（无线电物理专业论文）小型微带天线的宽频带技术及无线通信天线的设计.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。近年来，无 线通信系统的迅猛发展带来了天线行业的繁荣，如w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t - w o r k ) 、u w b 及u w bb a n d - n o t c h e d 天线获得了广泛研究和应用。而且，由于对 系统小型化的要求，小型宽带微带天线已成为国际天线研究的前沿之一。本论文 对小型宽带微带天线，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 及u w bb a n d n o t c h e d 天 线进行了深入研究，提出了几种创新性设计。 本论文第一章简单介绍了描述天线性能的几个重要参数，以及天线的分析方 法，并简要介绍了本论文的主要工作。 第二章主要讲述了微带天线的小型化及宽频带技术。本章通过大量的阅读文献 和仿真研究，总结了微带天线小型化及宽频带的几个技术。一般微带天线的带宽 只有0 7 0 o - - 7 ，而且微带天线小型化后由于辐射面积变小，辐射效率变差，使得 它的带宽更窄。本章中作者运用短路加载和槽加载技术，使天线有多个互相靠近 的谐振频率，从而得到了两个新型小型宽带微带天线。这两个天线具有带宽大、 尺寸小和剖面低的特点。 第三章讲述了无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w u 小) 天线的设计。 w l a n 包含两个频段，即2 4g h 频段( i e e e8 0 2 1 l b g , 2 4 0 0 2 4 8 4m h z ) 和5g h z 频段( i e e e8 0 2 1 l 如5 1 5 0 5 8 2 5m h z ) 。本章介绍了几个文献上介绍的w l a n 双频 天线，总结了w l a n 天线的双频宽带设计方法。最后详细介绍了作者设计的两个 w l a n 双频天线。这两个天线具有带宽大、增益适中和结构紧凑的特点，可应用 与w l a n 系统。 第四章讲述了平面超宽带带阻( u w bb a n d n o t c h e d ) 天线的设计。2 0 0 2 年美国 联邦通信委员会( f c c ) 批准将3 1 1 0 6g h z 频段划作超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 技术的商业应用，此后平面超宽带天线更成为一个新的研究热点。然而 正如第三章所述，5 1 5 5 8 2 5g h z 是属于w l a n 的频段，为了避免w l a n 系统和 u w b 系统的互相串扰，近年来具有带阻性质( 5 6g h z ) 的u w b 天线也获得了广 泛的研究。本章中作者简单介绍了几个超宽带带阻天线，总结了超宽带带阻天线 摘要 的设计方法，并详细介绍了作者设计的两个创新性结构的超宽带带阻天线。 考虑到本论文的长度，第二、第三和第四章内容除对微带天线、w l a n 天线和 u w bb a n d n o t c h e d 天线的简单介绍外，其余均为本人在三年读研期间所作。 关键词：小型宽带微带天线，w l a n 天线，u w b 天线，u w bb a n d n o t c h e d 天线 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a n t c m l a sa r et h en e c e s s a r yc o m p o n e n t si na n yw i r e l e s ss y s t e m s 1 1 1 e i rf u n c t i o ni s t ot r a n s m i to rt 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 dm i c r o w a v ei n t ot h e f 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 dt r a n s i t i o ni nt h e f r o n d e n do far e c o v e r c o n s e q u e n t l y , s i g n a l sc a l lb et r a n s m i t t e db e t w e e nt w oa r b i t r a r y p o i n t s i nt h er e c e n ty e a r s ，t h ef a s td e v d o p m e n to f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h a sb r o u g h tp r o s p e r i t yt ot h ea n t e n n ai n d u s t r y s u c ha sw u 蝌( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) i 兀船a n di ，、船b a n d - n o t c h e da n t e n n ah a v eb e e nw i d e l ys t u d y , a n dt h e a p p l i c a t i o no ft h e s ea n t e n n aw a sp r e s e n t e d i na d d i t i o n ，d u et ot h ed e m a n d f o rc o m p a c t s y s t e m ，c o m p a c ta n db r o a d b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a sh a v eb e c o m eah o t s p o ti nt h e a n t e n n ai n d u s t r y c o m p a c tb r o a d b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a s ，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) a n du w bb a n d n o t c h e da n t e n n a sw e r e1 u c u b r a t e d ，a n ds e v e r a l a n t e n n a s p o s s e s so f i n n o v a t i v es t r u c t u r e sw e r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i st h e s i 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 st o d e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo fa n t e n n a sa n dm e t h o d sf o ra n t e n n aa n a l y z e d ab r i e f i n t r o d u c t i o no ft h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rw a sa l s op r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n to fc h a p t e ri id e s c r i b e st h ec o m p a c ta n db r o a d b a n dt e c h n i q u e so f m i c r o s t r i pa n t e n n a t h r o u g hp e r u s i n gal a r g en u m b e ro fp a p e r sa n dt a k i n gag r e a td e a l o fs i m u l a t i o nr e s e a r c h e s ，s e v e r a lt e c h n i q u e st oa c h i e v ec o m p a c ta n db r o a d b a n do f m i c r o s t r i pa n t e n n ah a v eb e e ns u m m a r i z e d 1 1 1 ei m p e d a n c eb a n d w i d t h so ft h eo r d i n a r y m i c r o s t r i pa n t e n n a sa r eo n l y0 7 * , - - 7 f u r t h e rm o r e , d u et o t h er a d i a n ta r e a so f c o m p a c tm i c r o s t r i pa n t e n n a sd i m i n i s h e d ，t h er a d i a n te f f i c i e n c y w i l lb e c o m ew o r e ，t h e n t h ei m p e d a n c eb a n d w i d t hd i m i n i s h e d i nt h i sc h a p t e r , t h ea u t h o ri n t e g r a t e d t h e t e c h n i q u e so fs h o r t e d 1 0 a d e da n ds l o t - l o a d e d ，e n g e n d e rs e v e r a lr e s o n a n tf r e q u e n c i e s c l o s et oe a c ho t h e r , t h e nt w on o v e lc o m p a c tb r o a d b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a sw e r eo b t a i n t h e s et w oa n t e n n a sp o s s e s sc h a r a c t e r i s t i c so fw i d e b a n d ，s m a l ls i z e , a n dl o w p r o f i l e c h a p t e ri i ii n t r o d u c e st h ed e s i g no fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) a n t e n n a t h ew l a ni n c l u d et w of r e q u e n c i e sb a n d so f2 4 - g h z ( i e e e8 0 2 1l b g ，2 4 0 0 2 4 8 4 m h z ) a n d5 - g h z ( i e e e8 0 2 1la , 5 15 0 5 8 2 5m h z ) s e v e r a lw u nd u a l - b a n da n t e n n a s m a b s t r a c t i nt h er e f e r e n c e sw e r ei n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r , a n dt e c h n i q u e st oa c h i e v ed u a l b r o a d b a n dw l a na n t e n n a sw e r ea l s os u m m a r i z e d t w od u a lb r o a d b a n dw l a n a n t e n n a st h a td e s i g n e db yt h ea u t h o rw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l si nt h ee n d p o s s e s s i n g t h et r a i t so fb r o a d b a n d ，m o d e r a t eg a j n ，a n dc o m p a c ts t r u c t u r e ，t h ea n t e n n ac a nb eu s e d i nw 圳s y s t e m c h a p t e ri vi n t r o d u c e st h ed e s i g no fp l a n a ru w b b a n d n o t c h e da n t e n n a a f t e rt h e f c ca u t h o r i z e d3 1 1 0 6g h zc a nb ec o m m e r c i a lu s e df o ru w b ( u l t r aw i d e b a n d ) t e c h n i q u ei n2 0 0 2 ，t h e n ，t h ep l a n a l i ，w ba n t e n n a sh a v eb e c o m ean e wh o t s p o t h o w e v e r , a sw a sp r e s e n t e di nc h a p t e ri i i t h e5 15 - 5 8 2 5g h zb a n di sa l s ou s e di n w l a ns y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，t h eu w ba n t e n n a sw i t hab a n d n o t c ha t5 - 6g ht o a v o i dt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nw l a na n dim s y s t e m sh a db e e nw i d e l ys t u d i e d i n t h i sc h a p t e r , t h ea u t h o rb r i e f l yi n t r o d u c e ds e v e r a lu w bb a n d n o t c ha n t e n n a s ，a n d s u m m a r i z i n gt h et e c h n i q u e sf o rb a n d n o t c hd e s i g n t w on o v e lu 、v bb a n d n o t c h e d a n t e n n a st h a td e s i g n e db yt h ea u t h o rw e r ep r e s e n t e di nd e t a i l s 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 ri i ，i i ia n di va r ea l lo fm yw o r k si n t h el a s tt h r e ey e a r se x c e p tf o rt h eb r i e fi n t r o d u c t i o n so fm i c r o s t r i pa n t e n n a , w l a n a n t e n n a , a n dl r w bb a n d n o t c h e da n t e n n a k e yw o r d s ：c o m p a c tb r o a d b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a , w l a na n t e n n a , u w ba n t e n n a , u w bb a n d n o t c ha n t e n n a i v 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，论文中不包含其他入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甓确的 说明并表示谢意。 签名：日期： 杪芳年- 月奎日 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盾应遵守此规定) 签名：导师签 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 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。 天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要 的影响。微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加 工、易与有源器件和电路集成等诸多优点，得到了广泛的研究和应用。近年来， 由于短程无线通信的迅猛发展，特别是w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 系统及 u w b 系统天线的广泛应用，使这两类天线已成为研究的热点。 本论文是以这几个热点做为研究内容，创新性地设计了几个小型宽带微带天 线，w l a n 双频天线，及u w bb a n d n o t c h e d 天线。 1 2 研究意义 微带天线自2 0 世纪7 0 年代初期研制成功以来，以其体积小，重量轻，低剖面， 易共形，制造简单，成本低，易与微带线路集成等一系列优点，越来越受到人们 的重视，其发展越趋成熟化，因此得到了广泛的应用。尤其在移动通信和个人通 信中，微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。随着无线通信技术的发展和 无线应用产品的普及，特别是近几年随着手持设备的普及和超宽带无线通信技术 的发展，人们对宽带天线的研究提出了更高的要求，主要体现在频带的范围更广， 体积更小，便于安装，架设和携带，同时具有较高的效率。然而，在较低频段， 传统的半波长微带天线尺寸仍然太大，带宽仍然太窄( 只有0 7 7 ) ，而且微带 天线小型化后由于辐射面积变小，使得它的带宽更窄，增益变小，这些缺点制约 了它的应用。解决上述缺点对于微带天线的军事或民用都有重大的意义。所以小 型宽带微带天线的研究是一个热点。 电子科技人学硕士学位论文 无线局域n ( w t a n ) 的迅猛发展，已经在医院、工厂和学校等场合得到了广泛 的应用。随着开放办公的流行和手持设各的普及，人们对移动性访问和存储信息 的需求越来越多，因而w l a n 将会在办公、生产和家庭等领域不断获得更广泛应 用。2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 批准将3 1 1 0 。6 g h z 的频段划作超宽带 ( 璐毽。u l t r aw i d e b a n d ) 技术的商业应用，这将广泛应用予新兴短程通信中，此后 平面超宽带天线更成为一个新的研究热点。然而前面介绍的w l a n 系统的高频 ( 5 6g h z ) 也为u w b 所覆盖，为了避免w l a n 系统和u w b 系统的互相串扰，近 年来具有带阻性质( 5 6g 珏z ) 的 您憾天线也获得了广泛的研究。 1 3 天线的几个重要性能参数 天线转换电磁能量的能力大小，性能的好坏通常由如下一些指标作为参照。 辐射方向图只0 ，由) ：在特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为 f 静 e ( r ，移，彩= 矽( 移，奶兰一 ( 1 一1 ) r 其啊( 口，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酶波束形式，定向的单波束或者多波束用于点对点通 信或者点对多点通信；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。 方囱性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黔。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。 i1 2 d = 垒= l 垒| ( 1 - 2 ) | | 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 ) 的辐射功率密度之魄定义为天线增益。 g = 生l然i 堡r ( 1 - 3 ) fi 输入功率相同lk f i 输入功率拥 2 第一章绪论 副 图1 - 1 辐射方向图f ( b 卿和方向性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。 乙= 岳= 争= 瓦+ 风 ( 1 4 ) i i n 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： 电子科技人学硕十学位论文 1 绝对带宽a f ：其定义为式( 1 5 ) a f _ - - 五一z ( 1 5 ) 其峨为考察频带的最高频率，z 为考察频带的最低频率。绝对带宽常用于电磁频 谱的划分，有时也用于攒述天线的实际工 筝频率。 i i 相对带宽b w l ：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。 腓l 壹五= 2 壹五( 1 - 6 ) l f 、 i 这一定义常用在现有的频带比较窄的通信和雷达系统中。例如金属波导中，下有 波导截止频率，上有多模限制，使得主模工作频带比较窄，b w l 远小于1 。当前， 随着技术进步，新型传输线、电路和器件不断开发出来，使得无论是通信系统还 是雷达系统，工作频带宽度日益扩展，b w l 有可能大于1 。实际上，由定义可知 b w l 取值范围为o b w l 2 。有的文献称之为分数带宽。 i i i 。百分沈带宽b w 2 ：定义为系统绝对带宽与高低端频率之和的比值，也就 是绝对带宽与二倍中频之比。 b 暇燃五二五 ( 1 7 ) 。 i 寺 b w 2 取值范围为o b w 2 1 。这个定义常用在超宽带领域。 i v 高低端频率值l i , b w 3 ：顾名思义这个定义 暑- - - 五z ( 1 - 8 ) b w 3 取值范围1 b w 3 ，这个定义一般也是用在超宽带领域。 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 7 7 = 旦= 卫 ( 1 9 ) p 饥pr 七pl 其中只、a 、或，分别是天线酶辐射功率、损耗功率帮输入功率。天线损耗包括导体 损耗、介质损耗和加载电路中的损耗。 更详细的天线性能介绍可参见文献 1 】。 4 第一章绪论 1 4 天线的数值分析方法 天线的数值分析方法是指全波分析中的数值分析。全波分析方法理论上虽然 具有通用性，但是它通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程，解出源分布， 再由积分算式来求总场。而由于实际问题的复杂性，积分方程的求解和场积分的 计算一般都要借助数值计算技术来完成。电磁场的数值分析方法就应运而生，全 波分析中的数值分析方法主要包括矩量法( m o m ，m e t h o do f m o m e n t ) 、有限元法 ( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 和时域有限差分法( f d t d ，f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ) ，而且随着计算机的不断发展，新的方法也不断涌现。在这些数值分析 方法中，矩量法最为常用，有限元法和时域有限差分法也运用的较为广泛。 随着计算机e d a 技术的发展，各种商用电磁仿真软件涌现。主要的厂商有： a g l i e n t , a n s o f t ，z e l a n d 和c s t 等。各种电磁仿真软件都是以矩量法，有限元法和时 域有限差分法等基本的电磁全波分析方法做为内核，并配以友好的图形界面以及 丰富的参数转换，图表输出功能。这些e d a 电磁仿真软件的出现极大的提高了微 波电路设计的效率，缩短了产品开发设计周期。但是软件只是一种工具，要想设 计出理想的天线，必须对电磁场理论以及各种物理概念熟悉掌握。 以下将对矩量法、有限元法以及时域有限差分法三种全波分析方法进行简要 介绍。 1 4 1 矩量法( m o m ) 矩量法是目前平面天线分析中应用最为广泛的方法【2 羽。矩量法所处理的问题 可概括为解线性非齐次方程，可统一写为 三( 厂) = g ( 1 - 1 0 ) 其中为线性算子，代表作用于位知函黼微分或积分运算，是线性的。g 为已知 函数，在物理问题中，代表激励源。伪待求解函数，代表在源g 极力下的响应。 运用矩量法对式( 1 1 0 ) 的求解，首先要在，的定义域内将展开为一组线性无 关的已知函数磊的组合 厂= ( 1 1 1 ) 其中口n 称为展开系数，月称为基函数或展开函数。由于是线性算子，将式( 1 1 1 ) 代入式( 1 1 0 ) ，得 电子科技大学硕士学位论文 掰嚣三( z ) 黼g ( 1 1 2 ) 然后在五( 力可能出现的范围，即三的值域内取另一组线性无关的函数系列 w 1 ，w 2 ， w 3 ，w n , 它们称为权函数或试验函数，用它们分别对式( 1 1 2 ) 的两端取内积，即 定义域肉求积分，写作 ( ，三( z ) ) = ( ，g ) ( 1 _ 1 3 ) 式q b m = l ，2 ，3 ，嚣。这就构成了一个以a n 为未知数麴线性代数方程组，写成矩阵形 式为 其中 f ，- l l 上。1 一 ( ，巧) ， ( w 2 ，磁， ， ( 1 1 4 ) 私憔参 由式( 1 1 4 ) 解出展开系数a 。之后，未知函数偎可表示为基函数的线性组合。 如果是无限系列，那么只有当江】为对角矩阵时才有解。实际工程中，通常规定露= 掇 为有限值，求出符合精度要求的近似值。 从矩量法的原理上看，运用矩量法的关键在于基函数和权函数的选取上。基函 数和权函数的选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函 数。选取基丞数时，应尽量应用有关未知函数的先验知识，健所选择豹基添数尽 可能接近未知量的真实解，并且满足边界条件，这样方程的收敛较快，广义阻抗 矩阵也不容易出现病态情况。跟有限元等方法相比，矩量法对计算机内存和计算 能力的要求要小的多。 基函数的选择一般分为全域基函数和分域基函数。全域基函数是指基函数系列 磊和未知函数肭定义域相同。一般来说，若在自变量的定义域上，未知函数能 分解为一组线性无关的解析函数，其中每一个都能满足规定的边界条件时，就可 以选择全域基委数。显然，它的限割比较严格。嚣分域基丞数则是把舶定义域分 为若干个子域，在每个子域上定义一个基函数磊，典型的分域基函数有脉冲函数， 三角函数和分段正弦函数等。这种基函数选取方法的优点在予，它只有在边缘区 域才需要满足边界条件，因瑟这种方法就更为灵活。 6 激 露 1，j 】 g = 、p p m 班玩q 三 q 眨 陋 第一章绪论 权函数的选择与基函数的选择相似。有一种权函数的选取比较特殊，即基函数 和权函数选用同一系列，此时我们就称这种特殊的矩量法为伽略金法( g a l e r k i n ) 。 目前使用矩量法的商用电磁仿真软件主要有z e l a n d 公司的i e 3 d ，a g i l e n t 公 司的a d sm o m e n t u m ，s o n e t 、e n s e m b l e 、n e c 系列软件等。我们在这里主要介绍 i e 3 d 电磁仿真软件。i e 3 d 是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介 质环境下的三维金属结构的电流分布问题。它利用积分方式求解m a x w e l l 方程组， 从而解决电磁波效应、不连续性效应、耦合效应和辐射效应问题。仿真结果包括s 、 y 、z 参数，v s w r ，r l c 等效电路，电流分布，近场分布和辐射方向图，方向性， 效率和r c s 等等。i e 3 d 在微波毫米波集成电路( m m i c ) 、r f 印制板电路、微带天 线、线电线和其它形式的r f 天线、h t s 电路及滤波器、i c 的内部连接和高速数字 电路封装方面都是一个非常有用的工具。不过这种软件的不足之处在于，它们都 不能进行全三维的电磁仿真，而只能进行2 5 维的仿真。本文部分电磁仿真将采用 z e l a n di e 3 d 软件。 1 4 2 有限元法( f e m ) 有限元法的数学处理是在1 9 4 3 年由c o u r a n t 所提出来的，直至e j l 9 6 8 年才用于电 磁场的数值计算问题。有限元法是建立在变分基础上的，其基本构想是将由偏微 分方程表征的整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。 这些基函数在各自的单元内解析，在其他区域内为零，这样可以用分片解析函数 代替全域解析函数。对于二维问题，单元的划分可以取三角形、矩形等，其中三 角形单元适应性最广；对于三维问题，单元可取作为四面体、六面体等等，其中 四面体应用更加灵活。a n s o f t 公司的h f s s 软件就是选取四面体作为空间单元。 有限元法在每个单元中规定合适的基函数，由于相邻单元有公共结点，在该 结点上有唯一的函数值，因此分片解析函数通过这些单元间的公共顶点联系起来， 拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价便可化为代数方程求 解。 有限元法的优点在于：有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具 有对材料、边界、激励的广泛适应性；有限元法基于变分原理，将数理方程求解 变成代数方程组的求解，因此非常简易；有限元法采用矩阵形式和单元组装方法， 其各环节易于标准化，程序通用性强，且有较高的计算精度，便于编制程序和维 护，适宜于制作商业软件。 7 电子科技大学硕士学位论文 当前，使用有限元法 乍为内核的商焉电磁仿真软件主要是：a n s o f th f s s 。 a n s o f th f s s 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，本文也有部分仿 真采用该软件。为了在减少计算时间的同时提高计算精度，h f s s 采用自适廒迭代 算法。囱适应迭代算法一开始选用较粗的网格，在计算精度不满足要求的情况下， 将网格进一步细分，蛊到求出兹解满足精度要求为止。 初始网格划分 计算端口电流分布 在翡曩处计算激励信号精度 绸分端疆网格 ? 耄严满丫足? 根据端口激励信号 计算模型肉场 鬻应￥迭代?户 细分模型内 部网格 _ 是否达 到要求 否是 得虱各参数和场分布结果 图1 - 2a n s o f th f s s 的鸯适应迭代算法 1 4 3 时域有限差分法( f d t d ) 时域有限差分法是以差分原理为基础，直接从概括电磁场普遍规律的m a x w e l l 旋度方程出发，在一定体积和时间段内按照y e e 的网格对连续的电磁场进行数据取 样的数值方法 7 1 。它也可以从积分形式的m a x w e l l 方程、a m p e r e 定律和f a r a d a y 定律 导遗。f d t d 是对电磁场问题最原始、最本质、最完备的数值模拟方法，具裔广泛 的适用性，尤其对求解电磁场的瞬态问题具有优势。 将a m p e r e 环路定律用于积分环路c l 有 妄驴姆享蹦 假设场量在环路每边中点的值等于场量在该边的平均值， 闯的偏导，于是式( 1 - 1 5 ) 可化为 ( 1 1 5 ) 用中点差分代替对时 笫一章绪论 霹+ l ( “，尼+ 三1 ) = 霹瓴舭+ 三) + 丝崖堕生皇二堕二墨生 s o + 垒竺二1 ；+ - 1 i ：k 至11l a y | j 皿n 扣= 皿n 扣扣 + 丝竺! 二三：兰兰：竺二竺! ：圭：兰：竺 心la y + 坐一a x l = ：= = ：兰：；：一v 4 ( 1 缸) 2 + ( 1 a y ) 2 + ( 1 a z ) 2 9 ( 薹1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 董_ 董8 ) ( 1 1 9 ) 电子科技人学硕士学位论文 有了差分格式和鳃的稳定条彳孛以蜃，还需要确定褶应的边界条件，这样就可 以求解电磁场问题了。 本文在完成的过程中还使用了c s t 公司的c s tm i c r o w a v es t u d i o ( c s t m w s ) 软件。该软件是基于有限积分技术( f i t ) 的。这种方法实质上是f d t d 的一 种变形。c s t 于上个世纪7 0 年代开始研制，经过二+ 多年的历程已经具有比较强大 的三维电磁仿真能力，是为快速、精确仿真电磁场高频问题而专门开发的e d a 工 具，是基于p c 机w i n d o w s 环境下的仿真软件。它主要应用在复杂设计和更高的谐 振结构。c s tm w s 通过敖莉参数使电磁场元件结合在一起。把复杂豹系统分离 成更小的子单元，通过对系统每一个单元行为的s 参数的描述，可以快速的分析和 降低系统所需的内存。c s tm w s 它考虑了在予单元之间高阶模式的耦合，结构 分成小部分丽没有影响系统的准确性。这一软件可选用适当的激励源，透过一次 时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性，避免了传统频域方法繁琐的逐点计算。 本文完成过程中部分仿真使用了c s t 公司的c s tm i c r o w a v es t u d i o 软件。该软 件是基予有限积分技术( f i t ) 的，这种方法实质上是f d t d 的一种变形。c s t 于 上世纪7 0 年代末开始研制，经过二十多年的历程已经具有比较强大的三维电磁仿 真能力，可通过一次时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性。 1 。5 本论文的主要工作和内容安排 本论文的工作重点有三点，一是小型宽带微带天线，二是w l a n 天线，三是超 宽带带阻天线。 本文的第一个王作重点是小型宽带微带天线麓磅究。这一j i 终又可分为两点， 一是微带天线的小型化，另一个是微带天线的宽带化。对于这两个方向已经有很 多的研究。而把这两个方向结合在一起，即小型宽带微带天线的研究虽然已不少， 然两已见的小型宽带微带天线又大多使用很厚的介质基片。本文第二章通过大量 的阅读文献和大量的仿真研究，总结了实现微带天线小型化及宽频带的几个方法， 且适当选用这些方法设计了两个低剖面的小型宽带微带天线，取得了很好的效果。 本文的第二个工作重点是w l a n 天线的设计。w l a n 包含两个频段，即2 4 - g 珏频段( i e e e8 0 2 1 l b g , 2 0 2 4 8 4m h z ) 和5 g h z 频段( i e e e8 0 2 1 l a , 5 1 5 0 5 8 2 5 m h z ) 。这一部分围绕平面天线的双频段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。这部分工作是以使用短截线( s t u b ) 以及寄生贴片来实现双频宽带，取得了良好的效果。 1 0 第一章绪论 本文的第三个工作重点是超宽带带k g ( u w bb a n d n o t c h e d ) 天线的设计。自2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 批准将3 1 1 0 6g h z 频段划作超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 技术的商业应用以来，超宽带及超宽带阻天线成为研究的热点。本部分 的工作重点是研究平面椭圆超宽带天线的带阻( 5 - - 6 g h z ) 实现这一很有意义的工 作，取得了很好的效果。 本文的内容安排如下： 本论文第一章简单介绍了描述天线性能的几个重要参数，几种常见的小型和宽 带微带天线，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，u w b 及u w bb a n d - n o t c h e d 天 线，以及天线的分析方法。 第二章详细讲述了本文的第一个工作重点：微带天线的小型化及宽频带技术。 本章通过大量的阅读文献和仿真研究，总结了微带天线小型化及宽频带的几个技 术，并分析了各自的优缺点。一般微带天线的带宽只有0 7 - 7 ，而且微带天线 小型化后由于辐射面积变小，辐射效率变差，使得它的带宽更窄。本章中作者综 合运用微带天线小型化和宽频带的技术创新性设计出了两个小型宽带微带天线。 一个微带天线的面积只有一般微带天线面积的3 0 ，带宽达到了1 2 6 ，厚度为 0 0 1 6 凡。另一个微带天线的面积是普通微带天线面积的2 3 ，带宽达到1 0 1 ， 厚度为0 0 0 5 无。凡为中心频率在自由空间中波长。 第三章讲述了本文的第二个工作重点：无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w l a n ) 天线的设计。w l a n 包含两个频段，即2 4 g h 频段( i e e e8 0 2 1 l b g , 2 4 0 0 2 4 8 4m h z ) 和5 - g h z 频段( i e e e8 0 2 1 1 巩5 1 5 0 5 8 2 5m h z ) 。本章首先总结 了w l a n 天线的双频宽带设计方法，介绍了几个文献上介绍的w l a n 双频天线。 最后详细介绍了作者设计的两个w l a n 双频天线。一个w l a n 天线使用了短截 线( s t u b ) 来曲流，形成多电流回路，从而达n d , 型化，双频段及宽频带的目的。 另一个w l a n 天线采用了一大一小的两个寄生的倒l 形贴片，大的倒l 形贴片谐 振于低频段，小的倒l 形贴片的使用极大的扩展了高频段，使之完全覆盖了5 - 6 g h z 频段。 第四章讲述了本文的第三个工作重点：超宽带带阻( i7 w bb a n d n o t c h e d ) 天线 的设计。2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 批准将3 1 1 0 6o h z 频段划作超宽 带( i n 船，u l 仃aw i d e b a n d ) 技术的商业应用，这将广泛应用于新兴短程通信中，此 后平面超宽带天线更成为一个新的研究热点。然而正如第三章所讲，5 - 6g h z 是属 于w l a n 的频段，为了避免w l a n 系统和u w b 系统的互相串扰，近年来具有带 阻性质( 5 - 6g h z ) 的u w b 天线也获得了广泛的研究。本章中作者总结了超宽带 电子科技人学硕十学位论文 带阻天线的设计方法，介绍了足个超宽带带阻天线，著详细介绍了作者设计的两 个超宽带带阻天线。 第五章总结了本论文的主要工作和创新点以及对未来工作的展望。 1 2 第二章小秘蜒带微带天线技术 第三章小型宽带微带天线技术 众掰溺翔，减小关线尺寸会使天线豹效率下降，带宽交窄。然而，随着个人 遗信系统的发展，各种遴信终端对天线小型化秘紫凑性有很离的囊求。而且，由 予徽带天线其有低剖西，船工制作方便，易予与物体共形等诸多优点，爨姥磷究 镞带天线的小型纯技术及小型徽带天线