辐射基本上是由天线贴片开路端的边缘场所引起的，
在天线两开路端的电场相对于地板都可以分
解为垂直分量和水平分量，由于贴片的长为λ/2，所以两垂直分量的电场反向，它们在远场区互相抵消；而两水平分量同相，在垂直于接地板方向，两水平分量产生的远区场同向叠加，形成最大辐射方向。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同向激励的两个缝隙，天线贴片就可以表示为相距L =λg /2，长度为 W 的两个缝隙，缝隙宽度为∆l ，如图2.2（c ）所示。以上讨论的辐射原理是基于传输线模的分析方法，适用于矩形微带天线。当微带天线的形状复杂时，就必须用其他分析方法讨论。
2.3 微带天线的基本分析方法
天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦 克斯韦方程的特解，因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，因此通常根据微 带天线的实际特征做某些方面的假设和近似，进而得出分析模型，这是当前常用的一种简单有效的处理手段。微带天线现在已经有很多种分析方法，大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。其中解析方法是基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，是现在最常用的分析方法，包括传输线模理论（Transmission Line Model）、腔模理论（Cavity Model）、多端网络模型（Multiport Network Model）等。而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量
（Method of Moments）、有限元法（Finite Element Method）和时域有限差分法（Finite Difference In TimeDomain）等。
2.3.1 传输线模型理论
这是最早出现的最简单的分析模型，并且有助于理解微带天线的基本特性。 在这种模型中，矩形贴片微带天线被等效为一段微带传输线。天线的辐射主要来 自贴片两个开路终端的边缘场，因此微带天线又可以被等效为两个相距贴片长度 的缝隙，其上分布有面磁流。利用等效原理可以求出缝隙的面磁流密度，从而得 出每个缝隙的输入导纳和辐射场。此时微带天线的辐射场可以由两个缝隙组成的 二元阵求得，天线输入阻抗由等效传输线计算。
微带天线的缝隙等效图如图 2.2（c ）所示，在对缝隙进行分析时，采用如图
2.3 所示的坐标系，假设缝隙上的电压为 U ，则缝隙的切线电场为：
E x =U /h （2-2） 缝隙上的等效磁流为：
2U J m =z （2-3） h
假设磁流在 x 和 z 方向上的分布都是均匀的。可以求得每个缝隙的辐射场为：
e -j k r
0F (φϕ, ) (2-4) E ϕ=-2j U k 4πr
其中：
F 0(φ, ϕ) =sin(kh kW sin φcos ϕ) sin(cos φ) （2-5） . cos ϕcos φ22
由此可以分别求得 E 面和 H 面的归一化方向函数：
kh s i c ϕo s ) F 0E = （2-6） kh c o ϕs 2
kh sin(cos φ) （2-7）
F 0H =cos φ2
图 2.3 传输线模型缝隙坐标系
我们已经假定h
πkW 22U ⎰s i n 2c θo s ) θt a n θd θs i n 0 P = （2-8） 2240π
U 2
= R =2P 120π2⎰π
0kW sin 2(cos θ) tan 2θsin θd θ2 （2-9）
传输线模理论是在分析矩形微带天线时提出来的，它的优点是概念清晰，计 算简单。只能用于矩形微带天线以及微带振子天线，对其他形式的微带天线，比如圆形，则不实用。缺点是计算输入阻抗误差较大，而且没有考虑沿着与传播方 向正交的方向上场的变化。因此尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不 能使用它来分析。
2.3.2 腔模理论
腔模理论是目前应用比较广泛的一种理论，它适用于分析多种形状的微带天 线，但是还要局限于天线介质基板厚度远小于波长的情况。
这种理论的基本思想，是将微带天线看成是一个上下以电壁为界，四周以磁 壁为界的介质腔体。其分析方法是，先根据谐振腔理论建立腔内电磁场方程，导 出腔内场的一般函数表达式，然后利用电磁场的边界条件和激励条件，求解腔的 具体内场，从而得出腔体“口面场”（腔体边缘面的场分布），最后由此“口面场” 分布计算微带天线的远区场。在腔模理论分析方法中有三点假设：
（1）由于介质基片的厚度h
（2）由于h
（3）在四周壁上垂直于边缘的电流分量近似为零，即忽略磁场的切线分量； 正是由于这些假设比较合理，腔模理论的分析方法得到了与试验相符的结论。
2.3.3积分方程法
积分方程法(IEM-Integral Equation Method)通常也称为或者称为全波理论 （FW-Full Wave），该理论可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算
模型的精度和机时的限制。
最初的典型作法是，先导出微带贴片上单位电流元满足边界条件的并矢格林函数G ( r , r )，场点(r 处) 的电场可表示为：
E (r ) =-jw μ⎰G (r , r ). J (r ) dv （2-10） v
式中，J （r ）是贴片上r 处(源点) 的电流密度，令此电场在贴片表面的切向分量为零，便得到对J （r ）的积分方程。对该电流选择适当的基函数展开式和试验函数， 可将积分方程化为矩阵方程，从而可解出贴片电流并用来计算天线特性。
相对于传统的传输线模型和腔模型理论，积分方程法还有以下几个优点：准
确性、完整性和计算复杂性。准确性是指相对而言全波理论能够提供更为准确的 结果；完整性是指全波理论对微带天线的分析涉及到了表面波效应、空间波辐射、 单元间的互耦现象；计算复杂性指全波方法是数值密集型的，需要进行大量仔细 的计算。
从数学处理上看，最早出现的传输线模型把微带天线的分析简化为一维的传 输线问题；接着产生的空腔模型则发展到基于二维边值问题的解析求解；20 世纪
80 年代以来形成和发展的全波分析又进了一步，计入了第三维的效应，成为三维
边值问题的数值求解，因而最为严格，但也复杂得多。前二类方法都是基于某些 假设而将问题简化，它们可统称为“经验模型”。其优点是物理概念清楚，计算简
单。
2.3.4 时域有限差分法（FDTD ）
时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件， 便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还 可以得到三维空间的频域解。时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网 格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带
范围内特性。但是其数值解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。
CST 公司的 CST MICROWAVE STUDIO 微波工作室(CST MWS)软件其核心就是时域有限积分法。
在使用 ADS,HFSS,CST 的过程中，就能体会到以上三种数值分析方法各自的优缺点。ADS 功能强大，仿真手段丰富，相对于其他的电路仿真软件，ADS 计算比较精确。HFSS 精确度也比较高，并且仿真时间较短，不过物理模型的建模比较麻烦。CST 建模方便，操作简单，精度不够高，而且仿真时间比较长，对电脑配置要求比较高，占用电脑资源很多。
第三章 微带天线圆极化技术
能够辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要的性质:
(1)圆极化是一个等幅的瞬时旋向场，沿其传播方向看过去, 波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆，当用左手拇指指向传播方向, 其余四指由相位超前π/2的线极化方向旋转π/2到另一滞后的线极化方向, 则该圆极化波为左旋圆极化波; 同理, 当用右手拇指指向传播方向, 其余四指由相位超前π/2的线极化方向旋转π/2到另一滞后的线极化方向, 则该圆极化波为右旋圆极化波。(2)一个圆极化波可以分解成两个在空间上! 时间上均正交的等幅线极化波。因此, 从理论上实现圆极化天线的基本原理是:产生空间上正交的线极化电场分量, 并使二者振幅相等, 相位差90°。
3.1 圆极化波概述
3. 1.1 圆极化波的产生
微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持TM 01, TM 10模，两种主模同相且极化正交结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微 带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的，幅度相等的，相位相差90的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法:一点馈电的单片圆极化微带天线; 正交馈电的单片圆极化微带天线; 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线; 微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。
3.1.2 圆极化波的性质
根据 天 线 辐射的电磁波是线极化或圆极化，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质：
(1)圆 极化 波 时一个等幅的瞬时旋转场。即:沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为LCP(Left一HandcircularPolarization); 若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波。
(2 )一 个 圆 极 化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是:产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90度。
(3 ) 任意 极 化 波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到; 反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。
(4 ) 天 线 若 辐 射左旋圆极化波，则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波, 反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如:国际通信卫星V 号上的4GHz 多波束发射天线辐射右旋圆极化波，形成两个东、西半球波束气同时也辐射左旋圆极化波，形成两个照射不同地区的“区域波束”，这四个波束都工作于4GHz 频段而互不干扰，从而实现四重频谱服用，增加了通信容量。
(5) 圆极 化 波 入射到对称目标(如平面、球面等) 时，反射波变成反旋向的，即左旋波变成右旋，右旋变成左旋。由这 个 性 质可以知道，采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。因为水点近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的; 而雷达目标(如飞机、导弹等等) 一般是非简单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。正是 由于 上述特性，圆极化天线现在已经获得了广泛的应用，从而进一步推动了微带天线圆极化技术的发展。
3.1.3 圆极化微带天线的主要电参数
轴比是圆极化微带天线的主要电参数，也是衡量圆极化微带天线圆极化性能的主要参数。我们可以将圆极化和线极化都看作是椭圆极化的特殊形式，椭圆极化的长轴和短轴之比便是轴比，当轴比为1时，便是圆极化，用db 表示就是0db ，当轴比为0或是∞时，便是线极化。
3.2 圆极化天线的实现
微带天下的优点之一就是便于实现圆极化，其实现圆极化的方法有如下两种，（1）单点馈电（2）多点馈电，多点馈电我们主要讨论两点馈电。
3.2.1 单馈电圆极化微带天线
图 3.1 单点馈电的圆极化微带天线
根据微带天线理论, 矩形或圆形贴片微带天线由一点馈电可产生幅度相等，正交的两个简并模, 但不能形成90°相位差。为了在简并模之间形成90°相位差, 必须在矩形微带天线上附加一个简并模分离单元, 使简并模的谐振频率产生分离。单馈点法是基于空腔模型理论, 利用两个辐射正交极化波的简并模, 并在腔体内引入某种不对称性, 以便消除两个模的简并性" 当简并模分离单元大小选择合适时, 对工作频率而言, 一个模的等效阻抗相角超前45°, 另一个模的等效阻抗相角滞后45°, 这样就形成了圆极化辐射。它无需任何移相网络和功率分配器就可以实现圆极化辐射。
在A 型和C 型中, 把馈点F 设定在X 轴上; 在B 型中, 把馈电点设定在对角线上。通过附加简并分离单元山来解出简并模的衰减。
对于A 型，|∆s /s |=111|∆s /s |=，对于B 型，|∆s /s |=，对于C 型，。2Q Q 1.841Q 其中Q 为微带天线的品质因数。
对于微带传输线有：
11111=tan δeff =+++ （3-1） Q Qr Q c Q d Q sw
Q r ≈3εr (a /b ) （3-2）
8(h /λ0)
Q c ==π （3-3）
Q d =1 （3-4） tan δ
其中，tan δeff 为微带线等效损耗角正切值，Qr , Q c , Q d , Q sw 分别为辐射损耗，导体损耗，介质损耗以及表面波损耗引起的相应的品质因数。εr 为介质的相对介电常数，h 为介质基片厚度。通过以上公式可以计算出微带天线的品质因数, 从而可以计算出简并分离单元的大小。
3.2.2 双馈点法圆极化微带天线
利用两个馈电点来对微带天线馈入幅度相等, 相位差为90°的两个信号, 这两个馈电点成直角分布时即可形成圆极化辐射，最简单的实现方法是采用T 形分支, 使两条支路有四分之一波长的路径差，为此要保证各支路传行波, 一个实例如图
3.2所示, 二条支路分别激励TM 01模和
TM 10模，两者的输入电阻分别为R a ，R b ，则可由如下3-5公式计算。
Z 1
Z 2 (3-5)
Z t =2Z0
图 3.2 双馈点天线模型
由于二支路的电抗补偿作用, 这种设计的驻波比带宽比普通矩形贴片宽, 大约是两倍或者更大。
还有一种双馈点型的圆极化微带天线，就是用3db 定向耦合器，在直通和耦合端口有90°相位差，通常用微带线制作，它在保证90° 相移的同时，还可以避免终端反射所引起的轴比急剧变化；辐射源本身的反射波也可以由终端负载吸收，这样就有利于改善该天线的驻波比特性。因此，在这种馈电方式下，该圆极化微带天线的带宽要比单馈电的天线宽的多。如图3.8所示，终端匹配负载的接地工作利用一端开路的四分之一波长枝节来完成，不用在基片上打孔，简化了制作工艺。而且还可以将主馈线的特性阻抗设计为与辐射源边缘输入阻抗相同，即可省去四分之一波长的匹配段。
图3.2 采用3db 电桥设计的天线
第四章 圆极化微带天线小型化和宽频带技术
4.1 圆极化微带天线的宽频带技术
天线的频带宽度是指其参数特性在规定的容许范围内的频带范围，对于线极化微带天线来说, 通常考虑的主要性能参数有:增益! 方向图和输入阻抗，一般情况下, 天线性能参数是随着频率而变化的, 因而天线带宽取决于各个参数的频率特性，若几项性能参数能够同时满足指标要求, 则应以其中最严格要求的参数作为确定天线频带宽度的依据" ，对于绝大多数微带天线而言, 输入阻抗随频率变化是最敏感的" 也就是说, 如果输入阻抗满足频带要求时, 其它的指标也能够确保" 因此通常以微带天线输入端的电压驻波比系数(或反射系数) 小于某一指定值时所对应的频带范围作为其带宽, 即通常所说的天线带宽是指天线阻抗带宽，微带天线是谐振式天线, 故带宽较窄是其主要缺陷, 随着宽带无线通信的发展, 对天线宽带性能的要求日益提高, 如何展宽微带天线的带宽已成为多年来众多学者研究的重点课题之一"
4.1.1 微带天线展宽频带的方法
对于普通微带贴片天线而言，它的主要缺点是它的频带比较窄。虽然这一特点适合于某些带宽要求很窄的应用场合，因为在那些应用中带外辐射是一种干扰。但在电子战、雷达等许多应用场合，要求系统必须具备宽的频带。一般的微带行波天线的相对频带宽度为百分之几十，微带缝天线达到 1%(窄缝)~10%(宽缝) ，而普通的微带贴片仅为 0.6%~3%，这与诸如偶极子、裂缝和波导喇叭天线等常用的天线单元的 20%~50%形成了鲜明的对比。微带贴片天线的窄频带特性阻碍了微带天线在微波领域的应用。微带天线展宽频带的方法很多，包括选择合适的基板、改变天线的形状尺寸、采用各种馈电技术和阻抗匹配技术、多模技术以及缝隙加载技术等，都可以有效展宽频带。有研究表明，阻抗带宽提高到 90%，增益带宽提高到 70%的单个天线单元己经研究成功。
1．增大介质基片厚度
从物理意义上讲，介质基片厚度增加，辐射电导也随之增大，从而辐射所对应的 Q 及总的Q 值下降，展宽了频带。该方法虽然容易实现，但是受到客观条件的限制，加大基片的厚度可增加频带宽度，但作用有限。而基片过厚会导致基片厚度与波长之比过大，引起表面波激励，同时基片厚度增加，重量随之增加，所占的空间也加大。在一些空气动力性能及重量不甚苛刻的场合，这种方法还是行之有效的。
2. 采用介电常数较小或是损耗角正切较大的基板
减小介电常数和加大损耗都可使天线的Q 值下降，从而有利于微带天线频带
的展宽，但是这样做将会是介质基板的面积有所变大，加大损耗也会使得天线的效率降低。
3.附加宽带匹配网络
通过附加宽带的馈电网络，例如前面提到的双馈点型中的利用3db 定向耦合器馈电，阻抗带宽好圆极化带宽就会有明显的加大。还有其他的宽带馈电网络，可以使得微带天线的阻抗带宽和圆极化带宽明显增大。例如利用宽带的威尔金森功分器馈电的圆极化微带天线，可以实现较大的带宽需求。
4. 采用新的馈电技术
采用多层结构的天线可以较好的实现宽频带，采用这种结构的天线通常采用间接馈电的方式，这里就必须提到一种馈电方式—口径耦合馈电，口径耦合在增加天线带宽和使天线小型化中有重要的应用，孔径耦合馈电的结构与电磁耦合馈电的结构有点相似，不过电磁耦合馈电结构中，微带馈线和天线贴片被放置于接地板的同一侧，而对于孔径耦合馈电，馈线和贴片被分别放置在接地板的两侧，即接地板放置在两块介质板之间。在接地板上切割电长度较小的孔或槽，电磁场由此从微带馈线耦合到天线辐射元上。孔径或者刻槽通常设置在天线贴片的正下方，以此来抑制天线的交叉极化电平。电磁场的耦合度由接地板孔径或刻槽的形状、尺寸以及位置决定。槽型耦合孔径的尺寸可以是谐振的，也可以是非谐振的；对于谐振尺寸的槽型耦合孔径，它可以在谐振频率附近的频率再谐振，双频点比较靠近从而有效地展宽天线的带宽，但是天线的后向辐射随之增加，辐射效率降低，因此非谐振尺寸的槽型耦合孔径比较常用。与电磁耦合馈电形式相比，这种馈电形式对于微带馈线和天线贴片的敏感度相对比较低，易于加工和调节，天线带宽相对比较宽；而且与电磁耦合馈电相似，这种馈电形式也可以通过改变介质基片参数来优化天线的整体性能。
图 4.1 口径耦合馈电示意图
4.1.2 圆极化阵列天线
圆极化微带天线阵具有增益高，抗干扰能力强，波束控制的特点，其阻抗带宽和圆极化带宽也会变大，在卫星通信，雷达，电子对抗等领域有广泛的应用，
圆极化微带天线阵列设计的关键是馈电网络的设计，还有阵元之间的距离，需要用专业软件反复的仿真调试。
4.2 微带天线小型化技术
小型化微带天线由于个人移动设备的普及而得到越来越多的重视, 很多技术被用来实现微带天线的小型化" 为了在一个固定的工作频率实现更小的尺寸, 使用高介电常数的介质是一个有效的途径" 在微带贴片或接地板上开槽技术! 贴片采用折叠技术, 微带贴片表面电流直接依赖于贴片的几何结构, 通过在贴片表面开槽或改变贴片边缘的形状引入的扰动使电流曲折绕行, 从而使有效路径变长! 贴片谐振频率降低" 通过加载技术, 也可以有效的获得微带天线小型化技术。
4.2.1 微带天线小型化的方法
1. 增大介质的相对介电常数
通常, 微带天线是一个半波结构, 工作的谐振频率为TM 01模和TM 10摸，对于矩形微带天线来说，谢振频率可由如下公式得到：
f = （4-1） 式中C 是真空中光速,L 是矩形贴片的宽度，εr 为介质的相对介电常数，由公式可以看出, 天线的谐振频率f 和εr 成反比，由此可见, 采用高介电常数基板是一种有效的天线小型化方法，但是, 介电常数越高天线带宽越窄; 且激励出较强的表面波, 而导致天线增益和交叉极化水平的降低, 从而限制了高介电常数材料的应用范围。
2. 在天线贴片上开槽
在计算矩形微带天线谐振频率的公式4-1,L 为贴片的等效长度，可以看出, 增大L 可以降低天线谐振频率，微带天线的表面电流分布直接依赖于贴片的几何结构, 通过在贴片表面开槽或改变贴片边缘的形状引入的扰动使电流曲折绕行, 而有效路径变长，贴片谐振频率降低, 只要槽的位置处于电流分布适当处，由于槽很窄, 可以被模拟为在贴片中插入的一个无限薄横向磁壁，在保证贴片实际尺寸不变的情况下增大有效长度, 进行开槽或开缝是一种比较有效的方法，但是这种类型的天线与结构有很大的关系, 阻抗匹配与调试困难。
图 4.2 开槽天线示意图
3. 采用新的馈电技术
采用背馈的方式就能不需要阻抗匹配网络，可以大大减小尺寸，但背馈的方式会使得天线的加工变得困难。上面提到的口径耦合馈电也是一种小型化的有效方法，同时还可以获得较大带宽，这样的天线往往是多层结构。
第五章 Hfss设计圆极化微带天线
现在的市场上有不少的电磁仿真软件，各有各的优点。本章将重点讨论用Hfss 设计微带天线。
5.1 Hfss简介
Hfss 是美国Ansoft 公司开发的全波三维电磁仿真软件。该软件采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。
Hfss 采用标准的Windows 图形用户界面，简介直观，自动化设计流程，易学易用，稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用Hfss ，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界的条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输出用户需要的设计结果。
作为一款功能强大的三维电磁设计软件，Hfss 可以为天线设计提供全面的解决方案，使用Hfss 额可以仿真分析和优化设计各类天线，精确计算天线的各种性能，包括二维，三维远场和近场辐射方向图，天线方向性系数，增益，轴比，半功率波瓣宽度，输入阻抗，电压驻波比，s 参数以及电流分布等。
5.2 圆极化微带天线的设计
设计指标：1、频带范围：2.9GHz-3.3GHz
2、增益： 大于2.5dBi
3、端口阻抗：50Ω （SMA 口）；
4、电压驻波比：≤2；
5.2.1 圆极化天线设计理论分析
1. 微带辐射贴片尺寸估算
微带天线的设计首先就是要选择合适的基片，假设介质几篇的介电常数εr ，对于工作频率为f 的矩形微带天线，可以用如下公式计算出高效辐射贴片的宽度w ，即为：
c εr +1-(2) w =() （5-1） 2f 2
公式中，c 为光速。
辐射贴片的长度一般取λe /2，这里的λe 是介质内的导波长，即为：
1
λe = （5-2）
考虑到边缘缩短效应后，实际上辐射贴片的长度为 ：
λe =2∆L （5-3）
公式中，εe 是有效介电常数，∆L 是等效辐射缝隙的长度，它们分别可以用如下公式计算：
εe =
εr +1εr -12+h -(2) (1+12) （5-4） 2w 1
∆L =0.412h (εe +0.3)(w /h +0.264) （5-5） (εe -0.258)(w /h +0.8)
2．天线的辐射场
如前面所述，矩形微带天线可以看做是长度为λ/2的低阻抗微带传输线，它的辐射场被认为是由传输线两端开路出的缝隙所形成的，因此，矩形微带天线额可以等效为长w ，宽h ，间距为L 的二元缝隙天线阵。
单个缝隙天线的方向性函数为：
kh kw sin(sin θcos ϕ)sin(cos θ) F (θ, ϕ) =sin θ （5-6） kh kw sin θcos ϕ(cos θ) 22
因此，矩形微带天线的辐射场只需要在单缝隙天线的表达式中乘以二元阵的阵因子就可以了。这样，矩形微带天线的方向性函数就可以表示为：
kh kw sin(sin θcos ϕ)sin(cos θ) kL F (θ, ϕ) =sin θcos(cos θ) （5-7） 2sin θcos ϕ(cos θ) 22
工程上关心较多的是E 面和H 面的方向图，于是可以得到E 面方向函数为：
kh sin(sin θ) kL F E (θ, ϕ) =cos(cos θ) （5-8） kh 2cos ϕ2
考虑到kh
kL F E (θ, ϕ) =cos(cos θ) （5-9） 2
H 面的方向性函数为：
kw sin(cos θ) (5-10) F H (θ, ϕ) =cos θ2
3. 输入导纳
如果天线采用的是微带线馈电的方式，假设馈电点到辐射贴片边缘的拐角处的距离为z ，则微带天线的输入导纳可以由下面的公式计算：
G 2+B 2B 2-1Y in (z ) =2G [cos(βz ) +sin (βz ) -sin(2βz )] （5-11） 2Y 0Y 02
公式中，Y 0是把天线视作传输线时的特性导纳，β是介质中的相位常数，G 是辐射电导，B 是等效电纳，且有：
I G = (5-12) 120π2
公式中，
I =⎰sin 2(0πkw cos θ) tg 2θsin θd θ （5-13）
2
B = （5-14） 0
公式中，Z 0是把天线作为传输线时的特性阻抗。
在一般情况下，G/Y 0
Y in (z ) =2G （5-14） cos 2(βz )
上面的式子中，除了βz =π/2，该式均成立，可见，选取不同馈电点的位置可以获得不同的输入阻抗。
5.2.2 圆极化微带天线的设计仿真
根据上面的理论，我们可知，圆极化微带天线的设计有多种方法，下面我们将讨论三种设计方案，实现所需指标。
1. 单片切角圆极化天线的设计
图5.1 单片切角微带天线hfss 模型
切角圆极化微带天线的实现：由前面的理论可知，矩形或圆形贴片微带天线由一点馈电可产生幅度相等，正交的两个简并模, 但不能形成90°相位差。为了在简并模之间形成90°相位差, 必须在矩形微带天线上附加一个简并模分离单元, 使简并模的谐振频率产生分离。
根据以上理论完成圆极化微带天线的hfss 仿真，所得参数如下图：
图5.2 天线s11参数
结果分析：我们看以看出，天线的谐振频率在3.10GHZ 上，通过调整贴片大小，匹配线尺寸，均会影响到s11，调整贴片的L 边，谢振频率会发生变化，L 越长，频率越低。但是我们也看到了天线的10db 以下的阻抗带宽为3.0GHZ 到
3.1GHZ ，并没有达到设计指标2.9GHZ 到3.3GHZ 。
带宽小时微带单层微带天线的缺陷，我们也可增加电感的方式来增加带宽，通过开缝，加槽或是改变形状，但是均不能达到设计要求。
图5.3 天线轴比
结果分析：可以看出3db 圆极化带宽为3.08GHZ 到3.11GHZ ，圆极化带宽非常小。
图5.4 天线电压驻波比
图5.5 天线3d 方向增益图
根据所需指标检查天线指标，发现天线阻抗带宽不足，为了提高阻抗带宽，我们采用4片圆极化微带天线阵列。
2. 微带天线阵列的设计
阵列天线需注意阻抗匹配网络的设计，根据微带传输线四分之波长的变换性，可设计如下匹配网络。天线阵元之间的间距一般为二分之波长，并且通过软件调试改变。
图5.6 圆极化阵列天线的模型
经过hfss 仿真和优化后，可得各个参数如下：
图5.7 天线s11
结果分析：可以看出，天线的阻抗带宽较大，达到了2.77GHZ 到3.44GHZ ，天线阵列的很多因素都会影响到s11，比如单元尺寸，匹配线尺寸，阵元之间的间距等。
图5.8 天线轴比
结果分析：与单片的圆极化天线相比，阵列天线的圆极化带宽也相应变大了，达到了2.97GHZ 到3.09GHZ 。
图5.9 天线驻波比
图5.10 天线3d 增益图
结果分析:可以看出，天线的增益为5.4dbi ，但是我们也看到了天线的旁瓣较大，方向性不好，这可能是天线之间的阵元距离较大所致。根据仿真结果来看，各项指标均达到，但是我们也可以看到阵列天线的缺陷，就是旁瓣较大，而且尺寸较大，不符合设计要求。
3. 口径耦合圆极化微带天线的设计
口径耦合馈电是上世纪八十年代提出的一种馈电方式，采用叠层结构，叠层之间通过地面分开，馈线与微带贴片之间通过接地面上的窄缝进行耦合，口径耦合馈电天线的各部分之间是分离的，可以分别进行优化，制作工艺也相对简单；口径耦合贴片具有更多的设计参数，方便设计；采用这种馈电方式的天线上没有剧烈的电流不连续点，相对较容易建模和分析；此外，口径耦合天线的阻抗匹配很容易调节，所以通常具有显著的阻抗带宽。
图 5.11 口径耦合馈电hfss 模型
图5.12 耦合馈电s11参数
结果分析：天线的耦合缝隙一般开在辐射贴片的中间，以减少交叉极化。此种馈电方式的天线实现了从2.9GHZ 到3.3GHZ 的阻抗带宽，在这种情况下，耦合缝隙的尺寸，贴片的大小，空气层的厚度都会对s 参数产生影响。
图5.13 耦合馈电天线轴比参数
图 5.14 耦合馈电天线辐射增益
了8.30dbi
结果分析：此种馈电的天线有较好的辐射特性，也实现的较大的增益，达到
图 5.15 耦合馈电天线的s11实测
图 5.16 耦合馈电天线驻波比实测
天线的实测结果分析：用矢量网络分析仪实测天线的s11参数，天线完全是现了从2.9GHZ 到3.1GHZ 的阻抗带宽，从天线的驻波比测试图来看，在带宽范围内，同样实现了较好的驻波比特性。
在天线的测试过程中，由于加工或是耦合缝隙对准存在误差的问题，一开始并没有完全实现指标，后来用铜皮不断的调试，才得到了上图的结果。
第六章 结论
通过此次圆极化微带天线的设计，从最初的设计方案到最后制作出实物，并且通过测试，不仅对自己所学的电磁场，微波技术，天线技术等课程有了更深的了解，而且自己亲身经历这样的一个过程，并且在老师和研究生学长的帮助下对天线进行调试，明白了怎么调试，为什么要这样调试。
刚开始确立方案的时候，决定了用单片切角型的贴片来实现圆极化，但经过多次调试，始终没有达到2.9GHZ 到3.3GHZ 的阻抗带宽，后来又多次改变了天线的形状，尝试了圆形，蝶形，矩形加半圆的方式，虽然有所改善，但是依旧没有实现指标。后来就改用了阵列天线的形式，阵列天线要注意匹配网络的设计，还有阵元之间的距离，在仿真过程中，实现了较大的阻抗带宽和圆极化带宽，但是从方向图来看，有较大的旁瓣，辐射特性较差，在分析了情况之后，尝试将阵元之间距离减小，旁瓣情况有所改善，但是阵列天线尺寸较大，依旧不符合设计要求。最后，尝试了用口径耦合馈电的方式，虽然是两层，但是尺寸明显变小，在这种情况下的仿真，可变因素就变得较多，贴片尺寸，耦合缝隙的大小，位置等都会对结果产生影响，关键是把握好天线参数的控制变量，比如谐振频率，必须把握好那些因素会对它产生影响，只要把握好了这些规律，就可在仿真中实现较好的指标。
最后，根据仿真制作了口径耦合馈电的天线实物，在天线的制作过程中，难免会有误差，在实际测量时，也并没有取得和仿真结果一样的效果，但是后来经过一系列的调试，主要是调节馈线的长度及宽度，最终实现了2.9GHZ 到3.3GHZ 的阻抗带宽，并且得到了较好的驻波比特性和辐射特性。
谢辞
参考文献
[1] 鲍尔I J，布哈蒂亚P ．微带天线．北京：电子工业出版社．1985.
[2] 张钧等. 微带天线理论与工程. 北京:国防工业出版社，1988.
[3] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M].西安电子科技大学出版社, 1991.
[4] Kraus JD,Marhefka R J著, 章文勋, 译. 天线(第三版)[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[5] 路德维格（Ludwig.R ）王子宇等译。射频电路设计－理论与应用。北京：电子工业出版社，2002.5
[6] 项阳等．一种宽带圆极化微带天线阵的设计与制作［J ］. 电波科学学报．2008，23
[7] 孙莉等．小型多馈源宽频微带天线分析与设计［J ］. 微波学报 2007，23( 6) .
[8] Pozar Dm and Duffy S M A dual band circularly polarized ape~ure—coupled stacked microstrip antenna for~obal position satellite ．IEEE Trans on Antennas Propagat ． V ol 45，Nov ．1997
[9] David M.Pozar. Microwave.Engineering. Publishing House of Electronics industry.2008
[10]Bao Xiu Long，Ammann M J，McEvoy Patrick． Micros-trip-fed wideband circularly polarized printed antenna［J ］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation ，2010，58( 10)