【正文】 感謝我的指導(dǎo)老師樊芳芳老師，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我遇到了很多困難，在樊老師的精心教導(dǎo)中，克服一個(gè)又一個(gè)難題，所以我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，樊老師也付出了很多，再次感謝！ 深深感謝我的家人一爸爸、媽媽，我的女友 !是你們多年來一直默默無聞無私的奉獻(xiàn)在支持著我不斷向前，你們的支持，無論是精神上還是物質(zhì)上的總是那么有力，它給了我面對任何困難的勇氣和力量，在此我愿將本篇論 文獻(xiàn)給你們 ! 最后 ，感謝評閱本論文的專家學(xué)者們，感謝你們?yōu)榇烁冻龅男燎趧趧?dòng)！ 感謝所有關(guān)心和支持我的人 ！ 小型機(jī)載天線的研究 40 參考文獻(xiàn) 41 參考文獻(xiàn) [1]天線的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢， [2] G. A. Deschamps ， Microstrip microwave antennas， USAF Antennas， 1953. [3] J. F. Zurcher， The SSFIP: A global concept for high performance broadband Planar antennas， Electronics Letters ， ， pp. 14331435， November 1988. [4]陳雅娟 龍?jiān)屏粒⌒蛯拵炀€的研究進(jìn)展，系統(tǒng)工程與電子技術(shù) ，. [5]鐘順時(shí)，微帶天線理論與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社， 1991 [6]LIU XueGuan， GUO HuiPing. Microstrip Technology antennas[M]. Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University (劉學(xué)觀 ， 郭輝萍 .微波技術(shù)與天線 ， 西安 :電子科技大學(xué)出版社 ) 2020. [7]張鈞，劉克誠等，微帶天線理論與工程，國防工業(yè)出版社， 1988. [8]Wat。本論文所做的工作只是一些初步的探索和嘗試，未來的工作會(huì)更加艱巨也將更有實(shí)際意義。 二十一世紀(jì)是個(gè)人通信的時(shí)代，無線通信在其中占有很大的比例，小型化微 帶天線和寬頻帶微帶天線將有非常廣闊的應(yīng)用前景。如何設(shè)計(jì)出同時(shí)具有小型化、多頻帶以及寬頻帶的微帶天線是當(dāng)前微帶天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重點(diǎn)。但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線，相對帶寬較窄。但寬頻帶微帶天線在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用越來越廣泛，在條件允許下我相信能設(shè)計(jì)出更好的，更適合要求的天線。 展寬天線帶寬的主要前面已經(jīng)敘述過，在這里我用的是采用多層貼片的形式 ——做了一個(gè)雙層貼片微帶天線以展寬天線帶寬。其中最易受頻率變化影響 的是阻抗， 也就是說．線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。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。 若單單基于展寬頻帶這一點(diǎn)考慮， 可以在上 下兩層貼片中配以恰當(dāng)數(shù)量的電控短路元件，并可能使兩個(gè)頻段銜接起來，從而獲得復(fù)合雙頻微帶天線，使頻帶展寬。 另外，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要雙頻工作的天線。 這種天線綜合考慮了展寬頻帶和減小尺寸兩個(gè)方面的要求， 獲得了一種相對寬帶的小型圓極化微帶天線。 若介質(zhì)采用陶瓷材料， 可將天線尺寸減小三分之一以上， 若用二氧化氮?jiǎng)t能減小五分之一。 我們希望得到小型寬帶微帶天線，因此研究如何減小微帶天線的尺寸顯得相當(dāng)重要。 在實(shí)際應(yīng)用中， 往往是綜合使用以 上所述的展寬頻帶的方法。 在貼片或接地板上 “ 開窗”的辦法 在微帶貼片上的不同位置開不同形狀的“ 窗口” ， 等效為引入阻抗匹配元件。這種結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶，還可以實(shí)現(xiàn)多頻帶。 通過寄生耦合實(shí)現(xiàn)寬頻帶的方法很多，常見的有層疊天線單元提高帶寬，采用共面寄生單元展寬帶寬等。耦合諧振器一般由 2個(gè)或多個(gè)諧振器組 成，對他們進(jìn)行參差調(diào)諧以覆蓋感興趣的頻率范圍，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各種形狀的微帶天線。 圖 采用片狀電阻負(fù)載的寬帶貼片天線的幾何結(jié)構(gòu) 多模技術(shù) 使用多模諧振是設(shè)計(jì)寬帶微帶天線的一項(xiàng)非常成功的技術(shù)。據(jù)估計(jì)，天線增益因電阻性負(fù)載的使用而減少了 2dB左右。圖 片狀負(fù)載電阻的加載天線幾何結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于加載微帶天線引入歐姆損耗，天線的效率和增益相對于常規(guī)微帶天線有所降低。 一般來說，加載電阻微帶天線是由加載短路稍釘?shù)奈炀€演化而來的。 實(shí)踐證明， 通過加載片狀電阻、 在貼片上開 L形槽以 及在接地板上開槽等都可以實(shí)現(xiàn)天線的帶寬展寬，這在文獻(xiàn)中都有詳細(xì)的論述以及設(shè)計(jì)實(shí)例。 這兩種方法因?yàn)槠渥冏杩固匦远a(chǎn)生了大的頻帶展寬。 該天線和過渡帶不使用任何介電材料， 貼片通過一根金屬或者非金屬桿支撐于其中心處。 串聯(lián)諧振回路在諧振頻率附近的電抗趨于抵消， 使之避免了偏離諧振時(shí)電抗的迅速變化因而展寬了頻帶。 為了使這個(gè)阻抗與饋線 ( 如 50 ? 的饋線 ) 在最大的頻帶范圍內(nèi)相匹配， 需要進(jìn) 行網(wǎng)絡(luò)綜合， 采用計(jì)算機(jī)輔助方法實(shí)施最優(yōu)設(shè)計(jì)。 在 背饋的 情 況 下， 應(yīng) 考 慮 饋電 探 針的 電 抗 效 應(yīng)。 例如 Pues 和 Vande Csp elle 利用無源匹配網(wǎng)絡(luò)獲得了 1 0 % 1 2 % 的帶寬， 用類似的 技術(shù)也己 實(shí)現(xiàn)了 2 5 %以上的帶寬 ，這足以使單個(gè)輻射單元的帶寬覆蓋兩個(gè) G P S 頻段。 而匹配網(wǎng)絡(luò)中不連續(xù)點(diǎn)的輻射會(huì)使天線的交叉極化特性變差。 由于線極化微帶天線的工作帶寬主要受到其阻抗帶寬的限制， 因此采用饋線匹配技術(shù)就能使天線工作在較寬的頻帶改變阻抗的一種最常見最直接的方法就是在微帶天線的饋電部分使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)， 如使用調(diào)諧短線和 1 / 4 波長的變換器等。 改變貼 片結(jié)構(gòu)還包括采用多貼片、電磁藕合饋電、在貼片或接地板上開槽、在電路中采用非線性調(diào)制元件等方法，這些都可以達(dá)到展寬頻帶的目的。 這些貼片包括環(huán)孔、 長方形、正方形、正方形環(huán)等。 通過改變貼片的形狀同樣可以達(dá)到頻帶展寬的目的。由于兩輻射端口處基板厚度不同，使兩個(gè)諧振器經(jīng)階梯電容禍合產(chǎn)生雙回路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致帶寬展寬。 最后， 選用非線性的介質(zhì)基片材料，如利用鐵氧體材料的電磁特性和非線性的色散特性可達(dá)到展寬頻帶的目的。 其次， 選用 r? 較小 或 者 taneff?較 大的 基板。 而基片過厚會(huì)導(dǎo)致基片厚度與波長之比 過大，引起表面波激勵(lì)， 同時(shí)基片厚度增加， 重量隨之增加，所占的空間也加大。從物理意義上講， 增大基片厚度使頻帶加寬的原因是由于 厚 度增加， 輻射電 導(dǎo)也隨 之增大， 從而 輻 射所對應(yīng)的 Q ， 及總的 Q ， 值下降。 這意味著， 在諧振時(shí)實(shí)現(xiàn)匹配，而當(dāng)頻率偏離諧振時(shí)，電抗分量急劇變動(dòng)使之失配。 常用的方法包括選擇合適的基片、 合適的貼片形狀、 合適的饋電技術(shù)、多模技術(shù)、阻抗匹配以及加載、 楔形或階梯形基片、 非線性基片材料、 非線性調(diào)整元件、 多層結(jié)構(gòu)、在貼片第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 27 或接地板 “ 開窗”等等。 這是由于微帶貼片天線是一種諧振式天線，它的諧振特性可等效為一個(gè)高 Q并聯(lián)諧振電路。 其中最易受頻率變化影響的是阻抗， 也就是說， 線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。 圖 7 微帶天線內(nèi)場 3. 2 微帶天線寬頻帶技術(shù) 概述 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。左右 . 由于仿真過程中天線的地表面與背景的吸收界面重合 ， 多次仿真結(jié)果表明 天線無旁瓣存在。 )具有良好的全向性 ； H面（ ? = 90176。 微帶天線的小型化設(shè)計(jì)與分析 1 .天線設(shè)計(jì) 基本思想 微帶天線是諧振式天線 ， 微帶貼片的長度大約為介質(zhì)波長的 1 /2. 如果用 f表示天線輻射的中心頻率 ， L 表示微帶貼片的長度 ， 則諧振頻率 2( ) ecf Ll ?? ?? （ 1 ） 式 (1)中 e? 為等效介電常數(shù) ， △ l為考慮邊緣效應(yīng)的校正長度 . 用 w 表示微帶的寬度 ， h表示微帶的厚度 ， 哈默斯塔德給出△ l的經(jīng)驗(yàn)公式為 小型機(jī)載天線的研究 22 0 .3 0 .2 4 60 .4 2 10 .2 5 8 0 .8eewhlh wh???????? （ 2 ） 如果假定輻射頻率為 ， 基片的介電常數(shù)為 ， 可以估算出 微帶的長度為. 如果地板大小取微帶大小的 ， 可以估算出在頻率為 微帶天線地板的長度大概為 . 可以設(shè)想把圖 1所示的微帶天線進(jìn)行折疊 (如圖 1所示 ) ， 微帶天線的面積將減少到原來的 1 / ， 由于微帶天線常采用正方形結(jié)構(gòu) ， 因此天線面積減小遠(yuǎn)不止 1 /2. 折疊后天線的輻射性能是我們關(guān)心的主要問題 ， 按照上述思想我們設(shè)計(jì)了折疊式微帶天線并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 . 圖 1 折疊微帶天線示意圖 天線結(jié)構(gòu)如圖 2所示 . 與通常寄生貼片天線不同 ， 上 表面 ( surface)與下表面( Ground)通過側(cè)面 (Joint)連為一體 ， 三個(gè)面形成一種半封閉結(jié)構(gòu) . 天線為三層印刷板 ，板材選用 Rogers TMM4作為介質(zhì)基片 ， 相對介電常數(shù) r? 為 4. 5. 上下表面均為正方形的敷銅面 ， 中間為微帶天線貼片 (patch). 同軸饋電 ， 饋電探針與中間層相連 . 本設(shè)計(jì)中 ， 上下兩層基片介質(zhì)相同 ， 厚度也相同 1h = 2h = 2mm， 總厚度 4mm. 當(dāng)然也可以選用厚度不同、材料不同的基片 . 中間貼片 (patch)為正方形結(jié)構(gòu) ， 尺度為 28mm 28mm， 地板的尺度為 32mm 32mm， 上表面的大小與地板相同 . 同軸線的外徑為 2. 3mm， 探針半徑為 1mm， 特征阻抗為 50Ω . 饋電點(diǎn)與貼片中心點(diǎn)的距離為 y = 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 23 圖 2 折疊式微帶天線幾何結(jié)構(gòu) 2 . 天線仿真 Ansoft HFSS是 Ansoft公司開發(fā)的基于有限元的電磁仿真軟件 ， 在微波電路設(shè)計(jì)中有著非常廣泛的應(yīng)用 . 下面各圖給出了仿真結(jié)果 . 必須指出 ， 仿真設(shè)置為天線的地平面與吸收界面相重合 ， 如果不做如此設(shè)置 ， 則天線為雙向輻射 ， 仿真增益會(huì)有所下降 . 圖 3為天線的回波損耗 . 在發(fā)射中心頻率點(diǎn) f =， 天線的回波損耗達(dá) 28. 52dB. 圖 4為天線的駐波比隨微波頻率的變化 ， 中心頻率駐波比為 ， VSWR ≤ 2 的頻帶寬度為 8MHz， 相對帶寬 %. 顯然 ， 天線頻帶較窄 ， Q值較高 ， 不太適合對 頻帶要求較寬的場合 . 如何降低天線的 Q值、拓寬頻帶 ， 尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。近年來由于無線通信的需求 ， 有大量方案提出 ， 如蝶形 (bow2tie) (如圖 5所示 ) 、倒 F 型( PIFA ， planar inverted2F antenna)(如圖 6 所示 ) 、 L 形、 E 形、 Y 形、雙 C 形、層疊短路貼片 (stacked shorted patch) 等等 圖 5 雙頻帶蝶型微帶天線 圖 6 電容加載的倒 F 型微帶天線（ PIFA） 除以上小型化技術(shù)外 ， 還有一些方法提出。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。(4) 易實(shí)施天線方向圖 ， 包括主波方向、寬度、前后輻射比等的電控。 (2) 增益高 (可達(dá) 10dB 以上 ) ， 方向性好。有 源天線具有以下良好特性 : (1) 工作頻帶寬。 4． 附加有源網(wǎng)絡(luò) 縮小無源天線的尺寸 ， 會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小 ， 效率降低。 小型機(jī)載天線的研究 20 圖 3 表面開槽的小型化微帶天線 圖 4 小型口徑耦合圓極化微帶 這類天線結(jié)構(gòu)簡單 ， 成本低廉 ， 加工方便 ， 其特點(diǎn)是 :隨槽的長度增加 ， 天線諧振頻率降低 ， 天線尺寸減小 ， 但尺寸的過分縮減會(huì)引起性能的急劇劣化 ， 其中帶寬 (一般約為 1 %) 與增益尤為明顯 ， 而方向性影響不大。的極化簡并模 ， 還可形成圓極化輻射 ， 以及實(shí)現(xiàn)雙頻工作。由于槽很窄 ， 它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。高溫超導(dǎo)材料 HTS ( high temperature superconductor)基片以及“光電子帶陣” PGB (photonic band2gap) 基片有極低的表面電阻 ， 能有效抑制表面波 ， 減小表面損耗 ， 解除了用較厚基片的限制 ， 兼奏提高天線增益 ， 減弱陣元間互耦之效。 圖 2 采用高ε r 的多層介質(zhì)微帶天線 采用鐵氧體材料制成的微帶天線實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí) ， 且在較寬頻帶范圍內(nèi)頻率可調(diào) (可達(dá) 40 %) ， 但鐵氧體在微波頻段損耗很大。 (b) 帶寬窄。 2． 采用特殊材料基片 從天線諧振頻率關(guān)系式可以知道 ， 諧振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比 ， 因此采用高介電常數(shù) (如陶瓷材料 ) 或高磁導(dǎo)率 (如磁性材料 ) 的基片可降低諧振