【正文】 的帶寬比微帶貼片天線的要寬，特別是寬矩形縫隙天線，但是此天線在要求單方向輻射時(shí)，厚度比貼片天線要大，另外，分析和設(shè)計(jì)這種天線要比微帶貼片天線困難，限制了其應(yīng)用范圍。微帶天線最初作為火箭和導(dǎo)彈上的共形全向天線獲得了應(yīng)用，現(xiàn)已應(yīng)用于大約100MHz～100GHz的寬廣頻域上的大量無線電設(shè)備中，特別是飛行器上和地面便攜式設(shè)備中。 微帶天線的典型應(yīng)用 Microstrip antenna applications應(yīng)用領(lǐng)域用途飛機(jī)天線盲目著陸系統(tǒng)、高度表、通信與導(dǎo)航導(dǎo)彈與遙測(cè)引信、傳感器、毫米波雷達(dá)衛(wèi)星通信星載多波束雷達(dá)、移動(dòng)式地面站、直播衛(wèi)星電視接收機(jī)移動(dòng)通信隨身和手持電話、艙內(nèi)和車載天線、基站天線雷達(dá)多普勒測(cè)速雷達(dá)、防撞雷達(dá)、防盜報(bào)警器、單脈沖雷達(dá)、相陣控雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)通信和監(jiān)視車載共形天線電子對(duì)抗多波束陣列遙感綜合口徑雷達(dá)氣象和射電天文氣象雷達(dá)、亞毫米波接收機(jī)生物醫(yī)學(xué)微波治癌儀作為小型化、集成化天線的線天線主角，微帶貼片天線以其三維結(jié)構(gòu)的靈活性受到各種不同設(shè)計(jì)目標(biāo)的全方位開發(fā)，它既被單獨(dú)用于手機(jī)天線，醫(yī)用輻射器等場(chǎng)合，也被廣泛用作各種陣列天線的單元；既在工程設(shè)計(jì)中以形式多樣而取勝，又多見于被電磁場(chǎng)數(shù)值分析用作典型實(shí)例。另一方面，為了適合VHF/UHF頻段的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)與微波毫米波單片電路的集成一體化，還需要進(jìn)一步使結(jié)構(gòu)小型化。 論文的主要工作和內(nèi)容安排本論文在分析總結(jié)了多種實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化、寬頻帶工作的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的小型寬頻帶的三角形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)。本文利用基于腔膜理論的短路針加載理論得到天線設(shè)計(jì)的初步結(jié)果，給出了設(shè)計(jì)參數(shù)，最后進(jìn)行了實(shí)際的加工測(cè)試?；緷M足了設(shè)計(jì)要求，為WCDMA移動(dòng)終端天線的設(shè)計(jì)提供了參考。第2章 簡(jiǎn)要地介紹微帶天線的基本理論，包括微帶天線的輻射機(jī)理、理論分析方法，其中詳細(xì)介紹了空腔模型理論和有限元法。第4章 介紹了基于腔膜理論的短路針加載理論。最后結(jié)束語(yǔ)，對(duì)全文工作加以總結(jié)，提出了有待進(jìn)一步研究和解決的幾個(gè)問題。經(jīng)過近幾十年的理論分析的成熟和材料及加工工藝的發(fā)展，以及微帶天線越來越多的優(yōu)點(diǎn)引起重視，微帶天線有了飛速的發(fā)展。 微帶天線的輻射機(jī)理 矩形微帶天線及主面方向圖 Rectangular microstrip antenna and main pattern微帶天線的基本原理可由考察矩形微帶貼片天線來理解[15]。微帶貼片天線可看作寬W長(zhǎng)L的一段微帶傳輸線，其終端（W邊）處因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹。(b)所示。由等效性原理知，窄縫上電場(chǎng)的輻射可由面磁流的輻射來等效?？梢钥吹?，沿兩條W邊的磁流是同向的，故其輻射場(chǎng)在貼片法線方向(x軸)同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。在其它平面上這些磁流的輻射不完全相消，但與兩條W邊的輻射相比，都相當(dāng)弱。(c),(d)所示。對(duì)上半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流Ms的正鏡像。 微帶天線的分析方法微帶天線分析的目的是天線的輻射特性及近場(chǎng)特性進(jìn)行預(yù)先估算，通過分析與設(shè)計(jì)相結(jié)合，減少高耗費(fèi)的邊做邊試的循環(huán)次數(shù)，弄清天線的優(yōu)點(diǎn)和局限性，幫助了解新的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及對(duì)新的天線結(jié)構(gòu)研發(fā)來說可能有用的工作原理。分析微帶天線的基本理論大致可分為三類。更嚴(yán)格、更有用的是空腔模型（CMCavity Model）理論，可用于各種規(guī)則的貼片，但基本上限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況。從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡(jiǎn)化為一維的傳輸線問題，第二種理論則發(fā)展到二維邊值問題的求解；第三理論又進(jìn)了一步，可計(jì)入第三維的變化。 空腔模型理論空腔模型理論是在微帶諧振腔分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。因此，借助于諧振腔理論是很自然的。把這種方法移植到微帶中來，稱為單模理論。空腔模型已成功用于精確計(jì)算厚度不超過介質(zhì)波長(zhǎng)百分之幾的微帶天線的特性。 空腔模型幾何關(guān)系 Geometry of cavity model，微帶貼片和接地板之間的盒形區(qū)域可以看作諧振腔：它的上下壁為微帶貼片的面積相同的接地板，周圍的柱形面為側(cè)壁。磁場(chǎng)只有Hx和Hy分量，且假設(shè)Hz=0即腔內(nèi)只存在對(duì)z的TM型場(chǎng)； (2 內(nèi)場(chǎng)不隨z坐標(biāo)變化；四周邊緣處電流無法向分量，即邊緣處切向磁場(chǎng)為零，故空腔四周可視為上、下為電壁，四周為磁壁的腔體。因?yàn)槲зN片內(nèi)壁的電流可通過周界流向外壁面，因此在周界處內(nèi)壁面法向電流嚴(yán)格說不是零，只是在hλ條件下接近零?？涨粌?nèi)場(chǎng)滿足下列復(fù)數(shù)形式麥克斯韋方程： ()對(duì)第二式取旋度，再利用第一式消去H，得 ()式中 ()tan δ是介質(zhì)損耗角正切。 kmn是諧振模的截止波長(zhǎng)，為實(shí)數(shù)，由天線尺寸的模的序號(hào)m, n決定。這時(shí)我們就說該天線對(duì)TMmn模諧振。對(duì)規(guī)則形狀的貼片，一般可利用分離變量法解出Ψmn及相應(yīng)得kmn，對(duì)于矩形貼片： () ()，它可表示接地板流向貼片的z向電流和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)。設(shè)總電流為I0,即有： ()，得 ()式中j0(x)=sin x / x ()這里δ0m和δ0n是聶曼數(shù)：為表達(dá)簡(jiǎn)潔起見，取Cmn=1，最后得： ()（取k0√εr = kmn）： ()用εe代替εr，能獲得更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果得諧振頻率值，即 ()求得微帶貼片的內(nèi)場(chǎng)后，可應(yīng)用等效性原理來得到外空間的場(chǎng)。所引起的電場(chǎng)為，對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，只保留含R1項(xiàng) ()利用球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)單位矢量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，有 ()饋源處的激勵(lì)電壓V0除以電流I0便得到天線的輸入阻抗Zin。根據(jù)空腔模型理論可以對(duì)貼片天線進(jìn)行定性的分析，并判斷數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性。這些基函數(shù)在各自的單元內(nèi)解析，在其他區(qū)域內(nèi)為零，這樣就可以用分片解析函數(shù)代替全域解析函數(shù)。下面簡(jiǎn)要介紹有限元法的基本原理。在任何有限元分析中，區(qū)域離散是第一步，或許也是最重要的一步，因?yàn)閰^(qū)域離散的方式將影響計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求、計(jì)算時(shí)間和數(shù)值結(jié)果的精確度。Ansoft HFSS選用的四面體作為基本單元。在每一個(gè)離散單元的結(jié)點(diǎn)上的值是要求的未知量，在其內(nèi)部的其它點(diǎn)上的值是依靠結(jié)點(diǎn)值對(duì)其進(jìn)行插值。（3）方程組的建立。（4）方程組的求解。最終的方程組是下列兩種形式之一： ()或者 ()，它是從非齊次微分方程或非齊次邊界條件或從它們兩者兼有的問題中導(dǎo)出的。它是從齊次微分方程和齊次邊界條件導(dǎo)出的。在這種情形下，已知向量為零，矩陣可以寫成的形式，這里表示未知的本征值。比如，Ansoft HFSS軟件的支配方程為： ()式中：是時(shí)諧場(chǎng)對(duì)應(yīng)的相量。2．三維變分公式根據(jù)變分原理，上式的泛函可以寫為： ()特別要指出的是，這只是無源區(qū)的域內(nèi)支配方程對(duì)應(yīng)的泛函，還沒有強(qiáng)加邊界條件和源項(xiàng)。對(duì)于三維問題，矩形塊、四面體和六面體等都可以被選用做基本的離散單元，但是，不同離散單元對(duì)于有限元運(yùn)算的精度、速度和內(nèi)存需求都有不同。下面首先介紹按照結(jié)點(diǎn)值定義的四面體單元，然后介紹Ansoft HFSS選用的三維棱邊元。 4 三維棱邊元上一世紀(jì)80年代以后，棱邊元單元的出現(xiàn)解決了有限元方法的缺點(diǎn)?？疾焓噶亢瘮?shù)： ()首先，容易看出， ()其次，假設(shè)表示從結(jié)點(diǎn)1指向結(jié)點(diǎn)2的單位矢量。因此 ()它表示沿棱邊（1，2）有一個(gè)常切向分量，沿其它5個(gè)棱邊沒有切向分量。 四面體單元的棱邊定義 Definition of tetrahedron cell’s edge棱邊結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)112213314423542634在以上定義的基礎(chǔ)上，： ()其中，（i＝1，…，6）就是單元內(nèi)的未知量。可以看到，這類矢量基函數(shù)在單元內(nèi)自然滿足散度為零，旋度不為零（），其定義也正好是沿切向定義的，棱邊元也避免了結(jié)點(diǎn)值，所以它能夠去除結(jié)點(diǎn)值四面體的三個(gè)缺點(diǎn)。雖然對(duì)于同樣離散數(shù)，矩形塊和六面體比四面體的未知數(shù)要少，但是，有趣的是，對(duì)于幾乎同樣的未知量數(shù)目，采用四面體的有限元數(shù)值解比采用矩形塊和六面體的有限元數(shù)值解精度要高。 有限元方程組的求解 Ansoft hfss的自適應(yīng)迭代算法 Adaptive iteration algorithm of Ansoft hfss從上面的討論可以看出，矩陣方程的求解復(fù)雜度與有限元的剖分密度即未知數(shù)數(shù)目有很大的關(guān)系，未知數(shù)數(shù)目越多，求解所需的時(shí)間越長(zhǎng)。因此，有限元方法的求解時(shí)間與準(zhǔn)確度是一對(duì)矛盾。該算法一開始先選用較粗的剖分，采用上面所談的方法求解，然后看其進(jìn)度是否滿足要求。第3章 微帶天線的小型化、寬頻帶技術(shù)由于個(gè)人通信系統(tǒng)的發(fā)展，各種通信終端天線的需求持續(xù)增加。天線的小型化是指在固定的工作頻率上減小微帶天線的尺寸。下面簡(jiǎn)要介紹一下微帶貼片天線小型化的具體方法。以矩形微帶天線為例，對(duì)于采用薄基片（）的矩形微帶天線，其諧振頻率可由下式近似的出： （） 采用不同介電常數(shù)基板的GPS天線尺寸對(duì)比 Comparison of GPS antenna with different substrate式中：是真空中的光速；是矩形貼片的長(zhǎng)度；是基片材料的相對(duì)介電常數(shù)。，a和b采用了不同介電常數(shù)的基片材料，天線工作頻率同樣是1575MHz。從圖中天線的尺寸可以看出天線b的面積只有a的10%。但這類高介質(zhì)天線的主要缺點(diǎn)是：(1)激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗大，是增益減小，效率降低。對(duì)于半波結(jié)構(gòu)的矩形微帶天線，電流在一個(gè)開路端和另一個(gè)開路端之間形成駐波，因此兩個(gè)開路端之間有一條零點(diǎn)位線。 三種短路加載的矩形微帶天線 Geometries of a rectangular patch antenna with (a) a shorting wall, (b) a shorting plate, and (c) a shorting pin微帶天線的加載方法主要包括短路加載和電阻加載。(a)是加載短路面的四分之一波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的微帶天線。(b)和(c)中是用短路片和短路針代替了短路面，可以更大的降低天線的諧振頻率或減小天線尺寸。另有文獻(xiàn)介紹加載短路針的等邊三角形微帶天線尺寸減小了94%。這種方法的缺點(diǎn)是：(1)阻抗匹配極大的依賴于短路針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離，對(duì)制造公差要求很高。(3)H面的交叉極化電平相對(duì)較高。由于天線在諧振頻率以下呈感性，因此在同軸饋電點(diǎn)附近加載負(fù)載電阻時(shí)，等效于加了個(gè)電容，從而使諧振頻率降低，而且隨加載電阻增大，天線的品質(zhì)因數(shù)降低，帶寬展寬，制造公差降低，但這些性能的提高以犧牲增益為代價(jià)。貼片曲流技術(shù)是一種通過彎曲天線貼片表面激勵(lì)電流路徑的天線小型化技術(shù)。若在相同的共振模態(tài)下開槽，則此凹槽就會(huì)破壞原來共振模態(tài)的電流路徑，使電流路徑變長(zhǎng)，這樣天線的共振波長(zhǎng)相對(duì)變大，因此天線的頻率隨凹槽的長(zhǎng)短而變化，挖的凹槽越長(zhǎng)相應(yīng)的天線工作頻率降低的越多。同時(shí)為了保證天線的特性，凹槽的寬度不能太大，太大會(huì)影響到天線的輻射場(chǎng)型。以矩形貼片天線為例。(b)是在矩形貼片的非輻射邊挖了兩個(gè)三角形的切口，使表面電流路徑變長(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)到蝶形貼片天線，與相同大小的矩形貼片天線相比，蝶形貼片天線具有更低的諧振頻率。在接地板上開槽可以達(dá)到和貼片上開槽同樣的曲流效果。曲流技術(shù)可以有效地減小天線尺寸，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便。天線的增益會(huì)因?yàn)檩椛涿娣e的減少而下降，比工作在同頻率的傳統(tǒng)微帶天線的增益小很多。文獻(xiàn)[8]介紹在圓形微帶貼片同時(shí)采用開槽和加載短路針的辦法可以大大的減小天線的尺寸，此天線尺寸是同頻率下普通圓形微帶天線尺寸的9%。PIFA也可以看作是折疊的PILA。近年來，PIFA在無線通信終端（如手機(jī)）上得到廣泛的應(yīng)用。（是天線中心頻率在自由空間的波長(zhǎng)）時(shí)，也就是說，PILA在保持與普通的半波長(zhǎng)微帶天線相同的輻射特性的前提下，可以工作在1/4波長(zhǎng)。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。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。這是由于微帶貼片天線是一種諧振式天線，它的諧振特性可以等效為一個(gè)高Q并聯(lián)諧振電路。因此展寬頻帶的基本途徑是降低等效諧振電路的Q值。帶寬： ()品質(zhì)因數(shù)： ()存儲(chǔ)能量： ()損失能量： 為介質(zhì)損耗，為導(dǎo)體損耗，但這些損耗與輻射能量相比較很小，因而可以忽略不計(jì)，即： ()，： ()其中，是介電常數(shù)，h是介質(zhì)厚度，A是常數(shù)，是磁導(dǎo)率。對(duì)于增加基片厚度來說，雖然容易實(shí)現(xiàn)但受到客觀條件的限制，作用有限，而且基片過厚會(huì)導(dǎo)致基片厚度與波長(zhǎng)之比過大，引起表面波激勵(lì)，同是重量