基于HFSS的藍(lán)牙陣列天線的設(shè)計(jì)說明書

/吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目名稱：基于HFSS的藍(lán)牙微帶陣列天線設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：楊樺院系：信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)年級：電子信息科學(xué)與技術(shù)2班指導(dǎo)教師：顧洪軍職稱：講師2015年5目錄基于HFSS的藍(lán)牙微帶陣列天線設(shè)計(jì)I1前言11.1藍(lán)牙的定義11.2微帶天線的定義31.3微帶天線的發(fā)展31.4陣列天線的定義和優(yōu)點(diǎn)41.5HFSS仿真軟件的介紹41.6微波的定義62天線的基本理論62.1天線的方向圖62.2天線的輻射強(qiáng)度72.3天線的方向性系數(shù)82.4天線的效率92.5天線的增益92.6天線的輸入阻抗102.7天線的極化103微波的基本概念124微帶天線的基本理論134.1微帶天線的輻射機(jī)理134.2微帶輻射貼片尺寸估算145陣列天線的基本理論155.1陣列天線的發(fā)展155.2陣列天線的分類165.3陣列天線的基本原理165.4直線陣列天線的基本原理176微帶陣列天線的設(shè)計(jì)206.1微帶陣列天線單元的設(shè)計(jì)206.1.1輻射貼片單元的尺寸206.1.2輻射貼片單元的阻抗匹配206.1.3微帶線的尺寸216.2微帶陣列天線的整體設(shè)計(jì)236.2.1陣元間距的確定236.2.2陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)246.2.3陣列天線的軟件建模267微帶陣列天線的軟件仿真277.1天線的仿真數(shù)據(jù)277.2天線的仿真結(jié)果分析298結(jié)論33參考文獻(xiàn)33致謝34基于HFSS的藍(lán)牙微帶陣列天線設(shè)計(jì)姓名：楊樺專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：顧洪軍摘要：隨著科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大量的天線被應(yīng)用到太空科技、航海和移動通訊等領(lǐng)域,例如：小型化天線、多功能天線和多種實(shí)用性天線。藍(lán)牙是信息時代最具代表性的技術(shù)之一,主要應(yīng)用于短距離無線通信。藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種通信領(lǐng)域。藍(lán)牙技術(shù)擁有較多的優(yōu)點(diǎn),例如：數(shù)據(jù)的快速傳輸和較好的信息安全性。微帶貼片天線具有尺寸小、重量輕和易于制造等優(yōu)點(diǎn)。因此,本文就利用微帶貼片天線設(shè)計(jì)出一種1x4單元的微帶貼片藍(lán)牙陣列天線。關(guān)鍵詞：微帶天線；陣列天線；藍(lán)牙TheDesignofPatchArrayAntennaApplyingforBluetoothwithHFSSName：YangHuaMajor:ElectronicinformationofscienceandtechnologyTutor：GuHongjunAbstract:Withtherapiddevelopmentofeconomyandscience,plentyofdemandsofantenna,forexample,miniaturization,multipleservicesandpracticabilityhavebeentakenintoconsiderinspacetechnology,navigationandmobilecommunication.Bluetoothisatechnologyofshortdistanceandwirelesscommunicationanditisoneofthemostrepresentationaltechnologyofinformationage.Bluetoothhasbeenappliedtovariousindustriesofcommunicationwidelyanditiscapableofnumerousadvantages,forexample,fastdatatransmissionandfavorableinformationsafety.Themicrostrippatchantennaiscapableofsmallsize,lightweightanditcanbefabricatedconveniently.Hence,thedesignofthispapertakeadvantageofmicrostrippatchantennatodesigninga1x4elementsBluetootharrayantenna.Keywords:microstripantenna;arrayantenna;Bluetooth1前言現(xiàn)代社會是一個全球通信業(yè)務(wù)高速發(fā)展的社會,其中的無線移動通信系統(tǒng)尤其受到世界各國的格外關(guān)注。無線通信系統(tǒng)不僅在軍事上的應(yīng)用非常廣泛,而且其在民用上的應(yīng)用也是非常的普遍。例如,手機(jī)通訊,無線網(wǎng)絡(luò),藍(lán)牙傳輸?shù)阮I(lǐng)域。天線,作為射頻信號到無線信號轉(zhuǎn)化的器件,在無線通信系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位,可以說天線就是各種無線網(wǎng)絡(luò)溝通交流的信號燈。天線的種類琳瑯滿目,從簡單的偶極子天線,環(huán)形天線到縫隙天線,喇叭天線,拋物面天線,陣列天線,每一類天線都有擅于發(fā)揮其自身性能的應(yīng)用場合。微帶天線作為一種小型化,多功能化的現(xiàn)代天線越來越受到業(yè)界的重視,從20世紀(jì)60年代至今,微帶天線已經(jīng)有了大幅度的發(fā)展和改進(jìn)。藍(lán)牙在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛,作為一種現(xiàn)代科技的技術(shù)產(chǎn)物,它令我們的和世界的交流更加方便。本文基于當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢提出一種應(yīng)用于藍(lán)牙技術(shù)的微帶貼片陣列天線,并且通過仿真軟件得到基本的設(shè)計(jì)方法。1.1藍(lán)牙的定義藍(lán)牙是新的信息時代下的一種跨時代的高科技技術(shù),它是一種可以作為短距離信息無線傳輸?shù)囊环N科技手段,藍(lán)牙廣泛的應(yīng)用于無線通信的各個行業(yè),例如：手機(jī)終端、航海通信、具有短距離的信息傳輸要求的場合等等。藍(lán)牙是近年來具有跨時代的一種科學(xué)技術(shù),因?yàn)槭菓?yīng)用于無線傳輸,所以藍(lán)牙本身工作在微波頻段,從微波頻段的劃分上來看,它工作在UHF頻段。具體來說,2.4G頻段即為藍(lán)牙工作頻段。2.4G頻段在全球上來說是被各大無線通信組織和企業(yè)承認(rèn)的可以自由使用的沒有政府限制的自由頻段,所以從這點(diǎn)上看,藍(lán)牙波段選在此頻段對于推廣范圍的使用是有非常大的益處的。如今藍(lán)牙由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟〔BluetoothSpecialInterestGroup,簡稱SIG管理。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在全球擁有超過25,000家成員公司,它們分布在電信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、和消費(fèi)電子等多重領(lǐng)域。IEEE將藍(lán)牙技術(shù)列為IEEE802.15.1,但如今已不再維持該標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟負(fù)責(zé)監(jiān)督藍(lán)牙規(guī)范的開發(fā),管理認(rèn)證項(xiàng)目,維護(hù)商標(biāo)權(quán)益。制造商的設(shè)備必須符合藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)才能以"藍(lán)牙設(shè)備"的名義進(jìn)入市場。藍(lán)牙技術(shù)擁有一套專利網(wǎng)絡(luò),可發(fā)放給符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。[藍(lán)牙的波段為2400–2483.5MHz〔包括防護(hù)頻帶。這是全球范圍內(nèi)無需取得執(zhí)照〔但并非無管制的的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療用〔ISM波段的2.4GHz短距離無線電頻段。藍(lán)牙使用跳頻技術(shù),將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包,通過79個指定的藍(lán)牙頻道分別傳輸數(shù)據(jù)包。每個頻道的頻寬為1MHz。藍(lán)牙4.0使用2MHz間距,可容納40個頻道。第一個頻道始于2402MHz,每1MHz一個頻道,至2480MHz。有了適配跳頻〔AdaptiveFrequency-Hopping,簡稱AFH功能,通常每秒跳1600次。最初,高斯頻移鍵控〔Gaussianfrequency-shiftkeying,簡稱GFSK調(diào)制是唯一可用的調(diào)制方案。然而藍(lán)牙2.0+EDR使得π/4-DQPSK和8DPSK調(diào)制在兼容設(shè)備中的使用變?yōu)榭赡堋＿\(yùn)行GFSK的設(shè)備據(jù)說可以以基礎(chǔ)速率〔BasicRate,簡稱BR運(yùn)行,瞬時速率可達(dá)1Mbit/s。增強(qiáng)數(shù)據(jù)率〔EnhancedDataRate,簡稱EDR一詞用于描述π/4-DPSK和8DPSK方案,分別可達(dá)2和3Mbit/s。在藍(lán)牙無線電技術(shù)中,兩種模式〔BR和EDR的結(jié)合統(tǒng)稱為"BR/EDR射頻"藍(lán)牙是基于數(shù)據(jù)包、有著主從架構(gòu)的協(xié)議。一個主設(shè)備至多可和同一微微網(wǎng)中的七個從設(shè)備通訊。所有設(shè)備共享主設(shè)備的時鐘。分組交換基于主設(shè)備定義的、以312.5μs為間隔運(yùn)行的基礎(chǔ)時鐘。HFSS這款軟件在世界范圍來說都是比較好用和實(shí)用的,在各種電磁場的新領(lǐng)域,如果設(shè)計(jì)者想要開發(fā)一些電磁方面的東西,比如說各種微波器件,天線等都可以利用這款軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。因?yàn)樵诶碚撋蟻碚f,一些電磁理論如果用手算的話是非常吃力的,而且有些結(jié)果的計(jì)算是人力難以完成的,所以當(dāng)今社會開發(fā)了非常多的輔助設(shè)計(jì)軟件,人們在設(shè)計(jì)相關(guān)前沿的東西的話,利用這些軟件就可以簡單方便的多了。說回天線領(lǐng)域,不僅有HFSS這款知名軟件,還有其他非常好用的一些軟件,例如FEKO這款軟件,這是專門仿真大型天線使用的。還有一款被叫做CST的軟件,它在仿真微波器件和小型天線的領(lǐng)域也是非常出色的。還有很多類似的軟件,它們都是各有側(cè)重,因此,當(dāng)今各行各業(yè)的應(yīng)用里面這些軟件都發(fā)揮了巨大的作用,這如果是放在幾十年以前,設(shè)計(jì)一部天線可以說是需要用幾十天,幾個月甚至幾年,而現(xiàn)在,同樣的設(shè)計(jì)可能也只需要幾天吧。兩個敏感度和發(fā)射功率都較高的1類設(shè)備相連接,射程可遠(yuǎn)高于一般水平的100m,取決于應(yīng)用所需要的吞吐量。有些設(shè)備在開放的環(huán)境中的射程能夠高達(dá)1km甚至更高。藍(lán)牙核心規(guī)范規(guī)定了最小射程,但是技術(shù)上的射程是由應(yīng)用決定、且是無限的。制造商可根據(jù)實(shí)際的用例調(diào)整射程。[藍(lán)牙主設(shè)備最多可與一個微微網(wǎng)〔一個采用藍(lán)牙技術(shù)的臨時計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的七個設(shè)備通訊,當(dāng)然并不是所有設(shè)備都能夠達(dá)到這一最大量。設(shè)備之間可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換角色,從設(shè)備也可轉(zhuǎn)換為主設(shè)備〔比如,一個頭戴式耳機(jī)如果向手機(jī)發(fā)起連接請求,它作為連接的發(fā)起者,自然就是主設(shè)備,但是隨后也許會作為從設(shè)備運(yùn)行。藍(lán)牙核心規(guī)格提供兩個或以上的微微網(wǎng)連接以形成分布式網(wǎng)絡(luò),讓特定的設(shè)備在這些微微網(wǎng)中自動同時地分別扮演主和從的角色。數(shù)據(jù)傳輸可隨時在主設(shè)備和其他設(shè)備之間進(jìn)行〔應(yīng)用極少的廣播模式除外。主設(shè)備可選擇要訪問的從設(shè)備；典型的情況是,它可以在設(shè)備之間以輪替的方式快速轉(zhuǎn)換。因?yàn)槭侵髟O(shè)備來選擇要訪問的從設(shè)備,理論上從設(shè)備就要在接收槽內(nèi)待命,主設(shè)備的負(fù)擔(dān)要比從設(shè)備少一些。主設(shè)備可以與七個從設(shè)備相連接,但是從設(shè)備卻很難與一個以上的主設(shè)備相連。規(guī)格對于散射網(wǎng)中的行為要求是模糊的。1.2微帶天線的定義微帶天線的提出比較早,但是獲得快速發(fā)展還是近30多年的事情。早在50年代就有相關(guān)專業(yè)人士提出了微帶天線的概念,但是受當(dāng)時科技水平和理論知識的限制,沒有得到業(yè)界的太多重視,只有簡單的零星的一些研究。隨著科技水平的不斷進(jìn)步,而且工程上對天線性能的要求不斷提高,逐漸引起了人們對微帶天線的研究興趣。微帶天線的制作較為容易,這是和它自身的一些特點(diǎn)是有關(guān)系的,微帶天線一般的體積都非常小,因此可以利用這個特點(diǎn)形成相對于性能多樣化的,用途多種類的陣列天線,在民用的相關(guān)行業(yè),特別是某些軍用上的特殊行業(yè),微帶陣列天線受到重視,尤其是軍事上一些高科技的雷達(dá)天線,各種電子戰(zhàn)設(shè)備的天線都可以利用微帶天線來完成設(shè)計(jì)。微帶天線的制作一般選用一種厚度比較小的介質(zhì)基片,這種介質(zhì)基片的材料屬性可以有很多種,比較常見的就是一種被稱為環(huán)氧樹脂的材料,介質(zhì)基片的上下兩側(cè)安裝有金屬貼片,把裝在上層的金屬貼片叫做微帶貼片,這就是文章所提出的微帶天線的天線面,而把介質(zhì)基片下層的金屬片叫做此天線的接地板,這樣設(shè)計(jì)來看,接地板與天線面共同組成微帶貼片天線。天線的工作需要有電能的供給,把這種電能供給叫做饋電,對于微帶天線來說,其饋電的形式可以是微帶傳輸線饋電,也可以是同軸線饋電,這兩種方式比較常見。根據(jù)介質(zhì)基片的上層金屬貼片的形狀和形式,可以把微帶天線劃分為兩種形式。貼片形狀與線條相似的天線被稱為微帶振子天線,貼片形狀是有一定形狀的單元時被稱為微帶貼片天線。1.3微帶天線的發(fā)展隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和工程上對天線性能要求的提高,微帶天線逐漸進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域。尤其是微帶天線具備一系列的有點(diǎn)可以滿足現(xiàn)代科技和無線通訊系統(tǒng)的要求。微帶天線一般具有體積小,輕便,易共形等特點(diǎn)。正是有了這些特點(diǎn),決定了微帶天線更適用于一些特殊的無線通信場合,例如相關(guān)的軍用通信設(shè)備、無線通信、相控陣天線、各種移動通信設(shè)備和星載天線。特別的是隨著全球信息科技化的快速發(fā)展,尤其是近30年的無線通信技術(shù)的不斷革新,對天線性能的要求不斷提高,微帶天線的研究也從原始走向成熟。為了適應(yīng)現(xiàn)代科技的一些要求,天線在諸多方面進(jìn)行了主要的研究,即減小尺寸,增加帶寬,提高增益,增強(qiáng)方向性,智能方向圖控制。而未來的無線通信系統(tǒng)將更廣泛的使用陣列天線。在軍事領(lǐng)域中。陣列天線的使用更加廣泛。微帶天線進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時,要對天線的性能參數(shù)<例如方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等>預(yù)先估算,這將大大提高天線研制的質(zhì)量和效率,降低研制的成本。這種理論工作的開展,帶來了多種分析微帶天線的方法,例如傳輸線、腔模理論、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計(jì)算微帶天線的方向圖,其結(jié)果是一致的,特別是主波束。本部分將對一般的矩形微帶天線進(jìn)行分析討論,為特殊形狀要求的微帶天線做好理論分析基礎(chǔ)。利用傳輸線模式分析微帶天線是比較早期的方法,也較簡單,其精確度可以滿足一般工程設(shè)計(jì)要求。矩形微帶天線的饋電方式基本上分成側(cè)饋和背饋兩種。1.4陣列天線的定義和優(yōu)點(diǎn)微陣列天線就是利用多個天線單元按照一定的規(guī)則排列,并按照理論分析組建陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)對整體的陣列天線進(jìn)行饋電達(dá)到陣列天線的作用。陣列天線在提高天線增益,增強(qiáng)天線方向性上面有很顯著的作用。可以說陣列天線是一類由不少于兩個天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列并通過適當(dāng)激勵獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線。就目前天線通信知識和技術(shù)的迅速發(fā)展,以及國際上對天線的諸多研究方向的提出,都促使了新型天線的誕生。陣列天線就是研究的一種方向,所謂陣列天線不是簡單的將天線排成我們所熟悉的陣列的樣子,而是它的構(gòu)成是陣列形式的.就發(fā)射天線來說,簡單的輻射源比如點(diǎn)源,對稱振子源是常見的構(gòu)成陣列天線的輻射源.它們按照直線或者更復(fù)雜的形式,根據(jù)天線饋電電流,間距,電長度等不同參數(shù)來構(gòu)成陣列,以獲取最好的輻射方向性.這就是陣列天線的魅力所在,它可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)輻射的方向性能.由此產(chǎn)生出了諸如現(xiàn)代移動通信中使用的智能天線等.隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和工程上對天線性能要求的提高,微帶天線逐漸進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域。尤其是微帶天線具備一系列的有點(diǎn)可以滿足現(xiàn)代科技和無線通訊系統(tǒng)的要求。微帶天線一般具有體積小,輕便,易共形等特點(diǎn)。特別的是隨著全球信息科技化的快速發(fā)展,尤其是近30年的無線通信技術(shù)的不斷革新,對天線性能的要求不斷提高,微帶天線的研究也從原始走向成熟。為了適應(yīng)現(xiàn)代科技的一些要求,天線在諸多方面進(jìn)行了主要的研究,即減小尺寸,增加帶寬,提高增益,增強(qiáng)方向性,智能方向圖控制。而陣列天線可以滿足上述要求。因此在當(dāng)今無線領(lǐng)域的各個行業(yè)都把陣列天線看成重中之重。陣列天線的歷史悠久,從第二次世界大戰(zhàn)上就可以看到陣列天線的初步應(yīng)用,戰(zhàn)爭在科技方面有時會帶來進(jìn)步,從那時起,陣列天線越來越受到重視。它是一種利用單一陣元按照一定的排列方式構(gòu)成的一種可以說是一種集合型天線。一般較為簡單的陣列天線有點(diǎn)源陣和線陣。后續(xù)的很多種陣列天線都是在此基礎(chǔ)上演變而來。本文提出的就是一種直線排列形式的微帶陣列天線。1.5HFSS仿真軟件的介紹HFSS是一款國際上知名的電磁仿真輔助設(shè)計(jì)軟件。由著名的Ansoft公司研發(fā)制作。經(jīng)過二十多年的發(fā)展,HFSS以其無以倫比的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作界面,穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域,幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu),包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩,高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件,研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性,從而降低設(shè)計(jì)成本,減少設(shè)計(jì)周期,增強(qiáng)競爭力。本文利用此款仿真軟件對所設(shè)計(jì)的陣列天線進(jìn)行了仿真輔助設(shè)計(jì),并且得到了有效的數(shù)據(jù)結(jié)果。HFSS能夠快速精確地計(jì)算各種射頻/微波部件的電磁特性,得到S參數(shù)、傳播特性、高功率擊穿特性,優(yōu)化部件的性能指標(biāo),并進(jìn)行容差分析,幫助工程師們快速完成設(shè)計(jì)并把握各類器件的電磁特性,包括：波導(dǎo)器件、濾波器、轉(zhuǎn)換器、耦合器、功率分配/合成器,鐵氧體環(huán)行器和隔離器、腔體等。AnsoftHFSSv10最重要的新功能就是在PC機(jī)〔Windows系統(tǒng)上能夠利用3GB的內(nèi)存空間,這極有效地拓展了HFSS的仿真計(jì)算能力,此外運(yùn)用HFSSv9.2的用戶自定義編程模塊〔UDP能方便建立各種模型及元件庫。同時,具備與AnsoftDesigner、Nexxim動態(tài)鏈接的特性：通過動態(tài)參數(shù)化鏈接,在RF/數(shù)模混合電路仿真中實(shí)現(xiàn)與三維電磁場的協(xié)同仿真。Ansoft表示,重復(fù)使用第三方CAD模型和EDA版圖的功能,將節(jié)省HFSS用戶的工程設(shè)計(jì)時間,使他們能將更多時間用于優(yōu)化性能。HFSS能進(jìn)行全面的全叁數(shù)化設(shè)計(jì),從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及所有后處理。該軟體強(qiáng)大的叁數(shù)化三維建模能力,和高性能的圖形能力,大大節(jié)省了工程師的設(shè)計(jì)時間。直觀的分析設(shè)置和高級的分析控制確保在全自動化方式下獲得設(shè)計(jì)師所希望的設(shè)計(jì)結(jié)果。利用Optimetrics可自動實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化和叁數(shù)化掃瞄設(shè)計(jì),且很容易在桌面上同一項(xiàng)目樹中直接訪問進(jìn)入。在優(yōu)化設(shè)計(jì)分析技術(shù)中增強(qiáng)了敏感性分析和統(tǒng)計(jì)分析功能,其利用HFSS叁數(shù)化分析能力自動設(shè)計(jì)分析制造公差帶來的性能變化。HFSS有多個機(jī)制允許工程師們根據(jù)自己的需要去制作用戶特定的設(shè)計(jì)流程。視窗、對話方塊、工具欄、甚至菜單均可被用戶通過配量缺省來支持個性化叁數(shù)定義。使用者可通過主菜單、工具欄、項(xiàng)目樹和文本欄來靈活操作界面命令。另外,通過腳本語言VB和JavaScript全面控制HFSS和專用化定制。腳本也能支持強(qiáng)大的宏記錄,可以用來定義叁數(shù)化幾何結(jié)構(gòu),執(zhí)行用戶分析流程或控制從開始到結(jié)束的整個設(shè)計(jì)流程。1.6微波的定義微波是指頻范圍為300MHz-3000GHz的電磁波,即波長為1m-0.1mm的電磁波稱為微波。微波的低頻段接近于超短波,高頻靠近紅外線,微波根據(jù)頻段的不同有多種劃分方式,二戰(zhàn)時期為了工程上應(yīng)用的方便和保密的需要,將微波波段的劃分用英文字母表示,這種劃分方式一直被沿用至今,如表1-1所示,即為微波的一種劃分方式：表1-1微波頻段的劃Table1thedivisionofmicrowaveband波段頻率/GHz波段頻率/GHzUHFKaLQLSUSMCEXCFXGKu12.4-18RK18-26.52天線的基本理論一般來說,要進(jìn)入天線的設(shè)計(jì)領(lǐng)域,首先必須了解能夠表征天線的基本性能的參數(shù)的一些參數(shù)。例如,天線的方向圖、天線的輻射強(qiáng)度,天線的方向性系數(shù)、天線的效率、天線的輸入阻抗和天線的極化等等。在這里就從天線的基本理論入手講解我所設(shè)計(jì)的微帶陣列天線。2.1天線的方向圖完整的天線方向圖應(yīng)該用如圖2-1所示的球坐標(biāo)系下的三維立體方向圖來表示,但是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)之前,三維空間的立體方向圖繪制復(fù)雜,工程上常用到包含主瓣軸的剖面圖來表示,此時方向圖需要用到兩個相互垂直的剖面,我們將其稱為主平面方向圖,如圖2-1的xz面和yz面。圖2-2和圖2-3所示就為極坐標(biāo)系中的電場和功率的主平面方向圖。按照半功率電平夾角定義的波速寬度成為半功率波束寬度或者-3dB波束寬度；圖2-1〔a三維立體方向圖Figure1Three-dimensionalpattern圖2-1〔b電場主平面方向圖圖2-1〔c功率主平面方向Figure2TheelectricfieldpatternofmainplaneFigure3Thepowerfieldpatternofmainplane2.2天線的輻射強(qiáng)度每單位立體角內(nèi)由天線輻射出的功率被稱為輻射強(qiáng)度U,單位是瓦立方弧度,輻射強(qiáng)度可以有下式定義：<2.1>式中U天線的輻射強(qiáng)度；S坡印廷幅值?？梢钥匆?與坡印廷的幅值S反比與距離的平方不同,輻射強(qiáng)度U與距離無關(guān)。2.3天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)D是指在遠(yuǎn)區(qū)場的某一球面上天線的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比,即：<2.2>式中D天線的方向性系數(shù)；U天線的輻射強(qiáng)度；Uo天線的平均輻射強(qiáng)度。平均輻射強(qiáng)度U實(shí)際上是輻射功率除以球面積,即：22式中U0天線的平均輻射強(qiáng)度。通常所說的方向性系數(shù)指的都是在最大輻射方向上的方向性系數(shù),即;式中D天線的方向性系數(shù)；U天線的最大輻射強(qiáng)度；U0天線的平均輻射強(qiáng)度。2.4天線的效率由于天線系統(tǒng)中存在導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗等損耗,因此實(shí)際輻射到空間內(nèi)的電磁波功率要比發(fā)射機(jī)送到天線的功率小。天線效率就是表征天線將輸入的高頻能量轉(zhuǎn)化為無線電波能量的有效程度,定義天線輻射功率和輸入功率的比值,假設(shè)分別用P1和P2表示天線的輸入功率和輻射功率,那么天線的效率定義為：式中天線的輻射效率；Prad天線的輻射功率；Pin天線的輸入功率。2.5天線的增益方向性系數(shù)是以輻射功率為基點(diǎn)的,沒有考慮天線將輸入功率轉(zhuǎn)化為天線輻射功率的效率,為了更完整的描述天線特性,特以天線的輸入功率為基點(diǎn)定義了一個增益。天線增益是表征將輸入給它的功率按照特定方向輻射的能力,定義為在相同輸入功率下、相同距離的條件下、天線在最大輻射方向上的功率密度與無方向性天線在該方向上的輻射功率密度的比值。設(shè)該天線和無方向性天線的輸入功率分別為P1和P2,且二者相等,則該天線的增益G可以由下式計(jì)算得出：<2.6>式中G天線的增益；Smax天線的最大輻射方向上的功率密度；So無方向性天線在該方向上的功率密度。對比上述幾個基本公式,可以得到：<2.7>式中G天線的增益；D天線的方向性系數(shù)；天線的效率。2.6天線的輸入阻抗天線一般都是通過饋線和發(fā)射機(jī)相連的,天線和饋線的連接處被稱為天線的輸入端,天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗。天線作為發(fā)射機(jī)的負(fù)載,它把從發(fā)射機(jī)得到的功率輻射到空間。這就有一個天線與饋線阻抗匹配的問題,阻抗匹配的程度將直接影響功率傳輸?shù)男省Ｔ谏漕l微波頻段,饋線通常是使用50歐姆的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。所以在設(shè)計(jì)天線時需要盡可能的把天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)在50歐姆,在工作頻帶內(nèi)就可以保證盡可能小的駐波比。天線的輸入阻抗取決于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率和周圍外部環(huán)境的影響,僅僅是在少數(shù)情況下的時候可以用理論進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算,所以在工程中通常采取近似的計(jì)算方法或者用實(shí)驗(yàn)的方法測量。2.7天線的極化天線的極化通常是指天線輻射電磁波的電場的方向,即時變電場矢量端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡的形狀、取向和旋轉(zhuǎn)方向。根據(jù)電場矢量端點(diǎn)軌跡呈直線、橢圓和圓形等不同形狀,天線極化可以分為線極化、橢圓極化和圓極化,如圖2-5所示；對于橢圓極化和圓極化而言,根據(jù)其旋轉(zhuǎn)的方向的不同,又可以將極化分為左旋極化和右旋極化兩種類型。考察由沿z軸正方向行進(jìn)的平面波,一般而言,電場同時有x分量和y分量,在確定的z點(diǎn)處電場矢量E作為時間的函數(shù)而旋轉(zhuǎn),若其端點(diǎn)軌跡為橢圓,則稱為橢圓圓極化波；橢圓圓極化有兩種極端情況,一種是電場只有x分量或者只有y分量,此時電場始終沿著x軸方向或者y方向,我們將其稱為線性化。二是電場x分量和y分量相等,此時稱為圓極化。對于任意方向的橢圓極化波,可以分別用沿著x軸方向和y軸方向的兩項(xiàng)線極化分量來描述,如圖2-6所示。如果波沿著z軸方向行進(jìn),則x軸方向和y軸方向的電場分量分別為：.<2.8>式中E1沿x軸方向的線極化波幅度；E2沿y軸方向的線極化波幅度；E1為沿x軸方向的線極化波幅度,E2為沿y軸方向的線極化波幅度,為Ey滯后于Ex的相位角。從中我們可以知道若是E1=0,則波是沿著y軸方向極化的；若E2=0,則波是沿著x軸方向極化的。若相位角為零且E1=E2,則波是在如圖所示的OA方向上軸向線極化的。若E1=E2且相位角為正負(fù)90度,則波是圓極化的；當(dāng)相位角為+90時,天線是左旋圓極化的,相位角是-90時,天線是右旋圓極化的。圖2-7〔a線極化圖2-7〔b橢圓極化圖2-7〔c圓極化Figure4LinearpolarizationFigure5EllipticallypolarizedFigure6Circularpolarization在這里引出了軸比這個概念,軸比是一個表征天線極化的參數(shù),其定義為極化橢圓的長軸和短軸的比值。對于線極化波,軸比為無窮大；對于圓極化波,軸比此時等1。圖2-7〔d極化橢圓Figure7Polarizationellipse3微波的基本概念微波是指頻率為300MHz~300GHz的電磁波,是無線電波中一個有限頻帶的簡稱,即波長在1毫米~1米之間的電磁波,是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比般的無線電波頻率高,通常也稱為"超高頻電磁波"。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器,微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西,則會反射微波。微波波長約在1m~0.1mm〔相應(yīng)頻率約為300MHz到300GHz之間的電磁波。這段電磁頻譜包括分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波等波段。在雷達(dá)和常規(guī)微波技術(shù)中,常用拉丁字母代號表示更細(xì)的波段劃分。以上關(guān)于微波的波長或頻率范圍,是一種傳統(tǒng)上的約定。從現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展來看,一般認(rèn)為短于1毫米的電磁波〔即亞毫米波屬于微波范圍,而且是現(xiàn)代微波研究的一個重要領(lǐng)域。從電子學(xué)和物理學(xué)的觀點(diǎn)看,微波這段電磁譜具有一些不同于其他波段的特點(diǎn)。微波在電子學(xué)方面的特點(diǎn)表現(xiàn)在它的波長比地球上很多物體和實(shí)驗(yàn)室中常用器件的尺寸相對要小很多,或在同一量級。這和人們早已熟悉的普通無線電波不同,因?yàn)槠胀o線電波的波長遠(yuǎn)大于地球上一般物體的尺寸。當(dāng)波長遠(yuǎn)小于物體〔如飛機(jī)、船只、火箭、建筑物等的尺寸時,微波的特點(diǎn)和幾何光學(xué)的相似。利用這個特點(diǎn),在微波波段能制成高方向性的系統(tǒng)〔如拋物面反射器。當(dāng)波長和物體〔如實(shí)驗(yàn)室中的無線電設(shè)備的尺寸有相同量級提供了一系列典型的電磁場邊值問題。在物理學(xué)方面,分子、原子與核系統(tǒng)所表現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波的范圍,因而微波為探索物質(zhì)的基本特性提供了有效的研究手段。由于這些特點(diǎn),微波的產(chǎn)生、放大、發(fā)射、接收、傳輸、控制和測量等一系列技術(shù)都不同于其他波段〔見微波電子管、微波測量等。微波成為一門技術(shù)科學(xué),開始于20世紀(jì)30年代。微波技術(shù)的形成以波導(dǎo)管的實(shí)際應(yīng)用為其標(biāo)志。若干形式的微波電子管<速調(diào)管、磁控管、行波管等>的發(fā)明,是另一標(biāo)志。在第二次世界大戰(zhàn)中,微波技術(shù)得到飛躍發(fā)展。因戰(zhàn)爭需要,微波研究的焦點(diǎn)集中在雷達(dá)方面,由此而帶動了微波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波測量等技術(shù)的研究和發(fā)展。至今,微波技術(shù)已所取代。固態(tài)微波源的發(fā)展也促進(jìn)了微波集成電路的研究。頻率不斷向更高范圍推進(jìn),仍然是微波研究和發(fā)展的一個主要趨勢。60年代激光的研究和發(fā)展,已越過亞毫米波和紅外之間的間隙而深入到可見光的電磁頻譜。利用常規(guī)微波技術(shù)和量子電子學(xué)方法,已能產(chǎn)生從微波到光的整個電磁頻譜的輻射功率。但在毫米波－紅外間隙中的某些頻率和頻段上,還不能獲得足夠用于實(shí)際系統(tǒng)的相干輻射功率。微波的發(fā)展還表現(xiàn)在應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。微波的最重要應(yīng)用是雷達(dá)和通信。雷達(dá)不僅用于國防,同時也用于導(dǎo)航、氣象測量、大地測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應(yīng)用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。射電望遠(yuǎn)鏡、微波加速器等對于物理學(xué)、天文學(xué)等的研究具有重要意義。毫米波微波技術(shù)對控制熱核反應(yīng)的等離子體測量提供了有效的方法。微波遙感已成為研究天體、氣象和大地測量資源勘探等的重要手段。微波在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等方面的研究,以及微波在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的研究和發(fā)展已越來越受到重視〔見微波應(yīng)用、微波能應(yīng)用、微波醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。4微帶天線的基本理論4.1微帶天線的輻射機(jī)理微帶天線是一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長的介質(zhì)基片的一面以金屬輻射貼片,另一面裝有金屬薄層的接地板共同構(gòu)成的天線系統(tǒng)。通過圖4-1〔a可以對微帶天線的作用機(jī)理進(jìn)行說明。圖4-1所示為一副矩形微帶貼片天線,為了簡便分析起見,我們采用傳輸線模型對其進(jìn)行研究。輻射貼片的長度為L,近似為半個波長,貼片的寬度為w,天線的工作波長為λ,介質(zhì)基片的厚度為h。在這里,輻射貼片,介質(zhì)基片和接地板可以被視為一段長度為λ/2的低阻抗微帶傳輸線,傳輸線的兩端斷開形成開路。因?yàn)榻橘|(zhì)基片的厚度遠(yuǎn)小于工作波長,從而電場沿著厚度h的方向上基本可以被視為沒有變化。此時假設(shè)電場沿著貼片的寬度w的方向上也沒有變化。故在只考慮主模激勵的狀態(tài)下,天線的場結(jié)構(gòu)如圖4-1〔b所示,可以認(rèn)為輻射是由天線貼片開路邊的邊緣所激勵的。在開路端的電場可以被分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量。已經(jīng)假設(shè)輻射貼片的長度為半個波長,因此開路端電場的垂直分量方向相反,水平分量方向相同。故根據(jù)圖4-1〔b可以得出結(jié)論：兩開路端的水平分量電場可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙,縫隙的寬度為ΔL,且ΔL近似可以等于介質(zhì)基片厚度h,長度為w,兩個縫隙的間距為半個波長,縫隙的電場沿著貼片寬度w方向據(jù)均勻分布,電場方向垂直于w方向。所以可以認(rèn)為天線的輻射場是由等效的兩個縫隙所激勵的。圖4-1〔a矩形微帶天線結(jié)構(gòu)圖4-1〔b微帶天線俯視圖Figure8RectangularmicrostripantennastructureFigure9Theplanviewofthemicrostripantenna4.2微帶輻射貼片尺寸估算微帶天線最重要的參數(shù)就是輻射貼片的長度和寬度的選擇,不同的工作頻段會對應(yīng)著不同的貼片尺寸,本文所設(shè)計(jì)的陣列天線需要工作在ISM即2.4G頻段內(nèi),根據(jù)上述理論分析和參考相關(guān)文獻(xiàn),我們可以得到計(jì)算貼片寬度的公式,如式〔4.1所示：Wo=〔4.1式中輻射貼片的寬度；介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)；c真空中的光速;f工作頻率。根據(jù)公式一,可以設(shè)計(jì)出高效率的輻射貼片的寬度,對于輻射貼片的長度一般取/2；這里的介質(zhì)中的工作波長,如式〔4.2所示：〔4.2式中介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)波波長；介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)；c真空中的光速;f工作頻率。為了設(shè)計(jì)出高效的貼片天下線,需要考慮邊緣縮短效應(yīng),所以實(shí)際上的輻射單元長度L可以用式〔4.3求出:〔4.3式中介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)波波長；介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)；c真空中的光速;f工作頻率；等效輻射縫隙長度；L輻射貼片長度。根據(jù)理論分析和參考文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式,可以得出有效介電常數(shù)和等效縫隙長度的求解公式,即式〔4.4和式〔4.5：〔4.4式中介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)；介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)；H介質(zhì)基片的厚度;輻射貼片的寬度?！?.5式中H介質(zhì)基片的厚度;介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)；等效輻射縫隙長度；輻射貼片的寬度。通過上述的五個基本公式就可以根據(jù)所需要的工作頻段計(jì)算出輻射貼片的寬度和長度。5陣列天線的基本理論5.1陣列天線的發(fā)展隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和工程上對天線性能要求的提高,微帶天線逐漸進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域。尤其是微帶天線具備一系列的有點(diǎn)可以滿足現(xiàn)代科技和無線通訊系統(tǒng)的要求。微帶天線一般具有體積小,輕便,易共形等特點(diǎn)。特別的是隨著全球信息科技化的快速發(fā)展,尤其是近30年的無線通信技術(shù)的不斷革新,對天線性能的要求不斷提高,微帶天線的研究也從原始走向成熟。為了適應(yīng)現(xiàn)代科技的一些要求,天線在諸多方面進(jìn)行了主要的研究,即減小尺寸,增加帶寬,提高增益,增強(qiáng)方向性,智能方向圖控制。而陣列天線可以滿足上述要求。因此在當(dāng)今無線領(lǐng)域的各個行業(yè)都把陣列天線看成重中之重。陣列天線的歷史悠久,從第二次世界大戰(zhàn)上就可以看到陣列天線的初步應(yīng)用,戰(zhàn)爭在科技方面有時會帶來進(jìn)步,從那時起,陣列天線越來越受到重視。它是一種利用單一陣元按照一定的排列方式構(gòu)成的一種可以說是一種集合型天線。一般較為簡單的陣列天線有點(diǎn)源陣和線陣。后續(xù)的很多種陣列天線都是在此基礎(chǔ)上演變而來。本文提出的就是一種直線排列形式的微帶陣列天線。5.2陣列天線的分類按單元排列可分為線陣和面陣。最常用的線陣是各單元的中心依次等距排列在一直線上的直線陣。線陣的各單元也有不等距排列的,各單元中心也可以不排列在一直線上,例如排列在圓周上。多個直線陣在某一平面上按一定間隔排列就構(gòu)成平面陣,若各單元的中心排列在球面上就構(gòu)成球面陣。按輻射圖形的指向可分為側(cè)射天線陣、端射天線陣和既非側(cè)射又非端射的天線陣。側(cè)射天線陣是最大輻射方向指向陣軸或陣面垂直方向的天線陣。端射天線陣是最大輻射方向指向陣軸方向的天線陣。最大輻射方向指向其他方向的天線陣為既非側(cè)射又非端射的天線陣。按照功能可分為同相水平天線、頻率掃描天線、相控陣天線、多波束天線、信號處理天線、自適應(yīng)天線等。5.3陣列天線的基本原理陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各單元輻射場的總和〔矢量和。由于各單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨(dú)立調(diào)整,這就使陣列天線具有各種不同的功能,這些功能是單個天線無法實(shí)現(xiàn)的。對于單元數(shù)很多的天線陣,用解析方法計(jì)算陣的總方向圖相當(dāng)繁雜。假如一個多元天線陣能分解為幾個相同的子陣,則可利用方向圖相乘原理比較簡單地求出天線陣的總方向圖。一個可分解的多元天線陣的方向圖,等于子陣的方向圖乘上以子陣為單元天線陣的方向圖。這就是方向圖相乘原理。一個復(fù)雜的線陣可考慮多次分解,即先分解成大的子陣,這些子陣再分解為較小的子陣,直至得到元數(shù)很少的簡單子陣為止,然后再利用方向圖相乘原理求得陣的總方向圖。這種情況適應(yīng)于單元是無方向性的條件,當(dāng)單元以相同的取向排列并自身具有非均勻輻射的方向圖時,則天線陣的總方向圖應(yīng)等于單元的方向圖乘以陣的方向圖。5.4直線陣列天線的基本原理當(dāng)各個陣元取向一致的排列在一條直線上就構(gòu)成了直線陣列天線。直線陣列天線中,如果陣元激勵電流幅度、相鄰陣元之間的相位差和陣元間距都相等則稱為均勻直線陣列天線。圖5-1N單元的均勻直線陣列天線Figure10UniformlineararrayantennaofNelements如圖5-1所示為N個等間距陣元排列在z軸上組成的直線陣列天線,其中Φ為入射波與z軸的夾角,d為陣元間距。選取坐標(biāo)原點(diǎn)為相位參考點(diǎn),不計(jì)陣元間的互耦作用。假設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)處的天線單元0的相位為零,由圖2-7可知天線單元1和天線單元0之間的相差應(yīng)該為βdcosΦ,依此類推第n個陣元和第0個陣元之間的相位差為βndcosΦ。因此,天線陣的陣因子可以寫成：<5.1>式中AF天線的陣因子；N陣元個數(shù)；d陣元間距；β相位常數(shù)；I天線的激勵電流；入射波與z軸的夾角。對于均勻直線陣列天線,各陣元的激勵電流幅度和相鄰陣元之間的相位差都相等,假設(shè)電流幅度為A0,相鄰陣元之間的相位差為α,則激勵電流In可以表示為：<5.2>式中In天線的激勵電流；Ao電流幅度；α相鄰陣元之間的相位差。將式2-8代入式2-9可得：<5.3>式中AF天線的陣因子；N陣元個數(shù)；d陣元間距；β相位常數(shù)；I天線的激勵電流；入射波與z軸的夾角。定義：<5.4>式中β相位常數(shù)；d陣元間距；入射波與z軸的夾角；相位。則式可以寫為：<5.5>式中AF天線的陣因子；相位。Ao電流幅度；兩邊同乘e后減去8-5式,可得：<5.6>式中AF天線的陣因子；相位。Ao電流幅度；則：<5.7>式中AF天線的陣因子；Ao電流幅度；相位。如果把相位參考點(diǎn)選在天線陣的幾何中心,則上式陣因子簡化為：<5.8>式中AF天線的陣因子；Ao電流幅度；相位。N陣元個數(shù)；在a=0時可取到最大值,且其最大值為A0N,因此歸一化后陣因子為：<5.9>式中相位。N陣元個數(shù)；歸一化陣因子。歸一化陣因子是a的周期函數(shù),周期為2pi.每個周期內(nèi)有一個函數(shù)值為1的最大值和N-2個函數(shù)值小于1的極大值。前者相當(dāng)于方向圖的主瓣,后者相當(dāng)于副瓣。圖可見,Φ的取值范圍為0-180度,代入式8-4可知的變化范圍為：這個范圍稱為可見區(qū)域,只有在這個可見區(qū)域中,所對應(yīng)的才是天線的陣因子。的變化和陣元間距d以及相鄰陣元之間的相位差阿爾法有關(guān),只有合適的d和的值才能獲得良好的陣方向圖。6微帶陣列天線的設(shè)計(jì)6.1微帶陣列天線單元的設(shè)計(jì)6.1.1輻射貼片單元的尺寸本文提出的微帶陣列天線其設(shè)計(jì)應(yīng)該從每一個天線單元入手,因?yàn)殛嚵刑炀€是由多個相同電性能的天線單元排列組合而成,所以在設(shè)計(jì)陣列天線總體的時候,需從天線單元著手。根據(jù)上述的五個基本公式,可以求出所需的單元輻射貼片的寬度和長度,因?yàn)樗{(lán)牙工作于2.4G頻段,故可以得到空氣中的波長,本文所選用的介質(zhì)基片材料為環(huán)氧樹脂,其相對介電常數(shù)=4.4,介質(zhì)基片的厚度選取H=1.6mm,所以可以得出輻射貼片的寬度為28mm。6.1.2輻射貼片單元的阻抗匹配本一般而言,微帶天線邊緣阻抗為100Ω--400Ω,而微波器件的通用阻抗為50Ω系統(tǒng)。所以我們所設(shè)計(jì)的貼片天線需要與50Ω的饋電系統(tǒng)進(jìn)行匹配,最常用的匹配方式就是需要在輻射貼片與饋電線間加一段阻抗變換器,根據(jù)微波傳輸線的相關(guān)知識,此段阻抗變換器的長度應(yīng)該為1/4波長。如圖3-1所示為1/4波長阻抗變換器示意圖。根據(jù)微波傳輸線的知識,阻抗匹配的條件為:<6.1>式中阻抗變換器的特性阻抗；微帶天線的邊緣阻抗；微帶線的特性阻抗。圖6-1阻抗變換器Figure11Impedanceconverter根據(jù)微波傳輸線的知識,阻抗匹配的條件為:<6.2>式中阻抗變換器的特性阻抗；微帶天線的邊緣阻抗；微帶線的特性阻抗。所以根據(jù)上式可以求出阻抗變換器特性阻抗為80.6Ω。6.1.3微帶線的尺寸我們可以利用一款名為TXLine的微帶線尺寸計(jì)算軟件算出我們所設(shè)計(jì)的微帶線尺寸的具體數(shù)值,此款軟件對于各種微帶傳輸線的阻抗、寬度、長度都可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算,還可以根據(jù)不同的介質(zhì)材料自動設(shè)定相關(guān)參數(shù)。根據(jù)厚度為1.6mm的環(huán)氧樹脂介質(zhì)基片,可以計(jì)算出50Ω的饋線的寬度為2.98mm。特性阻抗為80.6Ω的阻抗變換器的寬度為1.16mm,長度為17.45mm。至此天線單元所需要的尺寸數(shù)據(jù)都已經(jīng)求出,整理到表6-1所示：表6-1貼片單元尺寸Table2Chipunitdimensions結(jié)構(gòu)名稱變量名變量值〔mm輻射貼片長度L28寬度37.26阻抗變換器長度17.45寬度1.1650Ω微帶線寬度2.98根據(jù)得出的數(shù)據(jù)資料,利用HFSS仿真軟件繪制出微帶貼片天線單元的模型示意圖,如圖6-2所示：圖6-2貼片單元建模模型Figure12Patchelementmodel6.2微帶陣列天線的整體設(shè)計(jì)6.2.1陣元間距的確定本當(dāng)各陣元取向一致的排列在一條直線上就構(gòu)成直線陣列天線,如果在直線陣列天線中的陣元激勵電流幅度,相鄰陣元之間的相位差和陣元間距都相等則成為均勻直線陣列天線。本文提出的陣列天線為一個1x4的均勻直線天線陣列。輻射單元采用上述設(shè)計(jì)的微帶天線單元,去4片貼片單元并排排列在一條直線上,各單元在組陣時,根據(jù)陣列天線的基本原理和相關(guān)知識可以知道,陣元和陣元間會存在互耦效應(yīng),互耦效應(yīng)的存在會使得天線單元在天線陣列中的方向圖與孤立陣元的方向圖不同,并且會導(dǎo)致二者的輸入阻抗也不相同。個自由空間的工作波長,此時可以將陣元間的互耦效應(yīng)降到最低。由此可得本設(shè)計(jì)中的陣元間距為0.7個自由空間的工作波長,如圖3-3所示為陣元間距的示意圖：圖6-3陣元間距示意圖Figure13Elementspacingschematic6.2.2陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)在整個天線系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的是均勻直線陣列天線,所以要求每個陣元的激勵電流幅度和相位始終保持相等。故陣列天線的饋電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從輸入端到各個陣元間的微帶線長度和微帶線結(jié)構(gòu)都要保持完全相同。這樣就可以保證輸入信號經(jīng)過輸入端到各個陣元的幅度和相位保持相同。因?yàn)樘炀€系統(tǒng)的匹配阻抗為50Ω,所以陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)也要和匹配網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,為了達(dá)到阻抗匹配的目的,必須對饋電網(wǎng)絡(luò)的各個部分進(jìn)行阻抗計(jì)算和設(shè)計(jì),如圖3-4所示為本文中所設(shè)計(jì)的陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)。通過前面的分析和仿真軟件的建模分析我們知道陣元的輸入阻抗為130Ω,因此,在饋電網(wǎng)絡(luò)中a1-b1,a2-b2,a3-b3和a4-b4這四段微帶線就是1/4波長的阻抗變換器。通過這四條阻抗變換器可以把130Ω的陣單元變換到100Ω,即圖中的b1-b2圖6-4陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)Figure14Arrayantennafeednetwork和b3-b4均為100Ω的微帶線。圖中的c1、c2分別位于b1-b2、b3-b4兩段微帶線的中點(diǎn)位置,所以c1、c2點(diǎn)處的特征阻抗為兩端100Ω的微帶線的并聯(lián),所以它們的特性阻抗均為50Ω。因此,此時的c1-d1,c2-d2兩段微帶線也是1/4波長的阻抗變換器；同理,陣元間距已經(jīng)知道,那么我們就可以知道饋電網(wǎng)絡(luò)各段的長度,圖中e1位于d1-d2的中心位置,而該點(diǎn)處連接著特性阻抗為50Ω的微帶線,所以該點(diǎn)處的特性阻抗與微帶線相同均為50Ω,即e1-f1為該點(diǎn)引出的饋電線,特性阻抗為50Ω。根據(jù)上述結(jié)論已經(jīng)得到各段饋電線的特性阻抗和長度,故可以根據(jù)微帶線尺寸計(jì)算軟件得到各段微帶線的寬度,在這里把所有饋電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)數(shù)據(jù)整理到表3-2中,在表6-2中可以很直觀的看到饋電網(wǎng)絡(luò)的具體尺寸和數(shù)值。表6-2饋電網(wǎng)路的長寬數(shù)據(jù)Table6-2Thelengthandwidthofthegridfedroaddata線段名稱長度<mm>寬度<mm>a1-b1、a2-b217.451.16a3-b3、a4-b417.451.16c1-d117.451.56c2-d217.451.56d1-d2169.240.64e1-f1172.98b1-b2、b3-b484.240.64在饋電網(wǎng)路中需要注意一些細(xì)節(jié),尤其是每段微帶線的拐角處,如圖6-5所示,一般而言如果拐角處是直角的話,在高頻甚至是微波頻段時,直角的位置會有大量輻射散出,造成對天線系統(tǒng)的嚴(yán)重干擾,并且會損耗一定的能量。因此為了避免此種狀況的發(fā)生,并且最大幅度的降低天線的干擾,在饋電網(wǎng)絡(luò)的拐角處切去一定角度的線段。這樣在拐角處就形成了角度過度,這樣在高頻或微波頻段就可以抵抗大量的干擾。故拐角越尖銳所造成的干擾越嚴(yán)重,角度越圓滑,造成的干擾就越低。本設(shè)計(jì)中取拐角處的角度為45°,這樣的設(shè)計(jì)會使實(shí)際的輻射干擾大大降低。.圖6-5饋電網(wǎng)絡(luò)拐角防輻射處理Figure14Feednetworkcornerradiationtreatment6.2.3根據(jù)上述的設(shè)計(jì)理念和相關(guān)數(shù)據(jù),利用HFSS軟件對微帶陣列天線進(jìn)行了仿真建模,如圖6-6所示：圖6-6微帶陣列天線的仿真模型Figure15Microstriparrayantennassimulationmodel7微帶陣列天線的軟件仿真7.1天線的仿真數(shù)據(jù)通過電磁仿真軟件的建模仿真,分別得出了貼片單元和陣列天線的仿真數(shù)據(jù),包括天線的參數(shù)、增益方向圖、史密斯原圖和三維方向圖。如圖4-1〔a和圖4-1〔b所示分別為貼片單元和陣列天線的參數(shù)圖,從中我們可以清楚地得到貼片單元和陣列天線的參數(shù)值分別為-24.7dB和-13.5dB。諧振頻率分別為2.45G和2.44G-10dB帶寬分別為70Mhz和90Mhz。圖7-1〔a貼片單元的圖Figure16S11viewofthepatchunit圖7-1〔b陣列天線的圖Figure17S11viewofthearrayantenna根據(jù)HFSS的計(jì)算結(jié)果可以得到貼片單元和陣列天線的極坐標(biāo)下的增益方向圖,如圖7-2〔a和圖7-2〔b所示：圖7-2〔a貼片單元的增益方向圖圖7-2〔b陣列天線的增益方向圖Figure17GainpatternofplacementunitFigure17Gainpatternofarrayantenna從上述兩圖可以得出單元貼片的最大增益為1.76dB,而陣列天線的最大增益為7.36dB。如下圖7-3〔a和圖7-3〔b分別為貼片單元和陣列天線的史密斯圓圖,我們根據(jù)結(jié)果可以得出貼片單元和陣列天線在諧振頻率出的歸一化阻抗分別為〔1.15+0.19iΩΩ。三維方向圖可以更加直觀的觀察出天線在空間的輻射情況,如下圖7-4〔a和圖7-4〔b所示分別為貼片單元和陣列天線的三維增益方向圖。圖7-3〔a貼片單元的Smith圓圖圖7-3〔b陣列天線的Smith圓圖Figure18SmithchartofpatchunitFigure19Smithchartofarrayantenna7.2天線的仿真結(jié)果分析據(jù)上一小結(jié)的天線仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果可知,陣列天線諧振于2.44G符合設(shè)計(jì)要求,可以實(shí)現(xiàn)作為藍(lán)牙傳輸?shù)奶炀€的要求；并且可以看出天線單元的參數(shù)趨勢比陣列天線的好。從兩種增益方向圖可以看出陣列天線的最大增益遠(yuǎn)大于貼片單元的最大增益,近似為貼片單元的4倍,所以可以得出陣列天線在提高天線增益方面具有顯著效果。根據(jù)史密斯原圖可以看出,無論是貼片單元還是陣列天線,在諧振頻率處的歸一化阻抗都接近于1Ω,所以兩者在工作頻率都有良好的阻抗匹配。下面分析兩者的三維增益方向圖,根據(jù)兩者的數(shù)據(jù)結(jié)果可以明顯的看出陣列天線的方向性較好,而單一貼片單元天線比較接近全向性天線,所以陣列天線更適合用于對方向性有要求的場合,例如對點(diǎn)傳輸?shù)?。圖7-4〔a貼片單元的三維增益方向圖圖7-4〔b陣列天線的三維增益方Figure20Three-dimensionalgainpatternplacementunitFigure20Three-dimensionalgainpatternarrayantenna圖7-5〔a陣元駐波比Figure21PicketVSWR圖7-5〔b陣列天線的駐波比Figure22Arrayantenna’sVSWR如圖7-5<a>和圖7-5〔b所分別為陣元和陣列天線的駐波比,由微波傳輸線理論我們知道,天線的駐波比越接近于1,天線的性能就越好,輻射效