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应用分析与设计方法
应用情况
微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点,因此其应用前景广阔,尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例,简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信,天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成,安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源,靠改变各磁流的位置,可改变天线的方向性。
馈电方式与阻抗
矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。不论那种方式,其谐振输入电阻Rin很大,为使Rin与50Ω馈电系统相匹配,则阻抗变换器是不可少的。为实现匹配,输入阻抗的大小必须知道。整个微带天线的输入导纳可看作是一个缝的导纳,经长度为L的低特性阻抗传输线变换后,再与另一个缝的导纳并联,谐振状态其输入电纳为零,输入导纳等于两倍的输入电导Yin-2G∑〃
当Wλ时,
G∑〃=w2/90λz
其值通常比微带传输线的特性导纳小很多,接近开路状态,因此限制了天线的阻抗频带。为了使频带加宽,可增加基片的厚度,减小基片的εr值,以使特性导纳降低;再增加W使辐射电导提高。 由上式可见,方向函数由两个因子组成,其中一个sinθ即基本磁阵子的方向函数;另一个就是长度为L的等幅同相连续阵的阵因子。
矩形微带天线单元的辐射就等于上述裂缝组成的间距为L的二元阵的辐射。如图3所示二元阵本文转自微波仿真论坛
天线的辐射场为 ,r是微带中心到场点的距离。
由于hλ,故F2(θ,φ)≈1
同样
(4) 由上式可见,若φ=0,则此平面上仅有Eθ分量,故此平面为E面;而在φ=90°平面,Eθ=0,仅有Eφ分量,故为H面,这是与波传播方向垂直的平面,最大辐射方向在θ=0即z轴。这是因为激励二元阵的特点。
该型炮弹引信微带天线采用侧馈方式,在制作侧馈的矩形微带天线时,可按下述方法实现匹配:将中心馈电天线的贴片同50Ω馈线一起光刻制作,实测其输入阻抗并设计出匹配变换器,然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器就做成所需的天线。
辐射模型
图4所示为该型天线式样
图4 某型引信微带天线
由实地测量、试验等方法,可得出其εr,f0,h,W,L,并由上述公式得出微带天线εe,λg,Z0。 以传输线理论分析方法为依据,用等效磁流的观点建立模型。同时根据电压波形考虑微带两开口端辐射,以及两转折弯头的辐射,给出各不连续处的电场,得到磁流的大小与方向。由于金属底板的反射,用镜像的原理得其相应的场源分布情况。微带天线上各处辐射情况如图5所示。
图5 该型微带天线的辐射模型
定量分析方法
由天线辐射原理模型可以看出,共有6对磁流源,y轴平行排列着Im6Im′6,Im1Im′1,Im3Im′3,Im5Im′5,x轴轴向排列有Im2Im′2,Im4Im′4等。求解总辐射场时,可看作是这5个二元缝阵辐射场的叠加。图5中所标的字母Im1,Im2,Im3…等,是以Im1点为参考所作的归一化,用来表示各辐射点电场幅值的大小;另外用β1,β2,β3表示Im3,Im5,Im6点电压相位滞后于Im1点的数值。这些数值的获取是通过对微带贴片的实际测量,代用公式求得微带上传输波的波长并求得相应的波形,这样各点相位滞后情况就可知道,代用式(1)便可求出各点的等效磁流的大小。由于测量的误差,势必造成计算结果的失真,严重时,可能导致所得到的天线参数与实际情况背离很远。针对上述辐射源排列,现简单的作一探讨,列出其辐射方程,供大家讨论。该情况下,天线方向图的E面、H面上有水平和垂直两种极化方式。求解时单独考虑。
(1)φ=90°平面上,Im1-Im′1,Im6-Im′6,Im3-Im′3,Im5-Im′5组成的辐射阵,在该面上只有Eφ分量,Im2-Im ′2,Im4-Im′4组成的辐射阵,则只有Eθ分量。所以存在两种极化方式。公式如下: 上述式(5)、(6)、(7)、(8)描述了该型微带天线辐射的情况。C语言编程实现该过程。由模拟出的方向图可以较清楚地看到,φ=90°平面即垂直于弹轴的赤道面上,天线的方向图呈两个8字型,一个为竖8字型,一个为横8字型,这一点与实测的天线方向图相符合。φ=0°平面即平行于弹轴的子午面上,水平极化为一前倾的半圆形,这与实际也相符,但是垂直极化的方向图与实测的方向图不够符合。其原因与尺寸测量误差有关。
改变介质板的厚度,介电常数,微带贴片的宽度等,就从根本上改变了微带传输线上的波形(传输波长λR与上述参数有密切的关联)。从对方向图影响的角度来看,赤道面上影响不大,但在子午面上影响明显,前倾的半圆形可能会变成横8字型(当然这是在保证天线尺寸不变的情况下)。
微带天线

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