【文章內(nèi)容簡介】 會議通過了 IMT20xx無線接口技術規(guī)范建議 ， 其中我國提出的 TDSCDMA技術寫在了第三代無線接口規(guī)范建議的 IMT20xx CDMA TDD部分中 。 IMT20xx無線接口技術規(guī)范建議的通過表明 TG8/1制定第三代移動通信系統(tǒng)無線接口技術規(guī)范方面的工作已經(jīng)基本完成 。 第三代移動通信系 統(tǒng)的開發(fā)和應用將進入實質(zhì)階段 ， 與此同時 IMT20xx許可證的發(fā)放工作也在世界各國如火如荼地開展起來 ， 在當前新劃分的 IMT20xx頻段中， WCDMA（ Wideband Code Division Multiple Access 寬帶碼分多址）是使用最廣泛的 3G空中接口技術。目前，全球CDMA20xx 1xEVDO用戶在 5000萬以上，各種技術的 3G蜂窩電話用戶在 上。 WCDMA用戶占所有 3G蜂窩電話用戶的三分之二 。 作為目前電磁問題的主要分析手段，電磁場數(shù)值計算方法為國內(nèi)外廣大工作者所研究，并且由 于這些數(shù)值方法研究的成熟，各種商業(yè)化計算軟件工具不斷涌現(xiàn)。常見的仿真軟件主要有基于矩量法的 IE3D，基于有限元法的 HFSS，基于有限積分法的 CST 等等，本文中用的是在仿真軟件業(yè)內(nèi)有著很好口碑的 Ansoft 公司的 。 表 無線通信系統(tǒng)帶寬要求 Required bandwidths for wireless munication system 應用頻段 頻段范圍 相對帶寬 GSM 890960MHz % DCS 17101880MHz % PCS 18501990MHz % UMTS 19202170MHz 13% Lband radar 14001700MHz 19% Satellite TV in Cband 37004200MHz % WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設計與研制 3 微帶天線的發(fā)展 狀況 早在 1953 年 教授就已提出利用微帶線的輻射來制成微帶天線的概念，但是在隨后的近 20 年里，對此只有一些零星的研究。直到 1972 年，由于微波集成技術的發(fā)展和空間技術對低剖面天線的迫切需要， 和 等研究者制成了第一批使用的微帶天線，隨之國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。 1979 年在美國新墨西哥州立大學舉行了微帶天線的專題國際會議， 1981 年 IEEE 天線與傳播會刊刊載了微帶天線專題。至此，微帶天線已成為天線領域中的一個專門分支 [15]。 微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線。它利用微帶線、同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射 [15]，因此微帶天線可看作是一種縫隙天線。 和常用的微波天線相比，它有如下一些優(yōu)點： 體積小、重量輕、成本低，饋電網(wǎng)絡可與天線結(jié)構一起制成，適用于用印刷電路技術大批量生產(chǎn) ， 能與有源器件和電路集成為單一的模件， 容易獲得圓極化， 容易實現(xiàn)雙頻、多頻段工作等。其缺點主要是頻帶窄，功率容量小，損耗大，基片對性能影響較大。 微帶天線主要分為三大類：微帶貼片天線，微帶縫隙天線，微帶行波天線 [1]。微帶貼片天線是指諧振式微帶貼片天線，這種天線的最大特點是效率高 ，但是帶寬比較窄。微帶縫隙天線的帶寬比微帶貼片天線的要寬，特別是 寬矩形縫隙天線，但是此天線在要求單方向輻射時，厚度比貼片天線要大，另外，分析和設計這種天 線要比微帶貼片天線困難，限制了其應用范圍。微帶行波天線可以獲得比較大的帶寬，但是這種天線的效率比較低并且分析方法還不是很成熟。 微帶天線最初作為火箭和導彈上的共形全向天線獲得了應用，現(xiàn)已應用于大約 100MHz～ 100GHz 的寬廣頻域上的大量無線電設備中，特別是飛行器上和地面便攜式設備中。在要求低剖面輻射器的場合，即使微帶天線某些性能不如常規(guī)天線，也往往被優(yōu)先選用 [1]?，F(xiàn)有的應用簡表如 表 所 示。 第 1 章 緒論 4 表 微 帶天線的典型應用 Microstrip antenna applications 應用領域 用途 飛機天線 盲目著陸系統(tǒng)、高度表、通信與導航 導彈與遙測 引信、傳感器、毫米波雷達 衛(wèi)星通信 星載多波束雷達、移動式地面站、直播衛(wèi)星電視接收機 移動通信 隨身和手持電話、艙內(nèi)和車載天線、基站天線 雷達 多普勒測速雷達、防撞雷達、防盜報警器、單脈沖雷達、相陣控雷達 戰(zhàn)場通信和監(jiān)視 車載共形天線 電子對抗 多波束陣列 遙感 綜合口徑雷達 氣象和射電天文 氣象雷達、亞毫米波接收機 生物醫(yī)學 微波治癌儀 作為小型化 、集成化天線的線天線主角，微帶貼片天線以其三維結(jié)構的靈活性受 到各種不同設計目標的全方位開發(fā)，它既被單獨用于手機天線，醫(yī)用輻射器等場合，也被廣泛用作各種陣列天線的單元；既在工程設計中以形式多樣而取勝，又多見于 被電磁場數(shù)值分析用作典型實例。 微帶貼片天線素以低輪廓、印刷工藝、便于與電路集成等優(yōu)點著稱，但又有頻帶窄和效率低的缺陷。另一方面，為了適合 VHF/UHF 頻段的應用以及實現(xiàn)與微波毫米波單片電路的集成一體化，還需要進一步使結(jié)構小型化。再者，極化特性和多樣化、適應寬角域波束掃描的要求，以及采用新型傳輸線饋電的可行性等都在探索之中 。 論 文的主要工作和內(nèi)容安排 本論 文 在 分析總結(jié)了多種實現(xiàn)微帶天線小型化 、寬頻帶工作的設計方法 的基礎上 ，提出 了一種新型的小型寬頻 帶 的三角形微帶貼片天線 結(jié)構 。該天線采用 短路針 對 等邊三角形微帶貼片天線 進行加載 ，并在三角形貼片上開平行雙縫，從而實現(xiàn)小型寬頻 帶 的目的 。 本文 利用 基于 腔膜理論 的短路針加載理論得到天線設計WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設計與研制 5 的初步結(jié)果， 通過 3D 電磁場仿真軟件 對天線結(jié)構進行了仿真和優(yōu)化，給出了設計 參數(shù) ， 最后 進行了實際的 加工測試 。 結(jié)果表明， 仿真與測試結(jié)果基本吻合 ， 天線的 10dB 損耗 頻帶達 到了 350MHz， 相對帶寬 達 %，覆蓋了 WCDMA系統(tǒng)工 作頻段，且尺寸較小，輻射方向覆蓋均勻。 基本滿足了設計要求 ，為 WCDMA移動終端天線的設計提供了參考。 論 文內(nèi)容 作如下 安排 ： 第 1 章 作 為緒論 ，介紹了論文的 選題背景 和 研究 意義，討論了微帶天線的發(fā)展狀況， 列 出了本論文的主要工作和內(nèi)容安排 。 第 2 章 簡要 地 介紹微帶天線的基本理論，包括微帶天線 的 輻射機理 、理論分析方法 ，其中詳細介紹了空腔模型理論和有限元法。 第 3 章 較為 詳細 地歸納和總結(jié) 了 國內(nèi)外參考文獻中實現(xiàn) 微帶天線小型化、寬頻帶的各種方法。 第 4 章 介紹了基于腔膜理論的短路針加載理論。 第 5 章 設計 研制 了一種 適用于 WCDMA 系統(tǒng)的 新型 小型寬 帶 微帶天線，給出了天線 的設計 結(jié)構 ,仿真結(jié)果和實測結(jié)果，并進行了分析和比較， 得出 了 結(jié)論。 最后 結(jié)束語，對全文工作加以總結(jié)，提出了有待進一步研究和解決的幾個問題。 第 2 章 微帶天線基本理論 6 圖 矩形微帶天線及主面方向圖 Rectangular microstrip antenna and main pattern 第 2 章 微帶天線 基本 理論 微帶天線工作原理 雖然微帶天線最早在上世紀五十年代提出，但是直到七十年代隨著成熟的理論模型和介質(zhì)材料基片的光刻技術成熟，微帶天線才制造出來。經(jīng)過近幾十年的理論分析的成熟和材料及加工工藝的發(fā)展，以及微帶天線越來越多的優(yōu)點引起重視，微帶天線有了飛速的發(fā)展。下面介紹 一下 微帶天線的基本原理和分 析方法。 微帶天線的輻射機理 微帶天線的基本原理可由考察矩形微帶貼片天線來理解 [15]。如圖 (a)所示 ,貼片尺寸為 WL,介質(zhì)基片厚度 h(hλ0)， λ0 為自由空間波長。微帶貼片天線可看作寬 W 長 L 的一段微帶傳輸線，其終端（ W 邊）處因為呈現(xiàn)開路，將形成電壓波腹。一般取 L≈λg/2,λg 為微帶線上波長，于是另一端（ W 邊）處也呈電壓波腹。此時貼片與接地板間的電場分部如圖 (b)所示。該電場可近似表達為（設沿貼片寬度和基片厚度方向電場無變化） WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設計與研制 7 )/co s (0 LyEE x ?? () 天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效性原理知，窄縫上電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。等效地面磁流密度為 EnMs ?? ??? ? () 式中， E=x? Ex， x? 是 x 方向單位矢量； n? 是縫隙表面（輻射口徑）的外法線方向單位矢量。這些等效磁流的方向 已在圖 上用虛線標出?？梢钥吹?，沿兩條 W 邊的磁流是同向的，故其輻射場在貼片法線方向 (x 軸 )同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。沿每條 L 邊的磁流都由反對稱的兩部分構成，它們在 H 面 (xz 平面 )上各處的輻射互相抵消；而兩條 L 邊的磁流又彼此呈反對稱分布，因而在 E 面 (xy 面 )上各處，它們的場也都相消。在其它平面上這些磁流的輻射不完全相消，但與兩條 W 邊的輻射相比，都相當弱。 由上分析可知，矩形微帶天線的輻射主要由沿 W 邊的縫隙產(chǎn)生，該兩邊稱為輻射邊。其 H 面和 E 面方向圖如圖 (c),(d)所示。由于接地板的存在，天線的主要向上半空間輻射。對上半空間而言，接地板的效應近似等效于引入磁流 Ms 的正鏡像。由于 hλg，因此它只相當于將 Ms 加倍，輻射圖形基本不變。 微帶天線的分析方法 微帶天線分析的目的是天線的輻射特性及近場特性進行預先估算，通過分析與設計相結(jié)合，減少高耗費的邊做邊試的循環(huán)次數(shù)，弄清天線的優(yōu)點和局限性，幫助了解新的設計方法，現(xiàn)有設計的改進以及對新的天線結(jié)構研發(fā)來說可能有用的工作原理。 天線分析的基本 方法 是 通過 Maxwell 方程 求解天線在周圍空間建立的電磁場，求得電磁 場后，進而得出其方向圖、增益和輸入阻抗等特性指標。 分析微帶天線的基本理論大致可分為三類 。最早出現(xiàn)的也是最簡單的是傳輸線模型（ TLMTransmission Line Model）理論，主要用于矩形貼片。更嚴格 、更有用的是空腔模型（ CMCavity Model） 理論，可用于各種規(guī)則的貼片，但基本上限于天線厚度遠小于波長的情況。最嚴格而計算最復雜的是積分方程法（ IEMIntegral Equation Method），即全波（ FWFull Wave）理論，從原理上說，積分方程法可用于各種結(jié)構 、 任意厚度 的微帶天線 ，然而要受計算模型精度的限制。從數(shù)學處理上第 2 章 微帶天線基本理論 8 xyzh(x,y)o同軸探針饋電點（x 0 ,y 0 ）R),( ??Rp?bar?r?(a)(b) 圖 空腔模型幾何 關系 Geometry of cavity model 看，第一種理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題，第二種理論則發(fā)展到二維邊值問題的求解；第三理論又進了一步，可計入第三維的變化。 我們這里需要用到空腔模型理論和 全波理論中的有限元法 ，下面兩節(jié)將對這兩種方法進行詳細的介紹。 空腔模型理論 空腔模型理論是在微帶諧振腔分析的基礎上發(fā)展起來的。實際上，諧振式微帶天線的形狀與微帶諧振腔并無顯著區(qū)別。因此，借助于諧振腔理論是很自然的。它的一般方法是，規(guī)定腔的邊界條件，找出腔中的一個主模，從而計算出諧振頻率、品 質(zhì)因數(shù)和輸入阻抗等。把這種方法移植到微帶中來，稱為單模理論。作為此法的改進，發(fā)展了多模理論，它把腔內(nèi)場用無限正交模表示，因而就能較準確的代表腔內(nèi)場?？涨荒Ｐ鸵殉晒τ糜诰_計算厚度不超過介質(zhì)波長百分之幾的微帶天線的特性。下面介紹一下空腔模型理論 [15]。 圖 所示微帶貼片天線，微帶貼片和接地板之間的盒形區(qū)域可以看作諧振 腔：它的上下壁為微帶貼片的面積相同的接地板，周圍的柱形面為側(cè)壁。 在分析腔內(nèi)場時，基本空腔模型理論作如下假設： (1) 電場只有 Ez 分量，并且 Ez 不隨 z 而變化。磁場只有 Hx 和 Hy 分量， 且假WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設計與研制 9 設 Hz=0 即腔內(nèi)只存在對 z 的 TM 型場； (2 內(nèi)場不隨 z 坐標變化；四周邊緣處電流無法向分量，即邊緣處切向磁場為零，故空腔四周可視為上、下為電壁，四周為磁壁的腔體。 上述基本假設若用更嚴密的理論來檢驗，不難發(fā)現(xiàn)其近似之處。因為微帶貼片內(nèi)壁的電流可通過周界流向外壁面，因此在周界處內(nèi)壁面法向電流嚴格說不是零，只是在 hλ 條件下接近零。由上述討論可以看出基本空腔模型理論應用上的限制， hλ 的條件時很重要的。 空腔內(nèi)場滿足下列復數(shù)形式麥克斯韋方程： 00??????????????EHHjEJEjH??????????? () 對第二式取旋度，再利用第一式消去 H，得 JjEkE ??? 022 ?