【正文】 ，根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流表示 S參數(shù)矩陣的解；第三種是本征模，求 解物理結(jié)構(gòu)的諧振頻率以及這些諧振頻率下的場模式。 簡言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。 對工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。 本章我們首先對有限元法原理進(jìn)行簡單介紹，對基于該方法仿真設(shè)計(jì)的軟件 HFSS簡單說明。 (2)手工計(jì)算：這是一種極其繁瑣的方法，因?yàn)樾枰玫捷^長的計(jì)算公式、并且被處理的數(shù)據(jù)多為復(fù)數(shù)。 史密斯圓圖常作為阻抗匹配的設(shè)計(jì)指南。理想的信號驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個(gè)電源來講，當(dāng)它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí)，輸出功率最大，此時(shí)阻抗匹配。為了更完整地描述天線的定向特性，更常用的參數(shù)是天線的增益指標(biāo)。的平面）。主平面的取法因問題的不同而異。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以直接測量出天線輸入端的 VSWR，其定義如下： 11111111 SSV SW R ????? ??? (216) 對于天線而言，當(dāng)輸出端口匹配時(shí)，輸入端口反射系數(shù) S11 即為反射系數(shù)。于是： (212) 回波損耗采用反射系數(shù)負(fù)模的對數(shù)分貝來度量，即： （ 213） 說到駐波比，就順便簡單說說微波網(wǎng)絡(luò)參量中的 S 參量。實(shí)際中一般采用近似法中的等效傳輸線法，該法把對稱天線認(rèn)為是由開路的雙線傳輸線張開而成，因此，在計(jì)算天線的輻射場時(shí)，天線上的電流可近似認(rèn) 為按正弦律分布 (實(shí)踐證實(shí)這種假設(shè)是可行的 )，其電流分布可表示為： ??? ?????? ?????? 0),(s in 0),(s in)( zlzlI lzzlIzImm ?? (24) 式中， Im為天線上波腹點(diǎn)的電流； l 為振子一臂的長度； ??? 2? 為相移常數(shù)， λ為自由空間的波長。 （二） 比值 ????EE 是一常數(shù)，并等于周圍媒質(zhì)的波阻抗，對自由空間 ??377? 。 天線工作基本原理 電流元和磁流元的輻射 實(shí) 際使用的線天線，均可認(rèn)為是由若干電流元和 (或 )磁流元所構(gòu)成。在同一系統(tǒng)中收、發(fā)天線應(yīng)具有相同的極化形式，若不一致，則產(chǎn)生極化失配。 最后是本論文的結(jié)語，對真?zhèn)€研究過程進(jìn)行收尾，回顧得失。簡要地介 紹了超寬帶無線通信技術(shù)的歷史和優(yōu)勢，回顧了超寬帶天線的發(fā)展歷程及國內(nèi)外關(guān)于多種超寬帶天線的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。況且實(shí)驗(yàn)的邊界條件是隨機(jī)的，不同的傳播環(huán)境很可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)有不同結(jié)論，單純的實(shí)驗(yàn)工作量太大，重復(fù)性差。小型化問題隨之而來，目前平面超寬帶天線整體尺寸一般從 25 25mm到 50 50mm不等，適用于 USB 系統(tǒng)的 15 30mm 的天線很少，小型化作為一個(gè)方向必將成為超寬帶天線的研究熱點(diǎn)，不少研究人員相繼提出小尺寸寬帶天線。在實(shí)際應(yīng)用中，共面波導(dǎo)饋電的寬縫隙天線應(yīng)用更加廣泛，因?yàn)槔霉裁娌▽?dǎo)饋電的結(jié)構(gòu)更容易進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用中又對偶極子做鏡像處理，形成更小結(jié)構(gòu)的單極子天線。但由于現(xiàn)實(shí)中不存在理想的雙錐天線，其改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，方向圖帶寬較窄，因此限制了它的應(yīng)用。近年來， UWB 天線主要包括以下 幾種形式：頻率無關(guān)天線（對數(shù)周期和螺旋天線）、雙錐單錐天線、加脊喇叭天線、 Vivaldi 天線、行波天線及加載天線等。 超寬帶天線 ， 顧名思義就是帶寬非常寬的天線 （ 3— 11GHz） ，這種說法其實(shí)是在頻域的對天線帶寬的定義是就某個(gè)參數(shù)而言，天線的性能符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍。這些脈沖所占的帶寬甚至高達(dá)數(shù) GHz，因此數(shù)據(jù)傳輸速率幾百 Mbps，這在當(dāng)前信息爆炸的時(shí)代是非常有誘惑力的。在本課題設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)共面 波導(dǎo)同軸線饋電的天線比微帶線饋電的更容易獲得優(yōu)良的阻抗匹配。 本文首先簡單介紹超寬帶天線的研究現(xiàn)狀和背景，并結(jié)合其幾種常見類型闡述天線的工作原理和基本參數(shù)。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)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢 獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。一款輻射面和地面不共面，整體大小 30mm 30mm 1mm，輻射面較小，采用微帶線饋電。但頻譜的使用需求卻不斷增大，想要保 持通信質(zhì)量，只能不斷地往高頻段寬頻帶推進(jìn)，此時(shí)超寬帶技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而在民用方面，主要用于無線個(gè)人局域網(wǎng)（ WPAN）、精確測距、金屬探測等。 超寬帶天線的發(fā)展歷程 超寬帶天線的發(fā)展歷程主要可分為三個(gè)階段： （ 1） 1950 年之前基本屬于早期發(fā)展時(shí)期，這時(shí)的超寬帶天線主要用于廣播電視通信領(lǐng)域； （ 2） 1950— 1990 近四十年，算是超寬帶天線的蓬勃發(fā)展時(shí)期，在這個(gè)階段多種寬帶和非頻變天線的設(shè)計(jì)理論被相繼提出。 雙錐天線是最早的具有寬帶特性的天線，最先由英國的洛奇 1989 年制成，它可以看成是激勵(lì) TEM 模的均勻漸變線，故其輸入阻抗有寬屏帶特性。此后為進(jìn)一步拓寬超寬帶天線的帶寬，相關(guān)研究人員又相繼提出了圓形、橢圓形、扇形、水滴形、火山型等多種變形單極子天線。印刷單極子具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、制作容易和全向輻射特性等優(yōu)點(diǎn)，所以本課題將其選為小型化超寬帶天線的代表 來研究。而就實(shí)際應(yīng)用而言，寬頻帶和小型化是天線最重要的方向之二。為了抑制干擾，勢必要將與其他系統(tǒng)重疊的頻段濾除，實(shí)現(xiàn)方法是在天線結(jié)構(gòu)上引入諧振結(jié)構(gòu)，以下是幾種通過開槽和增加枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)陷波功能的天線設(shè)計(jì)： ：天線 — 系統(tǒng)一體化的思想就是把天線與傳播鏈路組成的廣義信道作為一個(gè)空間濾波器，研究信號在 其中的傳輸性能，定量地評估信號的傳輸質(zhì)量，選擇合理的接收發(fā)送天線、設(shè)計(jì)合適的通信信號與相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)最佳傳輸性的系統(tǒng)。 (1) 相位中心問題：如何通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)確定 UWB 天線的相位中心，定量考察相位方向圖對 UWB 天線性能的影響，以利于脈沖型超寬帶天線的設(shè)計(jì)； (2) UWB 天線的數(shù)值分析：穩(wěn)定可行的快速 算法，能用于任意 UWB 天線和散射體的瞬態(tài)分析，有助于提高設(shè)計(jì)精度和效率； (3) 新材料和工藝的應(yīng)用：采用新型制作工藝如 LTCC 工藝、高級封裝集成工藝、人工電磁材料 (以 EBG 為代表 )，有利于實(shí)現(xiàn)體積小巧、性能良好的集成化天線，非線性介質(zhì)如液晶材料方面的 UWB 天線研究也開始受到關(guān)注； (4) 小型 UWB 天線的精確測量技術(shù)：如何減小其他因素 (如饋線亂真發(fā)射 )對小型天線的輻射特性影響，以及電小 UWB 天線的效率測量，都是值得研究的問題； (5) 利用廣義信道和隨機(jī)過程方法評估天線與系統(tǒng)性能： 廣義信道特性是關(guān)于方位角、俯仰角的復(fù)雜函數(shù)，只有在充分積累數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上才有望建立的傳播模型具有一般性，通過該模型和傳輸性能，可以對 UWB 天線的性能進(jìn)行評價(jià)和分析，選擇性能最佳的收發(fā)天線。 第四章是實(shí)驗(yàn)對比，是本論文的工作重點(diǎn)，對設(shè)計(jì)的兩款天線進(jìn)行優(yōu)化。 為了有效地將能量從發(fā)射機(jī)饋送到天線，將其空間電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流（或?qū)Рǎ┧椭两邮諜C(jī)。 在 UWB 系統(tǒng)中，作為重要組成部分的 UWB 天線的性能很大程度上制約了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 在近場區(qū)域內(nèi)電磁能流的坡印亭矢量是純虛數(shù)，沒有能流向外，該區(qū)域內(nèi)能量的振蕩占了絕對優(yōu)勢，該區(qū)域也叫感應(yīng)場。磁流元的輻射特性與電流元的輻射特性相似，但遠(yuǎn)區(qū)場分量已改變。 在計(jì)算積分時(shí)，分母中的 rrr ?? 21 ，但在相位因子中可取下式計(jì)算： ?????????c o sc o s21 zrr zrr (28) 將式 (28)代入 (29)并考慮以上的近似結(jié)果可得： ????? ????? ????? ? ???? ])(s i n)(s i n[s i n3000 c o sc o sllrjrjrjM dzezldzezler IjE ＝ ?? ??? ? ?? ? rjM ellrIj ]s i n c o s)c o sc o s ([60 (29) 根據(jù)式 (29)可以確定對稱振子輻射場的大小及方向。各矩陣元素稱散射參量，簡稱 S 參量，物理意義如下： 021111??aabS ，為端口 2匹配時(shí)端口 1 的反射系數(shù)； 012222??aabS ，為端口 1匹配時(shí)端口 2 的反射系數(shù)； 012112??aabS ，為端口 2匹配時(shí)端口 1 至端口 2的反向傳輸系數(shù)； 021221??aabS ，為端口 1匹配時(shí)端口 2 至端口 1的反向傳輸系數(shù)； S 參數(shù)是最能代表微波網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)，它可以很容易轉(zhuǎn)換為 Z 參數(shù)、 Y 參數(shù)、 A參數(shù)、 T 參數(shù)等其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時(shí) S 參數(shù)也是用網(wǎng)絡(luò)分析儀最容易測定的參數(shù)，因此在微波器 件的設(shè)計(jì)測試中 S 參數(shù)是最常用的。 在三維坐標(biāo)中，方向圖描述了一個(gè)三維曲面，這樣的方向圖稱為立體方向圖或空間 方向圖。研究超高頻天線，通常采用的兩個(gè)主平面是 E 面和H面。我們關(guān)心的是天線最大輻射方向上的強(qiáng)度與理想點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度之比，即 為方向性系數(shù)。設(shè)計(jì)不合理時(shí)，二者相差可能很大。 阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個(gè)方面的因素。 并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡單易行 ， 顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗。設(shè)計(jì)者必須熟悉用正確的格式輸入眾多的數(shù)據(jù)。然后介紹了天線的幾種參數(shù)，重點(diǎn)介紹本課題及超寬帶天線所涉及到的參數(shù)駐 波比、方向圖、方向性系數(shù)，并有駐波比引出微波網(wǎng)絡(luò) S 參量，對該參量所推導(dǎo)出的反射系數(shù)、回波損耗做了簡單說明。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。 Ansoft HFSS提供了一個(gè)直觀 、 易于使用、用于建立任意三維無源器件模型的界面。 HFSS有多種邊界條件，在高速 設(shè)計(jì) 中最常用的有，理想電邊界表示電場垂直 于表面。 HFSS具有功能強(qiáng)大又很靈活的數(shù)據(jù)管理和繪圖能力，可以輸出適合于 Matlab編程，后綴為 .m的 S/Y/Z矩陣參數(shù)文件。 本章的微帶單極子天線就是按照上述方法粗略計(jì)算出最低 3GHz 貼片天線的輻射板的面積 ，然后用等效面積法處理，得出最初的模型。 圖 電壓駐波比變化曲線 天線的仿真結(jié)果如圖 所示，從電壓駐波比上可以看到，天線在低頻段嚴(yán)重阻抗失配， 在整個(gè) 3— 11GHz的范圍內(nèi)可以說完全沒有達(dá)到目標(biāo)要求，有待進(jìn)一步改進(jìn)。 圖 天線正面圖 圖 天線側(cè)面圖示 圖 同軸線細(xì)節(jié)圖 設(shè)置仿真的頻率為 7GHz，添加掃頻， 仿真 3— 11GHz 的結(jié)果，每 1GHz 仿一個(gè)點(diǎn)。 第四章 超寬帶天線的仿真對比及優(yōu)化 引言 前一章設(shè)計(jì)了兩款超寬帶印刷 單極子天線，一款微帶線饋電，一款是共面波導(dǎo)同軸線饋電，并對其進(jìn)行了仿真，從仿真結(jié)果來看，這兩款天線都沒有達(dá)到要求，前者在低頻段嚴(yán)重失配，后者亦沒有達(dá)到所要的駐波比小于 2 的目標(biāo)。圖 為查看 g=12mm和 g=9mm的駐波比曲線。 通過更加輻射片半徑，切割的弓形大小發(fā)現(xiàn)，在不大規(guī)模改變其形狀的基礎(chǔ)上，無法對天線的阻抗匹配產(chǎn)生影響。底板開槽開槽位置如圖 所示，底板中部開出寬 4mm 的槽，槽的長度對駐波比曲線優(yōu)化不大，這里只選較優(yōu)的 4mm，槽的高度設(shè)為變量 d，分別設(shè)置 1mm、 、 、 四個(gè)參數(shù)，下面來分析仿真結(jié)果。經(jīng)過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切角值為 5mm 時(shí)，低頻段的駐波比有較好的改善，達(dá)到了要求，故將其定為 優(yōu)化后的參數(shù)，最終優(yōu)化后的天線如圖 。 同軸線饋電天線的仿真對比與優(yōu)化 該超寬帶單極子天 線在一開始的原始參數(shù)中就有較好的性能，仿真對比和優(yōu)化過程簡單明顯，且本小節(jié)的優(yōu)化過程類似于 節(jié)微帶線饋電天線的優(yōu)化，所以不做多余的贅述，僅將過程和結(jié)果簡要描述。結(jié)果如 和圖 。故選擇 d=作為優(yōu)化參數(shù)。下面選取原始輻射片形狀和三種更改后的形狀對比，如圖 所示。由于接地板高度的對比