【正文】 從而 輻 射所對(duì)應(yīng)的Q ， 及總的Q ， 值下降。 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)、在貼片或接地板 “ 開(kāi)窗”等等。 其中最易受頻率變化影響的是阻抗， 也就是說(shuō)， 線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。左右. 由于仿真過(guò)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(wú)旁瓣存在。 微帶天線的小型化設(shè)計(jì)與分析1 .天線設(shè)計(jì) 基本思想 微帶天線是諧振式天線，微帶貼片的長(zhǎng)度大約為介質(zhì)波長(zhǎng)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(zhǎng)度，則諧振頻率 （ 1 ） 式(1)中為等效介電常數(shù)， △l為考慮邊緣效應(yīng)的校正長(zhǎng)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(yàn)公式為 （ 2 ） ，. ，. 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(lái)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(wèn)題，按照上述思想我們?cè)O(shè)計(jì)了折疊式微帶天線并進(jìn)行了仿真驗(yàn)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(guò)側(cè)面(Joint)連為一體，三個(gè)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(duì)介電常數(shù)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(jì)中，上下兩層基片介質(zhì)相同，厚度也相同= = 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(diǎn)與貼片中心點(diǎn)的距離為y = 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(kāi)發(fā)的基于有限元的電磁仿真軟件，在微波電路設(shè)計(jì)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(huì)有所下降. 圖3為天線的回波損耗. 在發(fā)射中心頻率點(diǎn)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， VSWR ≤2 的頻帶寬度為8MHz， %. 顯然，天線頻帶較窄， Q值較高，不太適合對(duì)頻帶要求較寬的場(chǎng)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。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問(wèn)題。(2) 增益高(可達(dá)10dB 以上) ，方向性好。4． 附加有源網(wǎng)絡(luò)縮小無(wú)源天線的尺寸，會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小，效率降低。的極化簡(jiǎn)并模，還可形成圓極化輻射，以及實(shí)現(xiàn)雙頻工作。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。(b) 帶寬窄。一般地，若加載1Ω 切片電阻，增益下降約1. 5dB。(2) 帶寬窄。微帶天線是一維小天線，必須經(jīng)恰當(dāng)設(shè)計(jì)才能獲得良好性能。這樣，實(shí)用化小型微帶天線的研制，特別是用作第三代移動(dòng)通信(3G) 系統(tǒng)、藍(lán)牙(Bluetooth) 系統(tǒng)及無(wú)線定位系統(tǒng)的天線，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。以移動(dòng)通信和個(gè)人通信為例，目前廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信設(shè)備的單極天線和螺旋天線有許多缺點(diǎn):(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(duì)天線的性能影響較大； (3) 天線對(duì)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。33第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 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。時(shí)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(chǎng)量進(jìn)行時(shí)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(chǎng)量的時(shí)域差分方程。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(kāi)法將此積分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，利用計(jì)算機(jī)便可得出近似解。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。在腔體中，場(chǎng)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。利用矢量位函數(shù)便可由磁流計(jì)算出天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射和其它的電參數(shù)。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(jiǎn)單實(shí)用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來(lái)計(jì)算輻射場(chǎng)，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。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(lì)，終止處是一個(gè)槽。因此非諧振尺寸的槽型耦合孔徑應(yīng)用比較多?？讖酵ǔＮ挥谫N片的正下方，以利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性來(lái)抑制交叉極化電平。此外，還可以分別調(diào)節(jié)兩種填充介質(zhì)的參數(shù)以優(yōu)化饋線和貼片各自的性能。而對(duì)于微帶線饋電，由于特性阻抗的制約，基片厚度的增加會(huì)導(dǎo)致微帶線上金屬導(dǎo)帶寬度的增加，這將加劇饋線產(chǎn)生的干擾輻射。其缺陷是直接與貼片相連接的饋線會(huì)產(chǎn)生一部分輻射。其缺點(diǎn)是需要在介質(zhì)基片中鉆孔以滿足內(nèi)導(dǎo)體的連接需求，同時(shí)該饋電形式需要一個(gè)向地板外面突出的連接器，這就有礙于微帶天線的集成一體化設(shè)計(jì)，天線整體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性會(huì)使得交叉極化相對(duì)較大。而間接饋電則包括電磁耦合饋電、孔徑耦合饋電和共面波導(dǎo)傳輸線饋電。圖（f）為微帶線饋電的圓環(huán)縫隙，若縫隙改為長(zhǎng)短軸相近的橢圓環(huán)，并合理設(shè)置饋電位置，還可以實(shí)現(xiàn)在邊射方向上的圓極化輻射。圖（b）可以視為矩形排列的四元縫隙陣列，利用共面波導(dǎo)線來(lái)饋電。但由于縫隙本身電抗的影響，其駐波帶寬一般比較窄，且是雙向輻射的，不過(guò)這可以通過(guò)在介質(zhì)基片的另一側(cè)增加地板來(lái)消除背向輻射。，圖13示出了一種典型的微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)。此時(shí)微帶線上不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)的輻射用微帶線兩側(cè)的磁流來(lái)等效，且一般對(duì)于微帶線型天線，其微帶線的寬度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因此直微帶線上的寄生輻射可以忽略，且不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)處微帶線兩側(cè)磁流的輻射可用位于中心線的單個(gè)磁流來(lái)等效。圖22給出了幾種常見(jiàn)的微帶線型天線結(jié)構(gòu)。當(dāng)微帶振子很窄且基片厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)波長(zhǎng)或微帶振子的長(zhǎng)度等于諧振長(zhǎng)度時(shí)，我們可以假設(shè)微帶振子上的電流滿足余弦分布，從而得到其輻射特性。圖21給出了一種利用微帶線來(lái)進(jìn)行耦合饋電的微帶振子天線，微帶振子的長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)，寬度與微帶饋線的寬度相同。故一般的微帶天線多是這種形式，我們將在第三節(jié)對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)的介紹。它們具有不同的特點(diǎn)和使用范圍，其中貼片天線由于其分析和設(shè)計(jì)方便且具有很多優(yōu)良的電特性而在實(shí)際中應(yīng)用最廣。 微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法 在對(duì)微帶天線有了一個(gè)初步的了解之后，接下來(lái)我們將對(duì)微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。甚至在仍被認(rèn)為是微帶天線發(fā)展幼年時(shí)期的80年代時(shí)，微帶天線已有多種成功的應(yīng)用。 (9) 微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調(diào)制器、開(kāi)關(guān)等可以直接加到天線基片上)； (10)饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)和加工。微帶天線的第四種形式是利用開(kāi)在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其它饋線(如帶狀線)對(duì)其饋電，稱之為微帶行波天線，如圖13(d)所示。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許多手機(jī)天線都是采用曲折線型的微帶天線實(shí)現(xiàn)了手機(jī)天線的小型化。15第二章 微帶天線基本理論及分析方法第二章 微帶天線基本理論及分析方法本章主要介紹了微帶天線的各種結(jié)構(gòu)形式和基本分析方法， 微帶天線簡(jiǎn)介微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼導(dǎo)體薄片而形成的天線。第二章簡(jiǎn)單介紹微帶天線的基本理論以及分析方法第三章討論微帶天線小型化、寬頻帶的各種方法，并具體提出了一種小型化方法并附有設(shè)計(jì)與分析。通過(guò)與饋電接近的短路探針在諧振中引入耦合電容實(shí)現(xiàn)小型化，因此采用高介電常數(shù)(如陶瓷材料)基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。近年來(lái)，人們?cè)谖зN片天線展寬頻帶方面做了大量的研究微帶天線的寬頻帶技術(shù)主要采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)。1979年在美國(guó)新墨西哥州大學(xué)舉行了微帶天線的專題目際會(huì)議，1981年IEEE天線與傳播會(huì)刊在1月號(hào)上刊載了微帶天線專輯。 微帶天線簡(jiǎn)介早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps )教授就提出利用微帶線的輻射來(lái)制成微帶微波天線的概念。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目錄第一章 緒論 1 微帶天線簡(jiǎn)介 1 國(guó)內(nèi)外研究微帶天線的寬頻帶技術(shù) 2 微帶天線小型化方法 3 本文主要內(nèi)容 3第二章 微帶天線基本理論及分析方法 5 微帶天線簡(jiǎn)介 5 微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用 6 微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法 8 微帶天線的結(jié)構(gòu) 8 微帶天線的輻射結(jié)構(gòu) 8 微帶天線的饋電結(jié)構(gòu) 11 14 解析方法 14 數(shù)值方法 15第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 17 微帶天線的小型化技術(shù) 17 概述 17 微帶天線小型化方法 18 微帶天線的小型化設(shè)計(jì)與分析 213. 2 微帶天線寬頻帶技術(shù) 26 概述 26 選擇合適的介質(zhì)基片與貼片 27 阻抗匹配技術(shù) 28 電阻性加載技術(shù) 29 多模技術(shù) 30 在貼片或接地板上 “ 開(kāi)窗”的辦法 31第四章 微帶天線的寬頻帶設(shè)計(jì) 33第五章 結(jié)束語(yǔ) 37致謝 39參考文獻(xiàn) 415第一章 緒論第一章 緒論隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來(lái)個(gè)人通信主要手段的無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)己引起了人們的極大關(guān)注，在整個(gè)無(wú)線通訊系統(tǒng)中，天線是將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)的關(guān)鍵器件，其性能的優(yōu)良對(duì)無(wú)線通信工程的成敗起到重要作用。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用