【文章內(nèi)容簡介】 當復雜，一般需要借助相關(guān)的計算機工具來完成，現(xiàn)在用來計算求解這些場分布特性的計算機輔助軟件有多種，使用這些軟件大大提高了分析的效率和精確度。數(shù)值分析法主要可以分為矩量法（MOM）、時域差分法（FDTD）和有限元法（MEW）。此次設(shè)計用到的HFSS軟件所采用的就是上述數(shù)值分析方法中的一種：有限元法，因此下面對該方法進行解釋說明。 有限元法（Finite Element Method）是將需要求解的區(qū)域（由邊界條件確定）劃分為一個個的單元網(wǎng)格，給每個單元網(wǎng)格規(guī)定一個在各自單元區(qū)域內(nèi)解析、其他單元內(nèi)為零的基函數(shù)，這樣使得在分析每個單元時相互獨立，這樣在全區(qū)域的求解分析就被離散為了對每個單元的求解分析，將得到的各個單元網(wǎng)格的求解整合就得到了整個區(qū)域內(nèi)的求解。劃分單元網(wǎng)格時，根據(jù)求解需要可以將其劃分為矩形、三角形等平面形狀。如果是求解區(qū)域為三維結(jié)構(gòu)，則網(wǎng)格單元相應地可以是六面體、四面體等立體形狀。相關(guān)研究已經(jīng)證明，采用正三角形或正四面體劃分網(wǎng)格時，得到的求解結(jié)果最為精確。為了使求解過程盡量簡化，通常采用多項式來作為單元網(wǎng)格的基函數(shù)進行求解分析。比如設(shè)計用到的HFSS仿真軟件采用的是三角形的單元網(wǎng)格劃分時，基函數(shù)為一次多項式。利用有限元法分析問題時可分為以下幾個步驟：1）將求解區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，確定網(wǎng)格單元的基函數(shù)；2）根據(jù)網(wǎng)格單元區(qū)域的邊界條件列出各個單元求解方程；3）將得到的網(wǎng)格單元方程整合，組成整個區(qū)域內(nèi)的方程組；4）求解所列方程組，根據(jù)求解結(jié)果得出輻射場的特性分布。 需要指出，為了減少計算機的計算量，并且使得出的結(jié)果更加精確，在設(shè)計時應使得輻射邊界不能過大，在滿足所需要的輻射區(qū)域的基礎(chǔ)上盡量減小輻射邊界尺寸。 微帶陣列天線原理分析由若干個相同的微帶天線按照一定方式排列成直線或者平面結(jié)構(gòu)的天線系統(tǒng)稱為微帶陣列天線，要求組成天線陣的陣元結(jié)構(gòu)和排列取向相同。本文采用的是4陣元的均勻直線陣，所以將重點說明均勻直線陣的原理分析。 均勻直線陣天線的原理圖 均勻直線陣是指陣元按照相同的形式排列成一條直線，且其相位沿直線均勻遞減和或者遞增的電流饋電。上圖表示的就是一個N陣元均勻直線陣，圖中0—N1表示Ｎ個陣元，延ｘ軸排成一條直線。這里要求每個陣元在結(jié)構(gòu)形式與排列方式相同，天線陣方向圖函數(shù)為元因子與陣因子的乘積。于是需要考慮的是陣因子與因子關(guān)系式和相鄰元之間相位差ξ如何建立聯(lián)系，由原理圖分析得到陣列在 H 面（xoy）內(nèi)的歸一化陣因子關(guān)系式為： （） 式中 （）上式為一幾何級數(shù)的多項式，可以得到其和為： （）這樣上式就構(gòu)成了均勻直線陣列天線的歸一化因子表達式。 根據(jù)想要得到的最大電場輻射與天線平面方向的關(guān)系，可以將均勻直線陣分為兩大類。1. 邊射陣 邊射陣得到的輻射電場的最大值方向在垂直于天線平面的方向，即各陣元的輻射場在垂直天線平面方向同相疊加。此時的陣元的電流同相。即β=： （） 由上式可知，當時，陣元在該方向上產(chǎn)生場的同相疊加。如果陣元的最大輻射方向也在該方向疊加，那么直線陣的最大輻射方向必然也是在此方向上。故構(gòu)成了邊射式均勻直線陣。2. 端射陣 端射陣跟邊射陣正好相反，端射陣的輻射電場最大方向在陣元排列的直線方向，此時α=0度，且，此時 （） 對于上式進行物理意義的分析：在此端射陣中，各個陣元的電流相位存在一個角度的滯后，此時我們已經(jīng)知道滯后的這個角度在數(shù)值上等于陣元間距在方向上的相位差kd。當使得時，此時兩相鄰陣元產(chǎn)生的輻射場在α=0方向上引起的相位差為，即與陣元自身的電流相位相互抵消，這樣就使得所有陣元在方向上產(chǎn)生的輻射場同相疊加達到最大值。 此次設(shè)計的均勻直線陣就是采用的邊射式直線陣。 天線的性能參數(shù)分析（1） 增益系數(shù) 天線的增益系數(shù)是指在相同的輸入功率下，在某一距離和角度天線在最大輻射方向上某處輻射功率密度與無方向性天線在同一處輻射功率密度之比，也可以用天線的方向系數(shù)和其效率的乘積來表示。天線的增益系數(shù)表明了天線在最大輻射方向上比理想的無方向性天線把輸入功率增大的倍數(shù)，因此，天線的增益系數(shù)可以很好地表征天線對功率集中輻射的能力。所以天線增益是一個衡量天線性能的重要參數(shù)，增益越大，代表天線在特定方向上的輻射效果好。因此我們需要盡量得到增益高的天線。（2）天線的方向圖 天線方向圖又叫輻射方向圖和遠場方向圖。是指在距離天線一定距離的輻射場的相對場強隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。輻射方向圖主要包括主瓣寬度、旁瓣電平和前后比等。由天線的方向圖可以直觀看出天線在某一特定方向的增益和輻射強度。因此，天線的方向圖也是衡量天線性能的一個重要指標。（3）回波損耗參數(shù)（S11參數(shù)）回波損耗表示的是傳輸線端口的反射功率與入射功率的比值。用對數(shù)表示時單位是dB。S11參數(shù)可以看出天線工作時能量經(jīng)傳輸線后有多少被反射回了入射源，因此S11參數(shù)也是表明天線性能的重要指標，S11如果比較大，就表示反射回來的能量比較大，相應的發(fā)射出的功率就比較小，從而使天線的效率就比較低了。因此，在設(shè)計天線時應盡可能使S11參數(shù)比較低，從而保證天線在工作時盡可能地把能量發(fā)射出去，使天線有比較高的效率，這是保障天線性能的一種方式。（4） 天線的輸入阻抗 阻抗匹配是衡量輸入電路與輸出電路之間功率的差異的一項指標。換言之就是反映天線在工作時輸入端經(jīng)過傳輸線到達輸出端消耗了多少功率，表示的是傳輸線的損耗。達到理想的輸入阻抗匹配時，沒有發(fā)生傳輸線損耗，則輸入端輸出的能量沒有損耗全部輸送到終端負載，表明在這一過程天線的能量被完全地利用到了，效率是百分之百，當然這是理想情況，在實際中都會發(fā)生損耗。在失配情況下，由于此時傳輸線上存在反射波，使得傳輸線輸送的功率的過程中發(fā)生損耗使得能量不能全部被負載吸收，因此會降低天線的效率。在天線的設(shè)計中，應盡量使輻射貼片的輸入阻抗與50Ω微帶線或者饋電網(wǎng)絡進行匹配，從而提高天線的效率。 第三章　微帶陣列天線設(shè)計　　此次設(shè)計的目標是設(shè)計一個工作中心頻率為10GHz的14均勻直線陣。分兩個方面實現(xiàn)：一是設(shè)計陣元，二是將陣元組成陣列。在設(shè)計陣元過程中需要選取貼片和介質(zhì)基片材料、計算相關(guān)尺寸、選擇饋電方式，然后通過仿真優(yōu)化參數(shù)，最終確定參數(shù)進行仿真，得出結(jié)果進行分析。組成陣列設(shè)計時，需要設(shè)計連接陣元的饋電網(wǎng)絡，再設(shè)計出整個陣列，進行仿真，得出結(jié)果并進行分析。 陣元設(shè)計 我們選取的是最為常見的矩形微帶貼片，采用微帶線饋電的方式的偏心饋電，將微帶饋線與導體貼片的左邊緣相連。這樣的陣元結(jié)構(gòu)比較簡單，選取的饋電方式也方便了后來陣列天線中的饋電網(wǎng)絡設(shè)計。為了得到很好地天線性能，我們需要通過分析和計算來確定微帶天線陣元中的相關(guān)參數(shù)。 介質(zhì)基片的選取 設(shè)計微帶天線時第一步需要選取合適的介質(zhì)基板，并經(jīng)過理論分析和計算確定介質(zhì)基片的厚度，因為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)和損耗正切值還有其厚度h決定了微帶天線其他參數(shù)和性能指標。研究發(fā)現(xiàn)，較厚的介質(zhì)基片可以增加輻射功率，降低導體損耗和提高阻抗帶寬，但是也會增加介質(zhì)損耗、表面波損耗和來自微帶線的輻射干擾，同時也增加了重量。而對于相對介電常數(shù)，根據(jù)理論，低介電常數(shù)材料的介質(zhì)基片可以增加微帶貼片周圍的邊緣輻射場，從而提高天線的輻射功率，但是介電常數(shù)過低會使得微帶貼片的尺寸變得比較大。綜合以上考慮，本文選擇了聚四氟乙烯材料Arlon AD270，其介電常數(shù)=,。 計算微帶貼片的尺寸 經(jīng)過前人的研究以及理論推導，微帶貼片天線的寬度w可由下面的公式計算得到： （）式中c表示光速，f表示天線工作的中心頻率。接下來就是設(shè)計貼片的長度了，一般取貼片長度為，為介質(zhì)體內(nèi)部的導波波長，為： （）式中的是有效介電常數(shù)，由介電常數(shù)和介質(zhì)基片厚度與貼片的寬w的比值共同決定，其關(guān)系式為： （）而實際中應考慮貼片的邊緣縮短效應，所以實際微帶貼片的長度應為： （）式中表示的是等效輻射縫隙長度，由和貼片寬w與基片厚度h的比值決定，關(guān)系式如下： （） 由于f=10GHz，=，h=，根據(jù)以上公式求得