【正文】 w 可由下面的公式計算得到： 21212????????? ?? ? rfcw （式 ） 式中 c表示光速， f 表示天線工作的中心頻率。接下來就是設(shè)計貼片的長度了， 12 一般取貼片長度為 2?e ， ?e 為介質(zhì)體內(nèi)部的導(dǎo)波波長，為： ?? ee fc? （式 ） 式中的 ?e 是有效介電常數(shù)，由介電常數(shù) ?r 和介質(zhì)基片厚度與貼片的寬 w 的比值共同決定，其關(guān)系式為： 21)121(2 12 1 ?????? whrre ??? （式 ） 而實際中應(yīng)考慮貼片的邊緣縮短效應(yīng)，所以實際微帶貼片的長度應(yīng)為： LfcLe??? 22 ? （式 ） 式中 L? 表示的是等效輻射縫隙長度，由 ?e 和貼片寬 w與基片厚度 h的比值決定，關(guān)系式如下： ))(())(( ?? ???? hwhwhLee?? （式 ） 由于 f=10GHz， ?r =， h=，根據(jù)以上公式求得 w=， ?e =，L? =， L=。至此微帶天線的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)初步確定。 饋電與阻抗匹配 前面已經(jīng)介紹微帶天線的饋電方式有好幾種，我們選擇的是最常用也是結(jié)構(gòu)最簡單的微帶線饋電的方式，饋電點位于貼片邊緣位置的偏心饋電方式。饋線是50Ω的微帶線，利用微帶線計算工具，輸入介質(zhì)基片的介電常數(shù)、厚度、貼片的厚度（ 35μ m）、工 作頻率，可計算出 50Ω微帶線的寬度為 。 一般來說，微帶天線的邊緣阻抗為 100Ω～ 400Ω，要想與 50Ω的微帶饋線相匹配，則微帶天線與饋線之間需設(shè)計一個阻抗變換器，通常是一個長度 1/4 波長的阻抗轉(zhuǎn)換器。假設(shè)饋電點位置的輸出阻抗為 ZL ， 1/4 波長阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗為 Z1 ，則阻抗匹配的條件為： ZZZ L01 ? （式 ） 式中 Z0 =50Ω， ZL 與饋電點與貼片邊緣的距離有關(guān)，可根據(jù)相關(guān)公式求得。在設(shè)計單個微帶天線時，為充分發(fā)揮微帶天線的性 能，所以必須考慮阻抗匹配問題， 13 因此必須設(shè)計一個 1/4波長轉(zhuǎn)換器。但是在設(shè)計陣列天線時，作為陣元， 在設(shè)計陣元的時候，我們暫不考慮阻抗匹配的問題直接將 50Ω饋線與微帶貼片相連，故不設(shè)計阻抗轉(zhuǎn)換器。將在陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中用到相關(guān)理論。 HFSS 軟件簡介及設(shè)計步驟 HFSS（ High Frequency Structure Simulation）是由美國 Ansoft 公司開發(fā)設(shè)計出的一款 功能強大的 三維電磁仿真軟件， 該軟件涵蓋 射頻和微波器件設(shè)計，天線、陣列天線和饋源設(shè)計，高頻 IC 設(shè)計，高速封裝設(shè)計， 高速 PCB 板和 RF PCB 板設(shè)計等 許多設(shè)計領(lǐng)域的仿真分析，幫助設(shè)計人員解決在設(shè)計過程中遇到的分析問題和優(yōu)化設(shè)計 ,現(xiàn)已 在 航空航天、電子、半導(dǎo)體、計算機、通信等眾多領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用，隨著該軟件的不斷更新升級，實現(xiàn)的功能也越來越大，因此有著很好的應(yīng)用前景 。該軟件采用 的是基于數(shù)值分析的 有限元法， 能對設(shè)計結(jié)果實現(xiàn) 精確 計算，并對其設(shè)計模型的方向圖、內(nèi)外場分布等性能進行精準(zhǔn)預(yù)測，同時還可以優(yōu)化設(shè)計模型的相關(guān)參數(shù)，得到滿足設(shè)計需要的模型 。 應(yīng)用在天線領(lǐng)域時 ，使用 HFSS 可以 對設(shè)計的天線模型進行參數(shù)優(yōu)化，得到 精確天線 性能 參數(shù) ，包括 二維 和 三維 平面 遠近場輻射方向圖、天線的方向系數(shù)、增益、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、 S參數(shù)等 。借助該軟件，能大大減少在天線設(shè)計時的誤差，提高所設(shè)計天線的性能，并幫助我們很好地對天線的性能進行分析和理解。 使用 HFSS 對天線進行仿真包括以下幾個步驟： （ 1） 設(shè)置求解類型。選擇模式驅(qū)動（ Driven Modal）或者終端驅(qū)動 (Driven Terminal)求解類型。 （ 2） 創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)計算得到的相關(guān)尺寸參數(shù)和已確定的結(jié)構(gòu)，在HFSS 模型窗口設(shè)計出天線的參數(shù)化模型。也可以 將事先在 AutoCAD、 等 繪圖 軟件 設(shè)計好的參數(shù)模型 導(dǎo)入 到 HFSS 窗口里 。 （ 3） 設(shè)置邊界條件。使用 HFSS 進行天線設(shè)計時，需要將與背景接觸的表面設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界，這樣 HFSS 才會計算出天線的遠區(qū)輻射場。 （ 4） 設(shè)置激勵方式。天線通過傳輸線或波導(dǎo)傳播信號天線與傳輸線接口處即為饋電面或者激勵端口。設(shè)計時饋電面的激勵方式 的選取 主要有兩種：波端口激勵（ Wave port）和集總端口激勵（ Lumped Port） ，這兩者的區(qū)別體現(xiàn)在， 一般與背景相接觸的饋電面使用波端口激勵方式，在模型內(nèi)部的饋電面使用集總端口激勵。 （ 5） 設(shè)置 掃頻分析參數(shù) ， 即設(shè) 定天線工作的中心 頻率和掃頻頻率 范圍以及掃頻迭數(shù)。 （ 6） 求運行求解分析。在完成前面幾步之后，運行仿真。 （ 7） 查看運行結(jié)果。運行軟件仿真之后，在進行數(shù)據(jù)后處理部分可以查看運行結(jié)果中的各項性能參數(shù)。 14 （ 8） Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計。如果結(jié)果中的某些性能參數(shù)達不到設(shè)計要求，就需要對天線的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，得到符合設(shè)計性能要求的天線設(shè)計。 本次設(shè)計采用的 HFSS 版本。 微帶陣列天線陣元的仿真過程 在第三章中我們已經(jīng)確定了微帶天線的介質(zhì)基片材料、厚度、介電常數(shù)，通過計算得到了貼片的長度和寬度 、 50Ω微帶線的寬度，選取微帶線饋電的方式，饋電點在貼片邊緣。下面以表格的形式將各參數(shù)列舉出來。 表 設(shè)計陣元模型參數(shù) 工作頻率 10GHz 介質(zhì)基片材料 Arlon AD270 介質(zhì)基片厚度 h 輻射貼片寬 w 輻射貼片長 L 50Ω微帶線的寬 50Ω微帶線的長 設(shè)計陣元模型并仿真分析 設(shè)計模型如下圖所示： 15 圖 陣元的三維設(shè)計模型 設(shè)計好模型之后，檢查和確認(rèn)設(shè)計模型的準(zhǔn)確性和完整性，運行仿真。待仿真完之后，對仿真結(jié)果進行查看分析。 （ 1） 回波損耗參數(shù)分析及參數(shù)優(yōu)化 陣元信號端口回波損耗（即 S11 ）的掃頻結(jié)果分析，查看天線的諧振頻率是否在工作中心頻率 10GHz 上。 S11 的掃頻分析結(jié)果如下圖所示 ： 圖 S11 的掃頻結(jié)果分析 由上圖看出天線的諧振頻率在 9GHz 以前，即小于 9GHz，不在中心頻率 10GHz 上。而且在 10GHz 時，天線的回波損耗太大，為 。達不到設(shè)計所需的高性 能。所以我們需要對設(shè)計進行優(yōu)化，使得諧振頻率在設(shè)計的 10GHz。 經(jīng)過相關(guān)理論分析，天線的諧振頻率跟輻射貼片的尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度決定。其中主要作用明顯的是輻射貼片的長度 L。相關(guān)理論研究發(fā)現(xiàn)，輻射貼片長度越短，則諧振頻率越高。為了盡量保留原有參數(shù)，我們通過改變輻射貼片的長 L 來獲得滿足設(shè)計需要的諧振頻率。利用 HFSS 軟件的 Optimetrics模塊來得到改變輻射貼片長度 L后的各 S11 參數(shù)掃頻分析圖。需要說明的是，要想得到精確的諧振頻率所對應(yīng)的貼片長度 L，往往需要經(jīng)過多次優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)越多，得到的結(jié) 果更精確。前面通過計算得到額輻射貼片的長為 。這里設(shè)置 L 的長度分別為 、 、 、 、 。得到一組 S11 掃頻分析圖，如下圖所示。 16 圖 不同 L所對應(yīng)的 S11 參數(shù)曲線 由上圖可以看出，當(dāng)改變輻射貼片長 L=8mm 時，陣元天線的諧振頻率為10GHz，且此時天線的回波損耗值為 ，較輻射貼片長為 時有了大幅度降低，性能較好。故我們將修改輻射貼片長為 8mm。優(yōu)化完成，優(yōu)化后的 S11 掃頻分析結(jié)果圖如下： 圖 S11 掃頻分析結(jié)果圖 對比優(yōu)化之前的掃頻分析圖，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后天線的諧振頻率為設(shè)計要求的中心頻率，同時大大減小了回波損耗， 說明天線的大部分能量經(jīng)過微帶線傳輸出去了， 從而很好地改善了天線的性能。 17 （ 2） 陣元的三維增益方向 圖 天線 的三維立體 方向圖 仿真結(jié)果如下圖所示： 圖 天線的三維增益方向圖 從得出的仿真結(jié)果圖中可以看出，天線的最大輻射方向 集中主要在 Z 方向一片 ， 即垂直于天線平面方向。 最大增益為 。 但是方向性不明顯，這是由于微帶天線自身結(jié)構(gòu)特性決定的。所以需要通過組成陣列天線等方式提高天線的方向性。 （ 3） 陣元的輸入阻抗及阻抗匹配 仿真結(jié)果中天線的輸入阻抗特性曲線和史密斯圓圖如下圖所示，從圖中可以看出，在工作中心頻率 10GHz 對應(yīng)的縱坐標(biāo)為 58，說明天線的輸入阻抗為 58Ω ，與微帶線的特性阻抗 50Ω 已經(jīng)非常接近了。再看史密斯圓圖中可以看出，在中心頻率 10GHz 處對應(yīng)的阻抗匹配參數(shù)為 。說明天線與微帶饋線已經(jīng)達成了很好地阻抗匹配效果，這也對應(yīng)了前面天線的回波損耗分析的結(jié) 果。說明設(shè)計的天線效率比較高，性能較好。 18 圖 圖 陣元天線的史密斯圓圖 天線陣元的總結(jié)分析 由仿真結(jié)果得到的相關(guān)性能參數(shù)我們可以總結(jié)出，首先天線的尺寸參數(shù)影響著天線的諧振頻率和相關(guān)性能。通過優(yōu)化天線單元的尺寸，可以得到工作在中心頻率的諧振頻率。而且優(yōu)化尺寸后的天線的回波損耗參數(shù)大大降低，使天線的性能得到很好地提升，也使得天線的輸入阻抗得到很好地匹配，從而使天線的利用效率提高了。但是在單個陣元天線中，從得到的方向圖來看，天線 的方向性不強，增益也不高，這是由于天線的結(jié)構(gòu)特性決定的，這是天線重要的性能指標(biāo)，所以 19 下一步的研究方向是增強的天線的方向性，提高天線的增益，使微帶天線充分發(fā)揮其作用。 20 第四章 微帶陣列天線的設(shè)計 從前面的陣元仿真結(jié)果我們已經(jīng)知道，單個陣元天線使用起來方向性不強，增益低，往往達不到天線在實際應(yīng)用的強方向性、高增益的性能指標(biāo)。所以需要想辦法改善單個天線的方向性和增益問題。 將單個陣元按照一定規(guī)律排列組成陣列天線，可以很好 地解決微帶天線方向性差、低增益的缺陷。陣列天線利用的是使陣元在遠區(qū)輻