【正文】 原理，將求解域分解成許多小的有限元域，對(duì)各個(gè)元域求解，然后再推導(dǎo)整個(gè)域的解，這是一種用簡(jiǎn)單代替復(fù)雜的方法。緊接著介紹了基于有限元法的電磁分析軟件—HFSS，這是分析天線的一大利器。然后闡述了單極子天線的設(shè)計(jì)方法——圓柱體近似法，采用三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式即可粗略算出輻射片的面積，接下來(lái)就可以采用面積等效法進(jìn)行變換。介紹完超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法后就利用這種方法設(shè)計(jì)了兩款超寬帶印刷單極子，雖然參數(shù)都沒(méi)有達(dá)到要求，但是經(jīng)過(guò)分析都找到了改進(jìn)的方向。第四章 超寬帶天線的仿真對(duì)比及優(yōu)化 引言前一章設(shè)計(jì)了兩款超寬帶印刷單極子天線，一款微帶線饋電，一款是共面波導(dǎo)同軸線饋電，并對(duì)其進(jìn)行了仿真，從仿真結(jié)果來(lái)看，這兩款天線都沒(méi)有達(dá)到要求，前者在低頻段嚴(yán)重失配，后者亦沒(méi)有達(dá)到所要的駐波比小于2的目標(biāo)。在本章中，我們將在HFSS軟件中對(duì)這兩款天線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及性能分析，考察天線的各參數(shù)對(duì)阻抗匹配的影響，并通過(guò)改進(jìn)是天線性能得到優(yōu)化。對(duì)比需要有針對(duì)性，出于建模時(shí)間、復(fù)雜度、仿真次數(shù)和仿真時(shí)間的考慮，參數(shù)的對(duì)比主要集中在輻射振子形狀大小，饋線的漸變結(jié)構(gòu)，地板的高度和漸變結(jié)構(gòu)上。對(duì)于介質(zhì)片的厚度、介電常數(shù)及大小將不予對(duì)比（出于這個(gè)考慮，常用的易于制作的材料FR4以及符合小型化的尺寸30mm30mm）本章節(jié)是整個(gè)課題的核心所在，也是整個(gè)超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作，前一章的簡(jiǎn)單仿真分析已經(jīng)指明了優(yōu)化的方向，這一章會(huì)更詳細(xì)地通過(guò)仿真數(shù)據(jù)改進(jìn)問(wèn)題所在。 微帶線饋電天線的仿真對(duì)比與優(yōu)化基于計(jì)算機(jī)內(nèi)存考慮，在控制變量分析的時(shí)候，一次只改變一個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真，多參數(shù)的契合分析將有針對(duì)性地進(jìn)行。 地板高度對(duì)天線的影響 地板高度對(duì)天線性能的影響對(duì)比 地板高度對(duì)天線性能的影響對(duì)比—2 在分析軟件HFSS中，設(shè)置地板的高度為變量g，設(shè)置變量的范圍為9—24mm、間隔為3mm，其他不變。使用軟件中的Optimetrics中的Tuning進(jìn)行仿真。，從駐波比變化曲線的對(duì)比圖可以看出，天線在低頻段的匹配情況跟地板的高度有較大的關(guān)系，高度越高匹配越差，通過(guò)對(duì)比，選擇12mm的高度的地板。=12mm和g=9mm的駐波比曲線。 g=12/9mm時(shí)天線駐波比變化曲線，當(dāng)接地板高度為12mm時(shí)，天線獲得較好的匹配，—11GHz范圍內(nèi)小于2。由于接地板高度的對(duì)比是在輻射片不變的情況下進(jìn)行的，所以只能初步認(rèn)定，12mm高的接地板效果相對(duì)較優(yōu)，在更改輻射片之后，可以結(jié)合輻射片進(jìn)一步對(duì)比選擇最優(yōu)尺寸。 輻射片形狀和面積對(duì)天線的影響經(jīng)過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在接地板高度改為12mm后將對(duì)輻射片的形狀進(jìn)行變化，以進(jìn)一步降低3GHz附件的駐波比。改變接地板高度后。 改進(jìn)接地板后的天線，結(jié)合前面的駐波比曲線，我有理由認(rèn)為：當(dāng)接地板高度與天線輻射片底端邊沿齊平時(shí)，天線獲得較好的匹配。綜合參考論文和自己的仿真經(jīng)驗(yàn)，我覺(jué)得這是一個(gè)合情推理，有待下文驗(yàn)證。姑且人為以上的推理是正確的，那么在改變輻射片的時(shí)候就要重點(diǎn)關(guān)注這個(gè)問(wèn)題了，接下來(lái)對(duì)輻射片進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)更加輻射片半徑，切割的弓形大小發(fā)現(xiàn)，在不大規(guī)模改變其形狀的基礎(chǔ)上，無(wú)法對(duì)天線的阻抗匹配產(chǎn)生影響。然后大規(guī)模改變的話(huà)，某些地方會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失配，這也從側(cè)面說(shuō)明一開(kāi)始的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)的輻射片面積和面積等效法是經(jīng)得住考驗(yàn)的。下面選取原始輻射片形狀和三種更改后的形狀對(duì)比。 天線輻射片形狀對(duì)電壓駐波比的影響對(duì)比，由于在HFSS中標(biāo)注不變更改，故對(duì)此圖說(shuō)明一下。紅色的實(shí)線是原始輻射片經(jīng)過(guò)位置稍微變化而來(lái)，形狀不變，在2—，駐波比小于2。其余的虛線是三種形狀變形仿真出來(lái)的，—，但明顯沒(méi)有原始輻射片的性能良好。根據(jù)以上分析，加上基于接地板與輻射片關(guān)系的考慮，確定不對(duì)輻射片形狀加以變化，保持原始形狀。 接地板開(kāi)槽和漸變結(jié)構(gòu)對(duì)天線的影響根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)槽出來(lái)制造陷波特性外，控制槽的長(zhǎng)度寬度還能改善阻抗匹配，本小節(jié)主要針對(duì)接地板的上端進(jìn)行開(kāi)槽實(shí)驗(yàn)和設(shè)置漸變結(jié)構(gòu)，嘗試拓寬帶寬。，底板中部開(kāi)出寬4mm的槽，槽的長(zhǎng)度對(duì)駐波比曲線優(yōu)化不大，這里只選較優(yōu)的4mm，槽的高度設(shè)為變量d，分別設(shè)置1mm、下面來(lái)分析仿真結(jié)果。 接地板開(kāi)槽位置圖示 d=1mm時(shí)天線駐波比曲線 d=，天線的在整個(gè)工作帶寬內(nèi)駐波比有很大的改善，在3—20GHz內(nèi)都達(dá)到了要求。故選擇d=。在以上的基礎(chǔ)上，可以仿真得更精細(xì)些了，設(shè)置仿真范圍為2—30GHz。 開(kāi)槽優(yōu)化后天線駐波比變化，該天線經(jīng)過(guò)優(yōu)化后雖然帶寬展寬了，但是在2—3GHz附近的阻抗匹配情況又變差了。不過(guò)這點(diǎn)變化所帶來(lái)的效應(yīng)是值得的。為了進(jìn)一步優(yōu)化天線，本節(jié)再?lài)L試著對(duì)接地板進(jìn)行處理，在其左上角和右上角形成漸變結(jié)構(gòu)，看能否優(yōu)化低頻段的性能。將接地板進(jìn)行斜角處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切角處理對(duì)該天線低頻段的駐波比影響不大，更甚者會(huì)破壞原有的阻抗匹配，差別太大，幾乎沒(méi)有規(guī)律可循。經(jīng)過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切角值為5mm時(shí)，低頻段的駐波比有較好的改善，達(dá)到了要求，故將其定為優(yōu)化后的參數(shù)。 最終優(yōu)化的天線對(duì)最終的天線進(jìn)行仿真，為了便于看清楚每個(gè)頻點(diǎn)的位置和所對(duì)應(yīng)的值，這里將離散曲線和連續(xù)曲線列出。 最終優(yōu)化天線駐波比離散曲線圖 最終優(yōu)化天線駐波比連續(xù)曲線圖通過(guò)改進(jìn)，從圖中可以看出，—30GHz的范圍內(nèi)VSWR＜2，達(dá)到了目標(biāo)要求?！?1GHz的范圍內(nèi)VSWR＜，達(dá)到了通信中的應(yīng)用要求。 優(yōu)化后天線方向圖分析 —、7GHz、11GHz的E面和H面方向圖 3GHz E面方向圖 3GHz H面方向圖 7GHz E面方向圖 7GHz H面方向圖 11GHz E面方向圖 11GHz H面方向圖在E面，天線成“8”字形，類(lèi)似于偶極子天線的輻射形式，11GHz前都有較好的一致性，不過(guò)在11GHz處產(chǎn)生了變化。在H面，天線具有比較好的全向性，可收發(fā)各個(gè)方向的信號(hào)，且在不同的頻點(diǎn)變化不大。因此該天線能滿(mǎn)足UWB通信的需求。 同軸線饋電天線的仿真對(duì)比與優(yōu)化 該超寬帶單極子天線在一開(kāi)始的原始參數(shù)中就有較好的性能，仿真對(duì)比和優(yōu)化過(guò)程簡(jiǎn)單明顯，所以不做多余的贅述，僅將過(guò)程和結(jié)果簡(jiǎn)要描述?！? 原始天線A 降低接地板高度后的天線B 增大輻射片半徑后的天線C 改變縫隙之后的天線D 接地板倒角后的天線E將原始天線A的接地板高度由20mm降為16mm變成天線B。最終的天線E是在天線D的基礎(chǔ)上對(duì)兩接地板進(jìn)行倒角處理，倒角半徑為12mm。天線A、B、C、D、。 天線A/B/C/D/E的駐波比曲線 紅色實(shí)線為天線E的變化曲線，從天線A到天線E，每一個(gè)變化都使阻抗匹配得到優(yōu)化，天線E將作為共面波導(dǎo)同軸線饋電超寬帶單極子天線的最終模型。 下面，對(duì)天線E做更細(xì)致的仿真分析，分析其方向圖特性。 天線E駐波比離散曲線 天線E駐波比連續(xù)曲線，在2—18GHz的范圍內(nèi)VSWR＜2，達(dá)到了目標(biāo)要求。下面列出該天線在3/7/11GHz的E面及H面方向圖，—： 3GHz 天線E面方向圖 3GHz 天線H面方向圖 7GHz 天線E面方向圖 7GHz 天線H面方向圖 11GHz 天線E面方向圖 11GHz 天線H面方向圖 從上面天線的三個(gè)頻點(diǎn)可以看出，該超寬帶天線符合平面單極子的方向特性，E面近似成“8”字，11GHz的E面有些畸變，H面方向圖具有良好的雙向性。總的來(lái)說(shuō)，該天線在規(guī)定的工作頻帶擁有合適的輻射方向特性。 本章小結(jié)本章作為全論文的中心，將第三章的兩款天線優(yōu)化設(shè)計(jì)了一遍，其中微帶線饋電的優(yōu)化過(guò)程較詳細(xì)，分為接地板高度、輻射片形狀、開(kāi)槽及漸變?nèi)齻€(gè)變量三個(gè)方面逐一優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果較為滿(mǎn)意。因?yàn)橛星懊孀鲣亯|，對(duì)于類(lèi)似的優(yōu)化方法，共面波導(dǎo)饋電的天線則簡(jiǎn)單闡述優(yōu)化過(guò)程，分為了四步走逐一優(yōu)化，最后綜合考慮修改了一些細(xì)節(jié)后敲定了最終尺寸和結(jié)構(gòu)，兩款天線的尺寸將在結(jié)論章節(jié)中列出。由于前期過(guò)于注重帶寬的展寬，忽略了天線的方向性，所以在高頻段中天線的輻射方向性差強(qiáng)人意，這在以后的工作學(xué)習(xí)中要汲取經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)綜合考慮。 結(jié) 論 超寬帶作為一種新興的高速無(wú)線通信技術(shù)，得到了學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的廣泛研究。而天線及其收發(fā)端作為無(wú)線通信系統(tǒng)的重要組成部分，有著舉足輕重的地位。超寬帶通信系統(tǒng)對(duì)天線有著特殊的要求，而且實(shí)用需求急劇增加。盡管過(guò)去已經(jīng)有相當(dāng)種類(lèi)的寬帶天線，但此時(shí)已不再適用。從天線的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，小型化、寬頻帶、智能化等特點(diǎn)已逐漸成為設(shè)計(jì)的主流。超寬帶天線的設(shè)計(jì)不僅要考慮傳統(tǒng)窄帶天線的性能指標(biāo)如增益效率等，還要考慮由輻射脈沖引起的色散及不同應(yīng)用場(chǎng)合的物理尺寸問(wèn)題。在這個(gè)背景下，各種用于展寬天線頻帶，縮小天線尺寸的方的得到廣泛的研究和探討。本文首先回顧了超寬帶天線的發(fā)展歷程、常見(jiàn)類(lèi)型和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，然后圍繞平面印刷單極子天線的“超寬帶、小型化”主題設(shè)計(jì)了兩款天線并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，主要工作和成果如下：（1）熟悉和了解了天線方面的基礎(chǔ)知識(shí)，包括天線的基本原理和衡量其性能的各個(gè)參數(shù)。在設(shè)計(jì)的最初階段，查閱了有關(guān)書(shū)籍、論文等參考資料，對(duì)UWB天線及平面印刷單極子的應(yīng)用背景、最新發(fā)展動(dòng)態(tài)、設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)模型有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。（2）根據(jù)單極子天線的設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)出兩個(gè)天線模型，采用兩種不同的饋電方式：微帶線饋電和共面波導(dǎo)同軸線饋電。 （3）圍繞天線輻射片的尺寸、接地板的高度、開(kāi)槽等方面對(duì)天線進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)和反復(fù)對(duì)比，優(yōu)化了天線的阻抗帶寬，使兩款天線分別達(dá)到了3—30GHz，2—18GHz的阻抗帶寬，更使微帶線饋電的天線在3—11GHz的頻率范圍內(nèi)達(dá)到VSWR＜。 當(dāng)然，由于過(guò)去從未接觸過(guò)天線理論和設(shè)計(jì)，所以在取得成績(jī)的同時(shí)也有著較大的不足之處。對(duì)天線理論和天線設(shè)計(jì)流程的熟悉程度使得最終定型的方向圖有些不盡人意，應(yīng)該在修改優(yōu)化參數(shù)的時(shí)候，在不對(duì)阻抗帶寬產(chǎn)生大影響的情況下，要同時(shí)兼顧天線的輻射方向圖，因?yàn)槌瑢拵螛O子天線的全向輻射性也是其一項(xiàng)重要特性。另外，天線的各參數(shù)都是停留在仿真的層面，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的研究，到目前為止，得到的認(rèn)識(shí)也停留在理論基礎(chǔ)上，沒(méi)有從實(shí)踐上對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。（另起頁(yè)：參考文獻(xiàn)范例）參考文獻(xiàn)（參考文獻(xiàn)標(biāo)題為三號(hào)，宋體，加粗，居中，上下空一行）（正文為五號(hào)，宋體，行距為固定值20磅）、論文集、學(xué)位論文、報(bào)告〔序號(hào)〕〔文獻(xiàn)類(lèi)型標(biāo)識(shí)〕.出版地:出版者，(任選).　　〔1〕劉國(guó)鈞，陳紹業(yè)，〔M].北京:高等教育出版社，.　　〔2〕:A集〔C〕.北京:中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，1994.　　〔3〕〔D〕.北京:北京大學(xué)數(shù)學(xué)系數(shù)學(xué)研究所，1983.　　〔4〕〔R〕.北京:清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，1997.　　〔序號(hào)〕〔J〕.刊名，年，卷(期):起止頁(yè)碼.　　〔5〕《南明史》〔J〕.中國(guó)史研究，1998，(3):167173.　　〔6〕金顯賀，王昌長(zhǎng)，王忠東，〔J〕.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1993，33(4):6267.　　〔序號(hào)〕〔A〕.原文獻(xiàn)主要責(zé)任者(任選).原文獻(xiàn)題名〔C〕.出版地:出版者，.　　〔7〕〔A〕.——中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)第五屆大會(huì)論文集〔C〕.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1996. 468471　　〔序號(hào)〕 〔N〕.報(bào)紙名，出版日期(版次)　　〔8〕〔N〕.人民日?qǐng)?bào)，19981225(10)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)　　〔序號(hào)〕標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)〔S〕.　　〔9〕GB/T 161591996，漢語(yǔ)拼音正詞法基本規(guī)則〔S〕.　　〔序號(hào)〕〔P〕.專(zhuān)利國(guó)別:專(zhuān)利號(hào)，出版日期　　〔10〕〔P〕.中國(guó)專(zhuān)利:881056073，19890726　　〔序號(hào)〕〔電子文獻(xiàn)和載體類(lèi)型標(biāo)識(shí)〕.電子文獻(xiàn)的出處或可獲得地址，發(fā)表或更新日期/引用日期(任選)（11〕〔EB/OL〕.39。19980816/19981004　　〔序號(hào)〕〔Z〕.出版地:出版者，出版年。（編輯完后需將全文綠色說(shuō)明文字刪除，格式不變）