【正文】 （式 ） 由于 f=10GHz， ?r =， h=，根據(jù)以上公式求得 w=， ?e =，L? =， L=。綜合以上考慮，本文選擇了聚四氟乙烯材料 Arlon AD270，其介電常數(shù) ?r =,損耗正切值為 ，選擇基片厚度 h 為 。研究發(fā)現(xiàn)，較厚的介質(zhì)基片可以增加輻 射 功率，降低導體損耗和提高阻抗帶寬，但是也會增加介質(zhì)損耗、表面波損耗和來自微帶線的輻射干擾，同時也增加了重量。為了得到很好地天線性能，我們需要通過分析和計算來確定微帶天線陣元中的相關參數(shù)。 陣元設計 我們選取的是最為常見的矩形微帶貼片，采用微帶線饋電的方式的偏心饋電，將微帶饋線與導體貼片的左邊緣相連。在設計陣元過程中需要選取貼片和介質(zhì)基片材料、計算相關 尺寸、選擇饋電方式，然后通過仿真優(yōu)化參數(shù)，最終確定參數(shù)進行仿真，得出結果進行分析。 11 第三章 微帶陣列天線設計 此次設計的目標是設計一個工作中心頻率為 10GHz 的 1 4 均勻直線陣。在失配情況下，由于此時傳輸線上存在反射波，使得傳輸線輸送的功率的過程中發(fā)生損耗使得能量不能全部被負載吸收，因此會降低天線的效率。 換言之就是反映天線在工作時輸入端經(jīng)過傳輸線到達輸出端消耗了多少功率，表示的是傳輸線的損耗。因此， 在設計天線時應盡可能使 S11 參數(shù)比較低 ， 從而保證 天線 在工作時盡可能地把能量發(fā)射出去，使天線有 比較高 的效率，這是保障天線性能的一種方式。用對數(shù)表示時單位是 dB。因此，天線的方向圖也是衡量天線性能的一個重要指標。輻射方向圖主要包括主瓣寬度、旁瓣電平和前后比等。 （ 2）天線的方向圖 天線方向圖又叫輻射方向圖和遠場方向圖。所以天線增益是一個衡量天線性能的重要參數(shù)，增益越大，代表天線在特定方向上的輻射效果好。 天線的性能參數(shù)分析 （ 1） 增益系數(shù) 天線的增益系數(shù)是指在相同的 輸入功率下，在某一距離和角度天線在最大輻射方向上某處輻射功率密度與無方向性天線在同一處輻射功率密度之比，也可以用天線的方向系數(shù)和其效率的乘積來表示。當使得 kd??? 時，此時兩相鄰陣元產(chǎn)生的輻射場在α =0方向上引起的相位差為 kd，即與陣元自身的電流相位 kd??? 相互抵消，這樣就使得所有陣元在 ??? 方向上產(chǎn)生的輻射場 同 相疊加達到最大值。故構成了邊射式均勻直線陣。即β =： ???? c o sc o s kdkd ??? （式 ） 9 由上式可知，當 2?? ?? 時， 0?? ，陣元在該方向上產(chǎn)生場的同相疊加。 邊射陣得到的輻射電場的最大值方向在垂直于天線平面的方向，即各陣元的輻射場在垂直天線 平面方向同相疊加。 于是需要考慮的是 陣因子 與 因子 關系式 ??? dd 2? 和相鄰元之間相位差ξ 如何建立聯(lián)系 ， 由原理圖分析得到陣列 在 H 面（ xoy）內(nèi)的歸一化陣因子 關系式為 ： （式 ） 式中 （式 ） 上式為一幾何級數(shù)的多項式，可以得到其和為： （式 ） 這樣上式就構成了均勻直線陣列天線的歸一化因子表達式。上圖表示的就是一個 N 陣元均勻直線陣，圖中 0—N1表示Ｎ個陣元，延ｘ軸排成一條直線。本文采用的是 4 陣元的均勻直線陣，所以將重 點說明均勻直線陣的原理分析。 需要指出，為了減少計算機的計算量，并且使得出的結果更加精確，在設計時應使得輻射邊界不能過大，在滿足所需要的輻射區(qū)域的基礎上盡量減小輻射邊界尺寸。比如設計用到的 HFSS 仿真軟件采用的是三角形的單元網(wǎng)格劃分時，基函數(shù)為一次多項式。相關研究已經(jīng)證明，采用正三角形或正四面體劃分網(wǎng)格時，得到的求解結果最為精確。劃分單元網(wǎng)格時，根據(jù)求解需要可以將其劃分為矩形、三角形等平面形狀。此次設計用到的 HFSS 軟件所采用的就是上述數(shù)值分析方法中的一種：有限元法，因此下面對該方法進行解釋說明。在數(shù)值分析過程中積分方程的求解和計算相當復雜，一般需要借助 相關的計算機工具來完成，現(xiàn)在用來計算求解這些場分布特性的計算機輔助軟件有多種，使用這些軟件大大提高了分析的效率和精確度。由給所設計天線給出的邊界條件列出場源特性分布的積分方程，再解方程得到源分布特性，再由一系列的積分方程的解來確定總場。比如：傳輸線法只能用于矩形微帶天線和微帶陣子天線，對其他形狀和形式的天線不適用，而且由于傳輸線法是一維上的分析模型，所 以在考慮饋電點沿傳輸線寬度變化時的輸出阻抗時不準確（分析時改變饋電點位置輸出阻抗不變，但是在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，饋電輸出阻抗與饋電點在微帶貼片便于的位置有關）。 傳輸線模型理論分析方法計算量少，方法簡單，可以直觀地由其物理模型進行理解。 2）傳輸線的兩個開口端等效為兩個輻射縫，縫口徑場即為傳輸線開口端場強。傳輸線法分析時需要基于以下幾兩個假設： 1）微帶貼片跟介質(zhì)基片 的接地層構成微帶傳輸線，在介質(zhì)基片的中間傳輸 TEM 波，且波傳輸方向由饋電點的位置。 （ 1） 傳輸線法 傳輸線法是一種簡單又比較常用的分析方法。目前對天線 的分析方法有：傳輸線法、腔模理論、多端口網(wǎng)絡模型、數(shù)值分析法等，選擇合適的分析方法可以對天線的一些性能參數(shù)進行預先的估算處理，從而方便天線的設計的效率。但是在獲得阻抗匹配時對饋電點位置的確定比較復雜，且制作加工起來比較復雜。由于天線的輸入阻抗與饋電點位置有關，所以選擇合適的饋電點位置達到阻抗匹配的最佳效果。 示意圖如下： 圖 微帶線饋電 同軸線饋電 同軸線饋電的示意圖如下： 圖 同軸線饋電 6 同軸線饋電方式又稱為背饋，它是將 同軸插座 安裝 在 介質(zhì)基片的接地板上 ，同軸線內(nèi)的導體穿過介質(zhì)基片的中間層連接到輻射貼片上。 由于饋線與微帶貼片之間的耦合效 應 ，使 得天線 諧振頻率 與工作的中心頻率之間有 一個小的 移位 ， 可以通過 稍加改變貼片尺寸， 借助計算機軟件找到最合適的尺寸使得天線 諧振頻率 回到中心頻率上 。 為達到最佳匹配效果通常會采用兩種或者三種方式來進行阻抗匹配。 微帶線饋電需要考慮 天線輸入阻抗與特性阻抗的匹配 。 微 帶線饋電的缺點是 饋線 自身也有 輻射 會干擾天線方向圖， 產(chǎn)生旁瓣電平，而且在一定程度上 降低 天線 增益 ，使得天線性能降低。所采用的是利用微帶線與輻射貼片相連作為傳輸線進行饋電的。 微帶天線的饋電 5 微帶天線有多種饋電方式，如微帶線饋電、耦合饋電、同軸線饋電和縫隙饋電，其中微帶線饋電和同軸線饋電是最常用的兩種饋電方式。因此垂直于接地板平面方向的輻射場是最強的。由于微帶天線的輻射基本上是由貼片邊沿的邊緣場引起的，那么就可以將輻射電場分解為垂直于接地板平面和平行于接地板平面的兩個分量。設輻射貼 片的寬為 w，長為半波長λ /2，介質(zhì)基片的厚度為 h，這樣，輻射貼片和介質(zhì)基片和接地板可以被看作一段長為半波長的低阻抗微帶傳輸線。 微帶天線的輻射機理 微帶天線的輻射機理可以用微帶天線的最普遍一種形式：以微帶貼片天線為例來進行解釋說明。由于微帶天線的輻射是場是由貼片和基片的接地板之間的縫隙產(chǎn)生的，因此從理論上說微帶天線也常常被視作一種縫隙天線。 第五章是對此次設計的總結，包括設計結論以及對所做工作內(nèi)容的簡述。 第三章主要介紹了此次微帶陣列天線陣元的設計，包括選取材料，確定饋電方式，計算參數(shù)這幾個 前期準備 步驟 ；然后 介紹了此次仿真設計采用的軟件 HFSS并對所設計的陣元的相關參數(shù)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的陣元進行仿真， 得出結果并進行分析。 在本文內(nèi)容安 排上，第一章作為緒論首先簡單概述了微帶天線的發(fā)展歷程、性能優(yōu)缺點以及微帶天線在實際中的應用領域；然后簡單介紹了微帶陣列天線的定義、分類和特點；最后提到了此次設計用到的 HFSS 仿真軟件和所做的主要工 3 作。 設計目標和內(nèi)容安排 本文在學習天線的相關理論基礎上，研究和設計了一個工作的中心頻率在10GHz 的 1 4 均勻直線微帶陣列天線。 在本文的天線設計中，主要運用了 HFSS 軟件對天線進行建模和對相關參數(shù)進行優(yōu)化，并仿真得到天線的性能參數(shù)和結果。 由于單個微帶天線的增益通常都比較低，而且波束比較寬，方向性差，所以單個使用的效果不好。 按照天線陣的 在使用 功能 上的區(qū)別，可以將天線陣 劃分為同相水平天線、頻率掃描天線、相控陣天線、多波束天線、信號處理天線、自適應天線等。端射陣列天線是指最大輻射方向指向 與陣元排列平面平行方向 的天線陣。 按 最大 輻射 方向 圖形指向可分為側射陣列天線、端射陣列天線、和非側射非端射陣列天線。若干個線陣按照一定間隔排列在某個平面上，就構成了平面陣。 線陣是最常用的一種排列方式，它是指各陣元單元的中心依次等距排列在一條直線上的直線陣，也叫均勻直線陣。選擇合理的設計方案，可以得到滿足設計需 2 要的天線性能。相較于單個微帶天線，微帶天線陣具有強方向性、高增益、方向圖易控制等優(yōu)點。因此，在克服和改善這些缺點的基礎上，充分發(fā)揮其優(yōu)點 ，使其能很好地 應用在實際中，是微帶天線的主要研究方向。 正是由于具有上述優(yōu)點， 使得 微帶天線的應用層面非常廣泛，例如：雷達精確識別與探測、地質(zhì)地礦勘測、無線通信、 衛(wèi)星通信、便攜式移動設備通信、軍事電子干擾對抗等諸多軍用和民用領域?，F(xiàn)如今微帶 天線已成為 科學家們爭相研究的熱門領域 ， 并較之前的研究取得了相當多的成果，理論及應用都有了長足發(fā)展。 最終芒森（ ）和豪威爾（ ）等研究人員 在 1972 年 研制出了第一批 真正意義上用于實際的微帶天線， 微帶天線的諸多優(yōu)點也被人們所認知。微帶天線真正發(fā)展、研究和應用 開始于 70 年代。 最早于 1953 年提出，當時德尚（ ）教授提出的利用微帶線的輻射來制成微波天線的 想法 。 關鍵詞 ：微帶天線 微帶陣列天線 方向性 增益 HFSS 仿真 Design of RadioFrequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easytocarrier conformal, easy integration