【正文】 ................ 18 設(shè)計(jì)結(jié)果 ......................................................................................................... 18 第五章 C型槽天線的設(shè)計(jì) ................................................................. 25 基于 WLAN C 型槽天線的設(shè)計(jì) ........................................................... 25 改進(jìn)饋電后的 C 型槽天線 .................................................................................... 29 基于 WLAN 雙開 C 型槽天線的設(shè)計(jì) ........................................................ 34 基于 WLAN 雙開 C 型槽天線的設(shè)計(jì) ....................................................... 38 第六章 總結(jié)和展望 ............................................................................. 43 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................................................ 44 致 謝 .............................................................................................. 46 6 第一章 緒論 微帶天線的背景及研究意義 微帶天線由于重量輕、制作簡單、成本低、易于與載體平臺共形以及適合組陣等諸多優(yōu)點(diǎn) ,特別適合應(yīng)用于各種移動地面設(shè)備 ,以及飛行載體電子設(shè)備，因此微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，形成天線領(lǐng)域的一個獨(dú)立分支。但由于高品質(zhì)因素的諧振本性決定了其帶寬很窄，限制了應(yīng)用，所以要展寬微帶天線帶寬。對微帶天線的研究正在蓬勃展開，這是一個具有極強(qiáng)生命力的課題。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微帶天線無論在理論研究，還是在工藝制造上都將越來越成熟，必將開辟更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 微帶天線的國內(nèi)外研究進(jìn)展 槽天線作為偶 /單極子天線的互補(bǔ)形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、交叉極化小、輻射性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外對槽天線的設(shè)計(jì)研究主要包含以下 幾個方面： （ 1）漸變槽天線。漸變槽天線最早由 Lewis 等人于 1974 年提出，它具有低剖面、適合共形、易于制作等優(yōu)點(diǎn)，同時漸變槽天線還可以實(shí)現(xiàn)多倍頻程帶寬和對稱的 E 面和H 面方向圖。根據(jù)槽線外形還可分為：直線型、階梯形、指數(shù)型、三角型、拋物線型等等。由于通常漸變槽天線開口長度和寬度分別大于一個和半個波長，其尺寸加大，不易于其他小型化設(shè)備集成。 （ 2）窄槽天線。 Yoshimura 等人于 1972 年提出了典型的矩形窄槽天線。該天線的縫寬比縫長小很多，且為雙向輻射。由于槽線本身電抗的影響，當(dāng)用微帶線饋電時，駐波比帶寬 一般限于 57% 。 L. Zhu 等人對傳統(tǒng)的矩形窄縫天線做出了改進(jìn)，將輸入端設(shè)計(jì)為四分之一波長的阻抗變換段，并與四分之一波長的微帶開路枝節(jié)相連，按適當(dāng)?shù)钠茖p隙偏置饋電，使得駐波比帶寬達(dá) 32%。 （ 3）寬槽天線。寬槽天線由半波長的窄槽天線通過增加槽線的寬度演變而來，其長度與寬度可比擬。這種天線帶寬較寬，可以使用微帶線或者共面波導(dǎo)方便的饋電，其中寬槽的形狀多樣，可以設(shè)計(jì)為矩形、圓形、橢圓形以及三角形等。該天線通過多種諧振模式的組合來展寬帶寬，其中存在相互正交極化的輻射模式，因此極化特性并不好。但超寬帶室內(nèi)通 信對極化特性要求不高，因此這種天線可以作為室內(nèi)超寬帶通信天線使用。 （ 4）蝴蝶結(jié)槽天線。蝴蝶結(jié)天線最初是由雙錐天線的平面化發(fā)展而來，它保留了雙錐天線的極化穩(wěn)定、帶寬無高頻截止等特點(diǎn)，克服了雙錐天線重量比較重，體積也不夠小的缺點(diǎn)；但是目前蝶形槽天線大部分由共面波導(dǎo)饋電，帶寬均在 40%左右，與其它形式的寬槽天線的帶寬尚有很大差距，也不容易發(fā)揮出蝴蝶結(jié)天線本身無高頻截止的阻抗帶寬特性。 雖然國內(nèi)外對槽天線已經(jīng)有較為廣泛深入研究，但隨著天線對寬帶化、小型化以及多頻段等多方面的要求日益提高，仍有諸多問題尚未解決，特別在新型結(jié)構(gòu)及饋電方法 7 等方面還有待完善。 微帶天線的定義 要對微帶天線做出一個完整的定義是困難的，因?yàn)樗卸喾N形式，結(jié)構(gòu)最簡單的微帶天線（ microstrip antenna）是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的天線。微帶天線分 2 種：①貼片形狀是一細(xì)長帶條，則為微帶振子天線。②貼片是一個面積單元時，則為微帶天線。如果把接地板刻出縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印制出微帶線時，縫隙饋電，則構(gòu)成微帶縫隙天線。 微帶天線的應(yīng)用 在無線電技術(shù)領(lǐng)域，對于信息的傳輸，天線的作用是不可或缺的。隨著社會發(fā)展和進(jìn)步，對信息傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁?，因此天線的發(fā)展方興未艾。 微帶天線的優(yōu)勢有低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的等，可集成到無線電設(shè)備內(nèi)部，可用于室內(nèi)，也可用于室外，其尺寸可大可小。在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的諸多優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)，使其得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。相信隨著對微帶天線功能認(rèn)識的提高，微帶天線一定會在更加廣泛的領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。 目前，微帶天線已在空間技術(shù)，移動通信衛(wèi)星和手持便攜式通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。微帶天線在民用上面常見于微波雷達(dá)傳感器，如： 雷達(dá)傳感器，相對于傳統(tǒng)的喇叭天線，傳感器具有體積小，方向性好，使用方便等特點(diǎn)。 另外 ，我國幅域遼闊，雖然有線網(wǎng)發(fā)展迅速，但對于廣大的農(nóng)村以及偏遠(yuǎn)的地域來說，無線傳輸可能是唯一的途徑。在電視技術(shù)領(lǐng)域，隨著電視在農(nóng)村的普及以及高清晰度電視的出現(xiàn)，微帶天線的發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的市場和光明的前景。 本文的工作以及章節(jié)安排 本論文對側(cè)饋矩形微帶天線、基于 WLAN C 型槽天線、基于 WLAN雙開 C 型槽天線和基于 WLAN 雙開 C 型槽天線進(jìn)行了深刻細(xì)致的研究，利用三維電磁仿真軟件對 C 形槽天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)及分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。 論文的具體安排如下： 第一章， 簡單介 紹了微帶天線的定義和應(yīng)用。介紹了微帶天線的研究背景和研究進(jìn)展。 第二章， 主要介紹了天線的基礎(chǔ)理論，包括基本參數(shù)、傳輸線理論和微帶縫天線。 第三章， 主要介紹了微帶天線的分析方法，即常用的傳輸線法、腔膜理論和積分方程法。 第四章， 主要對常用軟件進(jìn)行了介紹，以及設(shè)計(jì)了側(cè)饋矩形微帶天線。 第五章， 對基于 WLAN C 型槽天線、基于 WLAN 雙開 C 型槽天線和基于 WLAN 雙開 C 型槽天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，選取最適合的尺寸。 第六章， 對本論文進(jìn)行簡單總結(jié)，并對未來發(fā)展進(jìn)行展望。 8 第二章 天線基礎(chǔ)理論 方向性函數(shù) 天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為天線的方向性函數(shù)，可以這樣來定義天線的方向性函數(shù)：在離開天線一定距離處，描述天線輻射場的相對值與空間方向的函數(shù)關(guān)系，稱為方向性函數(shù)，表示為 ?（）。 為便于比較不同天線的方向特性，通常采用歸一化方向性函數(shù)。定義為： F（） == (21) 式中的為指定距離上某方向（）的電場強(qiáng)度值，為同一距離上的最大電場強(qiáng)度值；為方向性函數(shù)的最大值。 方向圖 根據(jù)天線的方向函數(shù)在各種坐標(biāo)系中繪出的表征天線方向特性的圖稱為天線的方向圖。繪制方向圖通常采用極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)，極坐標(biāo)方向圖直觀性強(qiáng)，直角方向坐標(biāo)圖易于表示和比較各方向上場強(qiáng)電平的相對大小。為了便于比較各種天線的方向圖，方向圖一般都對最大值歸一化。 主瓣寬度、副瓣電平 主瓣軸線兩側(cè)的兩個半功率點(diǎn)（即功率密度下降為最大值的一半或場強(qiáng)下降為最大值的）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表示為 2（ E 面）或 2（ H 面）。主瓣寬度愈小，說明天線輻射的能量愈集中，定向性愈好。 最大副瓣的功率密度和主瓣功率密度之比的對數(shù)值，稱為副瓣電平，表示為： (22) 通常要求副瓣電平盡可能低。 方向性系數(shù) 方向性系數(shù)用來表征天線輻射能量集中的程度，其定義為：在相同的輻射功率下，某天線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的平方與理想無方向性點(diǎn)源天線（該天線的方向圖為一球面）在同一點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的平方的比值。 = (23) 式中的分別為受試天線和理想的無方向性天線的輻射功率。 天線增益 在相同的輸入功率下，受試天線在其最大輻射方向上某 點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度與理想的無方向性天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值。 = (24) 式中的分別為受試天線和理想的無方向性天線的輸入功率。 9 輻射電阻 將天線輻射功率等效為一個電阻吸收的功率，這個等效電阻就稱為天線的輻射電阻。輻射功率與輻射電阻的關(guān)系為： = (25) 式中的電流若取天線上的波腹電流，則稱為 “歸于波腹電流的輻射電阻 ”；若取天線的輸入電流，則稱為 “歸于輸入電流的輻射電阻 ”。 輸入阻抗 天線的輸入阻抗定義為天線輸入端的電壓與電流的比值，表示為 = = + j(26) 式中的表示輸入阻抗，表示輸入電抗。 天線的輸入端是指天線通過饋線與發(fā)射機(jī)（或接收機(jī)）相連時，天線與饋線的連接處。天線作為饋線的負(fù)載，通常要求達(dá)到阻抗匹配。 天線的輸入阻抗是天線的一個重要參數(shù)，它與天線的幾何形狀、激勵方式、與周圍物體的距離等因素有關(guān)。只有少數(shù)較簡單的天線才能準(zhǔn)確計(jì)算其輸入阻抗，多數(shù)天線的輸入阻抗則需通過實(shí)驗(yàn)測定，或進(jìn)行近似計(jì)算。 天線的效率定義為天線的輻射功率與輸入功率之比，即 = (27) 式中， ，分別是天線的輻射功率、輸入功率和損耗功率。也可以寫成 = (28) 式中， ，分別是天線的輻射電阻、輸入電阻和損耗電阻?？梢姙榱颂岣咛炀€的效率，應(yīng)盡可能提高天線的輻射電阻和降低損耗電阻。 天線的極化特性是天線在其最大輻射方向上電場矢量的取向隨時間變化的規(guī)律。極化就是在空間給定上電場矢量的端點(diǎn)隨時間變化的軌跡。按軌跡形狀分為線極化、圓極化和橢圓極化。 線極化天線又分為水平極化（電場方向與地面平行）和垂直極化（電場方向與地面垂直）天線。圓極化天線又分為右旋圓極化和左旋圓極化天線。 通常，偏離最大輻射方向時，天線的極化將隨之改變。 天線的有效長度是衡量天線輻射能力的又一個參數(shù)，它的定義是：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)不變的條件下，假設(shè)天線上電流分布為均勻分布，電流的大小等于輸入端的電流，此假想天線的長度為 .即稱為實(shí)際天線的有效長度。 發(fā)射天線的有效面積定義為一具有均勻口徑場分布的口徑天線的面積，該口徑天線與原口徑天線在最大輻射方向產(chǎn)生相同的輻射場強(qiáng)。接受天線的有效面積定義為：天線所接收的功率等于單位面積上的入射功率乘以它的有效面積。 10 天線的所以電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)的中心頻率時，往往要引起電參數(shù)的變化。 天線的頻帶寬度的一般定義是：當(dāng)頻率改變時，天線的電參數(shù)能保持在規(guī)定的技術(shù)要求范圍內(nèi)，將對應(yīng)的頻率范圍稱為該天線的頻帶寬度，簡稱帶寬。 天線頻帶寬度通常用相對帶寬表示： (29) 天線的帶寬目前習(xí)慣按以下的相對帶寬分類： 窄帶天線： 0%≤B≤1%； 寬帶天線： 1%≤B≤25%； 超寬帶天線： 25%≤B≤200%； 由于 0≤≤1,B是 的單調(diào)減函數(shù)，因此 B 的最大值 200%是不可能達(dá)到的， 因?yàn)樗鼘?yīng)于； B 的最小值 0%對應(yīng)于單頻工作＞ 0。 傳輸線理論 特性阻抗 傳輸線的特性阻抗定義為傳輸線上行波電壓與行波電流之比。 （ 210） 對于無損耗傳輸線，、則 （ 211） 傳播常數(shù) （ 212） 其中 （ 213） 稱為衰減函數(shù)，表示傳輸線單位長度上行波電壓（或電流）振幅的變化。 （ 214） 稱為相位函數(shù)，表示傳輸線單位長度上行波電壓（或電流）相位的變化。 相速度 相速度指行波等相位面移動的速度 （ 215） 波長 波長即波在一周期內(nèi)沿線所傳播的距離