下载文档原格式
超介质串联馈电线性偶极子阵列曹卫平;温金芳;李思敏【摘要】基于超介质的相位超前理论,设计了一种新型的串联线性偶极子阵列.该阵列利用负折射指数相移线代替传统一个导波波长(λg)的弯折线进行馈电.其中,NRI 相移线采用CPS技术,并通过在主传输线上周期性地加载串联电容和并联电感来实现.研究结果表明:串联馈电线性偶极子天线具有带宽宽、体积小、波束倾斜小、制作简单、易于集成等优点.【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》【年(卷),期】2010(030)006【总页数】4页(P533-536)【关键词】超介质;共面带状线(CPS);负折射指数相移线【作者】曹卫平;温金芳;李思敏【作者单位】桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】TN821968年,前苏联物理学家Veselago VG提出左手媒质(Left Handed M aterials,简称LHM),又称“超介质”的物理思想,指出这种媒质的介电常数和磁导率可同时取负值,且该理论认为微波穿过LHM时呈现出后向波传播特性和负折射特性[1]。
后来,Shelby等采用导电开口谐振环和细金属线按照一定图案周期性排列,首次制得负折射指数(Negative Refractive Index,简称NRI)的超介质[2]。
目前,各种各样的新型结构的超介质逐渐被制造出来,有谐振环和金属线模型、光子晶体等效模型以及电感和电容形成的复杂电路等效模型等。
NRI相移线是基于电感和电容形成的复杂电路等效模型[3],被广泛应用到平面结构的微波电路和天线上,使得微波器件和天线无论在差损、尺寸以及性能上都优于由传统传输线构成的同类器件,具有广阔的应用前景[4]。
基于宽带的NRI相移线设计一种新型串联馈电线性偶极子阵列。
该阵列的阵元间隔只需四分之一波长,具有宽带特性且其阵列波瓣与传统串馈线阵相比具有较小的波束倾斜。
偶极子天线馈电原理概述及解释说明引言1.1 概述偶极子天线是一种常见的无线通信装置，广泛应用于无线电、雷达、卫星通信等领域。
它具有结构简单、易于制造和调整的优点，被广泛用作天线系统中的辐射元件。
然而，在实际应用中，为了保证偶极子天线能够正常工作并发挥最佳性能，馈电原理起着至关重要的作用。
1.2 文章结构本文主要围绕着偶极子天线的馈电原理展开讨论，旨在从基本原理到常见馈电方式以及馈电原理对天线性能的影响因素进行全面介绍。
文章共分为四个主要部分：引言、偶极子天线的基本原理、常见的偶极子天线馈电方式和馈电原理对偶极子天线性能的影响因素。
最后，在结论部分对本文进行总结，并强调偶极子天线馈电原理的重要性。
1.3 目的本文旨在解释和说明偶极子天线的馈电原理，深入揭示不同馈电方式对其性能产生的影响，并探讨如何针对这些影响因素进行优化。
通过详细讨论和分析，希望读者能够全面了解偶极子天线的馈电原理，并能在实际应用中正确选择和配置合适的馈电方式，以提高天线系统的性能和效率。
2. 偶极子天线的基本原理：2.1 基本概念：偶极子天线是一种常见的无线通信天线，由于其结构简单且具有良好的接收和发射性能，在许多领域得到广泛应用。
偶极子天线基于偶极子理论，即将电磁信号分为电场和磁场两个部分，并利用在空间中摆动产生辐射以进行信息传输。
2.2 偶极子的结构和工作原理：偶极子天线通常由一个导体材料制成，外形呈直棒状或折叠形状。
它可以通过连接导线和馈电点与其他电路相连。
当交流信号通过导体时，导体上会形成一个起伏的电势差，从而产生电场和磁场。
这些起伏的电势差产生远距离传输能力。
2.3 馈电方式及其作用机理：偶极子天线可通过不同的馈电方式进行供电。
常见的馈电方式有平行馈电方式、垂直馈电方式和正交馈电方式。
- 平行馈电方式：这种方式中，导线与偶极子平行排列并与之相连。
当交流信号通过导线时，产生的电场沿着偶极子的方向辐射出去。
这种方式适用于需要较高增益和定向性的应用。
题目：串并联混合馈电阵列天线摘要本设计主要是研究阵列天线的各种馈电方法，并对他们进行比较、重点研究串联并联混合馈电方法。
在本设计中，通过比较串联、并联和串并联馈电方法后，使用串并联混合的馈电技术制作了中心频率为3GHz的简单、低成本和高增益微带阵列天线。
天线的优化设计参数的选择实现紧凑的尺寸以及可能的最好的高辐射效率、高增益等特点。
在进行串并联混合馈电阵列天线设计之前，着重分析设计该天线所需要的知识，包括T 型二等分功分器和微波电路的不连续性问题。
这些知识对阵列天线的设计显得颇为重要，它们能显著改善天线的匹配效果，并将在所设计的天线中得到应用。
经过一番比较和论证之后，设计了两种基于串并联混合馈电技术的阵列天线。
所设计的天线阵列为6x1和4x2。
最佳馈电系统参数是由一系列天线仿真决定。
仿真是通过使用HFSS天线仿真软件完成，它是商业的、精确的天线模拟器。
本设计基于简单和低成本需要，使用介电常数εr= 4.4和高度h =1.6mm的FR4介质基板，设计天线的S11达到了-30dB。
这些天线仿真的增益是约9dB和10dB，旁瓣的增益保持低于主瓣。
由于这这些天线的谐振频率在3GHz，这些天线是适合在S波段的应用，如卫星通信、雷达、医疗应用和其他无线系统。
关键词：微带天线；阵列天线；串联馈电阵列；并联馈电阵列；串并联馈电阵列AbstractThis design is mainly to study a variety of feeding method of array antenna, and compare them, focusing on hybrid parallel series feed method.In this design, by comparing the series, parallel and series-parallel feed method, we use a series-parallel hybrid feed technology to producetwo simple, low-cost and high gain microstrip array antenna which center frequency is 3G.Theoptimumdesign parameters of the antenna are selected to achieve the compact dimensions as well as the best possible characteristics such as high radiation efficiency, high gain, etc.Before the series and parallel mixed feed antenna array designing, we will focus toanalyze the knowledge needed in the design of the antenna, including T-bisection splitters and microwave circuit discontinuities.Theseknowledgelooks fairly important to the design of the array antenna, they can significantly improve the matching of the antenna , and has been applied in the design of antennas.After some comparison and verification, I design two array antennaswhich used the series-parallel hybrid feed technology.The designed antennas are 6x1and 4x2 arrays.Theoptimum feeding system is decided based on the various antenna parameters that are simulated.The simulation has been performed by using HFSS soft simulator which is a Commercialand precise antenna simulator.The design This design in order to achieve simplicity and low cost, using FR4 dielectric substrate which the dielectric constant er = 4.4 and height h = 1.6mm.the S11 of design antenna reaches -30dB.The gain of these simulated antennas is found about 9dB and 10dB，the side lobe label is maintained lower than main lobe.Since, the resonance frequency of these antennas is around 3GHz , these antennas are suitable for S band applications such as satellite communication, radar, medical applications, and other wireless systems. Keywords:microstrip antenna; array antenna; series feed array; parallel feed array; series-parallel-fed array.目录引言 (1)1 微带天线的介绍 (2)1.1 微带天线的概述和分类 (2)1.2 微带天线的优缺点 (2)2 矩形微带天线的理论 (4)2.1 矩形微带天线的馈电分析 (4)2.2 用传输线模型分析法分析矩形微带天线的辐射原理 (4)2.2.1辐射场及方向函数 (5)2.2.2辐射电阻 (5)2.2.3输入导纳 (5)2.3 用腔模理论分析矩形微带天线 (6)2.3.1等效电和磁流密度 (7)2.4 微带阵列天线理论 (9)3 软件介绍 (10)3.1 HFSS天线仿真软件 (10)3.2 DXP 画图软件 (10)4 微带阵列天线馈电系统 (11)4.1 微带T型功分器 (11)4.2 馈电传输线的不连续性分析 (11)4.2.1微波传输线不连续性概述和影响 (11)4.2.2微带线不连续性分析和补偿 (12)4.3 微带阵列馈电网络 (13)4.3.1微带串联馈电网络 (13)4.3.2微带并联馈电网络 (15)4.3.3微带串并联混合馈电网络 (15)4.3.4比较三种不同的馈电方式 (16)5 串并联混合馈电阵列的设计和仿真 (17)5.1 矩形贴片微带天线的设计 (17)5.1.1矩形贴片微带天线设计公式 (17)5.1.2 3GHz矩形贴片微带天线参数的确定 (17)5.1.3 用HFSS仿真分析单个贴片微带天线 (18)5.2 六单元串并联混合馈电阵列天线设计 (19)5.3 八单元串并联混合馈电阵列天线设计 (21)5.4 两种方案阵列天线的仿真比较 (24)6 阵列天线的实物制作和测试分析 (25)6.1 实物制作 (25)6.2 实物测试 (25)6.3 仿真与实物性能分析比较 (27)7 结论 (28)致谢 .....................................................................................错误!未定义书签。
题目：小型化宽带串馈偶极子阵列天线1. 所设计天线的应用背景随着通信技术的迅猛发展，以及空间利用率的提高，天线的物理尺寸的要求越来越小。
并且在特殊的通信系统中，如宽带阵列天线、通信基站等，需要宽频带、稳定的增益和简单的结构。
所以偶极子天线的需求越来越高。
2. 设计天线的关键或主要指标等的介绍该天线采用顶端加载条形偶极子和锥形过渡的形式获得更宽的带宽、更高的增益和更小的尺寸。
通过一条微带线和缝隙匹配天线的输入阻抗50Ω，使天线更好地辐射能量。
天线的设计指标为：工作频段：～驻波比：VSWR<2增益：6dBi3. 该类天线发展情况宽带偶极子天线是近年来比较热门的天线技术，根据其结构和加工方式的不同可将其分为平面单极子和印刷单极子两类：平面单极子是将一个平板结构的金属振子垂直放置在一块尺寸较大的金属接地板上，并通过SMA 射频接头对其进行馈电；印刷单极子是在高性能微波介质基片上刻蚀出振子和接地板，并通过微带线或者共面波导对振子进行馈电。
目前国内外大多数宽带偶极子天线都可以看成是下面六类基本结构的变形或优化，其工作原理与基本性能也与这些基本振子天线相似：(a) 三角形(b) 矩形(c) 梯形地(d) 圆形/椭圆形(e) 分形和(f)进化算法优化。
4. 天线结构介绍，包括图，VISIO画的平面三维图等Substrate图1天线几何结构天线的结构如图1所示，天线的中心频率为02000f MHz =(0154.6mm λ=)。
这个天线由偶极子阵列、一个介质基板、一个u 形微带线所组成。
u 形微带线的宽度w ，它被印刷在厚度h=，相对介电常数r ε=，损耗正切tan δ=的FR4介质板的上表面。
FR4基板的尺寸为100100pl pl mm mm ⨯=⨯。
辐射贴片是偶极子阵列和共面微带线组成，它被放置介质板的下表面的地方。
本设计中的天线的馈电方式是缝隙耦合馈电，可以展开一定的带宽。
介质板上表面的u 形微带线与地面缝隙耦合传导电流。
控制缝的宽度和u 形微带线的宽度可以很好的耦合。
5. 仿真分析的过程及结果，包括一步一步由HFSS （版本写出）仿真的过程，达到有点基本知识的人都可以按照该步骤达到仿真的结果1.新建设计工程（1）运行HFSS 并新建工程双击桌面上的HFSS 快捷方式图标，启动HFSS 软件。
HFSS 运行后，它会自动新建一个工程文件，选择【file 】→【save as 】命令，把工程文件另存为文件。
（2）设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。
从主菜单栏中选择【HFSS】→【solution type】命令，打开如图所示的solution type 对话框，选中driven model单选按钮，然后单击按钮，完成设置。
图设置求解类型（3）设置模型长度单位设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度单位为mm。
从主菜单栏中选择【modeler】→【units】命令，打开如图所示的set model units 对话框。
从该对话框中将select units 选项设为mm。
然后单击按钮，完成设置。
图设置长度单位2 添加和定义设置变量从主菜单栏中选择【HFSS 】→【Design Properties 】命令，打开设计属性对话框。
在该对话框中单击按钮，打开Add Property 对话框。
在Name 文本框中输入第一个变量名称w ，在Value 文本框中输入该变量的初始值80mm ，然后单击按钮，即可添加变量w 到设计属性对话框中。
变量定义和添加的过程如图所示。
图定义变量使用相同的操作方法，完成其他变量的定义。
定义完成后，确认设计属性对话框如图所示。
变量名变量值图定义所有设计变量后的设计属性对话框最后单击设计属性对话框中的按钮，完成所有变量的定义和添加工作。
3 设计建模（1）创建介质基片创建一个长方体模型表示介质基片，长方体模型的底面位于xoy平面，模型的材质为FR4，并将该模型命名为Substrate。
从主菜单栏中选择【Draw】→【Box】命令或者单击工具栏上的按钮，进入创建长方体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体。
创建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树的Solids下的Box1节点，打开新建长方体属性对话框的Attribute选项卡。
把长方体的名称设置为Substrate，设置其材质为FR4，设置其透明度为，如图所示，然后单击按钮退出。
图长方体属性对话框中的Attribute选项卡再双击操作历史树Substrate下的Command节点，打开新建长方体属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标为(-pl* ,0mm ,0mm)，在XSize、YSize和ZSize 文本框中分别输入矩形面的长度和宽度为pl、pl和h1，如图所示，然后单击按钮退出。
图长方体属性对话框中的Command选项卡此时就创建好了名为Substrate 的介质基片模型。
然后按快捷键Ctrl+D 全屏显示创建的物体模型。
（2） 创建辐射贴片在介质基片的下表面创建如下图所示的模型。
矩形面1矩形面2矩形面3矩形面4矩形面8矩形面6矩形面7矩形面5图贴片的形状①创建矩形面1在介质层的下表面建如图所示的矩形面1，其长度和宽带分别用变量gl1和gw1表示。
从主菜单栏中选择【draw 】→【rectangular 】命令或者单击工具栏上的按钮，进入创建矩形面的状态，然后在三维模型窗口的xy 面上创建一个任意大小的矩形面。
新建的矩形面会添加到操作历史树的sheets 节点下，其默认的名称为rectangular1.双击此处展开操作历史树中sheets下的rectangular1节点，双击该节点下的creatrectangular节点，打开新建矩形面属性对话框的command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和尺寸。
在Position中设置顶点坐标为（w1* ,0mm ,0mm），在XSize和ZSize中设置矩形面的长和宽分别为gl1和gw1，如图所示，然后单击按钮退出。
图矩形面属性对话框中的Command选项卡②创建矩形面2在介质层的下表面创建如图所示的矩形面2，顶点坐标为（w1*，gw1+l1，0mm），其长度和宽度分别用变量dl1和dw1表示。
双击此处③创建矩形面3在介质层的下表面创建如图所示的矩形面3，顶点坐标为（w1*，gw1+l1+dw1+l2，0mm），其长度和宽度分别用变量dl2和dw2+sl3表示。
图矩形面属性对话框中的Command选项卡④合并操作按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular1～Rectangular3节点，以同时选中这3个矩形面。
然后从主菜单栏中选择【Modeler】→【Boolean】→【Unite】命令或者单击工具栏上的按钮，执行合并操作。
此时，即可把选中的3个矩形面合并成一个整体，合并生成的整体的名称为Rectangular1。
⑤创建三角形切角创建一个三角形面，从主菜单栏中选择【Draw】→【Line】命令或者单击工具栏上的按钮，借助于捕捉功能（Snap Mode），在三维模型窗口中按顺序分别单击如图所示的A、B、C点，最后在A点位置上双击，这样即可创建三角形面。
新生成的三角形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Polyline1.A（w1* ,gw1 ,0mm）B(w1* ,gw1-sl1 ,0mm)C(w1*+sw1 ,gw1 ,0mm)图三角形面顶点坐标展开工程树中的Sheets下的Polyline1节点，再展开Polyline1下的CreatPolyline1节点，选中CreatLine节点，然后在属性窗口的Point1和Point2处分别输入三角形顶点A和B的坐标，分别为（w1* ,gw1 ,0mm）和(w1* ,gw1-sl1 ,0mm)，如下图所示。
再使用和前面相同的方法选中CreatPolyline 下的第二个CreatLine节点，在属性窗口的Point2处输入三角形顶点C的坐标(w1*+sw1 ,gw1 ,0mm)。
单击此处图设置三角形的顶点坐标这样，即可用变量来表示创建的三角形面的位置和尺寸。
按照上面相同的方法来创建下面的四个三角形。
第一个三角形的顶点坐标分别为A1（w1* ,gw1+l1 ,0mm），B1（w1*+sw2 ,gw1+l1 ,0mm），C1（w1* ,gw1+l1+sl2 ,0mm）。
第二个三角形的顶点坐标分别为A2（w1* ,gw1+l1+dw1 ,0mm），B2（w1* ,gw1+l1+dw1-sl2 ,0mm）,C2（w1*+sw2 ,gw1+l1+dw1 ,0mm）。
第三个三角形的顶点坐标分别为A3（w1* ,gw1+l1+l2+dw1 ,0mm），B3（w1*+sw3 ,gw1+l1+l2+dw1 ,0mm），C3（w1* ,gw1+l1+dw1+l2+sl3 ,0mm）。
第四个三角形的顶点坐标分别为A4（w1* ,gw1+l1+l2+dw1+dw2 ,0mm），B4（w1*,gw1+l1+l2+dw1+dw2+sl3,0mm），C4（w1*+sw3 ,gw1+l1+l2+dw1+dw2+sl3 ,0mm）。
这样五个三角形全部画出来了，效果如下图所示图三角形金属片模型⑥进行相减操作按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular1和Polyline1～Polyline5节点，以同时选中这36个图形。
然后从主菜单栏中选择【Modeler】→【Boolean】→【Subtract】命令或者单击工具栏上的按钮，打开如图所示的Subtract对话框。
确认对话框中的Blank Parts列表框中显示为Rectangular1，Tool Parts列表中系那是为Polyline1～Polyline5，表明使用Rectangular1减去Polyline1～Polyline5。
最后单击按钮，执行相减操作。
图Substract选项卡⑦创建矩形面4在介质层的下表面创建如图所示的矩形面4，顶点坐标为（w1*，0mm，0mm），其长度和宽度分别用变量w1和gw1+l1+dw1+l2+dw2表示。
矩形面属性对话框中的Command选项卡⑥创建缝隙1在介质层的下表面创建如图所示的矩形面5，顶点坐标为（s0*，l0，0mm），其长度和宽度分别用变量s0和gw1+l1+dw1+dw2-l0表示。
矩形面属性对话框中的Command选项卡⑦相减操作形成缝隙按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular4～Rectangular5节点，以同时选中这3个矩形面。
