（无线电物理专业论文）新型平面超宽带天线研究.pdf

摘要 摘要 天线是任何无线电系统必不可少的组件。它的功能是辐射或者接收无线电波。 它把被导电磁波转变为自由空间的无线电波( 在发射系统中) ，或者做相反的变换 ( 在接收系统中) ，从而在任意两点之间实现无线电信号的传递。超宽带天线与常 规的窄带天线在辐射原理上并没有本质区别，超宽带天线是在常规的窄带天线基 础上发展起来的，其主要研究内容是探索频带宽度极大地扩展之后给天线带来的 新理论、新技术和新方法。 本论文第一章简单介绍了描述超宽带天线性能的几个重要参数、几种常用常 见的超宽带天线以及超宽带天线的分析方法。 第二章主要讲述在宽槽天线( w i d es l o ta n t e n n a ) 和多个蝴蝶结天线f b o w t i e a n t e n n a ) 辐射面的尖锐顶点处倒圆角对天线性能的改善作用。本章通过大量的仿真 结果和实验结果证明了上述结论。对宽槽天线而言，应用这种方法得到了阻抗带 宽为1 5 8 的超宽带宽槽天线，工作频率为1 9 - 1 6 2 5 g h z 。本人所见到的目前报 道的宽槽天线最大带宽为1 3 0 。对蝴蝶结天线而言，应用这种方法得到的蝴蝶 结天线在高频段比原天线具有更好的反射损耗，天线的方向图带宽有不同程度的 扩展。这种在天线尖锐顶点处倒圆角来改善天线性能的方法不仅仅适用于宽槽天 线和蝴蝶结天线，对很多平面天线也是适用的，此论文并非第一个应用本方法的 工作，但是前人并没有对此进行总结，本文总结的这一改善天线性能的方法得到 多篇已发表的文献支持。本人在这一结论上共在2 0 0 5i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n u l t r a - w i d e b a n d ( 1 c u 2 0 0 5 ) 、p r o g r e s si ne l e c t r o m a g n e t i c sr e s e a r c h ( p i e r ) 和i e e e a n t e n n a sa n dw i r e l e s sp r o p a g a t i o n ( a w p l ) 上各发表文章1 篇。 第三章讲述了折合技术在蝴蝶结天线上的应用。首先折合技术的应用使得蝴 蝶结天线在不改变原来高度的情况下，很大程度地降低了s u - l o d b 频带的最低 频率，得到的新型双折合蝴蝶结天线( d u a lf o l d e db o w t i ea n t e n n a ，简称d f b a ) 的电 长度为0 2 0 2 h x 为s 1 1 茎1 0 d b 频带的最低频率对应的波长，下同) ，同时d f b a 的 方向图稳定性得到极大改善，其主瓣方向在s 1 1 s 1 0 d b 频带内基本保持不变。其 次根据对d f b a 分析的基础上，得到新型的单折合蝴蝶结天线( s i n g l ef o l d e d a n t e n n a ) ，其电长度为o 1 4 l ，s t l - 1 0 d b 阻抗带宽为9 8 ：l ，但天线的方向图带宽 相对于d f b a 来说由于自身结构原因而变差，但还是好于普通蝴蝶结天线。此章 摘要 内容上本人在i e e et r a n s a c t i o n so na n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o n 有文章l 篇( 第一次审 稿通过，修改后重新投稿中) 。 考虑到本论文的长度，第二和第三章内容除简单介绍宽槽天线和蝴蝶结天线 发展外，其余均为本人在三年读研过程中所作。 关键词：超宽带天线，蝴蝶结天线，折合天线，平面天线，扩展带宽 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a n t e n n a sa r et h e n e c e s s a r yc o m p o n e n t si n m o d e r nw i r e l e s ss y s t e m s t h e i r f u n c t i o ni st ot r a n s m i ta n dt or e c e i v er a d i ow a v e a n t e n n a st r a n s m i tt h eg u i d e d m i c r o w a v ei n t ot h ef l e es p a c ei nt h ef r o n d - e n do fat r a n s m i t t e r ，a n dd oa ni n v e r t e d t r a n s i t i o ni nt h ef r o n t - e n do far e c e i v e r c o n s e q u e n t l y , s i g n a l sc a nb et r a n s m i t t e d b e t w e e nt w oa r b i t r a r yp o i n t s t h e r ea r en o ta n yd i f f e r e n c e si nr a d i a t i o nt h e o r i e s b e t w e e nt h eu l t r a - w i d eb a n da n t e n n aa n dt h eo r d i n a r yn a r r o wb a n do n e ，b u tt h ef u r m e r i sd e v e l o p e db a s e do nt h el a t t e r t h em a i nc o n t e n to ft h es u b j e c to nt h eu l t r a w i d eb a n d a n t e n n ai st oe x p l o r et h en o v e lt h e o r i e s ，t e c h n i q u e s ，a n dm e t h o d st or e s e a r c ht h e mi na v e r yb r o a db a n d t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i st h e s i si sa t t a c h e dm o r ei m p o r t a n c eo ns e v e r a lp a r a m e t e r s t od e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo fu l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) a n t e n n a s ，af e w o r d i n a r yt y p e s o fu w ba n t e n n a sa n dt h e i rm a i na n a l y t i c a lm e t h o d s t h em a i nc o n t e n to fc h a p t e rt id e s c r i b e st h ep o s i t i v ei n f l u e n c eo fr o u n d e dc o m e r s o nk e e nv e r t e x e so fw i d es l o ta n t e n n a sa n db o w t i eo n e s ag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s a n ds i m u l a t i o n sp r o v et h ec o n c l u s i o nm e n t i o n e da b o v e a sf a ra st h ew i d es l o ta n t e n n a i sc o n c e m e d ，ab r o a ds t t _ - 1 0 d b f r e q u e n c yb a n d w i d t ho f1 5 8 a n da no p e r a t i n g f r e q u e n c yb a n do f1 9 - 1 6 2 5g h za r ep r o d u c e db ya p p l y i n gt h i sm e t h o dt oi t a sf a ra s t h ea u t h o rk n o w l e d g e ，t h em o s tb o a r ds 1 1 s - 1 0 d bb a n d w i d t ho f1 3 0 i ss e e ni nt h e p r e s e n t e dp a p e r s f o rb o w t i ea n t e n n a s ，t h i sm e t h o dc a np r o d u c eab e t t e rr e t u ml o s si n t h eh i g h e rf r e q u e n c yb a n dt h a nt h eo r i g i n a lo n e s ，a n da tt h es a m et i m e ，t h er a d i a t i o n p a t t e mb a n d w i d t h so ft h en e wa n t e n n a sc a nb eb r o a d e n e dm o r eo rl e s s t h i sm e t h o d r o u n d i n gt h ek e e nv e r t e x e so nt h ep l a n ea n t e n n a sf i t sf o rn o to n l yw i d es l o ta n t e n n a s a n db o w t i ea n t e n n a sb u tm a n yo t h e rp l a n eo n e s t h em e t h o di sn o ta p p l i e df i r s ti nt h e t h e s i s ；h o w e v e r , t h ef o r e g o i n gp a p e r sd i dn o td os o r t i es u m m a r i z a t i o n so ni t t h e r e f o r e ， t h i sm e t h o di s s u p p o r t e db yaf e wp r e s e n t e dp a p e r sa n dt h ea u t h o r st h r e ea c c e p t e d p a p e r si n t h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nu l t r a w i d e b a n d ( 1 c u 2 0 0 5 ) ，p r o g r e s si n e l e c t r o m a g n e t i c sr e s e a r c h ( p i e r ) a n di e e ea n 据n n a sa n dw i r e l e s sp r o p a g a t i o n ( a w p l ) ，r e s p e c t i v e l y i n a b s t r a c t c h a p t e r l l ii n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no ff o l d i n gt e c h n o l o g yo nt h er o u n d e d e d g e b o w t i ea n t e n n a f i r s to fa l l ，t h ef o l d i n gt e c h n o l o g yr e s u l t si nt h eb i r t ho fd u a lf o l d e d b o w t i ea n t e n n a ( d f b a ) t h el o w e re d g eo fs 1 l 曼- 1 0 d bf r e q u e n c yb a n do fd f b ai s r e d u c e dt os o m ee x t e n tt h a nt h eo r i g i n a lb o w t i ea n t e n n ai nc o n d i t i o no ft h es a m e h e i g h t ，a n dt h ee l e c t r i c a ll e n i g t ho ft h en o v e la n t e n n ai s0 2 0 2 l ( 九i st h ef r e e - s p a c e w a v e l e n g t ha tt h el o w e re d g ef r e q u e n c yo fs n - l o d bf r e q u e n c yb a n d ) m o r e o v e r ，t h e r a d i a t i o np a a e mo fd f b ag e t sm o r es t a b l ea n di t sm a i nb e a mi s k e p ta l m o s t u n c h a n g e do v e rt h ew h o l es 1 l 兰一1 0 d bf r e q u e n c yb a n d s e c o n d ly ，b a s e do nt h ea n a l y s i s o fd f b a ，a n o t h e rt y p eo fu w ba n t e n n ac a l l e ds i n g l ef o l d e db o w t i ea n t e n n a ( s f b a ) i s o b t a i n e d w h i c hh a sas m a l le l e c t r i c a l l e n g t ho f 0 1 4 la n dab r o a db a n d w i d t ho f9 8 ：1 h o w e v e r ，i t sr a d i a t i o np a r e mb a n d w i d t hi sr e d u c e dd u et oi t sa s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e c o m p a r e dt od f b a ，b u ti sm o r es t a b l et h a nt h er o u n d e d - e d g eb o w t i ea n t e n n a ap a p e r s u b m i t t e dt oi e e et r a n s a c t i o n so na n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o nh a db e e nr e v i s e da n d w a sr e s u b m i t t e d c o n s i d e r e dt h el e n g t ho ft h et h e s i s ，c h a p t e r1 1a n d1 1 1a r ea l lo fm yw o r k si nt h e l a s tt h r e ey e a r se x c e p tf o rt h ei n t r o d u c t i o n st od e v e l o p m e n t so fw i d es l o ta n t e n n a sa n d b o i ea n t e n n a s k e y w o r d ：u l t r a w i d e b a n da n t e n n a ，b o w t i ea n t e n n a ，f o l d e da n t e n n a ，p l a n ea n t e n n a ， b m a d e nb a n d w i d t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：座! 堡! 圣 日期：? 口口占年口月口日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：啤导师签名：二芦避 日期：z 彩年吖月r 日 第一章引言 1 1 超宽带天线简介 第一章引言 天线的研究可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国科学家m a x w e l l 完整地给 出电磁场满足的方程组，对宏观电磁现象进行了统一而简洁的描述，从此，人们 对电磁场的认识进入了一个崭新的阶段。1 8 9 7 年，德国人h r h e r t z 用实验方法 验证了电磁波的存在，他用火花间隙发生器，设计了源与接收装置，形成了最早 期的天线。 多年来随着军事应用的要求和无线通信业务的发展，对通信系统带宽的要求 也越来越宽，超宽带天线就是在这种背景下发展起来的。宽带天线基本上包括以 下几种形式：频率无关天线( 螺旋天线，对数周期天线) 、双锥天线、v 一锥天线、 t e m 喇叭天线、波纹喇叭天线以及加载天线等。虽然这些天线在实际工程中广泛 使用，由于他们自身结构的限制，如尺寸过大、结构复杂、安装不便等，人们还 是倾向于尺寸更小、加工和安装更方便的新型超宽带天线。 近年来。多年的努力带来了多种新型的超宽带天线以及多种增加天线带宽的 方法。新型的超宽带天线主要包括由v 一锥天线发展而来的蝴蝶结天线及其多种变 形、用于不同目的的各种槽天线( t a p e r e ds l o ta n t e n n a ) 、近年来发展起来的宽 槽天线( w i d es l o ta n t e n n a ) 等等，这些天线比早期的宽带天线不但在阻抗带宽上 大大提高，而且天线方向图的稳定性也有不同程度的改善。在超宽带技术方面， 除原有的加载方法、加袖技术和折合方法等单纯的方法外，目前还发展了多种技 术结合的增加天线带宽的方法以及基于计算机技术的优化方法，取得了非常好的 性能。 多年来天线的小型化一直是人们最关心的课题之一。天线的小型化对整个超 宽带通信系统都有着至关重要的作用，天线的小型化适应了整个系统小型化的趋 势、降低了天线的构建成本，同时提高了抵御自然界作用的能力，而且加强了掩 蔽性。实际应用中，小型化的天线越来越受到重视。 电子科技大学硕士论文 1 2 超宽带天线的性能参数 辐射方向图f ( o ，( p ) ：在特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为 d 一加 e ( r ，0 ，妒) = k f ( o ，矿) 二( i - 1 ) r 其中f ( o ，妒) 为天线的方向性函数，用图形表示出来即天线方向图。令方向性 函数的最大值为1 ，画出的天线方向图为归一化方向图。 可以设计天线具有不同的波束形式，定向的单波束或者多波束用于点对点通 信或者一点对多点通信；全向( 在一个指定平面内有均匀辐射特性) 波束用于广 播电视等场合；赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定区域的情况。 方向性d ：为了定量地描述天线的方向性，并便于不同天线之间的比较，定 义了天线的方向性系数d 。在同样距离和相同辐射功率条件下，天线方向图上最 大功率密度与全向天线( 点源) 的辐射功率密度之比定义为天线方向性系数。 d ：生：l 纠( 1 - 2 ) ，k 。， 【e ，l 增益g ：在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度与 理想全向天线( 效率为1 0 0 ) 的辐射功率密度之比定义为天线增益。 g 一 2 e 自一自 ( 1 - 3 ) 图1 - 1 辐射方向图h 只妒) 和方向性d 。s 和s i 分别是同距离处 的实际功率密度和各向同性功率密度 考虑天线上的损耗，增益g 等于方向性系数乘以天线效率。天线效率是天线 辐射功率与输入功率之比。如果计入馈线系统的损耗，这时的天线增益称为实际 第一章引言 增益。 极化：一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量( 端 点) 在空间描出的轨迹。天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。 线极化和圆极化是椭圆极化的特例。圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。椭 圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。两种正交极化的电磁场可以在相同 频率上传输不同的信息( 极化复用) 。接收天线的极化与来波一致称为极化匹配。 输入阻抗：天线馈电端口电压和电流之比称为天线输入阻抗。 pv z 。2 并2 5 月。+ 弘。 ( 1 4 ) l - 一l 1 ，” 设计天线的一个很重要的工作是使天线输入阻抗与标准馈线的特性阻抗匹 配。天线输入阻抗取决于天线的工作原理，结构尺寸，周围介质，工作环境以及 工作频率。一般情况下，输入阻抗包含了输入电阻和输入电抗。输入电阻又包含 辐射电阻和损耗电阻。为了实现匹配，第一步要消去天线的输入电抗。 带宽：天线总是在一定频率范围内工作，在该频率范围内，一个或者一组选 定的天线参数的变化不超出可以接受的允许值。天线有多种形式的带宽，方向图 带宽、增益带宽、输入阻抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。在超宽带 天线研究领域，天线带宽始终是一个重要参数，其定义有多种形式，但常见的定 义为以下几种： i 绝对带宽，：其定义为式( 1 - 5 ) a f = 工一( 1 - 5 ) 其中五为考察频带的最高频率，：为考察频带的最低频率。绝对带宽常用于 电磁频谱的划分，有时也用于描述天线的实际工作频率。 i i 相对带宽：广义的讲，相对带宽有几种不同的定义。在通信领域常用的 相对带宽指系统绝对带宽与中频之比。 b w ： 五：2 厶二五f161l h 七 实际上，由定义可知相对带宽的取值范围为0 2 。有的文献称之为分数带宽。 随着通信系统带宽的扩展其相对带宽已经超过1 或1 0 0 ，如i e e e8 0 2 1 6 a ( 2 - 1 1 g h z ) 标准其相对带宽为1 - 3 8 或1 3 8 。 i i i 最高和最低频率之比定义的倍频程带宽：其定义式为式( 1 7 ) b w 3 = h i 0 1 4 、 电子科技大学硕士论文 这种定义的带宽取值范围为1 m ，这个定义也常用在超宽带领域。超宽带的 定义为相对带宽大于2 5 或倍频比大于2 。 天线效率：天线辐射功率总是比输入到天线的功率小一些，也就是说天线有 损耗。天线效率定义为 刁= 寺2 矗 其中尼r ，凡分别是天线的辐射功率、 导体损耗、介质损耗和加载电路中的损耗。 更详细的超宽带性能介绍可以参见【3 。 1 3 超宽带天线的结构类型 1 3 1 角形结构天线 损耗功率和输入功率。天线损耗包括 角形结构中以v 一锥天线为典型“3 ，如图1 2 所示。h a o m i n gs h e n 等人在1 9 8 8 年用共性变换的方法对其进行了严格的理论分析，并且给出了天线的多种变性， 如非对称结构的v 一锥天线。理想的这种角形结构的v 一锥天线具有理想的带宽，且 非频变的输入阻抗只随天线两个角度0 0 、西。变化。后来报道的椭圆v 一锥天线”3 、 蝴蝶结天线“”以及t e m 喇叭天线( 也称三角板天线) “1 都可以认为是在v 一锥天 线的基础上发展起来的。 图1 2v - 锥天线的中心部分几何结构 槽线是在介质基片上覆两片金属板构成的，如图1 3 所示。当介电常数比较 大，槽线模式波长比较小( 与r “2 成反比) ，场被束缚在槽内，使槽线成为非常有 效的平衡传输线。当介电常数比较小时，在不连续处，被导场倾向于辐射更多的 能量。当槽线用不同方法实现开路时，槽线变成个有效的端射式微波集成天线 ( t a p e r e ds l o ta n t e n n a ) ，如图1 3 所示，这种角形结构的天线也属于典型的超宽带 第一章引言 天线系列之一。 。乃刃绍 线性瞻曙天线维哥猷断天线恒定宽度悟天线 图1 - 3 由槽线馈电的各种槽天线 1 3 2 自相似性结构天线 对数周期天线是典型的自相似性结构天线之一。图1 4 所示的齿形平面对数 周期天线是典型的对数周期天线，它可以近似认为是由蝴蝶结天线两侧加圆弧形 齿状结构所构成的。它具有这样的结构，即天线的阻抗和辐射特性随频率的对数 关系周期地重复。实际上，在工作频带内的这种随频率的变化是很小的，因此对 数周期天线通常认为是非频变的。 图1 - 4 齿形平面对数周期天线结构图 图1 - 5 自补平面等角螺旋天线 另外，很多由齿形平面对数周期天线演化而来的很多天线也近似认为属于自 相似性结构天线，如劈形齿对数周期天线、对数周期梯形齿结构天线、对数周期 线结构天线以及由这些天线组成的阵列等等，他们都有宽带属性。 如图1 - 5 所示的平面等角螺旋天线是另一种典型的自相似性结构的天线，同 时也近似具有非频变特性，故其工作频带相当宽，输入阻抗将仅取决于在馈电点 处的电压与电流比。理想的等角螺旋天线具有无限大的带宽，但是由于结构不可 能无限大，平面等角螺旋天线存在一个有限的工作区，天线的辐射主要取决于工 电子科技大学硕士论文 作区的电流，工作区的大小与工作频率的范围有关。另外还有多种平面和立体结 构的等角螺旋天线，包括阿基米德螺旋天线、锥形等角螺旋天线( 如图l 一6 ) 。 h + 图1 6 锥形等角螺旋天线图1 7 无限长双圆锥天线 1 3 3 传播t e m 波的天线 天线的分类没有严格的界限，本节中介绍的传播t e m 波的天线结构有很多 也属于角形结构的天线。首先最典型的传播传播t e m 波的天线结构是如图1 7 所示的理想无限长双圆锥天线”1 。这种理想的天线结构具有严格的解析解，在球 坐标中采用分离变量法可以求得天线的输入阻抗z o 为 z o - 等= 如。t 争 ( 1 9 ) 式中咐) 和1 ( 0 分别为两导体间离端口距离为r 处的电压和电流，”为自由空间 波阻抗。由式1 6 可知天线的输入阻抗只和天线的半顶角有关，和频率无关，故天 线在整个频带上具有相等的实输入阻抗。这是此种天线宽带特性的机理。另外， 理想的无限长天线在实际应用中变为有限长双圆锥天线，可利用模式匹配法求出 其解析解口1 ，该天线具有无高频截止的宽带特性，有着广泛的实际应用。 双圆锥天线有多种变形，例如非对称双圆锥天线、多波束双圆锥天线、线结 构双锥天线、双锥喇叭天线中电场分布、椭圆锥天线等等，在【3 1 中以有比较完整 的介绍。 另外，图1 2 所示的v 锥天线、图1 3 所示的槽天线也属于传播t e m 波的结构 第一章引言 他们的宽带特性在前面已有介绍。 1 3 4 其它类型 除以上几种超宽带天线类型外，目前应用比较多超宽带天线中的还有以下几 种类型：加载天线9 1 ( 图1 8 ) 、折合天线酬( 图1 9 ) 和近年来刚发展起来的宽槽 天线【1 02 ”( w i d es l o ta n t e n n a ，详细介绍见第二章) 等等。 业豇：姒 图1 - 8 加载单极子天线图i - 9 折合单极子天线 超宽带天线的分类没有十分明确的定义，除了上述按照天线本身结构分类外 还有按照天线电特性及频段进行分类的方法，如非频变天线、行波天线等等。 1 4 天线的分析方法 电磁理论发展到今天，电磁场问题已经有很多种求解途径，按求解途径的不 同可分为解析法、数值法和半解析数值法。解析方法典型的有：保角变换法、模 式匹配法、传输线模型法等。但是解析方法应用有很大的局限性，只有那些特殊 结构的电磁场问题才有严格的理论界。 典型的数值法有：频域有限元法、时域有限差分法( f d t d ) 、矩量法等。1 9 4 3 年由c o u r a n t 提出有限元法的数学处理，直到1 9 6 8 年才用到电磁场的数值计算问题 “。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的 定解问题。这种方法不受场域边界形状的限制，且对第二类、第三类及不同媒质 分界边界条件不作单独处理。尽管所编制的计算程序比较复杂和冗长，但各个环 节易于标准化，可形成通用的计算程序，其结果有较好的计算精度。在用有限元 电子科技大学硕士论文 法计算电磁场的过程中，主要有以下步骤：1 找出与边值问题相对应的泛函及其 变分问题。2 将场域剖分，然后将剖分单元中任意点的未知数用该剖分单元中形 状函数及离散函数上的函数值展开，即把连续介质中无限个自由度的问题离散化 成有限个自由度的问题。3 求泛函的极值，导出联立代数方程组即所谓的有限元 方程。4 用直接法或迭代法求解有限元方程。但是，随着对其研究的深入，特别 是工程应用研究的深入，一些问题也随之出现：所解决问题的复杂性和经费、时 问以及计算机能力有限之间的矛盾；它属于区域性解法，因此分割的元素数和节 点数较多，导致所需要的原始数据复杂、繁多，使用不便；它产生的代数矩阵方 程的条件数0 ( h 。2 ) 随网格细分，单元尺寸变小，条件数变坏，最终导致计算结果很 差；对于无限区域的求解问题，由于其边界条件很难处理，使得所求出的结果误 差较大。基于有限元方法的典型电磁场仿真软件有a n s o f fh i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r e s i m u l a t i o n ( h f s s ) 。 在电磁场中的矩量法是指将基本的电磁场方程简化为一组可以用计算机处理 的线性代数方程，从而可用简单的矩阵运算得到数值解的方法。1 9 6 3 年，k k m e i 在其博士论文中首次采用这种方法。具体地，矩量法就是先将需要求解的微分方 程或积分方程写成带有微分或积分算符的算子方程；再将待求函数表示为某一组 选用的基函数的线性组合并代入算子方程；最后用一组选定的权函数对所得的方 程取矩量，就得到一组代数方程组或矩阵方程：接下来的问题就是利用计算机进 行大量的数值计算，包括矩阵的反演( 求逆矩阵) 和数值积分等。本论文不做详 细介绍。必须指出虽然这种方法的解析部分相对简单，但其计算工作量很大。对 于以微分方程为基础的离散方程，其系数矩阵多为大型病态稀疏矩阵；对于以积 分方程为基础的离散方程，其系数矩阵多为满矩阵，所有元素通常需要大量的数 值计算。对于线天线结构或面天线结构，当天线的最大尺寸不大于两个波长时， 非常适合于用矩量法，矩量法详细的计算方法和过程参见f 1 3 。基于矩量法的电磁 场仿真软件比较多，女n a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) ，i e 3 d ，n e c 等等。 1 9 6 6 年，k s y e e 提出了时域有限差分法的基本原理。2 0 世纪8 0 年代后期以来， 它倍受专家学者青睐，被称为重要的电磁场数值方法之- - i ”】。时域有限差分法以 差分原理为基础，直接从概括电磁场普遍规律的m a x w e l l 方程出发，将其转化为差 分方程组，在一定体积内和一段时间上连续对电磁场的数据取样，因此它包括电 磁场问题的最原始、最本质、最完备的数值模拟，具有广泛的适用性。时域有限 差分法使电磁场的理论与计算从处理稳态问题发展到瞬态问题，从处理标量场问 第一章引言 题发展到直接处理矢量场问题，这在电磁理论中是一个极有意义的重大发展。目 前多数论文将c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ( c s t ) 归为基于时域有限差分法的电 磁场仿真软件。 1 5 本论文的主要工作和内容安排 本论文的工作重点有两点。超宽带天线在很宽的特定工作频带内驻波比一般 较差，本文的第一个工作要点便是研究改善超宽带天线工作频带内的方法。本文 第二章仔细介绍了我们通过对蝴蝶结天线( b o w t i ea n t e n n a ) 做的大量的仿真和实 验，得出一种相当普遍的改善超宽带天线工作频带内驻波比的方法在平面天 线尖锐定点处倒圆角，且这种方法在提高天线的带宽方面的作用也极其明显。我 们对这种方法应用于宽槽天线( w i d es l o ta n t e n n a ) 也作了大量的研究，取得了相 当突出的效果。 本文的另一个工作重点是围绕天线的小型化设计和宽频带技术两大主题，开 展了一系列的理论与实验研究，取得了一定的成果。这部分工作重点以蝴蝶结天 线为研究对象，以目前多种成熟的超宽带天线技术为依据进行研究，主要包括以 折合技术为依据实现蝴蝶结天线的宽带和小型化设计。 实际上，天线的小型化和带宽的扩展之间是密不可分的，天线的带宽向低端 扩展既带来天线的小型化，在天线的工作频带定义相同的情况下，比如都定义为 l o d b 反射损耗的带宽，天线的小型化也既是天线的工作频带向低端扩展的结果。 由于理想蝴蝶结天线本身的带宽没有高频截止，故其带宽可用工作频带的最低工 作频率，2 来代表，而五又间接表示了天线的电尺寸，故对蝴蝶结天线而言，小型 化技术和宽带技术实质上是统一的。我们的工作就是如何降低蝴蝶结天线的最低 工作频率。本文第一步我们分别应用折合技术于蝴蝶结天线，得到的新型天线一 一我们称其为双折合蝴蝶结天线( d f b a ) 具有比原蝴蝶结天线更稳定的方向 图和更低的以1 0 d b 反射损耗定义的带宽内最低工作频率无，文中给出了天线的 具体工作原理和详细的分析结果，得到清晰明了的结果。第二步基于对d f b a 的 分析，得到了新的单折合蝴蝶结天线( s f b a ) ，和前者相比，其方向图带宽稍窄， 但具有更低的丘。本文对该天线的详细工作原理和性能作了清楚地解释。 本文的内容安排如下： 第一章简单介绍了超宽带天线的意义、性能参数和几种基本结构，对超宽带 电子科技大学硕士论文 天线的分析方法，主要是数值方法作了粗略介绍。 第二章详细叙述了本文的第一个工作重点，共两大部分内容。第一部分本章 开始简单介绍宽槽天线的发展过程，而后应用在天线面尖锐定点处倒圆角的方法 对天线进行改进，详细给出了宽槽天线经改进后的1 0 d b 反射损耗工作带宽和多 个频点的方向图，对天线的改进结果在参数研究的基础上进行定性的解释。第二 部分开始简单介绍了蝴蝶结天线的发展，而后同样应用上述方法对其改进，通过 大量的实验和仿真数据给出了改进后的效果，验证了这种方法的实用性。最后， 引用多篇参考文献证明这种简单有效的方法对天线性能的改善效果。 第三章详细叙述了本文的第二个工作重点，为折合技术在蝴蝶结天线中的应 用。首先简单介绍了折合技术的发展及目前的应用背景，而后详细给出了折合蝴 蝶结天线1 0 d b 反射损耗工作带宽和多个频点的方向图，仔细分析了该天线的工 作原理，并从天线电流分布的角度做出定性解释，详细的参数研究为该天线的工 程应用提供依据和便利。 第四章为结论及未来工作展望，给出了本文的主要创新点。 第二章一种平面天线的改进方法 第二章一种平面天线的改进方法 提高天线带宽的方法很多，目前如加载技术、折合技术、加袖技术、多馈电 技术、加短路销钉( s h o r cp i n ) 、削角( b e v e l i n gt e c h n o l o g y ) 等得到广泛应用。对 平面天线来说，应用上述超宽带技术得到性能良好的超宽带天线的报道非常多“ “1 “”“”1 ，但是在平面天线尖锐顶点处倒圆角得到宽带性能的方法报道却很 少。本章以宽槽天线( w i d es l o ta n t c n l l a ) 和三种蝴蝶结天线0 3 0 w - t i ea n t e n n a ) 为 例，研究倒角方法对平面天线性能的影响，并且得出结论：在平面天线尖锐定点 处做圆角处理其性能有积极的影响。 本章第一部分首先简单介绍了宽槽天线的发展过程，其次给出了应用上述方 法后得到的新宽槽天线的性能；第二部分首先简单介绍了蝴蝶结天线的发展，而 后给出多个带倒角的蝴蝶结天线的性能，并和原天线做了对比。为证明这种方法 的实用性，本章最后引用多篇参考文献做了进一步说明。 2 1 宽槽天线 2 1 1 宽槽天线的发展状况 之前槽天线的研究主要是普通窄槽天线( s l o ta n t e n n a ) ，宽槽天线的研究开始于 m i e r o s t f i pf c e , di n m 图2 1 文献【lo 】报道的宽槽天 图2 - 2 文献【1 9 报道的宽槽天 电子科技大学硕士论文 上世纪9 0 年代中期。1 9 9 8 年， 1 0 】中反射损耗小于 一1 0 d b 百分比带宽5 0 ，交 叉极化电平2 0 d b 。采用共面 波导馈电比微带馈电有很多 好处，共面波导容易制作、 容易和无源或有源的表面贴 装元件实现串联或者并联连 接、不需要过孔、辐射损耗 小、相互之间的串扰小，并 且共面波导的特性阻抗是由中间导带宽度和缝隙之比决定，可以自由设计其尺寸。 2 0 0 0 年， 1 9 】中反射损耗小于1 0 d b 百分比带宽5 8 。文中仔细研究了如图 2 2 中所示槽的大小对天线阻抗带宽的影响，得到槽越大有利于增加带宽的结论。 从此，宽槽天线受到广泛关注。 2 0 0 0 年，如图2 - 3 所示，在【2 0 中该天线采用微带十字结构的馈电形式，反 射损耗小于一1 0 d b 百分比带宽9 8 5 9 ( 1 7 6 5g h z 4 9 1 2 g h z ) ，但是文中只给出 了一个频点( 3 2g h z ) 的方向图，没有明确说明方向图的畸变。 图2 4 文献 2 1 1 报道的宽槽天线 2 0 0 1 年，【2 1 中的宽槽天线如图2 - 4 ( a ) n 示，采用衩子结构的馈电形式( a f o r k l i k et u n i n gs t u b ) ，选取驻波小于1 5 的带宽为研究对象，并和图2 4 ( b ) 做比较， 得到百分比带宽5 0 ( 1 0 倍于图2 4 ( b ) 所示的天线) 。文中讨论了稳定的方向图带 宽约是图2 - 4 ( b ) 所示天线的5 倍。 第二章一种平面天线的改进方法 _ 、 。鲕。 图2 - 5 文献1 2 2 报道的宽槽天线 2 0 0 2 年，2 2 1 中的宽槽 天线( 如图2 - 5 所示1 继承了 2 1 中馈电结构，并在槽的 结构上做了改进。文中仔细 分析了倒角的半径r 对天线 阻抗带宽的影响，得到s 1l 曼 1 0 d b 百分比带宽1 1 9 ，倍 频程带宽3 9 7 ，同时也给出 了倒角方法可以改善平面天线性能的一个很好的例证。 2 0 0 3 年， 2 3 3 q u 同样采用了权子形状( f o r k s h a p e d ) 的微带馈电结构，如图2 - 6 所示，得到s 1 l _ - 1 0 d b 带宽2 5 g h z 1 1 3 g h z 的效果，倍频程带宽4 5 2 ，百分比 带宽1 2 7 ，且文中从频域和时域两个方面对天线进行了研究。 图2 - 6 文献【2 3 】报道的宽槽 曩露墨曩要互墨嚣薹嚣互薹盈 图2 7 文献 2 4 报道的宽槽天线 2 0 0 3 年， 2 4 中采用共面波导馈电，如图2 7 所示，为了得到更好的阻抗带 宽，在槽的四个角上加上四个小支节，文中仔细研究了高频下天线方向的畸变并 分析畸变的原因，最后得到s 1 1 - 1 0 d b 百分比带宽6 0 ，这一结果对共面波导馈 电的宽槽天线来说是相当好的。 2 0 0 3 年， 2 5 中采用共面波导馈电，如图2 - 8 所示，槽和位于槽内的调谐支 节均为方形。文中指出馈电线和天线的匹配严格依赖于调谐支节在槽内的位置， 天线的阻抗带宽主要由调谐支节的长度和宽度决定，并对这两个量进行了仔细深 入的研究。文章给出天线面上的电流和槽内电场，指出天线面上的水平方向电流 电子科技大学硕士论文 图2 - 8 文n 2 5 1 报道的宽槽天 和槽内电场的水平分量主要贡献于 天线的交叉极化( c r o s sp o l a r i z a t i o n ) 分量，它们的垂直分量主要贡献于 天线的主极化( c o p o l a r i z a t i o n ) 分 量。最后得到s l l 一l o d b 百分比 带宽6 0 。 同年，2 6 采用共面波导馈电， 如图2 - 9 所示，通过在馈电线上加 电磁带隙结构( e l e c t r o m a g n e t i c b a n dg a p ，简称e b g ) ，得到s 1 1 一1 0 d b 百分比带宽7 0 ( 图2 - 8 ( a ) ) 和6 0 ( 图2 - 8 ( b ) ) 。 2 0 0 4 年，【2 7 中二者均采用微 带馈电，如图2 1 0 所示，得到s 1 1 1 0 d b 百分比带宽( a ) 1 2 0 ，( b ) 1 1 0 ，但( a ) 的方向图不如( b ) 稳定。 匝杰是= = = ! = ：! 妇$ ( a ) 图2 - 9 文献【2 6 报道的宽槽天线 图2 - 1 0 文献 2