【正文】 ......................... 26 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 27 1 第一章 緒論 微帶天線 天線是無線通信系統(tǒng)中重要的組成部分之一，而天線的微型化、集成化是無線通信領(lǐng)域中一項關(guān)鍵技術(shù) ，也是現(xiàn)代科技對天線技術(shù)的不斷需求和走向，在此條件下人們提出了微帶天線的概念。但是由于缺乏更進(jìn)一步的理 論研究和當(dāng)時制造工藝水平的限制，微帶天線在那時并未引起工程界的重視，沒有取得實質(zhì)性的發(fā)展。由于微波集成技術(shù)發(fā)展需要，加上制造工藝技術(shù)（介質(zhì)基片的光刻 等 技術(shù)）發(fā)展，使得微帶天線的研究不斷深入 。在近三四十年對微帶天線的探究不斷發(fā)展， 許多科學(xué)家對微帶天線展開了廣泛的研究， 將其研究成果 應(yīng)用在許多方面。 相較于常用的微波天線，微帶天線 主要體現(xiàn)了如下 優(yōu)點： （ 1） 體積小、重量輕、成本低 ， 能夠與集成電路很好地兼容 ； （ 2） 微帶天線及其陣列天線剖面低，易于與載體共形； （ 3） 微帶天線具有平面結(jié)構(gòu) ，可以設(shè)計成需要的形式和形狀； （ 4） 便于獲得圓極化，實現(xiàn)雙頻段，雙極化等多功能工作 需要 ； （ 5） 能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件 ；易于大量生產(chǎn)等。同時，由于微帶天線的結(jié)構(gòu)特性，存在頻帶窄、增益低、功率容量小、方向性差等缺點。 微帶天線陣 將若干個相同的單個微帶天線按照一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，稱為微帶陣列天線。 在設(shè)計和研究陣列天線時，需要考慮 天線陣陣元的類型、數(shù)目、排列方式、陣元間距 、 陣元上激 勵電流的振幅和相位 以及連接陣元的饋電網(wǎng)絡(luò) 等 ，這些都決定著陣列天線的輻射特性。 天線陣按照不同的分類條件有多種，可以按照以下幾種類型分類： 按陣元單元排列形式可分為線陣和面陣。 也可以 各單元的中心 等間距地排列在一條曲線上 ，比如 均勻地排列在 圓周上 ，也是線陣 。 陣元排列方式也可以是三維平面，例如 各單元中心 排列在某個球面上，則構(gòu)成了球面陣。 側(cè)射 （也稱邊射） 天線陣是指最大輻射方向為與 陣元排列 面垂直的方向的天線陣。非端射非側(cè)射天線的最大輻射方向則指向 與上述兩方向不同的 其他方向。 由于天線陣的輻射電磁場是組成該陣列天線各 個陣元單元輻射電磁場的矢量和，且各陣元單元的位置、饋電電流振幅和相位等可以獨立調(diào)整，我們可以調(diào)整陣元的距離和相位，使其方向圖在同一個方向有最大輻射，那么陣元的矢量疊加使得天線陣具有單向輻射的功能。將若干微帶天線組成微帶陣列天線，可以很好解決這些缺點，從而應(yīng)用在對性能要求更高的實際中。借助該軟件，使我加深了對 天線理論知識的理解 ，也使我學(xué)會運用軟件去分析天線的各個性能指標(biāo)，從而對天線和天線陣的設(shè)計有了更深層次的理解 。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)相關(guān)理論計算、優(yōu)化、確定單個陣元的相關(guān)參數(shù)設(shè)計出單個陣元，然后再選取合適的饋電網(wǎng)絡(luò)將單個陣元組成天線陣，最后分別對單個陣元和整個天線陣用 HFSS 進(jìn)行仿真，運行得出結(jié)果，通過對比兩者結(jié)果和性能參數(shù)，分析兩者的性能差異，從而得出結(jié)論。 第二章主要介紹了微帶天線和微帶陣列天線的基本原理 、分析方法和設(shè)計中需要得出的相關(guān)特性參數(shù) 。 第 四 章 是對陣列天線的設(shè)計和仿真，包括陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 4 第二章 微帶天線和微帶陣列天線的基本原理 微帶天線的基本原理 圖 微帶天線的示意圖 微帶天線的示意圖如上圖所示，是在一塊在厚度遠(yuǎn)小于工作波長的介質(zhì)基片的一面敷上金屬輻射貼片、另一面敷上金屬 層作接地板而成，通過微帶線饋電或者同軸線饋電的方式，在輻射貼片與介質(zhì)基片的金屬接地層之間激勵起電磁場并向外輻射。微帶貼片可以是矩形，圓形或者圓環(huán)形等規(guī)則面積單元，成為微帶貼片天線。如圖 所示，微帶天線的輻射電場是由微帶貼片邊緣和介質(zhì)基片的接地層之間的邊緣場產(chǎn)生的。前面已知介質(zhì)基片厚度 h 遠(yuǎn)小于工作波長λ，故可假定輻射電場沿微帶結(jié)構(gòu)的寬度和介質(zhì)基片厚度的方向沒有變化，而是僅沿著長度為λ /2 的貼片長度方向變化。由于已知微帶貼片的長為λ /2，即半波長，故兩個垂直于接地板平面的分量反相，而他們在遠(yuǎn)區(qū)場在正面方向上相互抵消；兩平行于 接地板平面的分量則同相，故他們的合場強(qiáng)疊加增強(qiáng)。所以微帶天線可以看作相距λ /長度為 w、縫隙寬度為介質(zhì)基片厚度h 的縫隙天線。 微帶線饋電 微帶線饋電又稱側(cè)饋。由于微帶 饋線與微帶貼片是 處在同一平面 ， 制造時只需要將饋線和貼片一起 光刻， 操作簡單容易大量生產(chǎn) 。因在設(shè)計時要求 微帶線 線寬盡量窄且 遠(yuǎn)小于 工作 波長。常見方法有三種： 1）可以通過 選擇適當(dāng)?shù)酿侂婞c的位置來實現(xiàn) ； 2） 通過改變微帶貼片的寬度實現(xiàn)； 3）通過設(shè)計阻抗匹配器來實現(xiàn) 。研究發(fā)現(xiàn)饋線與貼片在貼片寬上的連接位置（即饋電點位置）變化 ， 則貼片的輸入阻抗隨之變化 。 根據(jù)饋電點的位置，可分為中心饋電（饋電點在貼片邊沿的中點）和偏心饋電（饋電點不在貼片邊沿中心）兩種。同軸線饋電也需要考慮阻抗匹配。相較于微帶線饋電，同軸線饋電由于饋電點位置可以在貼片上任何位置，且由于沒有微帶線從而避免了對天線輻射的影響。 微帶天線的分析方法 為了得到天線的一些特性參數(shù)，比如天線的增益、輸入阻抗、回波損耗和方向圖等，需要對天線周圍空間的電磁場進(jìn)行理論分析。下面將對此次設(shè)計用到的幾種分析方法進(jìn)行解釋說明。前面在說明微帶天線的輻射機(jī)理時我們已經(jīng)知道天線的輻射場主要由開路端處的邊緣場產(chǎn)生，且沿垂直天線平面的駐波變化，在此基礎(chǔ)上將微帶貼片天線作為一種輻射場在平行天線平面方向沒有變化的諧振器進(jìn)行分析。微帶天線的輻射場是向上的駐波分布，在垂直方向是常數(shù)。縫平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折轉(zhuǎn) 90 度，而開口場強(qiáng)也隨之折轉(zhuǎn)。但是也有其局限性。 與傳輸線法的基于假設(shè)條件不同，數(shù)值分析法是對工作波段中的具體數(shù)值進(jìn)行理論計算分析。需要說明的是，與傳輸線法的簡單模型分析相較，數(shù)值分析法是一種精確求解的分析方 7 法。數(shù)值分析法主要可以分為矩量法（ MOM）、時域差分法（ FDTD）和有限元法（ MEW）。 有限元法（ Finite Element Method）是將需要求解的區(qū)域（由邊界條件確定）劃分為一個個的單元網(wǎng)格，給每個單元網(wǎng)格規(guī)定一個在各自單元區(qū)域內(nèi)解析、其他單元內(nèi)為零的基函數(shù)，這樣使得在 分析每個單元時相互獨立，這樣在全區(qū)域的求解分析就被離散為了對每個單元的求解分析，將得到的各個單元網(wǎng)格的求解整合就得到了整個區(qū)域內(nèi)的求解。如果是求解區(qū)域為三維結(jié)構(gòu)，則網(wǎng)格單元相應(yīng)地可以是六面體、四面體等立體形狀。為了使求解過程盡量簡化，通常采用多項式來作為單元網(wǎng)格的基函數(shù)進(jìn)行求解分析。利用 有限元法分析問題時可分為以下幾個步驟： 1）將求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定網(wǎng)格單元的基函數(shù)； 2）根據(jù)網(wǎng)格單元區(qū)域的邊界條件列出各個單元求解方程； 3）將得到的網(wǎng)格單元方程整合，組成整個區(qū)域內(nèi)的方程組； 4）求解所列方程組，根據(jù)求解結(jié)果得出輻射場的特性分布。 微帶陣列天線原理分析 由若干個相同的微帶天線按照一定方式排列成直線或者平面結(jié)構(gòu)的天線系統(tǒng)稱為微帶陣列 天線，要求組成天線陣的陣元結(jié)構(gòu)和排列取向相同。 8 圖 均勻直線陣天線的原理圖 均勻直線陣是指陣元按照相同的形式排列成一條直線，且其相位沿直線均勻遞減和或者遞增的電流饋電。 這里要求每個陣 元 在結(jié)構(gòu) 形式與排列方式相同，天線陣方向圖函數(shù) 為 元因子與陣因子的乘積。 根據(jù)想要得到的最大電場輻射與天線平面方向的關(guān)系，可以將均勻直線陣分為兩大類。此時的陣元的電流同相。如果陣元的最大輻射方向也在該方向疊加，那么直線陣的最大輻射方向必然也是在此方向上。 端射陣跟邊射陣正好相反，端射陣的輻射電場最大方向在陣元排列的直線方向，此時α =0 度，且 0?? ，則由式 可知，此時 kd??? （式 ） 對于上式進(jìn)行物理意義的分析：在此端射陣中，各個陣元的電流相位存在一個角度的滯后，此時我們已經(jīng)知道滯后的這個角度在數(shù)值上等于陣元間距在0?? 方向上的相位差 kd。 此次設(shè)計的均勻直線陣就是采用的邊射 式 直線陣。天線的增益系數(shù)表明了天線在最大輻射方向上比理想的無方向性天線把輸入功率增大的倍數(shù)，因此，天線的增益系數(shù)可以很好地表征天線對功率集中輻射的能力。因此我們需要盡量得到增益高的天線。是指在距離天線一定距離的輻射場的 相對場強(qiáng)隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。由天線的方向圖 可以直觀看出天線在某一特定方向的增益和輻射強(qiáng)度。 （ 3）回波損耗參數(shù)（ S11 參數(shù)） 10 回波損耗表示的是傳輸線端口的反射功率與入射功率的比值。 S11 參數(shù) 可以看出 天線工作時能量 經(jīng)傳輸線后有多少被 反射回了入射源 ， 因此 S11參數(shù)也是表明天線性能的重要指標(biāo)， S11 如果比較大，就表示反射回來的能量比較大 ，相應(yīng)的發(fā)射出的功率就比較小，從而使天線的效率就比較低了。 （ 4） 天線的輸入阻抗 阻抗匹配 是衡量 輸入電路與輸出電路之間功率 的差異的一項指標(biāo) 。達(dá)到理想的 輸入阻抗匹配時， 沒有發(fā)生傳輸線損耗，則輸入端輸出的 能量 沒有損耗 全部 輸送到 終端負(fù)載， 表明在這一過程天線的能量被完全地利用到了，效率是百 分之百，當(dāng)然這是理想情況，在實際中都會發(fā)生損耗 。在天線的設(shè)計中，應(yīng)盡量使輻射貼片的輸入阻抗與 50Ω微帶線或者饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，從而提高天線的效率 。分兩個方面實現(xiàn)：一是設(shè)計陣元，二是將陣元組成陣列。組成陣列設(shè)計時，需要設(shè)計連接陣元的饋電網(wǎng)絡(luò)，再設(shè)計出整個陣列，進(jìn)行仿真，得出結(jié)果并進(jìn)行分析。這樣的陣元結(jié)構(gòu)比較簡單，選取的饋電方式也方便了后來陣列天線中的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 介質(zhì)基片的選取 設(shè)計微帶天線時第 一步需要選取合適的介質(zhì)基板，并經(jīng)過理論分析和計算確定介質(zhì)基片的厚度，因為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù) ?r 和損耗正切值 ?tan 還有其厚度 h決定了微帶天線其他參數(shù)和性能指標(biāo)。而對于相對介電常數(shù) ?r ，根據(jù)理論，低介電常數(shù)材料的介質(zhì)基片可以增加微帶貼片周圍的邊緣輻射場，從而提高天線的輻射功率，但