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小型化介质天线的分析与模拟 摘要 近年来，随着电子商务的迅猛发展，各种便携式个人通信设备与家用电器设 备也在与日俱增，于是人们对这种适用于家庭，办公室，商场等室内场所及部分 室外环境的短距离无线与移动通信技术不断有新的需求。但是把智能天线用于无 线移动通信终端和便携式无线移动设备的理念在业内却并没有被充分重视，原因 是移动手持设备的智能终端天线依旧面i 临这诸如尺寸和耗电量等的问题。 电子波束可控阵列天线是近年来为无线智能终端开发的最有前景的技术。 e s m b 天线系统相比于传统的智能天线可以提供更好的安全性，增加无线接入的 性能。在链接层的安全问题也可以得到很好的减轻，因为电子波束可控天线可以 很好的区分真实信号和无用信号。另外，电子波束可控天线还可以支持更多的用 户，因为可用的资源可以很好的分配给真实用户而不必浪费在无用的用户上。基 于移动性的考虑，天线的设计对于尺寸提出了更高的要求。同时，使用最便捷的 方式提高性能和频谱效率一直是研究的重点。智能电线要求方向性的控制。电子 可控被动阵列辐射器提供了可引导辐射方向的特性，最大化信噪比，同时，其主 瓣增益可以极大地减小传输功率。智能天线的可控方向性同时有助于减小天线的 健康性顾虑。 本文分析与模拟了一种介质嵌入式的智能天线，将一个中心馈电金属杆和六 个均匀分布寄生金属杆的结构的七部式电子可控被动式阵列辐射器作为基本电 线，将其嵌入到介电常数为6 的介质中从而降低了天线的尺寸，天线采用六边形 结构，定义了四个控制天线性能的参数，采用h f s s 进行了仿真，给出了六个主 要方向图和s 1 1 曲线，接着，分析了介质对于天线的回波损耗的影响。对于电子 可控多波束天线，研究了将其嵌入在多种不同的介质条件下的仿真结果，分析了 该结果，之后，分析了双层寄生金属杆的电子可控多波束天线，给出了分析结果， 比较了其与单层寄生金属杆的电子可控多波束天线的优势。 a b s t r a c t 小型化介质天线的分析与模拟 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o m m e r c ei nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u sk i n d s o fh a n d h e l dd e v i c e sh a v e b e e nd e v e l o p e df o ri n d o o rs c e n a r i o s ，s u c ha s f a m i l ya p p l i c a t i o n ，o f f i c ee n v i r o n m e n ta n dd o w n t o w ns h o p p i n gc e n t e r s ，a s w e l la ss o m eo u t d o o rs c e n a r i o s ，s u c ha ss h o r td i s t a n c ew i r e l e s sa n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t h ed e m a n di se v e rg r o w i n g h o w e v e r ，s m a r ta n t e n n ah a sn o t b e e na p p l i e de x t e n s i v e l yi nw i r e l e s sm o b i l et e r m i n a l sa n dh a n d h e l d d e v i c e s ，f o rr e a s o n so fs i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n e l e c t r o n i c a l l ys t e e r a b l em u l t i p l e b e a ma n t e n n ai sap r o m i s i n gt e c h n i q u e d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a la n t e n n a s ，e s m b a n t e n n a sp r o v i d eb e t t e rs e c u r i t y ，b e t t e rw i r e l e s sp e r f o r m a n c e s e c u r i t y p r o b l e m sc o u l db eg r e a t l ym i t i g a t e di nt h e1i n kl a y e r ，s i n c e e l e c t r o n i c a l l ys t e e r a b l em u l t i p l eb e a ma n t e n n ac o u l dd i s c e r nr e a ls i g n a l f r o mg a r b a g es i g n a l b e s i d e s ， e l e c t r o n i c a l l ys t e e r a b l em u l t i p l eb e a m a n t e n n ag i v e sb e t t e rp e r f o r m a n c eb e c a u s er e s o u r c ei sa l l o c a t e dt ot h er e a l u s e r sr a t h e rt h a nt h eg a r b a g eu s e r s f o rt h ep u r p o s eo fm o b ilit y ，a n t e n n a s i z ei so n eo ft h ef o c u s e so ft h ed e s i g np r o c e s s b e s i d e s ，i ti sa l w a y s t h ef o c u so fs t u d yt oi m p r o v es p e c t r u me f f icie n c ya n dr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o ni nac o n v e n i e n tw a y e l e c t r o n i c a l l ys t e e r a b l ep a s s i v ea r r a y a n t e n n ap r o v i d e st h ef e a t u r eo fs t e e r a b l er a d i a t i o np a t t e r n ，m a x i m i z e d s i g n a lt on o i s er a t i o ，a n dr e d u c e dt r a n s f e r r e dp o w e rb e c a u s eo fi t sm a i n l o b eg a i n t h ed i r e c t i o n a li t yo fs m a r ta n t e n n aa l s oh e l p st or e d u c et h e h e a lt hc o n c e r nf o ra n t e n n a s i nt h i sp a p e r ，ad i e l e c t r i c a l l ye m b e d d e ds m a r ta n t e n n ai sa n a l y z e d ，u s i n g a ne l e c t r o n i c a l l ys t e e r a b l ep a s s i v ea r r a yr a d i a t o r w i t hac e n t r a lf e e d e l e m e n ta n ds i xp a r a s i t i ce l e m e n t su n i f o r m l ya r r a n g e do nar i n g ，e m b e d d e d i nd i e l e c t r i cm a t e r i a lw i t har e l a t i v ep e r m i t t i v i t yo f6t or e d u c et h e a n t e n n as iz e t h ea n t e n n aisah e x a g o ns h a p e da n t e n n aw it hf o u r c o n t r o l l a b l ep a r a m e t e r s f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt os i m u l a t et h e a n t e n n a t h es i m u l a t e d6m a i nd i r e c t i o np a t t e r ni sg i v e nt o g e t h e rw i t h s 1 1c u r v e d 小型化介质天线的分析与模拟 t h e n ，w ea n a l y z et h ei n f l u e n c eo fd i e l e c t r i cm a t e r i a lt o w a r d st h er e t u r n l o s so ft h ea n t e n n a w ep r o v i d et h es i m u l a t e dr e s u l t so fe m b e d d i n gt h e e l e c t r o n i c a l l ys t e e r a b l em u l t i p l eb e a ma n t e n n a si nv a r i o u sm a t e r i a l s t h e n ，t w o l a y e r e de s m ba n t e n n ai sa n a l y z e da n dt h er e s u l t sa r eg i v e n ， f o l l o w e db yt h ea n a l y s i so fi t sa d v a n t a g et o w a r d st h et r a d i t i o n a l s i n g l e - l a y e r e de s m ba n t e n n a 5 小型化介质天线的分析与模拟 习i 士 i 肓 随着无线手机的迅速普及和无线移动通信网络的快速发展，用于基站移动通 信的智能或自适应型天线技术引起了世界范围内的广泛关注。蜂窝型移动通信系 统式的无线长距离通信给人们带来了很大的便捷。近年来，随着电子商务的迅猛 发展，各种便携式个人通信设备与家用电器设备也在与日俱增，于是人们对这种 适用于家庭，办公室，商场等室内场所及部分室外环境的短距离无线与移动通信 技术不断有新的需求口，。 然而，智能天线用于无线移动通信终端和便携式无线移动设备的理念在业内 却并没有被充分重视，原因是智能无线终端天线尚有待于进一步的发展。这主要 归咎于传统设计的线性天线阵型智能天线的尺寸太大而不能适用于任何无线应 用。 介质天线的理论在1 9 3 0 年从理论上得到证明n 7 1 以来，此后得到了快速的发 展。介质天线的实际应用是在6 0 年代之后才在电路领域中的滤波器、振荡器n 们 上得到了证实，这一进步要归功于两个方面，一是介质天线的谐振模式的分析n 8 i ， 二是陶瓷低损介质的发展。在这些应用中，所采用的介质一般有着大于3 5 的介 电常数，形状为圆柱形，结构紧凑。之后，谐振器可以成为高效的辐射器得到了 广泛的认同。同时，通过减小介质的介电常数，天线可以在一个较宽的频带上取 得增益，这进一步增加了天线的使用价值。9 0 年代，天线的研究重点是实现了 多种不同的激励方式乜钉，同时，提出了多种数值和分析的模型用于计算天线的 输入阻抗和品质系数。一直到当时，介质天线研究的重点还是在单个天线上。从 9 0 年代中期开始，研究的重点转移到了介质谐振天线阵的研究上，研究的对象 从简单的双结构的介质谐振天线扩展到了有3 0 0 个天线元的复杂相控天线 2 6 3 。 从2 0 0 0 年以后，介质谐振天线的研究进入了又一个高潮期，研究的重点转移到 了紧凑结构天线上来，以便于满足移动手持设备对于天线尺寸的要求。 较之用于基站的传统智能天线，智能终端天线不单单在工作性能上有很多优 点，并且在商业用途上有很多突出的优势，有非常好的市场开发前景。智能终端 天线的优点包括：可智能搜索并跟踪无线信号，外观设计小巧紧凑，低生产加工 成本，大大降低便携式手提设备的电池能量损耗，并且在很大程度上提高无线网 络的安全性能。根据需要，可以开发多种用途的智能终端天线，包括适用于无线 移动自组织网络天线，移动电话天线，符合无线局域网与i e e e 8 0 2 1 1 标准族及 蓝牙无线通信标准的无线网卡及笔记本型电脑天线和用于室内手提无线移动设 备的天线，以及安装于机动车辆与卫星通信的天线。智能终端天线不仅保留了 小型化介质天线的分析与模拟 传统用于基站的智能天线的优势，还包括了增强的系统性能和容量，降低多路信 号衰减和减小信号传播延迟等等优势。 基于小型化介质天线的发展现状，在总结现有的小型化介质天线的基本技术 的基础1 之上，进行了小型化介质天线的分析和模拟。首先进行分析和模拟的 是矩形的介质嵌入式谐振天线。相比于其它形状的介质嵌入式天线，矩形提供了 更多的设计自由度，可以独立的进行调节长宽高的比例，以取得合适的带宽。接 着进行分析和模拟的是近年来适用于无线智能终端的电子波束可控阵列天线。相 比于传统天线，电子可控多波束天线系统天线可以提供更好的安全性，增加无线 接入的性能，区分真实信号和无用信号，支持更多的用户，将资源更好的分配给 用户而不必浪费在无用的用户上畸1 。同时，它的体积更为小巧，它的控制电路也 更为简单幢1 。对于移动手持应用设备来说，尺寸是一个重要的影响因素。因此， 进行了天线小型化的分析与模拟。利用将天线置入介质中的方法，进一步减小了 天线的尺寸。通过h f s s 仿真，得到了仿真结果，与相控阵天线要求阵列间的间 隔大于半个波长不同，在寄生天线中，阵列问的间隔可以减小到大约0 3 个波长， 并且，天线的外杆到介质边缘的距离应该小于寄生杆的高度，有利于减小天线的 尺寸。在电子可控多波束天线的仿真基础之上，分析与研究了嵌入介质对于天线 性能的影响，为以后的天线设计中可以采用的介质提供了有意义的参考。基于单 层电子可控多波束天线的模拟结果，继续分析和模拟了双层电子可控多波束天线 的特性，在单层6 个寄生金属杆的外圈设计了第二层6 个寄生金属杆，在同一圆 周上均匀分布，并且内外层在同一角度上的金属杆于中心馈电金属杆处于同一直 线上。分析了双层电子可控多波束天线的特性，给出了分析结果，包括其s 1 1 曲线和远场方向图，得到了相比于单层电子可控多波束天线，双层电子可控多波 束天线可以获得一个稳定结构的s 1 1 曲线，以及可以提高天线增益的结果，为以 后的多层电子可控多波束天线的设计提供了有意义的参考。 本论文的结构如下：第一章的内容是介质谐振天线的分析与模拟，首先给出 了介质谐振天线的研究背景和天线特点，分析了三种主要的介质谐振天线类型， 分别是半球形介质谐振天线，圆柱形介质谐振天线和矩形介质谐振天线，分析了 对介质谐振天线进行激励的主要方法。在给出了三种不同的介质谐振天线的理论 基础之后，分析与模拟的一个矩形介质谐振天线，给出了该天线的s 1 1 曲线和远 场方向图。第二章的内容是e s m b 阵列天线的分析与模拟，首先，给出了智能终 端天线的定义、技术特点和应用，着重分析了智能终端天线的发展历史和研究现 状，随后，对电子可控阵列天线的研究历史和研究现状，以及电子可控多波束天 线的基本理论和应用进行了分析，对一种6 寄生杆结构的电子可控多波束天线进 行详细的分析，叙述了六边形介质嵌入式天线的设计过程，分析了该天线的结构 小型化介质天线的分析与模拟 特点，分析和仿真的结果在接下来的部分中给出，包括了该电子可控多波束天线 的6 个主要方向的方向图和回波损耗，分析了仿真的结果，进行了不同的介质特 性对天线特性影响的研究，给出了研究结果。分析和模拟了双层电子可控多波束 天线，给出了s l l 曲线和远场方向图，分析了相比于单层电子可控多波束天线的 特点，给出了分析结果。 8 小型化介质天线的分析与模拟 第一章介质谐振天线 研究背景 微波谐振天线最早在1 9 3 0 年得到证明n7 | ，其谐振模式在2 0 世纪6 0 年代由 o k a y a 和b a r a s h 等人进行了分析n 引。由于陶瓷低损介质的发展，介质谐振天线 在电路领域得到了广发的发展和应用，并渐渐取代了传统的设计，它们的应用范 围包括滤波器、振荡器等n9 1 。在这些应用中，所采用的介质一般有着大于3 5 的 介电常数，形状为圆柱形，结构紧凑。作为振荡器使用时，谐振器一般被包围在 一个金属腔体中，从而取得一个高的品质系数。 如果去掉外边的金属壳，同时，给谐振器加上合适的激励，那么，这些谐振 器可以成为高效的辐射器。同时，通过减小介质的介电常数，天线可以在一个较 宽的频带上取得增益。将介质谐振器作为天线使用的研究在8 0 年代得到的广泛 的开展。所研究的热点是矩形天线，圆柱形天线和圆球形天线瞳叫乜妇瞳2 | 。通过对其 谐振模式，辐射图像和激励方式的研究，证明了谐振天线有着广阔的应用前景， 并且与传统的低增益天线相比有优势。同时，介质谐振天线阵地研究也由b i r a n d 和g e l s t h o r p e 等进行了发展。 9 0 年达的研究重点是实现了多种不同的激励方式，同时，提出了多种数值和 分析的模型用于计算天线的输入阻抗和品质系数。研究的重点还是在单个天线上。 主要有两个研究小组在进行研究，一个由k i s h k ，g 1 i s s o n ，和j u n k e r 领导，另 一个由l u k 和l e u n g 领导。m o n g i a 和b h a r t i a 瞳踟对早期的：工作进行了总结。 从9 0 年代中期开始，研究的重点转移到了介质谐振天线阵的研究上，研究 的对象从简单的双结构的介质谐振天线到有3 0 0 个天线元的复杂相控天线。 从2 0 0 0 年以后，介质谐振天线的研究进入了有一个高潮期，研究的重点转 移到了为移动应用而设计的紧凑结构天线上来。同时，热点的研究方向还包括了 介质谐振天线于传统天线的整合，以及更新颖的介质谐振天线形状，这些研究的 目的都是为了提高天线的宽带性能，从而适应超宽带系统的要求。 天线特点 以下是介质谐振天线的特点，这些特点是通过对简单结构的天线进行研究和 总结得到的，它们对于普遍的介质谐振天线同样适用。 天线的尺寸正比于阻1 小型化介质天线的分析与模拟 九 厄 其中的入代表自由空间的波长，而e r 代表介质的介电常数。 对于固定的介电常数来说，天线的谐振频率和辐射的品质因数会受到天 线长宽比的影响。这为天线的设计提供了更高的自由度。 由于介质谐振天线没有表面波和较低的传输损耗，介质谐振天线可以取 得高的辐射效率。 通过调整天线介质的节点常数，天线的尺寸可以得到改变，使得设计者 获得了更多的设计自由度。 介质谐振天线可以采用多种方式进行激励，例如，探针激励，插槽激励， 微带线激励，介质图波导以及同平面波导线。 介质谐振天线可能存在多种可激励的模式，使得天线的设计进一步自由。 基本的介质谐振天线 介质谐振天线有三种基本的形状： 半球形 圆柱形 矩形 半球形的天线是最早进行研究的天线，半球形的辐射模式有精确地分析模型 可以描述。同时，它的输入阻抗在激励方式确定的情况下可以进行计算。但是， 半球形天线不具有太多的实际意义。因为，这种天线缺少必要的自由度。半球形 天线的半径直接决定了天线的谐振频率和辐射品质因数，使得它的天线尺寸、阻 抗带宽等参数没有任何的调整空间。 圆柱形的介质谐振天线提供了比半球形天线更大的设计自由度。通过调整天 线半径和高的比例，天线的谐振频率和品质因数同样可以得到调整。同时，圆柱 形天线可以简单的进行激励，得到宽边辐射图或者全向辐射图。 矩形介质谐振天线提供了最大的设计自由度，它有宽度，长度和高度三个参 数可以调整。对于固定的介电常数，有多种长宽比可以选择，以得到多种不同的 辐射品质因数。 1 0 半球形d r a 半球形d r a 的结构由图所示。它由介电常数萎l j e r 的材料构成，半径为a ，介 质谐振天线架在地平面上，地平面为理想表面，有无限电导率。 f l g u e1 半j 汞彤d r a 2 0 世纪6 0 年代，在自由空间的半球形介质谐振天线的电磁谐振模式得到了 广泛的研究咖1 。半球形d r a 内包含两种模式，t e 模和t m 模。t e 模的特点是横 向电场为0 。t m 模的特点是横向磁场为0 。最基本的模式丁臣1 1 和t e 们，前者的 辐射图样很像短的磁极子，后者的辐射图样很像短的电极子。 丁局】模是半球形d r a 的最低模。该模式下的谐振频率可以通过解如下的特 征函数来得到口引。 j ! ( v 耳r k o n ) 啦纠( k o a ) 三一= - = 当万r ( 2 ) h ( 4 百k o a ) 百h 1 2 ( 七。口) 一 其中，j ( x ) 是第一阶b e s s e l 函数，h 气x ) 是第二阶h a n k e l 函数，尼。是自由空 间的波数。一旦自由空间波数确定，谐振频率由下式决定3 。 厶，：4 7 7 1 3 r e ( k o a ) ( 3 ) ，g h z2 i 一 婶， “c m 上式中的谐振频率由g h z 为单位，半球形d r a 的半径用c m 来表示。 半球形d r a 的品质因数由下式得到口0 i ： 小型化介质天线的分析与模拟 r e ( k o a ) q2 丽瓜历 如果介质材料是无损的，那么天线损失的能量等于辐射的能量， 的品质因数等同于辐射的品质因数。 由以上公式，可以得到： r e ( k o 晓) = 2 0 31 6 8 7 0 4 7 8 2 9 q = 0 0 8 + 0 7 9 6 e r + 0 0 1 2 2 6 e ；一3 1 0 5 e 兰 通过品质因数，可以估计天线的带宽： 等= 杀 因此，天线 上式中的f 表示绝对带宽，兀是谐振频率，s 是最大可接受的电压驻波比。 半球形d r a 天线的丁m 1 0 i 模可以通过解下式得到。砷1 ： 圆柱形d r a 圆柱形的介质谐振器已经在电路设计中使用的很多年。它们的高q 值和紧凑 的结构使得它们非常适合用在滤波器和振荡器中。有大量的文献研究了它们的谐 振特性和与电路系统的耦合瞠4 1 瞳5 | 。用于天线中的圆柱形d r a 被研究的历史比较短。 厄葡 茹志 小型化介质天线的分析与模拟 f i g u r e2 圆枉形d r a 圆柱形d r a 的特性由高度、半径和介质的介电常数决定。和半圆形的d r a 相 比，圆柱形的d r a 提供了更高的设计自由度。通过调节a h 的比值，可以调节天 线的品质因数。因此，两个形状不同的圆柱形天线可以有相同的工作频率而有着 不同的品质因数。 单个圆柱形d r a 的模式可以分成三种：t e 模，t m 模和混合模。这种区分方 式最早由k o b a y a s h i 乜明提出，并且一直被沿用。t e 模和t m 模是对称模，和方位 角无关，而混合模是和方位角有关的。圆柱形d r a 常用的模式有t m 0 1 6 ，t e 0 1 艿和 h e ，j 模。6 的值介于0 和1 之间，对于大的介电常数值，其值趋向于l 。t m 0 1 占模 式的辐射特性接近于电极子。t e o l 6 的辐射特性接近于磁极子。h e l l 6 模的辐射特 性接近于水平磁极子。 不同于半球形d r a ，圆柱形d r a 的电磁分布没有精确解。一种经常采用的计 算圆柱形d r a 电磁场分布的方法是假设其磁场的z 分量在所有和z 轴平行的面上 为0 ，并且电场和磁场在所有面上连续。谐振器周围的电磁场假设从天线的边界 开始以指数衰减，并且在无穷远处衰减为0 。这种假设对于高的介电常数经验证 是正确的，但是对于较低的介电常数，这种假设只是一种近似。 通过对圆柱形天线进行大量的数值仿真和曲线拟合瞳7 | ，圆柱形天线的谐振频 率和品质因数可以通过经验公式得到。经试验表明，经验公式和实际测试的结果 在谐振频率上有小于2 5 的误差，在品质因数上有小于1 0 的误差旧引。 对于t e 0 1 6 模乜8 | ： 23 ，7n口 k o a 2 焉丽( 1 + o 2 1 2 3 元一。舢8 9 8 ( - ) 2 ) ( 9 ) 小型化介质天线的分析与模拟 q = 0 0 7 8 1 9 2 e 1 - 2 7 t 1 埘m ( 鲁) 吻鄢g ) 2 州舶g ) 3 。呱多4 ， 对q ：t m 0 1 占模 2 8 】： 啪：譬 q o - 0 0 眈1 毋8 8 8 4 1 3 e o 0 3 9 7 4 5 e r 1 0 卜眈罢) ( 等) 一9 8 蜥丢 + 2 0 5 8 3 3 ( _ ) a 43 2 2 2 6 1 c - 3 s 0 0 9 9 ( 为，) 对q ：h e l l 占模凹8 | ： 啪= 篇( 0 1 2 7 + o - 3 6 最+ 0 0 2 吲az ) k 。n2 万覆( 0 1 2 7 + o - 3 6 丽+ o 0 2 吲2 ) q _ 0 0 1 0 0 7 4 ，3 丢( 1 + 1 0 0 e - 2 0 5 曝 铂 0 0 ) q 3 ) ( 1 4 ) 对于极端的a h 值( a h 1 ) ，以上的公式会丧失它的准确性， 但是，对于简单的圆柱形d r a 天线来说，以上的经验公式提供了一个很好的设计 出发点。 矩形d r a 截面为矩形的介质谐振天线有4 个主要的参数，高度h ，宽度w ，深度d 和 介质的介电常数。相比于圆柱形的天线，矩形d r a 提供了更多的设计自由度。对 于特定的谐振频率和介电常数，w h 和w d 的比例可以独立的进行调节，以取得 合适的带宽。可以选择瘦高型的设计，也可以选择胖矮型的设计，根据应用的不 同，选择不同的形状。矩形d r a 的形状对辐射质量因数也有影响。 1 4 小型化介质天线的分析与模拟 f i g u r e3 矩形d r a 和圆柱形的d r a 相同，矩形d r a 天线的电磁场分布也假设为何矩形波导类似。 矩形介质的四壁假设为完美磁壁，电场和磁场假设为在上下表面连续分布。矩形 d r a 的模式也有t e 模和t m 模，但在实际使用中，一般对其t e 模进行激励。矩 形介质谐振天线支持7 1 e x 模，t e y 模和t e z 模，这些模的辐射图样类似于短磁极 子在x ，y 和z 方向上的辐射。矩形d r a 的谐振频率是天线尺寸w ，h ，d 的函数。 对于w ) d b 的情况来说，矩形d r a 的最低模是t e 喜1 1 ，t e 荔1 和t e ；1 1 ，分别代 表x ，y 和z 方向上的场分量。 对于t e 喜1 1 来说，谐振频率 可以通过解下列方程得到心： k xt a n ( 竿) ：，胨一1 ) 瑶一碍 ( 1 5 ) 其中， ， 2 u 2 r r f o 七。2 石2 了 忌y2 万 良z2i ( 1 8 ) 小型化介质天线的分析与模拟 碍+ 七；+ k 2 = 鼻瑶 另一种介质波导模型乜钉将矩形谐振天线的物理尺寸替换为效甩尺寸。对于中 到高的介电常数值，这种模型取得了更好的仿真效果，但是对于低介电常数值， 第一种模型取得的仿真效果更好。 激励和耦合 介质谐振天线的激励方式和位置对天线的工作模式有着重要的影响，决定了 天线的输入阻抗和辐射特征。激励的方式也会影响天线的谐振频率和质量因数。 对于大多数的应用来说，功率必须通过耦合从一个或多个端口进入介质谐振 天线。端口的种类和位置决定了哪种模式会被激励以及多少功率会在端口和天线 之间耦合。耦合量，阻抗的响应频率都是决定天线性能的重要因素。 对于介质谐振天线的耦合，源通常可以建模成电流或者磁流，通过互易定理 和边界条件，耦合量可以确定。定义x 为源和介质谐振天线之间的耦合量。 对于电流源u 5 | ： r xo ( j ( 如r ，s ) d v 对于磁流源n 5 | ： x 跌 ( h d r a m s 、) d v ( 2 1 ) 其中，v 是围绕电流源或者磁流源的空间，如r a 和r a 是介质谐振天线中的 电场和磁场分布。由上式可见，为了取得强的耦合，源必须位于介质谐振天线中 电场最强的地方。同样的，为了取得强的耦合，源必须位于介质谐振天线中磁场 最强的地方。因此，必须首先知道了天线内部的电场和磁场分布之后，才可以确 定激励的最佳位置。 为了传输功率，耦合机制对于天线产生了一个负载效应，会影响天线的质量 因子。因此，可以定义一个外部质量因子副： n q 。射= ( 2 2 ) 负载质量因子可以定义为n 引： ”熹 1 6 ( 2 3 ) 小型化介质天线的分析与模拟 当耦合系数为1 的时候，从耦合端口到介质谐振天线的传输功率达到最大值。 这种状态称为临界耦合。当x j 时，称为过耦合。 对于矩形d r a ，当w b 的时候，最低模是t e 否1 1 。利用介质波导模型，可以得 出在介质谐振天线中的场分布n 引： 同时，有 也= 警c o s 呶小0 s ( 啪) c o 沁z z ) h y = 紫s i n 呶删吣y ) ，) c 0 吣z z ) 也= 紫s i n 眠小。s ( 啪) s i n 叱z ) 最= 0 弓= k z c o s ( k x x ) c o s ( k y y ) s i n ( 尼z z ) 眨= 一k y c o s ( 七z x ) s i n ( k y y ) c o s ( 忌z z ) m 7 r 七y2 百 n 7 r k ，= b ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 3 0 ) ( 3 1 ) 在上式中，m ，1 3 为正整数。 对于最低阶模，m = n = 1 ，由上式可以得到，吼的分量在介质谐振天线的中心 起主导作用，而e 分量围绕着巩分量。这种场分布和短磁极子的场分布非常相 像。 对于圆柱形介质谐振天线来说，它的t e 0 1 艿模可以近似为n 5 | ： 也o cl o ( f l r ) c o s ( 磊z ) ( 3 2 ) 7 r h ro c 1 ( f i r ) s i n ( 磊z ) 7 r ，- ( f i r ) c o s 哧z ) 1 7 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 劭 刁 踟 研 但 仨 但 汪 小型化介质天线的分析与模拟 e z = e r = e 6 = 0 上式中的b 是下列贝塞尔函数的解： ，o a ) = 0 对于h e i i 8 模，它的场分量可以表示为n 5 | ： 易o c 从n r ) c o s ( 轰z 儿i c 呻。s 驴 b o c 可d ( 1 l 万( a r ) ) s i n 岛z ) ( 搿 o c 小n r ) s i n ( 轰砜) f s 唧i n q b ro c 从n r ) c 。s 岛z 心h f s 唧i n q 6 如o c 帮c o s ( 私搿 也= 0 上式中的a 是下列贝塞尔函数的解： j 1 ( 口n ) = 0 微带线耦合 一种常用的介质谐振天线的耦合方式是微带线耦合。 1 8 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 3 9 ) ( 4 0 ) ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) f i g u r e4 微带线边耦合 jl k 疋 7 、 一 二罐熏玲。 嗡滏茂 f i g u r e5 微带线中耦合 从微带线到介质谐振天线的耦合量可以通过控制微带线来实现。对于边耦合 的模式，通过调节边耦合微带线到矩阵谐振器的距离可以调节耦合量。对于中耦 合的模式，通过调节中耦合微带线深入矩阵谐振器的距离可以调节耦合量。对于 耦合量影响更大的一个参数是介质谐振器所使用的介质的介电常数。对于高介电 常数( r 2 0 ) ，可以获得高的耦合性。然而，如果介电常数减小，那么，天线 的耦合性将会急剧地减小。在实际的应用中，这常常是个比较严重的问题，因为， 小型化介质天线的分析与模拟 为了取得大的带宽，往往所使用的介质具有较小的介电常数，但是在这种情况下， 天线的耦合效率却大大降低了。使用天线阵可以大大缓解这个问题。 数值模拟和分析 采用基于变分原理的有限元法进行模拟和分析。有限元法最早产生于力学计 算中。随着计算电磁学的兴起，有限元法被成功地应用到电磁学领域，用于各类 电磁场、电磁波工程问题定量分析与优化设计，而且是构成各种先进、有效的计 算软件包的基础。目前，作为一种离散化的数值解法，有限元法已经成为一门日 益成熟的科学。虽然有限元法比时域有限差分法和矩量法复杂，程序实现也较为 困难，但它能处理复杂形体和非单一媒质，因此有宽广的应用范围。 有限元法的基本原理是：把复杂的结构或场假想分割成由有限个单元组成的 整体，简称离散化。这种方法首先把一个实际电磁场问题中具有无限个节点连续 介质的结构或场，通过网格剖分，离散成有限个节点连接起来的有限个单元来进 行分析；节点上的未知量由场的位函数来标志，位函数在相邻单元的边界( 包括 节点) 上是连续的，在单元内部它们构造的插值函数也是连续的。然后在单元分 析的基础上，将所有单元综合起来，进行总体合成，建立整个系统的联立方程组， 以求出各节点的未知量，得到连续整体的近似解。 本文使用的天线仿真软件为h f s s 微波仿真软件旧1 。是业界公认的三维电磁场 设计和分析的的电子设计工业标准h f s s 是基于物理原型的e d a 设计软件，主要 应用于射频和微波器件设计，天线、阵列天线和馈源设计，高频i c 设计，高速 p c b 板和r fp c b 板设计。对于任意三维高频微波器件，如波导、滤波器、耦合 器、连接器、铁氧体器件和谐振腔等，h f s s 都能提供工具实现s 参数提取、产 品调试及优化，最终达到制造要求。它对电磁场的计算使用的是有限元法。a n s o f t h f s s 充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、 a l p s ( a d a p t i v el a n c z o sp a d es w e e p ) 和模式节点转换( m o d e n o d e ) 等先进技 术，从而使工程师们可利用有限元法( f e m ) 在自己的电脑对任意形状的三维无源 结构进行电磁场仿真。h f s s 自动计算多个白适应的解决方案，直到满足用户指 定的收敛要求值其基于m a x w e l l 方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如 散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。用高效的计算机虚拟模型取代费时 费力的“c u t a n dt r y 试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微 波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题， 己简单化成只需画结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件。h f s s 自动产 生场求解方案、端口特性和s 参数。其s 参数结果可输出到通用的线形和非线形 ，0 小型化介质天线的分析与模拟 电路仿真器中使用。h f s s 是设计，优化和预测天线性能的有效工具。从简单的 单极子天线到复杂雷达屏蔽系统及任意馈电结构，h f s s 都能够精确地计算出其 电磁性能，包括辐射方向图，波瓣宽度，内部电磁场分布等。随着集成电路芯片 进入纳米范围，工作频率升高，尺寸减小都导致片上互连结构寄生参数对芯片电 路性能产生巨大影响。m m i c ，r f i c 和高速数字工c 的设计要求准确表征并整合这 种影响，这些都要求提取其准确的宽带电磁特性，h f s s 是唯一能自动快速实现 这一功能的软件。 灏口陆点 滔辗器 介藏赢扳 f i g u r e6 介质天线外观效果图 根据矩形d r a 的理论分析，分析与模拟了如下的一个矩形介质谐振天线。该 天线的外观效果如上图所示。介质底板接地，在介质底板上放置一个谐振器，通 过介质中心的激励点对电线进行激励。 在模拟中，天线采用了微带线耦合的方式对一个矩形谐振器进行激励。该微 带线耦合采用的是中耦合的方式。介质谐振器被安放在一块介质底板上，底板的 下底面接地。为了得到天线的远场方向图，在天线外面设置了一个空气盒。 f i g u r e 7d r a 建模 使用h f s s 对该矩形谐振天线进行了模拟，得到了它的的回波损耗和方向图。 模拟的流程如下： 创建材料，设定介电常数为4 4 创建底板，长5 0 m m ，宽5 0 m m ，高1 6 m m 创建材料，设定介电常数为2 5 创建介质谐振器，长1 2 1 3 m m ，宽1 2 2 m m ，高4 4 3 m m 选择材料空气 创建远场盒，长1 8 0 m m ，宽1 9 0 m m ，高1 0 0 m m 选择矩形面片 创建微带线，长1 3 m m ，宽4 m m 选择微带线 选择圆形面片 创建激励波端口 选择积分线，从圆形面片边缘指向中心 选择底板底面 设置底板底面的材料为铜 设置地板底面为无限接地面 创建远场球，设定t h e t a 为9 0 度，p h i 为0 到3 6 0 度 ， 小型化介质天线的分析与模拟 模拟完成后，s 曲线通过如下方法获得： 创建报表 选择模拟数据和表格 添加s 参数追踪 生成s 11 曲线 a n s o f tc o r p o r a t i o n ) ( y p i o t l h f s s d e s i g n l 了 、o 芝l 二 r 、 、 7 f | 、j 一 b j “ w f i g u r e8 回波损耗 从图7 中可以看到，该矩形介质谐振天线的回波损耗是一2 1 5 d b ，并且在 一l o d b 时候的带宽是2 5 0 m h z 。 方向图由如下方法获得： 选择报表 选择模拟数据 选择远场图 选择包围盒 选择增益 添加追踪 生成远场方向图 小型化介质天线的分析与模拟 r a d i a t i o np a t t e m3 h f , 髂d e s i g n l 一一 。1 5 0 t 一1 8 i o 5 o2 95 o f i g u r e9 方向图 图8 显示的是矩形介质谐振天线的远场方向图。该天线在零度方位角的平面 上有4 8 d b 的增益。 2 4 小型化介质天线的分析与模拟 第二章e s mb 天线 智能终端天线 智能天线被定义为：能及时识别系统所处的电磁环境特征，包括时间域、空 间域、频域以及码域等多维信号的特征，并能实时利用这些信号特征来调整自身 各传输支路信号能量的合并与分解，以达到系统某一性能最佳化韵多天线系统。 可以从多角度看智能天线技术。随着智能天线技术的日趋成熟，其技术种类 也开始分化，以下将从各种不同的技术角度来进行讨论。模拟和数字智能天线技 术h 3 。首先，从大的技术类别来讲，智能天线技术可分为模拟智能天线技术和数 字智能天线技术。通常所讲的智能天线都是与软件无线电联系在一起的数字智能 天线技术，而实际上早期的相控阵天线与较新的天线都采用了模拟智能天线技术。 模拟智能天线技术是指那些无需对射频或变至中频或基带的模拟信号进行模数 转换和数字处理，而直接对接收到的模拟信号操作，实现智能天线的功用。这类 天线通常比较简单，易于实现，成本也较低。但由于没有将模拟信号数字化，因 而很多数字域的信号处理方法都无用武之地，限制了信号处理的可能手段。数字 智能天线技术则指在射频或中频将模拟信号数字化，然后利用数字信号处理理论 和集成电路技术造就的。 智能天线主要分为两大类：白适应天线阵列和切换波束天线( 多波束天线) 。 白适应天线是一种控制反馈系统，它利用多个天线阵元接收信号的加权组合进行 信号处理。根据一定的准则形成天线阵列的加权向量，通过对各天线阵元接收信 号进行加权合并，在期望用户的方向形成主波束，在干扰方向上形成零陷，同时， 它能根据期望用户和干扰的空间位置改变自动调整接收和发射方向图，将天线的 主波束对准期望用户，而将零陷对准干扰用户，可以在期望用户方向上获得较高 增益，在干扰方向上获得较低增益，从而达到提高信干噪比的目的。切换波束天 线采用多个预先设定的波束覆盖整个用户区，每个波束指向固定，系统根据用户 的空间位置选取相应的波束，使接收，i 二l 台b e 匕, 达到最佳。它的优点是可以增加小区覆 盖距离。与传统天线相比，在手机和基站发射功率不变的情况下，智能天线可以 通过增加基站天线处理增益而增加小区覆盖距离，从而减少蜂窝系统安装的初期 建设费用。同时，可以保证小区内的有效覆盖。无线系统对用户的地面分布特别 敏感，智能天线可以动态调整方向图，以覆盖用户密度暂时很高的热点区域，以 保证小区内的有效覆盖。另外，智能天线可以利用多径固有的分集效应改善链路 质量，减小信号的延迟扩展，进而提高数据的传输速率。移动通信智能天线可以 小型化介质天线的分析与模拟 提高载干比( c i r ) ，减小中断概率、改善b e r ，用户可使用较低的发射功率获得与 传统天线相同的通信性能，因而降低了c d m a 系中的多址干扰( m a i ) ，从而增加了 每个小区能同时容纳的用户数。另外，较低发射功率也可以延长移动台电池寿命 扣3 。移动智能天线利用空分多址可以提高频谱利用效率，提高系统的容量。如果 户在基站处是