【正文】 36 第 五章 準(zhǔn)自補(bǔ)超寬帶天線仿真與結(jié)果分析 ................................. 37 本論文所仿真的寬頻帶天線 ............................................................................... 37 使用軟件建立模型 .............................................................................................. 38 對(duì)天線主體進(jìn)行建模 .................................................................................................................. 38 設(shè)置各邊界條件以及激勵(lì) ........................................................................................................... 38 原尺寸仿真結(jié)果 .................................................................................................. 39 結(jié)果分析及解決方法 .......................................................................................... 40 分頻段仿真優(yōu)化 .................................................................................................. 41 仿真結(jié)果 .......................................................................................................................................... 41 對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化 ............................................................................................................................. 42 結(jié)果分析討論 ...................................................................................................... 49 結(jié) 論 .............................................................. 50 致 謝 ................................................................. 51 參考文獻(xiàn) .............................................................. 52 第 1 頁 第一章 緒論 論文研究的意義和目的 微帶天線具有低剖面、重量輕、體積小、易與飛行器共形，以及易與有源器件和微波電路集成的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、移動(dòng)通信、以及各種無線設(shè)備中。 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代意義上的超寬帶 UWB（ Ultra Wide Band）無線電技術(shù)，出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì) 60年代，但是當(dāng)時(shí)有關(guān)其的應(yīng)用一直僅限于軍事、災(zāi)害搜救搜尋雷達(dá)定位和測(cè)距等方向。通過綜合考慮方案的可靠性，有效性和多址性等影響因素后，在以上四種調(diào)制方式中目前采用最多的是后面兩種 THPPM和 TH/DSBPSK 調(diào)制方式。但是在我國(guó)的電磁兼容的環(huán)境下，該技術(shù)如何和以往傳統(tǒng)通信技術(shù)相容共存應(yīng)用乃至于頻譜的分化規(guī)則的制定都是急需解決的問題。 4. 對(duì)給定的天線借助 HFSS 仿真軟件結(jié)合分頻段仿真的方法進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了工作頻率帶寬為 的準(zhǔn)自補(bǔ)超寬帶天 線，同時(shí)討論了部分尺寸對(duì)天線性能的影響，并給出仿真軟件理論分析結(jié)果，數(shù)值仿真結(jié)果表明該天線在 頻段內(nèi)，駐波比小于 10dB。此外，在用電磁波傳送 能量方面，非信號(hào)的能量輻射也需要天線。 、長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。時(shí)變電場(chǎng)的方向與時(shí)變磁場(chǎng)的方向處處相互垂直。J 代表時(shí)變電磁場(chǎng)的電流源或非電的外源。任意一個(gè)矢量場(chǎng)，如果只給出它的旋度，則這個(gè)矢量場(chǎng)并不是唯一的，做出如下規(guī)定 0tA ?????? ??? (215) 這種關(guān)系被稱為洛侖茲規(guī)則。磁場(chǎng)強(qiáng)度 第 6 頁 AH ????1 (225) 電場(chǎng)強(qiáng)度 tAtdA1E ??????? ??? (226) 對(duì)于時(shí)諧場(chǎng) ?????? ?????? Ak1AjE 2? (227) Poynting 矢量 ??? HE21S / ，總輻射能量為 [2] dsHE21dsSeRPSS????? ???? ? (228) 圖 電流輻射問題的場(chǎng)矢量 天線性能參數(shù) 方向圖 天線輻射的功率有些方向大，有些方向小。它顯示天線在不用方向輻射的相對(duì)大小。 場(chǎng)點(diǎn) 第 7 頁 體圖形，因而被稱為立體方向圖。下圖表示七元八木天線的幾種方向圖，向徑的方向代表輻射的方向，向徑的長(zhǎng)短代表輻射的強(qiáng)度。 （ 3） 電場(chǎng)矢量沿θ方向，磁場(chǎng)矢量沿φ方向，且兩矢量均與球面相切。主瓣中輻射強(qiáng)度（即功率密度）為最大值一半的兩個(gè)徑向之間的夾角（圖中的 ? ）稱為主瓣寬度。 我們也可以用方向性系數(shù)來表示天線集中輻射程度。 效率與增益系數(shù) 天線的另一個(gè)重要的特性參數(shù)是增益，它和天線的方向性有著密切的聯(lián)系，并可說明天線的效率。 在有地面存在的情況下，線極化又可分為垂直極化與水平極化。則合成波矢量與 x軸的夾角 α 為 ? ?kzt2 ??? ??? (238) 對(duì)于某一固定的 Z 點(diǎn)，夾角 α 為時(shí)間 t的函數(shù)。 圓極化的天線有左旋圓極化與右旋圓極化之分，它由輻射的電磁波是左旋還是右旋來定。它的值與天線的形式，實(shí)用的波長(zhǎng)以及周圍物體的情況等因素有關(guān)。39。匹配愈好，駐波比愈小。但若規(guī)定的參量是天線的輸入阻抗，或饋線上的駐波比不得大于 ，則由此確定的天線頻帶寬度不一定和規(guī)定天線增益變化的允許范圍所確定的頻帶寬度一樣，換句話說，天線的頻帶寬度是規(guī)定的參量而不同。 通常，相對(duì)帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線，例如引向天線；相對(duì)帶寬達(dá)百分 第 11 頁 之幾十的為寬頻帶天線，例如螺旋天線；絕對(duì)帶寬可 達(dá)到幾個(gè)倍頻的稱為超寬頻帶天線，例如對(duì)數(shù)周期天線。 [5] 微帶天線的特點(diǎn)有：剖面薄，易于飛機(jī)、衛(wèi)星或者其他電子系統(tǒng)的外殼共形。微帶天線的主要缺點(diǎn)是帶寬比較窄，如果沒有采用擴(kuò)頻技術(shù)，帶寬只有幾個(gè)百分點(diǎn)，饋線的損耗限制了孔徑尺寸和增益，在毫米波級(jí)別的高端微帶線結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)表面波模式。導(dǎo)線上傳導(dǎo)電流用箭頭標(biāo)出，相鄰的λ /2 的傳輸線上的電流方向與之相反。還有其他的很多的類似的例子，如開路平行板傳輸線終端張開形成的 TEM 喇叭天線；開口矩形的波導(dǎo)末端逐漸張開形成的錐形喇叭天線；拉開短路傳輸線就是雙圓錐天線等。 圖 開路傳輸線中的電荷、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng) 第 14 頁 圖 傳輸線終端張開形成的半波振子天線 這是一種最簡(jiǎn)單而又適合某些工程應(yīng)用的模型。傳輸線法有三種模型：簡(jiǎn)單傳輸線、廣義傳輸線和有耗傳輸線。2. 傳輸線的兩個(gè)開口端（始端和末端）等效為兩個(gè)輻射縫，其長(zhǎng)度為 W，寬為 h，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線的開口端場(chǎng)強(qiáng)?？p上等效磁流密度為 hV2Ms /?? （ 31） 其中， V是傳輸線開口端電壓。 ，因此當(dāng)饋電點(diǎn)位置在波垂直變化的方向變化時(shí)阻抗不變 。因?yàn)槲炀€并非只存在最低階的傳輸線模式，還有其他高次模式的場(chǎng)存在，在失諧時(shí)這些模式將顯示主要作用。其基于薄微帶天線 ( 0???h )的假定 : E 分量，磁場(chǎng)只有 yx HH和 分量，即這是對(duì) Z 向的 TM 型場(chǎng)。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 : ，且計(jì)算量不是很大。由于內(nèi)場(chǎng)的假定是近似的，天線的外場(chǎng)是基于天線的內(nèi)場(chǎng)，雖然外場(chǎng)的解法較為精確，但由于內(nèi)場(chǎng)結(jié)果 是近似的，最終導(dǎo)致外場(chǎng)的計(jì)算只能是近似。但是，由于邊界導(dǎo)納的引入，雖然在理論上把腔內(nèi)外的電磁問題分開，但是由于邊界導(dǎo)納的確定比較困難，使計(jì)算只能是近似的。 [6] 全波分析理論 這種方法也稱積分方程法。但是，由于嚴(yán)格的格林函數(shù)要在譜域中展開，求解積分方程有較大的難度和計(jì)算量。 相對(duì)于上兩種理論而言，全波分析理論可以概括為具有如下幾個(gè)特性 :準(zhǔn)確性、完整性、通用性和計(jì)算復(fù)雜性。 [7] 第 17 頁 微帶天線的數(shù)值分析方法 微帶天線的數(shù)值分析方法主要是指全波分析中的數(shù)值分析方法。全波分析中的數(shù)值分析方法主要包括矩量法，有限元法，時(shí)域有限差分法，而且隨計(jì)算條件的不斷改善，新的方法也不斷涌現(xiàn)。矩量法所處理的問題可概括 為解線性非齊次方程，可統(tǒng)一的寫為 : gLf ? （ 32） 其中 :L 為線性算子， g 為己知函數(shù)， f 為待求解函數(shù)矩量法對(duì)式 (32)的求解過程如下 : 在 f的定義域內(nèi)將 f 展開為一組線性無關(guān)的已知函數(shù) ??xfn 的組合 : ? ???? Nn nn xfaf 1 （ 33） 其中 na 稱為展開系數(shù)， ??xfn 稱為基函數(shù)或展開函數(shù)。 在一個(gè)特定的問題中，矩量法的關(guān)鍵是基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取。當(dāng)求解域不規(guī)則時(shí)，一般要用分域基離散。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，這樣可以用分片 解析函數(shù)代替全域解析函數(shù)。分片解析函數(shù)通過這些單元間的公共頂點(diǎn)連續(xù)起來，拼接成一個(gè)整體，代替全域解析函數(shù)，通過相應(yīng)的代數(shù)等價(jià)可化為代數(shù)方程求解。有限元法最重要的優(yōu)點(diǎn)是其不受討論物理模型形狀的限制，這從單元和基函數(shù)的選取即可以明確。 1990 年 將 FDTD 方法應(yīng)用于平面微帶 第 19 頁 電路結(jié)構(gòu)中 ,證 明了 FDTD 方法對(duì)計(jì)算平面微帶電路的有效性。用有限差分式表示關(guān)于場(chǎng)分量對(duì)時(shí)間和空間變量的微分，即可得到 FDTD 基本方程。 圖 Yee氏網(wǎng)格示意圖 這種方法屬于媒質(zhì)吸收型吸收邊界，其根本是構(gòu)造了一種非 物理的吸收媒質(zhì)與FDTD 網(wǎng)格外部邊界相連，該吸收媒質(zhì)具有與外向散射波的入射角和頻率均無關(guān)的波阻抗。另外，時(shí)域有限差分法是一種時(shí)域的方法，它直接在 Yee 氏網(wǎng)格上對(duì)時(shí)間和空 間導(dǎo)數(shù)的中心差分近似，通過 Maxwell 兩個(gè)旋度方程求解來模擬電磁場(chǎng)傳播與媒質(zhì)的相互作用過程，對(duì)于分析波導(dǎo)不連續(xù)性問題非常 第 20 頁 有效。 [10] 微帶天線的饋電方法 微帶線饋電 圖 微帶饋電示意圖 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)便。為計(jì)入邊緣 效應(yīng)，此電流片的寬度 d0 要比微帶饋線的寬度 w寬（取有效寬度）。這種饋源的理論模型，可表示為 z向電流圓柱和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)。 ，避免了天線輻射的影響。因?yàn)橘N片與饋線之間的耦合是電容性的，微帶饋線的開放末端可改善帶寬，而兩層介質(zhì)參數(shù)也可用來增長(zhǎng)天線的帶寬，減少微帶末端的偽輻射。近年來隨著應(yīng)用于微電子器件的技術(shù)和工藝的提高，超寬帶技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域。 ， UWB 的輸據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 Mbps 的數(shù)十?dāng)?shù)量級(jí)到數(shù)百數(shù)量級(jí)。 系統(tǒng) 消耗的電能比較少，在傳統(tǒng)通信中，無線通信系統(tǒng)需要