【正文】 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(gè)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?yàn)榕c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(chǎng)是組成該陣列天線各個(gè)陣元單元輻射電磁場(chǎng)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(dú)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(gè)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(diǎn)，從而應(yīng)用在對(duì)性能要求更高的實(shí)際中。借助該軟件，使我加深了對(duì)天線理論知識(shí)的理解，也使我學(xué)會(huì)運(yùn)用軟件去分析天線的各個(gè)性能指標(biāo)，從而對(duì)天線和天線陣的設(shè)計(jì)有了更深層次的理解。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算、優(yōu)化、確定單個(gè)陣元的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)出單個(gè)陣元，然后再選取合適的饋電網(wǎng)絡(luò)將單個(gè)陣元組成天線陣，最后分別對(duì)單個(gè)陣元和整個(gè)天線陣用HFSS進(jìn)行仿真，運(yùn)行得出結(jié)果，通過對(duì)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(jì)中需要得出的相關(guān)特性參數(shù)。 第四章是對(duì)陣列天線的設(shè)計(jì)和仿真，包括陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。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 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(zhǎng)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(lì)起電磁場(chǎng)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。微帶天線的輻射電場(chǎng)是由微帶貼片邊緣和介質(zhì)基片的接地層之間的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的。前面已知介質(zhì)基片厚度h遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)λ，故可假定輻射電場(chǎng)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(zhǎng)度為λ/2的貼片長(zhǎng)度方向變化。由于已知微帶貼片的長(zhǎng)為λ/2，即半波長(zhǎng)，故兩個(gè)垂直于接地板平面的分量反相，而他們?cè)谶h(yuǎn)區(qū)場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)疊加增強(qiáng)。所以微帶天線可以看作相距λ/長(zhǎng)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(shí)只需要將饋線和貼片一起光刻，操作簡(jiǎn)單容易大量生產(chǎn)。因在設(shè)計(jì)時(shí)要求微帶線線寬盡量窄且遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)。 微帶線饋電需要考慮天線輸入阻抗與特性阻抗的匹配。為達(dá)到最佳匹配效果通常會(huì)采用兩種或者三種方式來進(jìn)行阻抗匹配。由于饋線與微帶貼片之間的耦合效應(yīng)，使得天線諧振頻率與工作的中心頻率之間有一個(gè)小的移位，可以通過稍加改變貼片尺寸，借助計(jì)算機(jī)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。 示意圖如下： 微帶線饋電 同軸線饋電 同軸線饋電的示意圖如下： 同軸線饋電 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(dǎo)體穿過介質(zhì)基片的中間層連接到輻射貼片上。由于天線的輸入阻抗與饋電點(diǎn)位置有關(guān)，所以選擇合適的饋電點(diǎn)位置達(dá)到阻抗匹配的最佳效果。但是在獲得阻抗匹配時(shí)對(duì)饋電點(diǎn)位置的確定比較復(fù)雜，且制作加工起來比較復(fù)雜。目前對(duì)天線的分析方法有：傳輸線法、腔模理論、多端口網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)值分析法等，選擇合適的分析方法可以對(duì)天線的一些性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)先的估算處理，從而方便天線的設(shè)計(jì)的效率。（1） 傳輸線法 傳輸線法是一種簡(jiǎn)單又比較常用的分析方法。傳輸線法分析時(shí)需要基于以下幾兩個(gè)假設(shè)：1）微帶貼片跟介質(zhì)基片的接地層構(gòu)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(diǎn)的位置。2）傳輸線的兩個(gè)開口端等效為兩個(gè)輻射縫，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線開口端場(chǎng)強(qiáng)。 傳輸線模型理論分析方法計(jì)算量少，方法簡(jiǎn)單，可以直觀地由其物理模型進(jìn)行理解。比如：傳輸線法只能用于矩形微帶天線和微帶陣子天線，對(duì)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(diǎn)沿傳輸線寬度變化時(shí)的輸出阻抗時(shí)不準(zhǔn)確（分析時(shí)改變饋電點(diǎn)位置輸出阻抗不變，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，饋電輸出阻抗與饋電點(diǎn)在微帶貼片便于的位置有關(guān)）。由給所設(shè)計(jì)天線給出的邊界條件列出場(chǎng)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(chǎng)。在數(shù)值分析過程中積分方程的求解和計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，一般需要借助相關(guān)的計(jì)算機(jī)工具來完成，現(xiàn)在用來計(jì)算求解這些場(chǎng)分布特性的計(jì)算機(jī)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。此次設(shè)計(jì)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(duì)該方法進(jìn)行解釋說明。劃分單元網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)求解需要可以將其劃分為矩形、三角形等平面形狀。相關(guān)研究已經(jīng)證明，采用正三角形或正四面體劃分網(wǎng)格時(shí)，得到的求解結(jié)果最為精確。比如設(shè)計(jì)用到的HFSS仿真軟件采用的是三角形的單元網(wǎng)格劃分時(shí)，基函數(shù)為一次多項(xiàng)式。 需要指出，為了減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，并且使得出的結(jié)果更加精確，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(chǔ)上盡量減小輻射邊界尺寸。本文采用的是4陣元的均勻直線陣，所以將重點(diǎn)說明均勻直線陣的原理分析。上圖表示的就是一個(gè)N陣元均勻直線陣，圖中0—N1表示Ｎ個(gè)陣元，延ｘ軸排成一條直線。于是需要考慮的是陣因子與因子關(guān)系式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(guān)系式為： （） 式中 （）上式為一幾何級(jí)數(shù)的多項(xiàng)式，可以得到其和為： （）這樣上式就構(gòu)成了均勻直線陣列天線的歸一化因子表達(dá)式。1. 邊射陣 邊射陣得到的輻射電場(chǎng)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(chǎng)在垂直天線平面方向同相疊加。即β=： （） 由上式可知，當(dāng)時(shí)，陣元在該方向上產(chǎn)生場(chǎng)的同相疊加。故構(gòu)成了邊射式均勻直線陣。當(dāng)使得時(shí)，此時(shí)兩相鄰陣元產(chǎn)生的輻射場(chǎng)在α=0方向上引起的相位差為，即與陣元自身的電流相位相互抵消，這樣就使得所有陣元在方向上產(chǎn)生的輻射場(chǎng)同相疊加達(dá)到最大值。 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。所以天線增益是一個(gè)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。（2）天線的方向圖 天線方向圖又叫輻射方向圖和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。輻射方向圖主要包括主瓣寬度、旁瓣電平和前后比等。因此，天線的方向圖也是衡量天線性能的一個(gè)重要指標(biāo)。用對(duì)數(shù)表示時(shí)單位是dB。因此，在設(shè)計(jì)天線時(shí)應(yīng)盡可能使S11參數(shù)比較低，從而保證天線在工作時(shí)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。換言之就是反映天線在工作時(shí)輸入端經(jīng)過傳輸線到達(dá)輸出端消耗了多少功率，表示的是傳輸線的損耗。在失配情況下，由于此時(shí)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(fù)載吸收，因此會(huì)降低天線的效率。 第三章　微帶陣列天線設(shè)計(jì)　　此次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)工作中心頻率為10GHz的14均勻直線陣。在設(shè)計(jì)陣元過程中需要選取貼片和介質(zhì)基片材料、計(jì)算相關(guān)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(jìn)行仿真，得出結(jié)果進(jìn)行分析。 陣元設(shè)計(jì) 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(dǎo)體貼片的左邊緣相連。為了得到很好地天線性能，我們需要通過分析和計(jì)算來確定微帶天線陣元中的相關(guān)參數(shù)。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(dǎo)體損耗和提高阻抗帶寬，但是也會(huì)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(shí)也增加了重量。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)=,。接下來就是設(shè)計(jì)貼片的長(zhǎng)度了，一般取貼片長(zhǎng)度為，為介質(zhì)體內(nèi)部的導(dǎo)波波長(zhǎng)，為：