第一篇：天線與電波結課作業

1.Ae=(λ/4π)G 將G=20dB=100，λ=1m代入，則可得 Ae=(1/4π)*100=7.96㎡.2.答案：（1）蝙蝠翼天線由水平對稱振子天線排列組成，朝空間輻射水平極化波，以滿足電視廣播信號的要求；（2）兩幅蝙蝠翼在空間正交布置，構成旋轉場天線，以獲得在水平平面的全向特性；（3）各振子沿傳輸線兩側水平放置，中間饋電處振子較短，而兩側短路端振子較長，以獲得寬頻帶阻抗特性，滿足電視信號發射的帶寬要求。3.螺旋天線工作原理

阿基米德螺旋天線的半徑隨角度的變化均勻地增加： r=r0+αφ

一式中, r0是起始半徑, a 是螺旋增長率, φ是角度(弧度)。但是不可能像非頻變天線要求的那樣按式中使其結構縮比到無限小。因此,對高端頻率有所限制。但是,若用一根平衡饋線從平面螺旋中心饋電,那么饋電點附近,由大小相等方向相反的電流產生的輻射場在遠區互相抵消,在螺旋的周長接近一個波長時有最大輻射。周長為λ的圓環上的行波電流將輻射圓極化波,因此,在周長為一個波長附近的區域,形成平面螺旋的主要輻射區。當頻率變化時,主要輻射區隨之變動,方向圖基本不變。因此,天線具有寬頻帶工作特性。對應最低頻率天線要有1.25λmax ,對最高頻率,由饋電點間隔尺寸決定,其間隔必須小于λmin/4。為了避免電流在螺旋最外層的邊沿上反射,通常在最外層螺旋線的末端端接吸收電阻或吸收材料。這樣螺旋線上是行波電流,它產生的是圓極化波。如果存在從末端反射回饋電點的電流,它輻射的是反相圓極化波。平衡饋電的巴侖可放在反射腔內,這樣可避免方向圖傾斜并可以用同軸線饋電。

4.答案：理想縫隙天線和與之互補的電對稱振子的輻射場之間的異同有：（1）極化不同，它們的E面和H面是互換的;(2)它們有相同的方向性，有共同的方向函數。

5.電波在傳播時，能量是通過以發射、接收兩點為焦點的一系列橢球區域來傳播的，這些區域稱為菲涅爾區。其中第一菲涅爾區對電波傳播起主要作用，因此將第一菲涅爾區稱為電波傳播的主要通道。如果第一菲涅爾區內有障礙物，則接收點的信號強度將受到影響。6.大地對地波能量吸收的大小與下列因素有關：

(1)地面的導電性能越好，吸收越小，則電波傳播的損耗越小。因為電導率越大，地電阻越小，故電波沿地面傳播的損耗越小。因此，電波在海洋上的傳播損耗最小，濕土和江河湖泊上的損耗次之，干土和巖石上的損耗最大。

（2）電波的頻率越低，損耗越小。因為地電阻與電波頻率有關，所以頻率越高，感應電流更趨于表面流動，趨膚效應使流過電流的有效面積減小，損耗增大。因此，利用地波傳播的頻率使用范圍一般在1．5～5MHz。

（3）垂直極化波較水平極化波衰減小。這是因為水平極化波的電場與地面平行，導致地面的感生電流增大，故產生較大的衰減。7.①電磁波在傳播過程中，由于傳播媒介及傳播途徑隨時間的變化而引起的接收信號強弱變化的現象叫作衰落。譬如在收話時，聲音一會兒強，一會兒弱，這就是衰落現象。②現慢速變化，稱為慢衰落；曲線的瞬時值呈快速變化，稱快衰落。慢衰落產生的原因：（1）路徑損耗，這是慢衰落的主要原因。（2）障礙物阻擋電磁波產生的陰影區，因此慢衰落也被稱為陰影衰落。（3）天氣變化、障礙物和移動臺的相對速度、電磁波的工作頻率等有關。快衰落原因（1）多徑效應。

1、時延擴展：多徑效應（同一信號的不同分量到達的時間不同）引起的接受信號脈沖寬度擴展的現象稱為時延擴展。時延擴展（多徑信號最快和最慢的時間差）小于碼元周期可以避免碼間串擾，超過一個碼元周期（WCDMA中一個碼片）需要用分集接受，均衡算法來接受。

2、相關帶寬：相關帶寬內各頻率分量的衰落時一致的也叫相關的，不會失真。載波寬度大于相關帶寬就會引起頻率選擇性衰了使接收信號失真。（2）多普勒效應。f頻移 = V相對速度/（C光速/f電磁波頻率）*cosa（入射電磁波與移動方向夾角）。多普勒效應引起時間選擇性衰落，我的理解是由于相對速度的變化引起頻移度也隨之變化這是即使沒有多徑信號，接受到的同一路信號的載頻范圍隨時間不斷變化引起時間選擇性衰落。交織編碼可以克服時間選擇性衰落。時間選擇性衰落用T相關時間來表示=1/相關頻率。例如某移動臺速度為540公里/小時那么它的最大頻移為1KH相關時間就是1毫秒想要克服這樣速度的快衰落就要有1.5倍于衰落變化頻率的功控即1500Hz快速功控。③克服衰落的方法主要根據形成衰落的原因而確定。例如,在對流層視距電波傳播中,為克服由于地面反射引起的干涉型衰落，可通過選擇粗糙的反射面、用刃型屏蔽體阻擋反射波、加大收發天線的高差等方法，減少或消除由多徑產生的衰落。此外，分集接收技術是克服多徑衰落的最有效的方法。有時，也用提高發射功率、采用強方向性天線、抗衰落天線、自適應接收技術和留足夠衰落余額等方法克服衰落的影響。

8.① 大氣折射就是光在密度不均勻的大氣中傳播時路徑發生曲折的現象。②四種：對流層折射、平流層折射、電離層折射和磁層折射。9.（1）引入建筑物密度修正因子。（2）擴展Hata公式的使用距離。（3）公式Lb（市區）=69.55+26.16㏒10f-13.82㏒10hb-α（hm）+(44.9-6.55㏒10hb)㏒10dγ-S(α)dB中α(hm)取α（hm）=(1.1㏒10f-0.7)hm-1.56㏒10f+0.8(中小城市)中確定的中、小城市的值。（4）改變山地和丘陵路徑的基本傳輸損耗中值的計算方法。（5）建議林區路徑的基本傳輸路徑損耗中值按市區公式計算。

第二篇：天線與電波論文

電波傳播與天線考試試題

1.簡述天線的功能及接收天線的接收物理過程。（分數：5）

答：（1）天線的任務：是將發射機輸出的高頻電流能量（導波）轉換成電磁波輻射出去，或是將空間電磁波信號轉換成高頻電流能量送給接收機。（2）接收的物理過程為：接收天線工作的物理過程是，接收天線導體在空間電場的作用下產生感應電動勢，并在導體表面激起感應電流，在天線的 輸入端產生電壓，在接收機回路中產生電流。所以接收天線是一個把空間電磁波能量轉換成高頻電流能量的轉換裝置，其工作過程就是發射天線的逆過程。

2.為什么引向天線的有源振子常用折合振子，引向天線的引向器和反射器怎么區分？（分數：10）

答：（1）原因：由于振子間的相互影響，引向天線的輸入阻抗往往比半波振子的降低較多，很難于同軸線直接匹配。加之同軸線是非對稱饋線，給對稱振子饋電時需要增加平衡變換器，而平衡變換器又具有阻抗變換作用，進一步將天線輸入阻抗變小，這樣就更難實現阻抗匹配。實驗證明，有源振子的結構與類型對引向天線的方向圖影響較小，因此可以主要從阻抗特性上來選擇合適的有源振子的尺寸與結構，工程上常常采用折合振子，因為它的輸入阻抗可以變為普通半波振子的K倍（k>1）。其中反射器稍長于有源振子，引向器稍短于有源振子。

（2）引向天線的引向器和反射器的區分：在該天線中，其反射能量作用的稍長于有源振子的無源振子稱為反射器；其引導能量作用的較有源振子稍短的無源振子叫引向器。即當振子“2”的電流相位領先與振子“1”90度時，即I2 = I1ej90 時，振子“2”的作用好像把振子“1”朝它方向輻射的能量“反射”回去，故振子“2”稱為反射振子（或反射器）。如果振子“2”的饋電電流可以調節，使其相位滯后于振子“1”90度時 即I2 = I1e?j90，則其結果與上面相反，此時振子“2”的作用好像把振子“1”向空間輻射的能量引導過來，則振子“2”稱為引向振子（或引向器）。

3.簡述行波天線和駐波天線的差別和優缺點。（分數：5）

答：（1）駐波天線上的電流按駐波分布，或稱諧振天線，其輸入阻抗具有明顯的諧振特性，因此天線的工作頻帶較窄，但增益較高。（2）行波天線上的電流按行波分布，由于行波天線工作于行波狀態，頻率變化時，輸入阻抗近似不變，方向圖隨頻率的變化也較緩慢，因此頻帶較寬。但是行波天線的寬頻帶特性是用犧牲增益來換取的。

4.什么是縫隙天線？基本縫隙天線的場輻射特點是什么？（分數：5）

答：（1）縫隙天線：在波導或空腔諧振器上開出一個或數個縫隙以輻射或接收電磁波的電線城為縫隙天線。（2）基本縫隙天線的場輻射特點：最基本的縫隙天線是由開在矩形波導壁上的半波諧振縫隙構成的。由電磁場理論，對TE10波而言，在波導寬壁上有縱向和橫向兩個電流分量，橫向分量的大小沿寬邊呈余弦分布，中心處為零，縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大；而波導窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布。如果波導壁上所開的縫隙能切割電流線，則中斷的電流線將以位移電流的形式延續，縫隙因此得到激勵，波導內傳輸功率通過縫隙向外輻射，當縫隙與電流線平行時不能在縫隙區內建立激勵磁場，不能產生激勵而得到輻射。

5.簡述電波傳播研究內容及對象和幾種主要的電波傳播的特點。（分數：5）

答：（1）研究內容：電波傳播研究是為了開拓利用電磁波頻譜。它研究的是３０Ｈｚ－３０００ＧＨｚ．研究對象：它是對無線電波傳播媒質特性的研究，研究媒質電特性對電波傳播的影響。（2）a.地面波傳播：傳播的信號質量好，但是頻率越高，地面對電波的吸收越嚴重。b.天波傳播：傳播損耗小，從而能以較小的功率進行可達數千千米的遠距離傳播。c.視距傳播：要求天線具有強方向性并且有足夠高的架設高度，傳播中所受到的主要影響是視距傳播中的直射波和地面反射波之間的干涉。d.散射傳播：距離遠，抗毀性好，保密性強。

6.當發射天線為輻射垂直極化的鞭狀天線，在地面上和地面下接收時，各自應采用何種天線比較合適，解釋其原因？（分數：5）

答：當采用垂直極化的鞭狀天線作為發射天線時，根據波前傾斜現象 的原理，在地面上和地面下均可以接收信號。在地面上接收時，由于電場的垂直分量于水平分量，所以宜采用直立天線來接收； 在地面下接收時，則電場的水平分量遠大于垂直分量，所以宜采 用水平埋地天線接收。7.簡述天波傳播中的反射條件和電離層吸收特點。（分數：5）答：（1）天波傳播中的反射條件：電離層反射點播的能力與電波頻率有關，在入射角。一定時，電波頻率越低，越易反射。在電波頻率一定時，入射角越大，越易反射。（2）電離層吸收特點：電離層的碰撞速率越大或者電子密度越大，電離層對電波的吸收就越大。電波頻率越低，吸收越大。8.為什么存在地面有效反射區？在其他條件都相同的情況下，有效反射區的大小和頻率關系如何？（分數：5）

答：a.反射波射線有天線的鏡像點發出，根據電波傳播的菲涅爾區概念，反射波的主要空間通道是第一菲涅爾橢球體，而這個橢球體與地面相交的區域為一個橢圓，這就是有效反射區。反射面上只有有效反射區內的電流元對反射波起主要的貢獻。b.頻率越大，反射區越小。9.簡述地面移動通信中電波傳播特點及其研究方法？（分數：5）答：（1）地面移動通信中電波傳播特點： a.主要傳播方式為視距傳播； b.基站較高，移動臺較低，且收發天線的空間相對位置一般是事變的； c.存在快、中等速度、慢衰落現象。

（2）研究方法： a.建立在實驗基礎上的方法：Okumura方法、Lee方法； b.實驗和理論相結合的方法：GB/T14617.1-93

天 線 與 電 波 傳 播 結 課 論 文

院系：電氣信息工程 專業及班級：電信12-02 姓名：黃爽

學號：541201030216

微 帶 天 線

摘 要

隨著全球通信業務的迅速發展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術己引起了人們的極大關注，在整個無線通訊系統中，天線是將射頻信號轉化為無線信號的關鍵器件，其性能的優良對無線通信工程的成敗起到重要作用。快速發展的移動通信系統需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化)、高性能的天線。微帶天線作為天線家祖的重要一員，經過近幾十年的發展，已經取得了可喜的進步，在移動終端中采用內置微帶天線，不但可以減小天線對于人體的輻射，還可使手機的外形設計多樣化，因此內置微帶天線將是未來手機天線技術的發展方向之一，但其固有的窄帶特性(常規微帶天線約為2%左右)在很多情況下成了制約其應用的一個瓶頸，因此設計出具有寬頻帶小型化的微帶天線不但具有一定的理論價值而且具有重 要的應用價值，這也成為當前國際天線界研究的熱點之一。

關鍵詞：微帶天線 寬頻帶 小型化

目 錄

摘 要

第一章 微帶天線在現代通信系統的應用特點

第二章

第三章

微帶天線在現代通信系統的發展趨勢

微帶天線在現代通信系統的研究方向 第一章 微帶天線在現代通信系統的應用特點

早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps)教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。但是，在接下來的近20年里，對此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術的發展和空間技術對低剖面天線的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威爾(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批實用的微帶天線。隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。1979年在美國新墨西哥州大學舉行了微帶天線的專題目際會議，1981年IEEE天線與傳播會刊在1月號上刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領域中的一個專門分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世，至今已有近十本書。可見，70年代是微帶天線取得突破性進展的時期；在80年代中，微帶天線無論在理論與應用的深度上和廣度上都獲得了進一步的發展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應用正在與日俱增。微帶天線的固有缺點就是阻抗頻帶窄，展寬頻帶是最困難也是最富有挑戰性的技術之一，隨著移動通信系統、全球定位系統(GPS)、衛星通信系統的發展，寬頻帶微帶貼片天線的研究己成為了非常熱門的課題，同時寬帶微帶貼片天線將逐漸向著小型化，簡單化同時具有多功能、多用途的方向發展。近年來，人們在微帶貼片天線展寬頻帶方面做了大量的研究微帶天線的寬頻帶技術主要采用以下幾種方法實現。

A.有空穴結構的寬帶微帶貼片天線。

B.采用多層介質基片微帶天線的結構，將饋電網絡與天線貼片分別置于不同的介質基片上，這樣可以獲得寬頻帶的駐波比特性。

C.U形縫隙結構的寬帶微帶貼片天線。

當在貼片表面開不同形式的槽或是細縫時，切斷了原來的表面電流途徑，在天線等效電路中相當于引入了級聯電感。

雖然國內外對上述微帶天線小型化技術展開了大量的研究，但是其中還是存在了很多問題，其中天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，必須權衡利弊。隨著無線通信事業的飛速發展，微帶天線的尺寸與其它通信器件相比尺寸越來越大，顯得越來越不相適應，因此要求進一步縮小微帶天線的尺寸，經過許多學者的研究，發展了各種各樣的縮小微帶天線的新方法，本節簡單介紹如下。

A.加載短路探針

通過與饋電接近的短路探針在諧振中引入耦合電容實現小型化

B.采用高介電常數的材料基片從天線諧振頻率關系式可以看出諧振頻率與介質參數成反比，因此采用高介電常數(如陶瓷材料)基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。

C.表面開槽。當在貼片表面開不同形式的槽或是細縫時，切斷了原來的表面電流途徑，在天線等效電路中相當于引入了級聯電感。雖然國內外對上述微帶天線小型化技術展開了大量的研究，但是其中還是存在了很多問題，其中天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，必須權衡利弊。

微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼導體薄片而形成的天線。它一般利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作是一種縫隙天線。通常介質基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現了一維小型化，屬于電小天線的一類。另外，隨著技術的進步，現在許多手機天線都是采用曲折線型的微帶天線實現了手機天線的小型化。導體貼片一般是規則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環形薄片等；也可以是窄長條形的薄片振子(偶極子)。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和條帶振子天線。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變（如彎曲、直角彎頭等)來形成輻射，稱之為微帶線型天線，種天線因為沿線傳輸行波，又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質基片另一側的微帶線或其它饋線(如帶狀線)對其饋電，稱之為微帶行波天線，由各種微帶輻射單元可構成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天線，等等。

微帶天線的分析方法有很多，但是大體上可以分為解析方法和數值方法兩大類。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計算輻射場，包括傳輸線模型（The transmission line model）、腔體模型（The cavity model）、多端網絡模型（Multiport Network Model）等。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計算輻射場，包括矩量法（method of moments）、有限元法（finite-element method）和時域有限差分法（finite-difference in time domain）等。

天線問題的嚴格分析是一個電磁場邊值型問題，需要根據其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據微帶天線的實際特征做某些方面的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種簡單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應用。

解析方法

a.傳輸線模型

傳輸線模型很簡單，并且有助于理解微帶天線的基本特性，因此首先介紹這種模型方法。在這種模型中，微帶貼片天線被視為場沿著橫向沒有變化而沿著傳輸線的延伸方向呈駐波分布的一個傳輸線諧振器。天線的輻射主要源自兩個開路終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距貼片長度的縫隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函數便可由磁流計算出天線的遠場輻射和其它的電參數。盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結構類型不能使用它來分析，這是因為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。

b.腔體模型

如果說傳輸線模型因為有場沿傳輸線橫向無變化的限制而只是微帶天線在一維下近似的話，那么腔體模型就可以稱為二維近似。因為腔體模型基于一維電小的基本假設（即介質基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。在腔體中，場沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的二維諧振器中所有諧振模式之和。天線的遠場輻射及其它電參數可以通過空腔四周的等效磁流來得到。

c.多端網絡模型

多端網絡模型實際上是腔體模型的一種拓展，在這種模型中，貼片被等效為一個具有多個端口分布在貼片四周的二維平面網絡。通過二維格林函數可以計算出該網絡的多端阻抗矩陣，再添加一個等效的邊緣導納網絡，便可以將邊緣場和輻射場聯系起來，然后利用分割方法計算出全局阻抗矩陣，由貼片四周的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效磁流計算出輻射場。利用等高線積分技術可以使其在不規則形狀的貼片天線中獲得應用。

數值方法

雖然以上介紹的解析方法具有簡潔性和較為明確的物理意義，但是它們不能用來分析任意形狀的微帶天線，同時微帶天線工程精確度的提高也對以上簡化模型分析方法提出了考驗。然而計算機技術的發展給微帶天線的分析帶來了新的思路，即依據微帶天線的電磁場邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉化為利用計算機來求解矩陣代數方程。由此也產生了多種數值方法，它們各具有一些優缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。

a.矩量法

矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數建立關于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數展開法將此積分方程轉化為矩陣方程，利用計算機便可得出近似解。矩量法因為考慮了貼片周圍的物理邊界的邊緣場而具有較高的精度。

b.有限元法

有限元法的原理是先將整個連續求解區域劃分為很多小的離散單元（如在二維結構中選取三角形單元，在三維結構中選取四面體單元等），在子域中將未知函數（如電磁場量、位函數或電流等）表示為子域基函數的插值，根據變分原理或迦略金方法便可建立一個關于未知函數展開系數的矩陣方程，利用計算機便可方便求解該代數方程。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模擬任意形狀的優點，但是其求解精度要受求解區域剖分精細程度的影響。

c.時域有限差分法

時域有限差分法的基本思想是把求解空間進行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉化為關于電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界條件，便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數值解，通過離散傅里葉變換還可以得到三維空間的頻域解。時域有限差分法的優點是其離散比較簡單（空間網格大小一致、時間步長恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶范圍內特性。但是其數值解的穩定性要受時間步長和空間步長的限制。第二章

微帶天線在現代通信系統的發展趨勢

與普通微波天線相比，微帶天線有如下優點：

(1)體積小，重量經；

(2)平面結構，并可制成與導彈、衛星等表面相共形的結構；

(3)饋電網絡可與天線結構一起集成，適合于用印刷電路技術進行大批量生產；(4)能與有源器件和電路集成為單一的配件；

(5)便于獲得圓極化，容易實現雙頻段、雙極化等多功能工作；(6)沒有作大的變動，天線既能很容易地裝在導彈、火箭和衛星。(7)天線的散射截面較小；

(8)稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)。

(9)微帶天線適合于組合式設計(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調制器、開關等可以直接加到天線基片上)；

(10)饋線和匹配網絡可以和天線結構同時設計和加工。

但是與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點： 1)頻帶窄；

2)有導體和介質損耗，并且會激勵表面波，導致輻射效率降低； 3)功率容量較小，適用于中、小功率場合； 4)性能受基片材料影響大； 5)饋線與輻射元之間的隔離差；

盡管如此，有一些方法可以用來減小某些缺點。例如，采用一些寬頻帶技術可以有效地展寬頻帶；在設計和制造過程中特別注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。

第三章

微帶天線在現代通信系統的研究方向

在許多實際設計中，微帶天線的優點遠超過它的缺點。甚至在仍被認為是微帶天線發展幼年時期的80年代時，微帶天線已有多種成功的應用。隨著微帶天線的繼續研究和發展以及日益增多的使用需求，可以預料，對于大多數的應用，它將最終取代常規的天線。在一些顯要的系統中已經應用微帶天線的有：衛星通訊；多普勒及其它雷達；無線電測高計；指揮和控制系統；導彈遙測；武器信管；便攜裝置；環境檢測儀表；復雜天線中的饋電單元；衛星導航接收天線；生物醫學輻射器等等。

相信隨著對微帶天線應用可能性認識的提高，以及各種電路系統對天線的小型化集成化要求的提高，微帶天線的優點日益凸顯，其應用場合將會繼續增多。

參考文獻

【1】謝澤會、王玉琴、郝雙洋、趙紅梅《小型寬帶微帶天線的設計研究》2011 【2】宋錚、張建華、黃冶《天線與電波傳播》2011 【3】倪洋、葉明、王曉靜《應用于ISM頻段的小型雙頻微帶天線》2014 【4】《一種用于“ 北斗" 衛星導航系統的小型化微帶貼片天線》2012 【5】陳雅娟 龍云亮，小型寬帶微帶天線的研究進展，系統工程與電子技術 2009 【6】盧曉鵬、張玉梅、李昂《非輻射邊饋電的寬帶雙層微帶貼片天線》2011 【7】付強、曹少珺、余孝安、喬飛《彈丸頭錐上對稱配置的S波段微帶天線陣》2011 【8】張鈞，劉克誠等，微帶天線理論與工程，國防工業出版社，2010 【9】 順時，微帶天線理論與應用，西安電子科技大學出版社，2009 【10】肖憲東、信美華、劉 偉《微帶天線的設計與應用》2013

第三篇：電波天線考試

電波傳播與天線結課作業

系別：xxxx工程學院 專業：電子信息工程 班級：xx級xx班 學號：xxxxxxxxxx 姓名：XXX 1

電波傳播與天線考試試題

1.簡述天線的功能及接收天線的接收物理過程。（分數：5）

答：天線的任務是將發射機輸出的高頻電流能量（導波）轉換成電磁波輻射出去，或是將空間電磁波信號轉換成高頻電流能量送給接收機。

接收的物理過程為：接收天線工作的物理過程是，接收天線導體在空間電場的作用下產生感應電動勢，并在導體表面激起感應電流，在天線的輸入端產生電壓，在接收機回路中產生電流。所以接收天線是一個把空間電磁波能量轉換成高頻電流能量的轉換裝置，其工作過程就是發射天線的逆過程。

2.為什么引向天線的有源振子常用折合振子，引向天線的引向器和反射器怎么區分？（分數：10）

答：引向天線是一個緊耦合的寄生振子端射陣，通常由一個（有時由兩個）有源振子及若干個無源振子構成。有源振子近似為半波振子，主要作用是提供輻射能量；無源振子的作用是使輻射能量集中到天線的端向，折合振子為半波振子，提供的能量能保證天線的輻射要求。在該天線中，其反射能量作用的稍長于有源振子的無源振子稱為反射器；其引導能量作用的較有源振子稍短的無源振子叫引向器。

3.簡述行波天線和駐波天線的差別和優缺點。（分數：5）

答：用天線上的電流分布作為區分行波天線和駐波天線的依據：把天線上的電流按行波分布的天線叫行波天線，按駐波分布的天線叫駐波天線。駐波天線又稱為諧振天線，它的輸入阻抗具有明顯的諧振特性，天線的工作頻帶較寬，相對帶寬約幾分之幾到百分之幾；行波天線工作于行波狀態，頻率變化時輸入阻抗近似不變，方向圖隨頻率的變化也較緩慢，所以帶寬較寬，絕對帶寬可達（2~3）:1，是寬頻帶天線。但是，行波天線得寬頻帶特性使用犧牲效益（或增益）來換取的，因為有部分能量被負載吸收，所以分行波天線效率低于駐波天線的效率。

4.什么是縫隙天線？基本縫隙天線的場輻射特點是什么？（分數：5）

答：在波導或空腔諧振器開出一個或數個縫隙以輻射或接收電磁波的天線稱為縫隙天線。

特點：有橫向分布電場激勵；結構牢固；饋電方便。

5.簡述電波傳播研究內容及對象和幾種主要的電波傳播的特點。（分數：5）答：研究內容：無線電波傳播媒質特性的研究；幾種傳播方式的傳播機制，傳輸特性的研究；對于新開拓頻段的電波傳播問題的研究。

地面波傳播：信號比較穩定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。天波傳播：長，中，短波都可以利用天波進行遠距離通信。視距傳播：收，發天線離地面高度遠大于波長。

對流層散射傳播：主要用于超短波和微博遠距離通信。

6.當發射天線為輻射垂直極化的鞭狀天線，在地面上和地面下接收時，各自應采用何種天線比較合適，解釋其原因？（分數：5）

答：當采用垂直極化的鞭狀天線作為發射天線時，根據波前傾斜現象的原理，在地面上和地面下均可以接收信號。在地面上接收時，由于電場的垂直分量遠大于水平分量，所以宜采用直立天線來接收，接收天線附近的地面宜選擇濕地。如果受條件限制，不能采用直立天線來接收，也可以采用低架或水平鋪設的天線來接收，此時地面宜選擇干地。

7.簡述天波傳播中的反射條件和電離層吸收特點。（分數：5）

答：反射條件：sinηmax

0

=√ε=√（1-80.8N/f2

n

n

max

n

max）

f=√80.8N/cos2η

式中N是反射點的電子密度。

吸收特點:電離層的碰撞頻率越大或者電子密度越大，電離層對電波的吸收就越

大；電波頻率越低，吸收越大。

8.為什么存在地面有效反射區？在其他條件都相同的情況下，有效反射區的大小和頻率關系如何？（分數：5）

答：由于地面的性質、地貌、地面建筑等都會影響電波轉播，所以傳到地面的電磁波不會完全被利用，即存在地面有效反射區。

頻率越高，有效反射區越大。

9.簡述地面移動通信中電波傳播特點及其研究方法？（分數：5）

答：對地面移動通訊所采用的VHF和UHF頻段而言，地面波衰減得很快，可以忽略不計，其主要的傳播方式仍為視距傳播，即直接波與地面波的合成。在地面移動通訊中，接收信號不僅有時間上的衰落，而且還有地點上的衰落，是一種時間和地點上的隨機信號，對于所覆蓋的大面積地區，一般很難獲得準確的地形數據，不可能對各個移動臺所在的位置進行準確的場強估算。

10.研究方法：基于實驗基礎上的預測方法，Okumura方法，Lee方法；此外還有實驗和理論相結合的方法，如我國的GB/T 14617.1-93方法等。論述微帶天線在現代通信系統的應用特點及其發展趨勢，研究方向。（要求論文字數不少于3000字，有標題，摘要，參考文獻，參考文獻不少于10篇，且為近3年內發表的文章）

（分數：50）

微帶天線的發展及未來

摘要

現代電子技術向通訊、廣播、可視電話、衛星導航、雷達等都離不開電磁學的發展。一直以來電磁學這門課程一直都是通訊技術發展的重點。微帶天線在其中更是一個不可或缺的部分。天線的任務是將發射機輸出的高頻電流能量（導波）轉換成電磁波輻射出去，或是將空間電磁波信號轉換成高頻電流能量送給接收機。輻射和接受電磁能量的裝置稱為天線。在現代的社會，天線是人人不能缺少的東西。在這里介紹的微帶天線則就是其中的精髓。它主要應用于高科技領域，微帶天線是近30年來逐漸發展起來的一類新型天線。早在1953年就提出了微帶天線的概念，但并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發展和使用是在70年代。常用的一類微帶天線是在一個薄介質基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，這就構成了微帶天線。當貼片是一面積單元時，稱它為微帶天線；若貼片是一細長帶條則稱其為微帶陣子天線。

關鍵字 ：微帶天線，電磁場與電磁波，通信，天線

1.微帶天線的發展情況

微帶輻射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出來的。最早的實際的微帶天線是Howellt和Munson在1972年研制成的（當較好的理論模型及對敷銅或敷金的介質基片的光刻技術發展之后）。

隨著無線電技術的發展，微帶天線在各個領域得到越來越廣泛的應用：無線通訊技術，包括手機、藍牙（BlueTooth）、無線局域網（WLAN）等終端；小型化衛星通訊；多普勒及其它制式雷達；無線電測高儀；指揮和控制系統；導彈遙測；無線電引信；環境檢測儀表和遙感；復雜天線中的饋電單元；GPS衛星導航接收機；生物醫學輻射器等）。當今對于微帶天線技術的研究熱點高增益、低副瓣設計小型化、寬帶設計多極化、多頻段設計超寬帶天線設計光子帶隙PBG技術應用于微帶天線設計。

2.微帶天線的定義

微帶天線，英文名稱microstrip antenna，是在有金屬接地板的介質基片上沉積或貼附所需形狀金屬條、片構成的微波天線。主要應用于航空科技（一級學科）；航空電子與機載計算機系統（二級學科）。

微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼加導體薄片而形成的天線(光刻、腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片)。它采用微帶線或同軸線等饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線可以看成是一種縫隙天線。由于介質基片的厚度往往遠小于波長，故它實現了一維小型化，屬于電小天線。

3.微帶天線的分類

微帶天線可以分為三種基本類型：微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。微帶貼片天線（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介質基片一面的任何平面或非平面幾何形狀的導電貼片和另一面的地平面構成。常見實際使用的基本結構如圖(a)，其中矩形和圓形貼片天線應用最廣。典型的貼片天線的增益為5-7dB，3dB波束寬度在70゜-90゜范圍內。

微帶行波天線（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由鏈形周期性導體或足夠寬度以支持TE模式的一個長微帶線構成。它沿線傳輸行波，天線的另一端是一個匹配電阻性負載，用來避免天線上的駐波。可以將行波微帶天線設計成使得主波束位于從側面到端射的任何一個方向。

微帶縫隙天線（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用開在接地板上的縫隙，由介質基片另一側的微帶線或其它饋線（如槽線）對其饋電的天線。裂縫實際上可以是任何形狀，但通常只對一些基本的微帶裂縫的形狀進行研究，如矩形裂縫，環形裂縫，矩形環裂縫和錐形裂縫。裂縫天線在它們裂縫的兩側輻射，因此可稱之為雙向輻射器。利用裂縫的一個側面上的反射器板，就可以獲得單向輻射器。

4.微帶天線的工作原理

貼片尺寸為a×b，介質基片厚度為h。微帶貼片可看作為寬a長b的一段微帶傳輸線，其終端（a邊）處因為呈現開路，將形成電壓波腹。一般取b，為微帶線上波長。于是另一端（a邊）處也呈電壓波腹。電場可近似表達為（設沿貼片寬度和基片厚度方向電場無變化）：。

天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效原理知，窄縫上的電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。等效的面磁流密度為。沿兩條a邊的磁流是同向的，故其輻射場在貼片法線方向（z軸）同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。

沿每條b邊的磁流都由反對稱的兩部分構成，它們在H面（yz平面）上各處的輻射相互抵消；而兩條b邊的磁流又彼此呈反對稱分布，因而在E面（xz平面）上各處，它們的場也都相消，在其它平面上這些磁流的輻射不會完全相消，但與沿兩條a邊的輻射相比，都相當弱。

矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條a邊的縫隙產生，該二邊稱為輻射邊。由于接地板的存在，天線主要向上半空間輻射。對上半空間而言，接地板的效應近似等效于引入磁流 的正鏡像。由于，因此它只相當于將 加倍，輻射圖形基本不變。

微帶縫隙天線

最早出現的也最簡單的是傳輸線模型(TLM-Transmission Line Model)理論，主要用于矩形貼片。更嚴格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理論，可用于各種規則貼片，但基本上限于天線厚度遠小與波長的情況。最嚴格而計算最復雜的是積分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理論。從原理上說，積分方程法可用于各種結構、任意厚度的微帶天線，然而要受計算模型的精度和機時的限制。從數學處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題；第二種理論則發展到基于二維邊值問題的求解；第三種理論又進了一步，可計入第三維的變化，不過計算也費時得多。這三種理論仍不斷地在某些方面有所發展，同時也出現了一些別的分析方法。基于對積分方程法的簡化，產生了格林函數法(GFA-Green’s Function Approach)；而由空腔模型的擴展，出現了多端網絡法(MNA-Multiport Network Approach)等。5.微帶天線的優缺點

和常用的微波天線相比，微帶天線有如下一些優點：

⑴ 體積小，重量輕，低剖面，能與載體（如火箭、衛星飛行器等）共形，并且除了在饋電點處要開出引線孔外，不破壞載體的機械結構，這對于高速飛行器特別有利。

⑵ 性能多樣化。不同設計的微帶元，其最大輻射方向可以在邊射到端射范圍內調整；易于得到各種極化方式；特殊設計的微帶元還可以在雙頻或多頻方式下工作。

⑶ 可加性強。能和有源器件、電路集成為統一的組件，因此適合大規模生產，簡化了整機的制作和調試，大大降低了成本。

和其他天線相比，微帶天線也有如下一些缺點：

⑴ 相對帶寬較窄，特別是諧振式微帶天線。

⑵ 損耗較大，因此效率較低，這類似于微帶電路。特別是行波微帶天線，在匹配負載上有較大的損耗。

⑶ 單個微帶天線的功率容量較小。

⑷ 介質基片對性能影響大。由于工藝條件的限制，批量生產的介質基片的均勻性和一致性還有欠缺，這影響了微帶天線的批量生產和大型天線陣的構建。

6.微帶天線的應用

微帶天線具有小型化、易集成、方向性好、可加性強等優點，因此其應用前景廣闊，尤其可在無線電引信上積極的推廣與應用。現以國外某型炮彈引信為例，簡要說明微帶天線在引信上的分析與設計。該引信是—調頻體制引信，天線部分由頭部的塑料封帽、微帶貼片和金屬底板組成，安裝在彈體頭部。該天線在電流不連續點形成等效磁流源，靠改變各磁流的位置，可改變天線的方向性。在一些顯要的系統中已經應用微帶天線的有：移動通信、衛星通訊、多普勒雷達及其它雷達；無線電測高計；指揮和控制系統；導彈遙測；武器信管；便攜裝置；環境檢測儀表和遙感；復雜天線中的饋電單元；衛星導航接收機；生物醫學輻射器。這些絕沒有列全，隨著對微帶天線應用可能性認識的提高，微帶天線的應用場合將繼續增多。

參考文獻

[1]天線的發展現狀及趨勢，htp:// [2]鐘順時，微帶天線理論與應用，西安電子科技大學出版社，1991 [3]LIU Xue-Guan，GUO Hui-Ping.Microstrip Technology antennas[M].Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University(劉學觀，郭輝萍.微波技術與天線，西安:電子科技大學出版社)2001.[4] 薛睿峰，鐘順時.微帶天線小型化技術.電子技術.2002 [5] 施華，舒琳，王均宏.手機天線的研究進展.移動通信.2002 [6] 樊明延，張雪霞，馮正和.移動通信中小天線技術新進展.通信市場.2003 [7] 呂文俊，程勇，程崇虎，朱洪波.一種新型多頻縫隙微帶天線的設計.電波科學學報.2006 [8]王軍禮.電磁場與電磁波（第三版）.西安電子科技大學出版社，2009 [9]王軍禮.《電磁場與電磁波（第三版）》學習指導.西安電子科技大學出版社，2011

第四篇：電波與天線期末復習

1.靜電力常量：k≈9×109Nm2／C2 真空中介電常數：ε0≈8.9×10-12C2／m2N k=1／4πε0 電場強度（場強）：E=F／q 2.電場線：用曲線來大致描述電場曲線上每點的切線方向與該點的場強方向相同，曲線的疏密度表示場強的大小。3.導體處于靜電平衡狀態時，其內部各點的場強為零。4.緊靠導體表面的場強方向與導體表面垂直。

5.靜電屏蔽：封閉導體殼（不論接地與否）內部電場不受殼外電荷的影響；接地封閉金屬殼外部電場不受殼內電荷的影響。

6.靜電屏蔽的應用：高壓電力設備安裝接發金屬柵網，電子儀器的整體或部分用接電金屬外殼。7.電位移矢量：D=εE 8.矢量的數量級、向量積。

9.磁場中的“高斯定理”：在穩恒電流的磁場中，通過任意閉合曲面S的磁通量恒等于零。10.磁感應強度：B 11.磁介質可按其磁特性分為三類：順磁質、抗磁質、鐵磁質。12.磁介質的絕對磁導率：μ 真空的絕對磁導率：μ0

磁介質的相對磁導率：μr=μ／μ0 13.感應電流的磁通量總是試圖阻礙引起感應電流的磁通量的變化。14.當線圈不動而磁場變化時，穿過線圈的磁通量也會發生變化，由此而引起的感應電動勢叫做感生電動勢。

15.橫電磁波（TEM）：電磁波中的電場矢量E和磁場矢量H互相垂直，并與傳播方向垂直。16.D=εE

B=μH

J=σE 17.定義E與H的比值為空間的本質阻抗（波阻抗）。η=E／H=（μ／ε）1/2 18.HFSS是三維電磁仿真軟件。

19.視距傳播：又稱直接波傳播，是指發射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內的傳播方式。20.視距傳播主要用于超短波及微波通信。21.電離層傳播主要用在短波頻段。

22.地面傳播是指電磁波沿著地球表面傳播的情況。電波是緊靠著地面傳播的，地面的性質、地貌、地物等情況都會影響電波的傳播。在長、中波波段和短波的低頻段（103Hz～106Hz）均可用這種傳播方式。短波和微波由于波長過短，繞過障礙物的本領就很差了。

23.趨膚效應：在高頻工作下，電磁波在導體內受到極大的衰減，電流只能集中在導體的表層流動。頻率越高，趨膚效應越顯著。24.傳輸線是傳輸電磁能的一種裝置。

25.在電力工程中，即使長度為1000m的傳輸線，對于頻率為50Hz（即波長為6000Km）的交流電來說，仍遠小于波長，應視為短波。26.當傳輸線的負載阻抗等于特性阻抗時，處于行波狀態；當傳輸線終端短路、開路或接電抗負載時，處于駐波狀態。

27.傳輸線的反射系數（Г（z））：均勻無耗傳輸線上某處的反射波電壓與入射波電壓之比。0≤|Г（z）|≤1

28.傳輸線的駐波系數（VSWR）：電壓（或電流）駐波比定義為電壓（或電流）最大值與最小值之比。1≤|VSWR|≤∞ 29.波導中的模式是指電磁場在波導中的分布模型。

30.TEmn中，m表示場強沿寬邊（x方向）變化時出現的最大值數目（半波數）。下標n表示場強沿窄邊（y方向）變化時出現的最大值個數（半波數）。主模（基本模）指TE10波。

31.波導中存在的波的基本條件：其場結構必須滿足波導的邊界條件；傳輸信號的工作頻率須高于該模式的截止頻率。32.P67 例3-1 33.天線：可以接收或發射電磁波的裝置。

34.電基本振子的遠場區是一個沿著半徑方向向外傳播的橫電磁波。35.波阻抗：輻射場的電場強度與磁場強度之比是一常數，它具有阻抗的量綱。

36.輻射場的強度與距離成反比，即隨著距離的增大，輻射場減小。37.E面方向圖是通過天線最大輻射方向并平行于電場矢量的平面內輻射方向圖；H面方向圖是通過天線最大輻射方向并垂直于E面的平面內輻射方向圖。

38.主瓣寬度：是主瓣最大輻射方向兩側、半功率點之間的夾角，即輻射功率密度降至最大輻射方向上功率密度一半時的兩個輻射方向間的夾角，以2θ0.5表示。主瓣寬度越窄，天線的方向性就越強。39.增益：在輸入功率相等的條件下，天線在最大輻射方向上某點的功率密集度和理想的無方向性天線在同一點處的功率密度（或場強振幅的平方值）之比。

40.天線效率：天線輻射功率PΣ與輸入到天線的總功率P?之比，記為ηA。

41.天線方向系數和效率越高，增益系數越高。

42.天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗時天線效率最高，此時天線獲得最大功率。

43.線極化：電場矢量只是大小隨時間變化而取向不變，其端點的軌跡為一直線。

44.圓極化：電場振幅為常量而電場矢量以角速度ω圍繞傳播方向旋轉，其端點的軌跡為一圓。

45.天線的頻帶寬度：中心頻率兩側，天線的特性下降到還能接受的最低限時兩頻率間的差值。

46.根據互易定理可以得出：同一個天線既可以用作發射，又可以用作接收。對同一天線不論用作發射或用作接收，性能都是相同的，即天線的特性參數不變，如方向特性、阻抗特性、極化特性、通頻帶特性、等效長度、增益等都相同。

47.天線陣:將若干個相同的天線按一定規律排列起來組成的天線陣列系統。

48.天線陣的作用就是用來增強天線的方向性，提高天線的增益系數，或者為了得到所需要的方向特性。

49.方向性乘積定理：由相同天線單元構成的天線陣的總方向性函數（或方向圖）與陣因子（方向圖）的乘積。只有各天線單元方向性函數相同時才能應用該定理。

50.引向天線的最大輻射方向在垂直于各振子方向上，且由有源振子指向引向器，所以，它是一種端射式天線陣。

51.由于工業干擾大多是垂直極化波，因此我國的電視發射信號采用水平極化，即天線及其輻射電場平行于地面。

52.若天線的阻抗、方向圖等電特性在一倍頻程（fmax/fmin=2）或幾倍頻程范圍內無明顯變化，就可以稱該天線為寬頻帶天線。53.寬頻帶天線的條件：

a.角度條件：天線的形狀僅取決于角度，而與其他尺寸無關。換句話說，當工作頻率變化時，天線的形狀、尺寸與波長之間的相應關系不變。

b.終端效應弱：當天線為有限長時，如果天線上的電流衰減很快，則天線輻射特性主要由載有較大電流的那部分決定，而其余部分作用較小，若將其截去，對天線的電性能影響也不大，這樣的有限長天線就具有近似無限長天線的電性能。

54.理想縫隙天線的橫向尺寸遠小于波長，縱向尺寸通常為λ/2.55.如果波導壁上所開縫隙能切割波導內壁的表面電流線，則波導內壁電流的一部分將以位移電流的形式通過縫隙，因而縫隙被激勵，并將波導內的功率通過縫隙向空間輻射電磁波，這種縫隙稱為輻射縫隙。當縫隙軸向方向與電流線平行時，不能在縫隙區建立切向電場，因此縫隙未被激勵，不能向外輻射功率，這種縫隙稱為非輻射縫隙。56.根據波導內傳輸波的形式又可將縫隙天線分為諧振式縫隙天線陣和非諧振式縫隙天線陣。諧振式縫隙天線陣波導終端通常接短路活塞，波導內傳輸波的形式是駐波；非諧振式縫隙天線陣波導終端通常接匹配負載，波導內傳輸波的形式是行波。

57.微帶天線是由一塊厚度遠小于波長的介質板（稱為介質片）和覆蓋在它的兩面上的金屬片構成的，其中完全覆蓋介質板的一面稱為接地板，而尺寸可以和波長相比擬的另一面稱為輻射元。

58微帶天線的饋電方式分為兩種：一種是用微帶傳輸線饋電，稱為側面饋電；另一種是用同軸線饋電，又稱底饋。

59.面天線：主體是尺寸遠大于工作波長的金屬面狀結構。面天線用在無線電頻譜的最高端，特別是微波波段，其最重要的特點是具有強方向性。

60.面天線有兩部分組成：一個是初級輻射器;另一個是使天線形成所要求的方向特征得輻射口面。

第五篇：天線結課論文(免費)

<天線與電波傳播>結課作業

寬頻帶小型化天線的研究

專業：電子信息工程 年級：2012級

班級：電子1班 姓名：王振杰 學號：20122450131

2015年12月23日 寬頻帶小型化天線的研究

摘要：無線通信技術的迅速發展和應用，推動著通信設備及其電子器件制造向小型化、多用途的方向發展。天線作為任何無線通信系統前端收發 信號的部件，對通信質量起著至關重要的作用，也往往是制約無線通信系統小型化發展的主要障礙。設計與現代信息傳遞相適應的小尺寸、寬頻帶、高效率、大容量、易安裝、多功能的天線已成為當今天線研究領域中一個很重要的課題。

由于微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、易于與有源器件和微波電路集成的特點，目前廣泛應用于雷達、衛星通信、移動無線通信、以及各種通信設備當中。但微帶天線本身具有高品質因數、窄頻帶、低效率等缺點，大大限制了它們的應用。本論文在總結前人研究的基礎上，主要針對微帶天線的寬頻帶和小型化技術展開了研究分析。具體內容闡述如下: 1.一種基于皮亞諾分形結構工作在 X 波段的高增益、寬頻帶微帶陣列天線。該天線由64個分形輻射單元組成輻射陣列來獲得較高的增益，同時增加了寄生層形成F-P諧振腔，有效地提高了天線的帶寬。在 10GHz處天線的增益為24.1dBi，小于-10dB的相對阻抗帶寬達到了12.6%，同時天線的口徑效率為89.4%。相對于傳統的矩形結構，減小了天線的尺寸，實現了天線的小型化。

2.一種新的小型化寬頻帶多頻微帶天線。可以適用于藍牙、射頻識別、全球微波無線互聯網和無線局域網。該微帶天線主要由一個矩形環、一個開口六邊形環、三條矩形帶以及缺陷地組成,可同時工作在藍牙、射頻識別、全球微波無線互聯網和無線局域網的通信頻段上。天線諧振頻率分別為2.47GHz、3.48GHz和5.5 GHz，相應帶寬為0.11GHz(2.38~2.49 GHz)、0.86GHz（3.19~4.05 GHz）和1.11GHz（4.95~6.06GHz）,增益最高達到5.75dBi。

3.一種小型化雙極化寬頻帶微帶縫隙天線。采用十字縫隙耦合、多層積疊貼片和雙層饋電等技術,并選擇雙偏置微帶線作為饋電。這些技術的采用拓寬了天線帶寬,實現了良好的阻抗匹配。雙層饋電技術減小了天線尺寸,并使天線的兩個端口具有良好的隔離度。通過樣品測量,駐波比小于1.5的端口相對帶寬分別達40%和38.5%,工作頻帶內兩端口隔離度(S21)大于25dB,增益 最大值達9.1 dB。該天線具有良好的性能并且工作在1710~2170 MHz頻段,可制作成天線陣應用于移動通信中。4.一種基于腔膜理論工作于2.45GHz的RFID標簽天線。采用鋸齒形邊緣替代直線形邊緣實現天線的小型化，然后采用圓弧形邊緣代替鋸齒形邊緣對天線進行優化。

關鍵詞：微帶天線，寬頻帶，小型化天線，皮亞諾分形，多頻，微帶縫隙天線，十字縫隙耦合，多層積疊貼片，射頻識別，圓弧形邊緣

目錄

摘要......................................................................................................................................1 第一章：緒論.......................................................................................................................4

第一部分：天線的小型化技術.......................................................................................4

1.1加載技術..........................................................................................................4 1.2采用特殊材料基片............................................................................................6 1.3采用特殊形式,優化天線的外彩結構.................................................................7 第二部分：天線的寬頻帶技術.......................................................................................9

2.1縫隙以及耦合技術............................................................................................9 2.2利用寬帶匹配網絡實現天線小型化和寬頻帶特性..........................................10 第二章：天線的研究..........................................................................................................11 第一部分：基于皮亞諾分形結構的微帶陣列天線.......................................................11 摘要.....................................................................................................................11 1天線的結構........................................................................................................11 第二部分：新型寬頻帶多頻微帶天線設計..................................................................13 摘要.....................................................................................................................13 1天線的結構：....................................................................................................14 第三部分：雙極化寬頻帶微帶縫隙天線......................................................................16 摘要.....................................................................................................................16 1天線的結構：....................................................................................................17 第四部分：RFID標簽天線..........................................................................................19 摘要.....................................................................................................................19 1天線結構...........................................................................................................19 第三章：總結與展望..........................................................................................................22 參考文獻.............................................................................................................................24

第一章：緒論

第一部分：天線的小型化技術

1.1加載技術

用包括導體在內的集總元件、高介電常數材料對天線加載，以及采用接地平板和利用天線周圍的環境等是實現天線小型化設計的主要手段，這些技術己在天線工程特別在移動通信領域中得到了廣泛應用。其中最為感興趣的問題可能是將這 些技術結合在一起用于天線的設計。

1)無源集總元件的加載是最為直接和最為簡單的加載技術，也是工程中最為普遍采用的方法。可通過在天線的適當位置接入電阻、電抗或導體來構建。由于 天線長度遠小于半波長時將呈現出很強的電抗性輸入阻抗，加載可以對其進行補償，改善天線中的電流分布。從而達到改變天線的諧振頻率或者在同樣的工作頻 率下降低天線的高度以及改變天線的輻射方向圖等目的。但如果加載的元器件是有耗的，則將使天線的輻射效率降低。圖1.1采用的電容和電感共同加載的平面倒“F”天線(PIFA)，由于加載電容和加載電感可使PIFA的諧振電長度分別具有加長和縮短的效應，通過加載、短路技術以及通過調整天線的參數和LC參數。該天線可工作在雙頻段。

2)利用短路技術來減小天線尺寸非常常見。在微帶天線上加載短路探針，通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現小型化。圖1.2是采用短路針技術的小型化微帶天線，這種情況類似折疊單極子的特性，諧振電長度得到了縮減。

3)用不同的材料對天線進行加載同樣可以達到減小天線尺寸的目的。當天線置于高介電常數的材料中時，由于波長在介質中變短，因而天線所需要的諧振長度變短。長度縮減的程度取決于介質的形狀和介電常數的大小。但是介質加載將會導致頻率帶寬的減小，這是由于電場能量更多地集中在介質內部而難以輻射出去，使Q值增加的緣故。而且高的介質常數往往伴有高的介質損耗，這會降低天線 的效率。另外用介質涂敷天線也是降低天線高度的一條有效途徑，這方面有相當的 理論與實驗的研究。圖1.3是采用高介電常數的小型化微帶天線。

5)在低頻段，比如短波天線，由于工作的頻率很低，所需要正常工作的天線長度勢必很大，因此天線尺寸縮減問題的研究顯得尤為迫切。這時通過加載技術是實 現天線高度的最有效的途徑。采用阻抗、電容混合加載、電容、電感混合加載或者 阻抗、電容、電感混合加載得到了一定的研究，特別是采用分段式加載技術，可使天線高度縮小到相當可觀的程度。

1.2采用特殊材料基片

這種方法主要是針對微帶、印刷天線的小型化進行設計的。微帶、印刷天線由于其自身的優點而廣泛應用于無線通信終端中，但是帶寬窄限制了其應用。一般微帶天線帶寬只有百分之幾，但在實際應用中，往往急需帶寬大于10%或15%的小天線。所以，研究體積小。頻帶寬(大于10%)的天線將必然成為天線領域中的一個很重要的課題。微帶天線介質基片的厚度與波長相比是很小的，因而它本身就實現了一維小型化，屬于電小天線一類。天線諧振頻率與介質參數成反比，因此采用高介電常數(如陶瓷材料)或高磁導率(如磁性材料)的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。這類天線的主要缺陷是：(a)激勵出較強的表面波，表面損耗較大，使增 益減小，效率降低。(b)帶寬窄。為提高增益，常在天線表 面覆蓋介質。采用鐵氧體材料制成的微帶天線實現小型化的同時，且在較寬頻帶范圍內頻率可調(可達40%)，但鐵氧體在微波頻段損耗很大。有機高分子磁性材料在很寬溫度范圍內電感和磁性 能穩定，由其設計成的微帶天線可顯著減小尺寸，但損耗大，增益低。高溫超導材料(HTS-high temperature superconductor)基片以及“光子帶隙陣”(PBG-photonic bandgap)基片有極低的表面電阻，能有效抑制表面波，減小表面損耗，解除了用較厚基片的限制，具有提高天線增益，減弱陣元間互耦之功效。

1.3采用特殊形式,優化天線的外彩結構

實現小型化總的思路是使貼片的等效長度大于其物理長度，以實現小型化目的。近年來由于無線通信的需求。有大量方案提出，如層疊短路貼片(stacked shorted patch)，蝶形、倒F型、L形、E型等等。近年來，用分形曲線來構建天線是特別熱門的小型化技術。

第二部分：天線的寬頻帶技術

2.1縫隙以及耦合技術

實現寬頻帶和多頻帶的思路是在貼片或者接地板上開一些縫隙，以降低天線的品質因數，從而提高天線的阻抗帶寬。多頻天線的最大優點就在于在一個輻射單元上實線多個天線的工作性能，這就大大簡化了收發終端輻射系統的設計，在小型化無線通信設備中，這一點尤其顯得重要。通常采用的方法是采用在貼片上刻蝕縫隙以及使用通過改進耦合饋電。如在各種形狀的貼片上刻蝕成對的縫隙就獲得了較好的雙頻、雙極化的工作性能。另外在貼片的中心線上適當位置增加短路針，并且在中線上選取適當的饋電位置，也可以獲得雙頻工作性能。對于使用厚空氣層介質的天線。由于使用同軸饋電而引入較大的同軸感抗效應。從而影響 天線的帶寬。針對這個問題，又出現了很多的解決辦法。諸如U型縫隙技術，改進的同軸饋電技術(L探針技術和L狀微帶線饋電，縫隙耦合饋電等等。運用以上這些技術。天線的帶寬可以得到一定的增加。

2.2利用寬帶匹配網絡實現天線小型化和寬頻帶特性

無線通信設備的天線系統，一般都包括天線和饋電線兩個部分，稱之為天饋系統。天饋系統的寬頻帶性能既取決于天線自身的性能也取決于饋電系統，以及天線與饋電系統之間的耦合與匹配狀況。因此，在研究天線的寬頻帶特性時，必須同時考慮寬頻帶的匹配技術。天饋系統通常包含兩方面內容，一是完成不對稱饋線(如同軸線)對對稱天線的饋電，以保證系統的平衡性。二是阻抗變換，使饋線與天線有良好的阻抗匹配。寬帶匹配所要解決的是一個系統中的功率傳輸問題，要求信號源與負載之間盡可能地匹配，使信號源傳給負載的功率在給定的頻帶內保持相對穩定，并且盡可能達到箍大。天饋系統中常用的是集總參數匹配廂絡，主要是無源的。由電抗元件組成T形、L形、π形網絡等。這種匹配網絡的主要優點是體積小、設計靈活、使用方便等。當無源天線的尺寸縮小后，會導致輻射電阻減小．效率降低。為此，利用有源網絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降，在天線小型化和寬帶技術上有重要的意義。有源天線具有以下良好特性：(1)工作頻帶寬。利用有源網絡的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達20-30；(2)增益高(可達10dB以上)，方向性好；(3)便于實現阻抗匹配；(4)易實施天線方向圖，包括主波束方向、波束寬度、前后輻射比等的電控；(5)有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。

第二章：天線的研究

第一部分：基于皮亞諾分形結構的微帶陣列天線

摘要：一種基于皮亞諾分形結構工作在 X 波段的高增益、寬頻帶微帶陣列天線。該天線由64個分形輻射單元組成輻射陣列來獲得較高的增益，同時增加了寄生層形成F-P諧振腔，有效地提高了天線的帶寬。在 10GHz處天線的增益為24.1dBi，小于-10dB的相對阻抗帶寬達到了12.6%，同時天線的口徑效率為89.4%。相對于傳統的矩形結構，減小了天線的尺寸，實現了天線的小型化

1天線的結構

分形結構具有很多特性，例如自相似性和空間填充性。將分形技術應用于天線的輻射單元，有利于減小天 線的尺寸和獲得多個諧振點。所以，分形結構常用來改善陣列天線的性能，如皮亞諾分形結構。

皮亞諾分形曲線如圖1所示。定義皮亞諾分形比 為n= f2/f1，將圖中所示的f1進行三等分后彎折得到皮亞諾分形結構。如果將該分形結構應用于矩形貼片的每一邊，得到如圖2所示的皮亞諾分形貼片結構。因為該結構將增加電流的流動路徑，并可能激發多個諧振，所以可提高天線的帶寬。組陣主要是提高天線的增益，而采用雙層結構的形式能有效地提高天線的帶寬。單層的 8×8陣列天線，天線的每個單元均采用如圖2所示的皮亞諾分形結構，采用相對介電常數為2.65，厚度為0.5 mm的介質板。天線采用 1分 64的功率 分配網絡進行饋電，天線結構圖如圖3所示。

該天線在工作頻點10GHz處的增益達到了23.0dBi，回波損耗小于-10dB的 相對帶寬約為1.5%，說明采用單層的陣列結構就能夠得到很高的增益，但是帶寬相對很窄。

圖5給出了天線結構的側視圖。該天線分為上下兩層，上層為寄生層，下層為輻射層，兩層所用介質基板的介電常數同為er，厚度為h。上下兩層之間為空氣層，空氣層厚度為hz。天線采用特性阻抗為50歐姆的同軸進行饋電，饋電口位于下層輻射層，同軸內導體與微帶功率分配器中心相連。

上層寄生層和下層輻射層的俯視圖和分形單元的俯視圖如圖6所示。為了在工作頻段10GHz的增益大于24dBi的增益，同時使得 |S|<-10dB 的相對阻抗帶 寬大于10%，天線采用了64個分形輻射單元組成8×8的陣列，上層同樣由64個相同結構的分形單元組成8×8的陣列，上層寄生層的主要作用是提高天線的阻抗帶寬。

第二部分：新型寬頻帶多頻微帶天線設計

摘要：一種新的小型化寬頻帶多頻微帶天線。可以適用于藍牙、射頻識別、全球微波無線互聯網和無線局域網。該微帶天線主要由一個矩形環、一個開口六邊形環、三條矩形帶以及缺陷地組成，可同時工作在藍牙、射頻識別、全球微波無線互聯網和無線局域網的通信頻段上。天線諧振頻率分別為2.47GHz、3.48GHz和5.5GHz，相應帶寬為0.11GHz(2.38~2.49GHz)、0.86GHz（3.19~4.05 GHz）和1.11GHz（4.95~6.06GHz）,增益最高達到5.75dBi。1天線的結構：

圖2是寬頻帶多頻微帶天線的具體設計結構。印刷在介質基板上的天線的主要輻射單元是一個矩形輻射環,兩條連著矩形環的豎矩形輻射帶,一個開口六邊形輻射環。天線矩形輻射環的分段長度L1=1.0mm、L2=20.4 mm和L3=0.7 mm,寬度W2=19.0mm。輻射環內左右兩條豎矩形輻射帶長度均為L6=8.2mm,夾在兩條微帶線中間的矩形諧振條長度L4=7.4 mm、寬度W7=1.0mm。

該天線被印制在相對介電常數ε=4.4、介質損耗為0.02、厚度1.6mm的FR4的介質板上,采用50歐姆微帶線饋電,微帶線的長寬分別是Lf=9.4 mm、Wf=3.9 mm,介質板的尺寸為34.0 mm×23.0 mm。天線經過優化后，實際制作出的實物圖如圖3所示。

第三部分：雙極化寬頻帶微帶縫隙天線

摘要：一種小型化雙極化寬頻帶微帶縫隙天線。采用十字縫隙耦合、多層積疊貼片和雙層饋電等技術,并選擇雙偏置微帶線作為饋電。這些技術的采用拓寬了天線帶寬,實現了良好的阻抗匹配。雙層饋電技術減小了天線尺寸,并使天線的兩個端口具有良好的隔離度。通過樣品測量,駐波比小于1.5的端口相對帶寬分別達40%和38.5%,工作頻帶內兩端口隔離度(S21)大于25dB,增益 最大值達9.1 dB。該天線具有良好的性能并且工作在1710~2170 MHz頻段,可制作成天線陣應用于移動通信中。1天線的結構：

天線可分為饋源端、引向端和反射端三個部分。具體尺寸結構示意圖如圖1所示(單位為mm)。天線的饋源由兩層介質基片、接地板和饋電網絡組成。上層基片上端覆蓋著刻有十字形縫隙的接地板,上下層基片之間是端口1的饋電網絡,下層基片下端則是端口2的饋電網絡。縫隙的長度和寬度在保證天線帶寬和滿足阻抗匹配的情況下越小越好,這樣可以減小由縫隙引起的背向輻射。為了使天線實現45度正交極化,兩層饋線方向與接地板的對角線分別平行,而十字形縫隙處于接 地板中心,四臂與接地板對角線方向一致。引向端是兩層圓形輻射貼片,為了增加帶寬,貼片與貼片之間,貼片與接地板之間均不采用任何介質。反射端為與接地板尺寸相同的鋁型材反射板,位于饋源下側距饋源h1處。

為提高天線的阻抗帶寬,天線采用雙層寄生貼片結構和雙偏置微帶線饋電,同時這種饋電結構又能實現兩個饋電端口的高隔離度并提高阻抗匹配。饋電網絡通過接地板上的十字形縫隙與寄生貼片耦合,向外輻射能量。微帶貼片天線下層的反射板可以提高天線的增益,減小天線的背向輻射。為提高縫隙耦合度,饋電層應采用介電常數較高的基片,結合成本因素,文中設計天線選擇的是Taconic RF-35(tm)基片,其介電常數為3.5。

兩層基片厚度分別為t1、t2,接地板與下層貼片的距離為t3,上下層貼片的距離為t4。饋電網絡由兩條100歐姆的微帶線通過簡單的功分器與50歐姆的微 帶線連接構成。

本天線為雙極化天線(±45°正交極化),其工作頻段位于1710~2170MHz。采用微帶線作為饋線,兩端口的饋電網絡處于不同的饋電層,并通過同一十字形縫隙與貼片層耦合,向外輻射能量。這種設計可減小天線的尺寸,同時多層貼片結 構及反射板的應用也避免天線出現高剖面弊端,可在不影響天線大體性能的前提下實現天線的小型化。

文中設計的天線的饋線采用叉子(Fork)形的雙 偏置微帶線,如圖1(b)所示,微帶線兩臂與接地板 上的縫隙耦合,可以看作兩個對稱的不平衡天線振子。由于不平衡振子兩條振子臂的電流分布不平衡,形成不對稱電流分布,電流I可以分解為偶模(Io)和奇模(Ie)分量,如圖2所示,電流的不同分量形成不同諧振,通過調整天線的尺寸,使兩個諧振頻率適當接近,進而展寬天線的頻帶。天線的輻射機 理類似于八木天線,饋源端相當于引向天線的有源振子,引向端類似于引向天線的引向振子,反射板則可以看作反射振子。天線通過反射板和引向作用的輻射片向外輻射能量。調整輻射貼片單元能夠調節天線的電壓駐波比,使天線達到一定的帶寬。這里采用雙層饋電在一定程度上提高了天線帶寬,并且由于貼片的引向作用,天線的增益也會有所增加.由于縫隙上不同位置其阻抗不同,可選擇縫隙上100歐姆位置處輸入激勵, 可使100歐姆饋線并聯后與50歐姆主饋線匹配,此饋電方式有利于寬帶工作,還 可使輻射場對稱性更好。此外由于天線采用雙層饋電結構,若饋線采用矩形微帶線,兩條不同饋電層的饋線在水平面的投影呈交叉狀,饋電網絡之間必然 相互影響,其隔離度不高。采用叉子狀的雙偏置微帶線饋電能夠提高兩個端口的隔離度,減小交叉極化,提高天線的性能。

第四部分：RFID標簽天線

摘要：一種基于腔膜理論工作于2.45GHz的RFID標簽天線。采用鋸齒形邊緣替代直線形邊緣實現天線的小型化，然后采用圓弧形邊緣代替鋸齒形邊緣對天線進行優化。

1天線結構：

根據腔模理論可得邊長為 a的等腰直角三角形貼片天線（見圖 １）的諧振波數的計算公式為

其中：

由（1）式可得天線工作在 Tmn模時的諧振頻率為

對于等腰直角三角形貼片天線而言，其主要工作模式是最低階諧振模TM10和TM01，其諧振頻率為

介質板選用電路中常用的材料FR‐４（介電常數εr為4.4，板厚為1.6mm），天線直角邊 a的尺寸為41.23mm，但該天線尺寸過大，需小型化處理。圖2為天線的基本結構．可以采用如圖2a所示鋸齒形邊緣替代直線形邊緣,以保持電流流經路徑長度不變，進而實現天線的小型化。

再使用 ADS 對天線進行初步優化，得到的天線版圖如圖3所示。

根據上述分析，若采用相切的圓弧形邊緣代替鋸齒形邊緣，可有效減小電流在貼片邊緣拐彎處的突變，從而改善天線的性能。進一步優化后的天線版圖如圖6所示。進而仿真得到優化后的s11曲線如圖7所示。與圖4相比，天線中心頻率2.495GHz處的反射損耗由-24.386dB 減小到-34.478dB，-10dB時的絕對帶寬由251MHz增加到301MHz（2342~2643MHz）、相對帶寬由10.24%提高到12.29%。

圖8為優化后的天線的增益隨角度變化的關系曲線，由圖8可見優化后的天線獲得了較好的增益。

第三章：總結與展望

隨著電子器件制造技術特別是集成電路技術快速地朝著小型化和便攜式方向的發展對通信系統以及設備的小型化和寬頻帶提出了越來越高的要求。小型化要求通信系統移動方便、占用空間小；寬頻帶則要求通信系統具有高質量的通信能力。天線作為任何無線通信系統的前端收發信號的部件，往往是制約無線通信系統小型化發展的關鍵部件。

天線的性能對物理尺寸具有很強的依賴性，尺寸的減小意味著天線頻帶變窄，效 率降低。如何在保證天線性能的前提下努力減小天線的尺寸、擴展頻帶是當今天線研究領域中的熱點問題。小天線的概念具有相對性，一種是宏觀意義上的小，主要針對易于攜帶和放置，相對于工作頻帶內的波長可能并不小。另一種是 電小，指天線尺寸相對于波長很小。微帶天線屬于電小天線，現在已經大量運用在無線設備中，特別是在飛行器上和地面便攜式設備中。

本文在閱讀前人文獻的基礎上，概括總結了以上4項微帶天線的較新研究，同時附加了一款工作在2.45GHz的射頻識別天線。這些結構的微帶天線應用前景廣泛，因此寬頻帶小型化天線的研究具有重要的意義。

參考文獻

[1]張澤奎 陳星基于皮亞諾分形結構的微帶陣列天線設計《現代電子技術》-2015年15期

[2]潘勇 熊江 李潘一種新型寬頻帶多頻微帶天線設計《電訊技術》-2015年4期

[3]林濱 湯煒 葛悅禾一種小型化寬頻帶天線單元的設計與研究 《通信技術》-2014年5期

[4]趙祺 廖同慶 吳昇 一款工作在2.45GHz的小型化RFID標簽天線《安徽大學學報》-2015年5月 第39卷 第3期