【正文】 含短路針微帶貼片天線的重要參數(shù)－輸入阻抗并沒有進行詳細討論。文獻[17]、[18]利用未加載貼片天線的（0，0）模推導了含短路針矩形微帶貼片天線輸入阻抗的計算公式，并給出了計算結(jié)果。結(jié)果表明其諧振特性與文獻[16]中所給結(jié)果基本吻合。其中，矩形貼片尺寸為，短路針坐標為，同軸饋電探針坐標為，介質(zhì)基片厚度為d，相對介電常數(shù)為。已知對于時諧場，腔體區(qū)域的波動方程為 ()其中。由腔的上、下壁為電壁，腔的側(cè)壁為磁壁的邊界條件可以唯一地確定方程（1）的解，其解可用格林函數(shù)表示為 ()由算子的本征函數(shù)和本征值可將寫成如下形式 ()其中，本征函數(shù)， ()考慮到短路針與同軸饋電探針之間的耦合，可將該結(jié)構看成二端口網(wǎng)絡。兩端口上的電壓、電流滿足以下關系 ()短路針和同軸饋電探針上的平均電壓與平均電場之間滿足以下關系 () （），積分得 ()其中，() 于是， () 短路針加載三角形貼片天線 Triangular microstrip antenna with a shortingpin文獻[17]利用腔模理論中的（0，0）模推導了含短路針矩形貼片天線輸入阻抗的計算公式。該方法可以很容易地推廣到含多根短路針的情況。 短路針加載三角形貼片天線與矩形貼片一樣，三角形貼片天線在實際中也有廣泛應用 [19][20][21][22][23][24]。由前面一節(jié)可知，在矩形貼片中加入短路針可使貼片尺寸大大降低。貼片尺寸減小的主要原因是當矩形貼片工作在模時，加入短路針使處于中心位置的零電壓點移到短路針位置處，從而使貼片諧振在較低的頻率上。于是，當給定工作頻率時，在貼片中加短路針就可使所需的貼片尺寸大大降低。當短路針置于貼片邊緣時，諧振頻率最低，此時貼片尺寸也降至最小[25][26]。顯然，貼片尺寸減小的程度受貼片中的零電壓點與貼片邊緣之間距離的約束。由于一個等邊三角形微帶貼片在激勵其基模時，其零電壓點在三角形頂點到底邊距離的2/3處，因此，與矩形和圓形貼片相比，當短路針技術用于三角形貼片時，可使諧振頻率有更大的降低；對于給定的工作頻率，也可使貼片尺寸得到更大的減小[27]。文獻[28]對短路針加載小型三角形微帶貼片天線進行了研究。圖中貼片是等邊三角形，邊長為d，介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)為，厚度為h，短路針和饋電探針的半徑和坐標分別為、和、,且 ， 。根據(jù)腔模理論，貼片和接地板之間的腔體內(nèi)的法向電場為？： ()其中, 本征函數(shù)和截止波數(shù)由下式確定：為方便計，將與短路針有關的量用下標“1”表示，與饋電探針有關的量用下標“2”表示。設短路針和饋電探針分別是橫截面積為和的正方形，則第j (j=1,2)針上電流密度為 ()對應的內(nèi)積為 ()其中于是，第j 針上的電流產(chǎn)生的電場為 ()第j 針上的電流在第i 針鄰域產(chǎn)生的平均電場為 ()相應的阻抗為 ()在不考慮短路針和饋電探針之間耦合的情況下，由短路針處的邊界條件，即自阻抗可以導出天線的諧振頻率。令式中 而天線的諧振頻率為 ()由以上公式可見，諧振頻率由靜態(tài)模電容和其他模式等效的電感決定，而不是僅取決于某個單一模式。另外，該式也需要用數(shù)值法求解。若考慮短路針和饋電探針間的耦合，則可等效成二端口網(wǎng)絡，且滿足以下關系式： ()于是可得饋電探針處的輸入阻抗為 ()相應的回波損耗為 ()式中為諧振電阻。 坐標示意圖 Coordinate plot 天線輻射場可從面電流出發(fā)，計算出磁矢量位后得到，或從面磁流出發(fā)，計算出電矢量位后得到。這里采用后一種方法[3]。，空間某一點P的坐標為 ()當時，P與之間的距離可寫成： 坐標變換示意圖 Coordinate transformation ()于是，電矢量位為 ()式中。在直角坐標系中。若邊緣場從三角形的邊界處向外延伸一段距離（即磁流寬度為），則 ()式中，表示積分是沿三角形邊沿進行的。為了求上式中的積分，采用變量代換：。則 ()進行適當變換后，沿三條邊的積分為： () () () () (),于是 () () ()由于 ()所以 () () () () ()于是 ()從而得輻射場為 () () ()文獻[28]基于腔模理論分析了短路針加載三角形貼片天線的特性，由未加載三角形貼片天線的靜態(tài)電容和所有其他模等效的電感確定了短路針加載三角形貼片天線的諧振頻率，很好地解釋了在貼片中加入短路針使貼片諧振頻率降低的現(xiàn)象。與矩形和圓形貼片天線相比，在三角形貼片天線中加短路針可以獲得更低的諧振頻率，因此對短路針加載三角形貼片天線進行研究是非常有意義的。第5章 小型寬頻帶微帶天線的設計與研制隨著無線通信系統(tǒng)與用戶的迅猛增加，對系統(tǒng)通信容量的要求大大提高，人們更希望能夠享受到圖像、數(shù)據(jù)等寬頻帶多媒體服務。在這種情況下，世界各國均競相研究第三代移動通信系統(tǒng)（簡稱3G），其中采用直接擴頻技術的WCDMA體制是最具競爭力的系統(tǒng)方案，得到了人們的廣泛關注。WCDMA系統(tǒng)射頻的工作頻帶范圍是1920~2170MHz，頻寬達250MHz，相對帶寬達到13%，因此對于WCDMA移動終端的天線設計要求有大帶寬、小尺寸且在整個方位平面上提供均勻覆蓋、增益0dBi以上。目前商用的移動終端設備大多采用鞭狀天線，存在尺寸不易縮小，人體鄰近效應造成輻射方向不均勻等問題。而微帶天線以其體積小、重量輕、能與載體共形等優(yōu)點被廣泛地應用在移動通信終端上。本文結(jié)合多種微帶天線小型化，寬頻帶的方法，設計了一種適用于WCDMA系統(tǒng)的小型寬頻帶的微帶天線，該天線采用短路針加載等邊三角形貼片實現(xiàn)小型化，采用在貼片上開縫實現(xiàn)寬頻帶。利用基于有限元法的電磁場仿真軟件Ansoft ，得出最佳設計參數(shù)；最后對設計的天線進行了實際的加工測試，給出了天線的主要參數(shù)，并與理論分析和仿真結(jié)果進行比較分析。微帶天線設計的第一步是選擇一種合適的介質(zhì)基片材料并確定其厚度，因為基片材料的εr，tanδ和厚度h將直接影響微帶天線的性能指標。采用較厚的基片，可以得到較寬的頻帶，效率也較高，但是h / λ0即電尺寸過大會引起表面波的明顯激勵。采用較高的εr，微帶天線的尺寸較小，但帶寬較窄，E面的方向圖較寬。當εr減小時，可以使輻射對應的Q值下降，從而使頻帶變寬。εr降低還將減小表面波的影響。不同基片參量(εr, h)計算的微帶天線的頻帶寬度也不相同。為了得到較寬的頻帶和較高的增益，一般采用較低的εr和較厚的h。但是h的增加不但使重量增加而且破壞了低剖面特性。所以要根據(jù)應用的具體要求來進行權衡選定。本文所設計的天線是應用在3G移動終端上的，要求其頻帶較寬，所以選擇空氣介質(zhì)，厚度在允許的范圍內(nèi)盡可能大些。微帶天線常見的饋電方式有：微帶線饋電，同軸饋電和電磁耦合型饋電。用微帶線饋電時，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便地一起光刻，制作簡單，并且更方便和電路實現(xiàn)集成。但是這時饋線本身也要引起輻射，從而干擾天線的方向圖，降低增益。一般要求微帶線寬度W不能寬，希望Wλ。這就要求微帶天線特性阻抗Z0要高些或者基片厚度h小，介電常數(shù)εr大。一般來說微帶線饋電為了達到匹配都需要阻抗變換器，這樣工作于相同頻率時微帶線饋電所需的面積大于同軸饋電。同軸線饋電的優(yōu)點是：饋電點可以選在貼片內(nèi)任何所需的位置，便于實現(xiàn)阻抗匹配；同軸電纜置于接地板下方，避免了對天線輻射的影響。因此，在頻帶寬度要求較寬時，采用同軸背饋時比較合適的。缺點是結(jié)構不便于集成，制作復雜。電磁耦合型饋電是貼近無接觸的饋電，可以利用饋線本身，也可通過一個口徑（縫隙）來形成饋線與天線間的電磁耦合，因此也可稱為貼近式饋電。這對于多層陣中層間連接問題，是一種有效的解決方法，并能獲得寬頻帶的駐波比特性。根據(jù)上面的討論本文最終選擇的是50Ω同軸饋電。結(jié)合第三章所述的多種天線小型化寬頻帶技術，本文設計的天線的結(jié)構選擇短路針加載等邊三角形貼片來實現(xiàn)天線小型化，采用空氣介質(zhì)并在貼片上開兩條窄縫，來展寬天線的帶寬。，微帶天線貼片為等邊三角形，邊長L，一對窄縫位于中心線兩側(cè)，縫長與寬分別記為d和w，縫距底邊距離記為c，兩條窄縫之間距離記為S。饋電采用50Ω同軸饋電，饋電位置位于中心線上距底邊距離記為dp，短路針距底邊距離記為ds，饋電探針與短路針半徑分別記為Rp與Rs。采用空氣介質(zhì)，貼片距接地板高度記為h。 微帶天線結(jié)構圖 Geometry of microstrip antenna本節(jié)將利用電磁場仿真軟件對上面提出的天線模型進行仿真。計算機輔助設計技術和電磁數(shù)值計算技術的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的微帶天線設計方法。借助于計算機電磁場仿真軟件，使得微帶天線的設計更簡單、更快、更準確。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。本文選擇的是在仿真軟件業(yè)內(nèi)有著很好口碑的Ansoft公司的HFSS，下面對該軟件做以下簡單的介紹[29] [30]。 HFSS仿真軟件簡介Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構電磁場仿真軟件，業(yè)界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業(yè)標準。HFSS提供了簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS，可以計算：(1) 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠場輻射問題；(2) 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；(3) S參數(shù)和相應端口阻抗的歸一化S參數(shù)；(4) 結(jié)構的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環(huán)節(jié)。本文仿真所使用的就是Ansoft 。 Ansoft HFSS仿真步驟Ansoft HFSS軟件在天線的仿真設計方面由于其精確的分析結(jié)果，并且在天線設計過程中可以通過對設計的模型的仿真和優(yōu)化而得到最優(yōu)的天線結(jié)構，成為現(xiàn)代天線設計過程中一個重要的步驟。下面簡單介紹用這個軟件仿真天線的主要步驟：(1) 仿真模式選擇。HFSS共有三種Solution模式：Driven Modal、Driven Terminal和Eigenmode。微帶天線的仿真是需要計算無源的基模的S參數(shù)和天線遠場輻射問題。因此選擇Driven Modal模式比較合適，當然以可以選擇Driven Terminal。(2) 天線模型的建立。Ansoft HFSS是一種3D的電磁仿真軟件，它提供了操作簡單的各種畫圖工具，可以方便的建立各種復雜的立體模型。并且它支持專業(yè)畫圖工具建立的模型導入和導出。由于模型比較簡單，在這里我們就直接在HFSS下面建立了仿真模型，這樣做的好處便于修改。(3) 材料選取。系統(tǒng)內(nèi)部自帶各種介質(zhì)基片材料，可以從材料庫里選擇需要的材料。如果沒有適合的介質(zhì)材料，可以自行設定材料的參數(shù)。(4) 設置邊界條件和激勵源。用戶可以根據(jù)要仿真模型的結(jié)構和仿真結(jié)果不同來設置各個面的邊界條件。HFSS提供高頻電磁仿真的邊界條件包括PerfectE，PerfectH，Radiation等，激勵源端口設置主要有兩種Wave port和Lumped Port。在仿真天線時饋電端口一般設為Wave Port。邊界條件的設置和激勵端口的設置是仿真過程中最難的一步，也是整個仿真中最重要的環(huán)節(jié)。選擇合適的邊界條件將對仿真結(jié)果的準確性有很大的影響，而且合適的邊界條件還能使得運算降低對計算機內(nèi)存和CPU的要求，加快處理速度。一般來說用戶需要對該軟件非常熟練才能正確地設置邊界條件和激勵源。這里還需要很多的操作技巧，筆者在沒有任何中文文檔的情況，花了很長時間才熟悉該軟件的基本用法。(5) 參數(shù)的掃描和優(yōu)化。，軟件添加了優(yōu)化軟件包Ansoft Optimetrics。這個軟件包的主要功能是對天線模型的尺寸進