左手材料在天线中的运用研究进展(doc 12页)
左手材料在天线中的应用研究进展
摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构
0引言
左手材料(Left-Handed Material，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时
能首先得到应用的左手材料。
左手材料在微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、天线以及隐身衣等方面具有广泛的应用前景。特别是在天线上的应用更具吸引力，因为它具有传统天线无法比拟的优点，它可以提高天线的方向性系数和增益、增大天线辐射效率、增加天线带宽、减小天线系统尺寸等。
1 左手材料天线
1.1 高指向性
利用左手材料奇异的电磁特性，可以实现左手材料平板透镜聚焦效应，从而可以改善天线辐射特性，提高天线的方向性，进而增大辐射增益。
Enoch等人[9]最早研究了具有零折射特性的左手材料在天线定向辐射上的应用。他们指出在适当的条件下，嵌入到平板左手材料的全向天线向自由空间辐射的电磁波会被聚集在法线方向附近，从而减小了天线的半波瓣宽度，提高了天线的方向性，增大了其增益。
他们考虑了一种最简单的左手材料：薄金属
网孔的线介质。实验和理论的研究表明这种连续的线介质具有等离子频率的特性，在微波频段其等效介电常数为：
221p
eff ωωε=-
（1）
当ω很接近ωp 时，可以看到其等效介电常数接近于0，从而实现了零折射特性。
下图给出了简单的几何光学原理解释：
图1 等效折射率接近零的左手材料平板中源的辐射示意图
Fig.1 The emission of a source inside a slab of LHM whose optical index is close to zero.
把一辐射源嵌入到折射率接近于零的左手
材料平板中，其周围为均匀各向同性的介质，可以看到所有的折射光线基本上都是沿着法线方向出去，这一现象可以用斯奈尔定律解释[10]:
meta in
out vac n sin sin n θθ=
（2）
在这里θout 为折射角，θin 为入射角。由于
真空中的折射率n vac =1，n meta ≈0，所以
左手材料
空气
空气
sin θout 近似为0，也就是电磁波折射后，会在很靠近法线方向辐射出去。这就是利用这种介质构造高指向性天线的机理。
1.2 提高辐射效率
微带天线中表面波的存在会降低天线的辐
射功率，而把左手材料作为微带天线的基板，可以抑制表面波的传输，有效的减小边缘辐射，增强天线耦合到空间电磁波的辐射功率，增大其辐射效率[11]。
假设一个高为h 的各向同性的左手材料平
板，其相对介电常数和相对磁导率分别为μr1和εr1，它们都为负值，如图2（a ）所示。
图2 （a ）左手材料接地平板结构[11] （b ）接地平板的TE 和TM 模式横向等效网络
Fig.2 (a) LHM grounded-slab structure [11] ； (b) Transverse equivalent network for TE and TM
modes of the grounded slab.
表面波沿着z 方向传播，其传播常数为k z =βz ，表面波在y 方向会逐渐的减弱。假定在x 方向上电磁场没有变化，因此对于二维空间上我们可以单独地研究TE 和TM 模式。其y 方向上的等效Z 0
Z h
网络如图2（b ）所示，其中Z 0为自由空间中的特征阻抗，Z 1为平板中的特征阻抗。
对于自由空间和平板，它们各自对应的两个
极化（TE 和TM ）的特征阻抗表达式为：
00TE y z k ωμ=,011TE r y z k ωμμ=，000y TM k z ωε= ,1101y TM r k z ωεε=
（3） 上式中：22000y z y k k j βα=-=-，2211y z k k β=-
αy0是一个正实数，这是为了满足在y 方向
上无穷远处的辐射条件。TE 和TM 模式的色散方程为：
110tan()0y jz k h z +=
（4）
普通表面波为k y1=βy1，倏逝波为k y1=j αy1，
后面一种波不能在双正的各向同性平板介质中存在。经讨论可知在TE 和TM 模式下表面波不能传播的条件如下[17]：
在111r r μ
ε<下，能抑制表面波传播的充分条件
是：
11111111tanh ()21r r r r r h f μεεπμε-??-?
（5）
在111r r μ
ε>下，能抑制表面波传播的充分条件是：
11111121
r r r r h f μεηπμε????
（6）
因此通过式（5）和（6）可知： 若μr1εr1＜1，则当平板厚度足够大时可以
抑制表面波的传播。
若μr1εr1＞1，则当平板厚度足够小时可以
抑制表面波的传播。
1.3 小型化设计
左手材料天线的小型化设计是基于左手介
质的后向波特性的应用之一。Engheta [12]在2002年首次提出了基于左右手介质的一维小型化谐振腔结构，它是将左手介质的后向波效应与传统介质的前向波效应相结合设计出的小于半波长的谐振腔。把它运用到天线中可突破传统微带天线的半波长电尺寸的束缚，从而达到天线小型化
设计的目的。
图3 复合左右手介质构成的一维相位补偿结构[12]
Fig.3 Based on compost right/left media of one-dimensional phase compensator structure [12].
图3左边平板由无耗的一般介质构成（ε1
＞0，μ1＞0），假设这一介质的特征阻抗与外部自由空间的特征阻抗相等，但其折射率不同。当电磁波进入到平板时，在介质表面不会发生反射，波前相位与入射点的相位差为：
1101n k d θ?=
（7）
图3右边平板由无耗的左手介质构成（ε0
＜0，μ0＜0），且假设左手介质的特征阻抗也与外部空间相匹配。将左手介质平板与右手介质平板并列放置，电磁波穿透两介质最终离开左手介质平板，坡印廷矢量始终不变，因为穿过的介质都为无耗介质。在右手介质平板中坡印廷矢量1s →与波矢1k →的方向相同，而在左手介质平板中两者方向相反。因此，电磁波进入到左手介质平板到穿透左手介质所产生的相位差为：
2202
n k d θ?=-
(8)
因此，电磁波穿过图示的一维结构所产生的
总的相位差为：
12101202n k d n k d θθθ?=?+?=-
(9)
从上式中看到，如果左手介质平板与右手介
质平板的厚度比为d 1/d 2=n 2/n 1，则由左右手介质构成的平板其总的相位差为零。因此，左手介质在左右手复合结构中起着相位补偿的作用，重要的是这种相位补偿作用不依赖与平板的总厚度d 1+d 2，而是取决于它们厚度的比值d 1/d 2。所以，理论上只要满足d 1/d 2=n 2/n 1，则厚度可以是任意值。
1.4 增大扫描范围
由于复合左/右手传输线单元的相位常数随
频率和等效电路参数的变化而变化，在不同的频率区间呈现负值或正值，而在一个非零频率点上的相位常数甚至可以为零。利用这种奇异的相位传播特性，结合漏波天线频率扫描的工作原理，可以构造大角度微带漏波天线[13]。
在平衡状态下,复合左/右手传输线单元的相
位常数为：
1()()L R R R L L L C p L C ββωβωω??=+= ?
(10)
04R R L L L C L C ω=
（11）
当ω<ω0时，β<0，反之β＞0；当ω=ω0
时, β=0。而漏波天线的辐射角为
10sin
()k βθ-=
(12)
由上式可以看到CRLH 漏波天线的辐射角
理论上可以实现从-900到900
的连续扫描，当ω<ω0时，天线后向扫描，当ω>ω0时，天线前向扫描。而传统的微带漏波天线只能从边射到端射的扫描（即00到900的扫描），因为β总是为正值，而且传统微带漏波天线不能进行边射扫描，因为对于右手材料来说当β=0时,v g =0，但是对于CRLH 漏波天线，当β=0时，群速v g 并不为零，天线将能够在边射方向进行辐射。
2 左手材料天线发展
2.1 金属谐振结构的左手材料天线
提高天线增益的方法有很多种，例如改用阵列天线、碟形天线、抛物面天线等，但这些天线的体积都过于庞大，限制了它们在一些特殊场合的应用。微带天线虽具有小的体积，但是它具有很低的增益，而且其辐射方向容易受到表面波的影响。针对这些问题，人们提出了利用左手材料的平板透镜聚焦效应来提高天线增益的方法[14,15]，这不仅获得了很高的增益，而且可实现天线的小型化设计。
2005年，Burokur[16]从理论上研究了左手材料对微带天线的影响，这种左手材料是由矩形开口环和金属线构成（图4（a）），将一定体积的这种左手材料覆层置于天线前方，发现它的引入可使天线的增益提高2.8dB，且具有很好的方向性。还发现若选用损耗小的左手材料且保证良好的
波阻抗匹配，天线的增益可以达到12dB。Rahim 等人[17]将改进的矩形开口环结构与电容加载金
属线相结合构造出一种新的左手材料结构（图4（b）），将这种左手材料作为微带天线的覆层，
则增益显著增加，且半波功率点波束宽度变得更加狭窄，因此具有很好的方向性。Zhao等人[18]研究了在矩形微带贴片天线上覆盖表面开口方形环结构左手材料后对天线性能的影响（图4（c）），他们发现随着加载这种左手材料层数的增加，天线的增益会进一步的增强，四层这种结构其增益达到了2.12dB。Zani等人[19]设计了基于矩形开口环结构的左手材料圆形贴片天线，其增益从2.02dB增加到了3.51dB，回波损耗从
22.08dB增加到了24.2dB，因此具有更好的匹配性能，且这种左手材料天线的尺寸只有传统天线的一半。
（a）（b）（c）
图4 开口环结构[16][17][18]
Fig.4 Split ring resonator structure [16] [17] [18].
目前实现天线小型化的主要方法有短路加载、开槽开缝、选用高介电常数基板和利用集总元件等。然而，这些方法是在牺牲天线的增益、效率和带宽等方面的性能指标下获得的。有鉴于此，人们提出了利用左手材料的相位补偿作用来实现天线小型化设计的思想，从而解决了以上问题[12]。
2005年，周雷教授[20]利用左手材料制作了双夹板谐振腔天线，将腔体厚度减少到了半波长以下，实现了天线的小型化设计，并且这种天线具有很好的方向性。2006年，Abdelwaheb等人[21]提出了一种基于左手材料谐振腔的超小型高指
向印刷天线，这种人工磁导体由两个法布里-珀罗谐振腔反射器构成，一个反射器由高阻抗表面构成，它作为印刷天线的基底，另一个反射器由部分反射面构成，它作为发射信号的窗口。这种谐振腔的厚度可达到λ/60的数量级。此后，Abdelwaheb [22]还提出了在介质基板上周期排列平板金属结构（图5（a）），从而实现了左手特性。用这种结构设计了超小型亚波长谐振腔天线，其谐振腔的厚度同样可达到λ/60。
除了上面提到的开口环结构和谐振腔结构
左手材料用于天线设计外，人们还研究了其它结构的左手材料在天线上的应用。Huang等[23]研究了耶路撒冷十字结构的左手材料（图5（b）），它的折射率接近于零，将其作为双极化贴片的天线罩，则天线的增益可提高2dB，并且能减少天线的波束宽度。朱忠奎等人[24]将一种双面刻有树枝结构单元阵列的介质材料作为天线的基板（图5（c）），制备了树枝状负磁导率材料微带天线。研究表明，引入这种左手材料后微带天线的定向性得到显著改善，天线的侧向辐射减弱，前向辐射增强，增益提高了2.19 dB。Kim等人[25]提出了利用平板左手材料来制作透镜天线的思路，这种平板左手材料是由高介质立方体谐振器周期的
嵌入到低介质基质中构成的（图5（d））。结果表明，其增益从6.1dB增加到了11dB，通过选择更大介电常数的材料，可进一步减少平板透镜的厚度，从而实现天线的小型化设计。Lagarkon等人[26]通过在基板上放置等尺寸的左旋和右旋弹簧结构来实现ε和μ接近于零的左手材料（图5（e）），将这种左手材料用于喇叭天线的设计中，其旁瓣得到了显著的抑制，后向辐射增强。另外，
孙立志、冉立新等人[27]研究了基于Ω型结构左手材料构成的后向波天线，其后向波方向为-30°（图5（f））。
(a) (b) （c）
(d) (e) (f)
图5 金属谐振结构
（a）平板结构[22]; （b）耶路撒冷十字结构[23] ;（c）树枝状结构[24] ;（d）立方体结构[25]; （e）弹簧结构[26]; （f）左手材料的后向性[27].
Fig.5 resonant metal
structures
(a) planar structure[22]; (b) Jerusalem cross structure[23] ; (c) dendritic structure[24] ; (d)
cubic structure [25] ; (e) spring structure [26] ; (f) the backward wave property of LHM[27].
2.2 传输线结构左手材料天线
金属谐振结构的左手材料通常仅在谐振频率下表现出左手特性，存在频带窄和损耗大等缺点，这将限制了它在天线方面的应用。而复合左右手传输线（CRLH TL）结构具有宽带宽、低损耗、体积小、容易制作等优点，因此这种结构更适合用于天线的设计。
Zhu和Eleftheriades[28]基于双谐振理论，提出了一种宽带小型化天线，这种天线由两部分CRLH TL构成，并在每一部分的传输线周围加载5个螺旋电感（图6（a）），通过它们来调整其工作频率。这种天线的辐射效率在3.30GHz范围内达到了65.8%，且带宽达到了100MHz。Nordin 等人[29]也提出了一种宽带宽、小型化的CRLH TL微带天线，其基板上层有2×2个CRLH TL结构，并在通孔和接地板之间引入两平行金属板（图6（b）），以起到减小并联电容值的作用。因为带宽会随着并联电容值的减小而增大，因此这种结构可以显著的增加天线的带宽，且这种天线具有多个工作频带，具有非常小的尺寸。Li等人[30]利用新型结构的二维CRLH TL设计了一种超宽带、高增益的矩形微带贴片天线，这种结构是由刻蚀在金属贴片上的三角带隙和刻蚀在接地面上的十字带状线构成（图6（c））。天线带宽从200MHz增加到了3GHz，而且辐射效率超过了98%，还具有高增益和低电压驻波比。Huang等人[31]利用CRLH TL理论设计了两种新型的超宽带天线（图6（d）），一种是圆形结构，其频带覆盖2.63GHz到8.55GHz的范围，另一种为矩形结
构，其带宽也超过了2GHz，且它们都具有高的辐射效率。这种天线非常适用于高速短距离的无线通信系统中，如无线个人局域网系统等。Duan 等人[32]提出一种螺旋形CRLH TL超宽带天线，其带宽可达到2.2GHz，相对带宽达到了25.3%。
（a）（b）（c）
（d）
图6 宽带宽传输线结构
（a）加载螺旋电感[28];（b）引入平行金属板[29] ; （c）二维结构[30] ;（d）圆形结构与矩形结构[31].
Fig.6 wideband CRLH TL structures
(a) spiral-inductor-loaded CRLH TL [28];(b) incorporate parallel plate between the vias and
the ground planes [29] ; (c) two-dimensional structure [30] ; (d) Circular and
Rectangular structure [31].
双频带天线的出现满足了人们对现代无线电子产品功能多样化的需求，实现双频带的传统方法有：改变贴片天线形状、利用双馈线和利用PIFA天线等，但这些方法具有低的辐射效率和
相异的辐射方向图等缺点，而且其尺寸仍过于庞大。对此, Jeone [33]提出了一种基于CRLH TL的小型化双频带零阶谐振天线，它是由低频带和高频带的零阶谐振天线构成（图7（a）），其谐振频率分别为0.86GHz和1.8GHz，测量的辐射效率在这两个频带下可分别达到53%和41%，且可实现全向辐射，而尺寸仅为40×6×3mm2，但这种天线具有很窄的带宽。因此他提出[34]了利用零阶谐振模式和第一负阶谐振模式的“蘑菇型”CRLH TL来构造双频宽带天线的思路（图7（b）），其辐射效率分别达到了56.4%和66.6%，且其带宽达到了430MHz。Narida等人[35]基于CRLH TL 理论通过在基板两侧刻蚀一定形状的平板图案也构造了一种双频带天线，它不用附加过孔或集总元件就可很容易实现微带线的激励。这种双频带天线可实现373MHz和817MHz的负数阶和正数阶谐振，且具有全向辐射的能力和很小的尺寸。Yu[36]利用交指电容和并联电感构成的CRLH TL设计了一种双频带圆极化环形天线（图7（c）），它的两个频带具有相近的辐射方向图，且具有很好的轴向辐射能力，该天线的工作频率在1.768～1.776 GHz和3.868～4.007GHz 内。
Gummally等人[37]也提出一种小型化的双频带左手材料阵列天线，这种天线具有小的体积和高的辐射效率。
（a）（b）
（c）
图7 多频带传输线结构
（a）低频带与高频带零阶谐振结构[33];（b）零阶与第一负阶谐振结构[34] ; （c）双频带圆极化结构[35].
Fig.7 multiband CRLH TL structures
(a) Geometry of the proposed multiband antenna using LHM ZOR[33] ;(b) two closely spaced zeroth-order and first-negative-order resonance modes of CRLH-TL [34] ; (c) dual band circularly polarized antenna[35].
微带漏波天线拥有较窄的主波瓣，还具有频扫特性和相当好的宽带特性。另外，微带漏波天线的馈电结构简单紧凑，使其具有低成本和易制造的优点。然而，传统的微带漏波天线只能实现主波束为单波束时从边射到端射的扫描，其扫描范围被限制在90°范围内。而基于CRLH TL结构设计的漏波天线在理论上可以实现从-90°到90°的扫描[38,39]。Abdelaziz[40]利用耦合微带线设计了基于CRLH TL结构的微带漏波天线，并通过接地板的浮置导体来增加耦合度（图8（a））。
太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师
专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… ……
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航
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左手材料在天线中的应用研究进展 摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构 0引言 左手材料(Left-Handed Material，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时
具有负磁导率和负介电常数的新型人工电磁结构材料。1968年，前苏联物理学家Veselago[1]首次从理论上研究了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的物质中传播的奇异特性，如负折射率等。20世纪90年代，英国物理学家Pendry 等人相继提出了用周期性金属棒结构（Rod）[2]和金属谐振环结构（SRR）[3]分别来实现负介电常数和负磁导率的设想，为左手材料的实现提供了基础。依据Pendry的设计思想，2000年Smith 等人[4]把以上两种结构有规律地排列在一起，首次制出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。而Pendry[5]关于双负介质平板可以放大或恢复倏逝波来实现完美聚焦成像的建议为左手材料的研究起到了进一步的推动作用。 2002年，美国加州大学的Itoh教授[6]提出了一种新的设计左手材料的方法—左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。几乎同时加拿大多伦多大学的Eleftheriades教授[7]提出了周期加载串联电容和并联电感组成的平面一维左手传输线结构。2004年，Itoh等人[8]又提出了复合左/右手传输线（CRLH TL）概念，这开创了一个全新的研究领域，复合左/右手传输线是最有可
矩形微带天线设计与分析 万聪，沈诚诚, 王一平 2011级通信2、4班 沈诚诚：主要负责资料准备与整理 王一平：主要负责论文的格式与后期资料扩充 万聪：主要负责设计模型 三人共同学习hfss软件设计模型，共同参与讨论编写论文，发扬团结合作的精神，克服所遇到问题，完成好老师布置的作业。 摘要：微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视，已经被广泛应用在1OOMHz—1OOGHz的宽广频域上的大量的无线电设备中。本文介绍了一种谐振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。本论文给出了详细的设计流程：根据理论经验公式初步计算出矩形微带天线的尺寸，然后在HFSS里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离2.44GHz为止。微带天线固有的缺陷是窄带性，它的窄带性主要是受尺寸的影响，在不改变天线中心频率的前提下，通过理论经验公式与仿真软件的结合，给出了微带天线比较合理的尺寸。通过HFSS 13.0软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：微带天线、谐振频率、HFSS
Abstract: the microstrip antenna has attracted wide attention from related fields with the advantages of small volume, light weight, low profile, unique, a lot of radio equipment has been widely applied in broad frequency range 1OOMHz - 1OOGHz of the. This paper introduces a 2.45GHz resonant frequency, input impedance of the antenna for the rectangular microstrip antenna using a 50 ohm coaxial feed. This paper gives a detailed design process: according to the theory of empirical formula calculated the size of rectangular microstrip antenna, then modeling and Simulation in HFSS, repeated adjustment according to the simulation results of the antenna size, until the simulation results in the center frequency antenna can not depart from the 2.44GHz to stop. The inherent defects of microstrip antenna is narrow, narrow band it is mainly affected by the size, in the premise of not changing the antenna center frequency, through a combination of theoretical formula and simulation software, the reasonable size of microstrip antenna. The antenna is simulated by HFSS 13 software, optimization, and ultimately get the best performance. Keywords: microstrip antenna, resonant frequency, HFSS
直升机平台机载天线研究综述 李雪健 摘要:直升机作为一种快速灵活的机动装备，近几年在城市反恐处突及应急灾害救援等场合作用明显。机载天线作为通信系统的重要一环，它的性能好坏对直升机通信效果影响极大。本文介绍了机载天线的分类及特点，综述国内外当前对机载天线的主要研究方向和研究进展。介绍了以FEKO和HFSS软件为基础的直升机平台天线研究方法。 关键词：直升机平台；机载天线；研究现状 0、引言 自1907年法国人保罗·科尔尼发明直升机以来，直升机就作为人造飞行器中重要一支在人类历史上扮演着重要角色。机动灵活和起落条件要求低等特点使直升机在现代社会得到广泛应用。 机载天线是飞机系统与其它系统进行电磁能量交换的转换设备，是飞机感知系统的一部分[1]。从广义角度而言，以载机为工作平台的天线均可称为机载天线。机载天线在现代飞行器上应用十分广泛，如飞机上的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等。机载天线的好坏决定着整个系统通信的质量，研究机载天线有着重要的意义[2]。 关于机载天线的研究的文献众多，从事相关研究的专家学者和科研院所也非常之多。但大部分研究都是基于固定翼飞机作为平台研究的，专门以直升机作为平台研究机载天线的文章较少。但固定翼飞机与直升机所处的通信环境及对天线的要求相似，可以进行类比研究。本文以机载天线的主要研究方向及发展情况为主结合直升机平台特点进行综述。 一、机载天线研究背景 1.1机载天线的国内外研究现状 近一个世纪以来,无线电通信技术发展迅速,天线作为无线电波的入口与出口,是一切无线系统中必不可少的组成部分。天线性能的好坏直接影响整个无线系统的性能。飞机作为一种高新科技集成的载体，飞机上通信设备的数量和种类都达到了前所未有的程度，并且现代社会对各种载人、载物飞行器的功能的要求越来越高。并且随着新一代飞机的飞行速度高度等的提高以及现代社会电磁环境的日益复杂，实现飞机通信的顺畅难度变大。这就对机载天线的性能提出来更高的要求。 飞机上有很多天线，如：各式各样的导航通信系统、着陆系统、测高雷达等系统的天线。机载天线按照工作频段分类，可以分为机载中波天线、机载短波天线、机载超短波(VHF/UHF)通信天线、飞机导航天线，还有机载共形微带天线及飞机通信用的自适应阵天线等。如图1.1所示，是一个典型军用飞机上具有多达70多副天线[3]。
《陶瓷学报》 JOURNAL OF CERAMICS 第29卷第4期2008年12月 Vol.29,No.4Dec.2008 文章编号：1000-2278（2008）04-0384-06 多孔陶瓷材料在天线罩上的应用进展 邬浩雷景轩赵中坚胡伟王萍萍 （上海玻璃钢研究院，上海：２０１４０４） 摘要 现代导弹的发展对天线罩的性能提出了更高的要求，多孔陶瓷材料有着优良的介电性能及耐热性能，是理想的天线罩用材料；介绍了多孔陶瓷材料的分类方法及制备工艺，综述了几种体系多孔陶瓷材料在天线罩上的应用进展情况，并指出了今后多孔陶瓷材料在天线罩领域的重点研究方向。关键词多孔陶瓷，天线罩，进展中图分类号：TQ174.75文献标识码：A 收稿日期：2008-04-19 通讯联系人：邬浩，男，E-mail:scwuhao@https://www.doczj.com/doc/b912938130.html, １前言 导弹天线罩是制导武器弹头结构的重要组成部分，是安装在导弹雷达导引头天线外面、起保护作用的外罩，又是保护天线系统不受高速飞行造成的恶劣气动环境影响、正常进行信号传输工作的屏障[1]。随着导弹飞行马赫数的增加以及新一代导弹向宽频多模方向发展，对导弹天线罩材料的性能提出了新的要求。多孔陶瓷透波材料本身密度低，气孔率高，介电常数较小，抗腐蚀耐热性能良好，使用寿命长，且介电常数可以根据气孔率的多少进行调节，能在较大温度范围内正常使用，优异的性能使其在航天透波天线罩方面有很大的应用空间，是一种理想的新型高性能天线罩候选材料。 ２多孔陶瓷材料分类及制备方法 多孔陶瓷材料的分类方法很多，以材质分类可将多孔陶瓷分为[2]： (1)高硅质硅酸盐材料；(2)铝硅酸盐材料；(3)精陶质材料瓷材料；(4)硅藻土质材料；(5)纯碳质材料；(6)刚玉和金刚砂材料；(7)堇青石、钛酸铝材料；(8)采用工业废料、尾矿和石英玻璃或普通玻璃为原料构成的材料。根据孔径大小可将多孔陶瓷分为三 类[3]:微孔陶瓷(孔径尺寸小于2nm)， 介孔陶瓷(孔径尺寸在2nm 和50nm 之间)，宏孔陶瓷(孔径尺寸大于50nm)。而根据结构又通常将多孔陶瓷材料分为两类[4]：网状（或开孔）陶瓷材料以及泡沫（或闭孔）陶瓷材料。但随着缠结纤维网络结构（或粘结纤维）多孔陶瓷的发展以及在多孔陶瓷膜方面取得的进展，D.A.Hirschfeld 等将这两种结构的多孔陶瓷单独分类，将多孔陶瓷分为了以下四类[4]:开孔结构、闭孔结构、缠结纤维网结构、膜。 由于材料的应用要求各不相同，而多孔陶瓷材料的气孔率、孔径及其分布对材料的性能和功能有着重大的影响，因此多孔陶瓷的制备工艺除具有普通陶瓷工艺的特点外，还具有一些特有的工艺机制。其中工艺比较成熟，应用比较广泛的制备方法有粉末烧结法、 添加造孔剂法、料浆发泡法、有机泡沫浸浆法、溶胶凝胶法等[5]，后来又发展了微波加热工艺、水热－热静压工艺、注凝成型工艺、颗粒堆积工艺、凝胶铸造工艺等新的制备技术[6-9]。 ３多孔陶瓷材料在天线罩方面应用的 研究进展 陶瓷材料在天线罩上的应用始于20世纪50年代，从第一种商业化天线罩材料氧化铝至今，陶瓷天
10.8线馈矩形微带天线的分析*、** 10.8.1三维有限差分法对线馈矩形微带天线的分析** 摘要：本文使用三维FDTD 算法实现文献《Application of the three_Dimensional Method to the analysis if Planar Microtrip Circuits 》IEEE trans. On MTT 1990 38(7)的一个矩形微带贴片天线的S11参数的计算。采用MA TLAB 编程完成数值计算，并与文中的结果进行了比较。 （1） 概述 文献《Application of the Three_Dimensional Finite Difference Time Domain Method to the Analysis of Planar Microtrip Circuits 》给出了详细的理论分析。本文主要是从该文出发，采用MA TLAB 程序完成数值计算过程，画出了时间步为200，400，600，800时介质内的电场分布图形。天线的尺寸如图10.65所示： 图10.70 线馈矩形微带天线结构 （2） 理论基础 支配方程： E t H ?-?=??μ H t E ??=??ε 由此推导出有限差分方程： * 由毕战红, 代子为, 韩春元, 白波, 赵洪涛, 路鹏同学完成 ** 由毕战红同学完成 2.09 2.46 16mm 12.45mm 0.794m 上视图 侧视图
)()(,1,,,,,1 ,,,,,,2 /1,,,2/1,,,n k j i z n k j i z n k j i y n k j i y n k j i x n k j i x E E y t E E z t H H ---+-??--??+ =μμ； )()(1,,,,,,,,1,,,,2 /1,,,2/1,,,n k j i x n k j i x n k j i z n k j i z n k j i y n k j i y E E z t E E x t H H ---+-??--??+ =μμ； )()(,,1,,,,,1,,,,,2 /1,,,2/1,,,n k j i y n k j i y n k j i x n k j i x n k j i z n k j i z E E x t E E y t H H ---+-??--??+ =μμ； )()(2 /1,,,2/11,,,2/1,,,2/1,1,,,,,1,,,+++++++-??--??+ =n k j i y n k j i y n k j i z n k j i z n k j i x n k j i x H H z t H H y t E E εε; )()(2 /1,,,2/1,,1,2/1,,,2/1,,1,,,,1,,,+++++++-??--??+ =n k j i z n k j i z n k j i x n k j i x n k j i y n k j i y H H x t H H z t E E εε; )()(2 /1,,,2/1,1,,2/1,,,2/1,,1,,,,1,,,+++++++-??--??+ =n k j i x n k j i x n k j i y n k j i y n k j i z n k j i z H H y t H H x t E E εε （3） 数值计算分析 A. 网格划分与时间步确定 由于感兴趣的频段范围是DC ——20GHz ，不妨将25GHz 取为频段的上限。则波长λ的最小值应该是mm f c 12max min ==λ 考虑到?的取值应该小于等于20min λ所以仅仅从频带的角度考虑，应该有： mm 6.020min max =≤?λ (10.8.1) z 方向上的介质厚度为0.794mm ，可以将其分为3个网格，z ?近似有mm z 265.0=?。符合max ?≤?z 的要求。Y 方向上的长度为16mm,可以将其分为40个网格或80个网格。如果分为80个网格，则mm y 2.0=?，由于Y 方向上的场分布不是我们特别感兴趣的所以不必要将其分的太细，取40个网格就可以。这样就有mm y 4.0=?，符合max ?≤?y 。 比较困难的是确定x ?的值，由于在x 方向上有三个尺寸，12.45mm,2.09mm,2.46mm 如果想将每一个尺寸都恰好分为整数个网格数，比较困难。考虑到天线的尺寸12.45mm 要尽量准确，因此先从这个入手。文献中给出的389.0=?x mm ，天线区域分为32个网格，这样有448.1232389.0=?，与实际的尺寸有0.002mm 的误差，而微带馈线的宽度为 mm 334.26389.0=?，误差为-0.126mm,微带馈线的位置为945.15389.0=?mm,误差为： -0.115mm.。 可以考虑的另外一种方法：取mm x 2075.0=?，这样天线区域刚好分为60个网格，
天线发展简史 天线是无线电通信、无线电广播、无线电导航、雷达、遥测遥控等各种无线电系统中不可缺少的设备。从天线发明至今经历了100多年的时间。纵观天线的发展，其大致可分为三个历史阶段。 第一阶段：线天线时期（19世纪末至20世纪30年代初） 第一个天线是德国物理学家在1887年为验证英国数学家及物理学家麦克斯韦预言的电磁波而设计的。其发射天线是两根30cm 长的金属杆，杆的终端连接两块40cm见方的金属板，采用火花放电激励电磁波，接收天线是环天线。此外，1888年赫兹还用锌片制作了一个抛物柱面反射器天线，它由沿着焦线放置的振子馈电，工作在455MHz。 1901年，意大利发明家马可尼（1874-1937）采用一种大型天线实现了远洋通信，其发射天线为50根下垂铜线组成的扇形结构，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个高150英尺，相距200英尺的塔上，电火花放电式发射机接在天线和地之间。这可认为是付诸实用的第一副单极天线。 早期无线电的主要应用是长波远洋通信，因此天线的发展也主要集中在长波波段上。自1925年以后，中、短波无线电广播和通信开始实际应用，各种中、短波天线得到迅速发展。 第二阶段：面天线时期（20世纪30年代初至50年代末） 二战前夕，微波速调管和磁控管的发明，导致了微波雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到更为充分的利用。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线，这些天线都是面天线或称口径天线。此外，还出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线等。1940年后有关长、中、短波线状天线的理论基本成熟，主要的天线形式沿用至今。第二次世界大战中，雷达的应用促进了微波天线特别是反射面天线的发展，微波中继通信、散射通信、电视广播的迅速发展，使面天线和线天线技术进一步得到发展、提高。这时期建立了口径天线和基本理论，如几何光学、口径场法等，发明了天线测试技术，开发了天线阵的综合技术。
103254-1 第27卷第10期强激光与粒子束 V o l .27,N o .10 2015年10月 H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t .,2015 基于左手材料的高增益双频带微带天线 * 赵亚娟1,2 , 王东红1,2, 李宝毅1,2, 王 蓬1,2, 周必成1,2, 江 波1,2 (1.中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;2.电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006 ) 摘 要: 左手材料具有平板透镜聚焦效应,突破电磁波的衍射极限实现倏逝波的放大,其覆盖于微带天线上方,可以提高天线增益三设计了一种应用于UH F 和W L A N 的双频微带天线, 通过在接地板上刻蚀 己 字形弯折缝隙的方法实现双频谐振三为了改善微带天线低频段的增益,设计了一种新型的哑铃型结构双频段左手材料,将其作为微带天线的覆层三测试结果表明,覆层左手材料微带天线的低频段和高频段的峰值增益分别为2.1d B i 和7.4d B i 三 关键词: 左手材料; 微带天线; 双频天线; 带宽; 增益 中图分类号: T N 828.6 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.103254 微带天线由于具有结构简单二 易于制作二重量轻二体积小二成本低等诸多优点,在军事与民用中得到广泛应用,包括雷达天线二空间科学二生物医学领域及各种无线通信系统三然而,微带天线损耗大二增益低降低了辐射 效率,因此提高微带天线增益成为研究的热点[1-4 ]三目前,无线通信的快速发展促使多频段共用变得普遍,对 天线的研究者来说,设计出同时工作在多个频段,兼容多种协议的天线尤为重要三因此,双频微带天线引起了 诸多学者的广泛关注[5-9 ]三左手材料(l e f t - h a n d e d m e t a m a t e r i a l s ,L HM s ),是指同时具有负介电常数和负磁导率,电场二磁场和波矢三者构成左手关系的人工周期结构材料三左手材料表现出许多奇异特性,如负折射二逆D o p p l e r 效应二逆C e r e n k o v 辐射效应二完美透镜等物理现象三左手材料由于具有诸多奇异特性,在微波通信领域有着广泛的应用价值,特别是有效改善天线的性能[10-14 ]三文献[12]设计了基于左手材料的小型化雷达阵列天线,采用左手材料有效地减小了天线的体积三文献[13]将单层左手材料作为天线的覆层,天线的带宽明显得到改善三文献[14]通过覆层添加多层左手材料介质,微带天线的方向性和增益均大大提高三本文设计了一种应用于UH F 和 W L A N 的双频微带天线,其低频段和高频段的增益值分别为-1.2d B i 和3.3d B i ,不能满足无线通信的需求三为了改善天线低频段的增益,设计了一种新型的双频段左手材料三利用左手材料平板透镜聚焦效应,覆层左手材料的微带天线的低频段和高频段的增益值分别提高了3.3d B i 和4.1d B i 三1 双频微带天线 F i g .1 S t r u c t u r e o f d u a l -b a n dm i c r o s t r i p a n t e n n a 图1 双频微带天线结构示意图 设计的双频微带天线的结构如图1所示三天线 包括三层,上层是 己 字形缝隙的接地板,中间层为介质基板,下层为微带馈线三在接地板上开有四个对称 己 字结构的弯折形槽,用来实现微带天线的双频谐振三接地板边缘开缝,实现天线的小型化三其中,低频段谐振由缝隙s l o t 1和s l o t 2共同激励,l 1+l 2+l 3+l 4+l 5的总尺寸约为λ1/4(λ1表示低频段 的导波波长);高频段谐振由s l o t 1激励,其中l 1+l 2的总尺寸约为λ2/2(λ2表示高频段的导波波长) 三设计的双频微带天线工作频率为0.9G H z 和2. 4G H z ,采用介电常数为4.4,损耗角正切值为0.02,厚度为1.524mm 的R F 4介质基板三通过三维电磁仿真软件C S T 进行模拟仿真,天线参数为:l g =60mm ,w g =55mm ,l 1=10mm ,l 2=9.5mm ,l 3=10mm ,l 4=11.5mm ,l 5= 16mm ,a =1.5mm ,b =2mm ,c =26mm 三*收稿日期:2015-07-10; 修订日期:2015-09-07 基金项目:中国电子科技集团公司山西省重点实验室专项资金项目(Z X 15Z S 391);国家重点基础研究发展计划项目(2013C B A 01700 );国家国际科技合作专项资助课题(2014D F R 10020 )作者简介:赵亚娟(1989 ),女,硕士,工程师,从事电磁防护材料及技术研究;798710363@q q .c o m 三
08通信 陆静晔0828401034
微带天线设计 一、实验目的： ● 利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线 ? 微带天线的要求：工作频率为2.5GHz ，带宽（S11<-10dB ）大于5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理： 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1-1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L 、辐射源的宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相 对介电常数εr 和损耗正切tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG 。图1-1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层 与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是TM 10模，意味着电场在长度L 方向上有λg /2的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图1-2（a ）所示，在长度L 方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图1-2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 图1-1
天线罩的研究 ------应用电磁学与电磁兼容大作业天线罩主要有航空天线罩、地面天线罩、充气天线罩、壳体结构天线罩及空间骨架天线罩五种结构。 天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气上具有良好的电磁透过性能，在结构上能经受外部恶劣环境的作用。 天线通常置于露天工作，直接受到自然界中暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等的侵袭，致使天线精度降低、寿命缩短和工作可靠性差。使用天线罩的目的是：保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定可靠，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命；消除风负荷和风力矩，减小转动天线的驱动功率，减轻机械结构重量，减小惯量，提高固有频率；有关设备和人员可在罩内工作，不受外界环境影响，提高设备的使用效率和改善操作人员的工作条件；对于高速飞行的飞行器，天线罩可以解决高温、空气动力负荷和其他负荷给天线带来的问题。 但是,天线罩是天线前面的障碍物,对天线辐射波会产生吸收和反射,改变天线的自由空间能量分布,并在一定程度上影响天线的电气性能。其原
因有：天线罩壁的反射和不均匀部分的绕射会引起天线主波瓣电轴偏移，从而产生瞄准误差；天线罩对高频能量的吸收和反射会引起传输损耗，从而影响天线增益（接收时使系统噪声温度增加）；天线罩引起的天线波瓣畸变,使天线主瓣宽度改变、零点深度提高和旁瓣电平增加。 天线罩分类方面：从使用上分为航空型和地面(含舰载)型两大类；航空型天线罩气动载荷分析的目的，首先是保证飞机良好的气动外形。其二，为天线罩强度/刚度设计提供载荷依据。 从电气上根据天线辐射波的入射角分为垂直入射天线罩和大入射角 天线罩。辐射波射线与罩壁法线的夹角为入射角。入射角小于30°的称垂直入射天线罩。天线在罩内扫描到任何位置、入射角的变化范围都比较大（从0～75以上）,称为大入射角天线罩。后者电气性能比前者大为降低；按天线罩壁横断面形状，天线罩分为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构三种；根据天线罩的成形方式，地面天线罩分为充气罩和刚性罩两种。 天线罩的结构和其他建筑结构的不同点在于，设计时对结构型式、构件尺寸、罩壁厚度、材料选择以及结构细节等都必须考虑电气特性。罩壁厚度：与工作波长有关。在电气上，为了使反射最小，必须按工作波长设计均匀单壁壁厚或夹层结构的夹芯厚度。但所选择的壁厚必须能承受预计的最大空气动力负荷和其他负荷而不被破坏或不产生大的变形。壁厚的具体选择应根据工作波长、天线罩尺寸和形状、环境条件、所用材料等在电气和结构性能上互相兼顾；材料选择：对天线罩壁所用介质材料要考虑的
基于微波技术中——小型微带 天线的应用综述 摘要：在无线通信系统中，天线是一个不可或缺的组件，它能有效辐射和接收自由空间的电磁波。在发射系统中，天线将发射机送来的高频电流变换为自由空间的电磁波，而在接收系统中天线则可将自由空间传来的电磁波转变为电流信号传送给接收机。因此，作为无线通信系统的重要前端器件，天线性能的好坏将直接影响到整个系统的通信质量。本文主要针对小型化、高集成度微带天线的研究现状和发展作了简单的综述，并对微带天线在日后生活中的应用提出了展望和希冀。 关键词：无线通信微带天线小型化高集成度 一．研究背景及意义 随着无线通信技术的迅猛发展，日趋小型化和高度集成化的无线通信系统要求通信设备具有多功能、小体积、高速率的特点，以往传统的通信设备的性能已经达不到系统的要求。为适应无线通信系统的发展，通信设备必须向小型化、多功能的方向发展，而终端天线的体积成为通信设备体积缩减的“瓶颈”。并且减小天线的尺寸又会影响到天线的带宽、增益等特性，如何设计出在天线尺寸减小的同时又能兼顾其他性能指标的小型多功能天线是一项极其富有挑战性的工作。微带天线介质基片的厚度往往远小于波长，因此它本身就实现了一维小型化，属于电小天线。与普通的微波天线相比，微带天线的剖面薄，体积小，重量轻；并且具有平面结构，可以制成和导弹、卫星等载体表面共形的结构；同时它的馈电网络可以和天线结构一起制成，便于印刷电路技术大批量生产；另外它能与有源器件和电路集成为单一的模件；而且便于获得线极化、圆极化，易实现双极化、多频段等多功能工作。微带天线的上述优点使其得到了广泛的应用。在军事方面的应用有卫星通信、导弹遥测、火箭、雷达等；在民用方面蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(WLAN)、短距离无线网络(Zigbee)、超宽带通信(UWB)等诸多无线通信系统也都有微带天线的应用。伴随微波集成技术的发展和各种微波高性能介质材料的不断出现，小型化微带天线设计已成为现阶段无线通信领域研究的热点。因此，本文对小型化微带天线的研究和设计，具有很好的应用前景和实用价值。
用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 第一章绪论 一、绪论 1.1 课题的研究背景及意义 自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的 生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。在广播电视领域， 光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统 具有的传输频带宽，容量大，损耗低，串扰小，抗干扰能力强等特点，已成为 城市最可靠的数字电视和数据传输的链路，也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送 方式。随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的现代通信技 术引起了人们的极大关注，我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力，我国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。目前，电力系统光纤通信网已成为我国规模较大，发展较为完善的专用通信网，其数据、语音，宽带等业务及电力生产专业业务都是由光纤通信承载，电力系统的生产生活，显然，已离不开光纤通信网。 无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属，无线通信技术了。无线通信技术包括了移动通信技术和无线局域网（ WLAN ）技术等两大主要方面。移动通信就目前来讲是 3G时代，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通 信阶段。无线局域网可以弥补以光纤通信为主的有线网络的不足，适用于无固定场所，或有线局域网架设受限制的场合，当然，同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。WLAN ，目前广泛应用 IEEE802.11 系列标准。其中，工作于 2.4GHZ频段的 820.11可支持 11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用 5GHZ 频段，速率高达 54Mbps ，它比802.11b 快上五倍，并和 820.11b兼容。给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。 在整个无线通信系统中，用来辐射或接收无线电波的装置成为天线，而通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的，均 需要有无线电波的辐射和接收，因此，同发射机和接收机一样，天线也是无线电技术设备的一个重要组成部分，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能 (多频段、多极化 )、高性能的天线。微带天线作为天线 家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。 一.微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 上图是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介点常数ε和损耗正切tanδ、介质的长度LG和宽度WG。图中所示的天线是采用微带线来馈电的，本次我要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微 带天线的工作模式是TM 10模，意味着电场在长度L 方向上有λg /2的改变，而在 宽度W 方向上保持不变，如图所示，在长度方向上可以看成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图中可以看出微带线边缘的电场可以分解成垂直参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ，则有 L e =λg /2 式中，λg 表示导波波长，有 λg =λ0/ε 式中，λ0表示自由空间波长；εe 表示有效介电常数，且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中，εr 表示介质的相对介电常数；h 表示介质厚度；w 表示微带贴片的宽度。 因此，可计算出矩形贴片的实际长度L ，有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL= 2102-e f c εΔL 式中，c 表示真空中的光速；f 0表示 ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度，且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算， W=21 2102-??? ??+εf c 对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω. 对于如图所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心以 （x f ，y f ）表示馈点的位置坐标。 精细结构对分形天线小型化的影响 刘成1，雷虹2，何慧芬1 （1.沈阳航空航天大学辽宁沈阳110136；2.沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110035） 摘要：为了了解分形技术中的精细结构在分形天线的小型化设计中，对分形天线小型化的影响状况，本文采用对比的方法，通过改变Koch 分形单极子天线和普通单极子天线的结构参数，对比分析了不同的结构参数下天线上电流分布的仿真结果，得出的结论是精细结构的精细程度越精细，分形结构就能够进行越多次数的分形，分形天线小型化的程度也就越好。 关键词：分形技术；精细结构；分形天线；小型化中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2013）03-0130-03 Impact of the fine structure in the fractal antenna miniaturization LIU Cheng 1，LEI Hong 2，HE Hui -fen 1 （1.Shenyang Aeronautics and Astronautics University ，Shengyang 110136，China ； 2.Shenyang Aircraft Design and Research Institute ，Shenyang 110035，China ） Abstract:In order to understand the impact condition of fine structure in fractal technology on fractal antenna miniaturization in miniaturized fractal antenna design ，this paper uses the method of comparison ，by changing the structure parameters of the Koch fractal monopole antenna and the ordinary monopole antenna ，and by comparing and analyzing the simulation results of current distribution of different structural parameters on the antenna ，summarizes a conclusion that the finer of the fine degree in fine structure ，the more number of the fractal structure can be carry out ，the better of the degree in fractal antenna miniaturization. Key words:fractal technology ；fine structure ；fractal antenna ；miniaturization 收稿日期：2012-10-18稿件编号：201210119 作者简介：刘成（1989—），男，河南南阳人，硕士研究生。研究方向：航空电子系统。 无线通讯技术的飞速发展，通讯设备的小型化设计有了更高的要求，天线作为辐射和接收电磁波的重要媒介，也作为系统的最不可或缺的部分，则随着电子设备的发展趋势，也有着小型化的要求。 小型化天线是指天线在保证带宽不变的前提下，与具有相同带宽的天线的尺寸相比较小的天线。天线的小型化中，天线的尺寸指的是天线的三维尺寸，无论是在哪个维度缩减了天线的尺寸，都可认为天线实现了小型化的目的[1]。而通常所使用的普通天线，由于天线的性能与其波长尺寸有着紧密的联系，天线尺寸的改变，总会使天线的带宽、增益等技术指标发生改变，因此，天线要实现其小型化设计总体上是很困难的[2]。 分形技术是近些年出现的一种新型的天线小型化技术，由于分形技术所使用的分形结构具有自相似特性和空间填充性，使得在将其应用到天线的设计中后，所设计的天线不仅具有很好的小型化效果，而且，天线的各种指标也有可能变得更好[3]。 1分形技术和分形天线 1975年，美籍法国数学家B.Mandelbrot 首次提出了分形 （Fractal ）的概念，其拉丁文原意为“破碎”，用来研究自然界中非线性科学里的不光滑、不规则的物体对象[4]。分形几何学是分形理论的最初始的形式，也是专门研究无限复杂但具有特定意义的自相似图形或结构的几何学。 20世纪80年代以来，电磁理论与分形结构之间相互作 用的研究变得越来越多，可是直到1990年，D.L.Jaggard 提出了分形电动力学，才正式确定了分形结构和电磁理论结合的新方向[5]。 分形天线，就是天线的几何结构是分形结构的天线，而分形结构，大都是通过迭代产生的具有较强的空间填充型和自相似性的几何结构。分形结构由于其整体与局部以及局部与局部之间具有较强的自相似性，是一种与标度无关的几何结构，在用于天线的设计后可以使天线具有多频和宽频特性；而其还具有的较强的空间填充性，可以在较小的空间内具有较长的几何长度，在用于天线设计后，可以相应的增加天线的电长度，从而降低天线的谐振频率，因此可以用作小型化天线的设计[6]。 目前，在天线的小型化设计中常用的分形结构有：树形分形曲线、Koch 曲线、Hilbert 曲线，Peano 曲线、Minkowski 曲线、3/2维曲线等。 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第21卷 Vol.21 第3期No.32013年2月Feb.2013 －130－天线设计毕业论文
矩形微带天线
精细结构对分形天线小型化的影响
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