【正文】 （論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名： 日 期： 目錄 ii 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 涉密論文按學校規(guī)定處理?？焖侔l(fā)展的移動通信系統(tǒng)需要的是小型化、寬頻帶、多功能 (多頻段、多極化 )、 高性能的天線。本論文的主要工作就是提出這類天線的一些簡單設計方法。但是，在接下來的近 20 年里，對此只有一些零星的研究。隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。至此，微帶天線已形成為天 線領域中的一個專門分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世，至今已有近十本書。 小型機載天線的研究 2 國內(nèi)外研究微帶天線的寬頻帶技術 微帶天線的固有缺點就是阻抗頻帶窄，展寬頻帶是最困難也是最富有挑戰(zhàn)性的 技術 之一，隨著移動通信系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng) (GPS)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，寬頻帶微帶貼片天線的研究己成為了非常熱門的課題，同時寬帶微帶貼片天線將逐漸向著小型化， 簡單化同時具有多功能、多用途的方向發(fā)展。 。 圖 電磁耦合的雙層微帶天線 圖 附加調(diào)協(xié)枝節(jié)的微帶天線 C. U形縫隙結構的寬帶微帶貼片天線 結構圖如下： 第一章 緒論 3 圖 41 俯視圖 圖 42 側(cè)面圖 微帶天線小型化方法 隨著無線通信事 業(yè)的飛速發(fā)展，微帶天線的尺寸與其它通信器件相比尺寸越來越大，顯得越來越不相適應，因此要求進一步縮小微帶天線的尺寸，經(jīng)過許多學者的研究，發(fā)展了各種各樣的縮小微帶天線的新方法，本節(jié)簡單介紹如下。 [2325] 當在貼片表面開不同形式的槽或是細縫時，切斷了原來的表面電流途徑 ， 在天線等效電路中相當于引入了級聯(lián)電感。 本文主要內(nèi)容 本論文 主 要針對如何實現(xiàn)微帶天線寬頻帶、小型化展開了比較全面的分析研究，同時提出了幾種新型結構的微帶天線設計，全文共分為以下幾個方面 ： 小型機載天線的研究 4 第一 章為 緒論部分，主要是簡單的介紹了當前微帶天線的是寬頻帶、小型化研究狀況以及存在的問題，在此調(diào)研的基礎上提出了自己的研究方向。 第四章主要提出了一種新型寬頻帶。 第五章結束語，主要是對本論文的工作進行總結和展望，希望本論文的工作 對于以后相關研究能提供一點借鑒和啟示。它一般利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。其典型結構如圖 所示 （ a）微帶貼片天線 （ b）微帶振子天線 （ c）微帶行波天線 （ d）微帶縫隙天線 圖 微帶天線的典型結構 小型機載天線的研究 6 通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線的一類。 導體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環(huán)形薄片等；也可以是窄長條形的薄片振子 (偶極子 )。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變（如彎曲、直角彎頭等 )來形成輻射，稱之為微帶線型天線，如圖 13(c)所示，這種天線因為沿線傳輸行波，又稱為微帶行波天線。由各種微帶輻射單元可構成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天線，等等。 (7)天線的散射截面較小； (8)稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化 (左旋和右旋 )。 但是與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點： 第二章 微帶天線基本理論及分析方法 7 1) 頻帶窄； 2) 有導體和介質(zhì)損耗，并且會激勵表面波，導致 輻射效率降低； 3) 功率容量較小，適用于中、小功率場合； 4) 性能受基片材料影響大； 5) 饋線與輻射元之間的隔離差； 盡管如此，有一些方法可以用來減小某些缺點。 在許多實際設計中，微帶天線的優(yōu)點遠超過它的缺點。隨著微帶天線的繼續(xù)研究和發(fā)展以及日益增多的使用需求，可以預料，對于大多數(shù) 的應用，它將最終取代常規(guī)的天線。 相信隨著對微帶天線應用可能性認識的提高，以及各種電路系統(tǒng)對天線的小型化集成化要求的提高，微帶天線的優(yōu)點日益凸顯，其應用場合將會繼續(xù)增多。其中結構包括天線的輻射結構和饋電結構，而分析方法分為解析方法和數(shù)值方法兩大類。 微帶天線的結構 微帶天線的輻射結構 微帶天線根據(jù)結構的不同而大體上可以分為四類：微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶線型天線和微帶縫隙天線。 微帶貼片天線 微帶貼片天線的最基本的結構模型便是薄的介質(zhì)基片加其兩側(cè)的微帶貼片和地板，其典型結構如圖 13（ a）所示。 微帶貼片天線具有很多優(yōu)點：分析和設計簡單，可以實現(xiàn)各種極化形式，可以多頻段工作，制作方便，等等。 微帶振子天線 對于微帶貼片天線， 當貼片的寬度變窄時，其輸入阻抗隨之增加。而微帶振子天線則利用耦合饋線很好地解決了這一問題。微帶振子與其下方的微帶饋線有一部分相互交疊從而耦合能量，調(diào)整此交疊部分的面積從而改變饋線與微帶振子的耦合量便可以調(diào)整天線諧振時的輸入阻抗。此外，還可以將微帶振子彎折以構成微帶折 合振子從而減小天線的尺寸。對于更一般的情況，則可以采用矩量法得出關于微帶振子和地板上更準確的電流分布從而計算天線的輻射場。它們一般都端接匹配負載，沿線傳輸行波，故又被稱為微帶行波天線，其波瓣可以指向從端射到邊射的任一方向。與行波天線相對應的是微帶駐波天線，其終端一般為開路或短路，波瓣一般指向邊射方向。 （ a）三 角線 （ b）彎角線 圖 21 電磁耦合饋電的微帶振子天線 小型機載天線的研究 10 采用等效磁流法來進行近似分析。因此微帶行波天線也可以視為一個串聯(lián)饋電的陣列，其輻射單元便是各個不連續(xù)點或彎曲點。更嚴格的方法可以采用數(shù)值方法，如基于積分方程的矩量法等，由天線結構建立電流積分方程，解算出電流分布便可計算出輻射場。它是利用在微帶結構的地板上刻蝕的縫隙來輻射能量。與微帶貼片天線相比，其優(yōu)點是交叉極化電平低。微帶縫隙天線的分析可以由等效磁流利用矢位法來計算輻射場，進而得到其它的天線電參數(shù)。圖（ a）為附加了地板的微帶縫隙天線 ，消除了背向輻射，采用帶狀線就可以方便地實現(xiàn)饋電。圖（ c）為微帶線饋電的微帶縫隙天線，其終端的開路枝節(jié)用于改善天線的匹配。圖（ e）可視為共軸排列的微帶縫隙天線，利用共面波導線來饋電。 第二章 微帶天線基本理論及分析方法 11 圖 23 微帶縫隙天線結構圖 微帶天線的饋電結構 微帶天線的饋電會影響 到其輸入阻抗進而影響天線的其它性能，因而它對微帶天線的設計至關重要。其中直接饋電包括同軸探針饋電和微帶線饋電，這兩種方法因為設計簡單而在實際微帶天線的設計中使用最多。下面我們就分別對這幾種饋電形式的結構和特點進行介紹，并在圖 24 分別給出了各種饋電形式的結構圖。其優(yōu)點是同軸線可以根據(jù)天線輸入阻抗的匹配需求而放置在貼片下面的基片中的任何位置。此外，對于基片比較厚的貼片天線，探針長度的增加會使得探針的阻抗呈現(xiàn)比較大的感抗，從而給天線與饋線的匹配帶來困難；此外對于相對介電常數(shù)大的基片，厚度增加還可能導致表面波的激勵，從而降低了天線的輻射效率。 微帶線饋電利用集成電路制 造技術而將微帶饋線與貼片刻蝕在一起，因而結構簡第二章 微帶天線基本理論及分析方法 13 單，易于制作。隨著天線工作頻率的升高，當饋線尺寸變得可以與貼片尺寸相比擬時，饋線的干擾輻射將進一步加劇，由此會導致性能的惡化。對于同軸饋電的情形，探針長度的增加會使得輸入阻抗呈現(xiàn)出更大的感性，這將給天線的匹配帶來問題。下面介紹的這幾種間接饋電方法可以解決這些問題。這種饋電結構消除了饋電網(wǎng)絡的干擾輻射，又因天線介質(zhì)基片的總體厚度的增加而展寬了天線的帶寬。其主要缺點是天線的性能對貼片和饋線的位置敏感。電磁場通過在地板上切割的電長度較小的孔徑或槽 從微帶饋線耦合到輻射貼片上。耦合孔徑的形狀、尺寸和位置決定了電磁場由饋線到貼片的耦合度。對于諧振尺寸的槽型耦合孔徑，它可以為天線提供另外一個諧振頻率從而有效展寬了天線的頻帶，但是這要以增加天線的背向輻射為代價。這種饋電形式對于饋線和貼片位置誤差的敏感度相對比較低，而且天線的帶寬比較寬。 共面波導線饋電的形式如圖 24（ e）所示。這種饋電方法的主要缺點是相當長的槽會產(chǎn)生比較強的輻射，從而導致天線的前后輻射比很差。 微帶天線的分析方法 微帶天線的分析方法有很多，但是大體上可以分為解析方法和數(shù)值方法兩大類。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計算輻射場，包括矩量法（ method of moments）、有限元法（ finiteelement method）和時域有限差分法（ finitedifference in time domain）等。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據(jù)微帶天 線的實際特征做某些方面的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種簡單有效的處理手段。 傳輸線模型很簡單，并且有助于理解微帶天線的基本特性，因此首先介紹這種模型方法。天線的輻射主要源自兩個開路終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距貼片長度的縫隙， 其上分布有面磁流。 盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結構類型不能使用它來分析，這是因為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。因為腔體模型基于一維電小的基本假設（即介質(zhì)基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。天線的遠場輻射及其它電參數(shù)可以通過空腔四周的等效磁流來得到。通過二維格林函數(shù)可以計算出該網(wǎng)絡的多端阻抗矩陣，再添加一個等效的邊緣導納網(wǎng)絡，便可以將邊緣場和輻射場聯(lián)系起來，然后利用分割方法計算出全局阻抗矩陣，由貼片四周的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效磁流計算出輻射場。 數(shù)值方 法 雖然以上介紹的解析方法具有簡潔性和較為明確的物理意義，但是它們不能用來分析任意形狀的微帶天線，同時微帶天線工程精確度的提高也對以上簡化模型分析方法提出了考驗。由此也產(chǎn)生了多種數(shù)值方法，它們各具有一些優(yōu)缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。矩量法因為考慮了貼片周圍的物理邊界的邊緣場而具有較高的精度。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模擬任意形狀的優(yōu)點，但是其求解精度要受 求解區(qū)域剖分精細程度的影響。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界條件，便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通過離散傅里葉變換還可以得到三維空間的頻域解。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時間步長 和空間步長的限制。天線作為實現(xiàn)無線電應用的關鍵設備 ， 順應通信、廣播、雷達、制導等無線電應用系統(tǒng)在不同階段的需要而不斷發(fā)展。然而微電子技術與大規(guī)模集成電路迅猛發(fā)展 ， 使天線成為電子設備中龐大、笨重部件的問題日漸突出 ，因而對能與設備大小協(xié)調(diào)且具有有效電性能的小天線的需求愈加迫切。而若采用微帶天線 ， 則擁有以下頗具特色的優(yōu)點 : (1) 便于與機身共形 ， 集成到設備的印制電路板或外殼上 ， 制成內(nèi)置式 ， 不易損壞 ， 不額外增加 設備尺寸 ； (2) 可采用高水平的屏蔽技術來屏蔽天線 ， 使天線幾乎不受人體的影響 ， 同時大大削減天線輻射對人體的危害 ； (3) 饋電方方式多樣化 ， 易獲得阻抗匹配 ， 不需匹配電路或平衡轉(zhuǎn)換器 ， 不存在天線與射頻電路之間的物理限制 ； (4) 易設計出移動電話使用的雙頻或多頻天線。然而遺憾的是 ， 在較低頻段 (VHF/ UHF) ， 傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然太大。 與普通微波天線相比 ， 微帶天線實現(xiàn)了一維小型化 ， 具有低輪廓、可共形、易集成 ， 以及便于獲得圓極化 ， 實現(xiàn)雙頻段、雙極化工作等多項優(yōu)點。小天線的 Q 值極高 ， 因此輻射效率低、頻帶窄。 微帶天線小型化方法 目前 ， 微帶天線小型化方法主要有以下幾種 : 1． 天線加載 在微帶天線上加載短路探針 (shorting post) ， 通 過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現(xiàn)小型化 ， 典型結構如圖 1 所示。其缺點是 : (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ ， 往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ ， 這給制造公差提出了苛刻要求。 (3) H 面 的交叉極化電平相對較高。隨加載 電阻增大 ， 天線品