【正文】 北京：電子工業(yè)出版社， 2020:268～ 295. [12] 倪國旗，梁軍，余白平，張濤；一種寬頻段高增益 16單元微帶天線陣設(shè)計(jì) [J]；電訊技術(shù)； 2020,53(6). 28 [13] 張明民，鄢澤洪；圓極化微帶陣列天線的設(shè)計(jì) [J]；電子科技； 2020，23(9). 。Gupta, and gain enhancement in microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[J].Engineering and Systems(SCES),2020:1～ 6. [8] Sabban, band microstrip antenna arrays with high efficiency[J].Antennas and Propagation Society International Symposium1,999,4:2740～ 2743. [9] Jagadish,M.。驗(yàn)證了相關(guān)理論的正確性。 通過對陣元天線和陣列天線的仿真結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的 4元微帶陣列天線增益系數(shù)比單個陣元曾大了 ，同時陣列天線的方向圖比單個陣元的方向圖指向性更好，說明陣列天線的方向性要強(qiáng)于單個天線陣元。 3. 利用 HFSS 軟件對構(gòu)建的模型進(jìn)行仿真并對模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到性能更加具有理論分析價值的天線。 2. 根據(jù)相關(guān)理論和公式，通過分析和計(jì)算 得到設(shè)計(jì)天線所需要的參數(shù)。于是通過學(xué)習(xí)和了解天線和陣列天線的相關(guān)理論，分別設(shè)計(jì)出了工作中心頻率在 10GHz 的單個天線和 4 元均勻直線陣列天線，通過 HFSS 仿真軟件對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后分別對陣元天線和陣列天線進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果得到的相關(guān)性能參數(shù)和圖示進(jìn)行對比，驗(yàn)證微帶陣列天線能提高天線增益和方向性的結(jié)論。同時微帶天線存在增益小、方向圖不明顯等缺陷制約了其理論研究和實(shí)際應(yīng)用。通過仿真結(jié)果可以看出，天線的方向圖明顯，增益高，回波損耗參數(shù)滿足實(shí)際工程需求，阻抗匹配效果良好，因此微帶陣列天線總體性能比較好，有很好的理論參考價值。說明該設(shè)計(jì)的微帶陣列天線性能優(yōu)良。從 的史密斯圓圖上可以看出在中心頻率 10GHz 上天線的阻抗匹配系數(shù)為。 24 圖 微帶陣列天線的 S11參數(shù)分析圖 （ 3） 微帶陣列天線的輸入阻抗及阻抗匹配 天線的輸入阻抗分析圖和史密斯圓圖分別如圖 和 所示。由圖中可以看出 陣列天線的回波損耗較之前單個陣元的損耗要偏大，這是因?yàn)殛嚵刑炀€中陣元之間存在耦合效應(yīng)，使得天線的回波損耗比較大。理論研究表明，陣列天線的陣元數(shù)越多，天線的方向性更好，增益系數(shù)也越大，所以陣列天線的性能較單個天線更好。但是綜合陣列天線的三維立體方向圖我們可以看出，陣列天線的方向性與單個陣元相比還是有很大的提高。因?yàn)殛囋帕性?XOY 平面與 Y 軸平行的一條直線上，陣元在 YOZ 平面沿輻射電場同相疊加，由于陣元之間存在波程差，使得陣元在各個方向的疊加效果不一樣，因此產(chǎn)生較多的旁瓣；而在沿 Z 軸方向陣元的最大輻射電場相互疊加，得到陣列天線的最大輻射方向，因此主瓣突出。 圖 微帶陣列天線的三維立體方向圖 23 圖 微帶天線的平面方向圖 圖 的是 為 天線在 XOZ 平面和 YOZ 平面的輻射方向圖，在圖上 可以看出，在 XOY 平面天線沒有明顯的方向性，主瓣寬度比較大，基本無旁瓣；而在 YOZ 平面，天線的方向性明顯，主瓣突出而且比較窄，旁瓣電平多。從圖中我們可以看出，所設(shè)計(jì)的陣列天線的輻射場主要集中在垂直天線平面方向，即圖中所示的 Z 軸方向，與單個陣元的方向圖相比，陣列天線的輻射方向圖更有指向性，場強(qiáng)主要集中在 Z軸方向。 圖 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型 22 設(shè)計(jì)好饋電網(wǎng)絡(luò)之后，把陣元設(shè)計(jì)進(jìn)去，構(gòu)建微帶陣列天線模型，用 HFSS進(jìn)行仿真。橫著的微帶線長分別為一倍間距和兩倍間距，即 和 45mm。也就是每一段的長和寬。通過前面對阻抗匹配的介紹，我們知道阻抗匹配需滿足的條件是： ZZZ L01 ? 。 設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)主要是考慮天線輸入電阻的阻抗匹配。需要說明由于是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以此饋電網(wǎng)絡(luò)只適用于陣元數(shù)為 2 的冪次數(shù)的陣列天線。此次設(shè)計(jì)選取天線的陣元間距為 倍工作波長： fcd ? （式 ） 計(jì)算得陣元間距為 。因此加大陣元間距有助于提高天線增益， 但是如果陣元間距過大可能會使得陣列天線的副瓣比較大，也會影響天線的效率，其次從天線的集成效果來看，較大的陣元間距會使得陣列天線的長度也會變得很大，當(dāng)陣元數(shù)目比較多時整個天線系統(tǒng)尺寸也就相當(dāng)大，應(yīng)用起來會不方便。 陣元間距的選取 根據(jù)相關(guān)理論研究，選擇合適的陣元間距可以提高天線的增益。連接陣元的方式是設(shè)計(jì)一個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)，選用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)的理由是并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以保證陣元的電流相位一致，且陣元數(shù)較少，容易設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)中，由于只是對陣列天線的性能和參數(shù)進(jìn)行定性的分析，我們?yōu)榱耸乖O(shè)計(jì)簡單，設(shè)計(jì)的是一個 4元均勻直線陣列天線，采用的是陣元同相激勵電流，所以是一個 4元的邊射陣，得到的最大輻射方向也是在垂直天線平面方向。 將單個陣元按照一定規(guī)律排列組成陣列天線，可以很好 地解決微帶天線方向性差、低增益的缺陷。 20 第四章 微帶陣列天線的設(shè)計(jì) 從前面的陣元仿真結(jié)果我們已經(jīng)知道，單個陣元天線使用起來方向性不強(qiáng)，增益低，往往達(dá)不到天線在實(shí)際應(yīng)用的強(qiáng)方向性、高增益的性能指標(biāo)。而且優(yōu)化尺寸后的天線的回波損耗參數(shù)大大降低，使天線的性能得到很好地提升，也使得天線的輸入阻抗得到很好地匹配，從而使天線的利用效率提高了。 18 圖 圖 陣元天線的史密斯圓圖 天線陣元的總結(jié)分析 由仿真結(jié)果得到的相關(guān)性能參數(shù)我們可以總結(jié)出，首先天線的尺寸參數(shù)影響著天線的諧振頻率和相關(guān)性能。說明天線與微帶饋線已經(jīng)達(dá)成了很好地阻抗匹配效果，這也對應(yīng)了前面天線的回波損耗分析的結(jié) 果。 （ 3） 陣元的輸入阻抗及阻抗匹配 仿真結(jié)果中天線的輸入阻抗特性曲線和史密斯圓圖如下圖所示，從圖中可以看出，在工作中心頻率 10GHz 對應(yīng)的縱坐標(biāo)為 58，說明天線的輸入阻抗為 58Ω ，與微帶線的特性阻抗 50Ω 已經(jīng)非常接近了。 但是方向性不明顯，這是由于微帶天線自身結(jié)構(gòu)特性決定的。 17 （ 2） 陣元的三維增益方向 圖 天線 的三維立體 方向圖 仿真結(jié)果如下圖所示： 圖 天線的三維增益方向圖 從得出的仿真結(jié)果圖中可以看出，天線的最大輻射方向 集中主要在 Z 方向一片 ， 即垂直于天線平面方向。故我們將修改輻射貼片長為 8mm。得到一組 S11 掃頻分析圖，如下圖所示。前面通過計(jì)算得到額輻射貼片的長為 。利用 HFSS 軟件的 Optimetrics模塊來得到改變輻射貼片長度 L后的各 S11 參數(shù)掃頻分析圖。相關(guān)理論研究發(fā)現(xiàn)，輻射貼片長度越短，則諧振頻率越高。 經(jīng)過相關(guān)理論分析，天線的諧振頻率跟輻射貼片的尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度決定。達(dá)不到設(shè)計(jì)所需的高性 能。 S11 的掃頻分析結(jié)果如下圖所示 ： 圖 S11 的掃頻結(jié)果分析 由上圖看出天線的諧振頻率在 9GHz 以前，即小于 9GHz，不在中心頻率 10GHz 上。待仿真完之后，對仿真結(jié)果進(jìn)行查看分析。下面以表格的形式將各參數(shù)列舉出來。 本次設(shè)計(jì)采用的 HFSS 版本。 14 （ 8） Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （ 7） 查看運(yùn)行結(jié)果。 （ 6） 求運(yùn)行求解分析。設(shè)計(jì)時饋電面的激勵方式 的選取 主要有兩種：波端口激勵（ Wave port）和集總端口激勵（ Lumped Port） ，這兩者的區(qū)別體現(xiàn)在， 一般與背景相接觸的饋電面使用波端口激勵方式，在模型內(nèi)部的饋電面使用集總端口激勵。 （ 4） 設(shè)置激勵方式。 （ 3） 設(shè)置邊界條件。根據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)尺寸參數(shù)和已確定的結(jié)構(gòu)，在HFSS 模型窗口設(shè)計(jì)出天線的參數(shù)化模型。選擇模式驅(qū)動（ Driven Modal）或者終端驅(qū)動 (Driven Terminal)求解類型。借助該軟件，能大大減少在天線設(shè)計(jì)時的誤差，提高所設(shè)計(jì)天線的性能，并幫助我們很好地對天線的性能進(jìn)行分析和理解。該軟件采用 的是基于數(shù)值分析的 有限元法， 能對設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn) 精確 計(jì)算，并對其設(shè)計(jì)模型的方向圖、內(nèi)外場分布等性能進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，同時還可以優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的相關(guān)參數(shù)，得到滿足設(shè)計(jì)需要的模型 。將在陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中用到相關(guān)理論。在設(shè)計(jì)單個微帶天線時，為充分發(fā)揮微帶天線的性 能，所以必須考慮阻抗匹配問題， 13 因此必須設(shè)計(jì)一個 1/4波長轉(zhuǎn)換器。 一般來說，微帶天線的邊緣阻抗為 100Ω～ 400Ω，要想與 50Ω的微帶饋線相匹配，則微帶天線與饋線之間需設(shè)計(jì)一個阻抗變換器，通常是一個長度 1/4 波長的阻抗轉(zhuǎn)換器。 饋電與阻抗匹配 前面已經(jīng)介紹微帶天線的饋電方式有好幾種，我們選擇的是最常用也是結(jié)構(gòu)最簡單的微帶線饋電的方式，饋電點(diǎn)位于貼片邊緣位置的偏心饋電方式。接下來就是設(shè)計(jì)貼片的長度了， 12 一般取貼片長度為 2?e ， ?e 為介質(zhì)體內(nèi)部的導(dǎo)波波長，為： ?? ee fc? （式 ） 式中的 ?e 是有效介電常數(shù)，由介電常數(shù) ?r 和介質(zhì)基片厚度與貼片的寬 w 的比值共同決定，其關(guān)系式為： 21)121(2 12 1 ?????? whrre ??? （式 ） 而實(shí)際中應(yīng)考慮貼片的邊緣縮短效應(yīng)，所以實(shí)際微帶貼片的長度應(yīng)為： LfcLe??? 22 ? （式 ） 式中 L? 表示的是等效輻射縫隙長度，由 ?e 和貼片寬 w與基片厚度 h的比值決定，關(guān)系式如下： ))(())(( ?? ???? hwhwhLee??