典型共形微带电小天线设计.pdf
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1、典型共形微带电小天线设计 f I l l l r l l J I J I F I I If l fr111 1ff ll lIIf Y 2 0 6 2 6 8 0 随着现代信息化技术的发展,特别是无线电通信技术的迅猛发展,微带天线以其 体积小、重量轻、结构稳定、馈电方式灵活、易于共形和批量生产等优点在无线电探 测领域得到广泛应用。本文对无线电探测器的天线进行了分析与研究,首先介绍了微 带天线的基本原理和主要分析方法,其次利用C S TS T U D I OS U I T E2 0 1 0 软件仿真设 计了两款共形微带电小天线,一款天线是目前应用较多的圆形微带天线,另一款天线 是根据无线电探测器
2、天线的方向图的特殊要求设计的宽频带三角形微带天线。最后介 绍了微带天线的生产工艺以及测量技术,对制作出的宽频带三角形微带天线进行了实 际测量,实测数据与仿真结果吻合良好,由此可见,该微带天线具有良好的小型化、 易共形、宽频带等特性,且方向图满足要求。 关键词:探测器、微带天线、,小型化、方向图、共形天线 A b s t r a c t硕士论文 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h
3、er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , m i c r o s t r i pa n t e n n ah a sb e e nw i d e l y u s e dw i t hi t ss m a l ls i z e ,l i g h tw e i g h t ,s t m c t u r a ls t a b i l i t y , f e e df l e x i b l e ,e a s y - t o - v o l u m
4、 e p r o d u c t i o ni nt h e f i e l do fm i l i t a r yt e c h n o l o g y T h ea r t i c l ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h e st h e o m n i - d i r e c t i o n a la n t e n n a sf o r t h ed e t e c t o r F i r s t , i ti n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f m i c r o s t r
5、 i pa n t e n n aa n dt h em a i na n a l y s i sm e t h o d s S e c o n d ,d e s i g n e da n ds i m u l a t e d t w o m i c r o s t r i pa n t e n n a sb yu s i n go fC S TS T U D I OS U I T E2 010s o f t w a r e O n ei sa p p l i e do v e ra c i r c u l a rm i c r o s t r i pa n t e n n a , t h e
6、o t h e ri sw i d e b a n dt r i a n g u l a rm i c r o s t r i ps l o ta n t e n n a , w h i c h i sb a s e do nt h ed e t e c t o ra n t e n n as p e c i a lp a t t e r n F i n a l l y , i n t r o d u c e dt h ea n t e n n ao ft h e p r o d u c t i o np r o c e s sa n dm e a s u r e m e n tt e c h
7、 n o l o g y , m e a s u r e dt h ew i d e b a n dt r i a n g u l a r m i c r o s t r i p s l o ta n t e n n a , a n dt h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dd a t aw e r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d ,as a m p l ea n t e n n ai sf a b r i c a t e da n dt h ep e r f o r m a n c ei st e
8、 s t e d T h em e a s u r e d r e s u l ts h o w sag o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t e do n e T h e s er e s u l t ss h o wt h a tt h e m i c r o s t r i pa n t e n n a sh a v et h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z ea n dw i d e b a n dc h a r a c t e r i s t i c ,a n d l e i rp
9、a t t e r n sm e e tt h er e q u i r e m e n t s K e yW o r d s :d e t e c t o r , m i c r o s t r i pa n t e n n a , s m a l ls i z e ,p a t t e r n ,c o n f o r m a la n t e n n a s 硕士论文典型共形微带电小天线设计 目录 摘要。I A b s t r a c t I I 目录。I I I 图表目录。V 1 绪论。1 1 1 选题背景及研究意义。1 1 2 微带天线的发展状况。2 1 2 1 微带天线的概念和特点
10、2 1 2 2 无线电探测器微带天线。3 1 3 本论文的主要研究工作及安排4 2 微带天线的基本理论与分析方法。5 2 1 微带天线简介5 2 2 天线的基本电常数5 2 3 微带天线的辐射原理8 2 3 1 空间辐射原理8 2 3 2 馈电激励9 2 3 3 微带天线的分析方法及比较1 0 2 4 本章小结1 4 3 圆形共形微带天线设计j 1 6 3 1 无线电探测器天线1 6 3 2 圆形微带天线的理论分析1 6 3 3 圆形微带天线的设计2 0 3 4 本章小结2 7 4 宽频带三角形微带天线设计2 8 4 1 引言2 8 4 2 天线的理论分析及设计2 8 4 2 1 设计原理2
11、8 4 2 2 设计结构。2 9 4 3 宽频带三角形微带天线的仿真分析3 1 4 3 1 天线结构模型。3 1 4 3 2 天线的仿真3 3 I I I 目录硕士论文 4 3 3 天线的各个参数对其性能的影响3 6 4 4 宽频带三角形微带天线的制作与测试。4 0 4 5 本章小结4 3 5 微带天线的制作与测试4 4 5 1 微带天线的制作步骤4 4 5 2 天线的测量4 4 5 2 1 电路特性的测量4 5 5 2 2 辐射特性的测量4 6 5 3 误差分析5l 5 4 本章小结5 l 结束语5 2 致谢5 3 参考文献5 4 附录5 7 W 图2 1 微带天线的结构5 图2 2 矩形微
12、带贴片天线8 图2 3 微带天线的辐射边沿的电磁场和电流密度9 图2 4 传输线模型1 1 图2 5 传输线等效模型1 1 图2 6 矩形微带天线模型及等效电路1 4 图3 1 圆形微带天线。:。1 6 图3 2 圆形微带天线简化模型l9 图3 3 圆形微带天线模型图2 l 图3 4 辐射贴片的半径与中心频率的关系2 l 图3 5 同轴线的特性阻抗计算2 3 图3 6 仿真的边界条件2 3 图3 7 输入端口的电磁场模式2 3 图3 8 反射系数及对应的驻波比2 4 图3 9 圆形微带天线的表面电流分布2 4 图3 1 0 辐射方向图2 5 图3 1 1 改进的圆形微带天线模型2 6 图3 1
13、 2 反射系数S l l 参数值2 6 图3 1 3 辐射方向图2 7 图4 1 天线方向图与弹体的关系2 8 图4 2 弹型前端的结构示意图2 9 图4 3 宽频带三角形微带天线结构图3 0 图4 4 宽频带三角形微带天线的立体结构31 图4 5 计算微带线的特性阻抗3 2 图4 6 输入反射系数Sl l 的曲线3 3 图4 7 输入驻波比3 4 图4 8 宽频带三角形微带天线的表面电流分布3 4 图4 9 工作频率分别为4 8 G H z 、5 G H z 和5 5 G H z 时的E 、H 面的方向图3 6 图4 1 0 不同基板的大小的反射系数3 7 图4 1 1 不同地板缝隙大小的反
14、射系数3 7 图4 1 2 不同敷铜厚度的反射系数。3 8 图4 1 3 不同辐射单元的大小的反射系数3 8 V 图表目录 硕士论文 图4 1 4 中心馈电的输入阻抗3 9 图4 1 5 侧馈的输入阻抗4 0 图4 1 6 宽频带三角形微带天线实物图4 0 图4 1 7 仿真与实际测试的S 参数对比图4 0 图4 18 仿真与实测数据对比4 1 图4 1 9 天线辐射方向图的结果4 2 图5 1 矢量网络分析仪4 5 图5 2 天线区、菲涅耳区和夫琅和费区4 6 图5 3 一付为强方向性天线,一付弱方向性天线的最小测试距离。4 7 图5 4 收发天线都为强方向性是的最小测试距离4 8 图5 5
15、 天线测试框图4 9 图5 6 微波暗室测试天线4 9 图5 7 增益测试框图5 0 表4 1 天线的物理参数3 3 表5 1 接收天线的功率比与行程差,的变化关系4 7 表5 2 接收天线的功率比与N 的变化关系。4 8 典型共形微带电小天线设计 信息化,多元化,快速化等方向发展, 我国军队的信息化建设正在快速发展, 军队的发展模式也在转变,过去是机械化或半机械化的模式,现在正在朝着信息化和 多元化的方向发展,在这个模式的转变过程中需要做出大量的工作,其中,军事武器 装备由机械化转向信息化是我国军队建设中的重中之重I l 】。目前,我国军队的武器装 备很多是上世纪机械化战争时期留下的产物,其
16、性能简单、作战效率低等不能满足将 来信息化作战的需求,所以加快我国军队现代化建设首先要从军事武器装备着手:军 事武器装备要实现信息化目标的重要部分之一就是无线电探测器,因为信息化的探测 器对于准确抓住战机,快速消灭敌人等都提供了有力的保证,并且提高了作战的效率 同时减小弹药消耗量,对于战争时期的弹药贮存、运输、管理等都有极大的好处l l J 。 。 无线电探测器要求体积小和重量轻等特性,微带天线由于具有体积小、重量轻、易与 有源器件和电路集成、易与飞行器共形等诸多优点适用于无线电探测器的天线I l 引,可 是,普通的微带天线的带宽一般都比较窄,需要采取相应的措施提高微带天线的带宽, 比如采用厚
17、基板、基板的相对介电常数减小和基板的损耗角正切加大等措施可以提高 带宽【3 1 。随着无线电探测器系统的发展,对天线有更高的要求,如宽频带、小体积和 高增益等,有些具体的应用场合对天线的方向图特性也有较高的要求,比如,弹体最 前端天线的方向图( E 面) 的最强点不需要和弹体处在同一轴线上,最好的效果是和弹 体能够保持一定的夹角等【I J 。 微带天线【7 】具有剖面薄、重量轻、体积小、成本低、易于共形、馈电网络灵活并 且可以和天线可以起制作、易于大批量生产等优点,缺点是频带窄、增益低、有时 会激起表面波导致辐射效率降低和整个微带天线的辐射效率低,同时微带天线也有功 率容量有限等,通常的微带天
18、线的带宽一般不到3 ,随着工作频率的降低,其有效 带宽也随着变窄【1 1 。对于天线的尺寸减小的同时,天线的效率会随之降低,天线的带 宽也会随之变窄,在天线的体积受限制的情况下设计效率高、带宽比较宽的天线是本 文的重点,主要的研究内容是:在输入驻波比较小的情况下,研究展宽带宽的方法, 研究改善天线的方向图特性的方法,同时实现微带天线的小型化的目标。 l 绪论 硕士论文 1 2 微带天线的发展状况 1 2 1 微带天线的概念和特点 1 9 5 3 年G A D e s c h a m p s 提出来了微带天线的概念【3 l 】,1 9 5 5 年法国的G u t t o n 和 B a i s
19、s i n o t 等人申请了微带天线的相关专利,在随后的很长一段时间,微带天线的发展 缓慢,受多方面因素的制约,研究的成果比较少;上个世纪7 0 年代,具有低损耗角 正切特性、有吸引力的热特性以及良好的机械特性的介质基片研发出来了,从此,微 带天线的开发与应用得到了快速的发展,H o w e l l 和M u n s o n 研制了第一个实用的微带 天线,从此,人们对微带天线单元以及微带天线阵列进行了广泛的研究开发,各种结 构的微带天线被应用到不同的领域中,并产生了大量的学术和科研成果1 7 1 。至今,还 没有对微带天线作一个具体完整的概念【6 】,简单的微带天线可以是由贴在带有金属地 板
20、的基片上的贴片构成的。 微带天线的分类【7 】主要有:按照形状划分,可以分为矩形、圆形、环形、三角形、 五角形等;按照原理划分,可以分为谐振型和非谐振型;按照结构特性划分,可以分 为微带贴片天线、微带行波天线以及微带缝隙天线等。 微带天线的特点【J 7 】【1 5 】主要有:剖面薄、重量轻、体积小、成本低、易于载体共形、 馈电网络灵活且能够天线可以一起制作、易于大批量生产等优点,微带天线具有如此 多的优点,其被作为一个独立的研究课题得到了大量的研究与发展,得到了许多有用 的科技成果,应用也越来越广泛。 微带天线的研究与应用主要体现在以下四个方面【1 】【1 5 1 : ( 1 ) 小型化:随着
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