微波技术与天线

关键词： 射频 微波 系统

微波技术与天线（精选八篇）

微波技术与天线 篇1

随着信息技术的飞速发展, 作为信息主要载体的高频电磁波———微波, 已渗透到人类生活、工业、科研、军事等各个领域。如卫星通信、蜂窝电话、无线局域网、雷达、全球定位等系统[1]。因此, 对于通信与电子专业的学生来说, 微波技术与天线类课程的学习在目前乃至今后都占据着重要地位。

2 课程主要特点

“微波技术与天线”是电子与通信类专业本科生必修的一门专业基础课程, 课程涵盖的内容是电子与通信类专业学生所具备知识结构的重要组成部分[2]。“微波技术与天线”是一门理论与工程性、实践性较强的课程, 主要包括微波技术和天线两部分。通过这门课程的学习, 学生应掌握微波和天线技术的基本概念、基本理论和基本分析、设计方法。该课程着重培养学生分析问题和解决实际问题的能力, 为今后从事微波理论研究、微波通信设备的研发和微波电路设计等工作打下坚实的基础。此外, “微波技术与天线”作为一门重要的专业基础课, 也是“卫星通信”、“移动通信”、“雷达探测”等后续课程的重要基础, 对后续课程的学习起着至关重要的作用。

“微波技术与天线”课程具有如下几个特点:2.1理论性强, 对学生数学基础要求较高。本课程以电磁场理论为基础, 以Maxwell方程组为核心, 推导出传输线方程和广义传输线方程, 并以此为基础, 讨论电磁波在理想传输线、导波系统以及自由空间中的传播特性。通过对电磁波传输特性的描述, 引入天线辐射与接收原理。这一过程中涉及大量的数学分析, 因此要求学生熟练掌握高等数学, 复变函数和矩阵理论等课程知识。2.2课程内容复杂而抽象。传输线理论是微波技术重要理论之一, 一定条件下可以采用电路的方法推导传输线方程, 即在一定条件下“化场为路”, 研究电磁波传输特性[3]。波导理论主要讨论矩形波导、圆波导、同轴线等的物理构成及工作原理。其理论基础是广义传输线方程, 而广义传输线方程是三维空间内求解Maxwell方程组。课程中的微波元件部分主要讨论各种微波元件, 各种元件根据其功能的不同, 可以通过A网络和S网络进行研究。天线部分的学习主要基于微波建立的电磁波传播特性, 引入各种形式的天线, 包括线天线、面天线等, 天线的发射和接收涉及到馈电技术和阻抗匹配原理。而天线的辐射则涉及到方向图理论。无论是微波中的“化场为路”方法、广义传输线理论、网络技术, 还是天线中的馈电原理、阻抗匹配原理、辐射方向图等都比较抽象。要求学生有一定的空间想象能力和抽象思维能力。因此, 如何让学生在课程的学习中掌握理论与工程结合、抽象思维和形象思维结合, 是非常重要的。2.3课程工程性强。本课程与工程应用紧密联系, 具有很强的工程应用背景。如:导航、雷达, 遥感、微波通信等系统, 都是基于微波理论的。

3 传统教学中存在的问题

传统微波与天线教学过程中存在的问题主要表现为三个方面。3.1教学模式存在问题。目前很多高校依然采用传统的板书式教学, 板书所占课时的比重较大。这对于微波技术与天线这种理论推导比较严谨的课程, 有助于让学生充分理解公式的由来, 但无法扩充教学内容, 效率无法充分提高。在此基础上, 部分学校选择采用全多媒体式教学, 即依靠多媒体课件授课[4,5]。这种教学方式需要提前备好多媒体讲稿, 课堂授课时教师只需要根据讲稿进行扩充讲解即可, 因此效率较高。该方式下教师能够在规定课时内根据需要扩充和丰富教学内容, 但由于多媒体课件通常条目简单, 多数靠教师讲解, 讲解过程中很少写板书, 甚至不写板书, 导致讲解速度过快, 学生没有记笔记和思考的时间, 跟不上教师的授课进度, 很容易走神, 不能激发学生的学习积极性、主动性, 自然就感觉不到使用多媒体手段教学的优越性。3.2传统教学方式偏重基础理论教学, 实践教学所占比重较小。由于课程内容较多, 难度较大, 因此, 在有限的课时内仅仅能将基本概念, 原理和方法教授给学生, 而对微波技术的实际应用、发展前沿以及更深层次的具有探索性的专业问题涉及较少。3.3微波元器件和天线部分都是偏重于微波的应用, 因此课堂只注重大量理论讲解, 会导致学生不能够理论联系实际, 不免觉得枯燥乏味, 不利于提高学生的学习兴趣和对微波技术的认识。因此, 教师应根据课程特点, 对授课方法和授课内容安排做出调整, 探索以现代信息技术为基础的新型教学方法和教学模式, 充分发挥学生学习的积极性和自主能动性, 从而提高教学质量。

4 教学改革

4.1针对传统微波技术与天线教学过程中存在的第一个问题, 应采用多媒体与板书相结合的方式来解决。在教学中, 要根据教学内容, 采用最适合的教学手段和最好的教学方法。如“微波技术与天线”课程中的一些教学内容, 只适合于用传统板书式教学方法进行教学, 如微波部分的广义传输线方程的推演过程;而一些教学内容则适合于采用多媒体与板书相结合的方式, 取长补短, 如微波部分的均匀无耗长线的工作状态分为行波、驻波和行驻波三种, 电压电流表达式的推导过程需要板书讲解, 而电压、电流分布图以及三种传输状态则需要多媒体课件动态地表现出来, 既生动又形象, 使学生在理论学习的基础上对所学内容有更直观的认识。遵从上述原则有利于克服多媒体手段和传统板书式教学方法的不足, 最大限度地发挥各自的优势, 强调两者组合的整体功能, 以收事半功倍之效。4.2针对传统微波与天线教学过程中存在的第二个问题, 应采用工程应用背景与教学内容相结合的方式来解决。微波技术课程内容比较抽象, 学生在学习中不易建立概念, 也会因怀疑课程的实用性从而减少学习的动力。针对这些问题, 应多注重对于课程内容实际应用背景以及最新前沿技术的介绍, 以应用为主线和重点进行教学内容的设计, 使其与实践密切联系, 增强学生学习的针对性, 极大地调动学生的兴趣和积极性。比如微波技术授课过程中, 涉及微波在介质中传输, 在良导体内迅速衰减部分时可以以微波炉不采用金属容器以及我国“蛟龙号”潜水艇水下通信为背景进行讲解, 理论建立于实际应用上, 更能提高学生的学习兴趣。4.3针对传统微波技术与天线教学过程中存在的第三个问题可以采用配合实验教学、实习参观和项目实践相结合的方法加以解决。首先需要加强实验课教学。由于该课程理论性强, 课程内容抽象难于理解。单纯理论授课学生不易接受, 因此实验课是一个至关重要的环节。如:课堂讲解微波的驻波传输状态时, 可配合进行驻波测量实验课教学;课堂讲解微波传输衰减时, 可配合进行衰减测量实验课教学;课堂讲解无耗双口网络应用时, 可配合进行单螺钉调配器实验教学。理论授课配合实验教学, 学生可以通过观察形象、生动的实验现象, 寻找产生该现象的本质理论基础, 通过理论联系实际, 加深对课堂所学知识的理解。此外, 解决实验课中意外发生的实际问题, 不仅培养了学生实践能力, 同时激发学生了解决问题的兴趣和热情。其次需要增设工程实习环节。由于该课程理论性强, 因此学生会对课程在实际中的应用性产生质疑, 遇到实际问题时又无从下手。为了解决这一问题, 可配合增加学生工程实习环节。如:我院与中国卫星海上测控部共建实践基地, 利用学生假期时间, 为学生提供基地实习参观机会。授课教师和基地教员带领学生参观测量船, 参观过程中, 联系课堂所学知识为学生讲解仪器设备的基本工作流程, 并实地操作加深学生印象。实践证明, 通过增设工程实习环节, 学生将课程内容很好地容融入到实际应用中, 进一步强化了学生对理论知识的理解, 有效地提高了学生综合分析问题和解决实际问题的能力。最后, 可以鼓励学生加入到授课教师的科研项目中进行项目实践。通过项目实践, 在提高学生理论认识的基础上, 激发学生的探索意识, 提高学生的创新能力。

5 结论

教学改革是一个长期的、不断探索、逐步完善的过程。为了使课程教学更好地服务于学生, 应该打破传统的教学模式, 在利用多媒体技术的基础上, 将课堂理论讲解与课后实验、课后实习以及项目实践相结合, 通过理论与实验的穿插进行, 项目实践、基地实习的配合, 使学生理性分析与感性认识相结合, 充分调动学生的学习兴趣和积极性, 提高学生的创新能力, 培养出社会真正需要的综合型技术人才。

参考文献

[1]李素萍, 吴伟“.微波技术与天线”课程教学改革探讨[J].中国电力教育, 2011, (8) :108-109.

[2]郑学梅, 邬春明, 雷宇凌.浅谈《微波技术》课程教学改革[J].科技创新导波, 2008, (24) :164

[3]王新稳, 李萍, 李延平.微波技术与天线 (第2版) [M].北京:电子工业出版社, 2008.

[4]刘茁.微波技术与天线教学中多媒体的合理使用[J].中国科教创新导刊, 2009, (29) :168.

微波技术与天线--复习归纳免费版 篇2

1.均匀传输线（规则导波系统）：截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统。

2.均匀传输线方程，也称电报方程。

3.无色散波：对均匀无耗传输线, 由于β与ω成线性关系, 所以导行波的相速vp与频率无关, 称为无色散波。色散特性：当传输线有损耗时, β不再与ω成线性关系, 使相速vp与频率ω有关,这就称为色散特性。

Ucos(z)jI1Z0sin(z)ZjZ0tan(z)Zin(z)1Z0102vpU1ZjZtan(z)01I1cos(z)jsin(z)frZ0 任意相距λ/2处的阻抗相同, 称为λ/2重复性z1 终端负载

A2ejzZ1Z0j2z(z)e1ej2zjzZ1Z0Ae1Z1Z01ej1Z1Z0

终端反射系数

均匀无耗传输线上, 任意点反射系数Γ(z)大小均相等,沿线只有相位按周期变化, 其周期为λ/2, 即反射系数也具有λ/2重复性

Z(z)Z0U(z)1Z()1(z)inZin(Z)Z01Zin(z)Z0 I(z)1(Z)1 1U/U11电压驻4.11U/U11波比 其倒数称为行波系数, 用K表示

5.行波状态就是无反射的传输状态, 此时反射系数Γl=0, 负载阻抗等于传输线的特性阻抗, 即Zl=Z0, 称此时的负载为匹配负载。综上所述, 对无耗传输线的行波状态有以下结论: ① 沿线电压和电流振幅不变, 驻波比ρ=1;

② 电压和电流在任意点上都同相;③ 传输线上各点阻抗均等于传输线特性阻抗

β6终端负载短路：负载阻抗Zl=0, Γl=-1, ρ→∞, 传输线上任意点z处的反射系数为Γ(z)=-e-j2z

Zin(Z)jZ0tanz 此时传输线上任意一点z处的输入阻抗为① 沿线各点电压和电流振幅按余弦变化, 电压和电流相位差 90°, 功率为无功功率, 即无能量传输;② 在z=nλ/2(n=0, 1, 2, …)处电压为零, 电流的振幅值最大且等于2|A1|/Z0, 称这些位置为电压波节点；在z=(2n+1)λ/4(n=0, 1, 2, …)处电压的振幅值最大且等于2|A1|, 而电流为零, 称这些位置为电压波腹点。③ 传输线上各点阻抗为纯电抗, 在电压波节点处Zin=0, 相当于串联谐振, 在电压波腹点处|Zin|→∞, 相当于并联谐振, 在0＜z＜λ/4内, Zin=jX相当于一个纯电感, 在λ/4＜z＜λ/2内, Zin=-jX相当于一个纯电容，从终端起每隔λ/4阻抗性质就变换一次, 这种特性称为λ/4阻抗变换性。

XXls1arctan(1)locarccot(c)2Z0

开路线loc2Z0 短路线ls l9.无耗传输线上距离为λ／4的任意两点处阻抗的乘积均等于传输线特性阻抗的平方, 这种特性称之为λ/4阻抗变换性。

10.负载阻抗匹配的方法 基本方法：在负载与传输线之间接入一个匹配装置（或称匹配网络），使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗Z0.对匹配网络的基本要求：简单易行、附加损耗小、频带宽、可调节以匹配可变的负载阻抗。实现手段分类：串联λ/4阻抗变换器法、支节调配器法

ZZ0R1(1)因此当传输线的特性阻抗

0时, 输入端的输入阻抗Zin=Z0, 从而实现了负载和传输线间的阻抗匹配(2)串联

Xs1Xlsc1短路支节：arctgarctg2Z20Z0Z1loc1Z开路支节：arctg0arctg02X若求出的长度为负值，则加上λ/2取其正Xs2Y1lsc1Y短路支节：arctg0arctg02BBs2B1Bloc1开路支节：arctgsarctg2Y02Y0

若求出的长度为负值，则的结果

并联

加上λ/2取其正的结果

11.练习： 设无耗传输线的特性阻抗为50Ω，工作频率为300MHz, 终端接有负载Zl=25+j75(Ω), 试求串联短路匹配支节离负载的距离L1及短路支节的长度L2。第二章

1.规则金属波导的特征: 沿轴线方向，横截面形状、尺寸及填充媒质的电参数和分布状态均不变化的无限长的直波导。管壁材料一般由铜、铝等金属制成。

2.规则金属波导的特点，规则金属波导仅有一个导体，不能传播TEM导波；每种导模都具有相应的截止波长c（或fc），只有满足条件c> （工作波长）或fc

222kkc3.为传输系统的本征值 当β=0时, 意味着波导系统不再传播, 亦称为截止, 此时

kc=k, 故将kc称为截止波数

4.描述波导传输特性的主要参数有: 相移常数、截止波数、相速、波导波长、群速、波阻抗及传输功率

22kk0,即k0ccc5.导行波的分类 此时E=0和H=0TEM波 0将E≠0而H=0的波称为磁

z

z

z

z场纯横向波, 简称TM波 将Ez=0而Hz≠0 的波称为电场纯横向波, 简称TE波 快波：TM波和TE波,其相速vp=ω/β＞c/

均比无界媒质空间中的速度要快, 故称之为快波

cTEmncTMmn6.TE10模特点：场结构简单、稳定、频带宽和损耗小 7.管壁电流：波导中传输微波信号时在金属波导内壁上产生的感应电流研究波导管壁电流结构的意义：波导损耗的计算需要知道波导管壁电流；实际应用中，波导元件的连接及通过在波导壁上开槽或孔以做成特定用途的元件，此时接头与槽孔的位置就不应破坏波导管壁电流的通路，否则将严重破坏原波导内的电磁场分布，引起辐射和反射，影响功率的有效传输；当需要在波导壁上开槽做成缝隙天线时，开槽应切断管壁电流。矩形波导TE10模的管壁电流与管壁上的辐射性和非辐射性

8.圆波导的主模：TE11模

cTE11＝3.41a； cTM01＝2.61a； cTE01＝1.64a

电场激励：把激励装置放在波导中所需模式电场最强的位置，并使其产生的电场与所需模式电场一致 磁场激励把激励装置放在波导中所需模式磁场最强处、并使其产生的磁场与所需模式磁场一致。电流激励当用馈电波导去激励另一波导时，常采用孔激励．由于波导开口处的辐射类似于电流元的辐射，故称电流激励。第六章

1.用来辐射和接收无线电波的装置称为天线

2.天线应有以下功能 ① 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配。② 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接收, 即天线具有方向性。 22c22kcmn(m/a)(n/b)③ 天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。 ④ 天线应有足够的工作频带新功能：对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。

3.天线的分类：

按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等;按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；

按辐射元的类型： 线天线和面天线。所谓线天线由半径远小于波长的金属导线构成;面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成的。

4.电基本振子是一段长度远小于波长, 电流I振幅均匀分布、相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成。5.60IlEjsinejkrrIlHjsinejkr2r电基本振子的远区场 ① 电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场;在不同的方向上, 辐射强度是不相等的，说明电基本振子的辐射有方向性。

|E(,)|F(,)|E(,)|max 6.场强振幅归一化方向性函数

6.主瓣宽度：半功率波瓣宽度：方向图主瓣两个半功率点之间的宽度, 在场强方向图中, 等于最大场强的 1/2 两点之间的宽度;零功率波瓣宽度：头两个零点之间的角宽

7.第一旁瓣电平的高低, 在某种意义上反映了天线方向性的好坏。如旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强, 而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好。8.D4Le2

9.收发互易性：同一天线作为发射和接收时的电参数相同 002F(,)sinddAe输入点电流实际天线的有效长度

1LI(z)dzLI0

20010.接收天线的有效接收面积

11.接收天线的方向性 ① 主瓣宽度尽可能窄, 以抑制干扰② 旁瓣电平尽可能低③ 天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点 第七章

1.电波传播方式：视距传播；天波传播；地面波传播；不均匀媒质传播

2F(,)sindd22.Friis传输公式:

S03.衰落现象衰落：指信号电平随时间的随机起伏。分类：吸收型衰落和干涉型衰落。 吸收型衰落：主要是由于传输媒质电参数的变化, 使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。慢衰落：由上述原因引起的信号电平的变化较慢, 称为慢衰落（图7-1(a)）干涉型衰落：由随机多径干涉现象引起的。在某些传输方式中, 由于收、发两点间存在若干条传播路径, 典型的如天波传播、不均匀媒质传播等。快衰落：多径干涉引起的P4πr2

|E0|21S0Re(EH*)2240π 信号起伏周期很短, 信号电平变化很快

4.视距传播：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。可用于地面通信、卫星通信以及雷达等 第八章

1.元因子：表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数, 其值仅取决于天线元本身的类型和尺寸。体现了天线元的方向性对天线阵方向性的影响。阵因子：表示各向同性元所组成的天线阵的方向性, 其值取决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振幅和相位, 与天线元本身的类型和尺寸无关。

2.方向图乘积定理：在各天线元为相似元的条件下, 天线阵的方向图函数是单元因子与阵因子之积。

3.宽频带天线：阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化的天线；非频变天线：阻抗、方向图等电特性在更大频程范围内（如fmax/fmin≥10）基本不变化的天线。

4.智能天线分类（1）、切换波束天线：具有有限数目的、固定的、预定义的方向图（2）、自适应阵列天线 采用高级信号处理算法从接收到的信号中分辨出期望信号、干扰信号以及它们的方向和相关性，并利用这些信息分别对期望信号和干扰信号加以增强和抑制。同时不断地自适应地形成新的波束实现动态跟踪，始终保持使主瓣指向期望用户，而将干扰信号置零。

5.智能天线对移动通信系统的性能改善：

1、提高频谱利用效率，增大系统容量

2、克服远近效应，实现空时多用户检测

3、减小电磁污染及相互干扰

4、实现移动台定位，为越区切换提供可靠的依据

5、增强系统的安全性

6、降低无线基站的成本

[例 6-4］一长度为2h(h<<λ)中心馈电的短振子, 其电流分布为: , 其中I0为输入电流, 也等于波腹电流Im 试求:

① 短振子的辐射场（电场、磁场）；

② 辐射电阻及方向系数；

③ 有效长度。

解: 此短振子可以看成是由一系列电基本振子沿z轴排列组成。Z轴上电基本振子的辐射场为

微波技术与天线 篇3

一、改进教学方法, 提高学生的学习主动性

微波技术是近代发展起来的一门新兴学科, “微波技术与天线”课程是我校通信工程专业的主要专业课程中的一个, 为日后课程学习打下良好的基础具有重要的意义。此课程的学习不仅让学生学到相关理论知识, 从中遇到问题进而解决问题的能力也显著提高, 而且为日后所涉及的一些相关工作做了一些铺垫。在学习此课程过程中, 由于需要的理论知识比较强, 学习内容比较复杂抽象, 不容易分析其中的一些内容方法, 对数学知识的掌握比较高, 所以部分学生在学习中常常会感到吃力, 掌握不到位。为了能够更好的解决这个问题, 从实际出发通过结合此课程的特点应重点做好以下几方面的工作:在学习本课程之前, 学生应具有高等数学、电子线路和电磁场等理论的基础知识。在学习中运用一句好的名言对学生学习也是有一定帮助, 通过一句话可以提高他们的学习探究意识, 所以要用心挑选出课堂引言“良好的开端是成功的一半”。打破以往讲授为主的教学方法, 注重微波技术基本理论的透彻分析以及与实际应用的链接, 通过认识了解到我校学生的状况, 在教学中要注意素质的培养, 加强学生的自主学习及创新意识, 进而增强学习的自信心和动力。

二、学生作为主体, 提高课堂教学的有效性

课堂教学是教学的基本形式, 是学生获取知识、锻炼能力、树立一定思想观念的主渠道, 然而, 课堂教学耗时多、收效低、教师不辞辛劳授课, 学生却总是抱怨、厌恶、甚至憎恨老师。这种吃力不讨好的尴尬现象在学校教育中屡见不鲜课堂教学改革是学校教育改革的主渠道。就目前的教学形式来看, 教育的视野要从“知识”转向“人”、转向“生命”、转向“学生”, 注意学生是学习的主体, 为能够更进一步的做到这一点, 教师要能够立足于学生的身份来理解学生, 大部分学生都是会觉得, 课堂教学效果质量会直接作用于学生能否在一个良好学习氛围中自主学习。而作为教师, 课堂是其传授知识的载体, 教学效果的好坏直接体现出他对职业的感受、态度和专业水平的发展以及生命价值的体现。学生是课堂的主人, 是学习的主人;重视学生的主体地位, 发挥学生主动性。课堂是应该属于学生的, 倘若不属于学生, 课堂与教师则没有存在的价值。教学是教与学的互动交流, 相互作用, 相互促进的。作为一名从旁协助的老师要能够真正从学生本身出发, 做到真正的心中有学生, 能够根据每个人的不同进度来进行相关教学设计, 重点提高学生们的自主学习能力, 能够更好的跟上教师教学的步伐, 共同进步, 能够让每个学生从中找到适合自己的学习态度和方法, 进而能够积极参与到课堂活动中来。提高学生自主学习能力, 提高学生的全面素质, 这是推动教育前进的动力。通过运用现代信息技术, 培养学生良好的自主学习习惯, 全面提高学生综合素质和应变能力。具体目标包括:培养学生浓厚的自主学习兴趣, 根据自身特点, 运用现代信息技术, 形成自己独特的学习方法。引导学生学会分享与合作, 形成良好的自主协作意识和能力。在教学过程中运用现代信息技术促使学生自我评价的研究。这样使学生不断明确自己的主体地位, 增强学习目的性的认识, 调动了学生学习的积极性, 从而提高课堂教学的有效性。

三、以教学改革为目的, 有效提高学生的综合实力

随着市场经济的深入发展, 用人单位对各类学校的毕业生提出了更高的要求。现在普遍存在的一个现象就是新生入学普遍的文化基础比较差, 经过了几个月的努力学生入学后会适当放松, 学习动力明显下降, 进而产生了厌学的情绪。为解决学生这一问题在教学上就需要加入一些策略, 要从学生的角度出发, 究其原因制定相关教学计划, 能够更好的培养出适合当代市场人才的需要。就我校学生现状而言, 要综合提高学生的自主学习及解决问题的能力, 着重培养学生团队意识及创新意识, 提高他们的自信心跟适应能力, 能够让他们在日后的工作中拥有一定优势。首先是课程体系改革。为完整体现现代微波科学技术体系, 吸收现代化新知识;注重基础知识, 加强新的理论和技术, 培养和提高学生的创新能力。在教学中沿袭习题课的运用, 讲练结合, 精心挑选设计习题内容, 通过一系列的习题操作让学生能够运用所学知识自主地解决实际生活中的问题。再就是实验方法改革。高校学生要想真正把现代微波技术学好, 有两个至关重要的环节, 即使用计算机辅助设计模拟软件和微波实验训练。如果学生通过微波软件进行微波设计, 得出结果后, 会使兴趣大增, 采用的微波实验训练可使学生提高对微波现象的直觉感知能力, 增强对微波物理概念的理解。在实验教学中基本上是对理论知识进行验证性实验, 因此在课堂教学中有必要将工程软件如Ansoft HFSS和Microwave office等的应用介绍给学生, 使学生掌握其应用能力, 能够满足用人单位的需求。最后是考试方法改革。针对该课程特点, 采用合适考试方式, 考试时不要出难题、怪题。让学习努力的学生考试都得到高分有利无害, 这样可以减少恐惧心理, 增加亲近感。让学生感到只要付出就有回报, 可让更多的学生选择上微波技术课。而且好分数对就业有利, 增加学生在今后的工作中解决问题的信心。考试采用多种形式, 笔试是一种重要的考试手段而不是唯一的手段。我们加强平时习题作业的训练, 并适当提高平时的成绩, 例如平时作业占总成绩的10%, 平时表现5%, 再如开展小测验、教与学的交流、课堂讨论、课程小组平时面试小测验、或面试与课堂讨论相结合, 面试小测验的成绩占总成绩的10%, 实验成绩占总成绩的20%, 这样使总的平时成绩可达到45%, 减轻学生的期末考试的压力。学生对期末考试的压力减少, 平时学习也会感到轻松自如。

随着现代电子与通信技术的迅速发展, 微波技术已经广泛地应用于各个领域, 与此同时需要更多更好的电子与通信技术方面的人才, 以适应其不断地向深度和广度发展的需要。事物总是向前发展的, 教育模式的发展也不例外。教学没有定法, 也没有一成不变的模式, 在以学生为本的主体教育课堂教学模式中, 教师要克服“教师为中心、一言堂、统一要求、知识灌输、教师主角”等传统的行为习惯, 在备课中既备教材也备人, 集中精力改进教法, 研究学法, 从善于教到善于指导学生学, 变学生被动学习为主动学习, 充分发挥教师的课堂组织、指导、帮助和促进作用。

摘要：“:微波技术与天线”课程是通信工程专业一门重要的专业课程。对该课程在教学中的现状进行了一些思考, 从教学内容体系与方法及考核方式等方面进行了一系列的改革与实践, 提出以学生为主体, 提高课堂教学的有效性, 取得了较好的教学效果。

关键词：教学改革,微波技术与天线,课堂有效性

参考文献

[1]蔡立娟, 陈宇, 杨立波.浅谈“电磁场与电磁波”课程教学改革[J].教育与职业, 2010, (30) :137-138.

[2]王新稳, 李延平, 李萍.微波技术与天线[M].第三版.北京:电子工业出版社, 2011.2.

微波技术与天线 篇4

电厂中一次风煤粉浓度的准确测量对电厂锅炉的安全经济运行起着至关重要的作用, 如何测量煤粉浓度一直是工程技术人员致力解决的难题。

近年来, 微波测量方法作为新兴煤粉浓度测量法中的一种, 以其特有的精度高、测量便捷、更换简单、实时性强等诸多优点, 越来越为人们所重视, 并已作为煤粉浓度测量法的重点研究对象。

微波法测量煤粉浓度的具体原理是输粉管路中用法兰装接一段测量管, 沿煤粉流动方向按一定角度对应倾斜布置微波发生器和微波接收器。微波在测量管内与煤粉管颗粒碰撞时会引起波束衰减。通过测量其衰减值即可反应煤粉的浓度。

本文通过电磁仿真软件hfss对微波法测煤粉浓度实验中的微波探头进行了建模, 并对影响实验结果的相关参数进行了探讨。

2 单极子天线与hfss建模

HFSS是美国的Ansoft公司开发的一个全三维的计算电磁结构的高频电磁仿真软件包, 在微波天线领域有着广泛应用。

2.1 单极子天线

天线是一种变换器, 它把传输线上传播的导行波, 变换成在无界媒介 (通常是自由空间) 中传播的电磁波, 或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。本应用的天线是单极子天线, 也是振子天线的一种。

单极子 (Monopole) 天线或称为直立天线是垂直于地面或导电平面架设的天线, 已广泛应用于长、中、短波及超短波波段。其基本原理结构如图1所示, 其由长为h的直立振子和无限大地板组成。地面的影响可用天线的镜像来代替, 这样单极子天线就可等效为自由空间内臂长为2h的对称振子。当然, 这样的等效仅对地面上的半空间等效, 原因是地板以下没有辐射场。

对于电尺寸接近于四分之一波长时, 常被称为四分之一波长单极子天线。此时, 单极子天线的输入阻抗接近于50欧姆, 此时天线没有副瓣, 可以直接和特性阻抗为50欧姆的同轴线相匹配。亦即, 可以直接和同轴线相联接, 用同轴线馈电。

同轴线是常用的信号传输线, 一般由金属内芯、绝缘填充材料和金属外层构成, 金属内芯用来传输高电平, 金属外层与内芯共轴, 用来传输低电平, 同时起到屏蔽作用, 同轴线的阻抗和其内外直径以及填充材料有关, 具体公式:

其中b为同轴线外层直径, a为同轴内芯直径, 为同轴填充介质的介电常数, 本文选取填充材料为空气, 其介电常数约等于1, 当同轴线阻抗为50欧姆时, 可以求出同轴内外直径之比为2.3, 即b=2.3a。

2.2 hfss建模

HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能, 精确仿真计算天线的各种性能。

本文中单极子天线的工作频率设置为570MHZ, 振子臂长为1/4波长, 本文使用的是同轴线馈电的单极子天线, hfss建模如图2所示:

在天线设计中, 回波损耗是一个重要的参数, 回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。通常要求入射功率越大越好, 反射功率尽可能小, 这样就有更多的功率传送到负载。典型情况下设计者的目标是至少10d B的回波损耗。对此模型进行仿真, 得到天线回波损耗如图3所示:

由上图可以看出在单极子工作频率附近有较大的的回波损耗, 说明反射的信号少, 大部分信号都被发送出去, 满足天线的设计条件。

3 结语

本文设计了以570mhz为中心频率的单极子天线, 通过单极子天线的相关理论分析并结合电磁软件仿真, 解决了单极子天线的馈电问题, 使用同轴线馈电基本满足设计条件。可以作为微波发射接收探头应用于微波测一次风煤粉浓度实验中。

参考文献

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[3]江华东.微波固体流量计在煤粉测量中的应用[J].石油化工自动化, 2009, 45 (3) :54-55.

[4]李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].人民邮电出版社.2010.

微波定向天线对准实现方法 篇5

在微波通信中往往采用定向天线,保证微波通信的可靠性,由于定向天线波束角较窄,天线对准是比较困难的一个问题。目前国际上对定向天线的对准除了采用传统的计算方位角和俯仰角然后根据罗盘指向对准天线外,还利用全向天线辅助方法进行天线对准,但都没有给出工程上具体如何实现天线对准。在此主要提出在已知通信双方经纬度情况下和不知道对方经纬度仅知道双方大致方位下具体如何实现天线对准的工程方法,对微波通信天线对准的工程实现具有指导意义。

1 通信双方距离和方位角的计算

1.1 借助于计算公式编程计算

根据经纬度,可以计算通信双方之间的通信距离和方位角的指向。

设两站分别为甲站和乙站,A为甲站的维度,B为甲站的经度,C为乙站的维度,D为乙站的经度。计算公式如下:

式中,d为通信距离;ϕa为方位角。以下程序适用于全球,不仅仅局限于东经和北纬地区。

MATLAB参考程序如下:

1.2 借助于FransonCoordTrans软件计算

该软件可在互联网上下载,但有效期一个月后需要注册付费使用。

该软件采用可视界面,操作简单直观。除了具有多个经纬度坐标系之间转换功能外,可方便计算全球任意两点的通信距离和方位角。计算时通常采用WGS84坐标系,这与目前使用的GPS坐标系相符,容易操作。通过输入两端经纬度数值、并界面选择东西经和南北纬即可方便得到2个站点的通信距离和通信方位角。2个站点在世界地图中的位置也可以在界面下方的简易google地图上显示出来。

1.3 磁偏角的修正

在开通过程中,通常通过磁罗盘或电子罗盘依据计算出的天线方位角调整定向天线,罗盘指定的方位角由于磁偏角的存在会存在偏差,因此需要根据磁偏角正负对天线对准角度进行修正,以保证天线角度的准确调整,其具体做法是向西减磁偏角向东加磁偏角。世界各地的磁偏角是不一样,还需要查阅当地的磁偏角数值,下面给出国内几个典型地区城市的磁偏角值。

以北京地区为例,如果计算出的真北方位角是北偏西30°,那么天线需要指向罗盘方位的北偏西36°的位置。以4 GHz的2.4 m抛物面天线为例,该天线的波束角只有1.9°,因此磁偏角的影响决不能忽略。

全球范围磁偏角值可查阅相关资料、下载世界磁偏角地图查阅和采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的软件进行。

2 天线俯仰的计算

天线的俯仰角就是两地天线之间传播直线与天线处地球的切线夹角, 如图1所示。图1中,α为h1天线的俯仰角;β为h2天线的俯仰角;h1为天线的挂高与此地海拔高度之和;h2为天线的挂高与此地海拔高度之和。

供参考的俯仰角的计算MATLAB基本程序如下:

3 天线对准的准则

3.1 已知双方经纬度时天线对准

微波信号理论接收电平计算公式如下:

式中,Pr为天线端的接收电平;Pt为对端的发射功率(dBm);G1和G2分别为两端天线增益(dBi);f为工作频率(GHz);d为通信距离(km);L为两端馈线损耗等其他损耗之和。

通过前面计算的通信双方的通信距离、带入此公式计算出通信两端的理论接收电平。

在民用通信中天线通常挂在铁塔上,这时天线具有俯仰杆和方位杆,把天线按照上述计算的方位角和俯仰角数值挂好天线,然后进行俯仰杆和方位杆的微调,测量实际接收电平,当实际接收电平与理论计算接收电平相当时,则认为天线已经对准。

在军用通信中天线挂在车载的天线杆上,通常天线杆上挂有云台,输入双方经纬度后云台控制设备可借助于电子罗盘自动调整天线方位角和俯仰角,然后再手动微调。由于军用通信中通常要求快速开通,天线的尺寸通常不大,方位角和俯仰角的角度较大,容易对准,很多情况下甚至不用调整俯仰角,但对准判断原则不变。

3.2 未知双方经纬度时天线对准

在未知双方经纬度时,天线的方位角和俯仰角均不可得到,此时定向天线对准可借助于全向天线或低增益定向天线做辅助,由于全向天线或低增益定向天线的增益较低,其方位角和俯仰角比较宽,容易实现对准,此时发射端可采用发射单载波或低速数据来保证接收电平的处理。

借助于全向天线或低增益天线对准的实际方法如下: 首先一端使用全向天线另一端使用定向天线,调整定向天线得到最佳接收电平,然后另一端使用全向天线,本端使用定向天线,调整本端定向天线,得到最佳电平,然后两端同时使用定向天线,进行微调即可对准。

如果是天线控制单元控制的天线自动对准,可以将上述对准程序编程输入电脑中,控制天线实现对准,但是由于实际工程中受地理环境的影响,会出现多径效应,从而天线对准会出现偏差,也需要手动输入数值进行方位角和俯仰角的校正。

借助全向天线实现定向天线也可以使用在已知双方经纬度的情况下,此时所谓的最佳接收电平就是理论计算的接收电平,但是由于全向天线抗多径能力较差有时会出现接收电平偏差,需要引起注意

4 结束语

在工程实践中,天线的对准过程不仅仅是计算出真北方位角按照天线方位角对准就行,要考虑磁偏角的影响,要以计算的理论接收电平作为天线对准的判别准则,这样才能准确地完成天线的工程对准。此外,借助于全向天线或低增益天线容易实现定向天线的快速对准。

参考文献

[1]FransonCoordTranssoftware User Guide[S],2005:1-19.

[2]姚言,梅顺良,高葆新.数字微波中继通信系统[M].北京:人民邮电出版社:1990:187-191.

[3]王心尘.磁偏角影响无线电侧向结果的技术分析[J].中国无线电,2009(11):57-58.

微波技术与天线 篇6

关键词：微波直放站,天线方向调整,频谱分析仪

背景介绍

河北省广播电视南线微波电路邢台至邯郸段, 担负着将全省广播电视信号作为专用信号源传至邯郸广播电视台及邯郸有线网络公司前端机房, 并将邯郸市新闻回传至省电视台的任务。

2012年4月, 微波总站从网管发现该段微波电路的通信电平逐日下降, 经实地勘察及路由计算, 最终确认为:位于邢台与邯郸间的永年县城境内, 某小区的在建高层楼群阻挡了该段电路的传输通道。6月中旬, 微波总站与项目开发商就妥善解决该路段阻挡问题达成一致意见:即开发商出资, 由微波总站全面负责该段电路的重新开通, 尽快恢复信号的正常传输。后经中国普天规划设计院验算论证, 并请桂林南方通信设备工程公司路由电测, 最终制定出可行性方案:在永年县明山发射台, 利用现有铁塔、机房等基础设施, 在邢台至邯郸微波电路间, 新建一个微波直放中继站。此方案是解决邢台-邯郸阻挡问题最快捷、最经济的方案。路由示意图如下。

一、天线方向调整前的准备工作

1.1天馈线的测量与安装

要调整天线方向, 首先要安装好天馈线。由图1可以分析到, 路由的改变, 会直接导致天线挂高、馈线长度相应改变;所以邢台、邯郸两站需根据本案设计的《微波传输参数计算表》, 经测量天馈线指标, 符合设计值后, 调整天线高度、馈线长度并与微波设备连接好;相比而言, 因永年明山发射台本无微波电路, 必须依照“参数表”新安装两个方向的天馈线, 所以整个工程, 从运送到山顶 (海拔高度251米) , 到吊挂至设定铁塔位置, 其难度与工作量, 都相当大。经过5天的努力, 9月16日上午, 邢台、邯郸、永年三站的天馈线测量与安装顺利完成。

1.2测试信号的设置

因为“永年直放站”尚未安装微波设备, 没有微波发送信号源, 所以只能作为接收信号端。而邢台、邯郸均有微波设备, 因此只需将两站对永年站方向微波信道, 通过微波网管软件 (LCT) 设置为调制器单频载波发送 (MOD CARRIER OUTPUT) 测试信号, 因其为单频高功率电平发射, 所以频谱分析仪上读取的收信电平数值稳定、频谱图形直观清晰, 是微波天线方向调整中的专业测试信号。

至此, 天线方向调整前的所有准备工作都已完成。

二、天线方向调整的方案制定与实施

2.1研究制定合理、细化的方案与步骤

方案的制定, 不仅要严谨、科学地考虑天线方向调整的技术细节, 还要顾及人员的合理搭配、行车的路线与效率以及两地工作人员的人身安全等诸多因素, 比如天线工从邢台、邯郸高塔上下来的时间 (天黑后爬塔更危险) 及“永年直放站”人员下山的时间 (山上无法居住, 山路没有照明) 等, 因为只有一辆维护车, 很可能还要在三个站点间往返奔波, 综合上述情况, 考虑到问题的复杂性, 做好有可能遭遇更多困难的心理准备。经分析、研究, 制定出天线方向调整的具体方案与步骤:⑴在“永年直放站”, 根据《微波传输参数计算表》, 用经纬仪, 使用对讲机, 指挥塔上天线工将对邯郸、邢台两方向天线, 水平方位角度调准, 俯仰角度大体调整到位 (因观测点位于山顶, 俯仰角度很难一次准确定位) 。⑵在“永年直放站”, 将频谱分析仪及射频放大器首先连接在对邯郸站方向天馈线上 (因永年距邯郸比永年距邢台近约10Km, 为提高效率, 决定先调邯郸站对永年方向天线) 。⑶一名技术人员及一名天线工留在“永年直放站”, 通过观测频谱分析仪上的电平数值与频谱图形, 与邯郸站技术人员随时沟通, 并将沟通的数据信息及时告诉塔上天线工, 尽力接近“永年直放站”技术人员与邯郸高塔上天线工“直接对话沟通”的效果。⑷一名技术人员及两名天线工, 到邯郸微波站, 技术人员首先根据《微波传输参数计算表》, 用经纬仪, 使用对讲机, 指挥塔上天线工, 将对“永年直放站”天线, 水平方位角调准 (并对照“永年直放站”先前已调好的对邯郸站的天线角度, 使相对的两面天线角度尽力接近一致) , 俯仰角度大体调整到位。为进一步细调方向做好准备。⑸天线方向调整的基本原则与次序:先调水平方位角, 反复调到最大接收电平数值时, 紧固水平拉杆;再调整俯仰角度, 反复调出总体最大接收电平数值为止。若此时“永年直放站”频谱分析仪读取电平数值, 符合设计值, 调整就此结束;若略有差距, 但仍有可调空间, 可试着让邯郸塔上天线工暂停不动, 永年天线工微调天线, 如此反复, 直至读取电平数值完全符合设计值为止。⑹邯郸对永年方向天线完全调好后, 原班人马, 立即奔赴邢台站, 仍按照第⑸步方法, 直至邢台对永年方向天线完全调好为止。

2.2调整方案的操作与实施

由于事前做了非常充分的准备工作, 并且研究制定了科学、合理、周详的方案与步骤, 到具体操作实施阶段, 就做得“心中有数、有条不紊、步步推进、完成有序、效率很高”。计算下来, 四面天线方向调整的总体时间 (其中包括了汽车在三站之间奔走的用时) 仅用了1天半 (9月16日下午14:00开始, 9月17日傍晚18:40结束) , 效率是相当高的。

三、天线方向调整的数据结果

作者在上述天线方向调整工作全部结束后, 于“永年直放站”机房, 用数码相机, 详细拍摄、记录并分析了频谱分析仪获取的, 两个方向不同频点收信电平数值与频谱图形。以下为筛选的部分图片。

结束语

基于透波增强的微波双频平板天线 篇7

随着卫星通信等无线技术的发展,通信频率也在不断地提高,已经由传统的C波段上升到Ku、Ka等波段。卫星信号的接收通常采用抛物面天线,一般来说,天线口径越大,信号越强,接收质量越高。但考虑到成本、安装等因素,用户要求天线口径越小越好。通信信号频率的提高为平板天线的兴起提供了保证,因为平板天线不可能做得很大,只有波长较短时平板天线才可能做得较小些,这一点很好地符合了用户的需求。同时,与抛物面天线相比平板天线具有重量轻、体积小、风阻小、隐蔽、能实现波束电子调控、安装使用方便等特点。但是平板天线的这些优点也使得其结构复杂、制造工艺复杂、 价格昂贵。本文在于微波段的透波增强理论研究的基础上,设计了一种新型的、金属铝制作的双频平板天线。这种天线由铝板制成,结构和制造工艺简单, 生产成本低,且剖面低、小型轻质、增益良好、安装要求简单、方便携带和野外作业。由于本文中的天线有两个工作频段,使得不同频段的信号资源能够在一个天线系统中得以使用,有效节省了天线系统资源。

1 透波增强现象及天线工作原理

近年来一些学者的研究表明,当金属板上有环绕周期褶皱的亚波孔时,电磁波入射到金属结构上时仍然可以通过亚波长孔耦合到金属结构的另一面。实验表明,在某些频率处,电磁波出现了透波增强现象。与经典理论得到的同频率处的透过率相比, 这些透射峰值要高出几个数量级[1,2,3]。

本文中用H. J. Lezec等人的复合衍射衰逝波 (CDEW)模型[4]解释以上透波增强现象,该模型把入射波在小孔、狭缝或者凹槽激发的表面波分解为各种衍射衰逝波。当频率 =ck0=2πc/λ0的电磁波入射到宽度为d的亚波长缝隙金属板上(如图1a),波矢kxk0,波矢虚部kz=i(kx2-k02)1/2为连续的衰逝模式(evanescent)沿表面传播(图1a水平箭头和图1b粗线所示)。当d/λ0减小时,kx>k0波矢对应的能量将增加,即衰逝模式部分的能量将会增加。衰逝模模式并不是单一的,它由几部分构成,表面等离子体激元(SPs)[5,6,7,8]的波矢对应其中的一个模式(如图1a的虚线箭头和图1b中圆黑点),表面等离子体激元就是在介质和金属表面传播的TM模。若金属表面没有凹槽等结构,ksp>k0在有限频率范围内电磁波入射到光滑的分界面上不能够直接耦合成表面等离子体激元[9]。因此必须通过改变其表面特性使其产生耦合,亚波长表面结构是很好的方法,譬如表面打上孔、开一条缝隙等。如图1中在金属表面加了凹槽结构,衰逝模式的能量在褶皱结构内聚集,并通过衍射效应向与金属表面垂直的方向辐射(图1a中的小虚线圆部分),将束缚在金属表面的衰逝模式的能量转变为辐射的电磁能量, 并且透射产生增强。

2 天线的模型结构与优化仿真

基于以上的透波增强现象及其机理,设计了如图所示的天线,天线示意图如图2、图3所示。用标准的矩形波导馈电代替平面波入射,与前面讨论的金属板透波增强有所不同,所设计的天线用两个环形孔代替了圆孔,因为低环状孔有更强的聚集电磁波的能力。同时天线的两个环形孔使天线具有两个工作频率点,半径较小的环形孔对应频率较低的工作点,半径较大的环形孔对应频率较高的工作点。

通过三维电磁仿真软件Ansoft HFSS 13对天线的各项参数进行了大量仿真优化计算后最终得到最终的天线结构尺寸如下:R1=4.6mm,R2=3.8mm, R3=3.2mm,R4=2.4mm,Rcy=19mm,w=3.4mm, k=3mm,g=6mm,L=3mm,h=6mm。天线的回波损耗曲线如图4所示。从图中可以看出,天线的谐振频率为11.8GHz和17.9GHz,天线在11.8GHz下的S11值达到-22.6dB,在17.9Ghz下的S11值达到 -21.5dB。可见,天线在两个工作频率点上的回波损耗都比较小。图5为本文所设计的天线远场方向图的仿真结果,天线在11.8GHz时达到8.33dB的增益,在17.9GHz时达到9.17dB的增益。从图中可以看到,天线在θ (Theta)=0方向的辐射功率最大。在11.8GHz时,天线E面和H面的3dB半功率波瓣宽度均小于50°;在17.9GH时,天线E面波瓣宽度为75°,H面波瓣宽度为65°,天线的方向性较好。根据透波增强原理分析,当电磁波入射到金属圆环孔, 铝板表面激发的表面波成为几部分衍射衰逝波,一部分为连续的辐射模式辐射出去,一部分为衰逝模式沿天线表面传播。通过在天线表面开凹槽,可以使能量通过亚波环形孔实现有效的耦合,即ksp>k0 的电磁波在分界面上耦合成表面等离子体激元,并且能量在凹槽内聚集然后向与金属表面垂直的方向辐射。在实际应用中,可以根据使用的需要增加凹槽数量,从而提高增益和方向性。通过调节环形孔半径的大小改变工作频率点,同时需要相应调节天线的各参数大小。

图5 天线在11.8GHz和17.9GHz下的远场方向图

3 结语

褶皱凹槽环绕圆孔或环形孔结构能够达到透波增强的效果,本文中我们把褶皱凹槽结构引入了平板天线中,设计了一个标准波导馈电低剖面平板天线,相比较于高剖面喇叭天线和大的漏波天线具有其独特的优势。HFSS软件仿真结果表明,天线在两个工作频率点上的回波损耗性都较小,同时增益性能良好。除了可以用于卫星信号接收,如果频率范围合适,这种天线还可以用于频率选择表面、无线网络、微波透镜等领域,这些都显示出这种新颖的低剖面天线结构的潜在应用价值。

参考文献

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[4]Zhiyuan Fan.Critical process of extraordinary optical transmission through periodic subwavelength hole array:Hole-assisted evanescent-field coupling[J].Optics Communications,2008,281(21):5467-5471.

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[7]朱君,李志全.光栅耦合的可集成表面等离子体激射装置[J].光学精密工程,2012(9):1899-1903

[8]陈靖,陆文强,孙骞.表面等离子体环形共振器的滤波性质[J].物理实验,2012(7):6-9.

微波技术与天线 篇8

HPM辐射场测量是研究高功率微波辐射特性的重要手段和获得高功率微波辐射功率密度的主要途径。国内外常采用线极化的开口波导[1,2]或标准增益喇叭天线作为测量天线。在实际测量时，需要将开口波导或标准增益喇叭天线的极化方向与电磁场极化方向对准，否则将导致极化失配，降低测量精度。

采用线极化测量天线进行EMI测量时，由于干扰信号极化方向未知，需在每个测量位置改变测量天线的极化方向，以保证测量结果的准确性[3]。圆极化天线能够接收任意极化方向的线极化电磁波，可以在一定程度上减少由极化失配引起的测量误差，且不需事先确定待测信号的极化方向，因此曾有人提出采用圆极化对数周期阵子天线测量电磁干扰的方法[4]。

圆极化天线在HPM辐射场测量中的应用较少，本文利用微带天线易于组阵的特点，根据特定的方法组成微带圆极化天线阵列，减小了轴比，提高了圆极化纯度，为HPM辐射场测量提供了一种新的测量方式。

1 圆极化微带天线设计与研制

1.1 矩形圆极化微带天线

矩形微带天线的设计尺寸[5]如式（1），式（2）所示：

式中：W为矩形宽度；L为矩形长度；fr为谐振频率；c为光速；εr为微带介质板相对介电常数；Δl为边缘效应引起的等效长度变化；εe为等效介电常数。

在矩形微带天线对角线附近，利用同轴线馈电可以激励起方向垂直，相位差为90°的两个线极化波，从而实现天线的圆极化设计。利用计算软件对馈电点位置和贴片尺寸进行优化，并根据圆极化微带天线的工作频段，得到矩形微带天线的实际尺寸和馈电点位置。根据计算得到的天线参数，经加工得到圆极化矩形微带天线的实物图如图1所示。

对该天线轴比进行测量，得到天线的轴比约2 dB。用于测量时，2 dB的轴比引入的测量误差较大，因此必须考虑进一步减小轴比，提高测量精度。

1.2 圆极化微带阵列天线设计原理

假设某n元旋转阵列由n个圆极化天线单元组成，各天线单元距天线阵中心距离相等。天线阵组成形式如图2所示。

其中ϕpm为天线单元的旋转角度。天线单元的远场辐射场强可表示为：

若am≠bm，天线为椭圆极化。则天线阵的远场辐射场强可表示为：

式中：ϕpm为天线单元旋转角度；为天线单元的馈电相位；ψm为第m个天线单元的相位延迟，且ψm=(m-1)k0dmsinθm;p为某一正整数；n为天线单元工作模式的个数。

将矩形圆极化微带天线按一定旋转角度组合在一起，并馈入不同相位的信号，当天线的旋转角度及馈电相位[6]满足式（3）时，天线阵的轴比远远小于其组成单元的轴比。

在天线阵主轴方向，将式（5）代入式（4）得到：

令，并根据三角公式：

得到：

式（8）即为满足式（5）中旋转角度及馈电相位关系的圆极化微带天线阵主轴方向远场辐射场表达式。其中总电场分为两部分：第一部分是纯圆极化场，第二部分是交叉极化场，而第二部分可以通过使a=b或者适当选择p与M消除。由于设计纯圆极化（a=b）的天线单元较难，因此通过适当选择p与M消除交叉极化，从而获得轴比较小的圆极化天线阵。本文中圆极化天线阵选择的参数为p=2,M=4，阵列形式如图3所示。

利用计算软件对天线阵进行数值模拟并优化设计尺寸，根据设计尺寸加工了圆极化微带天线阵列，如图4所示。

1.3 圆极化微带阵列天线馈电电路

由设计原理可知，天线阵的馈入信号应幅度相等、相位差为90°，采用一分四路功分器产生满足要求的输入信号，通过同轴电缆分别馈入天线阵的4个阵元，功分器如图5所示。

2 实验结果与分析

圆极化天线的轴比测试实验布局如图6所示。实验中，开口波导作为发射天线，圆极化微带天线作为接收天线。为减少地面反射，开口波导一侧铺设吸波材料。发射天线与接收天线连接矢量网络分析仪，在设计频段中选择矢量网络分析仪的扫描频点，设置扫描时间为120 s。扫描过程中开口波导随步进电机连续旋转，扫描完成后矢量网络分析仪的S21参数变化幅度即为圆极化接收天线的轴比。

实验测得某典型频点处，阵列天线与单元天线的S21参数，如图7所示。

从图7可以看出，圆极化微带阵列天线的实测轴比小于1 dB，而矩形微带天线的实测轴比约2 dB，可见微带阵列天线的圆极化程度明显优于单个的矩形微带天线，验证了组阵方式的正确性。

3 结论

本文设计并制作了基于90°混合馈电网络的微带圆极化阵列天线，通过将单个天线组成阵列的方式，使单个天线的轴比由2 dB减小到小于1 dB，减小了高功率微波辐射场测量过程中由极化失配引起的测量误差，提高了测量精度。

参考文献

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