【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ?? ?????????? (） 其中 39。039。2 jk rVWA j eAr ??， 39。r 是微帶片中心到場(chǎng)點(diǎn)的距離。 由方向圖乘積定理，并分別令 θ=90o 和 φ=90o，即可得到微帶天線的 E面和 H 面方向函數(shù)為 000( ) c os ( c os )2sin( sin ) c os2()sin2EHLFkWkF Wk????????????????? （ ） 5 由上述兩式畫(huà)出 H 面和 E 面方向圖分別如圖 （ a）、（ b）所示。 （ a） H 面 （ b） E 面 圖 微帶天線方向圖 基本振子的輻射 由于電與磁的對(duì)偶性原理，知道了電基本振子場(chǎng)，便可用等效替換得出磁基本場(chǎng)。所以下面本文僅討論電基本振子的場(chǎng)。 電基本振子是由一段長(zhǎng)度 l 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，電流 I振幅均勻分布、相位相同的直線電流元。 圖 電基本振子的輻 根據(jù) MAXWELL 方程組 ( , ) ( , ) ( , )( , ) ( , )( , ) ( , )( , ) 0H r t D r t J r ttE r t B r ttD r t r tB r t?? ?? ? ? ????? ?? ? ? ????? ? ? ??? ? ?? （ ） 可以解出電基本振子在周?chē)臻g產(chǎn)生的場(chǎng)為： Przyxl??O 6 j3002j230j221c os ( j )421si n ( j j )40001si n ( j )4krrkrrkrIl kEerIl k kEer r rEHHIl kHerr?????? ? ? ??? ? ????????????? ? ? ???? ??? ????????? （ ） 式（ ）中， k ? ??? ， 是媒介中電磁波的波數(shù)。 天線的特性參數(shù) 為了正確設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的天線，首先必須了解描述天線工作特性的電參數(shù)，又稱電指標(biāo)，它是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。因?yàn)榇蠖鄶?shù)天線電參 數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力，所以下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)發(fā)射天線的主要電參數(shù)。 天線方向圖 天線方向圖是指距離天線一定距離處，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)隨方向變化的曲線圖。在特定頻率點(diǎn)上，天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)可以表示為 j( , , ) ( , ) kreE r K F r? ? ? ? ?? （ ） 其中 F(θ,φ)為天線的方向性函數(shù)，用圖形表示出來(lái)即天線的方向圖。令方向性函數(shù)的最大值為 1，畫(huà)出的天線方向圖為歸一化方向圖。 天線方向圖的特 性參數(shù)主要有： (1)主瓣寬度：衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程序的物理量。 (2)旁瓣電平：指距離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平。 (3)前后比：指最大輻射方向電平與其相反方向電平之比。 (4)方向系數(shù)：在距離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度 Smax與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度 S0之比，記為 D， 即 2m axm ax 2o oESD SE?? （ ） 天線增益 天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。 在同樣距離和相同輸入功率條件下，天線方向圖上最大功率密度與理想全向天線（效率 7 為 100%）的輻射功率密度之比定義為天線增益，記為 G?？紤]天線上的損耗，增益 G 等于方向性系數(shù)乘以天線效率。 AGD??? () 天線效率 天線輻射功率總是比輸入到天線的功率小一些 ， 即 天線有損耗。天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比，記為 ηA，即 i==EEAEPPP Pl P? ? （ ） 其中 PE， Pl， Pi分別是天線的輻射功率、損耗功率和輸入功率。天線損耗包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和加載電路中的損耗。 極化 帶寬 天線的極化是指天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)矢量的取向。當(dāng)該電場(chǎng)矢量取向不變時(shí)，該天線為線極化天線； 當(dāng)電場(chǎng)矢量方向改變隨著時(shí)間的推移 ,矢量端點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面構(gòu)成橢圓 ,稱為橢圓極化 。若 構(gòu)成一個(gè)圓，則稱為圓極化。 線極化和圓極化是橢圓極化的特例。圓極化又分為正交的左旋和右旋圓極化。 隨著 頻率 的改變 ，天線極化特性隨之改變。將天線極化特性惡化到允許值時(shí)的頻帶寬度，定義為該天線的極化帶寬。對(duì)于圓極化天線，其極化特性往往是限制工作帶寬的主要因素?？傊炀€的主要電參數(shù)，具有其各自帶寬的限制。 輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。即 2in inin in inPVZ II?? （ ） 天線輸入阻抗與標(biāo) 準(zhǔn)饋線的特性阻抗匹配 是 設(shè)計(jì)天線的一個(gè)很重要的工作。 往往 天線的工作原理，結(jié)構(gòu)尺寸，周?chē)橘|(zhì)，工作環(huán)境以及工作頻率 決定了天線的輸入阻抗 。往往天線的頻率變化 對(duì) 輸入阻抗 影響很大 ，當(dāng)天線的工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率的時(shí)候，天線與饋線的匹配變 差 ， 會(huì)使 天線的輻射效率降低。 天線 和 饋線的連接，最 好的情況 是天線輸入阻抗是純電阻 并 且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線上 也 沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。 駐波比：它是行波 系數(shù)的倒數(shù)，其值在 1 到無(wú)窮大之間。駐波比為 1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。 回波損耗：它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)， 用 分貝值表示。回波損耗的值 介于 0dB 和 無(wú)窮大之間，回波損耗越 小意味著 匹配越差，回波損耗越大 意味著 匹配越好。 0 意味著 全反射，無(wú)窮大 意味著 完全匹配。 8 帶寬 帶寬按照定義可分為絕對(duì)帶寬和相對(duì)帶寬。絕對(duì)帶寬是指頻段高端頻率與低端頻率之差。常用于電磁頻譜的劃分。而在天線中用的最多的指相對(duì)帶寬，常定義為系統(tǒng)的絕對(duì)帶寬與中頻之比，記為 BW1，即 1 2h l h lo h lf f f fBW f f f???? ? （ ） 天線的分析方法 天線的基本理論與瞬態(tài)電磁場(chǎng)有關(guān)， 所以 分析天線就要知道天線周?chē)碾姶艌?chǎng)分布，而常用的計(jì)算方法有解析方法和數(shù)值方法，而解析方法計(jì)算具體的公式極其復(fù)雜，但是有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是物理意義明確，數(shù)值方法是常采用的方法，主要有矩量法（ MOM）、有限元法（ FEM）、有限積分法（ FIT）、時(shí)域有限差分法（ FDTD）等，本文使用 基于 有限元算法 的軟件 HFSS。 有限元法計(jì)算的基本思想是，將偏微分 方程表示的連續(xù)函數(shù)，劃定封閉 的 區(qū)域， 分 為有限個(gè)小區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域上用一個(gè)選定的近似函數(shù)來(lái)表示，這樣整個(gè)場(chǎng)上的連續(xù)函數(shù)就被離散化了，由此獲得了一組近似的代數(shù)方程。求解這個(gè)方程組，獲得的值即為該場(chǎng)的近似值。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了天線的輻射。另外，還對(duì)天線的一些重要的電特性參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，主要包括方向圖、天線效率、增益系數(shù)、極化、輸入阻抗、寬度等的定義，原理和相關(guān)公式。此章為后面的內(nèi)容展開(kāi)做了重要的準(zhǔn)備。 9 第 三 章 雙頻帶蝶形微帶天線 的設(shè)計(jì)與仿真 本章 提出一種 雙頻帶蝶型微帶天 (24002484MHz)/5GHz(51505850MHz)尺寸控制在 26mm60mm 之內(nèi)，介紹仿真軟件和構(gòu)建天線模型，詳細(xì)介紹了使用 HFSS 軟件進(jìn)行仿真該天線時(shí)的步驟，包括軟件的常規(guī)設(shè)置，構(gòu)建 3D 模型，設(shè)置邊界條件和激勵(lì)源，設(shè)置變量，設(shè)置求解條件等。最后對(duì)構(gòu)建的天線模型進(jìn)行分析和仿真，創(chuàng)建報(bào)告得出結(jié)果。 天線的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu) 天線的好壞 一般 與天線的電長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系， 所以 本文 在 設(shè)計(jì)天線的時(shí)候要充分考慮這幾點(diǎn)，下面作簡(jiǎn)要說(shuō)明。 輻射單元的選擇 常用的輻射單元結(jié)構(gòu)有很多， 有 方形、圓 形、橢圓、多邊形或 者 多種復(fù)合邊類型的平面結(jié)構(gòu)。這類天線的優(yōu)點(diǎn)是，輻射效率高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、電性能多樣化等，適合印制在 PCB 板上。 所以 本文就選用這種平面無(wú)源結(jié)構(gòu)作為輻射單元。 饋電結(jié)構(gòu)的選擇 微帶天線的饋電結(jié)構(gòu)分為三種：第一種是同軸饋電，第二種是微帶線饋電，第三種是共面波導(dǎo)饋電。 同軸饋電的天線是早期比較常見(jiàn)的一種天線，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，介質(zhì)板的正面是天線的輻射元，同軸插座設(shè)計(jì)在印刷電路板的背面，不需要額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，就能獲得阻抗匹配。而金屬地板（背面）上的輻射單元也可以采用多種不 一樣 的 形狀，以取得不 一樣 的匹配性能。這類天線的優(yōu)點(diǎn) 有 ：帶寬比較寬，全向性比較好，饋電點(diǎn)可以調(diào)整已減小對(duì)天線輻射的影響。缺點(diǎn) 就是它的體積比較大，不適合今后 在 集成電路中使用。 微帶線饋電是由同一基片上的微帶線對(duì)微帶天線進(jìn)行激勵(lì)，貼片可以看成微帶線的延伸，兩者可 以 同時(shí)制造。微帶天線 與 貼片之間的耦合可以是邊緣耦合的形式，也可以通過(guò)兩者之間的間隙進(jìn)行耦合。這類天線主要的 優(yōu)點(diǎn) 就是在介質(zhì)板的上下兩面都有金屬片，背面的金屬主要是作為微帶線地板的作用。微帶線饋電的超寬帶天線得到了廣泛的研究和應(yīng)用。 共面波導(dǎo)是蝕刻在微帶天線的地平面 上，耦合是 通過(guò) 裂縫。和微帶天線一樣，屬于平面幾何。它彌補(bǔ)了同軸饋電超寬帶天線的缺點(diǎn)，它的體積 很 小，它將地面和輻射單元放在了同一個(gè)面上，接地地板的本身也可以作為輻射體的一部分。通過(guò)改變輻射單元的形狀和接地地板的形狀，可以獲得不同的匹配效果和輻射方向。 為了 保證天線的帶寬和輻射特性 ，饋電結(jié)構(gòu)的選擇是非常重要的。 首先確保平等的實(shí)現(xiàn)天線的輸入阻抗和傳輸線特性阻抗 ,然后使用相對(duì)簡(jiǎn)單的 饋電 網(wǎng)絡(luò)或添加匹配網(wǎng)絡(luò) ,它是很困難的。 綜上所述，本文這里選擇微帶饋電結(jié)構(gòu)。 天線的結(jié)構(gòu) 天線的主要性能參數(shù)： 1) 工作帶寬： — 5GHz； 10 2) 回波損耗系數(shù) 10dB； 3) 電壓駐波比 VSWR2； 4) 方向圖隨頻率變化穩(wěn)定； 在傳統(tǒng)的天線基礎(chǔ)上，采用 相加減 及挖槽技術(shù)，改善帶寬的同時(shí)縮小天線的尺寸。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，所設(shè)計(jì)的天線如圖 所示： (a)天線的導(dǎo)帶面 (b)天線的接地面 圖 天線的結(jié)構(gòu)圖 基片參數(shù)為： 26 60mm ； 厚度 1 mm, εr= （基片材料 FR4） 天線導(dǎo)帶尺寸 （ mm）： W1=, W2=, W3=, R1=6， R2=, R3=, L1=5, L2= 2, L3=7, L4=3, L5=3 Ansoft HFSS 簡(jiǎn)介 HFSS – High Frequency Structure Simulator,Ansoft 公司推出的三維電磁 仿真軟件 ,目前已被 ANSYS公司收購(gòu) 。是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件 ，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng) 11 解器、擁有空前電 性能分析 能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的 S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。 HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng) 3D圖和 3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、 Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。而且，由 Ansoft HFSS和 Ansoft Designer 構(gòu)成的 Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。 利用 HFSS