口徑耦合寬頻圓極化天線設(shè)計(jì)

編號(hào)：題目：口徑耦合圓極化微帶天線設(shè)計(jì)學(xué)院：專(zhuān)業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師單位：姓名：職稱(chēng)：題目類(lèi)型：理論研究實(shí)驗(yàn)研究√工程設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究軟件開(kāi)發(fā)2012年12月25日摘要本文首先介紹了微帶天線的幾種理論分析方法，傳輸線模型理論，空腔模型理論和積分方程法。第三章接著討論了微帶天線的圓極化理論，圓極化波的性質(zhì)，以及如何實(shí)現(xiàn)圓極化，重點(diǎn)論述了單點(diǎn)饋電，雙點(diǎn)饋電的圓極化天線。第四章討論了微帶天線的寬頻帶和小型化技術(shù)，講述了多種實(shí)現(xiàn)小型化和寬頻帶的方法。本文在第五章討論小型圓極化天線的設(shè)計(jì)。運(yùn)用了前面章節(jié)所述的基本理論，討論了三種可以實(shí)現(xiàn)圓極化微帶天線的方法，重點(diǎn)討論了口徑耦合饋電的圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)三種方法的比較，由于口徑耦合饋電的方式較其他兩種更有優(yōu)勢(shì)，最后制作了口徑耦合饋電的天線實(shí)物，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，成功的實(shí)現(xiàn)了2.9GHZ到3.3GHZ的帶寬，并且在帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較好的駐波比特性和輻射特性。關(guān)鍵詞：圓極化；寬頻帶；微帶天線；口徑耦合AbstractThisarticlefirstintroducesseveraltheoriesofmicrostripantennaanalysismethod,thetransmissionlinemodelandcavitymodeltheoryandintegralequationmethod.Thenthethirdchapterdiscussesthetheoryofthecircularpolarizationmicrostripantenna,thenatureofthecircularpolarizedwave,andhowtoimplementcircularpolarization,focusonsinglepointfeedarediscussed,thetwopointcircularpolarizedantennafeeder.Thefourthchapterdiscussesthebroadbandmicrostripantennaandminiaturization,tellsthestoryofavarietyofwaystorealizeminiaturizationandwideband.Thisarticlediscussedinchapter5smallcircularpolarizedantennadesign.Utilizingthebasictheory,mentionedintheprevioussectiondiscussedthethreemethodcanrealizethecircularpolarizationmicrostripantenna,ofaperturecoupledfeedingismainlydiscussedinthedesignofthecircularpolarizationmicrostripantenna,bycomparingthreemethods,Duetotheaperturecoupledfeedingmethodshavemoreadvantagesthanothertwo,andfinallymaketheantennaaperturecoupledfeedingmaterial,throughtheactualmeasurement,thesuccessfulimplementationofthe2.9GHZto3.3GHZbandwidth,andwithinthescopeofthebandwidthachievedbetterstandingwaveratioandradiationcharacteristics.Keywords：Circularpolarization;Broadband;Microstripantenna;Aperturecoupling目錄第一章緒論 11.1天線簡(jiǎn)介 11.1.1天線的出現(xiàn)及發(fā)展 11.1.2天線的基本概念 11.1.3天線的基本電參數(shù) 1第二章微帶天線 42.1微帶天線的出現(xiàn)及發(fā)展 42.1.1微帶輻射器 42.1.2微帶天線的基本概念 42.1.3微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn) 42.2微帶天線的輻射原理 52.3微帶天線的基本分析方法 62.3.1傳輸線模型理論 62.3.2腔模理論 82.3.3積分方程法 82.3.4時(shí)域有限差分法（FDTD） 9第三章微帶天線圓極化技術(shù) 103.1圓極化波概述 103.1.1圓極化波的產(chǎn)生 103.1.2圓極化波的性質(zhì) 103.1.3圓極化微帶天線的主要電參數(shù) 113.2圓極化天線的實(shí)現(xiàn) 113.2.1單饋電圓極化微帶天線 113.2.2雙饋點(diǎn)法圓極化微帶天線 13第四章圓極化微帶天線小型化和寬頻帶技術(shù) 154.1圓極化微帶天線的寬頻帶技術(shù) 154.1.1微帶天線展寬頻帶的方法 154.1.2圓極化陣列天線 164.2微帶天線小型化技術(shù) 174.2.1微帶天線小型化的方法 17第五章Hfss設(shè)計(jì)圓極化微帶天線 195.1Hfss簡(jiǎn)介 195.2圓極化微帶天線的設(shè)計(jì) 195.2.1圓極化天線設(shè)計(jì)理論分析 195.2.2圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)仿真 21第六章結(jié)論 29謝辭 30參考文獻(xiàn) 31桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第31頁(yè)共36頁(yè)第一章緒論1.1天線簡(jiǎn)介1.1.1天線的出現(xiàn)及發(fā)展德國(guó)卡爾斯魯厄工學(xué)院的赫茲教授在1886年建立了第一個(gè)天線系統(tǒng)，他當(dāng)時(shí)裝配的設(shè)備如今可描述為工作在米波波長(zhǎng)的完整元線電系統(tǒng)，其中采用了終端加載的偶極子作為發(fā)射天線，并采用了諧振方環(huán)作為接收天線。此外，赫茲還用拋物面反射鏡天線做過(guò)實(shí)驗(yàn)。雖然赫茲是一位先驅(qū)者和無(wú)線電之父，但他的發(fā)明只停留在實(shí)驗(yàn)室的階段。1901年12月中旬，意大利博洛尼亞一位20歲的研究者馬可尼在赫茲的系統(tǒng)上添加了調(diào)諧電路，為較長(zhǎng)的。自赫茲和馬可尼發(fā)明了天線以來(lái)，天線在社會(huì)生活中的重要性與日俱增，如今已成不可或缺之勢(shì)。天線無(wú)處不在:家庭或工作場(chǎng)所，汽車(chē)或飛機(jī)里，船舶、衛(wèi)星和航天器的有限空間內(nèi)，甚至可以由步行者隨身攜帶。雖然各種各樣的天線令人眼花繚亂，但它們都遵從相同的電磁場(chǎng)基本原理。1.1.2天線的基本概念天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。在無(wú)線電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部件。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來(lái)傳遞信息的，都依靠天線來(lái)進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號(hào)的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。1.1.3天線的基本電參數(shù)描述天線工作特性的參數(shù)稱(chēng)為天線的電參數(shù)（BasicAntennaParameters），又稱(chēng)電指標(biāo)，它們是定量衡量天線性能的尺度。我們有必要了解天線的電參數(shù)，以便正確的設(shè)計(jì)和選擇天線。（1）方向函數(shù)由電基本振子的分析可知，天線輻射出的電磁波雖然為一球面波，但卻不是均勻球面波。因此，任何一個(gè)天線的輻射場(chǎng)都具有方向性。所謂方向性，就是在相同距離的條件下天線輻射場(chǎng)的相對(duì)值與空間方向的關(guān)系。若天線的輻射輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為，把電場(chǎng)強(qiáng)度寫(xiě)成（1-1）其中I為歸算電流，為方向函數(shù)，因此方向函數(shù)可以定義為：=（1-2）（2）方向圖如果我們將方向函數(shù)用曲線描繪出來(lái)，稱(chēng)之為方向圖。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場(chǎng)大小在空間中的相對(duì)分布隨方向變化的圖形，一句歸一化方向函數(shù)而繪出歸一化方向圖。在實(shí)際中，工程上常常采用兩個(gè)特定的正交平面方向圖。在自由空間中，最重要的兩個(gè)平面方向圖是E面和H面方向圖。E面即是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；H面是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。（3）增益系數(shù)增益系數(shù)表示了天線的定向收益程度，增益系數(shù)定義為：在同一距離及相同輸入功率條件下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度和理想無(wú)方向性天線的輻射功率密度之比，記為G，用公式表示如下：（1-3）（4）天線的極化天線的極化是指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的空間取向，一般而言，特指該天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)空間取向。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射放而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。所謂輻射場(chǎng)的極化，即在空間某一固定位置上的電場(chǎng)矢量斷點(diǎn)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡，根據(jù)軌跡形狀可以分為直線極化，圓極化，橢圓極化，其中圓極化又可以分為左旋圓極化和右旋圓極化。天線不能接收與其正交的極化分量。例如，線極化不能接收波中與其極化方向垂直的線極化波，圓極化天線不能接收與其旋向相反的極化分量。（5）輸入阻抗天線通過(guò)傳輸線和發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配的問(wèn)題，天線與傳輸線的連接處稱(chēng)為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗，即天線的輸入阻抗為天線的輸入電壓和電流之比：（1-4）其中，，分別為輸入阻抗和輸入電抗，它們分別對(duì)應(yīng)有功功率和無(wú)功功率。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，無(wú)功功率存在于近區(qū)中。天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)，工作頻率以及周?chē)h(huán)境的影響。輸入阻抗的計(jì)算式比較困難的，因?yàn)檫@需要準(zhǔn)確的知道天線上的激勵(lì)電流，除了少數(shù)天線外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中一般采用近似計(jì)算。（6）頻帶寬度頻帶寬帶寬度是天線的重要指標(biāo)，寬頻天線將是未來(lái)天線發(fā)展的一個(gè)重要方向。天線的所有電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，任何天線也都有一定的工作頻率范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率時(shí)，天線的電參數(shù)將變差。根據(jù)頻帶寬度的不同，可將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，最低工作頻率為，對(duì)于窄頻帶天線，常用相對(duì)帶寬％，對(duì)于超寬帶天線，常用絕對(duì)帶寬來(lái)表示，即來(lái)表示。第二章微帶天線2.1微帶天線的出現(xiàn)及發(fā)展2.1.1微帶輻射器微帶輻射器的概念首先是由Deschamps在1953年就提出來(lái)的。但是，過(guò)了二十多年，當(dāng)較好的理論模型及敷銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，實(shí)際的天線才被制造了出來(lái)，這種基片的介電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特性和機(jī)械性及低損耗正切。最早的實(shí)際的微帶天線是Howell和Munson在二十世紀(jì)七十年代初期研制的。之后，基于微帶天線的許多優(yōu)點(diǎn)，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，并且在微波天線這個(gè)廣闊的領(lǐng)域里，作為一個(gè)分立的整體而建立起自己的課題。2.1.2微帶天線的基本概念如圖1.1所示，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的微帶天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片構(gòu)成的。貼片導(dǎo)體通常是銅和金，它可以取任意形狀。但是我們都通常的常規(guī)形狀來(lái)做簡(jiǎn)單化分析。基片通常取介電常數(shù)較低（2.5），的材料，這樣可以產(chǎn)生較強(qiáng)的邊緣輻射。圖微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)和常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。因而，在大約100MHZ到50GHZ的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線有以下優(yōu)點(diǎn)：1.重量輕，體積小，剖面薄，可以做成共形天線；2.制造成本低，易于大量生產(chǎn)；3.可以做的很薄，因此，不擾動(dòng)裝載的宇宙飛船的空氣動(dòng)力學(xué)性能；4.無(wú)需做大的變動(dòng)，天線就能很容易的裝在導(dǎo)彈，火箭，衛(wèi)星上；5.易于實(shí)現(xiàn)天線的各種極化；6.比較容易制成雙頻工作的天線；但是，與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點(diǎn)：比如頻帶窄，有損耗，增益較低，輻射性能差，可能存在表面波等缺點(diǎn)。2.2微帶天線的輻射原理當(dāng)前，由于分析微帶天線的方法有所不同，對(duì)它的輻射原理也有著有不同的說(shuō)法。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，就以矩形微帶天線為例，用傳輸線模型的分析法討論它的輻射原理，如圖2.2所示：（a）微帶天線開(kāi)路端電場(chǎng)

（b）場(chǎng)分布側(cè)視圖（c）等效縫隙圖2.2微帶天線輻射原理圖我們假設(shè)天線輻射元為L(zhǎng)*W的矩形微帶貼片，介質(zhì)基板的厚度為h。分析時(shí)可以將該輻射貼片看作是一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的低阻抗微帶傳輸線，微帶傳輸線的兩端斷開(kāi)形成開(kāi)路，這就形成電壓波腹。根據(jù)微帶傳輸線理論，當(dāng)在激勵(lì)主模的情況下，且當(dāng)（為微帶傳輸線導(dǎo)波長(zhǎng)）時(shí)的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)就如圖2.2（b）所示，天線的輻射場(chǎng)由貼片與接地板之間的狹窄縫隙形成，其電場(chǎng)值可近似為：(2-1)由式2-1可知，電場(chǎng)僅在沿天線貼片長(zhǎng)度方向發(fā)生變化；天線輻射基本上是由天線貼片開(kāi)路端的邊緣場(chǎng)所引起的，在天線兩開(kāi)路端的電場(chǎng)相對(duì)于地板都可以分解為垂直分量和水平分量，由于貼片的長(zhǎng)為，所以?xún)纱怪狈至康碾妶?chǎng)反向，它們?cè)谶h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)互相抵消；而兩水平分量同相，在垂直于接地板方向，兩水平分量產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)同向疊加，形成最大輻射方向。因此，兩開(kāi)路端的水平分量電場(chǎng)可以等效為無(wú)限大平面上同向激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，天線貼片就可以表示為相距，長(zhǎng)度為W的兩個(gè)縫隙，縫隙寬度為，如圖2.2（c）所示。以上討論的輻射原理是基于傳輸線模的分析方法，適用于矩形微帶天線。當(dāng)微帶天線的形狀復(fù)雜時(shí)，就必須用其他分析方法討論。2.3微帶天線的基本分析方法天線問(wèn)題的嚴(yán)格分析是一個(gè)電磁場(chǎng)邊值型問(wèn)題，需要根據(jù)其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解，因此微帶天線的嚴(yán)格分析將是非常復(fù)雜的，因此通常根據(jù)微帶天線的實(shí)際特征做某些方面的假設(shè)和近似，進(jìn)而得出分析模型，這是當(dāng)前常用的一種簡(jiǎn)單有效的處理手段。微帶天線現(xiàn)在已經(jīng)有很多種分析方法，大體上可以分為解析方法和數(shù)值方法兩大類(lèi)。其中解析方法是基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來(lái)計(jì)算輻射場(chǎng)，是現(xiàn)在最常用的分析方法，包括傳輸線模理論（TransmissionLineModel）、腔模理論（CavityModel）、多端網(wǎng)絡(luò)模型（MultiportNetworkModel）等。而第二類(lèi)方法基于貼片和地板上的電流分布來(lái)計(jì)算輻射場(chǎng)，包括矩量（MethodofMoments）、有限元法（FiniteElementMethod）和時(shí)域有限差分法（FiniteDifferenceInTimeDomain）等。2.3.1傳輸線模型理論這是最早出現(xiàn)的最簡(jiǎn)單的分析模型，并且有助于理解微帶天線的基本特性。在這種模型中，矩形貼片微帶天線被等效為一段微帶傳輸線。天線的輻射主要來(lái)自貼片兩個(gè)開(kāi)路終端的邊緣場(chǎng)，因此微帶天線又可以被等效為兩個(gè)相距貼片長(zhǎng)度的縫隙，其上分布有面磁流。利用等效原理可以求出縫隙的面磁流密度，從而得出每個(gè)縫隙的輸入導(dǎo)納和輻射場(chǎng)。此時(shí)微帶天線的輻射場(chǎng)可以由兩個(gè)縫隙組成的二元陣求得，天線輸入阻抗由等效傳輸線計(jì)算。微帶天線的縫隙等效圖如圖2.2（c）所示，在對(duì)縫隙進(jìn)行分析時(shí)，采用如圖2.3所示的坐標(biāo)系，假設(shè)縫隙上的電壓為U，則縫隙的切線電場(chǎng)為：（2-2）縫隙上的等效磁流為：（2-3）假設(shè)磁流在x和z方向上的分布都是均勻的。可以求得每個(gè)縫隙的輻射場(chǎng)為：(2-4)其中：（2-5）由此可以分別求得E面和H面的歸一化方向函數(shù)：（2-6）（2-7）圖2.3傳輸線模型縫隙坐標(biāo)系我們已經(jīng)假定，利用坡印廷矢量積分求得輻射功率P和輻射電阻R：（2-8）（2-9）傳輸線模理論是在分析矩形微帶天線時(shí)提出來(lái)的，它的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單。只能用于矩形微帶天線以及微帶振子天線，對(duì)其他形式的微帶天線，比如圓形，則不實(shí)用。缺點(diǎn)是計(jì)算輸入阻抗誤差較大，而且沒(méi)有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場(chǎng)的變化。因此盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結(jié)構(gòu)類(lèi)型不能使用它來(lái)分析。2.3.2腔模理論腔模理論是目前應(yīng)用比較廣泛的一種理論，它適用于分析多種形狀的微帶天線，但是還要局限于天線介質(zhì)基板厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況。這種理論的基本思想，是將微帶天線看成是一個(gè)上下以電壁為界，四周以磁壁為界的介質(zhì)腔體。其分析方法是，先根據(jù)諧振腔理論建立腔內(nèi)電磁場(chǎng)方程，導(dǎo)出腔內(nèi)場(chǎng)的一般函數(shù)表達(dá)式，然后利用電磁場(chǎng)的邊界條件和激勵(lì)條件，求解腔的具體內(nèi)場(chǎng)，從而得出腔體“口面場(chǎng)”（腔體邊緣面的場(chǎng)分布），最后由此“口面場(chǎng)”分布計(jì)算微帶天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。在腔模理論分析方法中有三點(diǎn)假設(shè)：（1）由于介質(zhì)基片的厚度，，腔內(nèi)電場(chǎng)只有垂直于上下電壁的縱向分量，磁場(chǎng)只有平行于電壁的橫向分量；（2）由于，腔內(nèi)的電磁場(chǎng)沿縱向無(wú)變化；（3）在四周壁上垂直于邊緣的電流分量近似為零，即忽略磁場(chǎng)的切線分量；正是由于這些假設(shè)比較合理，腔模理論的分析方法得到了與試驗(yàn)相符的結(jié)論。2.3.3積分方程法積分方程法(IEM-IntegralEquationMethod)通常也稱(chēng)為或者稱(chēng)為全波理論（FW-FullWave），該理論可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，然而要受計(jì)算模型的精度和機(jī)時(shí)的限制。最初的典型作法是，先導(dǎo)出微帶貼片上單位電流元滿(mǎn)足邊界條件的并矢格林函數(shù)G(r,r)，場(chǎng)點(diǎn)(r處)的電場(chǎng)可表示為：（2-10）式中，J（r）是貼片上r處(源點(diǎn))的電流密度，令此電場(chǎng)在貼片表面的切向分量為零，便得到對(duì)J（r）的積分方程。對(duì)該電流選擇適當(dāng)?shù)幕瘮?shù)展開(kāi)式和試驗(yàn)函數(shù)，可將積分方程化為矩陣方程，從而可解出貼片電流并用來(lái)計(jì)算天線特性。相對(duì)于傳統(tǒng)的傳輸線模型和腔模型理論，積分方程法還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確性、完整性和計(jì)算復(fù)雜性。準(zhǔn)確性是指相對(duì)而言全波理論能夠提供更為準(zhǔn)確的結(jié)果；完整性是指全波理論對(duì)微帶天線的分析涉及到了表面波效應(yīng)、空間波輻射、單元間的互耦現(xiàn)象；計(jì)算復(fù)雜性指全波方法是數(shù)值密集型的，需要進(jìn)行大量仔細(xì)的計(jì)算。從數(shù)學(xué)處理上看，最早出現(xiàn)的傳輸線模型把微帶天線的分析簡(jiǎn)化為一維的傳輸線問(wèn)題；接著產(chǎn)生的空腔模型則發(fā)展到基于二維邊值問(wèn)題的解析求解；20世紀(jì)80年代以來(lái)形成和發(fā)展的全波分析又進(jìn)了一步，計(jì)入了第三維的效應(yīng)，成為三維邊值問(wèn)題的數(shù)值求解，因而最為嚴(yán)格，但也復(fù)雜得多。前二類(lèi)方法都是基于某些假設(shè)而將問(wèn)題簡(jiǎn)化，它們可統(tǒng)稱(chēng)為“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?。其?yōu)點(diǎn)是物理概念清楚，計(jì)算簡(jiǎn)單。2.3.4時(shí)域有限差分法（FDTD）時(shí)域有限差分法的基本思想是把求解空間進(jìn)行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場(chǎng)量進(jìn)行時(shí)間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于電磁場(chǎng)量的時(shí)域差分方程。選取合適的場(chǎng)初值（或激勵(lì)源）和計(jì)算空間的邊界條件，便可以得到包括時(shí)間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解，通過(guò)離散傅里葉變換還可以得到三維空間的頻域解。時(shí)域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是其離散比較簡(jiǎn)單（空間網(wǎng)格大小一致、時(shí)間步長(zhǎng)恒定），并且通過(guò)離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶范圍內(nèi)特性。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的限制。CST公司的CSTMICROWAVESTUDIO微波工作室(CSTMWS)軟件其核心就是時(shí)域有限積分法。在使用ADS,HFSS,CST的過(guò)程中，就能體會(huì)到以上三種數(shù)值分析方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。ADS功能強(qiáng)大，仿真手段豐富，相對(duì)于其他的電路仿真軟件，ADS計(jì)算比較精確。HFSS精確度也比較高，并且仿真時(shí)間較短，不過(guò)物理模型的建模比較麻煩。CST建模方便，操作簡(jiǎn)單，精度不夠高，而且仿真時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)電腦配置要求比較高，占用電腦資源很多。第三章微帶天線圓極化技術(shù)能夠輻射或接收?qǐng)A極化波的天線稱(chēng)為圓極化天線，圓極化波具有以下重要的性質(zhì):(1)圓極化是一個(gè)等幅的瞬時(shí)旋向場(chǎng)，沿其傳播方向看過(guò)去,波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓，當(dāng)用左手拇指指向傳播方向,其余四指由相位超前/2的線極化方向旋轉(zhuǎn)/2到另一滯后的線極化方向,則該圓極化波為左旋圓極化波;同理,當(dāng)用右手拇指指向傳播方向,其余四指由相位超前/2的線極化方向旋轉(zhuǎn)/2到另一滯后的線極化方向,則該圓極化波為右旋圓極化波。(2)一個(gè)圓極化波可以分解成兩個(gè)在空間上!時(shí)間上均正交的等幅線極化波。因此,從理論上實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理是:產(chǎn)生空間上正交的線極化電場(chǎng)分量,并使二者振幅相等,相位差90°。3.1圓極化波概述3.1.1圓極化波的產(chǎn)生微帶天線中存在何種模式完全取決于貼片的形狀和激勵(lì)模型，當(dāng)饋電點(diǎn)位于貼片的對(duì)角線上時(shí)，天線中可以同時(shí)維持模，兩種主模同相且極化正交結(jié)果導(dǎo)致輻射波的極化方向與饋電點(diǎn)所在對(duì)角線平行，單點(diǎn)饋電的準(zhǔn)方形貼片、方形切角貼片和四周切有縫隙的方形貼片天線等均可以輻射圓極化波。用微帶天線產(chǎn)生圓極化波的關(guān)鍵是產(chǎn)生兩個(gè)方向正交的，幅度相等的，相位相差90的線極化波。當(dāng)前用微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有幾種方法:一點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線;正交饋電的單片圓極化微帶天線;由曲線微帶構(gòu)成的寬頻帶圓極化微帶天線;微帶天線陣構(gòu)成的圓極化微帶天線等等。3.1.2圓極化波的性質(zhì)根據(jù)天線輻射的電磁波是線極化或圓極化，相應(yīng)的天線稱(chēng)為線極化天線或圓極化天線。圓極化波具有以下的性質(zhì)：(1)圓極化波時(shí)一個(gè)等幅的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。即:沿其傳播方向看去，波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡時(shí)一個(gè)圓。若瞬時(shí)電場(chǎng)矢量沿產(chǎn)波方向按左手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)之為左旋圓極化波，記為L(zhǎng)CP(Left一HandcircularPolarization);若沿傳播方向按右手螺旋旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)之為右旋圓極化波。(2)一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和在時(shí)間上均正交的等幅線極化波。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是:產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差90度。(3)任意極化波可以分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。作為特例，一個(gè)線極化波可以分解為兩個(gè)旋向相反、振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來(lái)波都可由圓極化天線收到;反之，圓極化天線輻射的圓極化波也可以由任意極化的天線收到。這正是在電子偵察和干擾等應(yīng)用中普通采用圓極化波的原因。(4)天線若輻射左旋圓極化波，則只接受左旋圓極化波而不接收右旋圓極化波,反之，若天線輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波。這稱(chēng)為圓極化天線的旋向正交性。其實(shí)，這一性質(zhì)就是發(fā)射和接收天線之間的互易定理。在通信和電子對(duì)抗等應(yīng)用中的廣泛利用這個(gè)性質(zhì)。例如:國(guó)際通信衛(wèi)星V號(hào)上的4GHz多波束發(fā)射天線輻射右旋圓極化波，形成兩個(gè)東、西半球波束氣同時(shí)也輻射左旋圓極化波，形成兩個(gè)照射不同地區(qū)的“區(qū)域波束”，這四個(gè)波束都工作于4GHz頻段而互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)四重頻譜服用，增加了通信容量。(5)圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)(如平面、球面等)時(shí)，反射波變成反旋向的，即左旋波變成右旋，右旋變成左旋。由這個(gè)性質(zhì)可以知道，采用圓極化波工作的雷達(dá)具有抑制雨霧干擾的能力。因?yàn)樗c(diǎn)近似呈球形，對(duì)圓極化波的反射是反旋的;而雷達(dá)目標(biāo)(如飛機(jī)、導(dǎo)彈等等)一般是非簡(jiǎn)單對(duì)稱(chēng)體，它對(duì)于圓極化波的反射波是橢圓極化波，故具有同旋向的圓極化成分。正是由于上述特性，圓極化天線現(xiàn)在已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)了微帶天線圓極化技術(shù)的發(fā)展。3.1.3圓極化微帶天線的主要電參數(shù)軸比是圓極化微帶天線的主要電參數(shù)，也是衡量圓極化微帶天線圓極化性能的主要參數(shù)。我們可以將圓極化和線極化都看作是橢圓極化的特殊形式，橢圓極化的長(zhǎng)軸和短軸之比便是軸比，當(dāng)軸比為1時(shí)，便是圓極化，用db表示就是0db，當(dāng)軸比為0或是∞時(shí)，便是線極化。3.2圓極化天線的實(shí)現(xiàn)微帶天下的優(yōu)點(diǎn)之一就是便于實(shí)現(xiàn)圓極化，其實(shí)現(xiàn)圓極化的方法有如下兩種，（1）單點(diǎn)饋電（2）多點(diǎn)饋電，多點(diǎn)饋電我們主要討論兩點(diǎn)饋電。3.2.1單饋電圓極化微帶天線圖3.1單點(diǎn)饋電的圓極化微帶天線根據(jù)微帶天線理論,矩形或圓形貼片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生幅度相等，正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模,但不能形成90°相位差。為了在簡(jiǎn)并模之間形成90°相位差,必須在矩形微帶天線上附加一個(gè)簡(jiǎn)并模分離單元,使簡(jiǎn)并模的諧振頻率產(chǎn)生分離。單饋點(diǎn)法是基于空腔模型理論,利用兩個(gè)輻射正交極化波的簡(jiǎn)并模,并在腔體內(nèi)引入某種不對(duì)稱(chēng)性,以便消除兩個(gè)模的簡(jiǎn)并性"當(dāng)簡(jiǎn)并模分離單元大小選擇合適時(shí),對(duì)工作頻率而言,一個(gè)模的等效阻抗相角超前45°,另一個(gè)模的等效阻抗相角滯后45°,這樣就形成了圓極化輻射。它無(wú)需任何移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就可以實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。在A型和C型中,把饋點(diǎn)F設(shè)定在X軸上;在B型中,把饋電點(diǎn)設(shè)定在對(duì)角線上。通過(guò)附加簡(jiǎn)并分離單元山來(lái)解出簡(jiǎn)并模的衰減。對(duì)于A型，，對(duì)于B型，，對(duì)于C型，。其中Q為微帶天線的品質(zhì)因數(shù)。對(duì)于微帶傳輸線有：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）其中，為微帶線等效損耗角正切值，分別為輻射損耗，導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗以及表面波損耗引起的相應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)。為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，h為介質(zhì)基片厚度。通過(guò)以上公式可以計(jì)算出微帶天線的品質(zhì)因數(shù),從而可以計(jì)算出簡(jiǎn)并分離單元的大小。3.2.2雙饋點(diǎn)法圓極化微帶天線利用兩個(gè)饋電點(diǎn)來(lái)對(duì)微帶天線饋入幅度相等,相位差為90°的兩個(gè)信號(hào),這兩個(gè)饋電點(diǎn)成直角分布時(shí)即可形成圓極化輻射，最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是采用T形分支,使兩條支路有四分之一波長(zhǎng)的路徑差，為此要保證各支路傳行波,一個(gè)實(shí)例如圖3.2所示,二條支路分別激勵(lì)模和模，兩者的輸入電阻分別為，則可由如下3-5公式計(jì)算。(3-5)圖3.2雙饋點(diǎn)天線模型由于二支路的電抗補(bǔ)償作用,這種設(shè)計(jì)的駐波比帶寬比普通矩形貼片寬,大約是兩倍或者更大。還有一種雙饋點(diǎn)型的圓極化微帶天線，就是用3db定向耦合器，在直通和耦合端口有90°相位差，通常用微帶線制作，它在保證90°相移的同時(shí)，還可以避免終端反射所引起的軸比急劇變化；輻射源本身的反射波也可以由終端負(fù)載吸收，這樣就有利于改善該天線的駐波比特性。因此，在這種饋電方式下，該圓極化微帶天線的帶寬要比單饋電的天線寬的多。如圖3.8所示，終端匹配負(fù)載的接地工作利用一端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)枝節(jié)來(lái)完成，不用在基片上打孔，簡(jiǎn)化了制作工藝。而且還可以將主饋線的特性阻抗設(shè)計(jì)為與輻射源邊緣輸入阻抗相同，即可省去四分之一波長(zhǎng)的匹配段。圖3.2采用3db電橋設(shè)計(jì)的天線第四章圓極化微帶天線小型化和寬頻帶技術(shù)4.1圓極化微帶天線的寬頻帶技術(shù)天線的頻帶寬度是指其參數(shù)特性在規(guī)定的容許范圍內(nèi)的頻帶范圍，對(duì)于線極化微帶天線來(lái)說(shuō),通?？紤]的主要性能參數(shù)有:增益!方向圖和輸入阻抗，一般情況下,天線性能參數(shù)是隨著頻率而變化的,因而天線帶寬取決于各個(gè)參數(shù)的頻率特性，若幾項(xiàng)性能參數(shù)能夠同時(shí)滿(mǎn)足指標(biāo)要求,則應(yīng)以其中最嚴(yán)格要求的參數(shù)作為確定天線頻帶寬度的依據(jù)"，對(duì)于絕大多數(shù)微帶天線而言,輸入阻抗隨頻率變化是最敏感的"也就是說(shuō),如果輸入阻抗?jié)M足頻帶要求時(shí),其它的指標(biāo)也能夠確保"因此通常以微帶天線輸入端的電壓駐波比系數(shù)(或反射系數(shù))小于某一指定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶范圍作為其帶寬,即通常所說(shuō)的天線帶寬是指天線阻抗帶寬，微帶天線是諧振式天線,故帶寬較窄是其主要缺陷,隨著寬帶無(wú)線通信的發(fā)展,對(duì)天線寬帶性能的要求日益提高,如何展寬微帶天線的帶寬已成為多年來(lái)眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)課題之一"4.1.1微帶天線展寬頻帶的方法對(duì)于普通微帶貼片天線而言，它的主要缺點(diǎn)是它的頻帶比較窄。雖然這一特點(diǎn)適合于某些帶寬要求很窄的應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)樵谀切?yīng)用中帶外輻射是一種干擾。但在電子戰(zhàn)、雷達(dá)等許多應(yīng)用場(chǎng)合，要求系統(tǒng)必須具備寬的頻帶。一般的微帶行波天線的相對(duì)頻帶寬度為百分之幾十，微帶縫天線達(dá)到1%(窄縫)~10%(寬縫)，而普通的微帶貼片僅為0.6%~3%，這與諸如偶極子、裂縫和波導(dǎo)喇叭天線等常用的天線單元的20%~50%形成了鮮明的對(duì)比。微帶貼片天線的窄頻帶特性阻礙了微帶天線在微波領(lǐng)域的應(yīng)用。微帶天線展寬頻帶的方法很多，包括選擇合適的基板、改變天線的形狀尺寸、采用各種饋電技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)、多模技術(shù)以及縫隙加載技術(shù)等，都可以有效展寬頻帶。有研究表明，阻抗帶寬提高到90%，增益帶寬提高到70%的單個(gè)天線單元己經(jīng)研究成功。1．增大介質(zhì)基片厚度從物理意義上講，介質(zhì)基片厚度增加，輻射電導(dǎo)也隨之增大，從而輻射所對(duì)應(yīng)的Q及總的Q值下降，展寬了頻帶。該方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是受到客觀條件的限制，加大基片的厚度可增加頻帶寬度，但作用有限。而基片過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致基片厚度與波長(zhǎng)之比過(guò)大，引起表面波激勵(lì)，同時(shí)基片厚度增加，重量隨之增加，所占的空間也加大。在一些空氣動(dòng)力性能及重量不甚苛刻的場(chǎng)合，這種方法還是行之有效的。2.采用介電常數(shù)較小或是損耗角正切較大的基板減小介電常數(shù)和加大損耗都可使天線的Q值下降，從而有利于微帶天線頻帶的展寬，但是這樣做將會(huì)是介質(zhì)基板的面積有所變大，加大損耗也會(huì)使得天線的效率降低。3.附加寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)通過(guò)附加寬帶的饋電網(wǎng)絡(luò)，例如前面提到的雙饋點(diǎn)型中的利用3db定向耦合器饋電，阻抗帶寬好圓極化帶寬就會(huì)有明顯的加大。還有其他的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)，可以使得微帶天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬明顯增大。例如利用寬帶的威爾金森功分器饋電的圓極化微帶天線，可以實(shí)現(xiàn)較大的帶寬需求。4.采用新的饋電技術(shù)采用多層結(jié)構(gòu)的天線可以較好的實(shí)現(xiàn)寬頻帶，采用這種結(jié)構(gòu)的天線通常采用間接饋電的方式，這里就必須提到一種饋電方式—口徑耦合饋電，口徑耦合在增加天線帶寬和使天線小型化中有重要的應(yīng)用，孔徑耦合饋電的結(jié)構(gòu)與電磁耦合饋電的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)相似，不過(guò)電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)中，微帶饋線和天線貼片被放置于接地板的同一側(cè)，而對(duì)于孔徑耦合饋電，饋線和貼片被分別放置在接地板的兩側(cè)，即接地板放置在兩塊介質(zhì)板之間。在接地板上切割電長(zhǎng)度較小的孔或槽，電磁場(chǎng)由此從微帶饋線耦合到天線輻射元上。孔徑或者刻槽通常設(shè)置在天線貼片的正下方，以此來(lái)抑制天線的交叉極化電平。電磁場(chǎng)的耦合度由接地板孔徑或刻槽的形狀、尺寸以及位置決定。槽型耦合孔徑的尺寸可以是諧振的，也可以是非諧振的；對(duì)于諧振尺寸的槽型耦合孔徑，它可以在諧振頻率附近的頻率再諧振，雙頻點(diǎn)比較靠近從而有效地展寬天線的帶寬，但是天線的后向輻射隨之增加，輻射效率降低，因此非諧振尺寸的槽型耦合孔徑比較常用。與電磁耦合饋電形式相比，這種饋電形式對(duì)于微帶饋線和天線貼片的敏感度相對(duì)比較低，易于加工和調(diào)節(jié)，天線帶寬相對(duì)比較寬；而且與電磁耦合饋電相似，這種饋電形式也可以通過(guò)改變介質(zhì)基片參數(shù)來(lái)優(yōu)化天線的整體性能。圖4.1口徑耦合饋電示意圖4.1.2圓極化陣列天線圓極化微帶天線陣具有增益高，抗干擾能力強(qiáng)，波束控制的特點(diǎn)，其阻抗帶寬和圓極化帶寬也會(huì)變大，在衛(wèi)星通信，雷達(dá)，電子對(duì)抗等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，圓極化微帶天線陣列設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，還有陣元之間的距離，需要用專(zhuān)業(yè)軟件反復(fù)的仿真調(diào)試。4.2微帶天線小型化技術(shù)小型化微帶天線由于個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的普及而得到越來(lái)越多的重視,很多技術(shù)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線的小型化"為了在一個(gè)固定的工作頻率實(shí)現(xiàn)更小的尺寸,使用高介電常數(shù)的介質(zhì)是一個(gè)有效的途徑"在微帶貼片或接地板上開(kāi)槽技術(shù)!貼片采用折疊技術(shù),微帶貼片表面電流直接依賴(lài)于貼片的幾何結(jié)構(gòu),通過(guò)在貼片表面開(kāi)槽或改變貼片邊緣的形狀引入的擾動(dòng)使電流曲折繞行,從而使有效路徑變長(zhǎng)!貼片諧振頻率降低"通過(guò)加載技術(shù),也可以有效的獲得微帶天線小型化技術(shù)。4.2.1微帶天線小型化的方法1.增大介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)通常,微帶天線是一個(gè)半波結(jié)構(gòu),工作的諧振頻率為模和摸，對(duì)于矩形微帶天線來(lái)說(shuō)，謝振頻率可由如下公式得到：（4-1）式中C是真空中光速,L是矩形貼片的寬度，為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，由公式可以看出,天線的諧振頻率f和成反比，由此可見(jiàn),采用高介電常數(shù)基板是一種有效的天線小型化方法，但是,介電常數(shù)越高天線帶寬越窄;且激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波,而導(dǎo)致天線增益和交叉極化水平的降低,從而限制了高介電常數(shù)材料的應(yīng)用范圍。2.在天線貼片上開(kāi)槽在計(jì)算矩形微帶天線諧振頻率的公式4-1,L為貼片的等效長(zhǎng)度，可以看出,增大L可以降低天線諧振頻率，微帶天線的表面電流分布直接依賴(lài)于貼片的幾何結(jié)構(gòu),通過(guò)在貼片表面開(kāi)槽或改變貼片邊緣的形狀引入的擾動(dòng)使電流曲折繞行,而有效路徑變長(zhǎng)，貼片諧振頻率降低,只要槽的位置處于電流分布適當(dāng)處，由于槽很窄,可以被模擬為在貼片中插入的一個(gè)無(wú)限薄橫向磁壁，在保證貼片實(shí)際尺寸不變的情況下增大有效長(zhǎng)度,進(jìn)行開(kāi)槽或開(kāi)縫是一種比較有效的方法，但是這種類(lèi)型的天線與結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,阻抗匹配與調(diào)試?yán)щy。圖4.2開(kāi)槽天線示意圖3.采用新的饋電技術(shù)采用背饋的方式就能不需要阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以大大減小尺寸，但背饋的方式會(huì)使得天線的加工變得困難。上面提到的口徑耦合饋電也是一種小型化的有效方法，同時(shí)還可以獲得較大帶寬，這樣的天線往往是多層結(jié)構(gòu)。第五章Hfss設(shè)計(jì)圓極化微帶天線現(xiàn)在的市場(chǎng)上有不少的電磁仿真軟件，各有各的優(yōu)點(diǎn)。本章將重點(diǎn)討論用Hfss設(shè)計(jì)微帶天線。5.1Hfss簡(jiǎn)介Hfss是美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的全波三維電磁仿真軟件。該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Hfss采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶(hù)界面，簡(jiǎn)介直觀，自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，易學(xué)易用，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確。使用Hfss，用戶(hù)只需要?jiǎng)?chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界的條件和激勵(lì)，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計(jì)算并輸出用戶(hù)需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。作為一款功能強(qiáng)大的三維電磁設(shè)計(jì)軟件，Hfss可以為天線設(shè)計(jì)提供全面的解決方案，使用Hfss額可以仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)各類(lèi)天線，精確計(jì)算天線的各種性能，包括二維，三維遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)輻射方向圖，天線方向性系數(shù)，增益，軸比，半功率波瓣寬度，輸入阻抗，電壓駐波比，s參數(shù)以及電流分布等。5.2圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)：1、頻帶范圍：2.9GHz-3.3GHz2、增益：大于2.5dBi3、端口阻抗：50Ω（SMA口）；4、電壓駐波比：≤2；5.2.1圓極化天線設(shè)計(jì)理論分析1.微帶輻射貼片尺寸估算微帶天線的設(shè)計(jì)首先就是要選擇合適的基片，假設(shè)介質(zhì)幾篇的介電常數(shù)，對(duì)于工作頻率為f的矩形微帶天線，可以用如下公式計(jì)算出高效輻射貼片的寬度w，即為：（5-1）公式中，c為光速。輻射貼片的長(zhǎng)度一般取，這里的是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波長(zhǎng)，即為：（5-2）考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實(shí)際上輻射貼片的長(zhǎng)度為：（5-3）公式中，是有效介電常數(shù)，是等效輻射縫隙的長(zhǎng)度，它們分別可以用如下公式計(jì)算：（5-4）（5-5）2．天線的輻射場(chǎng)如前面所述，矩形微帶天線可以看做是長(zhǎng)度為的低阻抗微帶傳輸線，它的輻射場(chǎng)被認(rèn)為是由傳輸線兩端開(kāi)路出的縫隙所形成的，因此，矩形微帶天線額可以等效為長(zhǎng)w，寬h，間距為L(zhǎng)的二元縫隙天線陣。單個(gè)縫隙天線的方向性函數(shù)為：（5-6）因此，矩形微帶天線的輻射場(chǎng)只需要在單縫隙天線的表達(dá)式中乘以二元陣的陣因子就可以了。這樣，矩形微帶天線的方向性函數(shù)就可以表示為：（5-7）工程上關(guān)心較多的是E面和H面的方向圖，于是可以得到E面方向函數(shù)為：（5-8）考慮到kh<<1，所以式5-8可以近似為：（5-9）H面的方向性函數(shù)為：(5-10)3.輸入導(dǎo)納如果天線采用的是微帶線饋電的方式，假設(shè)饋電點(diǎn)到輻射貼片邊緣的拐角處的距離為z，則微帶天線的輸入導(dǎo)納可以由下面的公式計(jì)算：（5-11）公式中，是把天線視作傳輸線時(shí)的特性導(dǎo)納，是介質(zhì)中的相位常數(shù)，G是輻射電導(dǎo)，B是等效電納，且有：(5-12)公式中，（5-13）（5-14）公式中，是把天線作為傳輸線時(shí)的特性阻抗。在一般情況下，G/<<1,B/<<1.這樣，可以簡(jiǎn)化為：（5-14）上面的式子中，除了，該式均成立，可見(jiàn)，選取不同饋電點(diǎn)的位置可以獲得不同的輸入阻抗。5.2.2圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)仿真根據(jù)上面的理論，我們可知，圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)有多種方法，下面我們將討論三種設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)所需指標(biāo)。1.單片切角圓極化天線的設(shè)計(jì)圖5.1單片切角微帶天線hfss模型切角圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)：由前面的理論可知，矩形或圓形貼片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生幅度相等，正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模,但不能形成90°相位差。為了在簡(jiǎn)并模之間形成90°相位差,必須在矩形微帶天線上附加一個(gè)簡(jiǎn)并模分離單元,使簡(jiǎn)并模的諧振頻率產(chǎn)生分離。根據(jù)以上理論完成圓極化微帶天線的hfss仿真，所得參數(shù)如下圖：圖5.2天線s11參數(shù)結(jié)果分析：我們看以看出，天線的諧振頻率在3.10GHZ上，通過(guò)調(diào)整貼片大小，匹配線尺寸，均會(huì)影響到s11，調(diào)整貼片的L邊，謝振頻率會(huì)發(fā)生變化，L越長(zhǎng)，頻率越低。但是我們也看到了天線的10db以下的阻抗帶寬為3.0GHZ到3.1GHZ，并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)2.9GHZ到3.3GHZ。帶寬小時(shí)微帶單層微帶天線的缺陷，我們也可增加電感的方式來(lái)增加帶寬，通過(guò)開(kāi)縫，加槽或是改變形狀，但是均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖5.3天線軸比結(jié)果分析：可以看出3db圓極化帶寬為3.08GHZ到3.11GHZ，圓極化帶寬非常小。圖5.4天線電壓駐波比圖5.5天線3d方向增益圖根據(jù)所需指標(biāo)檢查天線指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)天線阻抗帶寬不足，為了提高阻抗帶寬，我們采用4片圓極化微帶天線陣列。2.微帶天線陣列的設(shè)計(jì)陣列天線需注意阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，根據(jù)微帶傳輸線四分之波長(zhǎng)的變換性，可設(shè)計(jì)如下匹配網(wǎng)絡(luò)。天線陣元之間的間距一般為二分之波長(zhǎng)，并且通過(guò)軟件調(diào)試改變。圖5.6圓極化陣列天線的模型經(jīng)過(guò)hfss仿真和優(yōu)化后，可得各個(gè)參數(shù)如下：圖5.7天線s11結(jié)果分析：可以看出，天線的阻抗帶寬較大，達(dá)到了2.77GHZ到3.44GHZ，天線陣列的很多因素都會(huì)影響到s11，比如單元尺寸，匹配線尺寸，陣元之間的間距等。圖5.8天線軸比結(jié)果分析：與單片的圓極化天線相比，陣列天線的圓極化帶寬也相應(yīng)變大了，達(dá)到了2.97GHZ到3.09GHZ。圖5.9天線駐波比圖5.10天線3d增益圖結(jié)果分析:可以看出，天線的增益為5