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微波高频

微波高频

高频微波天线技术的教程和研究趋势
2020-12-10
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高频微波天线和高频微波天线阵列是所有无线系统的“眼睛和耳朵”。1-6根据IEEE标准(145-1983),7天线可以简单地定义为“用于发送和接收无线电波的装置”。天线用作发射机与自由空间之间或介质与接收机之间的换能器。从广义上讲,天线可以分为三类,即各向同性,全向和定向(见图1)。各向同性天线是在所有方向上单位增益的假设概念。3它作为衡量实际天线元件的基准。全向天线是在一个参考平面(方位角或仰角)中具有几乎恒定增益的各向同性天线的最接近实现,3在广播应用中得到广泛使用。定向天线具有较高的定向增益和较窄的辐射方向图(波束),是诸如无线电检测和测距(雷达)以及点对点通信之类的应用所希望的。1-6

图1宽天线类别。

1830年,迈克尔·法拉第(Michael Faraday)引入环形天线作为他研究电场和磁场耦合的实验的一部分。8后来,海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)8发现了电磁波并设计了偶极天线。1901年,Guglielmo Marconi 8使用多条垂直接地线在大西洋上发送了信息。这是天线阵列的首次使用。3 Maxwell 3,8写了第一篇有关EM理论的论文集,由Oersted,Faraday,Gauss和其他人假定,被普遍认为是Maxwell方程(参见图2))。麦克斯韦(Maxwell)表示,任何加速电荷都会辐射,因此,天线可以定义为控制时变电流流动的EM设备。从而产生电磁辐射。

 

图2麦克斯韦方程。(来源:互联网开放访问)

高频微波天线结构可以被认为具有三个部分,即电磁发生器,引导结构和过渡区域(见图3)。图3是喇叭天线的有限元方法(FEM)仿真的结果,显示了相应部分中的射频能量流。EM发生器将EM波输入到导向结构(喇叭形喇叭的输入)中,然后将其导向过渡区域。过渡区域是一个匹配的变压器,将导线的阻抗与377欧姆(自由空间阻抗)匹配。EM波从过渡区域逸出到自由空间,因此导致天线辐射。

图3天线辐射机制。

尽管现有的天线类型列表太多,无法在此处进行总结,但还是根据它们的商业和军事应用来选择和讨论其中的几种。

 

高频微波天线基础

天线合格参数(AQP)

可以根据空间和电路参数定量地描述天线(参见图4)。AQP分别定义了天线的辐射特性和阻抗特性,并列出如下:3

1.天线增益,G和方向性(方向性增益),D

2.天线温度,T

3.耐辐射性,R

4.半功率波束宽度,带宽3dB

5.指向,观察方向或扫描角度

6.旁瓣电平(SLL)特性,例如峰值SLL(PSLL),平均SLL(ASLL)。

7.交叉极化(x-pol)特性

8.轴比(AR)

 

图4天线合格参数。

G参照各向同性天线(G = 1)测量天线方向图的方向性,因此可以dBi(对于各向同性i)进行测量。它与D的不同之处在于,它考虑了导体,空间(辐射)和导线(电介质或空气)的各种损耗,3不包含在定向增益D中。因此,G始终小于D。BW 3dB是距辐射图主光束的最大值或峰值的两个– 3 dB点之间的角距离。视线方向定义了阵列以机械方式(使用伺服电机)或电子方式(通过对阵列元素进行数字施加的相移)扫描时,天线方向图的主波束指向的方向。4 图5图1示出了定向天线的典型辐射方向图。除了所需的主波瓣(ML)外,还有其他比ML幅值小得多的不需要的波瓣,称为旁波瓣,以SLL为特征。

图5天线辐射方向图(极性形式)。

 

理想的高频微波天线没有旁瓣。然而,由于天线接地平面的有限性质,由于在正向和反向方向上流动的电流之间的相长和相消干扰,在天线孔径上传播的电流会从其有限边缘反射,从而导致旁瓣形成。该旁瓣包络(参见图5)可以通过参考ML测量的PSLL,ASLL和均方根(RMS)SLL来表征。交叉极化(x-pol)级别定义了与所需极化平面正交的平面中的辐射强度级别;因此,对于水平极化天线,x-pol是垂直极化。极化平面定义了包含电场矢量的平面(请参见图6)。)。AR量化天线的极化,极化可以是椭圆,圆形(AR〜0 dB)或线性(AR〜∞)。

图6圆极化EM波传播(a)和AR定义(b)。

 

高频微波天线分类

图7显示了各种天线几何形状的分类。它包括有线天线,行波天线,反射器天线,微带天线,对数周期天线,孔径天线以及其他诸如近场通信(NFC)天线和分形天线的天线。取决于类型,单个天线元件的增益可能从0 dBi(单极)到10-12 dBi(例如,锥形缝隙天线和螺旋形天线)。

根据功率处理,G,SLL,尺寸,重量和体积等规格,可以为某些应用选择类别。例如,天文射电望远镜天线需要非常高的增益和高功率处理能力,并且需要在暴露于不同且经常是严峻的拓扑和环境条件的大区域中进行开放安装。这些要求通常通过反射器天线阵列来满足。3适用于房地产有限的平台,例如高空平台(HAPS)2对于战斗机而言,微带天线非常有用,重量轻,外形小巧,并且在本质上是合适的。行波天线和对数周期天线对于超宽带和高功率处理应用非常有用。分形天线可用于实现手机内部的嵌入式天线结构。平面倒置折叠天线(PIFA)是可穿戴式保形天线应用的良好结构。天线阵列可用于雷达等应用,这些应用需要较高的增益才能在更长的范围内进行检测,而定向波束则需要进行目标跟踪。4

图7天线结构的类型。

 

高频微波天线阵列

一些应用要求天线具有高增益,窄带宽3dB和电子波束控制。这些是单个天线无法轻松满足的要求。对于这些应用,必须使用称为天线阵列的天线簇。3对于一个N元阵列,G等于单天线增益Go的N倍,即

 G等于

BW 3dB与G成反比,即

     BW 3dB                                   

通常用于同等馈送的数组元素。3

天线阵列可以分为三大类(参见图8):

线性天线阵列(LAA),由一维天线元件簇组成。

平面天线阵列(PAA),由天线元件的二维簇组成。

保形天线阵列(CAA),由一维或二维天线元件簇共形排列在一个表面上组成。

图8天线阵列分类。

 

方向性的广义表达式,D

高频微波天线阵列的D可以定义为9

 D

其中P o是平均辐射功率, 是给定方向上的最大辐射功率。

天线的方向性和增益与

 平均辐射功率

 代表天线的反射系数(电路参数),该系数定义了天线过渡区域中的失配,该失配与引导结构的特征阻抗与自由空间的阻抗匹配,以将能量最大程度地从天线结构传递到空间。因此,由于导体,电介质和失配损耗,G < D。3、9

天线的工作带宽(OBW)可以定义为频率点范围,在该频率点范围内,天线空间和电路参数(根据AQP可以测量)在用户定义的期望范围内。OBW可以根据辐射带宽和阻抗带宽来分类。3

 

高频微波天线与高频微波天线阵列的研究趋势

当前的几个研究领域包括但不限于:

1.微带反射阵列

2.可重构微带天线

3.穿戴式天线

4.多输入多输出(MIMO)天线

5.超宽带天线(UWB)

6.超材料天线

7.连接的阵列天线

8.挡风玻璃天线

9.分形天线

10.智能天线

11.变形的地面结构(DGS)/电磁带隙(EBG)天线

12.保形天线阵列

13.共享孔径天线

14.雷达天线

 

微带反射阵列

这个概念是由Berry等人介绍的。1963年使用波导10,后来又使用微带技术实现。11-16反射天线和相控阵构成反射阵列天线的工作原理(请参见图9)。平面天线元件的尺寸和几何形状的变化导致了等效的相移,模仿了抛物面反射器的行为。反射器拦截位于其焦点处的辐射器的入射波,并散射回能量,该能量由于其设计的几何形状而准直,并形成辐射束。它具有相关的空间损失和溢出损失。另一方面,相控阵包括RF网络,该RF网络包括移相器,衰减器,放大器和用于接收/发送能量的馈电网络。因此,存在相关的RF损耗。反射阵列天线克服了这些问题。反射阵列是一种相变结构,其中的大多数元素都接近谐振。因此,它提供了传统抛物面反射器天线的替代方案。

图9反射阵列天线。

 

Samaiyar等。图14讨论了反射阵列在实现ISM频带中在5.8GHz的同时发送和接收操作中的应用。深谷等。图15描述了一种Tx和Rx反射阵列卫星天线,其包括多个喇叭和单层平面反射阵列,该平面反射阵列通过极化和频率沿方位角的不同方向辐射扫描束。使用紧密耦合偶极子阵列(TCDA)设计的反射阵列的工作频率为3.4至10.6 GHz。16已经证明,微带反射阵列天线可以代替笨重的反射天线和昂贵的相控阵。

 

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