【正文】 ............................................ 26 多模技術(shù) ................................................................................................ 26 在貼片或接地板上開(kāi)窗 ........................................................................ 27 第 4 章 短路針加載理論 .............................................................................................. 28 傳輸線模型法 ................................................................................................... 28 格林函數(shù) ........................................................................................................... 31 短路針加載矩形貼片天線 .............................................................................. 33 短路針加載三角形貼片天線 .......................................................................... 35 目 錄 第 5 章 小型寬 頻 帶 微帶天線的 設(shè)計(jì) 與 研制 .............................................................. 42 概述 ................................................................................................................... 42 天線的設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 42 天線的仿真 ....................................................................................................... 44 HFSS 仿真軟件簡(jiǎn)介 ............................................................................. 44 Ansoft HFSS 仿真步驟 ......................................................................... 45 Ansoft HFSS 仿真結(jié)果 ......................................................................... 47 天線的 制作與 測(cè)試 ........................................................................................... 50 仿真與測(cè)試結(jié)果的比較與分析 ....................................................................... 57 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 59 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................. 61 攻讀學(xué)位期間公開(kāi)發(fā)表的論文 .................................................................................... 63 致 謝 ............................................................................................................................ 64 研究生履歷 ...................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。然而微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，使天線成為電子設(shè)備中龐大、笨重部件的問(wèn)題日益突出。此外，小型化微帶天線還可用于 PCMCIA通信卡和無(wú)線通信解調(diào)器中，為筆記本電腦等便攜設(shè)備提供通信能 力 ?；?微帶天線 的許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、成本低、 剖面低 、易集成 等 ， 而被廣泛應(yīng)用于 GSM、 GPS、藍(lán)牙、 WLAN、 3G 等 現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中。 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)最早由國(guó)際電信聯(lián)盟 （ ITU） 于 1985年提出 ， 當(dāng)時(shí)稱為未第 1 章 緒論 2 來(lái)公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng) FPLMTS（ Future Public Land Mobile Telemunication System） ,1996年更名為 IMT20xx (International Mobile Telemunication 20xx） 。 IMT20xx無(wú)線接口技術(shù)規(guī)范建議的通過(guò)表明 TG8/1制定第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接口技術(shù)規(guī)范方面的工作已經(jīng)基本完成 。 作為目前電磁問(wèn)題的主要分析手段，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法為國(guó)內(nèi)外廣大工作者所研究，并且由 于這些數(shù)值方法研究的成熟，各種商業(yè)化計(jì)算軟件工具不斷涌現(xiàn)。 1979 年在美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)舉行了微帶天線的專題國(guó)際會(huì)議， 1981 年 IEEE 天線與傳播會(huì)刊刊載了微帶天線專題。 和常用的微波天線相比，它有如下一些優(yōu)點(diǎn)： 體積小、重量輕、成本低，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適用于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn) ， 能與有源器件和電路集成為單一的模件， 容易獲得圓極化， 容易實(shí)現(xiàn)雙頻、多頻段工作等。微帶縫隙天線的帶寬比微帶貼片天線的要寬，特別是 寬矩形縫隙天線，但是此天線在要求單方向輻射時(shí)，厚度比貼片天線要大，另外，分析和設(shè)計(jì)這種天 線要比微帶貼片天線困難，限制了其應(yīng)用范圍?，F(xiàn)有的應(yīng)用簡(jiǎn)表如 表 所 示。再者，極化特性和多樣化、適應(yīng)寬角域波束掃描的要求，以及采用新型傳輸線饋電的可行性等都在探索之中 。 結(jié)果表明， 仿真與測(cè)試結(jié)果基本吻合 ， 天線的 10dB 損耗 頻帶達(dá) 到了 350MHz， 相對(duì)帶寬 達(dá) %，覆蓋了 WCDMA系統(tǒng)工 作頻段，且尺寸較小，輻射方向覆蓋均勻。 第 3 章 較為 詳細(xì) 地歸納和總結(jié) 了 國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)中實(shí)現(xiàn) 微帶天線小型化、寬頻帶的各種方法。 第 2 章 微帶天線基本理論 6 圖 矩形微帶天線及主面方向圖 Rectangular microstrip antenna and main pattern 第 2 章 微帶天線 基本 理論 微帶天線工作原理 雖然微帶天線最早在上世紀(jì)五十年代提出，但是直到七十年代隨著成熟的理論模型和介質(zhì)材料基片的光刻技術(shù)成熟，微帶天線才制造出來(lái)。如圖 (a)所示 ,貼片尺寸為 WL,介質(zhì)基片厚度 h(hλ0)， λ0 為自由空間波長(zhǎng)。該電場(chǎng)可近似表達(dá)為（設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場(chǎng)無(wú)變化） WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制 7 )/co s (0 LyEE x ?? () 天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成?？梢钥吹?，沿兩條 W 邊的磁流是同向的，故其輻射場(chǎng)在貼片法線方向 (x 軸 )同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。其 H 面和 E 面方向圖如圖 (c),(d)所示。 微帶天線的分析方法 微帶天線分析的目的是天線的輻射特性及近場(chǎng)特性進(jìn)行預(yù)先估算，通過(guò)分析與設(shè)計(jì)相結(jié)合，減少高耗費(fèi)的邊做邊試的循環(huán)次數(shù)，弄清天線的優(yōu)點(diǎn)和局限性，幫助了解新的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及對(duì)新的天線結(jié)構(gòu)研發(fā)來(lái)說(shuō)可能有用的工作原理。更嚴(yán)格 、更有用的是空腔模型（ CMCavity Model） 理論，可用于各種規(guī)則的貼片，但基本上限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況。 空腔模型理論 空腔模型理論是在微帶諧振腔分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。把這種方法移植到微帶中來(lái)，稱為單模理論。 圖 所示微帶貼片天線，微帶貼片和接地板之間的盒形區(qū)域可以看作諧振 腔：它的上下壁為微帶貼片的面積相同的接地板，周?chē)闹蚊鏋閭?cè)壁。因?yàn)槲зN片內(nèi)壁的電流可通過(guò)周界流向外壁面，因此在周界處內(nèi)壁面法向電流嚴(yán)格說(shuō)不是零，只是在 hλ 條件下接近零。 kmn 是諧振模的截止波長(zhǎng)，為實(shí)數(shù)，由天線尺寸的模的序號(hào) m, n 決定。 WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制 11 對(duì)規(guī)則形狀的貼片，一般可利用分離變量法解出 Ψmn 及相應(yīng)得 kmn，對(duì)于矩形貼片： L ynW xmC mnmn ??? c o sc o s? () 22 )()( LnWmk mn ?? ?? () 對(duì)于如圖 所示的饋源為同軸探針時(shí)，它可表示接地板流向貼片的 z 向電流和接地板 上同軸開(kāi)口處的小磁流環(huán)。 F? 所引起的電場(chǎng)為 FE ?? ???? ，對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，只保留含 R1 項(xiàng) )??(0 ?? ?? FFjkE ???? () 利用球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)單位矢量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，有 ???????????????????????????c o s)s i nc o s()c o ss i n(??0000yxyxFFjkFjkEFFjkFjkEEEE? () 饋源處的激勵(lì)電壓 V0 除以電流 I0 便得到天線的輸入阻抗 Zin。這些基函數(shù) 在 各自的單元內(nèi)解析，在其他區(qū)域內(nèi)為零，這樣就可以用分片解析函數(shù)代替全域解析函數(shù)。在任何有限元分析中，區(qū)域離散是第一步，或許也是最重要的一步，因?yàn)閰^(qū)域離散的方式將影響計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求、 計(jì)算時(shí)間和數(shù)值結(jié)果的精確度。在每一個(gè)離散單元的結(jié)點(diǎn)上的值是要求的未知量，在其內(nèi)部的其它點(diǎn)上的值是依靠結(jié)點(diǎn)值對(duì)其進(jìn)行插值。 （ 4） 方程組的求解。而 式 是本征值型的，它是從齊次微分方程和齊次邊界條件導(dǎo)出的。比如， Ansoft HFSS 軟件的支配方程為： 01 20 ?????????? ???? EkE rr?? ?? () 式中： ? ?zyxE ,? 是時(shí)諧場(chǎng)對(duì)應(yīng)的相量， ? ? ? ?? ?tjezyxERtzyxE ?, ?? ?。對(duì)于三維問(wèn)題，矩形塊、四面體和六面體等都可 以被選用做基本的離散單元，但是，不同離散單元對(duì)于有限元運(yùn)算的精度、速度和內(nèi)存需求都有不同。 4 三維 棱邊元 上一世紀(jì) 80 年代以后，棱邊元單元的出現(xiàn)解決了有限元方法的缺點(diǎn)。因此 elWe 11211? ?? ? () 它表示 12W? 沿棱邊（ 1， 2）有一個(gè)常切向分量，沿其它 5 個(gè)棱邊沒(méi)有切向分量?？梢钥吹剑@類矢量基函數(shù)在單元內(nèi)自然滿足散度為零，旋度不為零（見(jiàn)式 ），其定義也正好是沿切向定義的，棱第 2 章 微帶天線基本理論 18 選擇初始網(wǎng)格計(jì)算每個(gè)端口的激勵(lì)電流模式判斷每個(gè)端口激勵(lì)信號(hào)的精確度是否滿足要求在端口 重新劃分網(wǎng)格是否可以接受端口加入激勵(lì)后計(jì)算結(jié)構(gòu)體的場(chǎng)分量重新劃分結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格否 是是是否否自適應(yīng)計(jì)算S?達(dá)到要得到各參數(shù)和場(chǎng)分布結(jié)果 圖 Ansoft hfss 的自適應(yīng)迭代算法 Adaptive iteration algorithm of Ansoft hfss 邊元也避免了結(jié)點(diǎn)值，所以它能夠去除結(jié)點(diǎn)值四面體的三個(gè)缺點(diǎn)。 有限元方程組的求解 從上面的討論可以看出，矩陣方程的求解復(fù)雜度與有限元的剖分密度即未知數(shù)數(shù)目有很大的關(guān)系，未知數(shù)數(shù)目越多，求解所需的時(shí)間越長(zhǎng)。該算法一開(kāi)始先選用較粗的剖分，采用上面所談的方法求解，然后看其進(jìn)度是 否滿足要求。天線的小型化是指在固定的工作頻率上減小微帶天線的尺寸。以矩形微帶天線為例