带空气层的宽带微带天线的分析与设计

微带天线，作为20世纪70年代研究成功的一种新型天线，以其结构简单、重量轻、低剖面、易于与飞行器表面共形安装和可与微带电路集成等优点，在移动通信、航空航天、电子对抗及雷达等领域得到了广泛的应用。但微带天线也因其增益低、频带窄（通常带宽只有（0.7%—7%）等缺陷限制了它的应用范围。随着军事通信、移动通信中跳频、扩频通信技术的发展，要求天线在瞬时频率上宽带化显得越来越迫切，特别是我国目前处于2G-3G的过渡阶段，移动通信用户的急剧增长，使得通信系统不断更新和扩容。为减小无线通信中的干扰并降低成本，要求天线在宽频带内工作。微带天线的工作原理因此，微带天线的宽频带技术的研究已经成为一个迫切的研究课题。

1微秒的脉冲的带宽约为1mhz，则可产生很宽频带的信号，在给定的传输速率c不变的条件下，可以提高通信抗干扰能力，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。目前市场上的主要耦合器为宽带耦合器，宽带耦合器是利用带宽拓展技术以改变器件的波长特性，使其带宽在1310hm 及1550hm 双通信窗品均能拓展n *_．40am ，从而在带宽范围内均能满足光分精度要求，且满足附加损耗低、偏振敏感损耗低。为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能 不超过其菲涅尔区的20％，否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。

由此可见，展宽微带天线的带宽已经取得了很大进展，但上面的方法也存在不足。如采用厚基片的微带天线会造成表面波效应明显增加，且天线的体积及重量也会随之增大；采用阻抗匹配网络或是通过修改等效电路的方法则会带来理论上分析的复杂性和天线制作困难等问题；此外，通过改变辐射板形状的方法会对天线制造公差提出更高的要求。基于以上分析，本文采用引入空气层的方法有效地展宽了天线的工作频段，天线在整个工作频带内具有良好的辐射特性，且该天线的结构简单，易于制作。

2 设计原理

本文拟设计的双频微带天线工作于S波段（2.0GHz—4.0GHz）的频率范围内，其设计指标为：

（1）工作中心频率3.0GHz：

（2）驻波比VSWR≤2.0；

（3）天线相对带宽BW≥10%在普通矩形微带天线的设计中，可以根据所要求的带宽及增益，来确定介质板的材料及厚度。一般可以给根据天线所工作的中心频率，由以下两式求出辐射片的尺寸：

， （1）

， （2）

（3）

其中W和L分别为辐射单元的宽度和长度，为线伸长量，为介质等效介电常数。

由于本文采用带空气层的双层微带天线，故可以通过腔模理论计算出介质层的等效介电常数公式如下：

， （4）

其中为空气层厚度，为介质层厚度，为介质介电常数。

当时，微带天线的带宽的经验公式可以表示为：

，（5）

其中为中心频率，为介质基板厚度。

具有低热导率、低密度、低介电常数、高孔隙率、高比表面积等特性，可广泛用作：超级隔热材料，载体介质，特殊添加剂，介电体等等。（太阳的半径为，斯忒藩－玻尔兹曼常数）**（1）（2）太阳的辐出度对于绝对黑体故太阳的温度**（4514）若外来单色光把氢原子激发至第三激发态，则当氢原子跃迁回低能态时，可发出的可见光光谱线的条数是（a）1**b**（4528）一维无限深势阱中，已知势阱宽度为a，应用测不准关系估计势阱中质量为m的粒子的零点能量为（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）**Ｂ**（4533）1921年施特恩和盖拉赫在实验中发现：一束处于s态的原子射线在非均匀磁场中分裂为两束，对于这种分裂用电子轨道运动的角动量空间取向量子化难于解释，只能用______。"常用钢材理论重量简易计算方法1、彩涂板每吨出的米数计算方法：1000÷7.85÷基板厚度÷宽度（1000÷比重）2、彩涂板每吨出的平方数计算方法：1000÷7.85÷基板厚度3、彩涂板比重计算方法：7.85*基板厚度（1000÷每吨出的米数）举例：0.35*914*c海蓝，每吨出的米数=1000÷7.85÷0.35÷0.914=398米/吨每吨出的平方数=1000÷7.85÷0.35=364平方/吨板子比重（卷板每平方的重量）=7.85*0.35=2.75kg/m2注意要区分比重和米重的区别：每米的重量=7.85*0.35*0.914=2.51kg彩涂卷正品0.6*1250*ctdx51d+az2/270/50普通聚酯-灰白4.19电议镀层表面锌花镀层是树枝状结晶，包括连成枝干的富al的固溶体相和充填于枝间的富zn的固溶体相。

结合以上各种因素，最终设计的天线尺寸为：

辐射板尺寸：；

接地板尺寸：；

天线厚度：，其中空气层厚度为2mm，介质层厚度为1mm。

天线的设计图形如下图1所示：

图1 天线俯视图及侧视图

3 天线的仿真分析

如图8，把超级电容值设置为0，则可以仿真直接boost电路充电方式不采用超级电容系统，仿真结果如图9所示，图9(a)、图9(b)分别模拟阴天和晴天光照情况下蓄电池充电电流、及蓄电池电压。如图8，把超级电容值设置为0，则可以仿真直接boost电路充电方式不采用超级电容系统，仿真结果如图9所示，图9（a）、图9（b）分别模拟阴天和晴天光照情况下蓄电池充电电流、及蓄电池电压。（2）脉冲的仿真情况根据触发角为0°，所以晶闸管vt1，vt3，vt5，vt4，vt6，vt2的延迟时间分别为0.00166s，0.00833s，0.015s，0.01166s，0.01833s，0.025s5.4仿真结果以下为触发角为30°时的仿真结果：图5-2 输入电压波形图5-3 触发脉冲波形图5-4 输出电压波形图5-5 晶闸管承受电压波形5.5仿真结果分析由前面的理论分析知道，当α≤60°时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。

图2 天线回波损耗仿真图

图3 天线驻波比图

图4 天线辐射方向图（）

图5 天线辐射方向图（）

图6 天线辐射方向图（）

图7 天线辐射方向图（）

图1-117所示是rc串联电踣的阻抗特性曲线，图中x轴方向为频率，y轴方向为这一图1-117rc串联电路阻抗特性曲线，如图1-118所示，当输入信号频率fo时，整个rc串联电路总的阻抗不变，其大小等于风，这是因为当输入信号频率高到一定程度后，电容cl的容抗小到几乎为零，这样对cl的容抗可以忽略不计，而电阻rl的阻值是不随频率变化而变化的，所以此时无论频率是否在变化，总的阻抗不变而为rl。四分之一波长可以频率来计算，公式为:天线的长度（单位米）= （300/f）*0.25*0.96, f表示单位为mhz的频率，0.96是波长缩短率（电磁波在天线上传播时，一些因素导致波长变短，即缩短效应，工程上一般认为缩短5%左右）。由图可得，仿真曲线端口反射损失不大于-10db的频率范围为4.08~4.34ghz,其相对带宽为6.2%，而实测曲线端口反射损失不大于-10db的频率范围为4.15~4.44ghz,其相对带宽为6.8%.从中发现，实测曲线比仿真曲线的中心频率偏高，并且带宽增大。

天线对信号变形和在特定方向聚焦的能力称为天线增益，用以表达在所需方向的信号有多强(比较最坏的天线而言)、均匀地在所有方向分布信号(一种等方性的辐射)的术语。图1-117所示是rc串联电踣的阻抗特性曲线，图中x轴方向为频率，y轴方向为这一图1-117rc串联电路阻抗特性曲线，如图1-118所示，当输入信号频率fo时，整个rc串联电路总的阻抗不变，其大小等于风，这是因为当输入信号频率高到一定程度后，电容cl的容抗小到几乎为零，这样对cl的容抗可以忽略不计，而电阻rl的阻值是不随频率变化而变化的，所以此时无论频率是否在变化，总的阻抗不变而为rl。当cpu检测到零序电压信号的频率为持续三分频、二分频、基频、三倍频时cpu则判定出相应频率的谐振，然后通过控制双向晶闸管，向零序网络施加强有力的阻尼，此时铁磁谐振过电压因受到阻尼迅速衰减消失。

在天线工作频段内，当频率分别为3.0GHz、3.7gGHz和3.9GHz时，天线辐射方向图与谐振频率处的基本一致，说明天线在整个工作频段内具有良好的辐射特性。微带天线的工作原理

——2．工作原理——假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差决定。（每小题 2 分，共 20 分）1．作为经济学的两个组成部分，微观经济学与宏观经济学是：（）a.互相对立的b.没有任何联系的c.相互补充的d.完全相同的2．如果其它各种条件均保持不变，当x商品的互补品y商品的价格上升时，对x商品的需求：（）a.增加b.减少c.不变d.无法确定3．已知某种商品的需求是富有弹性的，在其他条件不变的情况下，卖者要想获得更多的收益，应该：（）a.适当降低价格b.适当提高价格c.保持价格不变d.加大销售量4．在短期中，当边际成本曲线位于平均成本曲线上方时：（）a.平均成本是递减的b.平均成本是递增的c.边际成本是递减的d.边际成本保持不变5．一个行业有很多企业，每个企业销售的产品与其他企业的产品略有差别，这样的市场结构被称为：（）a.垄断竞争b.垄断c.完全竞争d.寡头6．货币中性论认为，货币的变动：（）a.只影响实际变量而不影响名义变量b.只影响名义变量而不影响实际变量c.同时影响名义变量和实际变量d.既不影响名义变量也不影响实际变量7．总需求曲线向右下方倾斜是由于：（）a.物价水平上升时，投资会减少b.物价水平上升时，消费会减少c.物价水平上升时，净出口会减少d.以上都是 8．在is曲线不变的情况下，货币量减少会引起：（）a.国内生产总值增加，利率下降b.国内生产总值增加，利率上升c.国内生产总值减少，利率上升d.国内生产总值减少，利率下降9．根据菲利普斯曲线，降低通货膨胀率的办法是：（）a.减少货币供给量b.降低失业率c.提高失业率d.增加工资 10．凯恩斯主义货币政策是要通过对（ ）的调节来调节利率，再通过利率的变动影响总需求：a.贴现率b.准备率c.货币供给量d.货币需求量三、判断正误题：正确的命题在括号里划“√”，错误的命题在括号里划“×”。【中华地板网】由于地面采暖的特殊性，安装地暖对地板的要求也非常严格，因此，选购适用于地暖的地板时，除了在满足常规质量指标的同时，还要更符合地暖使用的要求，那么地暖用什么地板好呢。

为了说明所设计的天线性能的优越性，我们将其与普通单层微带天线进行了对比。对普通单层微带天线进行了仿真，其回损图、驻波比图及谐振频率点的辐射方向图如下：

图8 普通天线回波损耗仿真图

图9 普通天线驻波比仿真图

图10 普通天线辐射方向图（）

图11 天线辐射方向图（）

从图8和图9可以看出，普通单层微带天线的工作频段分别为2.92～０3.24GHz和3.46～3.88GHz，其相对带宽为 10.39% 和11.44% ，天线在3.25～3.45GHz频段内的阻抗匹配欠佳。可见，采用带空气层的双层微带天线有效地改善了天线的阻抗匹配，天线的工作带宽明显大于普通单层微带天线的带宽。从图10和图11可知，普通微带天线的辐射特性与带空气层的微带天线的辐射特性基本相同。

通过以上分析我们可以得出，带空气层的微带天线整体性能良好。该天线在保证宽带工作的同时，天线具有很高的增益，且其后向辐射很低。

4 结语

本文采用带空气层的微带天线来实现了天线的宽频工作特性，并将该天线与普通单层微带天线进行了仿真分析对比。通过仿真结果分析表明，天线在保证宽带工作的前提下，天线在整个工作频段内的辐射特性良好。此外，所设计的天线结构简单，方便制作，在一定程度上减轻了天线的重量，从而节约了天线成本，在天线工程中具有良好的应用前景。

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