（通信与信息系统专业论文）一种双频双极化微带天线的研究.pdf

硕士论文一种双频双极化微带天线的研究 摘要 随着科技的发展及人们对天线性能要求的提高，双频双极化天线越来越受到广大研 究人员的重视。这种天线集合了双频天线和双极化天线的优点，不仅能大大提高天线的 性能，而且在很大程度上能降低系统的成本。然而由于双频双极化天线本身的多性能， 带来了其研究和设计上的困难，因此，对双频双极化天线的研究便具有重大的学术意义 和广阔的应用前景。本文主要对一种单端口馈电的缝隙加载双频双极化微带天线进行研 究。 本文首先简单阐述了微带天线的原理与分析方法，然后根据单片结构和层叠结构的 分类，对近几年国内国际对双频双极化天线的研究成果进行了简单的综述。接着以卫星 通信的收发共用天线为应用背景，对一种同轴馈缝隙加载双频双极化天线进行了改进， 对天线的相关参数进行了详细的研究，指出了原文献中关于控制天线频率比的一个结论 性的错误，并给出了改进后结构关于控制天线频率比的结论。在对天线参数研究的基础 上，设计出了一个中心频率分别为1 2 5 g h z 和1 4 2 5 g h z 、具有一对正交线极化的双频 双极化天线。 在对天线阵列的研究方面，文章先讨论了阵列天线避免出现栅瓣的条件以及低副瓣 的实现方法，接着用串联馈电的方法实现了天线阵电流的道尔夫一切比雪夫分布。针对 在仿真过程中出现的天线辐射方向图变形的现象，文章研究并验证了其产生原因，并得 出相关结论。最后以仿真结果为依据对设计的天线进行加工测试。 在文章的最后，对全文的工作进行了总结，并提出有待改进和进一步研究的问题。 关键词：双频双极化，微带天线，缝隙加载，低副瓣 a b s t 删 硕j ：论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n di m p r o v e m e n to ft h ea n t e n n ap e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s d u a l b a n dd u a l p o l a r i z e da n t e n n ab e c o m e sm o r ea n dm o r ea t t r a c t i v e t ot h e m a jo r i t yo fr e s e a r c h e r s t h i st 6 n do fa n t e n n ac o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fd u a l - b a n da n t e n n a a n dd u a l p o l a r i z e da n t e n n a ，c a nn o to n l yi m p r o v et h ea n t e n n ap e r f o r m a n c eg r e a t l y , b u ta l s o r e d u c et h ec o s to ft h es y s t e m h o w e v e r , i t sc o m p l e xp e r f o r m a n c ea l s ob r i n g sd i f f i c u l t i e st o t h er e s e a r c ha n dd e s i g n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ht od u a l b a n dd u a l p o l a r i z e da n t e n n aw i l lb e o fg r e a ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l ei s m a i n l yo n as i n g l ef e e ds l o tl o a d e dd u a l - b a n dd u a l - p o l a r i z e da n t e n n a f i r s t l yt h i sa r t i c l eb r i e f l yd e s c r i b e st h et h e o r ya n da n a l y s i so fm i c r o s t r i pa n t e n n a , t h e n u n d e rt h ec l a s s i f i c a t i o no fs i n g l e - p a t c hs t r u c t u r ea n dl a y e r e ds t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l eg i v e sa s i m p l eo v e r v i e wo nt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l r e s e a r c ha b o u tt h ed u a lb a n dd u a l p o l a r i z a t i o na n t e n n a t h e nw i t ht h eb a c k g r o u n do f s a t e l l i t ec o m m t m i c a t i o n ，t h i sa r t i c l em a k e s t h r e ei m p r o v e m e n t st oak i n do fc o a x i a lf e e dd u a l b a n dd u a l p o l a r i z e ds l o tl o a d e da n t e n n a , s t u d i e st h ep a r a m e t e r si nd e t a i l ，p o i n t so u tac o n c l u s i o ne r r o ro ff r e q u e n c yr a t i oc o n t r o l l i n gi n t h eo r i g i nl i t e r a t u r e ，a n dg i v e sac o r r e c tc o n c l u s i o no ff r e q u e n c yr a t i o nc o n t r o l l i n gf o rt h e i m p r o v e ds t r u c t u r e o nt h eb a s i so fp a r a m e t e r ss t u d y , w ed e s i g nad u a l b a n dd u a l - p o l a r i z e d a n t e n n aw i t ht h ec e n t e rf r e q u e n c i e sa t1 2 5 g h za n d14 2 5 g h z ，w h i c hw o r k sa tap a i ro f o r t h o g o n a ll i n e a rp o l a r i z a t i o n i ns t u d i e so fa n t e n n aa r r a y , t h i sa r t i c l ef i r s t l yd i s c u s s e st h ec o n d i t i o n so fa v o i d i n gg r a t i n g l o b e sa n dt h em e t h o do fr e a l i z i n gl o ws i d e 1 0 b e ，a n dt h e na c h i e v e st h ed o l p h c h e b y s h e v d i s t r i b u t i o no ft h ec u r r e n tw i t hs e r i e s f e ds t r u c t u r e a i m e da tt h ep h e n o m e n o no ft h ea n t e n n a r a d i a t i o np a t t e r nd i s t o r t i o nd u r i n gt h es i m u l a t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e sa n dv e r i f i e st h e i rc a u s e s ， a n dg i v e sac o n c l u s i o n f i n a l l y , b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw em a c h i n i n ga n dm e a s u r e t h ed e s i g n e da n t e n n a a tt h ee n d w es u m m a r i z et h ew o r ko ft h i sp a p e r , a n dp r o p o s es o m eq u e s t i o nw h i c h n e e d i m p r o v e m e n ta n df u r t h e rs t u d y k e y w o r d ：d u a l b a n dd u a l p o l a r i z e d ，m i c r o s t r i pa n t e n n a , s l o tl o a d e d ，l o w s i d e - l o b e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 蛐州。年b 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：塑i 、年( 月日 ， 硕上论文一种双频双极化微带天线的研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 自从h o w e l l 和m u n s o n 于二十世纪七十年代研制成功第批实用的微带天线后i l 】， 微带天线便以其重量轻、体积小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容等一系列优 点，迅速得到广大研究者的重视和青睐，从而得到了广泛的研究和发展。然而随着人们 对微带天线研究的深入，其频带窄的缺点，成了影响其发展和应用的主要瓶颈。为此， 人们将目光投向了双频微带天线，继而对双频微带天线的研究便开始越来越引起人们的 重视。 同时，在实际应用中也往往需要能够双频工作的天线，如移动电台的收发共用天线， 跳频工作的雷达和通信设备以及某些频率捷变的天线等【2 j 。在不同的使用目的和应用背 景下实现各种双频天线，可以使天线系统做到紧凑、经济，并且有利于小型化的设计和 实现。 双极化天线是当前通信领域受到关注的一种新型天线，它能同时形成一对极化正 交、频率相同的工作模。双极化天线的提出最初是用来为一个频带提供两条通信通道的， 但是随着通信事业的发展，双极化天线应用越来越广泛，其意义早已不限于此。大致说 来，双极化天线的应用有以下几类：频率复用、收发一体化、极化分集和极化捷变等。 由于双极化天线特有的优点，能接收电磁波中的全部极化信息，有很强的抗干扰、提高 系统灵敏度以及能构成变极化系统等能力，因此引起了人们的广泛兴趣。 随着科技的发展以及人们对天线性能要求的提高，双频双极化天线的概念也渐渐被 提了出来。这种天线集合了双频天线和双极化天线的优点，不仅能大大提高天线的性能， 而且在很大程度上能降低系统的成本，因而这种天线一经提出，立即受到了广大研究人 员的重视。然而由于双频双极化天线本身的多性能，带来了其研究和设计上的困难。一 方面要求天线具有双频特性，且每个频带又要求一定的带宽；另一方面对天线的每个频 段还提出了极化的要求，要么是不同的频段工作于不同的极化特性，要么每个频段都要 具有双极化的特性，而且要求具有较高的隔离度。因此，双频双极化天线虽然具有极为 吸引人的性能，但其发展相对缓慢，相关的文献报道也较少。因此，对双频双极化天线 的研究便具有重大的学术意义和广阔的应用前景。 1 2 国内外在该研究方向上的研究现状 1 2 1 双频及多频技术的发展现状 随着现代通信的飞速发展，双频及多频天线以其在重量、空间和费用上的优势，引 1 1 绪论硕士论文 起人们越来越浓厚的兴趣。这种天线在结构上有多种形式，原理上可归纳为四类：正交 模双频天线、多贴片双频天线、电抗加载双频天线和小阵列双频天线( 3 】。馈电方法既可 以选择单馈，也可以选择双馈。馈电结构也很灵活，可以选择同轴探针馈、微带线馈、 耦合馈电等。 获得双频工作的最容易也是最直接的方法是利用矩形贴片长、宽两边同时形成两条 谐振边，对不同的频率形成谐振，在这种情况下，双频的频率比( f r e q u e n c yr a t i o ，f r ) 可以贴片的长宽比衡量。这种方法获得的双频天线成本低，但极化程度较差，一般使用 在极化要求不高的场合。 利用电抗加载的方法获得双频或多频天线是比较常见的方法，加载电抗的方法有很 多，常用的有销钉加载、缝隙或槽的加载以及短截线的加载。l s h a f a i 等人提出一种孔 径耦合的双槽微带天线结构【4 i ，这种结构的优点是通过改变槽的尺寸、位置、数目和方 位，可以调节两个或多个谐振频率。s k p a l i t 提出了一种能获得双频工作的凹槽( 单 槽或双槽) 微带天线【3 】，主贴片和凹槽各产生一个谐振频率，从而实现双频工作。这种 结构比较适合于移动通信和卫星通信。 近年来出现了许多实现了双频或多频基站天线单元的设计。y e b i n e i s 等人设计了 一种双频工作( 0 8 1 5 g h z ) 的基站天线，采用的是印刷偶极子加寄生振子的方法。 f s c h a n g 6 】等人设计了一种用于g s m d c s p c s 的双频天线，该结构采用探针共面馈 电且只用一个平板，在双频的基础上还实现了宽带工作。t f u k e s a w a i7 j 等人则通过在平 板对称振子附近放置多个寄生振子的方法实现了一种应用于基站天线的三频天线单元 ( 0 9 1 5 2 0 g h z ) 与此同时，印刷结构由于其简洁紧凑的优点也被广泛地应用在双频天线的研究上。 例如y k k u o 8 】等人设计了新的双频印刷倒f 天线，f t e f i k u 9 j 设计了一种有一对串联 馈电印刷偶极子构成的双频天线，h - d c h e n 【1 0 】设计了一个共面波导馈电的双频单极予 天线等。这些结构都是采用了印刷结构。 设计双频贴片天线时应特别注意其结构的简单性和设计的灵活性，另外对辐射器和 双频馈电网络的布局也应该特别注意。当两个频率靠得比较近时，单个馈电网络比较实 用。当两个频率离得比较远时，则需要考虑设计不同的馈电网络。设计时必须考虑它们 之间的耦合，注意它们在有限空间里的布局，尤其在双极化工作时更要注意这一点。双 频天线目前发展的趋势是研究大的频率比以及每个频段的宽带实现。 1 2 2 双极化技术的发展现状 早期的极化研究始于5 0 年代初期的雷达极化领域i l 。最早的研究者有辛克莱尔 ( g s i n c l a i r ) 、德尚( g a d e s c h a m p s ) 、肯瑙夫( e m k e n n a u g h ) 、穆勒( h m u e l l e r ) 和稍后时期的布罩舍( b r i c h e l ) 。其中，b r i c h e l 提出了三参轨迹法；k e n n a u g h 在1 9 5 2 2 硕士论文 一种双频双极化微带天线的研究 年提出了目标最佳极化的概念，指出存在对应于雷达收发信号最大、最小能量的雷达收 发的几种极化状态，更是提出了零极化描述法，建立了雷达极化的基本理论，成为了雷 达极化研究的奠基者1 1 2 】。 在2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，世界范围内开始了一股极化研究的热潮。最初的研 究主要集中在目标和杂波的双极化测量方面，但是取得的突破都比较有限，但由于这些 研究而发展的极化测量技术及极化测量仪器的研制，为以后深入研究极化也具有相当的 意义。此后的很长一段时间，由于在极化研究及应用方面取得的成果极少，对极化目标 依存度现象无法给出完整合理的解释，加上极化控制和极化测量的复杂性，极化研究陷 入一个低潮。 真正有实际应用背景的双极化方式是双线性极化、左旋圆极化和右旋圆极化。近年 来，国内外的研究人员对双极化微带天线提出了一些新的设想，但对于天线单元来说， 根据其结构可分为两类：单层双极化微带天线和层叠双极化微带天线【3 】。 相 图1 1 两端馈电微带环天线图1 2 三端馈电微带环天线 y m m a n t a r 等人提出了一种具有高隔离性的双极化微带天线【3 1 。如图1 1 所示。 因为单环微带天线可以以主模( t m l l ) 的形式工作在所的频率上，故比起一般的微带天 线有可以使所需贴片的面积最小的优点。如果把两个馈电点分别放在微带环的两个对称 轴上，结构本身就会产生两种线性极化，可以改善输入端的隔离性能。由于t m l l 模的 输入阻抗较大，不宜用探针来直接馈电，而要用传输线通过接地板上的孔径耦合到辐射 单元上。当该结构工作在中心频率为1 8 g h z 时，隔离优于1 l d b ，谐振频率上的隔离 为2 3 5 d b 。在此基础上，如果采用三个馈电点，即在与任一馈电点成1 8 0 度角的环上 再加一个反相馈电，如图1 2 所示，同一轴上的两个馈电只支持一种极化，而对另一种 极化的作用则相互抵消，从而大大提高了输入端之间的隔离性能。1 8 g h z 下，隔离为 2 8 5 d b ，谐振频率上的隔离为3 2 5 d b 。该结构的最大优点在于隔离度高。 我们知道，用一个平衡馈电网络给一个十字槽馈电，可以有高隔离度，但是这种平 衡馈电需要一个空气桥，而这个空气桥在设计和制造上都很困难【3 】。有一种方法，即用 两个通道，其中一个通道只给一个槽馈电，这个槽的中心对应于贴片的中心，而另一个 通道给两个分离的槽馈电，这两个分离的槽分别位于贴片的两个边缘上，但这种结构很 颈论文 难有好的匹配，因为靠近贴片边缘的两个槽耦合很小 国l3 双线性般化s s f i p 大线( a ) 馈电电路，f b l 槽 图i4 新型的槽耦台取极化贴片天线 对于层番结构来说，最常用的j 。【极化实现方法是利用缝隙耦合或槽耦合来实现双极 化。通过这种方法实现的双极化经过合理的设计，可以达到很高的隔离度。比如一种晟 常见的层叠式双极化微带天线就是s s f i p ( s t r i p s l o t - f o a m - i n v e r t e d p a t c h ) 天线”j 。为了 提高隔离性能，最初是把馈线放在不同的电介质层中，这种结构在2 2 带宽内有对称方 向图和低交叉极化，隔离优于2 l d b 。改变槽的形状可阻改善带宽，改变馈线的形状， 则可以提高隔离性能。但是，槽耦合贴片单元都有一个共同的缺点：槽是同时向贴片方 向和贴片的背向辐射，其结果使天线的增益降低，并使天线方向图的前后比降低。图1 3 所示的为一种以馈电电路代替原先分布在不同层中的馈线的微带双极化天线p 】。采用该 馈电电路l 】：以获得很高的隔离度，能产牟取线性极化，同时这样的馈电网络的使用也避 免了空气桥的引入。 作为基站天线，往往需要结构简单、重量轻的天线。图1 4 给出了一种新型的槽耦 合的双极化贴片天线口l 。基片和反射板之问是空的这种结构可以使天线的体积有效地 硕十论文一种双频双极化微带天线的研究 减小，同时馈电网络中两个通道的耦合将大大降低。但这种方法最大的缺点就是引入了 四个空气桥，使得制作难度和成本大大增加。 1 3 本文的研究工作 微带双频双极化天线具有重要的实际意义及应用背景。本文对微带天线的双频双极 化技术进行了深入的学习和研究，在广泛阅读相关文献资料、深入研究学习的基础上， 以卫星通信系统的收发共用天线为应用背景，设计了一种双频双极化微带天线。目前对 双频双极化微带天线的研究相对不是很多，因此本文的工作具有很强的实际意义和应用 价值。本文的工作包括： 1 简要介绍了双频双极化微带天线的研究背景及目前国内外在此研究方向上的研 究现状，并简要介绍了实现微带天线双频和双极化的方法。 2 阐述了微带天线基本概念及辐射机理，简要介绍了微带天线的分析方法、馈电 方法及目前常用的微带天线。同时在大量阅读相关文献的基础上，对目前国内外几种实 现双频双极化微带天线方法按照单片结构和层叠结构的分类进行了较详细的综述。 3 以卫星通信系统的收发共用天线为背景，对一种单片结构的双频双极化微带天 线进行了改进，详细研究了其中参数对天线性能的影响，指出了原文献中关于控制频率 比的一个结论性错误，给出了对于改进后结构控制频率比的结论，并最终设计出一种中 心频率在1 2 5 g h z 和1 4 2 5 g h z 的、具有正交线极化的双频双极化天线。 4 对微带阵列天线进行了研究，讨论了阵列天线中单元间距的确定，以及串联馈 电和并联馈电两种阵列馈电网络。详细论述了低副瓣阵列的原理及道尔夫切比雪夫阵 列的实现方法，并以设计的双频双极化微带天线为单元，设计实现低副瓣阵列。针对仿 真过程中出现的方向图变形的现象，讨论分析并验证了其产生的原因。最后在仿真的基 础上对天线进行了加工和测试。 2 微带天线原理及双频双极化微带天线实现方法硕士论文 2 微带天线原理及双频双极化微带天线实现方法 2 1 微带天线原理1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 1 1 5 l 2 1 1 微带天线的概念及辐射机理 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，它利用微 带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之问激励起射频电磁场，并通过贴片四 周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。通常介质基 片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。 贴片辐射器 基片地板 图2 1 矩形微带贴片天线结构 微带天线的辐射机理可以通过研究矩形微带贴片天线来理解。如图2 1 所示，矩形 贴片天线通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之f 日j 激励起高频 电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。微带贴片天线也可看作为宽为 w 、长为l 的一段微带传输线，其终端( y = l 处) 因为开路，将形成电压波腹和电流 的波节。一般取l 九。，2 ，于是另一端( y = 0 处) 也呈现电压波腹和电流的波节。此 时贴片与接地板之间的电场可近似表达为( 设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化) e ：毛c o s ( 华) ( 2 。1 ) l 由对偶边界条件，贴片四周窄缝上等效的面磁流密度为 刀= 一xe ( 2 2 ) 式中，一e = 疆，一e x 是x 方向单位矢量；e n 为缝隙表面( 辐射口径) 的外法线方向 单位矢量。由上式可知，缝隙表面上的等效面磁流均与接地板平行。可以分析出，沿两 6 硕士论文 一种双频双极化微带天线的研究 条w 边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向( 石轴) 同相相加，呈最大化值， 且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条l 边的磁流都由反对称 的两个部分构成，它们在h 面( x o z 面) 上各处的辐射互相抵消；而两条l 边的磁流又 彼此呈反对称分布，因而在e 面( x o y 面) 上各处，它们的场也都相消。在其它平面上 这些磁流的辐射都不会完全相消，但与沿两条w 边的辐射相比，都相当弱。 由以上分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿两条w 边的缝隙产生，这两条边 称为辐射边。由于地板的存在，天线的主要辐射方向为向上半空间辐射。对上半空间而 言，接地板的效应近似等效于引入磁流刀的正镜像。由于h k ，因此它只相当于将r 加倍，辐射图形基本不变。 微带天线在结构及物理性能上有很多突出的优点：剖面低，即微带天线可以做的很 薄；尺寸小，重量轻；天线性能多样化；易于安装；成本低；结构牢固。微带天线的主 要缺点是：工作频带窄；增益低；只能半空间辐射或接收；端射性能差；功率容量较低。 2 1 2 微带天线的分析方法 分析微带天线常用的方法有三种i l6 j ：传输线法( t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ，t l m ) 、 腔模理论( c a v i t ) ，m o d e l ，c m ) 和积分方程法( i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ，i e m ) 。传输 线法直观、简单，但难于应用在除矩形贴片外的情况。腔模理论的应用范围更为广泛， 但在计算厚基片天线时误差会较大。积分方程法从理论上讲可以应用于任何结构、任何 厚度的微带天线，但求解积分方程有较大的难度和计算量。 除了这三种方法之处，在微带天线领域研究的早期还出现过其它的分析方法。比如 a g a r w a l 和b a i l e y 提出的导线网模型【l 。该方法把微带辐射结构看成细导线构成的导线 网，通过求解导线段上的电流得到天线的辐射特性。j a m e s 和w i l s o n 证明i l8 1 ，孔径法可 以用来近似计算开路微带线的方向图，从而提出分析微带辐射器的孔径法。h a m m e r 等 人将上述的孔径概念延伸到矩形贴片等领域i l 引，并证明了其结果对天线的任何模式都是 有效的。c a r v e r 和c o f f e y 曾提出过模式展开模型【2 0 l ，他们基于模式展开法实现了把微 带贴片辐射器设计的公式化。 近年来在微带天线领域，数值技术得到广泛应用。最常用的基于积分方程的矩量法 ( m e t h o do f m o m e n t ，m o m ) ，它是将积分方程转化为矩阵，然后用代数方法求得近似 解。另外基于微分方程的有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、时域有限差分法 ( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n ，f d t d ) 等方法也较流行。同时基于上述数值方法的 各种商用电磁仿真软件也大量出现。目前最常用较为流行的电磁仿真软件有德国c s t 公司的m i c r o w a v es t u d i o 、美国a n s o f l 公司的h f s s 、a g i l e n t 公司的a d s 以及z e l a n d 公司的i e 3 d 等软件，借助于这些商用软件，理论上任何复杂形状的天线都可以比较准 确地分析和模拟，从而大大加快了微带天线技术的发展和应用【2 1 1 。本文的仿真主要是在 7 2 微带天线原理及双频双极化微带天线实现方法硕1 ：论文 基于有限元法的软件h f s s 下完成的。 有限元法是近似求解数理边值问题的一种数值技术，最早由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出， 在六七十年代被引进到电磁场问题的求解中。概括地讲，有限元法的建模过程可分为以 下几个步骤1 2 2 j ： ( 1 ) 区域离散。这是很重要的一步，因为区域离散的方式将影响计算机内存的需 求、计算时间和数值结果的精度。在一维问题中，选取短线段为单元，二维问题可以选 择矩形或三角形，三维问题可以选择四成体、三棱柱或矩形块。h f s s 软件选用的四面 体作为基本单元。 ( 2 ) 插值函数的选择。在每一个离散单元的结点上的值我们要求的未知量，在其 内部的其他点上的值是依靠结点值对其进行插值。一维问题可以选择线性插值，面对复 杂问题时则要选用高阶多项式插值，精度会更高，同时公式也更复杂。 ( 3 ) 方程组的建立。对麦克斯韦方程利用变分方法建立误差泛函。我们可以首先 在每个单元内建立泛函对应的小的线性表达式，其次将其填充到全域矩阵中的相应位 置，最后应用边界条件来得到矩阵方程的最终形式。 ( 4 ) 方程组的求解。这是有限元分析的最后一步，之后即可得到数值结果。 2 1 3 微带天线的馈电方法 微带天线馈电方式有很多种，实际中应用最多的是同轴线馈电和微带线馈电两种方 式。使用同轴线馈电时，馈电点可在贴片内任意选择所需要的位置，对于实现天线的匹 配非常方便，同时同轴线由于位于接地板的下方，也不会干扰到天线的辐射。正因为如 此，同轴线馈电的微带天线成了目前微带天线设计中应用较多的馈电方式。 使用同轴线馈电时，天线的输入阻抗除了由内腔主模引起的阻抗z 。外，还包括由 高阶模引起的探针电抗五，即乙= 乙+ j x l 。这是同轴线馈电的一个不便之处。直径 为以的探针所引起的探针电抗x ，的计算公式为【2 3 j ： x ，：罂切n 堕h 1 型逸 ( 2 3 ) “， z o 兀吨4 8 , ， 由于同轴线位于天线的下方，这无疑会增加天线的体积。另外同轴线安装焊接时需 要在接地板和介质中打过孔和通孔，这在某种程度上也增加了加工难度。 微带线馈电根据微带馈线与天线的位置关系，又可分为共面微带线馈电、临近耦合 微带线馈电和缝隙耦合微带线馈电。共面微带线馈电是最常用的馈电方法，不仅能够实 现馈线与天线的共面设计，而且简单方便又灵活。既可以直接连接到天线上进行馈电， 也可以通过间隙伸入到贴片内部进行馈电。上述两种情况也可不将微带线连接到天线 上，而在中间留一个合适的缝隙，能量通过缝隙的耦合来进行馈电。但使用微带线馈电 的时候要注意，因为馈线本身存在辐射，所以会带来的交叉极化和旁瓣电平升高的恶果。 8 硕士论文一种双频双极化微带天线的研究 因此在设计的时候，一般要求w z o ( w 为馈线宽度) 。 临近耦合微带线馈电是不通过接地板，直接用微带线进行耦合馈电的。一般情况下 使用两种介质，上层介质上面放置贴片天线，下层介质下面放置馈线，中间无需接地板。 由于微带馈线末端是开放的，且两层介质的结构也可用来增加天线的带宽，因此这种馈 电方式可以有效地改善微带天线带宽窄的缺点。但这种馈电方式需要精确的设计才能使 贴片和馈线之间达到良好的匹配，因此设计过程较为复杂。 缝隙耦合微带线馈电也是使用了两层介质结构，但它在两层介质中间加入了接地 板，馈线经过接地板上的缝隙将能量耦合到上层贴片。接地板上的缝隙是这种馈电方式 的核心，它可以设计成各种形状和尺寸，其参数既可以用来调节贴片与馈线之间的匹配， 也可以调整带宽。故这种馈电方式可以得到比临近耦合馈电更好的带宽。由于接地板的 存在，馈线的辐射被屏蔽从而不影响贴片的辐射模式，因此可使极化纯度得到改善。 表2 1 是上述几种馈电方式的比较【2 3 1 。由于这些馈电方式各有优缺点，因此在实际 设计中要根据实际情况综合考虑，以确定最合适的馈电方式。 表2 1 微带天线不同馈电方式特性比较 同轴线馈电 共面微带线馈电 临近耦合微带线馈电 缝隙耦合微带线馈电 结构特性非平面共面平面平面 伪辐射多多多多 极化纯度不好较好不好好 制作难度挖洞和焊接容易需要调整需要调整 可靠性较好较好好好 阻抗匹配容易容易容易容易 2 1 4 不同类型的微带天线 目前常用的微带天线大致有微带贴片天线、微带振子天线、微带缝隙天线和微带行 波天线。微带贴片天线是最为常见和常用的微带天线，贴片的形状又以矩形和圆形最为 常见，也被研究应用的最多。除此之外，三角形贴片、五角形贴片、半圆形贴和椭圆形 贴片也较为常见。在大多数情况下作为单独的天线或阵元，上述形状的贴片是可以满足 要求的，但在实际应用中某些特殊的性能要求或安装条件的限制又必须用到一些形状特 殊的微带贴片天线。因此，对于各种几何形状的微带贴片天线进行分析就相当重要。目 前已研究或正处于研究的微带贴片形状种类繁多，性能也各具特点。 微带振子天线主要有两种类型：一种是矩形微带振子天线。它可以看成由矩形片状 天线的一个边的窄条构成。另一种是把细线振子嵌在一个接地的薄介质基片上的细线振 子天线。它的长度与波长可比，其横截面是圆形，并且直径远小于波长。微带振子天线 除具有一般微带天线的优点外，还具有结构更简单，更高的集成度以及更大带宽的优点。 9 2 微带天线原理及双频双极化微带天线实现方法硕十论文 因此，在微波的高波段以至远红外线中，微带振子天线得到了日益广泛的应用。 微带缝隙天线能产生双向辐射，对制作公差要求较低，也是一种较为常用的天线。 按照缝隙与波长的关系，微带缝隙天线可分为