【正文】 的關(guān)鍵設(shè)備，順應(yīng)通信 、 廣播 、雷達、制導等無線電應(yīng)用系統(tǒng) 在不同階段的需要而不斷發(fā)展。 Microstrip antenna。 few cost。 light weight。針對這種天線結(jié)構(gòu)，本文給出了分析方法，利用該分析方法可對天線進行初步的分析和設(shè)計， 借助于Ansoft 公司的電磁仿真軟件 進一步 優(yōu)化 可得 到 性能優(yōu)良的設(shè)計結(jié)果。 WCDMA（ Wideband Code Division Multiple Access 寬帶碼分多址） 是一種由3GPP（ 第三代移動通信合作項目組 ） 具體制定的，基于 GSM/MAP 核心網(wǎng)， UTRAN（ UMTS 陸地無線接入網(wǎng)）為無線接口的第三代移動通信系統(tǒng) ， 該系統(tǒng) 工作 頻帶范圍 為 19202170MHz。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 中 文 摘 要 摘 要 近年來，隨著個人通信和移動通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)的迅猛發(fā)展，人們對天線 設(shè)計的小型化和寬頻帶要求越來越高 。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學校可以采用影印、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?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或未公開發(fā)表的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人授權(quán)大連海事大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學位論文。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。因此如何減小 微帶 天線在低頻應(yīng)用時的 體積、展寬頻帶成為近年來微帶天線的研究熱點。 綜 合多種小型化和寬頻帶的設(shè)計方法， 本文 提出了一種 新 的 小型寬頻 帶 微帶天線 結(jié)構(gòu) ， 該天線是一種 三角形貼片 天線，采用 短路針加載 以實現(xiàn)小型化 ， 在貼片上開縫 以實現(xiàn)寬頻帶特性 。 關(guān)鍵詞： 小型化；寬頻帶；微帶貼片天線； WCDMA；電磁仿真 英 文 摘 要 The Design and Fabrication of Compact Broadband Microstrip Antenna for the WCDMA System Abstract In recent years, with the fast development of personal munication and mobile munication in the whole world, there are increasing requirements for the pact and broadband antennas. Microstrip antennas have been applied more and more widely for their lots of advantages like small size。 flexible feed manner。 Broadband。 WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計與研制 1 第 1 章 緒論 選題背景及 研究 意義 現(xiàn)代電磁學歷經(jīng)三百多年的發(fā)展，日臻成熟完善。因此設(shè)計出 能與設(shè)備大 小協(xié)調(diào)的小天線的需求愈加迫切。然而遺憾的是，在較低頻段 （ VHF/UHF） 中，傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然太大。但是，普通微帶天線的 相對帶寬較窄，通常只有 %— 7%左右 。國際移動通信 20xx意即該系 統(tǒng)工作在 20xxMHz頻段最 高業(yè)務(wù)速率可達 20xxkbit/s 。 第三代移動通信系 統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用將進入實質(zhì)階段 ， 與此同時 IMT20xx許可證的發(fā)放工作也在世界各國如火如荼地開展起來 ， 在當前新劃分的 IMT20xx頻段中， WCDMA（ Wideband Code Division Multiple Access 寬帶碼分多址）是使用最廣泛的 3G空中接口技術(shù)。常見的仿真軟件主要有基于矩量法的 IE3D，基于有限元法的 HFSS，基于有限積分法的 CST 等等，本文中用的是在仿真軟件業(yè)內(nèi)有著很好口碑的 Ansoft 公司的 。至此，微帶天線已成為天線領(lǐng)域中的一個專門分支 [15]。其缺點主要是頻帶窄，功率容量小，損耗大，基片對性能影響較大。微帶行波天線可以獲得比較大的帶寬，但是這種天線的效率比較低并且分析方法還不是很成熟。 第 1 章 緒論 4 表 微 帶天線的典型應(yīng)用 Microstrip antenna applications 應(yīng)用領(lǐng)域 用途 飛機天線 盲目著陸系統(tǒng)、高度表、通信與導航 導彈與遙測 引信、傳感器、毫米波雷達 衛(wèi)星通信 星載多波束雷達、移動式地面站、直播衛(wèi)星電視接收機 移動通信 隨身和手持電話、艙內(nèi)和車載天線、基站天線 雷達 多普勒測速雷達、防撞雷達、防盜報警器、單脈沖雷達、相陣控雷達 戰(zhàn)場通信和監(jiān)視 車載共形天線 電子對抗 多波束陣列 遙感 綜合口徑雷達 氣象和射電天文 氣象雷達、亞毫米波接收機 生物醫(yī)學 微波治癌儀 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)計目標的全方位開發(fā)，它既被單獨用于手機天線，醫(yī)用輻射器等場合，也被廣泛用作各種陣列天線的單元；既在工程設(shè)計中以形式多樣而取勝，又多見于 被電磁場數(shù)值分析用作典型實例。 論 文的主要工作和內(nèi)容安排 本論 文 在 分析總結(jié)了多種實現(xiàn)微帶天線小型化 、寬頻帶工作的設(shè)計方法 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) 。 基本滿足了設(shè)計要求 ，為 WCDMA移動終端天線的設(shè)計提供了參考。 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，以及微帶天線越來越多的優(yōu)點引起重視，微帶天線有了飛速的發(fā)展。微帶貼片天線可看作寬 W 長 L 的一段微帶傳輸線，其終端（ W 邊）處因為呈現(xiàn)開路，將形成電壓波腹。由等效性原理知，窄縫上電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。沿每條 L 邊的磁流都由反對稱的兩部分構(gòu)成，它們在 H 面 (xz 平面 )上各處的輻射互相抵消；而兩條 L 邊的磁流又彼此呈反對稱分布，因而在 E 面 (xy 面 )上各處，它們的場也都相消。由于接地板的存在，天線的主要向上半空間輻射。 天線分析的基本 方法 是 通過 Maxwell 方程 求解天線在周圍空間建立的電磁場，求得電磁 場后，進而得出其方向圖、增益和輸入阻抗等特性指標。最嚴格而計算最復(fù)雜的是積分方程法（ IEMIntegral Equation Method），即全波（ FWFull Wave）理論，從原理上說，積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu) 、 任意厚度 的微帶天線 ，然而要受計算模型精度的限制。實際上，諧振式微帶天線的形狀與微帶諧振腔并無顯著區(qū)別。作為此法的改進，發(fā)展了多模理論，它把腔內(nèi)場用無限正交模表示，因而就能較準確的代表腔內(nèi)場。 在分析腔內(nèi)場時，基本空腔模型理論作如下假設(shè)： (1) 電場只有 Ez 分量，并且 Ez 不隨 z 而變化。由上述討論可以看出基本空腔模型理論應(yīng)用上的限制， hλ 的條件時很重要的。當工作頻率選得使 k 很近于 kmn 時，分母上得 k2 k2mn 很小而使第 (m, n)項振幅變得很大，內(nèi)場基本上就由這 個項決定。后者很小，可以忽略；前者可等效為中心在 (x0, y0), x 方 向?qū)挒?d0 的電流片。對于同軸線饋電的矩形貼片天線，饋源模型取在 x 方向?qū)挒?d0 的電 流片，則該寬度上的電壓平均值為 ? ?????? 2/2/000 00 00 ),(dx dx zz dxyxEdhhEV () 將式 代入上式可得 abadmjkk yxhjkZ nmnm mne f fmnin 0000, 22 00200 )2(),( ????? ???? ? () 其中 )t a n1(0 e ffre ff jkk ?? ?? () WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計與研制 13 空腔模型對微帶天線的工作特性有著深入的物理解釋，空腔模型不但用于矩形貼片，也可以應(yīng)用到其它規(guī)則形狀的貼片，如圓形、三角形等形狀的貼片。 本文所用的仿真軟件 Ansoft HFSS是基于有限元法的原理來編制的。對于一維問題可以選 取短直線段為單元，二維可以選擇矩形或者三角形，三維問題可以選擇四面體、三棱柱或矩形塊。 Ansoft HFSS 軟件中有兩種插值方式可供選擇。方程組的求解是有限元分析的最后一步。在電磁學中，本征值方程組通常與諸如波導中波傳輸和腔體中的諧振等無源問題有關(guān)。 0k 是自由空間波數(shù)， r? 是復(fù)的相對導磁率， r? 是復(fù)的相對介電常數(shù)（考慮了介質(zhì)的損耗）。 Ansoft HFSS 采用四面體作為基本離散單元，并選用被應(yīng)用于電磁學中的棱邊元作為矢量基函數(shù)。 Ansoft HFSS 正是采用了棱邊元（也稱為矢量有限元）的方法，下面對其進行介 紹。如果定義該棱邊為 1，則可以定義其矢量基函數(shù)為： ee lWN 1121 ?? ? () 類似可得到棱邊 i的矢量基函數(shù)為： eieiiei lWN 21?? ? () 其中棱邊數(shù)及相關(guān)結(jié)點 1i 和 2i 定義在表 中。 四面體單元在模擬任意形狀的幾何體時，特別是不規(guī)則的幾何物體時，比矩形塊、六面體等單元更加靈活和準確。然而，從另外一個方面來說，有限元方法求解的精度與也隨著未知數(shù)數(shù)目的增加而更加準確。如不滿足，進一步細化剖分，再次進行求解，直到達到給定的精度。隨著移動通信的迅速發(fā)展，針對不同的小型天線（如線天線、平面倒 F 天線、介質(zhì)振蕩器天線、縫隙天線、螺旋天線以及印刷微帶天線等） 有不同的小型化方法。由式 可以看出，天線諧振頻率 rf 與 r? 成 反 比，因此對于一個固定的工作頻率，采用高介電常數(shù) （如陶瓷材料）或高磁導率 （如磁性材料） 的基片可以有效 圖 采用不同介電常數(shù)基板的 GPS 天線尺寸對比 Comparison of GPS antenna with different substrate 第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 20 的降低天線的尺寸。 由此可以看出采用高介電常數(shù)的基片可以有效減小天線的尺寸。如果在零點位線處對地短接，就可以形成開路到短路的駐波分布，這樣就使矩形微帶天線的尺寸減小了一半。 圖 (a)是加載短路面的四分之一 波長結(jié)構(gòu)的微帶天線。另有文獻介紹加載短路針的等邊三角形微帶天線尺寸減小了 94%。 (3)H 面的 交叉極化電平相對較高。 貼片曲流技術(shù)是一種通過彎曲天線貼片表面激勵電流路徑的 天線小型化技術(shù)。同時為了保證天線的特性，凹槽的寬度不能太大，太大會影響到天線的輻射場型。圖 (b)是在矩形貼片的非輻射邊挖了兩個三角形的切口，使表面電流路徑變長，這種結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)到蝶形貼片天線，與相同大小的矩形貼片天第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 22 線相比，蝶形貼片天線具有更低的諧振頻率。 曲流技術(shù)可以有效地減小天線尺寸， 并且結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。文獻 [8]介紹 在圓形微帶貼片同時采用開槽和加載短路針的辦法可以大大的減小天線的尺寸，此天線尺寸是同頻率下 普通圓形微帶天線尺寸的 9%。近年來， PIFA 在無線通信終端（如手機）上得到廣泛的應(yīng)用。 微帶天線的寬頻帶技術(shù) 天線的頻帶是指其特性參數(shù)在規(guī)定的容許范圍內(nèi)的頻率范圍。這是由于微帶貼片天線是一種諧振式天線，它的諧振特性可以等效為一個高 Q 并聯(lián)諧振電路。 帶寬： SQSBW 1?? () 圖 微帶線饋電的 PILA 示意圖 Geometry of a microstriplinefed planar invertedL patch antenna 第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 24 品質(zhì)因數(shù)： TrrPWfQ ?2? () 存儲 能量： 202020 ),(16 akfhVW Trr ????