【正文】 mm的駐波比曲線(xiàn)。 改變接地板高度后，天線(xiàn)模型變?yōu)槿鐖D 所示。 通過(guò)更加輻射片半徑，切割的弓形大小發(fā)現(xiàn)，在不大規(guī)模改變其形狀的基礎(chǔ)上，無(wú)法對(duì)天線(xiàn)的阻抗匹配產(chǎn)生影響。紅色的實(shí)線(xiàn)是原始輻射片經(jīng)過(guò)位置稍微變化而來(lái)，形狀不變，在 2— 的范圍內(nèi)，駐波比小于 2。底板開(kāi)槽開(kāi)槽位置如圖 所示，底板中部開(kāi)出寬 4mm 的槽，槽的長(zhǎng)度對(duì)駐波比曲線(xiàn)優(yōu)化不大，這里只選較優(yōu)的 4mm，槽的高度設(shè)為變量 d，分別設(shè)置 1mm、 、 、 四個(gè)參數(shù)，下面來(lái)分析仿真結(jié)果。 圖 開(kāi)槽優(yōu)化后天線(xiàn)駐波比變化 圖 可以看出，該天線(xiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后雖然帶寬展寬了，但是在 2— 3GHz附近的阻抗匹配情況又變差了。經(jīng)過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切角值為 5mm 時(shí)，低頻段的駐波比有較好的改善，達(dá)到了要求，故將其定為 優(yōu)化后的參數(shù)，最終優(yōu)化后的天線(xiàn)如圖 。并且在 — 11GHz的范圍內(nèi) VSWR＜ ，達(dá)到了通信中的應(yīng)用要求。 同軸線(xiàn)饋電天線(xiàn)的仿真對(duì)比與優(yōu)化 該超寬帶單極子天 線(xiàn)在一開(kāi)始的原始參數(shù)中就有較好的性能，仿真對(duì)比和優(yōu)化過(guò)程簡(jiǎn)單明顯，且本小節(jié)的優(yōu)化過(guò)程類(lèi)似于 節(jié)微帶線(xiàn)饋電天線(xiàn)的優(yōu)化，所以不做多余的贅述，僅將過(guò)程和結(jié)果簡(jiǎn)要描述。在 H 面，天線(xiàn)具有比較好的全向性，可收發(fā)各個(gè)方向的信號(hào)，且在不同的頻點(diǎn)變化不大。結(jié)果如 和圖 。 為了進(jìn)一步優(yōu)化天線(xiàn)，本節(jié)再?lài)L試著對(duì)接地板進(jìn)行處理，在其左上角和右上角形成漸變結(jié)構(gòu)，看能否優(yōu)化低頻段的性能。故選擇 d=作為優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)以上分析，加上基于接地板與輻射片關(guān)系的考慮，確定不對(duì)輻射片形狀加以變化，保持原始形狀。下面選取原始輻射片形狀和三種更改后的形狀對(duì)比，如圖 所示。 綜合參考論文和自己的仿真經(jīng)驗(yàn)，我覺(jué)得這是一個(gè)合情推理，有待下文驗(yàn)證。由于接地板高度的對(duì)比是在輻射片不變的情況下進(jìn)行的，所以只能初步認(rèn)定， 12mm 高的接地板效果相對(duì)較優(yōu)，在更改輻射片之后，可以結(jié)合輻射片進(jìn)一步對(duì)比選擇最優(yōu)尺寸。 使用軟件中的 Optimetrics 中的 Tuning 進(jìn)行仿真。 對(duì)比需要有針對(duì)性，出于建模時(shí)間、復(fù)雜度、仿真次數(shù)和仿真時(shí)間的考慮，參數(shù)的對(duì)比主要集中在輻射振子形狀大小，饋線(xiàn)的漸變結(jié)構(gòu)，地板的高度和漸變結(jié)構(gòu)上。然后闡述了單極子天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法 —— 圓柱體近似法，采用三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式即可粗略算出輻射片的面積，接下來(lái)就可以采用面積等效法進(jìn)行變換。 圖 天線(xiàn)的電壓駐波比變化曲線(xiàn) 圖 天線(xiàn)模型的 Smith Chart 天線(xiàn)的仿真結(jié)果如圖 所示，根據(jù)其電壓駐波比的變化曲線(xiàn)和史密斯圓圖，可以看出這款單極子天線(xiàn)的阻抗匹配還不錯(cuò)，但卻尚未達(dá)到 VSWR＜ 2 的結(jié)果，所以還有待改進(jìn)。同軸線(xiàn)線(xiàn)芯半徑為，中間介質(zhì)半徑 ，介電常數(shù)為 外導(dǎo)體半徑為 ， 同軸線(xiàn)細(xì)節(jié)如圖 所示， 經(jīng)過(guò)計(jì)算阻抗為 50 歐姆。 一種半圓片共面波導(dǎo)超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì) 天線(xiàn)形狀如圖 、 所示，天線(xiàn)選用 厚的聚四氟乙烯介質(zhì)板，介電常數(shù)，損耗正切 。 圖 天線(xiàn)模型圖示 設(shè)置仿真的頻率為 7GHz（由于是重點(diǎn)仿真其駐波比，所以頻點(diǎn)設(shè)為中心頻率），添加掃頻，仿真 3— 11GHz 的結(jié)果，由于先粗略仿真，故每 1GHz 仿一個(gè)點(diǎn)。 一種類(lèi)六邊形超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì) 天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖 所示，天線(xiàn)選用厚度 為 1mm 的聚四氟乙烯（ FR4）作為介質(zhì)基板（ FR4 的介電常數(shù) r? 為 ，損耗正切 ?tan 為 ） ,輻射片與接地面的厚度為 的覆銅層，分別印在介質(zhì)的兩面，接地板覆蓋了整個(gè)背面。有以下經(jīng)驗(yàn)公式： LWHr ?????2 （ 31） FH ?? ? (32) rHHF ?? （ 33） （ 34） rHfL ?? 72 其中 H、 r 是圖 所示圓柱體的高和半徑。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波 比小于 ，但實(shí)際應(yīng)用中 VSWR應(yīng)小于 。通過(guò) HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以進(jìn)行自適應(yīng)頻率和收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，通過(guò) HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互連結(jié)構(gòu)的掃頻響應(yīng)，通常選擇插值掃頻。 指定端口設(shè)置激勵(lì)（ HFSSExcitationsAssign）。 在創(chuàng)建每一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元時(shí)， HFSS都會(huì)提示確定其屬性，默認(rèn)的材料特性是真空。 HFSSSolution Type，設(shè)置解算類(lèi)型，確定如何激勵(lì)和收斂。 HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀(guān)的用戶(hù)設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的 S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算?？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話(huà)）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。 為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱(chēng)為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線(xiàn)單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的 (較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿(mǎn)足條件 (如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。 第三章 超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì) 引言 目前單極子天線(xiàn)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、寬阻抗帶寬，且較易獲得全向輻射特性成為目前超寬帶天線(xiàn)的研究熱點(diǎn)。 本章小結(jié) 本章介紹了天線(xiàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括天線(xiàn)的電路參數(shù)、輻射參數(shù)、阻抗匹配和實(shí)際應(yīng)用的一些要求。另外，除非計(jì)算機(jī)是專(zhuān)門(mén)為這個(gè)用途制造的，否則電路仿真軟件不可能預(yù)裝在計(jì)算機(jī)上。 有很多種阻抗匹配的方法，看看相比于其他計(jì)算方法而言，史密斯圓圖的優(yōu)點(diǎn)在什么地方。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要 求高的系統(tǒng)。 2 并聯(lián)終端匹配 并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下，通過(guò)增加并聯(lián) 電 阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。 選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等。反之則在傳輸中有能量損失。阻抗的匹配與否 關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。增益 G 與方向性系數(shù) D 的關(guān)系見(jiàn)式 （ 225） ： （ 217） 其中 η 為天線(xiàn)效率，天線(xiàn)輸入端的阻抗失配、饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、天線(xiàn)輻射的表面波損耗等因素都會(huì)降低天線(xiàn)的輻射效率。 方向性系數(shù) (D)是以總輻射功率相同為基點(diǎn)，沒(méi)有考慮天線(xiàn)將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的效率。定義為在總輻射功 率相同的條件下，天線(xiàn)在某特定方向上的輻射強(qiáng)度與參考天線(xiàn)的輻射強(qiáng)度之比。位于自由空間的電基本振子，其 E 面是通過(guò)振子軸的子午平面（φ =常數(shù)的平面）， H面是垂直于振子軸的赤道平面（θ =90176。在此平面內(nèi)，功率通量密度或場(chǎng)強(qiáng)隨方向角φ變化。由于這個(gè)緣故，天線(xiàn)方向圖通常是用兩個(gè)互相垂直的主 平面內(nèi)的方向圖表示，稱(chēng)為平面方向圖。所謂的輻射參量包括輻射的功率通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化，在一般情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)定，并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)，稱(chēng)為方向（圖）函數(shù)。由于 Z參數(shù)有實(shí)部和虛部，是矢量形式，因此只有矢量網(wǎng)路分析儀才能測(cè)量天線(xiàn)的輸入阻抗。 S 參量的兩端口網(wǎng)絡(luò)模型示意圖如圖 所示 ： 在線(xiàn)性微波網(wǎng)絡(luò)中，由于歸一化電壓和電流之間呈線(xiàn)性關(guān)系，所以歸一化入 射 波與反射波之間也呈線(xiàn)性關(guān)系。 圖 天線(xiàn)與傳輸線(xiàn)系統(tǒng) 反射系數(shù)的定義為反射波與入射波的比值： (210) VSWR 定義為電壓最大值與電壓最小值之比： (211) 天線(xiàn)的輸入阻抗為電壓與電流之比，傳輸線(xiàn)上的歸一化電壓為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相加，傳輸線(xiàn)上的歸一化電流為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相減。 可知電流元 I(z)dz所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為： ??? ?? ?? ? rjer dzzIjdE s in)(30 (25) 將式 (25)代入上式可得位于 z? 處的電流元的輻射場(chǎng)為： ???????????????2222111121s i n)(s i n30s i n)(s i n30????????????dzer zlIjdEdzer zlIjdErjMrjM (26) 式中， ??? 、 21 為單位矢量。此時(shí)輻射場(chǎng)的計(jì)算，嚴(yán)格說(shuō)應(yīng)該根據(jù)其特定的邊界條件求解麥克斯韋方程組的解。 Imdl 放置于球坐標(biāo)的原點(diǎn)處，它與圖 的電流元相對(duì)應(yīng)。 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)有以下特點(diǎn)： （一） 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)只有 Eθ 和 Eφ 兩個(gè)分量，兩者在空間上互相垂直，在時(shí)間上同相位，該且與內(nèi)沿矢徑方向傳播的電磁波占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，電磁場(chǎng)沿矢徑方向向外傳播且不再返回。 圖 電流元極其坐標(biāo)系 計(jì)算該電流元在其周?chē)臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布。 在設(shè)計(jì)之前，分析 UWB 天線(xiàn)的性能要求及實(shí)現(xiàn)所要面臨的問(wèn)題是十分必要的。電路參數(shù)包括阻抗、電壓駐波比、反射系數(shù)、回 波損耗等；極化、增益、方向圖等則屬于輻射參數(shù)。天線(xiàn)作為傳輸線(xiàn)的終端負(fù) 載，要求天線(xiàn)與傳輸線(xiàn)匹配；第二，天線(xiàn)作為一種照射或接收器件，應(yīng)具有向所需方向輻射無(wú)線(xiàn)電波的能力；第三，天線(xiàn)作為一種極化器件可分為線(xiàn)極化，圓極化和橢圓極化。 第二章 超寬帶天線(xiàn)理論基礎(chǔ) 引言 通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航燈無(wú)線(xiàn)電技術(shù)設(shè)備中，都需要有無(wú)線(xiàn)電波的輻射和接收，用以完成這個(gè)作用的裝置稱(chēng)之為天線(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到優(yōu)化的結(jié)果作為最終成果。 第三章為仿真設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單介紹有限元法的電磁計(jì)算方法，對(duì)軟件 HFSS 簡(jiǎn)單介紹。 論文結(jié)構(gòu)框架說(shuō)明 本論文的主要研究工作和內(nèi)容安排如下： 第一章作為緒論，簡(jiǎn)述本論文的研究背景、研究歷程和研究現(xiàn)狀。但從設(shè)計(jì)、優(yōu)化、批量試產(chǎn)到商用，都要經(jīng)過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)。但這樣實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性較大，且對(duì)儀器要求較高，成本較高。似乎超寬的工作頻帶與小型化目前是一對(duì)矛盾，但許多學(xué)者和研究人員在小型化方面傾注了很多心血以圖解決這個(gè)問(wèn)題。 從 20xx 年以來(lái)這七年的時(shí)間，超寬帶天線(xiàn)的研究方向主要包括： UWB 天線(xiàn)的研究：超寬帶的提出主要用于無(wú)線(xiàn)短距傳輸，該系統(tǒng)在未來(lái)很可能出現(xiàn)在無(wú)線(xiàn) USB 系統(tǒng)上，所以要求其尺寸能夠小到一定的程度并滿(mǎn)足帶寬要求。在設(shè)計(jì)中，通常在天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中增加二分之一波長(zhǎng)的諧振槽貨四分之一波長(zhǎng)短截線(xiàn)使之具 有阻帶特性，并且通過(guò)增加一些寄生微帶線(xiàn)，改變其長(zhǎng)度寬帶和位置，可實(shí)現(xiàn)不同的陷波特性?？p隙天線(xiàn)在饋電端將能量傳遞至金屬饋源，再由饋源耦合至寬槽孔中，通常金屬饋源與槽孔具有類(lèi)似的形狀結(jié)構(gòu)，以使能量更有效地耦合傳遞。最簡(jiǎn)單的輻射體設(shè)圓形的，改變半徑即可決定天線(xiàn)的最低工作頻率，而把圓形變成橢圓、漏斗形、 U 形則可進(jìn)一步拓寬天線(xiàn)的帶寬。為了使超寬帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)使其具有全向特性， Thomas 等人又提出了以接地面為鏡像的圓盤(pán)平面偶極子天線(xiàn)。 平面結(jié)構(gòu)式早期超寬帶天線(xiàn)的主要結(jié)構(gòu)，于 1976 年由 首先提出來(lái)，隨后得到 了不斷的發(fā)展。 隨后許多改進(jìn)型相繼出現(xiàn)，主要有：（ 1） 1939 年 Carter 的改進(jìn)型雙錐天線(xiàn)和單錐天線(xiàn)；（ 2） 1949 年 Schelkunoff的球形天線(xiàn)；（ 3） 1945 年 Kandoian 研制 的盤(pán)錐天線(xiàn)；（ 4）1946 年 Brillouin 的全向和定向同軸喇叭天線(xiàn)等。 LPDA 具有極寬的帶寬，達(dá)到 10∶ 1 甚至更高，且具有較高的增益，