空氣貼片微帶天線的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　空氣貼片微帶天線的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　微帶天線的發(fā)展正方興未艾,應(yīng)用前景非常廣泛。由于應(yīng)用的需要,微帶天線在許多方面還將得到進(jìn)一步的發(fā)展,如天線介質(zhì)材料的更新,天線的多極化技術(shù),分形技術(shù),光子帶隙技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)等.隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們對微帶天線的深入研究和探討,微

2、帶天線將會得到更為廣泛的用。</p><p>　　本文著重點(diǎn)是，設(shè)計(jì)了一款可用于UHF頻段（915MHz）圓極化微帶天線。采用雙層介質(zhì)微帶貼片展寬天線頻帶。設(shè)計(jì)適用于UHF頻段的微帶圓極化天線。要求體積小，增益高。具體指標(biāo)如下：工作頻率：902-928MHz；增益：大于5dBi；駐波比：小于2.0；極化方式：圓極化，并利用Ansoft軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微帶天線

3、；Ansoft軟件；圓極化</p><p>　　The Air Microstrip Patch Antenna Design Abstract</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The development of the microstrip antenna is in the ascendant a

4、nd also it has very broad application prospects. Since the request of the application, the microtstrip will be further developed in many ways, for example update the material of the dielectric antenna, Multi-polarization

5、 technology, fractal technology, photonic band gap (PBG) as well as computer aided design (CAD) technology and computer aided manufacturing (CAM) technology, etc. With the development of technology and the in-depth st<

6、;/p><p>　　In this article, emphasis is to design a circularly polarized microstrip antenna that can be used in UHF (915MHz) band. Double-layer dielectric microstrip can be used to broaden antenna bandwidth. Mic

7、rostrip circular polarized antenna is designed for use in the UNF band. It requests small in size, high-gain. Specific indicators are as follows, Operating frequency: 902-928MHz; Gain: greater than 5dBi; VSWR: less than

8、2.0; Polarization mode: circular polarization also it has to be simulated by Ans</p><p>　　Key Words：Microstrip Antenna；Ansoft Software；Circularly Polarization</p><p><b>　　目 錄</b><

9、;/p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義1</p><p>　　1.2 微帶天線技術(shù)概述1</p><p>　　1.3本文主要研究工作2</p><p><b>　　2 微帶天線3</b></p>&l

10、t;p>　　2.1微帶天線研究現(xiàn)狀3</p><p>　　2.1.1 微帶天線的發(fā)展近況3</p><p>　　2.1.2 天線設(shè)計(jì)的主要工作4</p><p>　　2.2微帶天線特點(diǎn)5</p><p>　　2.2.1 優(yōu)點(diǎn)5</p><p>　　2.2.2 缺點(diǎn)5</p><p&

11、gt;　　2.3 天線的參數(shù)5</p><p>　　2.3.1 方向性5</p><p>　　2.3.2 方向圖6</p><p>　　2.3.3 天線效率7</p><p>　　2.3.4 增益系數(shù)7</p><p>　　2.3.5 天線的極化7</p><p>　　2.3.6 頻

12、帶的寬度8</p><p>　　2.3.7 天線的輸入阻抗和駐波比8</p><p>　　2.3.8 參數(shù)9</p><p>　　2.4微帶天線的饋電方法9</p><p>　　2.5典型的微帶天線和貼片材料9</p><p>　　2.5.1 微帶天線的基本類型9</p><p>　

13、　2.5.2 矩形微帶天線10</p><p>　　2.5.3 圓極化標(biāo)簽天線10</p><p>　　2.5.4 微帶貼片材料11</p><p>　　2.6微帶天線的主要技術(shù)11</p><p>　　2.6.1 寬頻帶技術(shù)11</p><p>　　2.6.2 多頻段工作12</p><

14、;p>　　2.6.3 饋電方式12</p><p>　　2.6.4 抑制表面波效應(yīng)的技術(shù)12</p><p>　　2.7 矩形微帶天線及其分析方法12</p><p>　　2.7.1 腔體模型理論13</p><p>　　2.7.2 矩形微帶天線的性能分析15</p><p>　　3 Ansoft

15、軟件17</p><p>　　3.1 Ansoft軟件功能18</p><p>　　3.2 Ansoft HFSS軟件仿真流程18</p><p>　　3.2.1 建模（Draw）18</p><p>　　3.2.2 材料定義（Setup Material）18</p><p>　　3.2.3 定義端口和邊界

16、（Setup Ports/Surfaces）18</p><p>　　3.2.4設(shè)置求解參數(shù)（Setup Solution Parameters）19</p><p>　　3.2.5 后處理（Post Processing）19</p><p>　　3.2.6 計(jì)算機(jī)上的調(diào)試19</p><p>　　3.2.7 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1

17、9</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)方案20</b></p><p>　　4.1 介質(zhì)基板材料、厚度20</p><p>　　4.2 空氣層20</p><p>　　4.3 微帶貼片天線尺寸21</p><p><b>　　4.4 基板22</b></p&

18、gt;<p><b>　　5 模型建立23</b></p><p>　　5.1 介質(zhì)板23</p><p>　　5.2 空氣層23</p><p><b>　　5.3 基板24</b></p><p>　　5.4 微帶貼片24</p><p>　　5.

19、5 頂部電容貼片25</p><p>　　5.6 天線模型25</p><p>　　5.7 實(shí)物圖25</p><p><b>　　6 測試結(jié)果27</b></p><p>　　6.1 參數(shù)和頻率之間的關(guān)系27</p><p>　　6.2 方向圖27</p><p&

20、gt;　　6.3 參數(shù)S1128</p><p><b>　　7 總結(jié)29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明32</p><p&

21、gt;　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明33</p><p><b>　　主 要 符 號 表</b></p><p>　　εr 介電常數(shù)</p><p>　　Q 介質(zhì)材料的品質(zhì)因素</p><p>　　? 天線的工作

22、頻率</p><p>　　c 自由空間的光速</p><p>　　︱r︱ 軸比</p><p>　　fmax(θ ,φ) 方向函數(shù)的最大值</p><p>　　θ 子午角</p><p>　　φ

23、 方位角</p><p>　　dB 分貝</p><p>　　P 輻射功率</p><p>　　ηA 天線效率</p><p>　　G 增益系數(shù)</p><p>　　S 輻射

24、功率密</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　微帶天線技術(shù)技術(shù)最早起源于雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，其歷史可追溯到20世紀(jì)初期。微帶天線技術(shù)正在成為全球貿(mào)易、制造業(yè)和供應(yīng)鏈管理的基礎(chǔ)，對全球各行業(yè)的生產(chǎn)、流通和管理模式都將帶來深刻的變革。微帶天線技術(shù)即將成為繼互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)之后，全

25、球信息產(chǎn)業(yè)的又一場技術(shù)革命。</p><p>　　為適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的需求，天線的研發(fā)主要朝幾個方面進(jìn)行，即減小尺寸、寬帶和多波段工作、智能方向圖控制。</p><p>　　1.2 微帶天線技術(shù)概述</p><p>　　對于陣列天線而言，可作為陣列天線陣元的單元天線有很多種如振子天線、環(huán)天線、縫隙天線、螺旋天線、背射天線等[1]。結(jié)合我們近年來實(shí)驗(yàn)室的科研項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)研

26、究。單元天線主要選取了微帶天線、振子天線、背射天線作為天線陣元進(jìn)行組陣研究。重點(diǎn)的研究對象為微帶天線。因?yàn)槲炀€固有的特點(diǎn)，它很適合進(jìn)行天線組陣的研究。在天線組陣中，目前己有本實(shí)驗(yàn)室研制的圓環(huán)背射天線的二元陣列投入工程應(yīng)用，并有相應(yīng)產(chǎn)品面世[2]。但主要的研究方向還是集中于微帶天線的組陣方案，現(xiàn)對微帶天線進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的分析。微帶輻射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。這種基片介電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特性和機(jī)械特性及

27、低損耗角正切。最早的實(shí)際的微帶天線是Howen和Munsno在二十世紀(jì)七十年代初期研制成的。在此之后，由于微帶天線的許多優(yōu)點(diǎn)，諸如重量輕、體積小、成本低，平面結(jié)構(gòu)可以和集成電路兼容等，微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，從而使微帶天線獲得了多種應(yīng)用，并且在微波天線中作為一個分立領(lǐng)域獲得了很大的發(fā)展[3]。目前，已研制成了各種類型平面結(jié)構(gòu)的印制天線，例如，微帶天線、帶線縫隙天線、背腔印制天線以及印制偶極子天線。而一</p>&l

28、t;p>　　與通常的微波天線相比，微帶天線具有很多優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　a. 重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；</p><p>　　b. 制造成本低，易于大量生產(chǎn)；</p><p>　　c. 可以做得很薄，因此，可以較小擾動裝載的宇宙飛船等飛行器的空氣動力學(xué)性能；</p><p>　　d. 無需作大的變動，天線

29、就很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；</p><p>　　e. 天線的散射截面較小；</p><p>　　f. 稍微改變饋電位置就可獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)；</p><p>　　g. 不需要背腔，微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)(固體器件如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上。</p><p>　　

30、微帶天線與通常的微波天線相比，也有一些缺點(diǎn):</p><p><b>　　a. 頻帶窄；</b></p><p>　　b. 有損耗，因而增益較低；</p><p>　　c. 大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；</p><p>　　d. 最大增益實(shí)際上受限制(約為20dB)；</p><p>　　e.

31、饋線與輻射元之間的隔離差；</p><p>　　f. 可能存在表面波，功率容量較低。</p><p>　　但是，采取一些辦法可減少某些缺點(diǎn)，例如，只要在設(shè)計(jì)和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。在實(shí)際應(yīng)用中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)。</p><p>　　微帶天線已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其主要應(yīng)用范圍如下:衛(wèi)星通信、多普勒及其</p><

32、p>　　它雷達(dá)、無線電測高計(jì)、指揮和控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈遙測、武器信管、便攜裝置、環(huán)境檢測儀表和遙感、復(fù)雜天線中的饋電單元、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、生物醫(yī)學(xué)輻射器等[4]。但在目前，由于各個領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，微帶天線在無線通信中已獲得廣泛應(yīng)用，它還將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用，而且將進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。 </p><p>　　1.3本文主要研究工作</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要基于對現(xiàn)有閱讀器

33、天線仿真研究，設(shè)計(jì)適用于UHF頻段的閱讀器天線。要求體積小，增益高，用Ansoft HFSS軟件對天線進(jìn)行仿真，具體指標(biāo)如下：</p><p>　　a．工作頻率：902-928MHz</p><p>　　b．增益：大于5dBi</p><p><b>　　c．駐波比：小于2</b></p><p>　　d．極化方式：圓極

34、化</p><p><b>　　2 微帶天線</b></p><p>　　微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。它利用微帶線或同軸線等饋電，在導(dǎo)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。</p><p>　　導(dǎo)體貼片一般是鉛和金，可取任意形狀，但是，通常都用規(guī)則的形狀，如矩形、圓形或

35、圓環(huán)形等以簡化分析和預(yù)期其性能?；慕殡姵?shù)應(yīng)較低，這樣可增強(qiáng)產(chǎn)生輻射的邊緣場，但是，也有其它的一些性能則要求使用介電常數(shù)較大的基片材料[5]。目前已研制成了介電常數(shù)范圍較大和損耗角正切低的各種類型的基片。</p><p>　　2.1微帶天線研究現(xiàn)狀</p><p>　　2.1.1 微帶天線的發(fā)展近況 </p><p>　　近些年來，天線作為通信、廣播、雷達(dá)

36、、制導(dǎo)等無線電應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備在功能、設(shè)計(jì)及制造工藝上都發(fā)生了巨大變化。尤其微帶天線以其重量輕、可共形、易集成、便于匹配等優(yōu)點(diǎn)獲得了更多青睞，發(fā)揮了其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。尤其在移動通信和射頻識別中，微帶天線的地位在將來的發(fā)展中將無可比擬。人們歷經(jīng)幾十年的努力，在克服其固有缺點(diǎn)方面得到了長足進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下方面。</p><p>　　a. 頻帶特性 </p><p>　　一般單層微帶天

37、線的帶寬只有0.7%-7%，頻帶窄這一主要缺點(diǎn)制約了它的發(fā)展。目前，很多的研究人員致力于展寬微帶天線帶寬的研究，使得天線單元的帶寬達(dá)到了20%甚至更高。</p><p>　　近年來所開發(fā)并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙層貼片和U形槽貼片，無論在探針或槽孔耦合的饋電方式下都獲得了高達(dá)40%的阻抗匹配微帶，使制約貼片頻帶的因素轉(zhuǎn)化為輻射效率和極化特性(20%以上)[6]。此外，微帶貼片結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)(較窄頻帶的)雙頻或多頻工作，其下一目

38、標(biāo)是獲得大頻率比和可控頻率比的寬頻帶特性。</p><p>　　b. 小型化 </p><p>　　微電子技術(shù)與大規(guī)模集成電路迅猛發(fā)展，使天線成為電子設(shè)備中龐大、笨重部件的問題日漸突出，因而對能與設(shè)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，較低頻段(VHF、UHF)[7]，傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然很大。這樣，實(shí)用化小型微帶天線的研制，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。</p>

39、;<p>　　在系統(tǒng)中，高介電常數(shù)的基片使貼片的幾何尺寸進(jìn)一步縮小，困難轉(zhuǎn)化為如何抑制基片中存在的表面波效應(yīng)。近年來出現(xiàn)的光子帶隙PBG(Photonic Band -Gap)基片材料可以有效地抑制表面波，解除了用較厚基片的限制，并可提高天線的增益、減弱陣元之間的互耦。</p><p>　　c. 饋線網(wǎng)絡(luò) </p><p>　　采用探針或槽孔耦合的背饋方式將輻射部分與饋線

40、部分接地板隔開，是優(yōu)先考慮的結(jié)構(gòu)方案。微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)會引入明顯的導(dǎo)電損耗和色散性；非色散的帶狀線不便與電路集成一體；介質(zhì)波導(dǎo)饋電的方案則另辟蹊徑而受到重視?？臻g功率合成的有源陣將各輻射單元直接與傳輸廣接收組件連接，減少了饋線長度，接收通道的放大器還可補(bǔ)償其傳輸損耗，將成為大規(guī)模陣列系統(tǒng)的發(fā)展主流。</p><p>　　2.1.2 天線設(shè)計(jì)的主要工作 </p><p>　　當(dāng)前，空氣介

41、質(zhì)層技術(shù)研究工作主要集中在天線設(shè)計(jì)、頻率選擇、防沖突技術(shù)等方面。低頻頻段繞開障礙物能力強(qiáng)但覆蓋范圍相對較小、能量低、數(shù)據(jù)傳輸率小、方向性不強(qiáng)、穿透能力較弱，高頻頻段覆蓋范圍大、能量高、數(shù)據(jù)傳輸率大、方向性和穿透能力都相對較強(qiáng)但卻易被障礙物阻擋，頻率選擇影響著標(biāo)簽的性能和尺寸大小，關(guān)系著標(biāo)簽與讀寫器的價格，而且為了產(chǎn)品的通用，還必須考慮著各國對無線電頻段使用和發(fā)射功率的規(guī)定，所以選好頻率很重要。</p><p>　

42、　受應(yīng)用場合的限制，空氣介質(zhì)層通常需要貼在不同類型、不同形狀的物體表面，甚至需要嵌入到物體內(nèi)部。要求低成本的同時，還要求有高的可靠性。此外，天線還承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用，這些因素對天線的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。當(dāng)前對微帶天線天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)以提高輻射效率上，而要提高輻射效率，一方面要增強(qiáng)天線對惡劣環(huán)境的抗干擾能力，比如電磁干擾和金屬屏蔽，另一方面要控制能量損失，比如要抑制表面波提高增益。</p><

43、p>　　天線結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖、極化方向、阻抗特性、駐波比、天線增益和工作頻段等特性[8]。方向性天線由于具有較少回波損耗，比較適合電子標(biāo)簽應(yīng)用。 </p><p>　　天線特性受所標(biāo)識物體的形狀及物理特性影響。如金屬物體對電磁信號有衰減作用，金屬表面對信號有反射作用，物體尺寸對天線大小有一定限制等。人們根據(jù)天線的以上特性提出了多種解決方案，如采用曲折型天線解決尺寸限制，采用倒F型天線解決金屬表面的反射問

44、題等[9]。天線特性還受天線周圍物體和環(huán)境的影響。</p><p>　　2.2 微帶天線特點(diǎn)</p><p>　　由于空間技術(shù)發(fā)展與對低剖面天線的需要，使這種新型的天線得到進(jìn)一步發(fā)展。微帶天線的發(fā)展是現(xiàn)代微波集成電路技術(shù)和實(shí)踐在天線領(lǐng)域的重要應(yīng)用。</p><p><b>　　2.2.1 優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　

45、　和常用的微波天線(拋物面天線和相控陣天線)相比，微帶天線主要優(yōu)點(diǎn)有:體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；易于實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作天線的散射截面較小:能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向；易于和微帶線路集成，制造成本低，易于批量生產(chǎn)。微帶天線己得到愈來愈廣泛的重視，已用于大約100MHz-1000MHz的寬廣頻域上，包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、制導(dǎo)武器以及便攜式無線電設(shè)備上。相同結(jié)構(gòu)的

46、微帶天線組成微帶天線陣可以獲得更高的增益和更大的帶寬[10]。</p><p>　　2.2.2 缺點(diǎn) </p><p>　　微帶天線的主要缺點(diǎn)是：頻帶窄；有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，并且會激勵表面波，導(dǎo)致輻射效率降低；方向系數(shù)較低；單個微帶天線的功率容量小；性能受基片材料影響大等。</p><p>　　在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)，甚至在處于它的發(fā)展早

47、期，微帶天線己有許多不同的和成功的應(yīng)用。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，可以預(yù)料，對于大多數(shù)的應(yīng)用，它將最終取代常規(guī)的天線。</p><p><b>　　2.3 天線的參數(shù)</b></p><p>　　描述天線工作特性的參數(shù)稱為天線電參數(shù)(Basic antenna parameters)，又稱為電指標(biāo)。它們是定量衡量天線性能的尺度。為了正確設(shè)計(jì)或選擇

48、天線，需要射頻識別系統(tǒng)微帶天線的研究了解發(fā)射天線的電參數(shù)[11]。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力。下面介紹發(fā)射天線的主要電參數(shù)。</p><p><b>　　2.3.1 方向性</b></p><p>　　天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個天線的輻射場都具有方向性。

49、所謂方向性，就是在相同距離的條件下天線輻射場的相對值與空間方向(子午角θ、方位角φ)的關(guān)系。</p><p>　　常采用歸一化函數(shù)F（θ，φ）表示，即</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中，fmax(θ ,φ) 為方向函數(shù)的最大值；Emax為最大輻射方向上的電場強(qiáng)度；E(θ ,φ)為同一距離（θ，φ）方向上的

50、電場強(qiáng)度。</p><p><b>　　2.3.2 方向圖</b></p><p><b>　　a.方向圖 </b></p><p>　　將方向函數(shù)用曲線描繪出來，稱之為方向圖(Field Pattern)。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方向函數(shù)而繪出的為歸一化

51、方向圖。輻射強(qiáng)度與輻射方向有關(guān)，這種關(guān)系以相對刻度描繪：線性(功率方向圖)，平方根(場強(qiáng)方向圖)，分貝(dB)。</p><p>　　b.方向圖參數(shù) </p><p>　　實(shí)際天線的方向圖通常有多個波瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣。</p><p>　　(1) 零功率點(diǎn)波瓣寬度(Beam Width between First Nulls, BWFN)：指主瓣

52、最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。</p><p>　　(2) 半功率點(diǎn)波瓣寬度(Half Power Beam Width, HPBW)：指主瓣最大值兩邊場強(qiáng)等于最大值的0.707倍(或等于最大功率密度的一半)的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度。如果天線的方向圖只有一個強(qiáng)的主瓣，其他副瓣均較弱，則它的定向輻射性能的強(qiáng)弱就可以從兩個主平面內(nèi)的半功率點(diǎn)波瓣寬度來判斷。</p><p&g

53、t;　　(3) 副瓣電平(Side Lobe Lever, SLL)：指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝來表示。</p><p>　　(4) 前后比：指主瓣最大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。</p><p>　　c. 方向系數(shù) </p><p>　　方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向圖中特定方向的輻射強(qiáng)弱程度，未能

54、反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻射能力[12]。方向系數(shù)能夠定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)。</p><p>　　方向系數(shù)定義為：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax(或場強(qiáng)∣Emax∣的平方)和無方向性天線(點(diǎn)源)的輻射功率密度S0(或場強(qiáng)∣E0∣的平方)。</p><p><b>　?。?.2）</b

55、></p><p>　　式中Pr、Pr0分別為實(shí)際天線和無方向性天線的輻射功率。從式子可知方向系數(shù)與輻射功率在全空間的分布狀態(tài)有關(guān)[13]。要使天線的方向系數(shù)大，不僅要求主瓣窄，而且要求全空間的副瓣電平小。</p><p>　　2.3.3 天線效率</p><p>　　一般來說，載有高頻電流的天線導(dǎo)體及其絕緣介質(zhì)都會產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實(shí)功率并不能全部地轉(zhuǎn)

56、換成電磁波能量?？梢杂锰炀€效率來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率定義為天線輻射功率Pr,與輸入功率Pin之比，記為ηA,即</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　2.3.4 增益系數(shù)</p><p>　　方向系數(shù)衡量天線方向輻射特性的參數(shù)，它只決定于方向圖；天線效率則表示了天線在能量上的轉(zhuǎn)換效能；而增益系數(shù)(G

57、ain)則表示了天線的定向增益程度。</p><p>　　增益系數(shù)等于在同一距離及相同輸入功率的條件下，某天線在最大輻射方向的輻射功率密度Smax和理想無方向性天線(理想點(diǎn)源)的輻射功率密度S0之比，記為G0。</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　?。?.5） 增益系數(shù)是綜合衡量天線能

58、量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積。在實(shí)際中，天線的最大增益系數(shù)是比方向系數(shù)更為重要的電參量，即使它們密切相關(guān)。</p><p>　　2.3.5 天線的極化</p><p>　　天線的極化是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方向上的電場的空間取向[14]。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射方向而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。&l

59、t;/p><p>　　輻射場的極化，即在空間某一固定位置上電場矢量端點(diǎn)隨時間運(yùn)動的軌跡，按其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化。媒質(zhì)中某點(diǎn)的電場作為時間的函數(shù)沿直線振蕩時稱之為線極化波。電場端點(diǎn)沿圓運(yùn)動，稱圓極化波。電場沿</p><p>　　橢圓路徑，則稱橢圓極化波。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直</p><p>　　極化波;當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地

60、面時，此電波稱為水平極化波。水平極化波因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。一般移動通信系統(tǒng)中采用垂直極化的傳播方式。隨著新技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種雙極化天線。一般分為垂直與水平極化和±45º[15]。極化兩種方式，性能上一般后者優(yōu)于前者，因此月前大部分采用±45º極化方式。雙極化天線組合了+45º和

61、-45º兩副極化方向相互正交的天線，并同時工作在收發(fā)雙工模式，大大節(jié)省了小區(qū)的天線數(shù)量。</p><p>　　任意極化波的瞬時電場矢量的端點(diǎn)軌跡為一橢圓。極化橢圓的長軸2A和短軸2B之比,稱為軸比AR(Axial Ratio)。</p><p>　　圓極化天線的基本電參數(shù)就是它所輻射的電磁波的軸比︱r︱，一般是指其最大增益方向上的軸比。對于純圓極化波，︱r︱=1，即0dB。軸比︱

62、r︱不大于3dB的帶寬，定義為天線的圓極化帶寬。</p><p>　　2.3.6 頻帶的寬度</p><p>　　當(dāng)天線工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度(bandwidth)。根據(jù)頻帶寬度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。若天線的最高工作頻率為fmax，最低工作頻率為fmin，對于窄頻帶天線，采用相對帶寬。

63、而對于超寬頻帶天線，常用絕對帶寬。</p><p>　　通常，相對帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線，例如引向天線；相對帶寬達(dá)百分之幾十的為寬頻帶天線，例如螺旋天線；絕對帶寬可達(dá)到幾個倍頻的稱為超寬頻帶天線，例如對數(shù)周期天線。</p><p>　　2.3.7 天線的輸入阻抗和駐波比</p><p>　　天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接

64、，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)、行波系數(shù)，駐波比和回波損耗。用的較多的是駐波比和回波損耗。</p><p>　　電壓駐波比(VSWR)用來評價負(fù)載接至無損耗傳輸線的不匹配程度。其值在1到無

65、窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。</p><p>　　回波損耗等于反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)(單位為dB)?；夭〒p耗的值在0dB到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。</p><p><b>　　2.3.8 參數(shù)</b><

66、;/p><p>　　散射矩陣S參數(shù)可以完全反映高頻器件的反射與傳輸特性。只需測得S參數(shù),便可得到以上所需測量的參數(shù)。</p><p>　　2.4微帶天線的饋電方法</p><p>　　大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹</p><p>　　配。匹配

67、可由適當(dāng)?shù)剡x取饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。因此，可用格林函數(shù)法來確定微帶線饋電和同軸饋電位置的影響。</p><p>　　微帶饋電分為中心微帶饋電和偏心微帶饋電結(jié)構(gòu)示于。饋電點(diǎn)的位置也決定激勵哪種模式。當(dāng)天線元的尺寸確定后可按下法進(jìn)行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新作成天線。另外，如果天線的幾何圖形只

68、維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線?？捎迷S多方法激勵。如果場沿矩形貼片的寬度變化，則當(dāng)饋線沿寬度變化時，輸入阻抗隨之改變，從而提供了一種阻抗匹配的簡單方法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變。不過稍加改變貼片尺寸或天線尺寸，可補(bǔ)償諧振頻率的漂移。</p><p>　　2.5典型的微帶天線和貼片材料</p>&

69、lt;p>　　2.5.1 微帶天線的基本類型</p><p>　　微帶天線基本類型有：微帶振子天線、微帶行波天線、微帶縫隙天線和微帶陣列天線。</p><p>　　微帶振子天線由介質(zhì)基片、在基片一面貼有任意平面幾何形狀的導(dǎo)電體以及在基片的另一面敷以平面金屬片所構(gòu)成。平面幾何形狀常見的有正方形、矩形、圓形、橢圓形，以及其他圖案。</p><p>　　微帶線行波天

70、線是根據(jù)行波天線原理，在微帶基礎(chǔ)上做成的天線。</p><p>　　微帶縫隙天線是由微帶饋線和開在地片上的縫隙所組成，縫隙可以是矩形、圓形或環(huán)形，根據(jù)縫隙天線的原理來設(shè)計(jì)。</p><p>　　微帶陣列天線用微帶振子構(gòu)成陣列天線，具有高增益、波束掃描和波束控制等特性。</p><p>　　2.5.2 矩形微帶天線</p><p>　　矩形微帶

71、天線是由矩形導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上形成的天線。通常利用微帶傳輸線或同軸探針來饋電，使導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。微帶貼片如圖2.1也可看作為寬為W、長為l的一段微帶傳輸線，其終端處(y=l邊)因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹和電流的波節(jié)。一般取l=λg/2, λg為微帶線上波長。于是另一端(y=0邊)也呈現(xiàn)電壓波腹和電流的波節(jié)。</p><p>

72、　　圖2.1 矩形微帶貼片天線示意圖</p><p>　　2.5.3 圓極化標(biāo)簽天線</p><p>　　由于RFID系統(tǒng)常用于待識別物體位置不固定的情況，標(biāo)簽天線要求共形、重量輕、體積小且又成本低的圓極化天線。</p><p>　　圓極化天線的意義體現(xiàn)在：</p><p>　　a. 圓極化天線可接收任意線極化的來波，其輻射波也可由任意線極化

73、天線收到。這是標(biāo)簽天線普遍采用圓極化波工作的原因。</p><p>　　b. 天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不接收右旋圓極化波;若天線輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波。</p><p>　　c. 圓極化波入射到對成目標(biāo)(如平面、球面等)時，反射波變?yōu)榉葱颍醋笮ㄗ冇倚?，右旋波變左旋?lt;/p><p>　　口徑耦合饋電的微帶天線是比較常用的一

74、種圓極化天線。它交叉極化電平低，易獲得寬頻帶匹配，適于圓極化設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.5.4 微帶貼片材料</p><p>　　典型的微帶天線結(jié)構(gòu)是帶導(dǎo)電地板介質(zhì)基片上的金屬貼片。介質(zhì)基片的選擇是設(shè)計(jì)微帶天線的重要一環(huán)，它將影響天線尺寸、工作帶寬、效率、功率容量和</p><p><b>　　加工工藝[16]。</b></p>

75、<p>　　基片的選擇一般應(yīng)考慮以下的各項(xiàng)因素：</p><p>　　a. 介電常數(shù)、損耗角值以及它們的頻率特性；</p><p>　　b. 參數(shù)均勻性，即基片各點(diǎn)的、厚度及其他性能的一致性；</p><p>　　c. 各向同性，即在各個方向上的電磁場作用下，等性能的一致性。但特殊應(yīng)用需采用非各向同性介質(zhì)基片(如鐵氧體)的例外；</p>

76、<p>　　d. 熱膨脹系數(shù)或溫度系數(shù)；</p><p>　　e. 加工的穩(wěn)定性、可加工性及抗沖擊能力；</p><p><b>　　f. 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；</b></p><p>　　g. 可粘性，即導(dǎo)電貼片與基片的粘接強(qiáng)度，以及電鍍對基片性能的影響；</p><p><b>　　h. 功率容量；<

77、/b></p><p>　　i. 表面波激勵的可能性。</p><p>　　2.6微帶天線的主要技術(shù)</p><p>　　2.6.1 寬頻帶技術(shù) </p><p>　　微帶天線方向圖帶寬是寬的，主要限制于阻抗帶寬。對于給定的貼片形式，展寬其阻抗頻帶有三條途徑：</p><p>　　a. 降低Q值，主要是增大基

78、片厚度和降低基片相對介電常數(shù)。這些都是常用的基本手段。但增加基片厚度會加大表面波輻射損耗，從而導(dǎo)致空間波發(fā)射效率的下降；</p><p>　　b. 修改諧振電路(如形成雙峰諧振電路等)。具體實(shí)施方式如設(shè)置耦合貼片</p><p>　　(寄生元)，采用多層結(jié)構(gòu)等；</p><p>　　c. 加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。有的將VSWR<1.5帶寬展寬到35%。</p&g

79、t;<p>　　2.6.2 多頻段工作 </p><p>　　多頻段的基本實(shí)現(xiàn)方式可分兩類:單片與雙片。雙片法利用諧振頻率不同的兩個貼片來工作。通常將較小的貼片疊在較大貼片上，稱為背馱式微帶天線。對矩形貼片，選用的是TM01模和TM10模，二者諧振頻率比約為1: 3。可插入短路針來提高TM01模諧振頻率，或在貼片上開縫來降低TM10模頻率，從而控制二頻比。</p><p>

80、　　2.6.3 饋電方式 </p><p>　　現(xiàn)在有微帶線邊饋、同軸線底饋、電磁耦合、口徑耦合四種方式。若基片較厚，采用微帶線邊饋時微帶饋線尺寸大。一種解決辦法是將微帶饋線及饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕在另一薄片上，反貼于背面。上述饋線與貼片通過一短針相連，但也可改為在中間接地板上開孔來耦合，即口徑耦合方式[17]。厚基片時同軸線的引線電感大。</p><p>　　2.6.4抑制表面波效應(yīng)的技術(shù)

81、 </p><p>　　空氣貼片微帶天線的研究很深刻地體現(xiàn)了矛盾原理，即在我們提高微帶天線某一個性能的同時，往往會減弱另一個性能，比如拓展天線帶寬和提高輻射效率就是一對矛盾。在通過加厚介質(zhì)基片、疊加貼片技術(shù)使微帶天線帶寬展寬的同時，天線的損耗加重了，效率降低了，于是人們又將目光轉(zhuǎn)向了天線效率的提高上。影響天線效率的主要原因是導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、表面波損耗、反射損耗等。其中當(dāng)介質(zhì)基片厚度增大時其表面波損耗占主導(dǎo)地

82、位。所以要想提高天線的輻射效率，加強(qiáng)抑制表面波損耗的研究至關(guān)重要。</p><p>　　2.7 矩形微帶天線及其分析方法</p><p>　　最簡單的微帶貼片結(jié)構(gòu)是矩形微帶天線，如圖2.2所示。其基本天線元是薄介質(zhì)基片上的帶狀導(dǎo)體，介質(zhì)基片的背面是地板。由于這種天線結(jié)構(gòu)簡單，因而成為大量研究論文的課題，并且作了許多努力來預(yù)計(jì)和計(jì)算矩形微帶天線的輻射特性。它們從復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式到簡單的模型

83、，現(xiàn)已證明，這些數(shù)學(xué)表示式和模型已經(jīng)足夠了，但還不能得到精確解。</p><p>　　圖2.2 矩形微帶貼片天線</p><p>　　微帶貼片輻射器的特性可由輻射方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬、波瓣寬度效率損耗和Q因數(shù)來表征。因而，雖然方法很多，但是，就設(shè)計(jì)成本和性能推算而論，有一個最佳方法，既可以用簡單的表示式推算天線參數(shù)并與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相一致，下面將介紹腔體模型。饋電點(diǎn)的位置也決定激勵

84、哪種模式。當(dāng)天線元的尺寸確定后可按下法進(jìn)行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新作成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)?shù)剡x取饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。因此，可用格林函數(shù)法來確定微帶線饋電和同軸饋電位置的影響。<

85、;/p><p><b>　　腔體模型理論</b></p><p>　　如圖2.3所示，微帶貼片天線微帶片和接地板之間的盒形區(qū)域可看作諧振腔它的上下壁為微帶片和面積相同的接地板周圍的柱形面為側(cè)璧。這個模型的提出是基于觀察到：在以微帶和地板為邊界的區(qū)域內(nèi)，電場只有z分量，而磁場只有x和y分量；在此區(qū)域中，對于所有有意義的頻率，場都和z坐標(biāo)無關(guān)；在邊緣的任何點(diǎn)上，微帶中的電流都

86、沒有正交于邊緣的分量，這意味著沿邊緣的切向分量可以忽略。</p><p>　　圖2.3 空腔模型幾何關(guān)系</p><p>　　微帶貼片天線微帶片和接地板之間的盒形區(qū)域可看作諧振腔它的上下壁為微帶片和面積相同的接地板周圍的柱形面為側(cè)璧。</p><p>　　因而，微帶和地板之間的區(qū)域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下兩面的電壁圍成的腔體[18]。天線中的場可以假定為腔體

87、的場，從而可求出輻射方向圖、輻射功率和饋電點(diǎn)在任何位置的輸入導(dǎo)納。</p><p>　　用下面的關(guān)系式可求得腔體模型的電場和磁場</p><p>　?。?.6） （2.7）</p><p><b>　　（2.8）</b></p><p><b>　?。?.9

88、）</b></p><p>　　式中，是相對于z軸的橫向算子，是矩形微帶貼片輻射器場的解，對于TMmn模，其諧振波數(shù)kmn為：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　當(dāng)微帶天線用微帶線或同軸線饋電時，將激勵起許多模，如在解中考慮的不夠，就產(chǎn)生錯誤的結(jié)論。</p><p>　　假

89、定微帶天線的周界可用理想導(dǎo)磁體圍起來而不擾動場分布，則場可用模函數(shù)展開。對此，結(jié)構(gòu)中的Ez分量可寫成：</p><p><b>　　（2.11）</b></p><p>　　式子中，；是介質(zhì)的損耗角正切；。</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　和是黎曼（Neuman

90、n）數(shù)，定義為：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　d是沿z方向一安培均勻饋電電流帶的有效寬度。</p><p>　　當(dāng)知道了場分布時，可將惠更斯原理用于腔體磁壁以確定在周界上的磁流源，定義式為：</p><p><b>　　（2.14） </b></p&

91、gt;<p>　　于是，方向圖、輻射功率、輸入阻抗等均可很容易的求出。由上述討論不難看出基本的腔模理論應(yīng)用上的限制h<<λ的條件是很重要。</p><p>　　2.7.2 矩形微帶天線的性能分析 </p><p><b>　　a.方向圖</b></p><p>　　對于大多數(shù)工程應(yīng)用來說，簡單的傳輸線模型給出的結(jié)

92、果已足夠滿意。這個模型的提出是基于觀察到：在以微帶和地板為邊界的區(qū)域內(nèi)，電場只有z分量，而磁場只有x和y分量；在此區(qū)域中，對于所有有意義的頻率，場都和z坐標(biāo)無關(guān)；在邊緣的任何點(diǎn)上，微帶中的電流都沒有正交于邊緣的分量，這意味著沿邊緣的切向分量可以忽略，輻射方向圖畫出，如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 矩形微帶天線理論方向圖</p><p>　　E面方向圖計(jì)算公式：</p&

93、gt;<p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　H面方向圖計(jì)算公式：</p><p><b>　　（2.16）</b></p><p><b>　　b.帶寬</b></p><p>　　饋線的電壓駐波比（VSWR）小于S時，微帶天線帶寬為：&l

94、t;/p><p><b>　?。?.17）</b></p><p>　　式中QT為品質(zhì)因數(shù)。</p><p>　　計(jì)算證明，當(dāng)頻率一定時，選用較大的h和較低值可得到較寬的帶寬。通常微帶天線的帶寬約為百分之幾的量級。為了增加帶寬，可增加輻射單元的電感、在微帶天線上挖孔或開槽、或者附加電感分量以及改善輻射單元同饋線的匹配等方法。</p>

95、<p><b>　　c.波瓣寬度</b></p><p>　　微帶天線主瓣的半功率角寬度可近似由下式計(jì)算</p><p><b>　?。?.18）</b></p><p><b>　　（2.19）</b></p><p>　　由式可見，選較小的輻射單元尺寸可加寬微帶天

96、線的主瓣寬度。</p><p>　　d.方向性系數(shù)及增益</p><p>　　將矩形微帶天線看成一段傳輸線分開的兩個縫隙所構(gòu)成，其中一個縫隙的方向性系數(shù)可表示成</p><p><b>　?。?.20）</b></p><p>　　則整個矩形微帶天線的方向性系數(shù)可表示為：</p><p><

97、b>　?。?.21）</b></p><p>　　其中為歸一化互導(dǎo)，可由下式求出</p><p><b>　?。?.22）</b></p><p>　　其中為單縫的輻射電導(dǎo)，為以x為自變量的零階貝塞爾函數(shù)。要求出天線的增益，就必須知道矩形微帶天線的效率。效率公式可表示為：</p><p><b&g

98、t;　?。?.23）</b></p><p>　　為輻射電導(dǎo)，為導(dǎo)體電導(dǎo)，為介質(zhì)電導(dǎo)，P為它們相應(yīng)的功率，</p><p><b>　　增益可表示為：</b></p><p><b>　?。?.24）</b></p><p>　　3 Ansoft軟件</p><p&g

99、t;　　3.1 Ansoft軟件功能</p><p>　　Ansoft軟件提供一系列的工具方便于設(shè)計(jì)。通過Ansoftlinks 把layout工具Cadence Allegro,Mentor Graphics BoardStation,Synopsys Encore 和Zuken CR-5000 Board Designer 導(dǎo)入電路板設(shè)計(jì)，然后通過SIwave提取全波參數(shù)，隨后動態(tài)鏈接到Ansoft Desi

100、gner 進(jìn)行電路仿真。利用HFSS對各部分建立參數(shù)化的模型。Ansoft Designer 是Ansoft高頻/高速設(shè)計(jì)的通用仿真設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真、電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化、版圖生成和多層平面電磁場仿真完全無縫集成，能夠動態(tài)鏈接三維電磁場仿真工具，為射頻、微波、告訴系統(tǒng)、通信及雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供全集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)平臺。Ansoft SIwave 是高性能PCB/封裝SI/PI/EMI設(shè)計(jì)仿真工具，采用了全波電磁場求解技術(shù)，精確地計(jì)

101、算包括DC狀況下的S-、Y-、Z-參數(shù)，精確地進(jìn)行全波參數(shù)提取。</p><p>　　3.2 Ansoft HFSS軟件仿真流程</p><p>　　下面講述Ansoft HFSS的具體仿真過程。</p><p>　　3.2.1 建模（Draw）</p><p>　　點(diǎn)擊Draw按鈕，進(jìn)入三維建模器（3D Solid Modeler）。三維建

102、模器界面上有4個窗口，其1、2、4、窗分別顯示所建模型之三視圖z面、x面、y面，窗口3顯示立體模型。窗口2用于畫圖。在繪圖過程中，用Define Plane菜單命令來改變繪圖平面，以繪制不同部分的圖形；用Zoom,Shift進(jìn)行放縮、平移；用Measure進(jìn)行距離計(jì)算。用F9可對圖像進(jìn)行適合屏幕大小的顯示?？梢灾苯永L制的物體（Object）有：Line,Arc,Circle,Ellipse,Rectangle,Spira等。</p

103、><p>　　模型建好后，存盤退出。</p><p>　　3.2.2 材料定義（Setup Material）</p><p>　　點(diǎn)擊Setup Material按鈕進(jìn)入材料定義菜單（Define Meterial Menu）。</p><p>　　3.2.3 定義端口和邊界（Setup Ports/Surfaces）</p>&

104、lt;p>　　點(diǎn)擊Setup Ports/Surfaces按鈕進(jìn)入端口和邊界定義菜單（Define Ports/Surfaces Menu）。端口和邊界的類型有：電壁（Perfect E）、磁壁（Perfect H）、阻抗（Impedance）、電阻器（Resistor）、輻射邊界（Radiation Boundary）、電壓</p><p>　　（3-Point Plane）、立體盒（Volume Box

105、）、物體名（Object Name）。</p><p>　　點(diǎn)擊New Ports,因?yàn)樘炀€單元是單端口元件，故在number of ports中輸入“1”。點(diǎn)擊New Boundary，輸入邊界名，定義邊界。邊界和端口定義好后，再點(diǎn)擊Boundary Display,這一步必不可少，因?yàn)樗粌H僅是對邊界進(jìn)行顯示，而是要進(jìn)行初始化工作，為下面的仿真做準(zhǔn)備。在邊界顯示菜單（Boundary Display Menu

106、）里，提供了將各邊界在立體模型上用不同顏色做標(biāo)記的功能，便于深入檢查。</p><p>　　3.2.4設(shè)置求解參數(shù)（Setup Solution Parameters）</p><p>　　進(jìn)入設(shè)置求解參數(shù)菜單（Setup Solution Parameters）,設(shè)置允許迭代誤差（Allowable Delta S）；自適應(yīng)頻率（Adapt Frequency）；最大迭代次數(shù)（Numbe

107、r of Additional Adaptive Passes）。這些值是根據(jù)天線單元具體情況選定。這些工作做好后，即可退出，進(jìn)行求解。</p><p>　　3.2.5 后處理（Post Processing）</p><p>　　Ansoft HFSS提供了強(qiáng)大的后處理功能，它能給出所仿真器件的散射矩陣、端口特性阻抗、波束立體角、方向系數(shù)、輻射效率和最大輻射方向的功率密度。能對散射矩陣的

108、掃頻曲線（Scattering Matrix vs.Frequency）、天線方向圖（Antenna Gain Pattern）、天線的雷達(dá)截面積（Radar Cross Section）和電磁場分布（Magnitude E-Field）等進(jìn)行圖示，并能對天線單元工作時能量的傳輸與輻射過程進(jìn)行三維動畫模擬顯示。</p><p>　　3.2.6 計(jì)算機(jī)上的調(diào)試</p><p>　　根據(jù)初次仿

109、真結(jié)果，對照設(shè)計(jì)要求，修改相應(yīng)尺寸，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。在調(diào)試過程中，一方面是對模型進(jìn)行整體調(diào)試。 </p><p>　　3.2.7仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證</p><p><b>　　a. 掃頻結(jié)果</b></p><p>　　經(jīng)過掃頻，得到軸比的曲線圖。</p><p><b>　　b. 方向圖</b>&l

110、t;/p><p>　　運(yùn)用軟件的場計(jì)算功能，可得到在中心頻率時E面和H面方向圖。</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用一點(diǎn)饋電的單片圓極化方案，采用切角的方式實(shí)現(xiàn)圓極化。其原理是基于空腔模型理論，利用簡并模分離元產(chǎn)生兩個輻射正交極化的簡并模工作。其優(yōu)點(diǎn)是無需外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適

111、合小型化，缺點(diǎn)是帶寬窄。</p><p>　　空腔模型理論基于薄微帶天線的假設(shè)，將導(dǎo)電貼片與導(dǎo)電接地板間的空間看成四周為磁壁、上下為電壁的諧振腔。此方法把天線問題分成兩部分:①求天線的場源分布，即空腔封閉面內(nèi)的場；②求天線外場。空腔模型能對微帶天線的工作特性有更深入的物理理解，而矩形微帶天線的傳輸線模型是空腔內(nèi)只有主模時的特例。空腔模型法對薄微帶天線(h為百分之幾的波長)具有很好的精度。</p>&

112、lt;p>　　空腔模型法研究由貼片與接地面之間組成的兩個導(dǎo)電面間區(qū)域內(nèi)的場，它是基于以下條件：</p><p>　　a. 空腔內(nèi)只存在電場E和磁場H的橫向分量；</p><p>　　b. 在腔體內(nèi)，場不隨z變化；</p><p>　　c. 沿腔體邊緣磁場H的切向分量為零；</p><p>　　d. 邊緣效應(yīng)可由延伸周邊來等效。</

113、p><p>　　矩形貼片的諧振頻率為</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　εe為等效介電常數(shù)，l和W分別為矩形的長和寬，c為光速。</p><p>　　4.1 介質(zhì)基板材料、厚度</p><p>　　選用較小介電常數(shù)εr的基板時，天線頻帶較寬；對于選定的εr，基板厚度h

114、。</p><p>　　增加基片厚度、減小基片的介電常數(shù)是微帶天線帶寬拓展的基本方法。</p><p>　　其主要通過降低微帶天線等效諧振電路的Q值來拓展帶寬。</p><p>　　此外，介質(zhì)厚度增大，輻射效率也增大。由微帶天線理論，增益隨厚度的增大而增大，而隨介電常數(shù)的降低而增大。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)要求頻率，我們選用介電常數(shù)為

115、2.65的Polyflon_NorCLAD介質(zhì)板。損耗角正切值為0.0011。</p><p><b>　　4.2 空氣層</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)引入空氣層，如圖4.1所示，增加介質(zhì)層厚度，降低等效介電常數(shù)，使得天線的帶寬顯著增加，克服了微帶貼片天線帶寬窄的缺點(diǎn)。</p><p>　　圖4.1 有空氣隙的微帶天線結(jié)構(gòu)</p&g