视听界广播电视技术一、 概述近些年来, 天线作为通信、 广播、 雷达、 制导等无线电应用系统的关键设备在功能、 设计及制造工艺上都发生了巨大变化。在国内, 幅域广阔, 虽然有线网发展迅速, 但对于广大的农村以及偏远的地区,无线传输可能是唯一的选择。在广播电视技术领域, 随着广播电视在农村的普及, 微带天线的发展和应用有着广阔的市场和光明的前途。尤其在移动广播电视中, 微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。然而, 一般单层微带天线的带宽只有0 . 7 %7 %, 频带窄这一主要缺点制约了它的发展。目前, 很多的研究人员致力于展宽微带天线的带宽, 采用了各种方法, 使得天线单元的带宽达到了1 3 %,1 6 %,2 5 %甚至4 0 %(S WR 2) 。并且, 由于现代移动通信单元小型化的发展需要,天线紧凑化也成了微带天线设计的追求目标之一。二、 微带天线的简介同常规的微波天线相比, 微带天线具有一些优点。因而, 在大约从1 0 0 MH z到5 0 G H z的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比, 微带天线的一些主要优点是:重量轻、 体积小、 剖面薄的平面结构, 可以做成共形天线;制造成本低, 易于大量生产;可以做得很薄, 因此, 不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能;无需作大的变动, 天线就能很容易地装在导弹、 火箭和卫星上;天线的散射截面较小;稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化 (左旋和右旋) ;比较容易制成双频率工作的天线;不需要背腔;微带天线适合于组合式设计 (固体器件, 如振荡器、 放大器、可变衰减器、 开关、 调制器、 混频器、 移相器等可以直接加到天线基片上) ; 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。但与常用微波天线相比, 也有一些缺点:频带窄;有损耗, 因而增益较低;大多数微带天线只向半空间辐射;最大增益实际上受限制 (约为2 0 d B) ;馈线与辐射元之间的隔离差;端射性能差;可能存在表面波;功率容量较低但是有一些办法可以减小某些缺点。例如, 只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。在许多实际设计中,微带天线的优点远远超过它的缺点。三、 微带天线的分类1、 按形状分类, 可分为矩形、 圆形、 环形微带天线等。 贴片形状是多种多样的,实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制, 必须用到其他形状的微带贴片天线。例如, 国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图, 即E面和H面方向图在端射方向的电平也要求在半功率电平以上,而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此, 为使微带天线适用于各种特殊用途,对各种几何形状的微带贴片天线进行 分 析 就 具 有 相 当 的 重 要性。2、 按结构特征把微带天线分为两大类, 即微带贴片天线和微带缝隙天线.在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上, 一面附上金属薄层作为接地板, 另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片, 利用微带线和轴线探针对贴片馈电, 这就构成了微带贴片天线; 把上述接地板刻出窗口即缝隙, 而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电,这就构成了微带缝隙天线。缝隙可以是矩形 (宽的或窄的) , 圆形或环形。3、 按工作原理分类, 无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺宽带微带天线理论与设计方法冯钧9 0寸, 一般只能工作在谐振频率附近; 而后一类天线无谐振尺寸的限制, 它的末端要加匹配负载以保证传输行波。四、 微带天线的馈电大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元, 因此,可以用微带天线或同轴线馈电。特定的天线模可用许多方法激励。如果场沿矩形贴片的宽度变化, 则当馈线沿宽度移动时, 输入阻抗随之而变, 从而提供了一种阻抗匹配的简单办法。馈电位置的改变, 使得馈线和天线之间的耦合改变, 因而使谐振频率产生一个小的漂移, 而辐射方向图仍然保持不变。不过, 稍加改变贴片尺寸或者天线尺寸, 可补偿谐振频率的漂移。因为天线输入阻抗不等于通常的5 0 W传输线阻抗, 所以需要匹配。匹配可由适当选择馈电的位置来做到。但是,馈电的位置也影响辐射特性。 馈电点的位置也决定激励那种模式。 当天线元的尺寸确定以后, 可按下法进行匹配: 先将中心馈电天线的贴片同5 0 W的馈线一起光刻, 测量输入阻抗并设计出匹配变阻器; 再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器, 重新做成天线。另外, 如果天线的几何图形只维持主模,则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。对于微带馈电,用惠更斯原理可以把馈源模拟为贴在磁壁上沿z方向的电流带。在薄的微带线中, 除了馈线的极邻近区域外, 在贴片边界上的任何地方, 这个电流都很小。在理想的情况下, 可假定馈源是一个恒定电流的均匀电流带。边缘效应要求电流带的宽度等于馈线的有效宽度,馈线对微带天线输入阻抗的影响表现为增加了一个感抗分量,此感抗可以由电流带的尺寸来计算。根据惠更斯原理,同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。这个电流在地板上被环状磁流带圈起来, 同轴线在地板上的开口则用电壁闭合。如果忽略磁流的贡献, 并假定电流在圆柱上是均匀的, 则可进一步简化。简化到最理想的情况是, 取出电流圆柱, 用一电流带代替, 类似微带馈电的情况。 该带可认为是圆柱的中心轴,沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带, 对于给定的馈电点和场模式, 等效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹一致性经验地确定。一旦这个参数确定了,它就可以用在除馈电点在贴片边缘上以外的任何馈电位置和任何频率。当馈电点在贴片边缘上时, 可以认为, 在贴片边缘上的边缘场使等效馈电宽度不同于它在天线内部时的值。在矩形天线中, 等效宽度为同轴馈线内径的五倍时, 可给出良好的结果。五、 微带天线的理论分析方法分析微带天线的方法有多种,常用的有传输线法,谐振腔模型法,矩量法,有限元法及时域有限差分法等。在分析方法上,已经由无限周期结构的近似分析发展到了有限尺寸阵列的全波一体化分析。 目前主要有两种做法,一是直接利用矩量法,二是对无限阵的结构进行修正。 这些分析主要在频域中进行。 而用时域有限差分法( F D T D )分析微带贴片天线及对有限尺寸微带天线阵进行宽带、 全波、 一体化分析日益得到人们的重视。F D T D法具有如下优点:( 1 )用F D T D的离散空间网点可以较精确的模拟微带天线(阵)的实际结构;( 2 )易于得到计算空间场的瞬态分布情况,( 3 )通过一次时域计算,可得一个频域上的天线参量(如输入阻抗、 辐射方向图)的宽频信息;( 4 )由于微带天线的几何结构尺寸一般不会比工作频带上的最短波长大很多,因此不会出现需用巨额数量网格的问题,亦即分析计算时不会出现存储量过大的问题。这些明显的特点使F D T D法在微带天线和微带电路的分析中得到广泛应用。由于微带结构的频域信息对吸收边界条件的残留反射引起的误差特别敏感,因此,减少吸收边界的反射是提高计算精度的关键之一。完全匹配层( P ML )吸收边界条件,以其反射误差均小于以往人们提出的吸收边界而得到人们的重视,最近提出的修正完全匹配层吸收边界( MP ML ) ,在吸收凋落波方面比P ML更加有效。六、 展宽微带天线带宽的主要方法1、 采用特殊材料的介质基片微带天线阻 抗 频 带 窄 的 根 本 原 因 在 于 它 是 一 种 谐 振 式 天线, 它的谐振特性犹如一个高Q并联谐振电路。因此, 展宽频带的基本途径是降低等效谐振电路的Q值。这样,可以采取增大基片厚度, 降低基片的介电常数r等方法实现。由于因辐射引起的Q值几乎与电厚度h /成反比, 所以加厚基片是展宽频带的有效手段, 但是基片加厚过大会引起表面波的明显激励。降低r可以将带宽扩至1 2倍,同时可以减小表面波的影响,但要求馈线宽, 需抑制辐射损耗的加大。目前, 一个不常用但非常简单的降低Q值的方法是采用大损耗基片或附加有耗材料。例如用铁氧体材料作基片可以明显展宽频带,且使贴片尺寸大为减小即实现了小型化, 但由于损耗大, 其效率很低。2、 附加阻抗匹配网络这种方法实际上并不属于天线本身的问题,而是属于馈线匹配问题。由于线极化微带天线的工作带宽主要受其阻抗带宽限制, 因此采用馈线匹配技术就能使他工作于较宽频域上。例如采用简单的双枝节匹配技术, 可将带宽增大至2倍左右。利用切比雪夫网络来综合宽频带阻抗匹配网络,可将带宽增大到4倍左右。如图1所示的这种结构, 由于采用探针馈电, 所以不可避免地给天线附加了较大的输入电抗。因此根据传输线理论引入图中的传输线枝节 (s t u b) , 使他与天线贴片共面并与贴片的辐射边相连。这样, 他可以补偿馈电探针引起的输入电抗, 使整个天图19 1视听界广播电视技术线达到匹配。在这里, 微带传输线枝节就充当了一个简单的匹配网络。因此, 当天线和枝节的尺寸与位置设计合理时, 微带天线的带宽可以达到2 5 %。这种天线结构简单, 制作方便, 匹配也比较易于实现。但是, 引入的传输线枝节本身也要引起辐射, 从而干扰天线方向图, 降低效益。3、 天线加载在微带天线上加载短路探针,可以提高谐振频率以调谐天线。 天线采用探针馈电, 他的典型结构如图2所示。 这种结构中,主要是通过调整馈电探针的位置来激励多种相邻的谐振模式,然后借助于短路销钉调谐各个谐振频率,使所有的谐振点适当接近, 这样天线总的工作频带将大大展宽。馈电探针的位置一般偏离天线主轴, 用以激励不同的谐振模式, 而短路销钉均匀地分列于贴片边缘, 用以调谐天线和实现天线小型化。这种结构的微带天线, 如果探针和短路销钉的位置选取适当, 他的工作频带可以达到6 7 . 5 %。 但是在这种结构中, 阻抗匹配极大地依赖于短路销钉和探针的位置,并且短路销钉的粗细和数量都比较明显地影响谐振频率, 所以调谐和实现匹配比较困难, 计算和仿真也比较复杂。4、 采用多层介质基片微带天线的结构采用多层介质基片,将馈电网络与天线贴片分别置于不同的介质基片上,这样可以获得宽频带的驻波比特性。这种类型的微带天线普遍采用的是电磁耦合的馈电方式。早期出现的这类型天线 (以双层为例) 如图3, 他利用馈线本身对贴片进行馈电,改变贴片振子与馈线的相对高度和改变贴片中心与馈线端点的相对位置, 就可以获得一个匹配点。利用这种馈电方式在基片厚度选取合适的情况下带宽可以达到7 . 7 %。 这种结构的改进如图4, 他同样采取电磁耦合的馈电方式, 与以前不同的是他的匹配利用一个短的调谐枝节来实现,这种方法比较容易快速和精确地找到匹配点。当天线模型设计得当时, 他的带宽可以达到1 3 %。 同时, 采用多层介质基片可以实现多频段工作, 当配置得当时, 多个谐振频率适当接近, 结果将形成频带大大展宽的多峰谐振电路。目前, 采用多层介质基片展宽频带的微带天线中, 馈电还可以利用口径耦合实现, 也就是在天线贴片与馈电网络加1个带有缝隙的接地板,微带线通过此口径对贴片馈电。总的而言, 采用多层介质基片展宽频带这种方法, 匹配调节比较复杂而且精确度不是很高。同时, 随覆盖层厚度的增加, 天线的谐振频率呈单调降低, 并且驻波比先减小后增大。因此, 在设计天线过程中,必须考虑覆盖层对天线贴片和馈电网络的影响, 这样加大了计算量和设计难度。5、 采用多层介质基片近年来, 由于无线通信的发展需求, 各种形状的微带贴片天线都被用来拓展频带和实现天线的小型化。例如蝶形、 倒L形、三角形等等。上述的各种宽带方法可以分别单独使用,但一般为了改善天线性能, 常综合采用多种方法。(作者单位: 江苏省广播电视总台广播技术部)图2图3图4蝶行倒L行三角形9 2