【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)。的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法。律后果由本人承擔(dān)。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。超寬帶天線已成為天線和通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。尺寸、間隙并仿真使模型獲得最優(yōu)尺寸，進(jìn)一步研究各種因素對(duì)天線性能的影響因子。在保證工作頻率內(nèi)VSWR小于2的基礎(chǔ)上盡可能地縮減天線的尺寸。設(shè)計(jì)了兩款印刷單極子，其輻射面均是從最基本的圓形單極子變換而來(lái)。過(guò)優(yōu)化使天線工作頻率3—30GHz內(nèi)駐波比小于2。另一款輻射面和地面共面，整體大。以上兩款天線在輻射方向圖和駐波比兩個(gè)參數(shù)上都實(shí)現(xiàn)了理想的目標(biāo)性。能，同時(shí)符合超寬帶天線的小型化。

　　

【正文】 sis SetupAdd Solution Setup可以進(jìn)行自適應(yīng)頻率和收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，通過(guò) HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互連結(jié)構(gòu)的掃頻響應(yīng)，通常選擇插值掃頻。 數(shù)據(jù)處理（ HFSSResults）。 HFSS具有功能強(qiáng)大又很靈活的數(shù)據(jù)管理和繪圖能力，可以輸出適合于 Matlab編程，后綴為 .m的 S/Y/Z矩陣參數(shù)文件。 單極子天線設(shè)計(jì)原理 超頻帶天線由于其獨(dú)具的特殊性，在設(shè)計(jì)方法和參數(shù)要求上與一般傳統(tǒng)的窄帶天線有著明顯的區(qū)別。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波 比小于 ，但實(shí)際應(yīng)用中 VSWR應(yīng)小于 。過(guò)大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。在超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)中，由于帶寬超寬，所以只要求駐波比小于 2 即可，而方向圖要求全向，貼近半波對(duì)稱振子的方向圖。 與傳統(tǒng)的超寬帶天線相比，單極子微帶天線設(shè)計(jì)形式多樣，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律可循，而對(duì)于其低頻段，金屬輻射板的長(zhǎng) 度 L、寬度 W 和最低諧振頻率 Lf 之間的關(guān)系可以用圓柱體近似法給出。有以下經(jīng)驗(yàn)公式： LWHr ?????2 （ 31） FH ?? ? (32) rHHF ?? （ 33） （ 34） rHfL ?? 72 其中 H、 r 是圖 所示圓柱體的高和半徑。 圖 圓柱體 考慮到地板與輻射板之間的縫隙耦 合影響，式（ 34）最低諧振頻率可修正為： grHfL ??? 72 （ 35） 式中 g是地板與輻射板之間的耦合縫隙。 本章的微帶單極子天線就是按照上述方法粗略計(jì)算出最低 3GHz 貼片天線的輻射板的面積 ，然后用等效面積法處理，得出最初的模型。 兩款圓形變形輻射板單極子天線的設(shè)計(jì) 根據(jù)上述原理，本節(jié)設(shè)計(jì)了兩款由圓形輻射片變形而來(lái)的超寬帶單極子天線，并對(duì)其初步仿真，查看方向圖和駐波比，便于下一章的實(shí)驗(yàn)分析。 一種類六邊形超寬帶天線的設(shè)計(jì) 天線的結(jié)構(gòu)如圖 所示，天線選用厚度 為 1mm 的聚四氟乙烯（ FR4）作為介質(zhì)基板（ FR4 的介電常數(shù) r? 為 ，損耗正切 ?tan 為 ） ,輻射片與接地面的厚度為 的覆銅層，分別印在介質(zhì)的兩面，接地板覆蓋了整個(gè)背面。采用微帶線饋電，微帶線寬2mm。輻射片的圓片半徑為 10mm，從頂部和左右切去三個(gè)弓形，形成如圖所示的輻射片，整體大小為 30mm 30mm 1mm，空氣盒子為 130mm 130mm 120mm，邊界條件設(shè)為Radiation。 自此，初步的模型就建立完成，下面進(jìn)行仿真設(shè)置。 圖 天線模型圖示 設(shè)置仿真的頻率為 7GHz（由于是重點(diǎn)仿真其駐波比，所以頻點(diǎn)設(shè)為中心頻率），添加掃頻，仿真 3— 11GHz 的結(jié)果，由于先粗略仿真，故每 1GHz 仿一個(gè)點(diǎn)。至此即可開(kāi)始仿真，暫不設(shè)置方向圖選項(xiàng)。 圖 電壓駐波比變化曲線 天線的仿真結(jié)果如圖 所示，從電壓駐波比上可以看到，天線在低頻段嚴(yán)重阻抗失配， 在整個(gè) 3— 11GHz的范圍內(nèi)可以說(shuō)完全沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)要求，有待進(jìn)一步改進(jìn)。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輻射片的面積和形狀、接地板的高度、開(kāi)槽等對(duì)低頻段的阻抗匹配有較好改善，所以下一章將重點(diǎn)在這三個(gè)方面對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化。 一種半圓片共面波導(dǎo)超寬帶天線設(shè)計(jì) 天線形狀如圖 、 所示，天線選用 厚的聚四氟乙烯介質(zhì)板，介電常數(shù)，損耗正切 。 輻射片與接地面的厚度為 的覆銅層，印刷在底板的同一面。輻射片是從圓形中切出的一部分弓形，采用共面波導(dǎo)同軸線饋電。弓形輻射片的半徑為10mm，微帶線為 2mm，地板高 20mm，與微帶線間隙為 。同軸線線芯半徑為，中間介質(zhì)半徑 ，介電常數(shù)為 外導(dǎo)體半徑為 ， 同軸線細(xì)節(jié)如圖 所示， 經(jīng)過(guò)計(jì)算阻抗為 50 歐姆。 整體大小為 30mm30mm，空氣盒子為130mm130mm120mm，邊界條件設(shè)為 Radiation。 圖 天線正面圖 圖 天線側(cè)面圖示 圖 同軸線細(xì)節(jié)圖 設(shè)置仿真的頻率為 7GHz，添加掃頻， 仿真 3— 11GHz 的結(jié)果，每 1GHz 仿一個(gè)點(diǎn)。其余設(shè)置同上。 圖 天線的電壓駐波比變化曲線 圖 天線模型的 Smith Chart 天線的仿真結(jié)果如圖 所示，根據(jù)其電壓駐波比的變化曲線和史密斯圓圖，可以看出這款單極子天線的阻抗匹配還不錯(cuò)，但卻尚未達(dá)到 VSWR＜ 2 的結(jié)果，所以還有待改進(jìn)。 下一章將對(duì)此天線進(jìn)行輻射板和接地板、間隙的優(yōu)化，由于漸變的形狀有利于拓展帶寬，所以將重點(diǎn)使輻射板和地板擁有更寬的漸變范圍。 本章小結(jié) 本章首先介紹了有限元法的原理，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， 從一開(kāi)始建模就選定了常用厚度 和 ，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 圖 地板高度對(duì)天線性能的影響對(duì)比 圖 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。 結(jié)果如圖 所示，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。圖 為查看 g=12mm和 g=9mm的駐波比曲線。 圖 g=12/9mm 時(shí)天線駐波比變化曲線 從圖 可以看出，當(dāng)接地板高度為 12mm時(shí)，天線獲得 較好的匹配，駐波比在 — 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，天線模型變?yōu)槿鐖D 所示。 圖 改進(jìn)接地板后的天線 從圖 來(lái)看，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，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，如圖 所示。 圖 天線輻射片形狀對(duì)電壓駐波比的影響對(duì)比 圖 所示，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— 的范圍內(nèi)，駐波比小于 2。其余的虛線是三種形狀變形仿真出來(lái)的，雖然達(dá)到了 — 內(nèi)駐波比小于 2 的 要求，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。底板開(kāi)槽開(kāi)槽位置如圖 所示，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、 、 、 四個(gè)參數(shù)，下面來(lái)分析仿真結(jié)果。 圖 接地板開(kāi)槽位置圖示 圖 d=1mm 時(shí)天線駐波比曲線 圖 d=從圖 和圖 的駐波比曲線可以看出，當(dāng)槽的深度為 ，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=作為優(yōu)化參數(shù)。 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，每隔 仿真一點(diǎn)，結(jié)果如圖 所示。 圖 開(kāi)槽優(yōu)化后天線駐波比變化 圖 可以看出，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)再嘗試著對(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)化后的天線如圖 。 圖 最終優(yōu)化的天線 對(duì)最終的天線進(jìn)行仿真，每 仿真一個(gè)點(diǎn)，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。結(jié)果如 和圖 。 圖 最終優(yōu)化天線駐波比離散曲線圖 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，天線在 — 30GHz 的范圍內(nèi) VSWR＜ 2，達(dá)到了目標(biāo)要求。并且在 — 11GHz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 圖 — 圖 給出 3GHz、 7GHz、 11GHz的 E 面和 H 面方向圖 圖 3GHz E 面方向圖 圖 3GHz H 面方向圖 圖 7GHz E 面方向圖 圖 7GHz H 面方向圖 圖 11GHz E 面方向圖 圖 11GHz H 面方向圖 在 E 面，天線成“ 8”字形，類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，且本小節(jié)的優(yōu)化過(guò)程類似于 節(jié)微帶線饋電天線的優(yōu)化，所以不做多余的贅述，僅將過(guò)程和結(jié)果簡(jiǎn)要描述。 天線的變化過(guò)程如圖 — 所示 圖 原始天線 A