【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 216） 輸入阻抗 傳輸線(xiàn)任意點(diǎn)的電壓和電流的比值定義為該點(diǎn)沿向負(fù)載方向看去的輸入阻抗。設(shè)已 11 知終端電壓和終端電流 (217) 式中 為終端負(fù)載阻抗。 反射系數(shù) 傳輸線(xiàn)上某點(diǎn)的反射波電壓與入射波電壓之比，定義為該點(diǎn)的反射系數(shù)，即 (218) 式中 (219) 稱(chēng)為傳輸線(xiàn)的終端反射系數(shù)。 駐波系數(shù)與行波系數(shù) 一般情況下，傳輸線(xiàn)上存在入射波和反射波，它們相互干涉形成駐行波。入射波與反射波同向疊加達(dá)最大值，反向疊加達(dá)最小值。傳輸線(xiàn)上電壓最大值與電壓最小值之比，稱(chēng)為電壓駐波系數(shù)或電壓駐波比，用 S 表示，即 (220) 傳輸線(xiàn)上電流最大值與電流最小值之比，稱(chēng)為電流駐波系數(shù)或電流駐波比。電流駐波系數(shù)與電壓駐波系數(shù)的值是一樣的。 行波系數(shù)定義為駐波系數(shù)的倒數(shù)。 傳輸線(xiàn)存在三種不同的狀態(tài)，即行波狀態(tài)、駐波狀態(tài)和混合波狀態(tài)。他們?nèi)Q于傳輸線(xiàn)終端所接的負(fù)載。 行波狀態(tài)即傳輸線(xiàn)上無(wú)反射波出現(xiàn)，只存在入射波的工作狀態(tài)。而駐波狀態(tài)即當(dāng)傳輸線(xiàn)終端開(kāi)路（）或短路（）或接純電抗負(fù)載時(shí)，線(xiàn)上的反射波振幅與入射波振幅相等，兩者疊加，在線(xiàn)上形成全駐波。三種負(fù)載所決定的駐波分布，其區(qū)別在于傳輸線(xiàn)終端處波的相位不同?；旌喜顟B(tài) 是當(dāng)傳輸線(xiàn)終端所接的負(fù)載阻抗不等于特性阻抗，也不是短路、開(kāi)路或接純電抗性負(fù)載，而是接任意阻抗負(fù)載時(shí)，線(xiàn)上將同時(shí)存在入射波和反射波，且兩者的振幅不等，疊加后形成混合波狀態(tài)。 微帶縫天線(xiàn)能產(chǎn)生雙向輻射，對(duì)制作公差要求很低，與微帶振子天線(xiàn)組合起來(lái)可以構(gòu)成圓極化天線(xiàn)。 微帶窄縫天線(xiàn)的輸入阻抗主要決定于縫的尺寸、基片相對(duì)介電常數(shù) 和厚度以及饋線(xiàn)與縫的相對(duì)位置。微帶饋線(xiàn)和縫的相對(duì)位置有三種形式：側(cè)饋、偏饋及中心饋電，如圖 21 所示。它們形成了三種饋電方式，不管哪種饋電方式，對(duì)于 微帶饋線(xiàn)來(lái)說(shuō)縫相當(dāng)于傳輸線(xiàn)上的一個(gè)串聯(lián)諧振回路。 12 （ a） （ b） （ c） 圖 21 窄縫天線(xiàn)的饋電方式 （ a）側(cè)饋 （ b）偏饋 （ c）中心饋電 窄縫微帶天線(xiàn)雖然得到了較廣泛的應(yīng)用，但是它有兩個(gè)很大的缺點(diǎn)：頻帶窄；制作時(shí)對(duì)掩膜精度要求較高。 圖 22 表示微帶寬縫天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)。微帶饋線(xiàn)超過(guò)縫的距離 d，終端開(kāi)路。縫長(zhǎng) L 接近。適當(dāng)選擇和 d 可達(dá)到良好的匹配。 圖 22 由微帶饋電的單個(gè)寬縫微帶天線(xiàn) “寬 ”縫微帶天線(xiàn)，它的縫寬和波長(zhǎng)可比。寬縫微帶天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1）頻帶寬度 ≥10% （ 2）用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)可在覆銅印刷電路板上進(jìn)行生產(chǎn) （ 3）對(duì)校準(zhǔn)掩膜的公差要求較低。 13 第三章 微帶天線(xiàn)的分析方法 傳輸線(xiàn)法（ TML） 利用傳輸線(xiàn)模式分析微帶天線(xiàn)是比較早期的方法，也是最簡(jiǎn)單的方法。圖 31 是此種方法的物理模型。方法的基本假設(shè)是： (1) 微帶片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線(xiàn)，傳輸準(zhǔn) TEM 波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)，線(xiàn)的長(zhǎng)度 2/L g?? ， g? 為準(zhǔn) TEM 波的波長(zhǎng)。場(chǎng)在傳輸方向是駐波分布，而在其垂直方向（圖中的寬度方向）是常數(shù)。 (2) 傳輸線(xiàn)的兩個(gè)開(kāi)口端（始端和末端）等效為兩個(gè)輻射縫，長(zhǎng)為 w ，寬為 h 。縫口徑場(chǎng)即為傳輸線(xiàn)開(kāi)口端場(chǎng)強(qiáng)?？p平面看作微帶兩端的延伸平面，即是將開(kāi)口面向上折轉(zhuǎn) o90 ，而開(kāi)口場(chǎng)強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。 由以上兩條基本假設(shè)可以看出，當(dāng) 2/L g?? 時(shí)，兩縫上的切向電場(chǎng)均為 x? 方向，且等幅同相。它們等效為磁流，由于接地板的作用，相當(dāng)于兩倍磁流向上半空間輻射?？p上等效磁流密度為 hVyM /2?? 為傳輸線(xiàn)開(kāi)口端電壓。 由于縫已放平，我們?cè)谟?jì)算上半空間輻射場(chǎng)時(shí)，就可以按自由空間處理。這是這種方法的方便之處。 圖 32 是微帶天線(xiàn)的等效電路，（ a）為微帶饋電方式，圖中 Ys 為縫隙的輻射導(dǎo)納。（ b）為同軸饋電方式，探針從接地板空引出，稱(chēng)為底饋。它與微帶饋電不同之處在于會(huì)引入電感。 由上述討論可見(jiàn)，傳輸線(xiàn)法簡(jiǎn)明、物理直觀(guān)性強(qiáng)。但是它的應(yīng)用范圍受到很大的限制。 圖 31 傳輸線(xiàn)模型 （ a）微帶饋線(xiàn) （ b）同軸饋線(xiàn) 圖 32 微帶天線(xiàn)的等效電路 14 首先，傳輸線(xiàn)模型限制了它只能應(yīng)用于矩形微帶天線(xiàn)及微帶振子。雖然圓形微帶天線(xiàn)也可以有徑向傳輸線(xiàn)與之對(duì)應(yīng)，但一般不常用。 傳輸線(xiàn)的另外一個(gè)主要的缺點(diǎn)是，除了諧振點(diǎn)外，輸入阻抗隨頻率變化曲線(xiàn)是不準(zhǔn)確的。 由于傳輸線(xiàn)模型是一維的，因 此當(dāng)饋電點(diǎn)的位置在與波垂直的方向上變化時(shí)，阻抗不變；其次傳輸線(xiàn)模型相當(dāng)于一個(gè)單諧振回路，在諧振頻率附近，阻抗的頻率特性是對(duì)稱(chēng)的，用原圖表示的阻抗曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)于實(shí)軸。上述兩點(diǎn)均與試驗(yàn)不符。實(shí)驗(yàn)表明，阻抗曲線(xiàn)與饋電的二維位置有關(guān)，并且當(dāng)饋電點(diǎn)由邊緣向中心移動(dòng)時(shí)，阻抗曲線(xiàn)的不對(duì)稱(chēng)逐漸顯著，并向電感區(qū)收縮。這種計(jì)算與實(shí)測(cè)的差異，源于傳輸線(xiàn)法本質(zhì)性的缺陷。因?yàn)槲炀€(xiàn)并非只存在最低階的傳輸線(xiàn)模式，還有其他高次模式場(chǎng)的存在，在失諧時(shí)這些模式將顯示其作用。一般來(lái)說(shuō)，傳輸線(xiàn)法較適用于在輻射邊附近饋電，并且饋電點(diǎn)位于該邊的對(duì)稱(chēng)軸 上，此時(shí)計(jì)算出的阻抗曲線(xiàn)才有較大的參考價(jià)值。 傳輸線(xiàn)法的另一不完善之處是縫導(dǎo)納的計(jì)算，它的電納部分通常是按照準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算的，所得到的等效伸長(zhǎng)在高頻條件下不準(zhǔn)確，故實(shí)際上往往通過(guò)對(duì)樣件的實(shí)測(cè)來(lái)確定伸長(zhǎng)量，這樣得出的數(shù)據(jù)更可靠。 腔模理論 腔模理論是 1979 由 等人提出的經(jīng)典分析方法。該理論基于薄微帶天線(xiàn)假設(shè)，將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四周為磁壁、上下為電壁的諧振空腔。天線(xiàn)輻射場(chǎng)由空腔四周的等效磁流來(lái)得出，天線(xiàn)輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場(chǎng)和饋源邊界條件來(lái)求得。腔模理論是對(duì)傳輸線(xiàn)法的發(fā)展。它 能應(yīng)用于范圍更廣泛的微帶天線(xiàn)，并且由于涉及了高次模，算得的阻抗曲線(xiàn)較準(zhǔn)，且計(jì)算量不算大，比較適合工程設(shè)計(jì)的需要。 但是，基本的腔模理論同樣要經(jīng)過(guò)修正，才能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。特別值得注意的是邊界。 導(dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問(wèn)題分開(kāi)成獨(dú)立的問(wèn)題，理論上是嚴(yán)格的，只是邊界圖 33 微帶天線(xiàn)上各膜的電場(chǎng)和壁上面的磁流分布 15 導(dǎo)納確定比較困難，使計(jì)算只能是近似的。在腔模理論中，認(rèn)為腔內(nèi)場(chǎng)是二維函數(shù)，這在薄基片時(shí)是合理的，但對(duì)于厚基片將引入誤差。由于應(yīng)用微帶天線(xiàn)的目的就是降低剖面高度，因此在多數(shù)情況下這不成問(wèn)題。但對(duì)于近來(lái)采用厚介質(zhì)基板提高帶寬的微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)就不適用。 積分方程法 積分方程法也叫全波分析法，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)。由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性 , 積分方程的求解和場(chǎng)積分的計(jì)算一般都要借助數(shù)值計(jì) 算技術(shù)來(lái)完成。全波分析中的數(shù)值分析方法主要包括矩量法、有限元法和時(shí)域有限差分法。矩量法最為常用。用矩量法分析微帶天線(xiàn)時(shí)都會(huì)遇到SommerfeldType(一類(lèi)有奇異性的高振蕩函數(shù) )的積分 , 傳統(tǒng)的方法效率很低 , 由于積分時(shí)間很長(zhǎng)使得矩量法在微帶天線(xiàn)的應(yīng)用中受到極大的限制。 1997 年 SeongOok Park 首次提出利用漸近提取法對(duì) SommerfeldType 積分進(jìn)行處理 , 積分速度有了很大提高 , 使矩量法再次得到人們的重視。 微波網(wǎng)絡(luò)法 微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效 電路法，在分析場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線(xiàn)，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場(chǎng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為路的問(wèn)題來(lái)解決。 一般地，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有 Y、 Z 和 S 參數(shù)可用來(lái)測(cè)量和分析， Y 稱(chēng)導(dǎo)納參數(shù)， Z 稱(chēng)為阻抗參數(shù)， S 稱(chēng)為散射參數(shù)，在微波系統(tǒng)中，由于確定非 TEM 波電壓、電流的困難性，而且在微波頻率測(cè)量電壓和電流也存在實(shí)際困難。因此，在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得較抽象。與直接測(cè)量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數(shù)，即 S 參數(shù) 矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。 S 參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)。散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來(lái)計(jì)算。只要知道網(wǎng)絡(luò)的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。 圖 34 二端口網(wǎng)絡(luò) 定義為從 Port1 口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡(jiǎn)化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值。 16 第四章 傳統(tǒng)微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì) 微帶天線(xiàn)常用仿真軟件 傳輸線(xiàn)理論和腔模理論通常是對(duì)具體的問(wèn)題進(jìn)行近似假設(shè)，其模型簡(jiǎn)單，并沒(méi)有復(fù)雜的數(shù)值分析。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)。由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，積分方程的求解和場(chǎng)積分的計(jì)算一般都要借助數(shù)值計(jì)算技術(shù)來(lái)完成。全波分析中的數(shù)值分析方法主要包括矩量法(MOM)，有限元法 (FEM)，時(shí)域有限差分法 (FDTD)，而且隨著計(jì)算條件的不斷改善，新的方法也不斷涌現(xiàn)。在這些數(shù)值分析方法中，矩量法最為常用，時(shí)域有限差分法，有限元法也運(yùn)用的較為廣泛。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種商用電磁仿真軟件涌現(xiàn)出來(lái)。主要的廠(chǎng)商有：安捷倫 (Agil)， Ansoft， zelnad 等。各種電磁仿真軟件都是以矩量法、有限元、時(shí)域有限差分法等基本的電磁場(chǎng)全波分析方法作為內(nèi)核，并配以友好的圖形界面以及豐富的參數(shù)轉(zhuǎn)換、圖表輸出功能。 本文主要應(yīng)用 Ansoft 仿真軟件進(jìn)行微帶天線(xiàn)的仿真，也有相關(guān)的書(shū)籍對(duì) Ansoft 仿真軟件進(jìn)行了原理性和建模的解釋說(shuō)明。 HFSS 軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。以下是 HFSS 軟件設(shè)計(jì)流程： 設(shè)置求解類(lèi)型。使用 HFSS 進(jìn)行天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇模式驅(qū)動(dòng)（ Driven Modal）求解類(lèi)型或者終端驅(qū)動(dòng)（ Driven Terminal）求解類(lèi)型。 創(chuàng)建天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)天線(xiàn)的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在 HFSS 模型窗口中創(chuàng)建出天線(xiàn)的 HFSS 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。 設(shè)置邊界條件。在 HFSS 中，與背景相接觸的表面都被默認(rèn)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界（ Perfect E）；為了模擬無(wú)限大的自由空間，在使用 HFSS 進(jìn)行天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件或者理想匹配層（ PML）邊界條件，這樣 HFSS才會(huì)計(jì)算天線(xiàn)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)。 設(shè)置激勵(lì)方式。無(wú)線(xiàn)必須通過(guò)傳輸線(xiàn)或者波導(dǎo)傳輸信號(hào)，天線(xiàn)與傳輸線(xiàn)或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱(chēng)為激勵(lì)端口。天線(xiàn)設(shè)計(jì)中的饋電面的激勵(lì)方式主要有兩種，分別是波端口激勵(lì)（ Wave Port）和集總端口激勵(lì)（ Lumped Port），通常與背景相接觸饋電面的激勵(lì)方式使用波端口激勵(lì)，在模型內(nèi)部的饋電面的激勵(lì)方式使用集總端口激勵(lì)。 設(shè)置求解參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)，其中，求解頻率通常設(shè)定為天線(xiàn)的中心工作頻率。 運(yùn)行求解分析。上述操作完成后，整個(gè)仿真計(jì)算由 HFSS 軟件自動(dòng)完成。分析完成后，如果結(jié)果不收斂， 則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說(shuō)明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。 查看求解結(jié)果。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分可以查看 HFSS 分析出的天線(xiàn)各項(xiàng)性能參數(shù)。如果仿真計(jì)算的天線(xiàn)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，接下來(lái)可以著手天線(xiàn)的制作和調(diào)試工作。如果仿真計(jì)算的天線(xiàn)性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用 HFSS 的參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計(jì)。 如果仿真計(jì)算的天線(xiàn)性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用 Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的參數(shù)掃描分析功能 和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)的結(jié) 17 構(gòu)尺寸，以找到滿(mǎn)足要求的天線(xiàn)設(shè)計(jì)。 微帶天線(xiàn)的理論基礎(chǔ) 微帶天線(xiàn)有許多種饋電裝置形式，如微帶線(xiàn)饋電、同軸線(xiàn)饋電，耦合饋電（ Coupled Feed）和縫隙饋電（ Slot Feed）等。其中最常用的是微帶線(xiàn)饋電和同軸線(xiàn)饋電兩種饋電方式。 微帶線(xiàn)饋電 微帶線(xiàn)饋電方式又稱(chēng)為側(cè)饋，它用與微帶輻射貼片集成在一起的微帶傳輸線(xiàn)進(jìn)行饋電。它可以中心饋電，也可以偏心饋電饋電點(diǎn)的位置取決于激勵(lì)哪種模式。對(duì)于微帶傳輸線(xiàn)的饋電方式，當(dāng)微帶天線(xiàn)的尺寸確定以后 ,可以用以下方法進(jìn)行阻抗匹配 :先將中心饋電天線(xiàn)輻射貼片同 50Ω饋線(xiàn)一起光刻 ,測(cè)量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出阻抗匹配變換器，然后在天線(xiàn)輻射貼片與饋線(xiàn)之間接入該阻抗匹配器，重新做成天線(xiàn)。如果矩形輻射貼片的場(chǎng)沿某邊有變化，那么輸入阻抗也會(huì)隨之變化。因此，改動(dòng)饋電點(diǎn)的位置是獲得阻抗匹配的簡(jiǎn)單辦法。 同軸線(xiàn)饋電 同軸線(xiàn)饋電又稱(chēng)為背饋，它是將同軸插座安裝在接地板上，同軸線(xiàn)內(nèi)的導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)基片接在輻射貼片上，若尋取正確的饋電點(diǎn)位置，就可以獲得良好的匹配。 設(shè)計(jì)微帶天線(xiàn)的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為，對(duì)于工作頻率的矩形微帶天線(xiàn)，可以