（电磁场与微波技术专业论文）多层微带矩形环天线的研究.pdf

摘要 摘要 本文磷究一静寄较窕獭磴的多爱徽蒂矩藩筇天线。铮对徽带天线载特点，优诧蔫 乍辐羹季元 的备殿微带矩形环内、外圈的尺寸来形成双蜂谐振晌废，实现宽频带特蚀。同时为了达到天线 ，、_ 一 结构的小型化，采用了高介电常数的基片材料。针对设计过程中阻抗呈容性的问题，设计了馈 线上的靴刺蛾容抗调配结构，有效地补偿了阻抗的释性。通过对上述设计参数的优化，明显增 宽了颧带；进一步对结构按魄铡缩教，镄褥到了与溅设计襻燕一致数槛l 参数，敞嚣验证了设 计方燕的有效性。 关键词：微带矩形环天线多朦结构宽频带靴刺线优化设计 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h es t u d yo fam u l t i l a y e rm i c r o s t r i pa c t i v e l o o pa n t e n n a , w h i c hh a saw i d e r b a n d w i d t ht h a no r d i n a r ym i c r o s t r i pa n t e n n a , i sr e p o r t e d t h i sa f l t e m l ac o n s i s t so f s t a c k e dm u l t i - l a y e r s u b s t r a t e sa n dm u l t i l a y e rr e c t a n g u l a r - l o o p sc o n n e c t e db yl e a d i n gl i n e s 。u t i l i z e sad o u b l e - p e a k r e s o n a n c em e c h a n i s mt oi m p r o v eb a n d w i d t h ，t h eh i g hp e r m t t t i v i t ys u b s t r a t e sa r eu s e dt oo b t a i na m o r ec o m p a c ts t r u c t u r e i no r d e rt oc o m p e n s a t ec a p a c i t i v e - r e a c t a n c eo ft h ea n t c n n a as p u rl i n e s t r u c t u r ei s a d o p t e d ，w h i c hc o m p e n s a t e st h ec a p a c i t i v e - r e a c t a n c ee f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，a n o p t i m i z a t i o np r o c e d u r ei so p e r a t e dw h i c hr e s u l t si nb e t t e rp e r f o r m a n c e s ，a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a t k e e p i n gt h ep e r f o r m a n c e sf o rs e v e r a ld e s i g n e de x a m p l e so f t h es c a l er e d u c t i o no fa n t e n n as i z e s ，t h e v a l i d i t yo f t h ed e s i g nm e t h o d i sp m v e d k e yw o r d s ：m i c r o s t r i pr e c t a n g u l a rl o o p ；m u l t i l a y e rs t r u c t u r e ；b r o a d b a n d ；s p u rl i n e ；o p t i m i z e dd e s i g n 末南大学硕士学诅论文 学位论文独创性声明 零入声赣嚣呈交豹学位论文蹩我令天在导菸搬嚣下避霉亍秘磷究工作及载褥豹疆 究成果。尽我所知，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 已经发袭戏撰写过的研究成果，也不包含为获得糸礴大学或其它教育机构的学位或 证书瑟健耀遘熬毒毒糕。与我一窝工馋煞藏志对奉磺褒掰媛煞饪耧羹靛魏毫在论文孛 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：j 随：至鼙期：兰幽。：参 关于学位论文使用授权的说朋 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家隧部馆有权保霞本人所送交学使论 文爨复印转霉丞电子文档，霹敦采震影爨】、壤鼙或冀德复裁手鬏绦存论文。本人魄予 文档的内窬和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 援权表露大学骚突生院办瑾。 签名：盘盖! 至导舞签名：二釜盟西期：醴主：圣! 彳 东南大学硬士学位论文 引言 引言 天线，是在逶售系绕孛用寒发送与臻彀电疆渡戆鲞熬霪要瑟鲁组簸辩分。在蘧镶慈统中除 了核心的系统芯片外，天线是另一具有影响通信系统传输特性的关键性组件。在各种不同的通 信产品中，由于用途和使用环境的各异，所使用的天线指标及其设计方法与制作材质都不尽相 同。选用斌当的天线除了柯助于搭配产鼎的外型以及提离通信系统的传输特性外，还可以更进 一步降低熬个系统的成本。这是提供给寒统厂商在寻求鼹徐揍毫性能毂系统芯片势，冀一个可 能降 羲模块成本提高系统经髓蕊因素。 现代通信系统往往来取收发频率不间的技术方案，遮除了能够减少收发信号之间的干扰从 而有效提高系统的通信容缀以外，也因为稽去了诸如双工器等部件从而减低了设备的价格和复 杂度，提离了可靠性。但悬这样一来对天线的带宽也提出了较高的要求天线的频带宽度要能 覆菱整个收发频率及其绦护逮带魏整个藏匿。 徽带天线由于它其肖低削面，低成本、印刷工艺、翁予组阵、适合姆电路集成( 固体器件， 如振荡器，放大器，可燮袋减器，开关，调制器混频器，移相器等可以集成在天线基片上) 、 馈线和匹酉己网络可以和天线结构同时制作椁一系列优点，融获得了广j 乏的应用。关于微带天线 鲍工程设计、计算方法、割造工艺等仍擞不断完善和发鼹巾。但是传统微带天线有一个致命酶 缺点，裁怒频繁摆搴，遴鬻罄廷舂吾分乏零熹蔻戮百分之豇，这一定骥魔主藏了擞帮天线太规 模使用的瓶颈。 展宽微带天线频带的措施有很多，从天线的选型来说，可以采用谐振式或行波式_ ，毛线；从 辐射元的结构来说，可以选取矩形、圆形、环形贴片，或铸角螺旋天线锦；监片材料的选取 寒说，萄叛遘瑟瑟薅奔壤豢数蕻酝羲羡肄躐逡撵攫麓襄较丈戆差芹麸鹱个天线甄殪携瀵，“舌 可潋襄羽多层或共露静光源站冀，敬爱附加阻抗延配瓣络等方法。 本文研究了一种有较宽带宽的微带天线。采用多层微带矩形环天线的结构方案，利用作为 辐射元的微带环内、外圈不同的谐振频率寐形成双峰谐掇翔响来展宽频带。同时为了实现天线 结构的小裂他，选用了较离介电常数的基片材辩。基片糖辩对天线性能祷决定性的影响，陶瓷 基片麴耪壤稳定蝰疆好，基其毒较菇煎熬俦导特缝，鸯荦j 予提裹射频( 黼) 缝能，降低功耗。 同时陶瓷的介电常数较p c b 电路板高，使用陶瓷能缩小天线尺寸，所以非常适用在低功耗通信 系统中使用。所以本研究中选用陶瓷基片。 在第一章中，将说明微带天线的主要性能参数，阐明了微带天线的辐射机理。比较微带天 线的各静努撬方法。接罄用较多匏篾攘泉瓣释鳎褰频续稳分砉f 软转( h f s s ) 求解毫磁场淫题 掰采矮的露陵元法一惦线向有隈元法。 在第= 、三章中中，黼先根据徽带夭线的辐射机理，选定多层微带矩形环天线的方案，通 过高频蜡构分析软件米分析天线结构参数对性能的影响，选定初始结构尺寸。然后根据初 始分孝厅的缱袋，对天线辐射元的结构进行调整。在用高频螭梅分析软件辩乏分析天线结 姆参数对 性巍的影确之麓，本文还箱了一定熬篝旗采阙鞠接窦过穰孛的注寒要蠡，眈翔馕邀端秘耱蠢效 设置，弱为这直接关系到铸真结果的准确饿。第四章采嗣附抽靴粥线( s p u rl h l e ) 的容抗补偿法， 通过对靴刺绒尺寸的优化，得到了比较好的双峰谐振电路结构，也就有了较好的阻抗特性。第 五章用优化软件对结构的棚关尺寸进行优化，得到了更好的阻抗特性。 在得到最终设计方案以螽，器要黠设计方案进雩亍验诞，瓣设计戆有效镶强运蹋性逡簿簿量。 东南大学硕士学位论文 引言 在加工比较困难的情况下，为了完成设计验证，通过改变设计频率，对结构进行相应的调摧， 第六章用高频结构分析软件另做分析，通过与原设计结构进行比较，得到了与原设计结构一致 的性能，从而也就验证了多层微带矩形环天线设计方案的合理性。 在本文结束语中，总结了这种设计方案的设计过程，对此设计方案给出作者的看法，并指 出了其优点和待改进之处。 东南大学硕士学位论文 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 1 1 微带天线的结构和特点 最基本的微带天线是由一片厚度远小于波长的基片和覆盖在在它上面的辐射单元以及导体 接地板组成。其中接地板是敷于基片一侧的铜箔；而另- n 的敷铜面经化学蚀刻被制成特定形 状的辐射单元。 微带天线的基本辐射单元有多种形状：线天线如微带单极子( d i p o l e ) ，缝隙天线( s l o t ) 等； 贴片天线，如矩形、方形、圆形、椭圆形、三角形、l 形、f 形、u 形、环形贴片等，以及各 自为了提高性能而经修改的形状；还有用上述单元组成的微带天线阵等。 微带天线的馈电方式基本可分为四种： 直馈：由微带传输线直接连接到共面的辐射单元； 底馈：由同轴线的内导体连接探针，穿过接地板的孔，再连接到辐射单元； 侧馈：由位于辐射单元侧面的微带传输线通过耦台馈电； 参口径耦合：馈线与辐射单元分置接地板的两侧。经由接地板上所开槽孔耦含而馈电。 1 2 微带天线的优点和缺点 微带天线具有以下优点： 重量轻，体积小剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 制造成本低，易于大量生产； 可以做得很薄，因此，不扰动装载的飞形器的空气动力学性能； 无需作大的变动，天线就能很容易地安装在导弹，火箭和卫星上； 天线的散射截面较小； 易于组阵： 稍微改变馈电位置就可能获得线极化和圆极化； 不需要背腔i 微带天线适合于集成化设计( 固体器件，如振荡器放大器，可变衰减器，开关，调制 器，混频器，移相器等可以直接加到天线基片上) ； 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。 但是微带天线也有如下缺点： 频带窄，通常都只有百分之几； 有损耗，因而增益较低； 大多数微带天线只有向半空间辐射； 最大增益实际上受到限制( 约为2 0 d b ) 馈线与辐射元之间的隔离差； 可能存在表面波； 东南大学硕士学位论文 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 交叉极化大； 功率容量较低。 1 3 微带天线的辐射原理 1 3 6 微带天线的辐射机理是：在贴片和接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片与接地扳间 的缝隙向空间辐射，辐射场是贴片边沿与接地板间的边缘场产生的。 由于分析微带天线的方法不同，对它的辐射机理也有不同的解释。下面以矩形微带天线为 例子，用传输线法讨论它的辐射原理，如图l - 1 ( a ) 所示。辐射源的长为，宽为矽，介质基片 的厚度为h 。可以将辐射源、介质基片和接地板看作是一段长为的低阻抗微带传输线，在传 输线的两端断开形成开路。根据微带传输线理论，由于基片厚度h 厶( 是工作波长) ， 场沿厚度方向不变化。在最简单的情况下，假设场沿方向也无变化。在主模激励条件下， l = 兄。2 ( a 。是微带传输线的导波长) 的传输线场结构如图1 - l ( b ) 所示。显然，在两开路端 的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于l = 兄。2 两垂直分量电场相 反，水平分量电场方向相同。在垂直于接地板方向，两水平分量电场产生的远场同相叠加，形 成了最大辐射方向。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的两个 缝隙缝的宽度为h ，长度为矿，两缝间距l = 旯。2 缝的切线电场沿矽均匀分布，电场方 向垂直于，如图1 - 1 ( c ) 。以上讨论的辐射原理是基于传输线分析方法，当微带辐射元结构较 复杂时，必需用其它的分析方法。 。 1 4 微带天线的分析方法 微带天线的分析有各种各样的方法，主要有以下几种 焦箍缮撞直鎏 1 3 6 传输线模理论的基本思想，是将矩形微带天线的两个开路端等效为两个缝隙。根据传输线 理论求得缝隙上的切线电场，利用等效原理求出缝隙的面磁流密度，从而可以得到单个缝隙的 辐射场和输入导纳。整个微带天线的辐射场从由两个缝隙组成的二元阵中求得，输入阻抗由等 效传输线计算。 采用图1 - 2 所示的坐标系，缝隙口径电场玩；一竞h h 1 ， 考虑接地板的影响，根据等效原理等效磁流密度m = - h f o = 一2 e o ， 电矢量位爿= 一2 圭f 2 e o e - f l ；i ”d s ， 斗7 z r 。 东南大学硕士学位论文 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 ( a ) 工 2 等效辐射缝隙 天线的辐射原理图 式中r ；= i s i n s c o s 矿+ p s i n os i n + ；c o s 毋 弋，= 奴+ 爿 、f r = x 7 s i n 口c o s 庐+ z c o s 0 东南大学硕士学位论文 ( c ) 宝伪，7 5 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 图1 2 缝隙元的坐标系统 爿：e 石- j k r2 晶f | ，2 ：k 1 2 加舭7 。一归s i n ( 等s i n s 倒n ( 半c o s p ) 一杀2 即1 意1 寺 令e o h = z o ( 跨缝电压) ，且因为k h 1 ，上式可以简化为 - j k , s i 。( 半c o s 臼) s l n 【。= 一 刚 小亩2 咿飞乞丁 ra r = 4 c o s 0 1 以= 一爿，s i n 疗 东南大学硕士学位论文6 燕：二垦堂堂墨塑塑塑墼璺黧墨竺堑查堡一 由e 。一v a 求辐射场，对于远场可通过只取，。项，得出 v 胙乒! r f l 昙o r o r ( 鸭卜等l 盯拶l 璇激霹求凌： 驴一j k a zs i n 0 叫等竿 单缝的方向图函数为 磊，拳) =型斑疹 湖l 了蝴拶如霜 c o s 毋 趔sin c o s 咖p 1 一扩i 旯， o c o s 口 单缝的辆射功率可以对玻即娥强熏闪买邵避仃移 付承衔： _ -e c o p 8 ；。i e # h e r 2s i n o d & ，5 0。击0 鹏0 抽甜御庐“d 。曼壁j 型豳：锹8 2 研： c 0 5 0 其中r 为自由空间的波阻抗，野；1 2 0 口( q ) + 由辐射电导的定义户= r 0 2 g ，2 ，可得出单缝的辐射电导 田：去掣鼬志 局部 魇爨 萄， 嚣= 去锄耻鼍等 式中z o 悬将矩形元看成微带馋输线 a 的近似表达示是笪。0 。4 l 矗 其中疋是等效奔奄鬻数，宪鹃请粪公式是 东南大学磷士学位论文 的相位常数。 外面，表明在该 效为一个电容， 每令等效开踺截 7 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 铲半+ 字( + 爿。 综合以上关于电导和电纳的计算公式可得单缝的等效导纳y = g - 4 - j b 。 u m 。= i e h oi 口 ：吉羔20犁咖吲。7r 一1 曙8 m 飞了阳j 南：日l 2l c o s 。0 目日o 平均辐射强度= 毛= 善嘉 d ：鳖： u 。， 。s i n 2 降删)l 1 c o s 2 0 s i n 2 0 i p 町 矩形微带元的分析：由于矩形微带元可看作被一段低阻抗传输线分开的两个缝隙，并且两缝隙 等幅同相激励，根据二元阵原理，将单元的方向函数乘以阵因子即可得到阵的方向图函数： f 彬1 s i n l _ g o s f l， f p ，声) = l 生j z s i n o c o s ( 等s i n 目c o s 庐) g o $ 口z 矩形微带元的等效电路如图1 3 所示， 圪# 口 = 慢罢牛o l 1 三 i 图1 - 3 矩形微带天线的等效电路 输入导纳为： = g + 声= 乒g 瓦, + j 面( b + 巧y o t 再a n f l 硒l ) 式中r o 是矩形元等效传输线的特征导纳， ：筝踟蝴。 东南大学硕士学位论文 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 膣攫直选 1 - 2 3 目前，腔模理论是应用较为广泛的一种理论。适用于分析多种形状的微带天线。这种理论 的基本思想是：将微带天线看成上下以电壁、四周以磁壁为界的介质腔体。基本分析方法是根 据谐振腔理论建立腔内的电磁场方程，导出腔内场的固有函数的一般表达式，然后利用边界条 件和激励条件，求解腔的内场，从而得到腔体口面场( 腔体边缘面的场分布) 。最后由口面场分 布来计算微带天线的辐射场。 在腔模理论中有三点假设： ( 1 ) 由于介质板的厚度h 厶。腔内电场只有垂直于上下电壁的纵向分量，磁场只有平行于电 壁的横向分量； ( 2 ) 由于h 厶，腔内的电磁场沿纵向无变化； ( 3 ) 在四周壁上垂直于边缘的电流分布近似为零，即忽略磁场的切线分量。 由于这些假设比较合理，所以腔模理论是较好的近似方法。然而仅适用于具有可分离变量 的规则形状的微带贴片。 变盆左洼 是有限元法的基础在后面关于有限元一章中另作阐述。 垫昼抠筮友选 r 3 适用于各种微带天线的精确分析，主要是厚介质板时的分析以及不规则贴片的计算。通常 采用矩量法来求解积分方程一种典型做法是，首先导出微带贴片上单位电流元满足边界条件 的井矢格林函数g ，) ，则电场可得： e o ) = 一，吐弘f f p o ，r 7 p o 7 冲 式中，( r 强贴片上的电流源，令此电场在贴片表面的切向分量为零，便得到l ，d ) 的积 分方程。 缒量造 对上述积分方程，将电流用适当的基函数展开，再选取适当的权函数对方程作内积，使积 分方程转化为矩阵方程，从而解出电流分布，进而计算天线的特性。 直堡亘鎏 将作为单独一章阐述。 吐撼直阻羞盆挂e 4 7 东南大学硕士学位论文9 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 它是电磁场问题微分方程的直接时域解法。对电磁场点和h 分量在空间和时间上采取交 替抽样的离散方式，将含有时间变量的m a x w e l l 方程组转化为差分方程组，并在时间轴上逐步 推进地求解空间电磁场。 遇金筮扭左迭如有限元一边界积分方法。 4 2 5 1 5 宽频带措施 3 6 8 由于微带天线的固有缺点：带宽较窄i 所以需采用展宽频带的措施。这也是本研究的重点。 展宽频带的措施很多，大致可从以下几个方面采取措施：。 云缝娄型 由于贴片天线上的电压、电流呈驻波分布，有确定的波腹、波节点，即属于驻波天线，有 明显的谐振特性，又称为谐振天线。因此这类天线的工作频带普遍较窄。要获得宽频带，可有 两种选择： ( 1 ) 布谤揪 频率变化时，尽管天线电尺寸发生了变化但是输入阻抗却近似不变，其它电性能变化也 较慢。对于微带天线来说，辐射元又可以分为蛇形线、梯形线、三角形线、链形线、富兰克林 阵、城墙线等。 尽管频率改变时整个天线的电尺寸发生变化，但由于有效工作区发生对应变化，而对应有 效工作区的天线几何形状以及电尺寸保持不变。如，等角螺旋天线( s p i r a l ) 。 云缝强越亘缱掏 合理地选择和改进天线辐射元的结构，如： 0 1 、选择；i i 占片形状 例如，矩形比圆形贴片频带稍宽；适当选择馈电点，椭圆形贴片也可获得较宽的带宽。 在本研究中选用微带环状天线，是想藉用环结构的内外两层谐振频率之差，形成频率特性靠得 很近的双峰谐振响应来展宽频带。 。 ( 2 ) 戌趁蓐 = 芹 7 r 例如，将矩形贴片的盟藏面敷成脸登垄壁箩形；附加无源贴片；或在贴片上开窗口等。 03 、从基片和接地板角瘦 采用低介电常数而较厚的基片、或泡沫材料；接地板开孔以扼制寄生的表面波效应等。 基宝措旌 例如，附加阻抗匹配网络；采用多层结构等。本研究中就选用了多层结构，它一方面能展 宽带宽，另一方面还能提高增益。 1 6 有限元法 4 5 7 1 0 - 1 2 有限元法是近似求解电磁场边值问题的一种通用的数值技术，这种方法在上世纪中叶被用 东南大学硕士学位论文 0 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 于结构力学。在电磁场问题中有限元法的应用也有近3 0 年的历史，涉及领域包括静电场和静磁 场的计算、微波和光波导的传播、电磁波散射、以及微带贴片天线等，特别是对于齐次第二类 边值问题如多层媒质中的电磁场的计算特别有效，由于有限元法需对整个场域进行剖分，所以 也可用于分析非线性场和各向异性媒质中的场。 1 , 6 1 有限元法的分类 有限元法经过多年的发展，现在主要可分以下几类 褒筮煎限丞鎏 5 这是最基本的方法，求解的过程如下 找出与边值问题对应的泛函及其等价的受分问题 用瑞利一里兹变分法( r a y i e i g h r i t z ) 】i l l 有限元网格剖分，将插值多项式代入变分方程将未知的连续函数离散成有限项函数f i 之和即将无限个自由度的问题离散成有限个自由度的问题i j t l 求泛函的极值，离散出矩阵方程即有限元方程 i 上 解矩阵方程 如选代法 i 金量直隍霾鎏 5 当某个定解问题不存在等价的变分问题时，可用这种方法，因为它不需要进行变分 求解的过程如下 i 有限元网格剖分，将插值多项式代入泛定方程，将未知的连续函数离散成有限项函数l l 之和，即将无限个自由度的问题离散成有限个自由度的问题i 上 l求得加权余数法的表达式l 上 l 用加权余数法( 伽辽金法等) ，离散出矩阵方程，即有限元方程 l 0 解矩阵方程 如迭代法】l 东南大学硕士学位论文 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 基量直阻丞丛 4 它与变分有限元法的最大区别在于：插值多项式的基函数使用所谓的矢量基或叫矢量元， 它将自由度赋于邻边而不是网格的节点。因为这个原因，所以矢量元法又叫邻边元。矢量有限 元法的最大优点是克服了传统有限元法在处理导体和介质边缘及角的问题上的困难。在高频及 结构分析软件a n s o f l h f s s 中，使用的就是矢量有限元的一种：切线向有限元法。 遇盒直照盂选 4 混合方法主要有以下三大类 0 1 、有艰元一墩收边莽条件方法 有限元法有一个相对简单的公式，因而适合于模拟较为复杂的结构。更为重要的是，它产 生的稀疏矩阵可以高效率地存储和求解。但是，当单独使用有限元方法时，它不能直接加上索 末菲辐射条件，而要求将求解区域扩展到远离源区才可强加辐射条件，这是它的主要缺点。加 上吸收边界条件，则可以减小求解区域。该方法的主要缺点是有时结果的精度很难预测。 嗡有限元一边界积分方法 积分方程法通过使用适当的格林函数来考虑索末菲辐射条件，结果离散区域可保持最小。 有限元一边界积分方法结合了有限元和边界积分方法的双重优点。它在求解区域中构造一个虚拟 边界，在此边界内用有限元法，而在边界外用边界积分法，边界面上通过场的连续性统一起来。 嗡有限元一本征碓敬畏开法 有限元一本征函数展开法与有限元一边界积分方法基本类似，但不同的是在展开虚拟边界外 的外场时，采用本征函数展开法。 1 6 2 关于变分原理 4 9 壅筮厘璺 变分原理可分为四种，现归纳如下： 0 i 、标准变分弧理 对下式微分方程定义的边值问题：lm = f ， 如果算符l 是自伴的，即 ，并且通常厂 九) ，格林函数可以近似为 口一i 心口一j 埘r g z 二_ = 一。当这种形式的格林函数用于远场计算时，得到的场解具有只与 ， 口一如 场点坐标有关的因子= 一。 。 r 这种只与，有关的特性就是球面波的典型特征，也是远场的典型特征。远场是一个球面波， 它具有以下方程： e = 玑广 其中是自由空间的波阻抗，3 7 6 7 0 h m 。 当计算近场时，a n s o f th f s s 利用前述的精确公式而非近似公式来计算场值。此时，必须 要指定需要计算的近场的位置，包括极径和极角。在电磁兼容( e m c ) 中这个功能很有效。 但需要注意的是。在计算近场时，如果所考虑的问题包含有入射波，那么指定的近场的位 置非常重要，如果在求解区域以内，则得出的值可以是总场也可以是散射场，可以指定其一； 如果在求解区域以外，那么只能是散射场。 揭魁盐壅 辐射功率是指从天线辐射出来的通过辐射边界的功率的时间平均值，其定义如下： 只。j = 婀i e h + d s ” j j 其中，只。是辐射功率( w ) ，吼表示一个复数的实部， 。 s 是辐射边界表面，出辐射边界单元，其法向朝向3 d 结构以外， f 是辐射电场，是辐射磁场的复共轭。 要注意的是辐射功率计算的准确度依赖与和h 的计算精度，所以有时可能计算功率 与实际功率有一定的偏差。 莹蝗盐壅 接收功率是从一个或多个端口进入天线结构的功率的时间平均值，对于一个端口的天线 接收功率是由入射波功率减去端口平面的失配功率。辐射功率的定义如下： 东南大学硕士学位论文 第一章微带天线的辐射机理及分析方法 。= 吼i f h + d s a 其中，只。是接收功率( w ) ，吼表示一个复数的实部， 爿是模型中所有端口边界的总和，出辐射边界单元，其法向朝向3 d 结构以外 是辐射电场，是辐射磁场的复共轭。 对于只有一个无耗端口且只有一个传播模的较简单情况，上述公式可简化为 。= i o l 2 0 一h 1 2 ) 其中，激励模的复数值，函是单端1 2 网络的散射参数。 箍挝基室 辐射效率是辐射功率与接收功率的比： p 打= 塑 只。 其中，是天线的辐射功率，p o 。是天线的接收功率。 东南大学硕士学位论文 第二章天线结构示意图及主要设计参数 第二章天线结构示意图及主要设计参数 2 1 结构示意图 图2 - 1 结构示意图 整个天线由五部分组成：分别是接地板、基片l 、基片2 、基片3 、和微带环。整个系统由 馈电端1 3 馈电，馈电端1 3 的特性阻抗设计为5 0 0 h m 。 东南大学硕士学位论文 第二章天线结构示意图及主辫 蹙计参数 2 2 天线设计的结构参数 为了更好地标识尺寸。现将尺寸分解成若干部件。 撞热捱：是一个非常薄的长方体，如图2 - 2 所示，材料是铜。接地板的主要参数蠢：长 度l l ，宽度w l 。 嘲2 - 2 接地板 鳌_ 董：是一令长穷舔t 妇垂2 - 3 聪暴。薅辩选潮r o g e r s 公嚣兹声蒹t m m 4 ，冀鳃特性 是t 介电常数4 5 ，魄损耗角是0 0 0 2 。萋片1 的主鞭参数有：长度i 4 ，宽度w 4 ，离度h i 。 1 4 豳2 - 3 基片1 东南丈学硕士学位论文 第二章天线结构示意图及主辩设计参数 鳌童：是一个长方髂t 翻餮2 - 4 掰示。毒孝辩选用d u p o n t 9 5 1t a p e ，箕电特性是：舟电常 数7 8 ，电损耗角烧o 0 0 2 6 。基片2 的主要参数有：长度1 5 ，宽度w 5 ，高度h 2 。 w 5 黧2 = 璺蒸基2 蒸陂：是一个长方体，如图2 - 5 所示。材料选用d u p o n t 9 5 tt a p e ，其电特性是：介电常 数7 8 ，电损耗角悬o 0 0 2 6 。基片3 的主要参数有：长度1 6 ，宽度w 6 ，高度h 3 。 幅 铡2 - 5 基片3 丝搬疑：是一个多朦微带结构，结构如图2 - 6 所示，材料是铜。微带环的主要参数商：长 度1 3 ，宽度w 3 ，环宽w 2 ，馈电端口的长度1 2 由于微带上面两层环是分别贴附于裁片2 和蒸片3 之上的，掰l ；土这两层徽带环瓣阕距与基砖2 秘萋冀3 的舞发相隧，朝h 2 秘h 3 。 末南太学硕士学位论文 第二章天线结掏示意图艘燕耍设计参数 攀l i f 最厢，将主要的参数列袭如下 曩 l 图2 - 6 檄带环 参数长度宽度高度环宽馈电端口长 盘卜 接缝援 l |w l 、 旗片i1 4w 4h l 、 二二、 撼片21 5w 5h 2 、 、 、 、 、 溅片31 6w 6h 3 徽荣耀 1 3w 3 、 w 21 2 东南大学顿士学雠论文 第二章天线结构示意辫及主要醺计参数 2 3 关于蒺片材料的选取 与有机材料比较，陶瓷材料具有优势。陶瓷材料盼电损耗焦正切可以比健统瓣p c b 材料如 f r 4 好一个数萋缓。虽然相对较赛的、嵩饿能的聚潮氟乙烯( p t f e ) 材料可班满足高频损必特性， 但最它的介电常数较低，这就意味着天线尺寸必须大得多。陶瓷材料往往也提供比大多数有机 基掇材料更好的厚度控制，使传输线的隰抗更准确。没有哪一种鸯枧孝毒誊嘻可以沈陶瓷拳| 辩翦裹 颓性能、尺寸和成本戴优越。 有时会面对的一个问题是谯高频元件中功率损耗水平的增加。例如在蓝牙设备中的发射器 必须产生达到1 0 0 毫嚣的辕出功率，这霹缝导致在天线结掬l 孥豹湛瘦大大嚣裹。陶瓷辫辩哥戳 提供温度上的优势。例如，r o g e r s 公司的t m m 系列产品导热率只有0 , 7 0 8 w r r g 。k ，这比有机 材料的0 3 w m 。k 要好。 璃瓷末砉辩豹另一个湿麦特链是鞠对较话豹擎。这是谐振频率的澡瘦系数，电容溢凄系鼗 ( t c c ，t h e r m a l c o g f f i c l e a to f c a p a c i t a n c e ) 与温度膨胀系数( c t e ，c o c f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n ) 的 结台。它是频率决定元件的温发稳定性数一个度量。对于l t c c 材料，r 可以低至t o p p m 。c ， 这个篷篷大多数有辊褥瓣离诲多话。有效保证毫链能桶稳寇经。 由于以上优点，设计时的撩片分别袋用r o g e r s 的t m m 4 以及d u p o n t 公闭的d u p o n t9 5 1 t a p e ，基片的厚度严格按照基片产晶的足寸系列标撩。基片的标准尺砖鞍参数翔下 2 4 3 ： a v a l l a b l et h i c k n e s s ： p a n e l $ f f e ： o | 0 1 5 “f o 。3 8 1 m m l o 0 2 0 “i o , , 5 0 8 m m i 0 0 2 5 ”c 0 6 3 5 m m l 0 。0 3 0 “f 0 7 6 2 m m l 0 0 5 0 “f 1 。2 7 0 r a m o 0 6 0 ”( 1 5 2 4 m m i 晓0 7 5 “m 9 0 5 r a m l 0 。 ”滗5 4 0 t u r n 0 。1 2 5 ” o 1 5 。“ o 2 0 0 ” o 。2 5 0 ” o 2 7 5 ” 0 3 0 0 “ o 5 0 0 ” f 3 1 7 5 删 3 ，8 1 0 r a m j f 5 0 8 0 m m 6 + 3 5 0 m m 溉9 8 5 m m j ( 7 6 2 0 m m l f t2 ，7 0 r a m ； 1 8 ”x1 2 ” 4 5 7 3 0 5 m 嘲 t 8 ”x2 4 ”( 4 5 7 6 1 0 m m j 东南大学硕士学位论文 第三章正确设置仿真参数及天线结构参数分析 第三章正确设置仿真参数及天线结构参数分析 3 。l 蘸始参数尺寸的确定、分析及存在蠲题 、 3 。1 1 舔始参数尺寸的确定 畿做参数分析之前，赫错难确地设置仿真参数，而在此之前，需粗略汛确定天线各参数的 尺寸。蛾用微带矩形环，长度和宽度相等，如果选取缚一圈的周长( 包扩两层之间的过渡) 等 于柏波长，就有可能使得多朦环之间的电流接近同相，按照阵的观点。结聚应该有比较高的增 益我们选取参数1 3 = w 3 = 1 3 6 r r m ；至于基片的尺寸，按照通常关于微带天线的设计经验，辐 射凭粼拜萋片的边缘的距离斑大子h ( 基片的离发) ，丽仿真鞔件建议大予3 h ，所戳选取 1 4 = 1 5 嘲6 = 2 2 m m ，上嚣霎萋冀菇菠方谵，w s - - w 6 = 2 2 m m ，基冀秘裹度努爨滤取为1 2 7 r a m ， 6 。3 5 r a m ，6 。3 5 r a m ；技天线输入黻抗角度考虑，选取环懿w 2 = 1 6 m m ，这徉输入阻抗会等于5 0 0 h m 左右；馈电端口长暂取1 2 - - - 6 ，2 r a m ，则最下面一层基片的尺寸w 4 = 2 4 m m ；接地板尺寸选取比基 片稍犬；辐射边界离天线结构一个相波长左右。 微带矩形环天线的原始尺寸如袭3 - l ( 单位：m m ) 参数长度宽度商度环宽馈电端日长 窖秽 接地板 1 1 = 4 0w l = $ o 熬片1 1 4 = 2 2w 4 - 一2 4h l = 1 2 7 熬片2 1 5 = 2 2w 5 = 2 2h 2 = 6 3 5 蒺冀3 1 6 = 2 2w 6 = 2 2h 3 吒。3 5 微带环1 3 = 1 3 6 w 3 = 1 3 6w 2 = 1 61 2 = 6 2 3 1 2 鼹始结构的分析 表3 - 1 原始参数的尺寸表 按原始参数撂努辑，冀燕簧绫采列予衰3 - 2 中： 第一港振点频率( o n z ) 2 3 0 第二谐振点频率( g h z ) 2 6 6 第谐振点输入阻e c ( o h m ) 4 0 4 0 + j o 第二谐振点输入阻抗( o h m ) 4 42 4 + i 0 l 第一谐振点方向性系数( d b ) 4 6 1 第三谐振点方向性系数( d b ) 5 5 9 第一谐振点效率( ) 9 9 第二谴振点效率( 多) 璩2 繁一谐辍煮传捶霉数 0 + j 嚣。0 4 第二谐振熹俦捶鬻数 0 + 1 0 1 9 ? = 毯+ l 蛰= 毡七3 晷 g 东南大学硕士学位论文 第三章正确设置仿真参数及天线结构参数分析 第一谐振点接收功率( w ) 0 9 8 5 第二谐振点接收功率( w ) 0 9 9 4 第一谐振点辐射功率( w ) 09 7 5 第二谐振点辐射功率( w ) 1 0 15 通带带宽( g h z ) 0 5 2 相对带宽( ) 2 0 9 通带内最大驻波比 2 端口阻抗( o h m ) 5 1 4 2 s m i t h 圆图如图3 - 1 表3 - 2 原始结构的性能参数表 图3 - 1 原始结构的s m i t h 圆圈 |i 图3 - 2 原始结构的驻波比曲线 东南大学硕士学位论文 曼矗誉鼍_翟昔墨 墨三里垩塑量基堕塞茎茎墨墨些黧丝墨垫坌堑 簌髫3 - 1 中我l 可戳器弱墨强上鸯鬻个禳臻显豹落缀馥线，鞠嚣个鞘溪，翥褥穰谶。嚣显 在反射系数为l 的圆内频带缀宽。 对应萼主波比曲线如图3 - 2 ，从驻波比曲线中也可以缎明显地看到有两个谐振频率，分别在 2 3 g h z 和2 7 g h z 左右一驻波比小于2 的范围很宽。 当矿= 0 时，分别绘出在第一个谐搬频率和第二个谐掘频率处的方向翻如图3 - 3 和鼹3 - 4 审。 德蒜 嘤彩 鼬 圈3 - 3 第一谐振点的方向图 蛳 簇蒸 蝶爹 霆3 - 4 第二谐蒹点秘方向强 比较圈3 - 3 和翻3 - 4 。，方向性系数分别为4 6 1d b 和5 5 9 d b ，也就悬说，在两个谐掇点有 近l d b 的方向性系数损失。前后比分别是4 6d b 和5 8 d b 。 东南大学硕士学位论文 3 0 第三章正确设置仿真参数教涎线结构参数分拆 矩彤微带环上的电流分布如图3 5 圈3 - 5 檄繁筇上的魂流分布 从徽带环结构上电流分布，可以看出不同层的徽带上电流分布基本嗣棚，但不是很严格的 同相。而且到第三层时电流已杖小也就是说对辐射蚀能的提高不是很明撼。 3 1 3 服始结构存在的问牒 从袭3 0 中te 发现在第二谤振频率点，辏射功搴e 接收功率还大，效窀是1 0 2 翳；并最 当教嶷镶毽嚷誓长霹，疆抗鬻强会骞攫丈豹变豫。穗鹱燕遴，存在菜些零食瑗麴设置壤褥结象 不罄壤确，这些不台理设蓑麴参数包耩臻襄参数帮天绫结构参数。 图3 - 6 端口示意图 东南大学硕士举饿论文 嚣兰章正确设置仿真参数最炎线结构参数分析 3 2 仿真参数的正确设鬣 3 2 1 饿电端口 + 馔亳蠛霹示意图翔鹭3 - 6 ，它龟蕤三个参数：馈毫遴疆长凄、蔫凌、戳及塞疫。 镳盎整旦蓬座 觜先，分析一下馈电端口。仿真软件假设每个端口的激励方式是一个觅限长的与端口有相 同截颓的传输线，并且加在端霸上的每个传播模都包禽有1 w 的平均功率。程求几何结构体内 场分布之前，必须先求出每一个端口的激励场分布。为了求出激励场分布，系统调用二维场模 块。= 维场模块计算囊然墒分布( n a t m a l f i e l d p a t t c r n 。s ( m o d e s ) ) ，这静皂然场分礤在谨输线结构中 毙转播，饕囊我秘提裂这秘蕊簸绫缝掏窝臻霹其存巍垒耀弱约蘸嚣结构。掰褥劐豹蠛叠激螽瑗 分稚馓为下一步要求熬凡旃结构俸肉静三维场势奄麴逑赛条件。然蔼对于个给定截覆豹波导 传输线，在一个特定频率，有一系列的场分布( 模) 满足m a x w e l l 方程，遨撼场分布的任何线 性组台都能在波导内存在。缺销情况下，波动方程模块只计算主模场分布。 可是在几何结构体内，尽臀激励信号是一个特寇的模，但由于机构的不涟续性导致三维场 的解中可能含有高阶模，如聚濑些高阶模反射回激融端口或者传输到另外一个端口则必须考 虑这贱蕊阶摸，否则会影响计算结果的准确性。如袋鬻阶模在q 这任何端辩之前已经衰减掉， 有掰摹孛胃能导蘩这季孛壤嚣瓣教艇，第一是糖辩奉赛麴按糕，另舞一毒孛霹能藏怒这秘攘是不l 捷 搔鹣澄失模，戴对无器计算越藏与赛阶摸静s 参数。瓣我。一释无霉考虑诗簿离酚模静s 参数 的方法魁让结构体内包括段波导，它的长度应能馊商阶模消失掉。倒如，岛某端口有关的模 2 在0 5 m m 后衰减至近似为释，那么在结构体内与端口形状完全相同的部分蕊少要o 5 m m ，否 则就要计算对应的s 参数。鼹体长度取决于传播常数中的衰减常数口。 为了分析高阶模对分析结果的影响，计算前1 0 个模的传播常数，并计舞搬馈电端口的长度 为1 2 = 6 2 m m 对赢阶摸反射剿端日处懿残余篷，计冀公式是e ：，结果妇表3 - 3 。 1 2 = 6 2 m m 薤匏褰酴1 2 = 2 0 r a m 楚魏嘉酴 序弩 传播常数y = 口+ 弦 横盼残余璧( )横的残余量( ) 1 ( 主横)8 4 6 1 1 9 3 e - 0 0 2 + j 9 2 7 1 8 5 5 e + 0 0 1 9 9 9 59 9 8 3 2 1 3 2 3 8 4 4 e + 0 0 2 + j 1 1 1 8 3 3 4 e - 0 0 2 4 4 1 l 7 1 3 3 2 1 8 7 4 1 8 e + 0 0 2 + j 1 1 0 7 3 t 0 e - 0 0 2 2 5 7 2l ，2 8 4 2 。6 1 1 7 3 9 e + 0 0 2 + j i 。4 2 t 8 3 3 e - 0 0 2 1 9 8 3o 。5 4 5 2 8 0 6 9 1 3 e + 0 0 2 + j 1 7 8 5 9 1 5 e - 0 0 2 1 7 5 lo 3 6 6 3 5 9 4 1 2 5 e + 0 0 2 + j 2 0 4 6 7 2 2 e - 0 0 2 1 0 8 00 0 7 7 4 2 5 0 5 1 5 e + 0 0 2 + j 2 ，6 0 7 3 9 8 e - 0 0 2 7 1 70 0 2 g 4 4 3 9 8 3 7 e + 0 0 2 + j 2 0 6 9 5 6 7 e - 0 0 2 6 。3 7