【正文】 化電平。因此非諧振尺寸的槽型耦合孔徑應(yīng)用比較多。在這種結(jié)構(gòu)中，共面波導(dǎo)線刻蝕在天線的地板上，由同軸探針激勵，終止處是一個槽。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計算輻射場，包括傳輸線模型（ The transmission line model）、腔體模 型（ The cavity model）、多端網(wǎng)絡(luò)模型（ Multiport Network Model）等。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。利用矢量位函數(shù)便可由磁流計算出天線的遠(yuǎn)場輻射和其它的電參數(shù)。在腔體中，場沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的 二維諧振器中所有諧振模式之和。利用等高線積分技術(shù)可以使其在不規(guī)則形狀的貼片天線中獲得應(yīng)用。 矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數(shù)建立關(guān)于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數(shù)展開 法將此積分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，利用計算機便可得出近似解。 時域有限差分法的基本思想是把求解空間進(jìn)行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進(jìn)行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于電磁場量的時域差分方程。 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 17 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 微帶天線的小型化技術(shù) 概述 現(xiàn)代電磁學(xué)歷經(jīng)三百多年的發(fā)展 ， 日臻成熟完善。 以移動通信 和個人通信為例 ， 目前廣泛應(yīng)用于移動通信設(shè)備的單極天線和螺旋天線有許多缺點 :(1) 不能集成到設(shè)備外殼上 ， 尺寸大 ， 易損壞 ； (2)輻射效率低 ， 難于屏蔽 ， 人體對天線的性能影響較大 ； (3) 天線對人體尤其是腦部有較大幅射 ， 局部峰值甚至超出 ANSI/ IEEE C95. 121992 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制 ； (4) 僅有一種極化特性 ， 電氣性能較差 ； (5) 需要匹配電路 ， 損耗大 ， 成本高。這樣 ， 實用化小型微帶天線的研制 ， 特別是用作第三代移動通信 (3G) 系統(tǒng)、藍(lán)牙(Bluetooth) 系統(tǒng)及無線定位系統(tǒng)的天線 ， 成為國內(nèi)外研究熱點。微帶天線是小型機載天線的研究 18 一維小天線 ， 必須經(jīng)恰當(dāng)設(shè)計才能獲得良好性能。 (2) 帶寬窄。一般地 ， 若加載 1Ω 切片電阻 ， 增益下降約 1. 5dB。 (b) 帶寬窄。高溫超導(dǎo)材料 HTS ( high temperature superconductor)基片以及“光電子帶陣” PGB (photonic band2gap) 基片有極低的表面電阻 ， 能有效抑制表面波 ， 減小表面損耗 ， 解除了用較厚基片的限制 ， 兼奏提高天線增益 ， 減弱陣元間互耦之效。的極化簡并模 ， 還可形成圓極化輻射 ， 以及實現(xiàn)雙頻工作。 4． 附加有源網(wǎng)絡(luò) 縮小無源天線的尺寸 ， 會導(dǎo)致輻射電阻減小 ， 效率降低。 (2) 增益高 (可達(dá) 10dB 以上 ) ， 方向性好。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。 微帶天線的小型化設(shè)計與分析 1 .天線設(shè)計 基本思想 微帶天線是諧振式天線 ， 微帶貼片的長度大約為介質(zhì)波長的 1 /2. 如果用 f表示天線輻射的中心頻率 ， L 表示微帶貼片的長度 ， 則諧振頻率 2( ) ecf Ll ?? ?? （ 1 ） 式 (1)中 e? 為等效介電常數(shù) ， △ l為考慮邊緣效應(yīng)的校正長度 . 用 w 表示微帶的寬度 ， h表示微帶的厚度 ， 哈默斯塔德給出△ l的經(jīng)驗公式為 小型機載天線的研究 22 0 .3 0 .2 4 60 .4 2 10 .2 5 8 0 .8eewhlh wh???????? （ 2 ） 如果假定輻射頻率為 ， 基片的介電常數(shù)為 ， 可以估算出 微帶的長度為. 如果地板大小取微帶大小的 ， 可以估算出在頻率為 微帶天線地板的長度大概為 . 可以設(shè)想把圖 1所示的微帶天線進(jìn)行折疊 (如圖 1所示 ) ， 微帶天線的面積將減少到原來的 1 / ， 由于微帶天線常采用正方形結(jié)構(gòu) ， 因此天線面積減小遠(yuǎn)不止 1 /2. 折疊后天線的輻射性能是我們關(guān)心的主要問題 ， 按照上述思想我們設(shè)計了折疊式微帶天線并進(jìn)行了仿真驗證 . 圖 1 折疊微帶天線示意圖 天線結(jié)構(gòu)如圖 2所示 . 與通常寄生貼片天線不同 ， 上 表面 ( surface)與下表面( Ground)通過側(cè)面 (Joint)連為一體 ， 三個面形成一種半封閉結(jié)構(gòu) . 天線為三層印刷板 ，板材選用 Rogers TMM4作為介質(zhì)基片 ， 相對介電常數(shù) r? 為 4. 5. 上下表面均為正方形的敷銅面 ， 中間為微帶天線貼片 (patch). 同軸饋電 ， 饋電探針與中間層相連 . 本設(shè)計中 ， 上下兩層基片介質(zhì)相同 ， 厚度也相同 1h = 2h = 2mm， 總厚度 4mm. 當(dāng)然也可以選用厚度不同、材料不同的基片 . 中間貼片 (patch)為正方形結(jié)構(gòu) ， 尺度為 28mm 28mm， 地板的尺度為 32mm 32mm， 上表面的大小與地板相同 . 同軸線的外徑為 2. 3mm， 探針半徑為 1mm， 特征阻抗為 50Ω . 饋電點與貼片中心點的距離為 y = 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 23 圖 2 折疊式微帶天線幾何結(jié)構(gòu) 2 . 天線仿真 Ansoft HFSS是 Ansoft公司開發(fā)的基于有限元的電磁仿真軟件 ， 在微波電路設(shè)計中有著非常廣泛的應(yīng)用 . 下面各圖給出了仿真結(jié)果 . 必須指出 ， 仿真設(shè)置為天線的地平面與吸收界面相重合 ， 如果不做如此設(shè)置 ， 則天線為雙向輻射 ， 仿真增益會有所下降 . 圖 3為天線的回波損耗 . 在發(fā)射中心頻率點 f =， 天線的回波損耗達(dá) 28. 52dB. 圖 4為天線的駐波比隨微波頻率的變化 ， 中心頻率駐波比為 ， VSWR ≤ 2 的頻帶寬度為 8MHz， 相對帶寬 %. 顯然 ， 天線頻帶較窄 ， Q值較高 ， 不太適合對 頻帶要求較寬的場合 . 如何降低天線的 Q值、拓寬頻帶 ， 尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。左右 . 由于仿真過程中天線的地表面與背景的吸收界面重合 ， 多次仿真結(jié)果表明 天線無旁瓣存在。 其中最易受頻率變化影響的是阻抗， 也就是說， 線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。 常用的方法包括選擇合適的基片、 合適的貼片形狀、 合適的饋電技術(shù)、多模技術(shù)、阻抗匹配以及加載、 楔形或階梯形基片、 非線性基片材料、 非線性調(diào)整元件、 多層結(jié)構(gòu)、在貼片第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 27 或接地板 “ 開窗”等等。從物理意義上講， 增大基片厚度使頻帶加寬的原因是由于 厚 度增加， 輻射電 導(dǎo)也隨 之增大， 從而 輻 射所對應(yīng)的 Q ， 及總的 Q ， 值下降。 其次， 選用 r? 較小 或 者 taneff?較 大的 基板。由于兩輻射端口處基板厚度不同，使兩個諧振器經(jīng)階梯電容禍合產(chǎn)生雙回路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致帶寬展寬。 這些貼片包括環(huán)孔、 長方形、正方形、正方形環(huán)等。 由于線極化微帶天線的工作帶寬主要受到其阻抗帶寬的限制， 因此采用饋線匹配技術(shù)就能使天線工作在較寬的頻帶改變阻抗的一種最常見最直接的方法就是在微帶天線的饋電部分使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)， 如使用調(diào)諧短線和 1 / 4 波長的變換器等。 例如 Pues 和 Vande Csp elle 利用無源匹配網(wǎng)絡(luò)獲得了 1 0 % 1 2 % 的帶寬， 用類似的 技術(shù)也己 實現(xiàn)了 2 5 %以上的帶寬 ，這足以使單個輻射單元的帶寬覆蓋兩個 G P S 頻段。 為了使這個阻抗與饋線 ( 如 50 ? 的饋線 ) 在最大的頻帶范圍內(nèi)相匹配， 需要進(jìn) 行網(wǎng)絡(luò)綜合， 采用計算機輔助方法實施最優(yōu)設(shè)計。 該天線和過渡帶不使用任何介電材料， 貼片通過一根金屬或者非金屬桿支撐于其中心處。 實踐證明， 通過加載片狀電阻、 在貼片上開 L形槽以 及在接地板上開槽等都可以實現(xiàn)天線的帶寬展寬，這在文獻(xiàn)中都有詳細(xì)的論述以及設(shè)計實例。同時，由于加載微帶天線引入歐姆損耗，天線的效率和增益相對于常規(guī)微帶天線有所降低。據(jù)估計，天線增益因電阻性負(fù)載的使用而減少了 2dB左右。耦合諧振器一般由 2個或多個諧振器組 成，對他們進(jìn)行參差調(diào)諧以覆蓋感興趣的頻率范圍，此項技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各種形狀的微帶天線。這種結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)寬頻帶，還可以實現(xiàn)多頻帶。 在實際應(yīng)用中， 往往是綜合使用以 上所述的展寬頻帶的方法。 若介質(zhì)采用陶瓷材料， 可將天線尺寸減小三分之一以上， 若用二氧化氮則能減小五分之一。 另外，在實際應(yīng)用中往往需要雙頻工作的天線。天線的頻帶是指其特性參數(shù)在規(guī)定的容許范圍內(nèi)的頻率范圍。 展寬天線帶寬的主要前面已經(jīng)敘述過，在這里我用的是采用多層貼片的形式 ——做了一個雙層貼片微帶天線以展寬天線帶寬。但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線，相對帶寬較窄。 二十一世紀(jì)是個人通信的時代，無線通信在其中占有很大的比例，小型化微 帶天線和寬頻帶微帶天線將有非常廣闊的應(yīng)用前景。 感謝我的指導(dǎo)老師樊芳芳老師，在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，我遇到了很多困難，在樊老師的精心教導(dǎo)中，克服一個又一個難題，所以我的畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，樊老師也付出了很多，再次感謝！ 深深感謝我的家人一爸爸、媽媽，我的女友 !是你們多年來一直默默無聞無私的奉獻(xiàn)在支持著我不斷向前，你們的支持，無論是精神上還是物質(zhì)上的總是那么有力，它給了我面對任何困難的勇氣和力量，在此我愿將本篇論 文獻(xiàn)給你們 ! 最后 ，感謝評閱本論文的專家學(xué)者們，感謝你們?yōu)榇烁冻龅男燎趧趧樱? 感謝所有關(guān)心和支持我的人 ！ 小型機載天線的研究 40 參考文獻(xiàn) 41 參考文獻(xiàn) [1]天線的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢， [2] G. A. Deschamps ， Microstrip microwave antennas， USAF Antennas， 1953. [3] J. F. Zurcher， The SSFIP: A global concept for high performance broadband Planar antennas， Electronics Letters ， ， pp. 14331435， November 1988. [4]陳雅娟 龍云亮，小型寬帶微帶天線的研究進(jìn)展，系統(tǒng)工程與電子技術(shù) ，. [5]鐘順時，微帶天線理論與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社， 1991 [6]LIU XueGuan， GUO HuiPing. Microstrip Technology antennas[M]. Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University (劉學(xué)觀 ， 郭輝萍 .微波技術(shù)與天線 ， 西安 :電子科技大學(xué)出版社 ) 2020. [7]張鈞，劉克誠等，微帶天線理論與工程，國防工業(yè)出版社， 1988. [8]Wat。本論文所做的工作只是一些初步的探索和嘗試，未來的工作會更加艱巨也將更有實際意義。如何設(shè)計出同時具有小型化、多頻帶以及寬頻帶的微帶天線是當(dāng)前微帶天線設(shè)計的難點與重點。但寬頻帶微帶天線在現(xiàn)代社會中應(yīng)用越來越廣泛，在條件允許下我相信能設(shè)計出更好的，更適合要求的天線。其中最易受頻率變化影響 的是阻抗， 也就是說．線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。 若單單基于展寬頻帶這一點考慮， 可以在上 下兩層貼片中配以恰當(dāng)數(shù)量的電控短路元件，并可能使兩個頻段銜接起來，從而獲得復(fù)合雙頻微帶天線，使頻帶展寬。 這種天線綜合考慮了展寬頻帶和減小尺寸兩個方面的要求， 獲得了一種相對寬帶的小型圓極化微帶天線。 我們希望得到小型寬帶微帶天線，因此研究如何減小微帶天線的尺寸顯得相當(dāng)重要。 在貼片或接地板上 “ 開窗”的辦法 在微帶貼片上的不同位置開不同形狀的“ 窗口” ， 等效為引入阻抗匹配元件。 通過寄生耦合實現(xiàn)寬頻帶的方法很多，常見的有層疊天線單元提高帶寬，采用共面寄生單元展寬帶寬等。 圖 采用片狀電阻負(fù)載的寬帶貼片天線的幾何結(jié)構(gòu) 多模技術(shù) 使用多模諧振是設(shè)計寬帶微帶天線的一項非常成功的技術(shù)。圖 片狀負(fù)載電阻的加載天線幾何結(jié)構(gòu)。 一般來說，加載電阻微帶天線是由加載短路稍釘?shù)奈炀€演化而來的。 這兩種方法因為其變阻抗特性而產(chǎn)生了大的頻帶展寬。 串聯(lián)諧振回路在諧振頻率附近的電抗趨于抵消， 使之避免了偏離諧振時電抗的迅速變化因而展寬了頻帶。 在 背饋的 情 況 下， 應(yīng) 考 慮 饋電 探 針的 電 抗 效 應(yīng)。 而匹配網(wǎng)絡(luò)中不連續(xù)點的輻射會使天線的交叉極化特性變差。 改變貼