三频带微带天线的研究论文

模式匹配法分析有限圆盘地面单极天线孙保华 张福顺 刘其中 摘 要：本文给出了一种严格分析有限尺寸圆盘地面单极天线的新方法——模式匹配法.该方法通过在天线上、下两边平行放置两个无限大良导电平面，以及合理划分区域，使得每个分区中的场分量能够采用柱谐展开式解析表示，且展开系数由导体表面边界条件及分区交界处场分量连续条件加以确定.在此基础上，进一步分析天线的输入阻抗等电性能.计算结果表明：对不同尺寸圆盘地面单极子天线，理论分析与文献中的实验结果均十分吻合.同时，由于场量的解析表示，使得计算速度较快.关键词：模式匹配法；有限圆盘；单极天线分类号：TN821+3 文献标识码：A文章编号：0372-2112 (2001) 06-0832-03 基金项目：国防预研基金（No.99J10.1.1）; 国防科技预研项目(No.31.5.4.2)作者简介：孙保华 1969年生，1996年在西安电子科技大学获工学硕士学位.现为该校博士研究生.张福顺副教授，1960年生于西安，1995年获硕士学位，1999年获博士学位.长期从事天线理论与工程的教学和科研，从1995年至今，共发表学术论文30余篇，获部级奖3项，主持10余项科研项目，主要著作为《天线测量》、《天线工程手册》、《近场测量误差分析与系统》. 作者单位：孙保华（西安电子科技大学天线研究所，陕西西安 710071） 张福顺（西安电子科技大学天线研究所，陕西西安 710071） 刘其中（西安电子科技大学天线研究所，陕西西安 710071） 参考文献：〔1〕A S Meier,W P Summers.Measured impedance of vertical antennas over finite ground planes [J].Proc.IEEE,1949,37(6):609-616.〔2〕G A Thiele.A hybrid technique for combining moment method with the geometrical theory of diffraction [J].IEEE Trans.,1975,AP-23(1):62-69.〔3〕K H Awadalla,T S M Maclena.Input impedance of a monopole at the center of a finite ground plane [J].IEEE Trans.,1978,AP-26(3):244-248.〔4〕K H Awadalla and T S M Maclena.Monopole antenna at center of circular ground plane:input impedance and radiation patter [J].IEEE Trans.,1979,AP-27(3):151-154.〔5〕J H Richmond.Monopole antenna on circular disc [J].IEEE Trans.,1984,AP-32(12):1282-1287.〔6〕M A Morgan,et al.Computation of monopole antenna currents using cylindrical harmonics [J].IEEE Trans.,1990,AP-38(7):1130-1133.〔7〕M A Morgan,F K Schwering.Eigenmode analysis of dielectric loaded top-hat monopole antennas [J].IEEE Trans.,1994,AP-42(1):54-61.〔8〕L A Francavilla,et al.Mode matching analysis of top-hat monopole antennas loaded with radially layered dielectric [J].IEEE Trans.,1999,AP-47(1):179-185.〔9〕R M Mittra,S W Lee.Analytical techniques in the theory of guided wave [M].New York:Macmillian,1971.〔10〕R F Horrington.Time-hormanic electromagnetic field [M].New York,McGraw-Hill,1971.

应用分析与设计方法应用情况微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。馈电方式与阻抗矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。不论那种方式，其谐振输入电阻Rin很大，为使Rin与50Ω馈电系统相匹配，则阻抗变换器是不可少的。为实现匹配，输入阻抗的大小必须知道。整个微带天线的输入导纳可看作是一个缝的导纳，经长度为L的低特性阻抗传输线变换后，再与另一个缝的导纳并联，谐振状态其输入电纳为零，输入导纳等于两倍的输入电导Yin-2G∑〃当Wλ时，G∑〃=w2/90λz其值通常比微带传输线的特性导纳小很多，接近开路状态，因此限制了天线的阻抗频带。为了使频带加宽，可增加基片的厚度，减小基片的εr值，以使特性导纳降低；再增加W使辐射电导提高。由上式可见，方向函数由两个因子组成，其中一个sinθ即基本磁阵子的方向函数；另一个就是长度为L的等幅同相连续阵的阵因子。矩形微带天线单元的辐射就等于上述裂缝组成的间距为L的二元阵的辐射。如图3所示二元阵本文转自微波仿真论坛天线的辐射场为 ，r是微带中心到场点的距离。由于hλ，故F2(θ,φ)≈1同样(4) 由上式可见，若φ=0，则此平面上仅有Eθ分量，故此平面为E面；而在φ=90°平面，Eθ=0，仅有Eφ分量，故为H面，这是与波传播方向垂直的平面，最大辐射方向在θ=0即z轴。这是因为激励二元阵的特点。该型炮弹引信微带天线采用侧馈方式，在制作侧馈的矩形微带天线时，可按下述方法实现匹配：将中心馈电天线的贴片同50Ω馈线一起光刻制作，实测其输入阻抗并设计出匹配变换器，然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器就做成所需的天线。辐射模型图4所示为该型天线式样图4某型引信微带天线由实地测量、试验等方法，可得出其εr,f0,h,W,L,并由上述公式得出微带天线εe,λg,Z0。以传输线理论分析方法为依据，用等效磁流的观点建立模型。同时根据电压波形考虑微带两开口端辐射，以及两转折弯头的辐射，给出各不连续处的电场，得到磁流的大小与方向。由于金属底板的反射，用镜像的原理得其相应的场源分布情况。微带天线上各处辐射情况如图5所示。图5该型微带天线的辐射模型定量分析方法由天线辐射原理模型可以看出，共有6对磁流源，y轴平行排列着Im6Im′6，Im1Im′1，Im3Im′3，Im5Im′5，x轴轴向排列有Im2Im′2，Im4Im′4等。求解总辐射场时，可看作是这5个二元缝阵辐射场的叠加。图5中所标的字母Im1，Im2，Im3…等，是以Im1点为参考所作的归一化，用来表示各辐射点电场幅值的大小；另外用β1，β2，β3表示Im3，Im5，Im6点电压相位滞后于Im1点的数值。这些数值的获取是通过对微带贴片的实际测量，代用公式求得微带上传输波的波长并求得相应的波形，这样各点相位滞后情况就可知道，代用式(1)便可求出各点的等效磁流的大小。由于测量的误差，势必造成计算结果的失真，严重时，可能导致所得到的天线参数与实际情况背离很远。针对上述辐射源排列，现简单的作一探讨，列出其辐射方程，供大家讨论。该情况下，天线方向图的E面、H面上有水平和垂直两种极化方式。求解时单独考虑。(1)φ=90°平面上，Im1-Im′1，Im6-Im′6，Im3-Im′3，Im5-Im′5组成的辐射阵，在该面上只有Eφ分量，Im2-Im ′2，Im4-Im′4组成的辐射阵，则只有Eθ分量。所以存在两种极化方式。公式如下：上述式(5)、(6)、(7)、(8)描述了该型微带天线辐射的情况。C语言编程实现该过程。由模拟出的方向图可以较清楚地看到，φ=90°平面即垂直于弹轴的赤道面上，天线的方向图呈两个8字型，一个为竖8字型，一个为横8字型，这一点与实测的天线方向图相符合。φ=0°平面即平行于弹轴的子午面上，水平极化为一前倾的半圆形，这与实际也相符，但是垂直极化的方向图与实测的方向图不够符合。其原因与尺寸测量误差有关。改变介质板的厚度，介电常数，微带贴片的宽度等，就从根本上改变了微带传输线上的波形(传输波长λR与上述参数有密切的关联)。从对方向图影响的角度来看，赤道面上影响不大，但在子午面上影响明显，前倾的半圆形可能会变成横8字型(当然这是在保证天线尺寸不变的情况下)。微带天线