【正文】 ??? (219) Maxwell 方程變?yōu)? tBE ?????? (220) ? ?PDtH ?????? (221) ?PE ?????? (222) 0H??? (223) 簡(jiǎn)單總結(jié)解題方法如下：由已知的源函數(shù)求輔助位函數(shù)，由已知電流分布 J(R)求解矢量位 A。JEJ ??? (212) 其中， 39。 、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線等。 ，基本的分析方法和饋電方式 ，并介紹了超寬帶技術(shù)工作原理和幾種基本的結(jié)構(gòu)原理，從而為后續(xù)的討論提供資料支持。 UWB 通信技術(shù)目前采用的主要調(diào)制方式有： PAM（脈沖幅度調(diào)制）， OOK（通斷鍵控調(diào)制）， THPPM（跳時(shí)脈位調(diào)制），TH/DSBPSK（跳時(shí) /直擴(kuò)二進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制）。 在此基礎(chǔ)上通過(guò)使用仿真軟件，對(duì)一 種具有超寬帶特性的準(zhǔn)自補(bǔ)微帶貼片天線進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，在原尺寸下仿真結(jié)果達(dá)不到要求的情況下，使用分頻段仿真的方法提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對(duì)各尺寸對(duì)天線性能的影響進(jìn)行了討論和分析，最后再綜合調(diào)整部分尺寸參數(shù)，使結(jié)果盡量滿足 天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)，最后在優(yōu)化的尺寸結(jié)構(gòu)下該準(zhǔn)自補(bǔ)天線工作帶寬為 ，并在此頻率范圍內(nèi)滿足回波損耗系數(shù)小于 10dB。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 （ 4）熟練掌握仿真軟件 HFSS 的使用。 第 I 頁(yè) 題 目 一種小型化準(zhǔn)自補(bǔ)超寬帶天線的分析與設(shè)計(jì) 本論文的目的、意義 由于微帶集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對(duì)低剖面天線的迫切需求，微帶天線以其眾多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、剖面薄、能與飛行器共形、易與有源器件和電路集成為單一模件、便于獲得圓極化、易于實(shí)現(xiàn)雙頻帶、雙極化等，受到了廣泛的重視和研究。 （ 3）學(xué)習(xí)微帶天線和超寬帶天線的基本原理。 作者簽名： 日 期： 第 IV頁(yè) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 本論文首先介紹了天線的基本知識(shí)，包括天線的分類和發(fā)展，天線研究的理論基礎(chǔ)和主要特性參數(shù)，然后介紹了微帶天線的基礎(chǔ)知識(shí)和分析方法以及微帶貼片天線的饋電方式，最后介紹了超寬帶技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展以及基本的超寬帶天線的結(jié)構(gòu)原理。 目前，國(guó)際上有關(guān) UWB 的在短距離無(wú)線通信領(lǐng)域的研究已經(jīng)步入了指定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的階段， 工作組已經(jīng)收到很多種方 案。 1. 介紹了天線的分類和理論基礎(chǔ)以及基本性能參數(shù)，如方向性、極化、駐波比、增益、輸入阻抗，頻帶寬度等。 天線的大致分類： 。 為了完整地描述時(shí)變電磁場(chǎng)的特性，麥克斯韋方程還包 括說(shuō)明電荷以及電流關(guān)系的電荷守恒定律以及說(shuō)明場(chǎng)量與媒質(zhì)特性關(guān)系的方程，即： tJ ?????? ?? (29) ED ?? (210) HB ?? (211) 39。 在無(wú)源區(qū)域， 0J? ， ρ=0，當(dāng)取適當(dāng)?shù)?A 和 φ可以得到庫(kù)倫規(guī)范 0A??? (218) 也就是說(shuō)，在無(wú)源區(qū)域電磁場(chǎng)只有兩個(gè)獨(dú)立的分量，這是引入赫茲矢量位的基礎(chǔ)。 源區(qū) J v39。等相位面是一個(gè)球面，球心位于元天線中心。 第 8 頁(yè) 圖 32 天線典型方向圖 副瓣的最大值相對(duì)于主瓣最大值的比稱為副瓣電 平，一般用分貝來(lái)表示。 )(同一輸入功率202EEG ? (234) 同理，增益定義也可以這樣來(lái)確定：在某點(diǎn)產(chǎn)生相同電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，無(wú)耗理想點(diǎn)源天線的輸入 功率（ 0inP ）與某天線的輸入功率 (inP )的比值，如下式： in0inPPG? (235) 由于天線的總輻射功率等于天線的輸入功率乘上效率，所以天線的效率是天線的輻射功率與輸入功率的比值。其合成波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量端點(diǎn)軌跡為一個(gè)圓，這種變化規(guī)律稱為圓極化。 一般情況下，我們用平均阻抗來(lái)計(jì)算： ?????? ???????????? ? ? 1L2120dzz2120L1dzZL1Z 10 1000 ?? lnln39。這些參量可以使方向圖，主瓣寬度，副瓣電平、方向性系數(shù)、增益、計(jì)劃和輸入阻抗等。但并沒(méi)有引起人們的重視，在隨后的近 20年里，對(duì)此只有一些零星的研究 .直到 1972 年，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展，以及各種低耗介質(zhì)材料的出現(xiàn)，客觀上在制作工藝上保證了微帶天線的大量生產(chǎn)，而空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)低剖面天線提出了迫切需求。 第 13 頁(yè) 微帶天線分析方法 圖 給出了開(kāi)路傳輸線中的電荷、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布方式。所以可以得出結(jié)論，即天線是傳輸線的特殊的形式，其起著波導(dǎo)和輻射空間的電 磁波的能量轉(zhuǎn)換作用。線段長(zhǎng)度 L ≈ g? /2， g? 為準(zhǔn) TEM 波的波長(zhǎng)。 傳輸線模型理論的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)明，計(jì)算量少，物理直觀性強(qiáng)。 腔模理論 該理論由 羅遠(yuǎn)志在 1979 年提出的。 盡管如此，這種方法也有其缺點(diǎn) : Z 坐標(biāo)變化只能適用于 0???h 。由于應(yīng)用微帶天線的目的就是降低剖面高度，因此在大多數(shù)情況下這不成問(wèn)題，而在毫米波段就需要另行考慮了。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是省卻了積分方程的求解，而又能獲得較嚴(yán)格的計(jì) 入微帶基片效應(yīng)的結(jié)果 。而全波分析法通常要先利用邊界條件得出源分布的積分方程，解出源分布，再由積分算式來(lái)求得總場(chǎng)。解的精度取決于基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取及展開(kāi)式的項(xiàng)數(shù)。 [5] 有限元法 有限元法是建立在變分法基礎(chǔ)上的。用聯(lián)系清單稀疏矩陣程序計(jì)算該矩陣可以節(jié)省90%的 計(jì)算機(jī)內(nèi)存 。 FDTD 方法是一種時(shí)域 (寬帶 )、全波、一體化的分析方法，正在微帶天線的分析和設(shè)計(jì)領(lǐng)域嶄露頭角。時(shí)域有限差分法相比其他方法有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，首先，時(shí)域有限差分法適用領(lǐng)域廣泛，對(duì)一般的和復(fù)雜的模型都適用；其二，當(dāng)我們所研究的物體外形結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成比較復(fù)雜時(shí)，時(shí)域有限差分法的算法不會(huì)變的太復(fù)雜。為此，一般要求微帶線寬度 w不能寬，希望 wλ ，這就要求微帶天線的特性阻抗值 ZC 要高些，或者基片厚度 h相對(duì)較小，介電常數(shù) r? 大些。一種更嚴(yán)格的處理，是把接地板上的同軸開(kāi)口作為 TEM 波的激勵(lì)源，而把圓柱探針的效應(yīng)按邊界條件來(lái)處理。這種饋電方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需焊接，缺點(diǎn)是由于貼片 第 22 頁(yè) 與饋線之間要精確地匹配而使得這種饋電方式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 ， UWB 系統(tǒng)采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，具有較大的處理增益，其能在發(fā)射信號(hào)時(shí)將微弱的無(wú)線電脈沖信號(hào)分散在廣闊的頻帶中去，使其輸出功率甚至小于設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲的功率，所以，在具有相同的碼數(shù)條件下，超寬帶通信具有更強(qiáng)的抗干擾能力。 超寬帶要求相對(duì)帶寬比高出 20%或者絕對(duì)帶寬大于 ，其傳輸速率可以超過(guò)100Mbps，具有這樣特性的系統(tǒng)就被稱之為 UWB 系統(tǒng)。 臨近耦合饋電 臨近耦合饋電屬于一種非接觸非共面的微帶饋電技術(shù)，利用兩層介質(zhì)，微帶饋線位于底層介質(zhì)上，天線貼片位于頂層介質(zhì)上，而天線結(jié)構(gòu) 中無(wú)需接地平而。當(dāng)天線元的尺寸確定以后，可按下法進(jìn)行匹配：先將中心饋電的天線貼片同 50Ω 的饋線一起光刻，測(cè)量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新做成天線即可。而且時(shí)域有限差分法易于得到計(jì)算空間場(chǎng)的暫態(tài)分布情況，有助于深刻理解天線的瞬態(tài)輻射特性及其物理過(guò)程，利于改進(jìn)天線的性能。 Yee 采用在空間和時(shí)間都差半個(gè)步長(zhǎng)的一種網(wǎng)格 ,通過(guò)類似蛙步跳躍式的步驟用前一時(shí)刻的磁、電場(chǎng)值得到當(dāng)前時(shí)刻的電、磁場(chǎng)值 ,并在每一時(shí)刻上將此過(guò)程算遍整個(gè)空域 ,于是可得到整個(gè)空域中隨時(shí)間變化的電、磁場(chǎng)值的解。該方法在計(jì)算電磁場(chǎng)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。每個(gè)單元的形狀都可視具體問(wèn)題靈活規(guī)定。權(quán)函數(shù)也必須是線性無(wú)關(guān)的。下面對(duì) 這三種方法進(jìn)行介紹。完整性是指全波理論包括了表面波效應(yīng)、空間波輻射、單元間的互禍現(xiàn)象 。因?yàn)橥ǔＴ次粗蚨壤眠吔鐥l件得出源分布后的積分方程，在解出源分布后再由積分算式來(lái) 求出總場(chǎng)。 腔模理論是對(duì)傳輸線法的發(fā)展，它能應(yīng)用于范圍更廣的微帶天線，另一方面。 ，即空腔四周視為磁壁。 實(shí)驗(yàn)表明，阻抗曲線與饋電點(diǎn)的二維位置有關(guān)，當(dāng)饋電點(diǎn)由邊緣向中心移動(dòng)時(shí)，阻抗的不對(duì)稱逐漸顯著，并向電感區(qū)收縮。 由上面的兩條基本假設(shè)我們便不難 看出：當(dāng) L= g? /2 時(shí)，二縫上切向電場(chǎng)均為 x方向，并且等幅同向。該模型將矩形貼片微帶天線看成為場(chǎng)沿橫向沒(méi)有變化的傳輸線諧振器。兩個(gè)導(dǎo)線之間的場(chǎng)會(huì)被加強(qiáng)，其他地方的場(chǎng)會(huì)被消弱，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)閷?dǎo)線之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。其具有平面結(jié)構(gòu)，和微波的毫米波無(wú)源電路、有源電路以及集成電路的兼容性好。 若天線的最高工作頻率為 fmax ,最低工作頻率為 fmin ，對(duì)于窄頻帶天線， 采用相對(duì)帶寬 ,即： %*m inm a x 100f ffBW0 ?????? ?? (241) 來(lái)表示其頻帶寬度。 ???? (240) 其中 β 為自由空間相位常數(shù)。接收天線和發(fā)射天線計(jì)劃不匹配將影響接收的效果。相應(yīng)的天線稱為垂直或水平極化天線。 方向系數(shù)的另一個(gè)計(jì)算公式如下： ? ?? ???? ?? ????????0220112dFdF4Ds in, (233) 從式子可知方向系數(shù)與輻射功率在全空間的分布狀態(tài)有關(guān) 。 由圖 32 我們可以看到，方向圖中有許多波瓣，其中包含最大輻射方向的波瓣稱為主瓣，其他一次為第一副瓣，第二副瓣等。工程上一般采用兩個(gè)相互正交的主平面上的方向圖來(lái)表示天線的方向性，這兩個(gè)主平面稱為 E 面和 H面。不同形式的天線，它們的方向圖也不相同。 [3] 在已知源分布的情況下， E ,H ,D ,B 四個(gè)矢量一共有 12 個(gè)分量，根據(jù)式 27，當(dāng) AB ??? (213) 帶入式 26得 tAE ?????? ? (214) 第 5 頁(yè) 上式中， A 為矢量位， φ為標(biāo)量位。 天線電磁理論基礎(chǔ) 天線的理論基礎(chǔ)是以下的麥克斯韋方程： SdtDJldH Sl ????????? ????? ?? (21) SdtBldEl S ??????? ? (22) ? ??S 0SdB (23) ? ??S qSdD (24) 上述四個(gè)方程為麥克斯韋方程的積分形式，它們對(duì)應(yīng)的微分形式為 第 4 頁(yè) JtBH ?????? （ 25） tBE ?????? （ 26） 0B??? （ 27） ????D （ 28） 麥克斯韋第一方程式是全電流定律，第二方程是電磁感應(yīng)定律，第三方程是高斯定律，第四方程是磁通連續(xù)性定理。在無(wú)線電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部