【正文】 波治癌儀作為小型化、集成化天線的線天線主角，微帶貼片天線以其三維結(jié)構(gòu)的靈活性受到各種不同設(shè)計(jì)目標(biāo)的全方位開發(fā)，它既被單獨(dú)用于手機(jī)天線，醫(yī)用輻射器等場(chǎng)合，也被廣泛用作各種陣列天線的單元；既在工程設(shè)計(jì)中以形式多樣而取勝，又多見于被電磁場(chǎng)數(shù)值分析用作典型實(shí)例。 論文的主要工作和內(nèi)容安排本論文在分析總結(jié)了多種實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化、寬頻帶工作的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的小型寬頻帶的三角形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)?；緷M足了設(shè)計(jì)要求，為WCDMA移動(dòng)終端天線的設(shè)計(jì)提供了參考。第4章 介紹了基于腔膜理論的短路針加載理論。經(jīng)過(guò)近幾十年的理論分析的成熟和材料及加工工藝的發(fā)展，以及微帶天線越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)引起重視，微帶天線有了飛速的發(fā)展。微帶貼片天線可看作寬W長(zhǎng)L的一段微帶傳輸線，其終端（W邊）處因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹。由等效性原理知，窄縫上電場(chǎng)的輻射可由面磁流的輻射來(lái)等效。在其它平面上這些磁流的輻射不完全相消，但與兩條W邊的輻射相比，都相當(dāng)弱。對(duì)上半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流Ms的正鏡像。分析微帶天線的基本理論大致可分為三類。從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡(jiǎn)化為一維的傳輸線問(wèn)題，第二種理論則發(fā)展到二維邊值問(wèn)題的求解；第三理論又進(jìn)了一步，可計(jì)入第三維的變化。因此，借助于諧振腔理論是很自然的。空腔模型已成功用于精確計(jì)算厚度不超過(guò)介質(zhì)波長(zhǎng)百分之幾的微帶天線的特性。磁場(chǎng)只有Hx和Hy分量，且假設(shè)Hz=0即腔內(nèi)只存在對(duì)z的TM型場(chǎng)； (2 內(nèi)場(chǎng)不隨z坐標(biāo)變化；四周邊緣處電流無(wú)法向分量，即邊緣處切向磁場(chǎng)為零，故空腔四周可視為上、下為電壁，四周為磁壁的腔體?？涨粌?nèi)場(chǎng)滿足下列復(fù)數(shù)形式麥克斯韋方程： ()對(duì)第二式取旋度，再利用第一式消去H，得 ()式中 ()tan δ是介質(zhì)損耗角正切。這時(shí)我們就說(shuō)該天線對(duì)TMmn模諧振。設(shè)總電流為I0,即有： ()，得 ()式中j0(x)=sin x / x ()這里δ0m和δ0n是聶曼數(shù)：為表達(dá)簡(jiǎn)潔起見，取Cmn=1，最后得： ()（取k0√εr = kmn）： ()用εe代替εr，能獲得更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果得諧振頻率值，即 ()求得微帶貼片的內(nèi)場(chǎng)后，可應(yīng)用等效性原理來(lái)得到外空間的場(chǎng)。根據(jù)空腔模型理論可以對(duì)貼片天線進(jìn)行定性的分析，并判斷數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性。下面簡(jiǎn)要介紹有限元法的基本原理。Ansoft HFSS選用的四面體作為基本單元。（3）方程組的建立。最終的方程組是下列兩種形式之一： ()或者 ()，它是從非齊次微分方程或非齊次邊界條件或從它們兩者兼有的問(wèn)題中導(dǎo)出的。在這種情形下，已知向量為零，矩陣可以寫成的形式，這里表示未知的本征值。2．三維變分公式根據(jù)變分原理，上式的泛函可以寫為： ()特別要指出的是，這只是無(wú)源區(qū)的域內(nèi)支配方程對(duì)應(yīng)的泛函，還沒(méi)有強(qiáng)加邊界條件和源項(xiàng)。下面首先介紹按照結(jié)點(diǎn)值定義的四面體單元，然后介紹Ansoft HFSS選用的三維棱邊元?？疾焓噶亢瘮?shù)： ()首先，容易看出， ()其次，假設(shè)表示從結(jié)點(diǎn)1指向結(jié)點(diǎn)2的單位矢量。 四面體單元的棱邊定義 Definition of tetrahedron cell’s edge棱邊結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)112213314423542634在以上定義的基礎(chǔ)上，： ()其中，（i＝1，…，6）就是單元內(nèi)的未知量。雖然對(duì)于同樣離散數(shù)，矩形塊和六面體比四面體的未知數(shù)要少，但是，有趣的是，對(duì)于幾乎同樣的未知量數(shù)目，采用四面體的有限元數(shù)值解比采用矩形塊和六面體的有限元數(shù)值解精度要高。因此，有限元方法的求解時(shí)間與準(zhǔn)確度是一對(duì)矛盾。第3章 微帶天線的小型化、寬頻帶技術(shù)由于個(gè)人通信系統(tǒng)的發(fā)展，各種通信終端天線的需求持續(xù)增加。下面簡(jiǎn)要介紹一下微帶貼片天線小型化的具體方法。，a和b采用了不同介電常數(shù)的基片材料，天線工作頻率同樣是1575MHz。但這類高介質(zhì)天線的主要缺點(diǎn)是：(1)激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗大，是增益減小，效率降低。 三種短路加載的矩形微帶天線 Geometries of a rectangular patch antenna with (a) a shorting wall, (b) a shorting plate, and (c) a shorting pin微帶天線的加載方法主要包括短路加載和電阻加載。(b)和(c)中是用短路片和短路針代替了短路面，可以更大的降低天線的諧振頻率或減小天線尺寸。這種方法的缺點(diǎn)是：(1)阻抗匹配極大的依賴于短路針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離，對(duì)制造公差要求很高。由于天線在諧振頻率以下呈感性，因此在同軸饋電點(diǎn)附近加載負(fù)載電阻時(shí)，等效于加了個(gè)電容，從而使諧振頻率降低，而且隨加載電阻增大，天線的品質(zhì)因數(shù)降低，帶寬展寬，制造公差降低，但這些性能的提高以犧牲增益為代價(jià)。若在相同的共振模態(tài)下開槽，則此凹槽就會(huì)破壞原來(lái)共振模態(tài)的電流路徑，使電流路徑變長(zhǎng)，這樣天線的共振波長(zhǎng)相對(duì)變大，因此天線的頻率隨凹槽的長(zhǎng)短而變化，挖的凹槽越長(zhǎng)相應(yīng)的天線工作頻率降低的越多。以矩形貼片天線為例。在接地板上開槽可以達(dá)到和貼片上開槽同樣的曲流效果。天線的增益會(huì)因?yàn)檩椛涿娣e的減少而下降，比工作在同頻率的傳統(tǒng)微帶天線的增益小很多。PIFA也可以看作是折疊的PILA。（是天線中心頻率在自由空間的波長(zhǎng)）時(shí)，也就是說(shuō)，PILA在保持與普通的半波長(zhǎng)微帶天線相同的輻射特性的前提下，可以工作在1/4波長(zhǎng)。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。因此展寬頻帶的基本途徑是降低等效諧振電路的Q值。對(duì)于增加基片厚度來(lái)說(shuō)，雖然容易實(shí)現(xiàn)但受到客觀條件的限制，作用有限，而且基片過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致基片厚度與波長(zhǎng)之比過(guò)大，引起表面波激勵(lì)，同是重量也隨之增加。而一個(gè)厚度相當(dāng)?shù)囊话憔匦挝炀€的頻帶為13%。這種結(jié)構(gòu)比起貼片結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的能量要小但是輻射要強(qiáng)，根據(jù)這個(gè)思路。實(shí)際上這并不屬于微帶天線本身的問(wèn)題，而是饋線的匹配問(wèn)題。而匹配網(wǎng)絡(luò)中不連續(xù)點(diǎn)的輻射會(huì)使天線的交叉極化特性變差。將加載的短路銷釘換成一個(gè)低阻值（如1）的貼片電阻，這是天線的諧振頻率和加載銷釘時(shí)的諧振頻率相比幾乎不變，而天線的帶寬則有顯著的提高。利用多模技術(shù)設(shè)計(jì)寬帶微帶天線是借鑒耦合諧振器的基本原理，使用兩個(gè)或多個(gè)諧振單元，調(diào)節(jié)它們的諧振頻率，彼此近距離耦合，通過(guò)控制耦合來(lái)提高帶寬。因此，在接地板的適當(dāng)位置“開窗”，可改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性，這些都可以展寬頻帶[9]。綜合各種因素，本文欲采用短路針加載空氣介質(zhì)的三角形微帶天線并在貼片上開兩條窄縫的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的小型化和寬頻帶，一方面短路針加載三角形微帶天線可以使天線的尺寸大大減小，另一方面空氣介質(zhì)和窄縫也可以使天線的頻帶展寬。但是，這種天線在較低頻率應(yīng)用時(shí)尺寸太大，不能滿足實(shí)際要求，從而影響了微帶貼片天線在低頻頻段的應(yīng)用。在本章將利用這些理論介紹短路針加載矩形和三角形貼片天線理論。場(chǎng)沿縱向（b邊）呈駐波變化，輻射主要由兩開路端（a邊）處的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生。它由邊緣效應(yīng)引起，其電納可用延伸長(zhǎng)度來(lái)表示： ()式中，是微帶線的特性導(dǎo)納。諧振長(zhǎng)度為 ()由此得天線諧振頻率為 ()若在矩形貼片中插入短路針，將使諧振頻率升高。由于在線性媒質(zhì)中電磁場(chǎng)方程均為線性方程，于是可將任意場(chǎng)源分布分解為點(diǎn)源的集合，任意場(chǎng)源分布在給定邊界條件下所產(chǎn)生的場(chǎng)等于這些點(diǎn)源分布在同樣邊界條件下所產(chǎn)生的場(chǎng)的疊加。一般格林函數(shù)的源采用單位點(diǎn)源。為已知函數(shù)，當(dāng)時(shí)邊界上的標(biāo)量場(chǎng)已知，為第一類邊界條件，對(duì)應(yīng)的問(wèn)題稱為第一類邊值問(wèn)題；當(dāng)時(shí)邊界上的標(biāo)量場(chǎng)法向?qū)?shù)已知，為第2類邊界條件，對(duì)應(yīng)的問(wèn)題稱為第2類邊值問(wèn)題；當(dāng)時(shí)，在一部分邊界上標(biāo)量場(chǎng)已知，而在其余的邊界上標(biāo)量場(chǎng)的法向?qū)?shù)已知，稱為第三類邊界條件，或混合邊界條件，對(duì)應(yīng)的問(wèn)題稱為第三類邊值問(wèn)題。得 ()上式兩邊同乘以，并對(duì)區(qū)域V積分得 ()利用本征函數(shù)的正交性及函數(shù)的性質(zhì)，由上式得 ()，可得到標(biāo)量格林函數(shù)用本征函數(shù)展開的表達(dá)式為 ()當(dāng)本征值為連續(xù)譜，即本征值取連續(xù)值時(shí)，上式的求和應(yīng)改為積分，即 () 短路針加載矩形貼片天線 含短路針的矩形貼片天線 Rectangular microstrip antenna with a shortingpin在傳輸線理論中，是將短路針等效為電感，并與未加載貼片等效的LC諧振電路并聯(lián)。文獻(xiàn)[17]、[18]利用未加載貼片天線的（0，0）模推導(dǎo)了含短路針矩形微帶貼片天線輸入阻抗的計(jì)算公式，并給出了計(jì)算結(jié)果。已知對(duì)于時(shí)諧場(chǎng)，腔體區(qū)域的波動(dòng)方程為 ()其中。 短路針加載三角形貼片天線與矩形貼片一樣，三角形貼片天線在實(shí)際中也有廣泛應(yīng)用 [19][20][21][22][23][24]。當(dāng)短路針置于貼片邊緣時(shí)，諧振頻率最低，此時(shí)貼片尺寸也降至最小[25][26]。圖中貼片是等邊三角形，邊長(zhǎng)為d，介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為，厚度為h，短路針和饋電探針的半徑和坐標(biāo)分別為、和、,且 ， 。另外，該式也需要用數(shù)值法求解。，空間某一點(diǎn)P的坐標(biāo)為 ()當(dāng)時(shí)，P與之間的距離可寫成： 坐標(biāo)變換示意圖 Coordinate transformation ()于是，電矢量位為 ()式中。則 ()進(jìn)行適當(dāng)變換后，沿三條邊的積分為： () () () () (),于是 () () ()由于 ()所以 () () () () ()于是 ()從而得輻射場(chǎng)為 () () ()文獻(xiàn)[28]基于腔模理論分析了短路針加載三角形貼片天線的特性，由未加載三角形貼片天線的靜態(tài)電容和所有其他模等效的電感確定了短路針加載三角形貼片天線的諧振頻率，很好地解釋了在貼片中加入短路針使貼片諧振頻率降低的現(xiàn)象。WCDMA系統(tǒng)射頻的工作頻帶范圍是1920~2170MHz，頻寬達(dá)250MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到13%，因此對(duì)于WCDMA移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)要求有大帶寬、小尺寸且在整個(gè)方位平面上提供均勻覆蓋、增益0dBi以上。利用基于有限元法的電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft ，得出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)；最后對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了實(shí)際的加工測(cè)試，給出了天線的主要參數(shù)，并與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。當(dāng)εr減小時(shí)，可以使輻射對(duì)應(yīng)的Q值下降，從而使頻帶變寬。但是h的增加不但使重量增加而且破壞了低剖面特性。用微帶線饋電時(shí)，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便地一起光刻，制作簡(jiǎn)單，并且更方便和電路實(shí)現(xiàn)集成。一般來(lái)說(shuō)微帶線饋電為了達(dá)到匹配都需要阻抗變換器，這樣工作于相同頻率時(shí)微帶線饋電所需的面積大于同軸饋電。電磁耦合型饋電是貼近無(wú)接觸的饋電，可以利用饋線本身，也可通過(guò)一個(gè)口徑（縫隙）來(lái)形成饋線與天線間的電磁耦合，因此也可稱為貼近式饋電。微帶天線貼片為等邊三角形，邊長(zhǎng)L，一對(duì)窄縫位于中心線兩側(cè)，縫長(zhǎng)與寬分別記為d和w，縫距底邊距離記為c，兩條窄縫之間距離記為S。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和電磁數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的微帶天線設(shè)計(jì)方法。 HFSS仿真軟件簡(jiǎn)介Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。HFSS共有三種Solution模式：Driven Modal、Driven Terminal和Eigenmode。Ansoft HFSS是一種3D的電磁仿真軟件，它提供了操作簡(jiǎn)單的各種畫圖工具，可以方便的建立各種復(fù)雜的立體模型。系統(tǒng)內(nèi)部自帶各種介質(zhì)基片材料，可以從材料庫(kù)里選擇需要的材料。HFSS提供高頻電磁仿真的邊界條件包括PerfectE，PerfectH，Radiation等，激勵(lì)源端口設(shè)置主要有兩種Wave port和Lumped Port。一般來(lái)說(shuō)用戶需要對(duì)該軟件非常熟練才能正確地設(shè)置邊界條件和激勵(lì)源。這個(gè)軟件包的主要功能是對(duì)天線模型