【導(dǎo)讀】撰寫成碩士學(xué)位論文“WCDMA系統(tǒng)小型、寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制”。在文中以明確方式標(biāo)明。本論文中不包含任何未加明確注明的其他個(gè)人或集體已。經(jīng)公開發(fā)表或未公開發(fā)表的成果。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連海事大學(xué)可以將本。描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均。已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。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。微帶天線以其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)。在低頻應(yīng)用時(shí)的體積、展寬頻帶成為近年來(lái)微帶天線的研究熱點(diǎn)。技術(shù)進(jìn)行了較全面的歸納與分析。Ansoft公司的電磁仿真軟件進(jìn)一步優(yōu)化可得到性能優(yōu)良的設(shè)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明，HFSS仿真與測(cè)試結(jié)果基本吻合,×35mm，能較好地滿足WCDMA系統(tǒng)的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用前景。

　　

【正文】 d 4433221143214321432161111161 ????????????? () 這就是傳統(tǒng)的有限元四面體單元的線性系統(tǒng)。 4 三維 棱邊元 上一世紀(jì) 80 年代以后，棱邊元單元的出現(xiàn)解決了有限元方法的缺點(diǎn)。 Ansoft HFSS 正是采用了棱邊元（也稱為矢量有限元）的方法，下面對(duì)其進(jìn)行介 紹。 考察矢量函數(shù)： eeee LLLLW 122112 ????? () 首先，容易看出 012 ??? W? ， ee LLW 2112 2 ?????? ? () 其次，假設(shè) 1?e 表示從結(jié)點(diǎn) 1 指向結(jié)點(diǎn) 2 的單位矢量。因?yàn)?eL1 是從結(jié)點(diǎn) 1 處的1 變化到結(jié)點(diǎn) 2 處的 0 的線性函數(shù)， eL2 是從結(jié)點(diǎn) 2 處的 1 變化為結(jié)點(diǎn) 1 處的線性WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制 17 函數(shù)，所以， ee lLe 111 /1? ???? ， ee lLe 111 /1? ??? 其中， el1 表示連接結(jié)點(diǎn) 1 和 2 的棱邊長(zhǎng)。因此 elWe 11211? ?? ? () 它表示 12W? 沿棱邊（ 1， 2）有一個(gè)常切向分量，沿其它 5 個(gè)棱邊沒(méi)有切向分量。如果定義該棱邊為 1，則可以定義其矢量基函數(shù)為： ee lWN 1121 ?? ? () 類似可得到棱邊 i的矢量基函數(shù)為： eieiiei lWN 21?? ? () 其中棱邊數(shù)及相關(guān)結(jié)點(diǎn) 1i 和 2i 定義在表 中。 表 四面體單元的棱邊定義 Definition of tetrahedron cell’s edge 棱邊 i 結(jié)點(diǎn) 1i 結(jié)點(diǎn) 2i 1 1 2 2 1 3 3 1 4 4 2 3 5 4 2 6 3 4 在以上定義的基礎(chǔ)上，適用于泛函 式 的四面體單元內(nèi)的電場(chǎng)矢量可以表示為：??? 61i iei ENE ?? () 其中， iE （ i＝ 1， … ， 6）就是單元內(nèi)的未知量。這就是 Ansoft HFSS 中使用的棱邊元（對(duì)應(yīng)其 0th order basis function）?？梢钥吹剑@類矢量基函數(shù)在單元內(nèi)自然滿足散度為零，旋度不為零（見式 ），其定義也正好是沿切向定義的，棱第 2 章 微帶天線基本理論 18 選擇初始網(wǎng)格計(jì)算每個(gè)端口的激勵(lì)電流模式判斷每個(gè)端口激勵(lì)信號(hào)的精確度是否滿足要求在端口 重新劃分網(wǎng)格是否可以接受端口加入激勵(lì)后計(jì)算結(jié)構(gòu)體的場(chǎng)分量重新劃分結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格否 是是是否否自適應(yīng)計(jì)算S?達(dá)到要得到各參數(shù)和場(chǎng)分布結(jié)果 圖 Ansoft hfss 的自適應(yīng)迭代算法 Adaptive iteration algorithm of Ansoft hfss 邊元也避免了結(jié)點(diǎn)值，所以它能夠去除結(jié)點(diǎn)值四面體的三個(gè)缺點(diǎn)。 四面體單元在模擬任意形狀的幾何體時(shí)，特別是不規(guī)則的幾何物體時(shí)，比矩形塊、六面體等單元更加靈活和準(zhǔn)確。雖然對(duì)于同樣離散數(shù)，矩形塊和六面體比四面體的未知數(shù)要少，但是，有趣的是，對(duì)于幾乎同樣的未知量數(shù)目，采用四面體的有限元數(shù)值解比采用矩形塊和六面體的有限元數(shù)值解精度要高。應(yīng)該 說(shuō)，四面體單元特別是四面體棱邊元在解決三維問(wèn)題時(shí)是較好的選擇。 有限元方程組的求解 從上面的討論可以看出，矩陣方程的求解復(fù)雜度與有限元的剖分密度即未知數(shù)數(shù)目有很大的關(guān)系，未知數(shù)數(shù)目越多，求解所需的時(shí)間越長(zhǎng)。然而，從另外一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，有限元方法求解的精度與也隨著未知數(shù)數(shù)目的增加而更加準(zhǔn)確。因此，有限元方法的求解時(shí)間與準(zhǔn)確度是一對(duì)矛盾。為了在越短的時(shí)間內(nèi)取得越大的精度， Ansoft HFSS 采取了自適應(yīng)迭代算法，如圖 所示。該算法一開始先選用較粗的剖分，采用上面所談的方法求解，然后看其進(jìn)度是 否滿足要求。如不滿足，進(jìn)一步細(xì)化剖分，再次進(jìn)行求解，直到達(dá)到給定的精度。 WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制 19 第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 微帶天線的小型化技術(shù) 由于個(gè)人通信系統(tǒng)的發(fā)展，各種通信終端天線的需求持續(xù)增加。手機(jī)、藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)等終端對(duì)天線的小型化和緊湊型有很高的要求，在這些應(yīng)用中，小尺寸的天線是十分必要的。天線的小型化是指在固定的工作頻率上減小微帶天線的尺寸。隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，針對(duì)不同的小型天線（如線天線、平面倒 F 天線、介質(zhì)振蕩器天線、縫隙天線、螺旋天線以及印刷微帶天線等） 有不同的小型化方法。下面簡(jiǎn)要介紹一 下微帶貼片天線小型化的具體方法。 采用特殊材料基片 一般來(lái)說(shuō) ，微帶天線是半波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，工作在基本諧振模 01TM 或 10TM 。以矩形微帶天線為例，對(duì)于采用薄基片 （ gh ??? ）的矩形微帶天線，其諧振頻率可由下式近似的出： rr Lcf ?2? （ ） 式中： c 是真空中的 光速 ； L 是矩形貼片的長(zhǎng)度； r? 是基片材料的相對(duì)介電常數(shù) 。由式 可以看出，天線諧振頻率 rf 與 r? 成 反 比，因此對(duì)于一個(gè)固定的工作頻率，采用高介電常數(shù) （如陶瓷材料）或高磁導(dǎo)率 （如磁性材料） 的基片可以有效 圖 采用不同介電常數(shù)基板的 GPS 天線尺寸對(duì)比 Comparison of GPS antenna with different substrate 第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 20 的降低天線的尺寸。 圖 是用于 GPS 接收機(jī)的圓極化切角微帶天線， a 和 b 采用了不同介電常數(shù)的基片材料 ，天線工作頻率同樣是 1575MHz。圖 (a)所示天線采用的是普通微波介質(zhì)材料 r? =， h =；圖 (b)所示天線采用的是陶瓷材料r? =， h =。從圖中天線的尺寸可以看出天線 b 的面積只有 a 的 10%。 由此可以看出采用高介電常數(shù)的基片可以有效減小天線的尺寸。 但這類高介質(zhì)天線的主要缺點(diǎn)是： (1)激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗大，是增益減小，效 率降低。 (2)帶寬窄。 加載技術(shù) 對(duì)于半波結(jié)構(gòu)的矩形微帶天線，電流在一個(gè)開路端和另一個(gè)開路端之間形成駐波，因此兩個(gè)開路端之間有一條零點(diǎn)位線。如果在零點(diǎn)位線處對(duì)地短接，就可以形成開路到短路的駐波分布，這樣就使矩形微帶天線的尺寸減小了一半。 微帶天線的加載方法主要包括短路加載和電阻加載。通常短路加載有三種形式：加載短路面、加載短路片以及加載短路針 。圖 是分別采用三種短路加載形式的矩形貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 (a)是加載短路面的四分之一 波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的微帶天線。相對(duì)于半波結(jié)構(gòu)的矩形微帶天線，加載 短路面的微帶天線長(zhǎng)度減小了一半。圖 (b)和 (c)中是用短路片和短路針代替了短路面，可以更大的降低天線的諧振頻率 或 減小天線尺寸。 在文獻(xiàn) [6][7]中介紹的加載短路針的圓形微帶天線和矩形微帶天 圖 三種短路加載的矩形微帶天線 Geometries of a rectangular patch antenna with (a) a shorting wall, (b) a shorting plate, and (c) a shorting pin WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制 21 線，其諧振頻率是未加載結(jié)構(gòu)的 1/3，或者說(shuō) 對(duì)于固定的工作頻率，天線的尺寸減小了 89%。另有文獻(xiàn)介紹加載短路針的等邊三角形微帶天線尺寸減小了 94%。這主要是因?yàn)榈冗吶切挝炀€中的零電 位點(diǎn)比圓形貼片天線和矩形貼片天線更靠近底邊，因此當(dāng)在頂點(diǎn)加載短路針時(shí)，造成的天線零電位點(diǎn)的偏移更大，從而導(dǎo)致了更低的諧振頻率。這種方 法的缺點(diǎn)是 ： (1)阻抗匹配極大的依賴于短路針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離，對(duì)制造公差要求很高。 (2)帶寬窄。 (3)H 面的 交叉極化電平相對(duì)較高。 通過(guò)加載電阻的方法同樣可以減小天線的尺寸。由于天線在諧振頻率以下呈感性，因此在同軸饋電點(diǎn)附近加載負(fù)載電阻時(shí)，等效于加了個(gè)電容，從而使諧振頻率降低，而且 隨加載電阻增大，天線的品質(zhì)因數(shù)降低，帶寬展寬，制造公差降低，但這些性能的提高以犧牲增益為代價(jià)。 曲流技術(shù) 微帶天線的曲流技術(shù)包括 貼片曲流技術(shù)和接地板曲流技術(shù)。 貼片曲流技術(shù)是一種通過(guò)彎曲天線貼片表面激勵(lì)電流路徑的 天線小型化技術(shù)。我們知道，在微帶天線的金屬面上，每個(gè)共振模態(tài)的電流分布不同。 若在相同的共振模態(tài)下開槽，則此凹槽就會(huì)破壞原來(lái)共振模態(tài)的電流路徑，使電流路徑變長(zhǎng)，這樣天線的共振波長(zhǎng)相對(duì)變大，因此天線的頻率隨凹槽的長(zhǎng)短而變化，挖的凹槽越長(zhǎng)相應(yīng)的天線工作頻率降低的越多。利用這種概念就可以控制天線的工作頻率，設(shè)計(jì)出需要的天線特性。同時(shí)為了保證天線的特性，凹槽的寬度不能太大，太大會(huì)影響到天線的輻射場(chǎng)型。在頻寬方面因?yàn)殚_槽的原因使得天線的容抗變大，變大的容抗會(huì)抵消部分同軸饋入所造成的感抗，因此天線的頻帶會(huì)比只加短路針 的頻 帶稍寬。 以矩形貼片天線為例，圖 畫出了開槽后的貼片表面電流分布。圖 (a)是在矩形貼片的非輻射邊挖了幾條細(xì)縫，由圖可以看出，天線的表面電流被有效地彎曲，從而使固定尺寸的矩形貼片上電流路徑的有效長(zhǎng)度大大增加，天線的諧振頻率顯著下降。圖 (b)是在矩形貼片的非輻射邊挖了兩個(gè)三角形的切口，使表面電流路徑變長(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)到蝶形貼片天線，與相同大小的矩形貼片天第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 22 線相比，蝶形貼片天線具有更低的諧振頻率。 接地板曲流技術(shù)是通過(guò)在接地板上開槽實(shí)現(xiàn)電流路徑改變的小型化微帶天線技術(shù)。在接地板上開槽可以達(dá)到和 貼片上開槽同樣的曲流效果。而且，由于 地板開槽使得微帶天線的 Q 值降低，天線的帶寬也會(huì)相應(yīng)的增加。 曲流技術(shù)可以有效地減小天線尺寸， 并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便。 但在微帶天線的金屬面上開槽會(huì)有垂直于主激發(fā)面電流的額外電流分布，使得天線的交叉極化增大，輻射效率降低。天線的增益會(huì)因?yàn)檩椛涿娣e的減少而下降，比工作在同頻率的傳統(tǒng)微帶天線的增益小很多。 將加載技術(shù)與曲流技術(shù)靈活的應(yīng)用在一起，可以實(shí)現(xiàn)更理想的天線小型化的效果。文獻(xiàn) [8]介紹 在圓形微帶貼片同時(shí)采用開槽和加載短路針的辦法可以大大的減小天線的尺寸，此天線尺寸是同頻率下 普通圓形微帶天線尺寸的 9%。 采用 PIF/PIL 結(jié)構(gòu) 平面倒 F 天線（ PIFA）和平面倒 L 天線（ PILA）可以看作是空氣介質(zhì)的微帶天線。 PIFA 也可以看作是折疊的 PILA。 PIFA 和 PILA 具有小型、寬頻帶、高效率等特點(diǎn)，是采用厚基板、低介電常數(shù)、 短路加載的典型天線。近年來(lái)， PIFA 在無(wú)線通信終端（如手機(jī)）上得到廣泛的應(yīng)用。 圖 微帶貼片天線的曲流示意圖 Surface current distributions for meandered rectangular microstrip patches WCDMA 系統(tǒng)小型 、 寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研制 23 圖 為微帶線饋電的平面倒 L 天線（ PILA）結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)天線高度小于 ?（ 0? 是天線中 心頻率在自由空間的波長(zhǎng)）時(shí)， PILA 在諧振長(zhǎng)度 0? 有較強(qiáng)的輻射，也就是說(shuō)， PILA 在保持與普通的半波長(zhǎng)微帶天線相同的輻射特性的前提下，可以工作在 1/4 波長(zhǎng)。即在天線頻率不變的情況下是天線尺寸減小到普通天線的50%。 微帶天線的寬頻帶技術(shù) 天線的頻帶是指其特性參數(shù)在規(guī)定的容許范圍內(nèi)的頻率范圍。 對(duì)線極化微帶天線來(lái)說(shuō)，通?？紤]的特性參數(shù)是：方向圖、增益和阻抗。其中最易受頻率變化影響的是阻抗，也就是說(shuō)，線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。對(duì)大多數(shù)微帶天線 特別是微帶貼片天線而言，其主要的缺點(diǎn)便是他的窄頻特性。這是由于微帶貼片天線是一種諧振式天線，它的諧振特性可以等效為一個(gè)高 Q 并聯(lián)諧振電路。 當(dāng)諧振時(shí)可實(shí)現(xiàn)匹配，而當(dāng)頻率偏離諧振時(shí)，會(huì)由于電抗分量急劇變動(dòng)而出現(xiàn)失配。因此展寬頻帶的基本途徑是降低等效諧振電路的 Q 值。 考慮 介質(zhì) 基片 的影響 帶寬定義為輸入電壓駐波比 S（ VSWR） 在某一容限值內(nèi)的頻率范圍。 帶寬： SQSBW 1?? () 圖 微帶線饋電的 PILA 示意圖 Geometry of a microstriplinefed planar invertedL patch antenna 第 3 章 微帶天線的小型化 、 寬頻帶技術(shù) 24 品質(zhì)因數(shù)： TrrPWfQ ?2? () 存儲(chǔ) 能量： 202020 ),(16 akfhVW Trr ???? (