【正文】 AN 雙開(kāi) C 型槽天線(xiàn)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(xiàn)的背景及研究意義 微帶天線(xiàn)由于重量輕、制作簡(jiǎn)單、成本低、易于與載體平臺(tái)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(dòng)地面設(shè)備 ,以及飛行載體電子設(shè)備，因此微帶天線(xiàn)得到了廣泛的研究和發(fā)展，形成天線(xiàn)領(lǐng)域的一個(gè)獨(dú)立分支。 微帶天線(xiàn)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 槽天線(xiàn)作為偶 /單極子天線(xiàn)的互補(bǔ)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、交叉極化小、輻射性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。由于通常漸變槽天線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度和寬度分別大于一個(gè)和半個(gè)波長(zhǎng)，其尺寸加大，不易于其他小型化設(shè)備集成。由于槽線(xiàn)本身電抗的影響，當(dāng)用微帶線(xiàn)饋電時(shí)，駐波比帶寬 一般限于 57% 。這種天線(xiàn)帶寬較寬，可以使用微帶線(xiàn)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。蝴蝶結(jié)天線(xiàn)最初是由雙錐天線(xiàn)的平面化發(fā)展而來(lái)，它保留了雙錐天線(xiàn)的極化穩(wěn)定、帶寬無(wú)高頻截止等特點(diǎn)，克服了雙錐天線(xiàn)重量比較重，體積也不夠小的缺點(diǎn)；但是目前蝶形槽天線(xiàn)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(xiàn)的帶寬尚有很大差距，也不容易發(fā)揮出蝴蝶結(jié)天線(xiàn)本身無(wú)高頻截止的阻抗帶寬特性。②貼片是一個(gè)面積單元時(shí)，則為微帶天線(xiàn)。 微帶天線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)有低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的等，可集成到無(wú)線(xiàn)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。微帶天線(xiàn)在民用上面常見(jiàn)于微波雷達(dá)傳感器，如： 雷達(dá)傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的喇叭天線(xiàn)，傳感器具有體積小，方向性好，使用方便等特點(diǎn)。 論文的具體安排如下： 第一章， 簡(jiǎn)單介 紹了微帶天線(xiàn)的定義和應(yīng)用。 第四章， 主要對(duì)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(xiàn)。 為便于比較不同天線(xiàn)的方向特性，通常采用歸一化方向性函數(shù)。為了便于比較各種天線(xiàn)的方向圖，方向圖一般都對(duì)最大值歸一化。 方向性系數(shù) 方向性系數(shù)用來(lái)表征天線(xiàn)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(xiàn)在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方與理想無(wú)方向性點(diǎn)源天線(xiàn)（該天線(xiàn)的方向圖為一球面）在同一點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方的比值。 9 輻射電阻 將天線(xiàn)輻射功率等效為一個(gè)電阻吸收的功率，這個(gè)等效電阻就稱(chēng)為天線(xiàn)的輻射電阻。天線(xiàn)作為饋線(xiàn)的負(fù)載，通常要求達(dá)到阻抗匹配。也可以寫(xiě)成 = (28) 式中， ，分別是天線(xiàn)的輻射電阻、輸入電阻和損耗電阻。按軌跡形狀分為線(xiàn)極化、圓極化和橢圓極化。 天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度是衡量天線(xiàn)輻射能力的又一個(gè)參數(shù)，它的定義是：在保持實(shí)際天線(xiàn)最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)不變的條件下，假設(shè)天線(xiàn)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(xiàn)的長(zhǎng)度為 .即稱(chēng)為實(shí)際天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度。 天線(xiàn)的頻帶寬度的一般定義是：當(dāng)頻率改變時(shí)，天線(xiàn)的電參數(shù)能保持在規(guī)定的技術(shù)要求范圍內(nèi)，將對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱(chēng)為該天線(xiàn)的頻帶寬度，簡(jiǎn)稱(chēng)帶寬。 （ 214） 稱(chēng)為相位函數(shù)，表示傳輸線(xiàn)單位長(zhǎng)度上行波電壓（或電流）相位的變化。 駐波系數(shù)與行波系數(shù) 一般情況下，傳輸線(xiàn)上存在入射波和反射波，它們相互干涉形成駐行波。 行波系數(shù)定義為駐波系數(shù)的倒數(shù)。而駐波狀態(tài)即當(dāng)傳輸線(xiàn)終端開(kāi)路（）或短路（）或接純電抗負(fù)載時(shí)，線(xiàn)上的反射波振幅與入射波振幅相等，兩者疊加，在線(xiàn)上形成全駐波。 微帶窄縫天線(xiàn)的輸入阻抗主要決定于縫的尺寸、基片相對(duì)介電常數(shù) 和厚度以及饋線(xiàn)與縫的相對(duì)位置。 圖 22 表示微帶寬縫天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)。 圖 22 由微帶饋電的單個(gè)寬縫微帶天線(xiàn) “寬 ”縫微帶天線(xiàn)，它的縫寬和波長(zhǎng)可比。方法的基本假設(shè)是： (1) 微帶片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線(xiàn)，傳輸準(zhǔn) TEM 波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)，線(xiàn)的長(zhǎng)度 2/L g?? ， g? 為準(zhǔn) TEM 波的波長(zhǎng)?？p平面看作微帶兩端的延伸平面，即是將開(kāi)口面向上折轉(zhuǎn) o90 ，而開(kāi)口場(chǎng)強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。 由于縫已放平，我們?cè)谟?jì)算上半空間輻射場(chǎng)時(shí)，就可以按自由空間處理。它與微帶饋電不同之處在于會(huì)引入電感。雖然圓形微帶天線(xiàn)也可以有徑向傳輸線(xiàn)與之對(duì)應(yīng)，但一般不常用。實(shí)驗(yàn)表明，阻抗曲線(xiàn)與饋電的二維位置有關(guān)，并且當(dāng)饋電點(diǎn)由邊緣向中心移動(dòng)時(shí)，阻抗曲線(xiàn)的不對(duì)稱(chēng)逐漸顯著，并向電感區(qū)收縮。 傳輸線(xiàn)法的另一不完善之處是縫導(dǎo)納的計(jì)算，它的電納部分通常是按照準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算的，所得到的等效伸長(zhǎng)在高頻條件下不準(zhǔn)確，故實(shí)際上往往通過(guò)對(duì)樣件的實(shí)測(cè)來(lái)確定伸長(zhǎng)量，這樣得出的數(shù)據(jù)更可靠。腔模理論是對(duì)傳輸線(xiàn)法的發(fā)展。 導(dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問(wèn)題分開(kāi)成獨(dú)立的問(wèn)題，理論上是嚴(yán)格的，只是邊界圖 33 微帶天線(xiàn)上各膜的電場(chǎng)和壁上面的磁流分布 15 導(dǎo)納確定比較困難，使計(jì)算只能是近似的。 積分方程法 積分方程法也叫全波分析法，通常要先利用邊界條件得出源分布的積分方程 , 解出源分布 ,再由積分算式來(lái)求得總場(chǎng)。用矩量法分析微帶天線(xiàn)時(shí)都會(huì)遇到SommerfeldType(一類(lèi)有奇異性的高振蕩函數(shù) )的積分 , 傳統(tǒng)的方法效率很低 , 由于積分時(shí)間很長(zhǎng)使得矩量法在微帶天線(xiàn)的應(yīng)用中受到極大的限制。因此，在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得較抽象。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來(lái)計(jì)算。而全波分析法通常要先利用邊界條件得出源分布的積分方程，解出源分布，再由積分算式來(lái)求得總場(chǎng)。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種商用電磁仿真軟件涌現(xiàn)出來(lái)。 HFSS 軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。根據(jù)天線(xiàn)的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在 HFSS 模型窗口中創(chuàng)建出天線(xiàn)的 HFSS 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。無(wú)線(xiàn)必須通過(guò)傳輸線(xiàn)或者波導(dǎo)傳輸信號(hào)，天線(xiàn)與傳輸線(xiàn)或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱(chēng)為激勵(lì)端口。上述操作完成后，整個(gè)仿真計(jì)算由 HFSS 軟件自動(dòng)完成。如果仿真計(jì)算的天線(xiàn)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，接下來(lái)可以著手天線(xiàn)的制作和調(diào)試工作。 微帶天線(xiàn)的理論基礎(chǔ) 微帶天線(xiàn)有許多種饋電裝置形式，如微帶線(xiàn)饋電、同軸線(xiàn)饋電，耦合饋電（ Coupled Feed）和縫隙饋電（ Slot Feed）等。對(duì)于微帶傳輸線(xiàn)的饋電方式，當(dāng)微帶天線(xiàn)的尺寸確定以后 ,可以用以下方法進(jìn)行阻抗匹配 :先將中心饋電天線(xiàn)輻射貼片同 50Ω饋線(xiàn)一起光刻 ,測(cè)量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出阻抗匹配變換器，然后在天線(xiàn)輻射貼片與饋線(xiàn)之間接入該阻抗匹配器，重新做成天線(xiàn)。 設(shè)計(jì)微帶天線(xiàn)的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為，對(duì)于工作頻率的矩形微帶天線(xiàn)，可以用下式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的寬度，即 (41) 式中， c 是光速。 18 計(jì)算天線(xiàn)尺寸 微帶天線(xiàn)的介質(zhì)基片采用厚度為 的 Rogers RT/duroid 5880 (tm)，所以厚度h=，介質(zhì)的介電常數(shù)。而我們?cè)O(shè)計(jì)要求的工作頻率為 ，與預(yù)設(shè)略有偏差，所以接下來(lái)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化，使天線(xiàn)的諧振頻率落在 上。 20 改變貼片寬度 W，探討其對(duì)諧振點(diǎn)的影響，所得曲線(xiàn)如圖 44 所示： 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .53 .53 .02 .52 .01 .51 .00 .50 .0S11(dB)F re q (G H z ) W =43 (m m ) W =44 (m m ) W =45 (m m ) W =46 (m m ) W =47 (m m ) 圖 44 不同 W 對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn) 從仿真結(jié)果可以看出：改變貼片寬度 W 對(duì)諧振點(diǎn)影響不大，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了理論天線(xiàn)的諧振頻率主要由輻射貼片的長(zhǎng)度 L0 決定。 21 根據(jù)上述條件，我們下面又對(duì)天線(xiàn)的饋電方式和尺寸進(jìn)行了改動(dòng)，給天線(xiàn)加上一段1/4 波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器段利用 HFSS 軟件畫(huà)出的 3D 圖形如圖 45 所示： 圖 45 加上一段 1/4 波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線(xiàn)的 HFSS 設(shè)計(jì)模型 加上一段 1/4 波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線(xiàn)的掃頻分析結(jié)果如圖 46： 1 .9 0 1 .9 5 2 .0 0 2 .0 5 2 .1 0 2 .1 5 2 .2 0 2 .2 5 2 .3 0 2 .3 5 2 .4 0 2 .4 5 2 .5 0 2 .5 5 2 .6 04 54 03 53 02 52 01 51 0505S11(dB)F re q (G H z ) S11 ?m ?m 圖 46 加上一段 1/4 波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線(xiàn)的掃頻分析結(jié)果 從圖中可以看出，諧振點(diǎn)頻率落在了 上，且回波損耗較好，符合工業(yè)上小于 10dB 的要求，匹配得較好。 由分析結(jié)果計(jì)算出該天線(xiàn)的相對(duì)帶寬為： %。 dy 越小， C 型槽長(zhǎng)度越長(zhǎng)，頻率越低。 所以根據(jù)優(yōu)化得到的尺寸設(shè)計(jì)天線(xiàn)，相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表 51 表 51： 基于 WLAN C 型槽天線(xiàn)的參數(shù)設(shè)置 結(jié)構(gòu)名稱(chēng) 變量名 變量值（單位： mm） 介質(zhì)基片 厚度 Hs 長(zhǎng)度 L1 40 寬度 W1 40 特性阻抗為50 的微帶饋線(xiàn) 長(zhǎng)度 L2 14 寬度 W2 C 型槽 長(zhǎng)方形① 長(zhǎng) 寬 2 長(zhǎng)方形② 長(zhǎng) 16 寬 2 長(zhǎng)方形③ 長(zhǎng) 16 寬 2 長(zhǎng)方形④ 長(zhǎng) 16 寬 2 27 長(zhǎng)方形⑤ 長(zhǎng) 寬 2 基于 WLAN C 型槽天線(xiàn)的掃頻分析結(jié)果如圖 54： 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 2 .0 2 .2 2 .4 2 .6 2 .8 3 .0 3 .2 3 .4 3 .6 3 .8 4 .02 01 51 050S11(dB)F re q (G H z ) S11 ?m ?m 圖 54 基于 WLAN C 型槽天線(xiàn)的掃頻分析結(jié)果 基于 WLAN C 型槽天線(xiàn)的 xoy 平面增益方向圖、 xoz 平面增益方向圖、 yoz平面增益方向圖和 3D 方向圖分別如圖 5圖 5圖 57 和圖 58 所示。 改進(jìn)饋電后的 C型槽天線(xiàn) 因?yàn)樯鲜?C 型槽天線(xiàn)雖然有了一定的優(yōu)化，但還未達(dá)到所希望的要求，因此，我進(jìn)一步對(duì)該槽天線(xiàn)的饋電進(jìn)行改善。 xoy 平面增益方向圖： 圖 513 xoy 平面增益方向圖 xoz 平面增益方向圖： 32 圖 514 xoz 平面增益方向圖 yoz 平面增益方向圖： 圖 515 yoz 平面增益方向圖 3D 方向圖： 圖 516 改進(jìn)饋電后的 C 型槽天線(xiàn)的 3D 方向圖 由計(jì)算可得，改進(jìn)后的 C 型槽天線(xiàn)的相對(duì)帶寬為 %，相比之前的 C 型槽天線(xiàn)，有了明顯的突破。 表 53 基于 WLAN 雙開(kāi) C 型槽天線(xiàn)的參數(shù)設(shè)置（圖中兩個(gè) C 型槽參數(shù)一樣） 基于 WLAN 雙開(kāi) C 型槽天線(xiàn)的的掃頻分析結(jié)果： 結(jié)構(gòu)名稱(chēng) 變量名 變量值（單位：mm） 介質(zhì)基片 厚度 Hs 長(zhǎng)度 L1 40 寬度 W1 40 特性阻抗為 50的微帶饋線(xiàn) 長(zhǎng)度 L2 20 寬度 W2 C 型槽 長(zhǎng)方形① 長(zhǎng) 6 寬 3 長(zhǎng)方形② 長(zhǎng) 7 寬 3 長(zhǎng)方形③ 長(zhǎng) 22 寬 3 長(zhǎng)方形④ 長(zhǎng) 7 寬 3 長(zhǎng)方形⑤ 長(zhǎng) 6 寬 3 36 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 125 04 54 03 53 02 52 01 51 0505S11(dB)F re q (G H z ) S11 ?m ?m ?m ?m ?m ?m 圖 520 基于 WLAN 雙開(kāi) C型槽天線(xiàn)的的掃頻分析結(jié)果 從圖中我們發(fā)現(xiàn)，雙開(kāi) C 型出現(xiàn)了雙頻，有兩個(gè)頻率段符合小于 10dB 回波損耗，一個(gè)的中心頻率是我們所需的 ，另一個(gè)則是 。這是因?yàn)樘炀€(xiàn) 38 兩邊開(kāi)兩 C 型槽 ,增加了電流路徑 ,在邊緣處產(chǎn)生反向電流激勵(lì) ,從而產(chǎn)生新的諧振點(diǎn)。 改變 C 型槽寬度 w