基于C型槽天線的研究

1、提供全套，各專業(yè)畢業(yè)設(shè)計南 京 師 范 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）（ 屆）題 目： 基于C型槽天線的研究 學(xué) 院： 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 南京師范大學(xué)教務(wù)處 制摘 要微帶天線由于重量輕、制作簡單、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),特別適合應(yīng)用于各種移動地面設(shè)備,以及飛行載體電子設(shè)備。但微帶貼片天線同時具有阻抗帶寬窄、增益低的缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用范圍。近些年來，隨著通訊設(shè)備的發(fā)展，對天線的性能提出了更高的要求，因此迫切需要對微帶天線進(jìn)行新技術(shù)的研究。本文設(shè)計出了一種C型槽天線，改變了傳統(tǒng)貼片天線阻抗帶寬窄的缺點(diǎn),在較小體積的條件下實(shí)現(xiàn)展寬帶寬的目

2、的。通過分析研究C型槽線諧振特性，選取合適的饋電方式，利用仿真軟件 HFSS對該天線的參數(shù)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。研究相關(guān)幾何結(jié)構(gòu)尺寸的改變對C型槽天線電性能的影響，探討槽天線的基本設(shè)計原理及其多頻、寬帶、小型化的設(shè)計技術(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果最后設(shè)計出了基于2.4GHz和5.8GHz為工作頻率的C型槽天線，這兩個頻率段又分別是WLAN 的工作頻率段，所以可以將天線適用于無限局域網(wǎng)。關(guān)鍵詞：微帶天線 槽天線 諧振點(diǎn) C型槽AbstractThe microstrip antenna have been widely used because of their good characteristics, su

3、ch as electrically thin, light weight, low cost and so on. However, the electrical performance of the basic microstrip antenna suffers from a number of serious drawbacks, including narrow band width, high feed network and low gain. As the rapidly developing of markets, suggest that the demand for mi

4、crostrip antennas will increase even further. In the meantime, it calls for the development of multiband.This paper presents a C-slot antenna. It overcomes the disadvantage of the traditional patch antenna such as impedance bandwidth. So the purpose of exhibiting wide bandwidth can be achieved in sm

5、all size. By analyzing the resonant characteristics of C-slot antenna and selecting a suitable feeding method. The parameter of the antenna is simulated using HFSS and the size of the antenna is optimized accordingly . In this paper , we study the influence on the performance according to the change

6、 of the geometric structure and discuss the principles of the antenna and the design technology of the slot with the performance of multi-frequency, wideband and miniaturization. According to the simulated results ,we design the C-slot antenna based on 2.4GHz and 5.8GHz,which are working frequency b

7、and of WLAN, so it can be applied to WLAN net.Key word：Microstrip Antenna slot antenna The antenna resonance C-slot目 錄摘 要1Abstract2第一章 緒論51.1微帶天線的背景及研究意義51.2微帶天線的國內(nèi)外研究進(jìn)展51.3微帶天線的定義61.4微帶天線的應(yīng)用61.5本文的工作以及章節(jié)安排6第二章 天線基礎(chǔ)理論72.1天線的基本參數(shù)72.1.1天線的方向特性參數(shù)72.1.2天線的阻抗特性82.1.3天線的效率82.1.4天線的極化特性82.1.5天線的有效長度和有效面積92

8、.1.6天線頻帶寬度92.2傳輸線理論92.2.1傳輸線的特性參數(shù)92.2.2傳輸線的工作參數(shù)102.2.3傳輸線的工作狀態(tài)102.3微帶縫天線112.3.1微帶窄縫天線112.3.2寬縫天線11第三章 微帶天線的分析方法133.1傳輸線法（TML）133.2腔模理論143.3積分方程法153.4微波網(wǎng)絡(luò)法15第四章 傳統(tǒng)微帶天線設(shè)計164.1微帶天線常用仿真軟件164.2微帶天線的理論基礎(chǔ)174.2.1微帶天線的饋線174.2.2微帶輻射貼片尺寸估算174.3側(cè)饋矩形微帶天線設(shè)計184.3.1設(shè)計要求184.3.2設(shè)計步驟184.3.3設(shè)計結(jié)果18第五章 C型槽天線的設(shè)計255.1基于2.4

9、GHz WLAN C型槽天線的設(shè)計255.2改進(jìn)饋電后的C型槽天線295.3基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線的設(shè)計335.4基于5.8GHz WLAN 雙開C型槽天線的設(shè)計37第六章 總結(jié)和展望42參 考 文 獻(xiàn)43致 謝45 第一章 緒論1.1微帶天線的背景及研究意義微帶天線由于重量輕、制作簡單、成本低、易于與載體平臺共形以及適合組陣等諸多優(yōu)點(diǎn),特別適合應(yīng)用于各種移動地面設(shè)備,以及飛行載體電子設(shè)備，因此微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，形成天線領(lǐng)域的一個獨(dú)立分支。但由于高品質(zhì)因素的諧振本性決定了其帶寬很窄，限制了應(yīng)用，所以要展寬微帶天線帶寬。對微帶天線的研究正在蓬勃展開，這是一個具有極

10、強(qiáng)生命力的課題。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微帶天線無論在理論研究，還是在工藝制造上都將越來越成熟，必將開辟更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。1.2微帶天線的國內(nèi)外研究進(jìn)展槽天線作為偶/單極子天線的互補(bǔ)形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、交叉極化小、輻射性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外對槽天線的設(shè)計研究主要包含以下幾個方面：（1）漸變槽天線。漸變槽天線最早由Lewis等人于1974年提出，它具有低剖面、適合共形、易于制作等優(yōu)點(diǎn)，同時漸變槽天線還可以實(shí)現(xiàn)多倍頻程帶寬和對稱的E面和H面方向圖。根據(jù)槽線外形還可分為：直線型、階梯形、指數(shù)型、三角型、拋物線型等等。由于通常漸變槽天線開口長度和寬度分別大于一個和半個波長，

11、其尺寸加大，不易于其他小型化設(shè)備集成。（2）窄槽天線。Yoshimura等人于1972年提出了典型的矩形窄槽天線。該天線的縫寬比縫長小很多，且為雙向輻射。由于槽線本身電抗的影響，當(dāng)用微帶線饋電時，駐波比帶寬一般限于5-7% 。L. Zhu等人對傳統(tǒng)的矩形窄縫天線做出了改進(jìn)，將輸入端設(shè)計為四分之一波長的阻抗變換段，并與四分之一波長的微帶開路枝節(jié)相連，按適當(dāng)?shù)钠茖p隙偏置饋電，使得駐波比帶寬達(dá)32%。（3）寬槽天線。寬槽天線由半波長的窄槽天線通過增加槽線的寬度演變而來，其長度與寬度可比擬。這種天線帶寬較寬，可以使用微帶線或者共面波導(dǎo)方便的饋電，其中寬槽的形狀多樣，可以設(shè)計為矩形、圓形、橢圓形以及

12、三角形等。該天線通過多種諧振模式的組合來展寬帶寬，其中存在相互正交極化的輻射模式，因此極化特性并不好。但超寬帶室內(nèi)通信對極化特性要求不高，因此這種天線可以作為室內(nèi)超寬帶通信天線使用。（4）蝴蝶結(jié)槽天線。蝴蝶結(jié)天線最初是由雙錐天線的平面化發(fā)展而來，它保留了雙錐天線的極化穩(wěn)定、帶寬無高頻截止等特點(diǎn)，克服了雙錐天線重量比較重，體積也不夠小的缺點(diǎn)；但是目前蝶形槽天線大部分由共面波導(dǎo)饋電，帶寬均在40%左右，與其它形式的寬槽天線的帶寬尚有很大差距，也不容易發(fā)揮出蝴蝶結(jié)天線本身無高頻截止的阻抗帶寬特性。雖然國內(nèi)外對槽天線已經(jīng)有較為廣泛深入研究，但隨著天線對寬帶化、小型化以及多頻段等多方面的要求日益提高，仍

13、有諸多問題尚未解決，特別在新型結(jié)構(gòu)及饋電方法等方面還有待完善。1.3微帶天線的定義要對微帶天線做出一個完整的定義是困難的，因為它有多種形式，結(jié)構(gòu)最簡單的微帶天線（microstrip antenna）是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的天線。微帶天線分2 種：貼片形狀是一細(xì)長帶條，則為微帶振子天線。貼片是一個面積單元時，則為微帶天線。如果把接地板刻出縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印制出微帶線時，縫隙饋電，則構(gòu)成微帶縫隙天線。1.4微帶天線的應(yīng)用在無線電技術(shù)領(lǐng)域，對于信息的傳輸，天線的作用是不可或缺的。隨著

14、社會發(fā)展和進(jìn)步，對信息傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁?，因此天線的發(fā)展方興未艾。微帶天線的優(yōu)勢有低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的等，可集成到無線電設(shè)備內(nèi)部，可用于室內(nèi)，也可用于室外，其尺寸可大可小。在許多實(shí)際設(shè)計中，微帶天線的諸多優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)，使其得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。相信隨著對微帶天線功能認(rèn)識的提高，微帶天線一定會在更加廣泛的領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。目前，微帶天線已在空間技術(shù)，移動通信衛(wèi)星和手持便攜式通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。微帶天線在民用上面常見于微波雷達(dá)傳感器，如：2.4GHz雷達(dá)傳感器，相對于傳統(tǒng)的喇叭天線，傳感器具有體積小，方向性好，使用方便等特點(diǎn)。另外，我國幅域遼闊，雖然有線

15、網(wǎng)發(fā)展迅速，但對于廣大的農(nóng)村以及偏遠(yuǎn)的地域來說，無線傳輸可能是唯一的途徑。在電視技術(shù)領(lǐng)域，隨著電視在農(nóng)村的普及以及高清晰度電視的出現(xiàn)，微帶天線的發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的市場和光明的前景。1.5本文的工作以及章節(jié)安排本論文對側(cè)饋矩形微帶天線、基于2.4GHz WLAN C型槽天線、基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線和基于5.8GHz WLAN雙開C型槽天線進(jìn)行了深刻細(xì)致的研究，利用三維電磁仿真軟件對C形槽天線進(jìn)行了仿真設(shè)計及分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。論文的具體安排如下：第一章， 簡單介紹了微帶天線的定義和應(yīng)用。介紹了微帶天線的研究背景和研究進(jìn)展。第二章， 主要介紹了天線的基礎(chǔ)理論，包括基本參數(shù)

16、、傳輸線理論和微帶縫天線。第三章， 主要介紹了微帶天線的分析方法，即常用的傳輸線法、腔膜理論和積分方程法。第四章， 主要對常用軟件進(jìn)行了介紹，以及設(shè)計了側(cè)饋矩形微帶天線。第五章， 對基于2.4GHz WLAN C型槽天線、基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線和基于5.8GHz WLAN雙開C型槽天線進(jìn)行了設(shè)計，并對相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，選取最適合的尺寸。第六章， 對本論文進(jìn)行簡單總結(jié)，并對未來發(fā)展進(jìn)行展望。 第二章 天線基礎(chǔ)理論2.1天線的基本參數(shù)2.1.1天線的方向特性參數(shù)1、方向性函數(shù)天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為天線的方向性函數(shù)，可以這樣來定義天線的方向性函數(shù)：在離開天線一定距離

17、處，描述天線輻射場的相對值與空間方向的函數(shù)關(guān)系，稱為方向性函數(shù)，表示為（）。為便于比較不同天線的方向特性，通常采用歸一化方向性函數(shù)。定義為：F（）= (2-1)式中的為指定距離上某方向（）的電場強(qiáng)度值，為同一距離上的最大電場強(qiáng)度值；為方向性函數(shù)的最大值。2、方向圖根據(jù)天線的方向函數(shù)在各種坐標(biāo)系中繪出的表征天線方向特性的圖稱為天線的方向圖。繪制方向圖通常采用極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)，極坐標(biāo)方向圖直觀性強(qiáng)，直角方向坐標(biāo)圖易于表示和比較各方向上場強(qiáng)電平的相對大小。為了便于比較各種天線的方向圖，方向圖一般都對最大值歸一化。3、主瓣寬度、副瓣電平主瓣軸線兩側(cè)的兩個半功率點(diǎn)（即功率密度下降為最大值的一半或場強(qiáng)下降

18、為最大值的）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表示為2（E面）或2（H面）。主瓣寬度愈小，說明天線輻射的能量愈集中，定向性愈好。最大副瓣的功率密度和主瓣功率密度之比的對數(shù)值，稱為副瓣電平，表示為： (2-2) 通常要求副瓣電平盡可能低。4、方向性系數(shù)方向性系數(shù)用來表征天線輻射能量集中的程度，其定義為：在相同的輻射功率下，某天線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的平方與理想無方向性點(diǎn)源天線（該天線的方向圖為一球面）在同一點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的平方的比值。= (2-3)式中的分別為受試天線和理想的無方向性天線的輻射功率。5、天線增益 在相同的輸入功率下，受試天線在其最大輻射方向上某點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度與理想的無方向性

19、天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值。= (2-4)式中的分別為受試天線和理想的無方向性天線的輸入功率。2.1.2天線的阻抗特性1、輻射電阻將天線輻射功率等效為一個電阻吸收的功率，這個等效電阻就稱為天線的輻射電阻。輻射功率與輻射電阻的關(guān)系為： = (2-5)式中的電流若取天線上的波腹電流，則稱為“歸于波腹電流的輻射電阻”；若取天線的輸入電流，則稱為“歸于輸入電流的輻射電阻”。2、輸入阻抗天線的輸入阻抗定義為天線輸入端的電壓與電流的比值，表示為 = = + j(2-6)式中的表示輸入阻抗，表示輸入電抗。天線的輸入端是指天線通過饋線與發(fā)射機(jī)（或接收機(jī)）相連時，天線與饋線的連接處。天線作為饋線的負(fù)載，通

20、常要求達(dá)到阻抗匹配。天線的輸入阻抗是天線的一個重要參數(shù)，它與天線的幾何形狀、激勵方式、與周圍物體的距離等因素有關(guān)。只有少數(shù)較簡單的天線才能準(zhǔn)確計算其輸入阻抗，多數(shù)天線的輸入阻抗則需通過實(shí)驗測定，或進(jìn)行近似計算。2.1.3天線的效率天線的效率定義為天線的輻射功率與輸入功率之比，即 = (2-7)式中， ，分別是天線的輻射功率、輸入功率和損耗功率。也可以寫成 = (2-8)式中， ，分別是天線的輻射電阻、輸入電阻和損耗電阻。可見為了提高天線的效率，應(yīng)盡可能提高天線的輻射電阻和降低損耗電阻。2.1.4天線的極化特性天線的極化特性是天線在其最大輻射方向上電場矢量的取向隨時間變化的規(guī)律。極化就是在空間給

21、定上電場矢量的端點(diǎn)隨時間變化的軌跡。按軌跡形狀分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化天線又分為水平極化（電場方向與地面平行）和垂直極化（電場方向與地面垂直）天線。圓極化天線又分為右旋圓極化和左旋圓極化天線。通常，偏離最大輻射方向時，天線的極化將隨之改變。2.1.5天線的有效長度和有效面積天線的有效長度是衡量天線輻射能力的又一個參數(shù)，它的定義是：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)不變的條件下，假設(shè)天線上電流分布為均勻分布，電流的大小等于輸入端的電流，此假想天線的長度為.即稱為實(shí)際天線的有效長度。發(fā)射天線的有效面積定義為一具有均勻口徑場分布的口徑天線的面積，該口徑天線與原口徑天線在最大輻射方向產(chǎn)生相

22、同的輻射場強(qiáng)。接受天線的有效面積定義為：天線所接收的功率等于單位面積上的入射功率乘以它的有效面積。 2.1.6天線頻帶寬度天線的所以電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計的中心頻率時，往往要引起電參數(shù)的變化。天線的頻帶寬度的一般定義是：當(dāng)頻率改變時，天線的電參數(shù)能保持在規(guī)定的技術(shù)要求范圍內(nèi)，將對應(yīng)的頻率范圍稱為該天線的頻帶寬度，簡稱帶寬。天線頻帶寬度通常用相對帶寬表示： (2-9)天線的帶寬目前習(xí)慣按以下的相對帶寬分類：窄帶天線：0%B1%；寬帶天線：1%B25%；超寬帶天線：25%B200%；由于01,B是的單調(diào)減函數(shù)，因此B的最大值200%是不可能達(dá)到的，因為它對應(yīng)于； B的最小值0%

23、對應(yīng)于單頻工作0。2.2傳輸線理論2.2.1傳輸線的特性參數(shù)1、特性阻抗傳輸線的特性阻抗定義為傳輸線上行波電壓與行波電流之比。 （2-10）對于無損耗傳輸線，、，則 （2-11）2、傳播常數(shù) （2-12）其中（2-13）稱為衰減函數(shù)，表示傳輸線單位長度上行波電壓（或電流）振幅的變化。 （2-14）稱為相位函數(shù)，表示傳輸線單位長度上行波電壓（或電流）相位的變化。3、相速度 相速度指行波等相位面移動的速度 （2-15）4、波長 波長即波在一周期內(nèi)沿線所傳播的距離 （2-16）2.2.2傳輸線的工作參數(shù)1、輸入阻抗傳輸線任意點(diǎn)的電壓和電流的比值定義為該點(diǎn)沿向負(fù)載方向看去的輸入阻抗。設(shè)已知終端電壓和終

24、端電流(2-17)式中 為終端負(fù)載阻抗。2、反射系數(shù)傳輸線上某點(diǎn)的反射波電壓與入射波電壓之比，定義為該點(diǎn)的反射系數(shù)，即(2-18)式中(2-19)稱為傳輸線的終端反射系數(shù)。3、駐波系數(shù)與行波系數(shù)一般情況下，傳輸線上存在入射波和反射波，它們相互干涉形成駐行波。入射波與反射波同向疊加達(dá)最大值，反向疊加達(dá)最小值。傳輸線上電壓最大值與電壓最小值之比，稱為電壓駐波系數(shù)或電壓駐波比，用S表示，即(2-20)傳輸線上電流最大值與電流最小值之比，稱為電流駐波系數(shù)或電流駐波比。電流駐波系數(shù)與電壓駐波系數(shù)的值是一樣的。行波系數(shù)定義為駐波系數(shù)的倒數(shù)。2.2.3傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線存在三種不同的狀態(tài)，即行波狀態(tài)、駐

25、波狀態(tài)和混合波狀態(tài)。他們?nèi)Q于傳輸線終端所接的負(fù)載。行波狀態(tài)即傳輸線上無反射波出現(xiàn)，只存在入射波的工作狀態(tài)。而駐波狀態(tài)即當(dāng)傳輸線終端開路（）或短路（）或接純電抗負(fù)載時，線上的反射波振幅與入射波振幅相等，兩者疊加，在線上形成全駐波。三種負(fù)載所決定的駐波分布，其區(qū)別在于傳輸線終端處波的相位不同?；旌喜顟B(tài)是當(dāng)傳輸線終端所接的負(fù)載阻抗不等于特性阻抗，也不是短路、開路或接純電抗性負(fù)載，而是接任意阻抗負(fù)載時，線上將同時存在入射波和反射波，且兩者的振幅不等，疊加后形成混合波狀態(tài)。2.3微帶縫天線微帶縫天線能產(chǎn)生雙向輻射，對制作公差要求很低，與微帶振子天線組合起來可以構(gòu)成圓極化天線。2.3.1微帶窄縫天線微

26、帶窄縫天線的輸入阻抗主要決定于縫的尺寸、基片相對介電常數(shù) 和厚度以及饋線與縫的相對位置。微帶饋線和縫的相對位置有三種形式：側(cè)饋、偏饋及中心饋電，如圖2-1所示。它們形成了三種饋電方式，不管哪種饋電方式，對于微帶饋線來說縫相當(dāng)于傳輸線上的一個串聯(lián)諧振回路。 （a） （b） （c）圖2-1 窄縫天線的饋電方式 （a）側(cè)饋 （b）偏饋 （c）中心饋電窄縫微帶天線雖然得到了較廣泛的應(yīng)用，但是它有兩個很大的缺點(diǎn)：頻帶窄；制作時對掩膜精度要求較高。2.3.2寬縫天線圖2-2表示微帶寬縫天線的結(jié)構(gòu)。微帶饋線超過縫的距離d，終端開路?？p長L接近。適當(dāng)選擇和d可達(dá)到良好的匹配。圖2-2 由微帶饋電的單個寬縫微帶

27、天線“寬”縫微帶天線，它的縫寬和波長可比。寬縫微帶天線的優(yōu)點(diǎn)是：（1）頻帶寬度10%（2）用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)可在覆銅印刷電路板上進(jìn)行生產(chǎn)（3）對校準(zhǔn)掩膜的公差要求較低。 第三章 微帶天線的分析方法3.1傳輸線法（TML）利用傳輸線模式分析微帶天線是比較早期的方法，也是最簡單的方法。圖3-1 是此種方法的物理模型。方法的基本假設(shè)是：圖3-1 傳輸線模型 (1) 微帶片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn) TEM 波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)，線的長度，為準(zhǔn) TEM 波的波長。場在傳輸方向是駐波分布，而在其垂直方向（圖中的寬度方向）是常數(shù)。(2) 傳輸線的兩個開口端（始端和末端）等效為兩個輻射縫，長為

28、，寬為。縫口徑場即為傳輸線開口端場強(qiáng)。縫平面看作微帶兩端的延伸平面，即是將開口面向上折轉(zhuǎn)，而開口場強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。由以上兩條基本假設(shè)可以看出，當(dāng)時，兩縫上的切向電場均為方向，且等幅同相。它們等效為磁流，由于接地板的作用，相當(dāng)于兩倍磁流向上半空間輻射。縫上等效磁流密度為為傳輸線開口端電壓。由于縫已放平，我們在計算上半空間輻射場時，就可以按自由空間處理。這是這種方法的方便之處。（b）同軸饋線（a）微帶饋線圖3-2 微帶天線的等效電路圖3-2 是微帶天線的等效電路，（a）為微帶饋電方式，圖中Ys 為縫隙的輻射導(dǎo)納。（b）為同軸饋電方式，探針從接地板空引出，稱為底饋。它與微帶饋電不同之處在于會引入電感。由

29、上述討論可見，傳輸線法簡明、物理直觀性強(qiáng)。但是它的應(yīng)用范圍受到很大的限制。首先，傳輸線模型限制了它只能應(yīng)用于矩形微帶天線及微帶振子。雖然圓形微帶天線也可以有徑向傳輸線與之對應(yīng)，但一般不常用。傳輸線的另外一個主要的缺點(diǎn)是，除了諧振點(diǎn)外，輸入阻抗隨頻率變化曲線是不準(zhǔn)確的。由于傳輸線模型是一維的，因此當(dāng)饋電點(diǎn)的位置在與波垂直的方向上變化時，阻抗不變；其次傳輸線模型相當(dāng)于一個單諧振回路，在諧振頻率附近，阻抗的頻率特性是對稱的，用原圖表示的阻抗曲線對稱于實(shí)軸。上述兩點(diǎn)均與試驗不符。實(shí)驗表明，阻抗曲線與饋電的二維位置有關(guān)，并且當(dāng)饋電點(diǎn)由邊緣向中心移動時，阻抗曲線的不對稱逐漸顯著，并向電感區(qū)收縮。這種計算與

30、實(shí)測的差異，源于傳輸線法本質(zhì)性的缺陷。因為微帶天線并非只存在最低階的傳輸線模式，還有其他高次模式場的存在，在失諧時這些模式將顯示其作用。一般來說，傳輸線法較適用于在輻射邊附近饋電，并且饋電點(diǎn)位于該邊的對稱軸上，此時計算出的阻抗曲線才有較大的參考價值。傳輸線法的另一不完善之處是縫導(dǎo)納的計算，它的電納部分通常是按照準(zhǔn)靜態(tài)法計算的，所得到的等效伸長在高頻條件下不準(zhǔn)確，故實(shí)際上往往通過對樣件的實(shí)測來確定伸長量，這樣得出的數(shù)據(jù)更可靠。3.2腔模理論腔模理論是1979 由Y.T.Lo 等人提出的經(jīng)典分析方法。該理論基于薄微帶天線假設(shè)，將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四周為磁壁、上下為電壁的諧振空腔。天線

31、輻射場由空腔四周的等效磁流來得出，天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場和饋源邊界條件來求得。腔模理論是對傳輸線法的發(fā)展。它能應(yīng)用于范圍更廣泛的微帶天線，并且由于涉及了高次模，算得的阻抗曲線較準(zhǔn)，且計算量不算大，比較適合工程設(shè)計的需要。圖3-3微帶天線上各膜的電場和壁上面的磁流分布但是，基本的腔模理論同樣要經(jīng)過修正，才能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。特別值得注意的是邊界。導(dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問題分開成獨(dú)立的問題，理論上是嚴(yán)格的，只是邊界導(dǎo)納確定比較困難，使計算只能是近似的。在腔模理論中，認(rèn)為腔內(nèi)場是二維函數(shù)，這在薄基片時是合理的，但對于厚基片將引入誤差。由于應(yīng)用微帶天線的目的就是降低剖面高度，因此在多數(shù)情況下這

32、不成問題。但對于近來采用厚介質(zhì)基板提高帶寬的微帶天線設(shè)計就不適用。3.3積分方程法積分方程法也叫全波分析法，通常要先利用邊界條件得出源分布的積分方程, 解出源分布,再由積分算式來求得總場。由于實(shí)際問題的復(fù)雜性, 積分方程的求解和場積分的計算一般都要借助數(shù)值計算技術(shù)來完成。全波分析中的數(shù)值分析方法主要包括矩量法、有限元法和時域有限差分法。矩量法最為常用。用矩量法分析微帶天線時都會遇到Sommerfeld-Type(一類有奇異性的高振蕩函數(shù) )的積分, 傳統(tǒng)的方法效率很低, 由于積分時間很長使得矩量法在微帶天線的應(yīng)用中受到極大的限制。 1997年 Seong-Ook Park 首次提出利用漸近提取

33、法對Sommerfeld-Type積分進(jìn)行處理, 積分速度有了很大提高, 使矩量法再次得到人們的重視。3.4微波網(wǎng)絡(luò)法微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運(yùn)用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎(chǔ)上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場的問題轉(zhuǎn)化為路的問題來解決。一般地，對于一個網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來測量和分析，Y稱導(dǎo)納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)，在微波系統(tǒng)中，由于確定非TEM波電壓、電流的困難性，而且在微波頻率測量電壓和電流也存在實(shí)際困難。因此，在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得

34、較抽象。與直接測量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。 S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)。散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來計算。只要知道網(wǎng)絡(luò)的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。圖3-4 二端口網(wǎng)絡(luò) 定義為從 Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值。第四章 傳統(tǒng)微帶天線設(shè)計4.1微帶天線常用仿真軟件傳輸線理論和腔

35、模理論通常是對具體的問題進(jìn)行近似假設(shè)，其模型簡單，并沒有復(fù)雜的數(shù)值分析。而全波分析法通常要先利用邊界條件得出源分布的積分方程，解出源分布，再由積分算式來求得總場。由于實(shí)際問題的復(fù)雜性，積分方程的求解和場積分的計算一般都要借助數(shù)值計算技術(shù)來完成。全波分析中的數(shù)值分析方法主要包括矩量法(MOM)，有限元法(FEM)，時域有限差分法(FDTD)，而且隨著計算條件的不斷改善，新的方法也不斷涌現(xiàn)。在這些數(shù)值分析方法中，矩量法最為常用，時域有限差分法，有限元法也運(yùn)用的較為廣泛。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種商用電磁仿真軟件涌現(xiàn)出來。主要的廠商有：安捷倫(Agilnet)，Ansoft，zelnad 等。各種電

36、磁仿真軟件都是以矩量法、有限元、時域有限差分法等基本的電磁場全波分析方法作為內(nèi)核，并配以友好的圖形界面以及豐富的參數(shù)轉(zhuǎn)換、圖表輸出功能。本文主要應(yīng)用 Ansoft 仿真軟件進(jìn)行微帶天線的仿真，也有相關(guān)的書籍對 Ansoft 仿真軟件進(jìn)行了原理性和建模的解釋說明。HFSS軟件采用有限元法，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。以下是HFSS軟件設(shè)計流程：1、設(shè)置求解類型。使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計時，可以選擇模式驅(qū)動（Driven Modal）求解類型或者終端驅(qū)動（Driven Terminal）求解類型。2、創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在HFSS模型窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS參數(shù)化設(shè)計模型。3、設(shè)

37、置邊界條件。在HFSS中，與背景相接觸的表面都被默認(rèn)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界（Perfect E）；為了模擬無限大的自由空間，在使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計時，必須把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件或者理想匹配層（PML）邊界條件，這樣HFSS才會計算天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場。4、設(shè)置激勵方式。無線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱為激勵端口。天線設(shè)計中的饋電面的激勵方式主要有兩種，分別是波端口激勵（Wave Port）和集總端口激勵（Lumped Port），通常與背景相接觸饋電面的激勵方式使用波端口激勵，在模型內(nèi)部的饋電面的激勵方式使用集總端口激勵。5、設(shè)置求解

38、參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)，其中，求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。6、運(yùn)行求解分析。上述操作完成后，整個仿真計算由HFSS軟件自動完成。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說明計算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。7、查看求解結(jié)果。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分可以查看HFSS分析出的天線各項性能參數(shù)。如果仿真計算的天線性能滿足設(shè)計要求，接下來可以著手天線的制作和調(diào)試工作。如果仿真計算的天線性能未能達(dá)到設(shè)計要求，那么還需要使用HFSS的參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計。8、Optimetrics優(yōu)化設(shè)計。如果仿真計算的天線性能未

39、能達(dá)到設(shè)計要求，那么還需要使用Optimetrics優(yōu)化設(shè)計模塊的參數(shù)掃描分析功能和優(yōu)化設(shè)計功能來優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸，以找到滿足要求的天線設(shè)計。4.2微帶天線的理論基礎(chǔ)4.2.1微帶天線的饋線微帶天線有許多種饋電裝置形式，如微帶線饋電、同軸線饋電，耦合饋電（Coupled Feed）和縫隙饋電（Slot Feed）等。其中最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式。1、微帶線饋電微帶線饋電方式又稱為側(cè)饋，它用與微帶輻射貼片集成在一起的微帶傳輸線進(jìn)行饋電。它可以中心饋電，也可以偏心饋電饋電點(diǎn)的位置取決于激勵哪種模式。對于微帶傳輸線的饋電方式，當(dāng)微帶天線的尺寸確定以后,可以用以下方法進(jìn)行阻抗匹配

40、:先將中心饋電天線輻射貼片同50饋線一起光刻,測量輸入阻抗并設(shè)計出阻抗匹配變換器，然后在天線輻射貼片與饋線之間接入該阻抗匹配器，重新做成天線。如果矩形輻射貼片的場沿某邊有變化，那么輸入阻抗也會隨之變化。因此，改動饋電點(diǎn)的位置是獲得阻抗匹配的簡單辦法。2、同軸線饋電同軸線饋電又稱為背饋，它是將同軸插座安裝在接地板上，同軸線內(nèi)的導(dǎo)體穿過介質(zhì)基片接在輻射貼片上，若尋取正確的饋電點(diǎn)位置，就可以獲得良好的匹配。4.2.2微帶輻射貼片尺寸估算設(shè)計微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為，對于工作頻率的矩形微帶天線，可以用下式設(shè)計出高效率輻射貼片的寬度，即(4-1)式中，c是光速。輻射貼片

41、的長度一般取為；這里是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長，即為： (4-2)考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實(shí)際上的輻射單元長度L應(yīng)為： L=(4-3)式中，是有效介電常數(shù)，L是等效輻射縫隙長度。它們可以分別用下式計算，即為：(4-4)(4-5)4.3側(cè)饋矩形微帶天線設(shè)計4.3.1設(shè)計要求使用HFSS設(shè)計中心頻率為2.4GHz的矩形微帶天線，并給出其天線參數(shù)。介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的Rogers RT/duroid 5880 (tm)，天線饋電方式為微帶線饋電。 4.3.2設(shè)計步驟1、計算天線尺寸微帶天線的介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的Rogers RT/duroid 5880 (tm)，所以厚度h=1.6mm，介

42、質(zhì)的介電常數(shù)。由式（4-1）和（4-3）（4-5）計算得出：輻射貼片寬度：w=49.41mm輻射貼片長度：L=41.35mm，有效介電常數(shù)： =2.11，等效縫隙寬度： =0.84mm。2、饋電點(diǎn)位置和輸入阻抗設(shè)計中，微帶線饋電點(diǎn)的位置選在輻射貼片的中點(diǎn)。此時饋電點(diǎn)和輻射貼片邊緣距離為,可以計算出此時天線的輸入導(dǎo)納，從而推算出天線的輸入阻抗3、阻抗匹配4、微帶線的尺寸 4.3.3設(shè)計結(jié)果依據(jù)理論計算所得到的尺寸，利用HFSS軟件畫出的3D圖形如4-1所示：（其中饋線和槽分別在兩個面上，下同）圖4-1 側(cè)饋矩形微帶天線的HFSS設(shè)計模型的3D模型的俯視圖仿真結(jié)果如圖4-2所示：圖4-2 側(cè)饋矩形

43、微帶天線的掃頻分析結(jié)果從分析結(jié)果看中可以看出，天線的諧振頻率落在2.44GHz上。而我們設(shè)計要求的工作頻率為2.4GHz，與預(yù)設(shè)略有偏差，所以接下來需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計優(yōu)化，使天線的諧振頻率落在2.4GHz上。 根據(jù)理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率主要由輻射貼片的長度決定，貼片的長度越長，則諧振頻率越低。接下來，我們使用參數(shù)掃描分析功能分析諧振頻率隨著輻射貼片長度L0的變化關(guān)系，從而找到諧振頻率為2.4GHz時對應(yīng)的L0值。根據(jù)不同的L0畫出的曲線如圖4-3所示：圖4-3 不同L0對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著L0的增加而降低，當(dāng)L0=40mm時，諧振頻率約為2.4GHz。

44、改變貼片寬度W，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖4-4所示：圖4-4 不同W對應(yīng)的曲線從仿真結(jié)果可以看出：改變貼片寬度W對諧振點(diǎn)影響不大，從而進(jìn)一步驗證了理論天線的諧振頻率主要由輻射貼片的長度L0決定。一般而言，微帶天線的邊緣阻抗約為100400，并符合微波器件通用50系統(tǒng)，所以在設(shè)計微帶線饋電的矩形微帶天線時，可加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器，使得微帶天線的邊緣阻抗與50阻抗達(dá)成匹配。假設(shè)天線的邊緣阻抗為，微帶線特性阻抗為，1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的特性阻抗為。阻抗匹配的條件為：微帶線特性阻抗，天線邊緣阻抗，所以波長阻抗轉(zhuǎn)換器的特性阻抗為。根據(jù)上述條件，我們下面又對天線的饋電方式和尺寸進(jìn)行了改動

45、，給天線加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器段利用HFSS軟件畫出的3D圖形如圖4-5所示：圖4-5 加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的HFSS設(shè)計模型加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的掃頻分析結(jié)果如圖4-6：圖4-6 加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的掃頻分析結(jié)果從圖中可以看出，諧振點(diǎn)頻率落在了2.4Ghz上，且回波損耗較好，符合工業(yè)上小于-10dB的要求，匹配得較好。分析在2.4GHz下天線的表面電流密度分布（圖4-7）和電場分布（圖4-8）可知，因為傳播方向上只有電場，沒有磁場，所以天線工作模式為模。天線的表面電流密度分布（2.4GHz）：圖4-7天線的

46、表面電流密度分布（2.4GHz）天線的電場分布：圖4-8 天線的電場分布（2.4GHz）加上一段1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的xoy平面增益方向圖、xoz平面增益方向圖、yoz平面增益方向圖和3D方向圖分別如圖4-9、圖4-10、圖4-11和圖4-12所示。xoy平面增益方向圖：圖4-9 天線的xoy平面增益方向圖xoz平面增益方向圖：圖4-10 天線的xoz平面增益方向圖yoz平面增益方向圖：圖4-11 天線的yoz平面增益方向圖3D方向圖：圖4-12 天線的3D方向圖從方向圖中可以看出，傳播方向為沿z軸正半軸，因為底面有金屬板，所以波傳不過去，被大量反射回來。由分析結(jié)果計算出該天

47、線的相對帶寬為：1.20%?？梢?，傳統(tǒng)微帶天線的帶寬太窄，基于此情況，我們提出微帶槽天線來展寬帶寬。第五章 C型槽天線的設(shè)計5.1基于2.4GHz WLAN C型槽天線的設(shè)計基于2.4GHz WLAN C型槽天線的設(shè)計的3D模型圖如圖5-1圖5-1 基于2.4GHz WLAN C型槽天線的HFSS設(shè)計模型根據(jù)理論分析可知，C型槽天線的長度越長，則諧振頻率越低。我們改變C型槽離上下邊的距離dy，從而改變C型槽的長度。dy越小，C型槽長度越長，頻率越低。使用參數(shù)掃描分析功能分析諧振頻率隨著dy的變化關(guān)系，從而找到諧振頻率為2.4GHz時對應(yīng)的dy值。改變C型槽長度，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如

48、圖5-2所示：圖5-2 不同dy對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著dy的增加而增加，當(dāng)dy=12mm時，諧振頻率約為2.4GHz。改變C型槽寬度width，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖5-3 所示：圖5-3 不同width對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著width的增加而增加，當(dāng)width=2mm時，諧振頻率約為2.4GHz。所以根據(jù)優(yōu)化得到的尺寸設(shè)計天線，相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置見表5-1表5-1：基于2.4GHz WLAN C型槽天線的參數(shù)設(shè)置結(jié)構(gòu)名稱變量名變量值（單位：mm）介質(zhì)基片厚度Hs1.6長度L140寬度W140特性阻抗為50的微帶饋線長度L214寬度W

49、24.92C型槽長方形長5.5寬2長方形長16寬2長方形長16寬2長方形長16寬2長方形長5.5寬2基于2.4GHz WLAN C型槽天線的掃頻分析結(jié)果如圖5-4：圖5-4 基于2.4GHz WLAN C型槽天線的掃頻分析結(jié)果基于2.4GHz WLAN C型槽天線的xoy平面增益方向圖、xoz平面增益方向圖、yoz平面增益方向圖和3D方向圖分別如圖5-5、圖5-6、圖5-7和圖5-8所示。xoy平面增益方向圖：圖5-5 天線的xoy平面增益方向圖xoz平面增益方向圖：圖5-6 天線的xoz平面增益方向圖yoz平面增益方向圖：圖5-7 天線的yoz面增益方向圖3D方向圖：圖5-8 天線的3D方向

50、圖其3D方向圖類似偶極子天線（Dipole）的3D方向圖。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，找到滿足要求的天線設(shè)計，如上圖所示。計算得出此C型槽天線的相對帶寬為2.47%，與4.3節(jié)對比后可以看出本節(jié)研究設(shè)計的天線在帶寬和尺寸上都有明顯的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)微帶天線的相對帶寬有了一點(diǎn)的改善。5.2改進(jìn)饋電后的C型槽天線因為上述C型槽天線雖然有了一定的優(yōu)化，但還未達(dá)到所希望的要求，因此，我進(jìn)一步對該槽天線的饋電進(jìn)行改善。改進(jìn)饋電后的C型槽天線的3D模型圖如圖5-9： 圖5-9 改進(jìn)饋電后的C型槽天線的3D模型圖改變C型槽長度，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖5-10所示：圖5-10 不同dy對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中

51、可以看出，諧振頻率隨著dy的增加而增加，當(dāng)dy=10mm時，諧振頻率約為2.4GHz。改變C型槽寬度width，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖5-11 所示：圖5-11 不同width對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著width的增加而增加，當(dāng)width=5mm時，諧振頻率約為2.4GHz。所以根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，與原C型槽天線相比，在以下方面做了改動（見表5-2）：表5-2改進(jìn)饋電后的C型槽天線的參數(shù)變化改動處改變后尺寸變量名變量值（單位：mm）增加了一個特性阻抗為100的微帶饋線長度30寬度1.42長方形長6.25寬5長方形長20寬5長方形長20寬5長方形長20寬5長方形長6.

52、25寬5改進(jìn)饋電后的C型槽天線的的掃頻分析結(jié)果：圖5-12改進(jìn)饋電后的C型槽天線的的掃頻分析結(jié)果改進(jìn)饋電后的C型槽天線的xoy平面增益方向圖、xoz平面增益方向圖、yoz平面增益方向圖和3D方向圖分別如圖5-13、圖5-14、圖5-15和圖5-16所示。 xoy平面增益方向圖：圖5-13 xoy平面增益方向圖xoz平面增益方向圖：圖5-14 xoz平面增益方向圖yoz平面增益方向圖：圖5-15 yoz平面增益方向圖3D方向圖：圖5-16 改進(jìn)饋電后的C型槽天線的3D方向圖由計算可得，改進(jìn)后的C型槽天線的相對帶寬為7.18%，相比之前的C型槽天線，有了明顯的突破。證明了不同的微帶饋線形式，對天線

53、的阻抗帶寬有一定的影響。5.3基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線的設(shè)計為了更進(jìn)一步探究尺寸改變對諧振點(diǎn)和帶寬的影響，我們又設(shè)計了一種基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線的設(shè)計，如圖5-17：圖5-17 基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線的HFSS設(shè)計模型改變C型槽長度，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖5-18所示：圖5-18 不同dy對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著dy的增加而增加，當(dāng)dy=9mm時，諧振頻率約為2.4GHz。改變C型槽寬度width，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖5-19 所示：圖5-19 不同width對應(yīng)的曲線從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著width的增加而增加，當(dāng)width=3mm時，諧振頻率約為2.4GHz。表5-3基于2.4GHz WLAN雙開C型槽天線的參數(shù)設(shè)置（圖中兩個C型槽參數(shù)一樣）結(jié)構(gòu)名稱變量名變量值（單位：mm）介質(zhì)基片厚度Hs1.6長度L140寬度W140特性阻抗為50的微帶饋線長度L220寬度W24.