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(电磁场与微波技术专业论文)小型多波段微带天线的设计方法.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
北京邮电人学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 小型多波段微带天线的设计方法 摘要 近年来,移动终端大量采用内置天线,且功能日益强大,因此对 天线的多网络覆盖能力和天线小型化提出了更高的要求。蜂窝通信 网、无线局域网等通信网络的工作频段相差较大,如何使天线具有多 波段覆盖能力,同时具有足够小的尺寸是内置天线设计中的一大难 题。微带天线以其体积小、低轮廓、制造成本低廉等优点受到广泛关 注,其中贴片天线与印刷单极子天线这两类内置天线的小型化、多波 段设计是本文研究的重点。 本文深入研究了电流路径法在微带天线设计中的应用。首先,立 足于增加电流路径可增加谐振频率的基本理论,提出在贴片天线上开 多条缝隙或在印刷单极子天线上加设多条振子以获得多波段的设计 方法;其次,深入研究了弯折电流路径对谐振频率的影响,从而创新 性的提出弯折电流路径不仅可以减小天线物理尺寸,还能在弯折处产 生新的较高的谐振频率,从而形成更多的波段;最后,本文利用这种 方法设计了一款加载不规则折线槽的紧凑型四波段贴片天线,其尺寸 仅为3 0 2 0 x8 t u r n 3 ,较好地覆盖了g s m 、d c s 、w l a n 的多个波段。 本文的天线设计与性能均使用电磁仿真软件h f s s 模拟,该软件 基于有限元数值算法,假设了理想的空间环境和边界条件,因此准确 度较为可靠,足以得到一些基本规律。本文对各种天线的分析、仿真 结果主要基于回波损耗、增益、带宽、方向图等参数。 关键词:小型化,多波段,微带天线,电流路径 北京邮电大学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 d e s i g n 0 fc o m p a ( 了tm u l 兀b a n dm i c r o s t r i p a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ,i n t e r n a la n t e n n a sw e r ee m p l o y e db r o a d l yi nm o b i l e t e r m i n a l s ,a n dw i t ht h et e r m i n a l s f u n c t i o nd i v e r s i f i e d ,i ti sg e t t i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n tf o rt e r m i n a la n t e n n a st oh a v em u l t i - b a n dc o v e r i n g a b i l i t ya n ds m a l ls i z e s h o w e v e r ,d i f f e r e n tw i r e l e s sn e t sw o r ko ng r e a t l y d i f f e r e n tf r e q u e n c i e s s oi tb e c o m e sac h a l l e n g ef o ri n t e r n a la n t e n n a s d e s i g n i n gt om a k et h e mh a v eb o t hm u l t i p l er e s o n a n c ef r e q u e n c i e sa n d c o m p a c tf i g u r e s m i c r o s t r i pa n t e n n a sa t ep a i dg r e a ta t t e n t i o n sr e c e n t l y b e c a u s eo fi t ss m a l lv o l u m e ,l o wp r o f i l ea n dl o wf a b r i c a t i n gc o s t t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h em i n i a t u r i z a t i o n & m u l t i - b a n dr e a l i z i n g t e c h n o l o g y o fm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a sa n dp r i n t e dm o n o p o l ea n t e n n a s t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st oi n v e s t i g a t et h ec u r r e n tf l o wp a t h m e t h o do ns m a l lm u l t i - b a n da n t e n n ad e s i g n i n g f i r s t l y ,am e t h o do f n o t c h i n go np a t c ha n t e n n ao ra d d i n go s c i l l a t o rt om o n o p o l ea n t e n n ai s 北京邮电大学硕1 j 学位论文小型多波段微带天线的设计方法 p r o p o s e dt og e tm u l t i - f r e q u e n c i e s ,t h i sm e t h o di sb a s e do nt h et h e o r yt h a t a d d i n gf l o wp a t hc a na d dr e s o n a n c ef r e q u e n c y t h e n ,w er e s e a r c hi n t o t h ec h a n g eo fr e s o n a n c ef r e q u e n c i e sw h e nt h ef l o wp a t hi sb e n d e d t h e r e s u l ts h o w st h a th i g h e rf r e q u e n c i e sc a nb eg e n e r a t e da tt h eb e n d e d c o r n e r s oi ti sc o n c l u d e dt h a tb e n d i n gf l o wp a t hc a nn o to n l yr e d u c e a n t e n n a ss i z eb u ta l s oc r e a t en e wr e s o n a n c ef r e q u e n c i e s t h i sc o n c l u s i o n p r o v i d e san e ww a yt oa c h i e v em u l t i - b a n d a tl a s t ,ac o m p a c tq u a d b a n d p a t c ha n t e n n al o a d e db yt w on o n - r e g u l a rs l o t si sd e s i g n e d i th a sas m a l l v o l u m e ( 3 0 2 0 x8m m 3 ) a n dc o v e r sg s m d c s w l a nb a n d sw e l l t h ea n t e n n a sr e f e r r e dt oa r em o s t l ys i m u l a t e d b yh f s s ( h i g h f r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r ) ,w h i c hi sb a s e do nf e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) a n ds u p p o s e di d e a lb o u n d a r yc o n d i t i o n ,s ot h e i rs i m u l a t i o n p r e c i s i o ni sc r e d i b l ee n o u g hf o ru st oe d u c es o m eu s e f u lr u l e sf r o mi t s r e s u l t s t h ea n t e n n a sa r ej u d g e da c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s ,s u c ha s r e t u r nl o s s ,g a i n ,b a n d w i d t h ,a n dr a d i a t i o np a t t e r n k e yw o r d s :m i n i a t u r e ,m u l t i - b a n d ,m i c r o s t r i pa n t e n n a ,f l o wp a t h 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 本人签名: 日期:丛辟扯 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即: 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借 阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释:本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。 本人签名: 导师签名: 日期: 日期: 北京邮电大学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 1 1 课题研究背景 第一章绪论 天线是电磁波无线通信的基本组成部分,雷达、收音机、对讲机、无绳电话、 移动电话、无线网卡等等,这些利用电磁波进行无线通信的设备,都离不开同一 个部件,那就是天线收发信号的“传话者一。天线技术纷繁多杂,但无非是 在方向性、增益、带宽、极化这些性能中寻求适用点。有的要求具有很强的方向 性,如卫星通讯,因此常使用抛物面天线,有的要求具有极大的带宽,如短距离 的千兆级速率传输,因此需要超宽带天线,还有的要求具有圆极化性能,具有自 适应能力等等。天线各个性能有时还是互相制衡的,比如微带天线的带宽往往与 其尺寸性能相背,因此,在实际的设计中,如何权衡各个参数,如何在兼顾必要 性能的情况下实现更好的目标性能是天线设计的核心问题。 本文主要研究的是小型移动终端中的内置天线设计,而微带天线是内置天线 设计的常见方案,也是较介质天线、螺旋天线等更具优势的设计方案。它不仅可 以以低剖面性被集成于p c b 板之上,还能轻松的产生多频谐振,因此本文将重 点放在微带天线的小型化、多波段技术的研究上。 由电磁理论及微带天线理论知,普通微带天线如矩形贴片天线,其尺寸必须 为大约一半波长,方能产生较好的辐射,而普通矩形印刷单极天线,也必须具有 四分之一波长以上的长度才具有足够的辐射电阻。无加载的微带天线一般不具备 多波段性能。而当这些微带天线经过优化后,如在贴片上开设u 型槽、在贴片 一端加载短路棒,就可以在普通微带天线的基础上实现双波段、四分之一甚至八 分之一波长尺寸性能,因此可见,只要对普通微带天线“改装一合理,同时实现 多波段、小型化性能是完全可行的。而这种“改装一技术应不局限于u 型槽加 载1 1 、矩形槽加载【2 】、短路棒加载【3 】等。本文提出了在矩形贴片天线上加载多 条不规则折线槽,从而通过增加电流路径、弯折电流路径的双重方法实现多波段 小型化的设计方法。 微带贴片天线、印刷单极子天线是内置天线设计的两大方案。它们的常规模 型如下: 北京邮电大学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 图1 - 1 普通微带贴片天线模型图1 - 2 普通单极子天线模型 二者的辐射机理不同,前者采用缝隙辐射即等效磁流元辐射,后者则采用振 子辐射即电流元辐射:前者靠贴片与接地板形成的腔体进行谐振,后者则靠本身 振子终端反射产生谐振;前者由于接地板镜像作用,往往只能覆盖半个或大半个 空间,而后者则可以产生全向辐射。因此它们辐射机理不同,设计方法、制造方 法也就不尽相同。但二者也有相似之初,如都是基于半波长谐振原理,都可以通 过改变谐振路径来改变谐振频率和减小实际尺寸。 1 2 国内外研究现状 近年来,随着内置天线的广泛使用,微带天线技术迅速发展,呈现出全面替 代外置螺旋天线的必然趋势。这主要归功于微带天线本身的性能优势。近年来国 内外对微带天线技术的研究如火如荼,这里仅列出一些关于贴片天线和单极子天 线小型化、多波段设计的例子。 1 2 1 贴片天线的小型化、多波段技术 缝隙加载技术是贴片天线实现多波段的常用方法,其中以矩形贴片天线加载 u 型槽的形式最为典型,这种方法是继矩形槽加载以后的重大创新,可以很好的 实现两个频率间隔较大的双频特性。在这种方法的基础上延伸出了不少实现更多 波段的方法,如双u 型槽加载【4 儿5 】,u 型槽矩形槽联合加载【6 1 等,文献【7 】提出 了在一块开有u 型槽的矩形贴片上方再叠加一个普通矩形贴片,它的馈源即下 层贴片的场耦合。通过这种方法在原有u 型槽贴片实现的双频基础上再增加一 个谐振频率,从而实现三频特性。这个方法是缝隙加载跟多片法的结合。多片法 是实现多频谐振的最直观的方法,但它的最大缺点是增加了天线的高度,而且各 层贴片之间相互耦合复杂,设计难度较大。 减小贴片天线尺寸的方法同样有很多,如提高基板的介电常数,贴片折叠等, 2 北京邮电大学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 其中短路带加载技术被广泛采用【8 】【9 】,即在普通矩形贴片天线一端加载短路针 ( s h o r t i n gp i n ) 或短路带( s h o r t i n gp l a t e ) ,从而将贴片天线长度从半波长减d , n 四分 之一波长级,即常说的p i f a ( p l a n a ri n v e r t e d - fa n t e n n a ) 。在p i f a 基础上,有人 还增加容性加载进一步减小天线尺寸【1 0 】,采用这种方法使得天线尺寸从四分之 一波长级减d , n a 分之一波长级,小型化作用明显,文献中天线覆盖了以1 8 g h z 为中心频率的1 7 8 m h z 带宽,而尺寸仅有2 5 1 0 x 5 m m 3 。 1 2 2 单极子天线的小型化、多波段技术 单极子天线实现多波段的常用方法是增加谐振单元,如在馈点处并行的引出 多个振子,或在原振子附近附加寄生元,如文献【1 1 】提出在普通长条形单极子天 线的背面,也就是介质层的背面印制一个开路的低频谐振环,该环由原单极子天 线的耦合激励,无馈线。原单极子天线在5 7 g i - i z 处谐振,而新增的寄生环在 2 4 g h z 处谐振,产生了两个频段,其环周长约为2 4 g h z 对应的半个波长。这个 方法与贴片天线中的多片法是同理的,都是通过增加谐振单元来获得更多的谐振 频率,同样受到外围尺寸的影响。文献【1 2 】采用不同的方法,它在原长条形单极 子上割一条缝从而引出一条相对较短的谐振路径,增加了一个高频波段,实现了 2 4 5 g h z 和5 2 g h z 的双频性能,文中单极子与接地板平行放置,大大减小了天。 线的纵向尺寸,二者间的耦合电容靠天线终端短路枝节的电感来抵消,天线占用 的面积仅为2 4 1 4 6 7 7 m m 2 。 1 3 本文主要研究内容与章节安排 本文主要研究了贴片天线、单极子天线这两种天线的小型化、多波段设计方 法。提出了通过弯折电流路径同时实现小型化、多波段性能的方法。并根据这种 方法设计了一款覆盖g s m d c s a v l a n 等四个波段的微带贴片天线,具有较高 的应用价值。 论文章节安排: 第一章为绪论,介绍了课题研究的背景和现状,说明了论文的主要研究内容 及结构安排。 第二章叙述了电流元这种最基本的辐射元,然后详述了如何使用对偶定理从 电流元的求解式中得到缝隙磁流的辐射场表达式,从而便于后文对贴片天线及单 3 北京邮电大学硕十学位论文小型多波段微带天线的设计方法 极子天线进行分析。 第三章介绍微带天线中最普通的矩形贴片天线的设计步骤,这是设计复杂微 带天线的前提。 第四章阐述了短路加载以减小天线尺寸的基本原理,给出了仿真结果并提出 改进的谐振频率计算公式;在本章中还提出了增加电流路径和弯折电流路径这两 种实现多波段的技术,其中弯折电流路径往往可以起到既小型化又产生多频的作 用,因此被重点阐述和论证。 第五章则结合前几章的理论和方法最终设计了一款加载了两条折线槽的四 波段贴片天线,该天线具有小型、多波段的特征,具有较高的应用价值。 4 北京邮电人学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 第二章电流元辐射与磁流元辐射 贴片天线、单极子天线的辐射波源不同,前者是腔体谐振,电磁波从腔体的 侧壁即开放磁壁辐射出去,它的基本辐射单元是磁流元,而后者是振子自身的电 流谐振,振子上的交变电流产生磁场,相继产生电场,形成电磁波向振子四周辐 射,它的基本单元是电流元。本章简要的介绍电流元这个最基本的辐射单元,然 后介绍如何使用对偶定理求出缝隙辐射场。 2 1 电流元辐射 电流元是指长度非常短的直线电流元素i d l ( 如图2 - 1 所示) 。d l 是其长度, 远小于波长,因此其上各点电流可以认为是等幅同相的。这样的电流元事实上并 不存在,但是我们求天线场的好方法。因为很多天线都可以看成是无数电流元的 连接,我们只要求出电流元的辐射电场、磁场,再加上天线上的电流分布,就可 以根据场的叠加原理,用积分求和的方法,求出天线体总的辐射场。 图2 - 1 电流元模型 已知由电流密度j 求矢量磁位的公式如下: 彳一差r4 冗,y y 式( 2 1 ) 式中j 为电流元的电流体密度,此处,j d v = j s d l = i d l ,且电流元本身就是一个 微分量,因此代入上式并加入相位因子,可得式: 5 北京邮电大学硕? f 芷论文 小型多波段微带天线的设计方法 a = e - 巡p j ( = t - k r ) 2 4 兀r 式( 2 2 ) 由直角坐标、球坐标转换关系可以把球坐标下的矢量磁位a 求出来: 即: 所以 j 一乞4 一( 巳c o s o e os i no ) a : t 巳4 c o s o e e 4s i n o q 4 + 岛4 + 勺4 4 ;a , c o s 口:等丝c o s 以( 耐一b ) q 兀r 4 。以s i n o ,一譬s i n o e 脾州 露r 4 0 豆。詈。等。勺铆i d l ( j k + 扣纠m 一, 即电流元所产生的磁场强度疗仅有以这一个分量。 再由麦克斯韦方程v 疗,i o e ,j f 啻,可以求出电流元的电场强度雷的各 d f 个分量: 卜j 告专( 肛+ 争聃捌 加4 ) 6 北京邮电大学硕l 学位论文小型多波段微带天线的设计方法 易叫d _ l 1 ,( 彰+ 等+ 争s i n 制舭m 式( 2 - 5 ) q 7 m ,厂,一千rf 气、 e 一0 式( 2 6 ) 由于研究天线方向图、功率性能总是针对远区场,因此这里仅给出其远区场 公式。当被测点处于天线远区场时,有,a ,其中r 为源点到场点的距离,由 此关系将上述式( 2 3 ) - ( 2 - 6 ) 简化为: 即,等s i n 彬似训 b 一,瓦1 d li ( 石k 严、钯脚由 式( 2 7 ) 式( 2 - 8 ) 这是电流元的远区电场、磁场的表示式。其明显特点是电场强度易与磁场 强度h 的时间相位相同,因而能形成有功功率密度,形成向外( 正r 方向) 传 播的能量。 又由式( 2 - 7 ) 、( 2 8 ) 知,易、日与角度无关,与角度口成正弦关系,其方 向性因子为s i n o ,因此得到其方向图如下: ,l 越 、 r 、 , i d l 、 l ? j 厂、j l | ( a )( b ) 图2 - 2 电流元的辐射方向图( a ) ee ( y o z 面) 方向图( b ) h 面( x o y 面) 方向图 2 2 对偶定理与缝隙振子的辐射 在自然界中只存在电流和电荷,而未发现磁流、磁荷,因此在麦克斯韦方程 7 北京邮电人学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 中只有电流和电荷源,其形式是不对称的。若人为假设磁流、磁荷存在,则麦克 斯韦方程应写为对称形式如下: v h = j 。+ y a , d v e 一厶一j w b 飞bi p 。 飞d = p t 式( 2 9 ) 式中五表示电流密度,无表示磁流密度,成表示电荷密度,成表示磁荷密 度。虽自然界中无实际磁流磁荷,但以上方程并不是没有意义,因为有些电流、 电荷可以等效为磁流、磁荷,比如周长极小的一个小电流环或宽度极小的一狭窄 缝隙等,对于这种情况,先将其等效到磁流、磁荷,然后用上述对称公式计算将 非常方便。 根据线性煤质中的电磁场叠加原理,电流、电荷、磁流、磁荷共同产生的雹 和疗可以分解为当电流、电荷单独存在产生的丘、h e 和当磁流、磁荷单独存在 时产生的己、玩,即 e | e t + e m hz h t + h m 当仅有电流、电荷单独存在时,麦克斯韦方程组写为: 式( 2 - 1 0 ) v 日ci - ,c + - j f 彩e 式( 2 1 1 ) v e 一- j w p h 。 v 也= 0 、d e p t 当仅有磁流、磁荷单独存在时,麦克斯韦方程组变为: 8 北京邮电人学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 v x h = - 细e m 式( 2 1 2 ) v x e 。一一j 。一j t o p h , 飞b m | p v 见一0 对比上述式( 2 一1 1 ) 及( 2 - 1 2 ) ,可见两组方程具有对偶性,对偶量为: e t h m ,h t _ 一e 。,j t - j m ,p e - p m ,一z , z - eo 也就是说磁流元的辐射场完全可以通过对偶量的替换,从电流元的表达式得 到,而无需重复求解。如磁流元的远区场就可以表示为( 用对偶量对式2 7 、2 - 8 重写) : p | 等s i i l 扩 枷) 州筹阱i i l 一 蛔q , 多、 乡 ,: | , - , z d 少 i f i l ( a )凹 图2 - 3 ( a ) 缝隙振子模型缝隙振子等效磁流元 下面讨论缝隙振子所等效的磁流元。缝隙振子模型如图2 3 ( a ) ,要研究其y 正半轴空间的场,则将+ y 方向作为缝隙法线方向。由电流元边界条件只元x - 7 , 对偶得到磁流元边界条件兄。t 巧己,即切向电场可以在边界上产生面磁流, 由图知l - t t e ,其等效磁流为,历- j 。d 一乏翻,a p 缝隙可等效为一段长 度d l a 、宽度d e l l ,其上磁流为l 的磁流元,如图2 - 3 ( b ) 所示,可以发现该 图中的磁流元与图2 - 1 中的电流元十分相似,且坐标都相同,因此直接将l = 尉 代入式( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) q b 即可得到该缝隙振子在y 正半轴空间内的远区场表达式: o 北京邮电大学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 铲_ 警s i n 纠m 枷) 峨_ e 2 d 知d , i i 掣k i s i i l 扩圳 蛔6 ) 同理,在y 负半轴空间内,由于法线方向变为- y 方向,因此所等效的磁流变 成z 方向,因此y 负半轴空间内的场表示式为上述式( 2 - 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 的负值,从这 一点看缝隙的辐射特性与磁偶极子有所不同的,即一半空间里的场方向相反,但 取幅值后的方向性是一样的,如下图所示: o 叫 厂纷。 ul ? j 厂、。i 1 ( a ) ( b ) 图2 4 ( a ) 磁流元h 面( y o z 面) 方向图( b ) 磁流元em ( x o y 面) 方向图 2 3 电磁仿真软件的理论基础 微带天线的数值计算方法主要有时域有限差分法( f d t d ) 、矩量法( m o m ) 、 有限元法( f e m ) 。 f d t d 法几乎能够处理所有的电磁场问题,它有如下优点:( 1 ) 适合模拟各 种复杂的电磁结构,用f d t d 的离散空间网格可以较精确地模拟贴片天线的实 际结构;( 2 ) 容易得到空间场的瞬态分布情况,这既便于定性理解其工作的物理 过程,又便于得到供定量分析的有关电参量;( 3 ) 通过一次时域计算,可得到输 入阻抗、驻波、方向图等天线参量的宽频信息。由于微带结构的频域信息对吸收 边界条件的残留反射引起的误差特别敏感,因此,减少吸收边界条件的反射是提 高计算精度的关键之一,完全匹配层( p m l ) 吸收边界条件,以其反射误差小于 m u r 边界条件、色散边界条件而得到人们的重视,而修正完全匹配层( m p m l ) 1 0 北京邮电大学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 吸收边界在吸收凋落波方面比p m l 更加有效【1 3 】。目前已有商用软件x f d t d 。 m o r n 包括空域矩量法和谱域矩量法。空域矩量法最早是由n e w m a n 和 t u l y a t h a n 提出来的 1 4 1 ,他们只在s 波段以下的频率上用这种方法计算了天线特 性,因而与腔体模型相比并未发现他们的计算结果在精度方面有明显的改进。空 域矩量法主要是要解一个以贴片表面电流和馈电电流为未知数的积分方程,其分 析过程可分成以下步骤:( 1 ) ,假定为空气介质,采用镜像理论使分析中不含接 地板,而馈电( 探针馈电和微带线端馈) 则用一个外加电流代替;( 2 ) ,把贴片 表面电流展开成经过适当选择的n 个展开模,根据贴片表面( 端馈贴片情况下 在馈线处) 的边界条件,写出未知模系数的矩阵方程;( 3 ) ,解矩阵方程,求出 贴片和馈电电流,从而计算出天线的各项参量。该方法的缺点是需要对矩阵元素 进行精确的数值计算,因而需要大量的计算时间。谱域矩量法可以克服空域矩量 法的这些缺点,通过微分方程的f o u r i e r 变换,利用谱域导抗的等效传输线导出 谱域g r e e n 函数:利用p a s v a l 公式得出空域的s o m m e r f e l d 积分形式的解,最后求 出天线的各项参量。基于空域m o m 的理论计算己有现成的商用软件一e n s e m b l e 系列版本、m 3 d 。 f e m 以其灵活性、通用性及解题能力广等优点,在电磁场数值计算中得到 了广泛的应用。f e m 基于变分原理,采用物理上的单元剖分离散与分片多项式 插值,把电磁场边值闯题的求解变为一组线性代数方程的求解。刚度阵的存储和 代数方程组的快速求解是制约有限元应用的瓶颈。在常规的有限元法中,当求解 区域很大或剖分密集时,即使采用稀疏矩阵技术,刚度阵的存储仍很大,目前, 逐层递推求解有限元法能够有效地解决这一问题 1 5 1 1 6 。基于这f e m 算法的商 用软件如h f s s 、f e p g 已经广泛地应用在电磁计算中。 北京邮电人学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 第三章矩形微带贴片天线的一般性设计方法 微带贴片天线是微带天线中最常见也最基本的类型。本章简要的介绍矩形贴 片天线的设计步骤,其模型图参见图1 - 1 所示。对这类天线,主要需要设计以下 几个参量:辐射片长度l ,辐射片宽度w ,介质板厚度h 以及介质板相对介电常 数e ,。图1 - 1 中所示的馈线是普通微带线,它从贴片侧边馈入电磁波,因此称之 为“侧馈”,本章后面将要谈到矩形贴片天线还可以用同轴线的内导体连接贴片、 外导体连接接地面的方法进行馈电,这种馈电方式是由下而上的,同轴芯线与贴 片垂直,因此称为“背馈”。 矩形贴片天线是设计其他不规则形状的贴片天线,如三角形、圆形贴片天线 的基础,也是多波段微带天线设计的基本模型,而且常被作为基本单元应用于微 带天线阵中,因此了解矩形贴片天线的设计方法和设计步骤是学习和研究微带天 线设计的第一步。下面分别阐述介质板材质、厚度及贴片尺寸的选取方法,并讨 论它们对天线谐振频率、天线带宽、方向特性、阻抗特性等多个指标的影响。 3 1 介质基板材料的选取 作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板的材料。这是因为基板材料 的相对介电常数和损耗正切值直接影响着天线的一系列性能指标。 由微带天线腔模理论 1 7 1 知,当矩形微带天线工作于主模t m 0 1 时,其贴片 长度l 约为t 2 ,久是介质内波长。久一九i ,九为自由空间波长,。为 相对有效介电常数,与介质相对介电常数关系为: 巳- 竽+ 字( 1 + 玎2加舢 由上式可见,当e ,增大时,乞也增大,在工作频率不变的情况下,巳升高, 则t 下降,因此要求的l 下降,也就是说选取较高介电常数的基板有利于天线 尺寸的缩减。但必须指出的是当增大到一定程度时,介质对场产生较大的束缚, 使辐射减弱,影响增益,同时还会由于腔体贮能增大而使得q 值升高,使带宽 变窄。带宽与q 值的关系如下【1 8 】: 北京邮电人学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 b w ,二坚 q , s 式( 3 2 ) 式中s 为给定的电压驻波系数( v s w r ) 限值,b w 为满足v s w r s 的阻 抗带宽,q 为天线的总的品质因素。 另外由于矩形微带天线的两条端缝是一个二元阵,它的辐射e 面方向图与 它们之间的间距即天线长度l 有关,因此当变化时使l 发生变化,还会导致 方向图有所变化,一般而言占,越大,e 面波束越宽,这一点在实际设计时也应有 所考虑。 3 2 介质基板厚度h 的选取 适当的增大基板厚度,可以有效地增强辐射,从而使q 值下降,从而使带 宽变大,但增加h 也必须注意适度原则,因为h 的增加无疑将增加天线的重量甚 至破坏天线的低剖面特性,因此设计时应综合考虑各个因素来确定其尺寸。当厚 度h a 1 6 时,带宽与基板厚度有如下经验公式【1 9 】: b w - 5 0 4 f 2 h 式( 3 3 ) 式中b w 为v s w r 2 时的频带宽度,单位取m h z ,f 为天线工作频率,单 位取g l - l z ,h 为基板厚度,单位取m m 。 3 3 贴片尺寸w 、l 的选取 由式( 3 1 ) 知,乞与w 也有关,当w 增大时可以在g ,不变的情况下g 。有 所升高,也就是说增大w 有利于l 尺寸的缩减。同时由文献【1 9 】知,适当的增 大w 还能改善微带天线的辐射效率和频带宽度,当w 也不宜过大,当w 超过 九,2 波长时将产生高次模,引起场畸变,影响主模的辐射能力。其次w 一般也 不应超过长度l 。 矩形微带天线的长度l 理论上取t 2 ,但实际上由于辐射缝隙处还存在一 定的辐射电抗,而不是仅有辐射电阻,这部分辐射电抗对应的是缝隙的储能场, 是容性的,相当于- d , 段开路传输线,其等效长度用表示,计算公式如下: 北京邮电大学硕:t :学位论文小型多波段微带天线的设计方法 n ,w + 0 2 6 4 出;o 4 1 拍生q :兰盘 。一0 2 5 8 兰+ 0 8 h 式( 3 4 ) 因此,实际设计l 尺寸时应将t 2 减去两条缝隙的边缘效应所对应的长度, 也就是: l2 九2 2 a 笔一2 越 2 t r , ;一2 世 2 f 以 式( 3 5 ) 式中,c 为光速,f 为天线谐振频率。 3 。4 馈电方式的选取 微带天线的馈电方式主要有微带线侧馈和同轴线背馈两种,另外还有不很常 用的电磁耦合馈电及共面波导馈电,如图3 - 1 所示。这几种馈电方式各有优缺点。 下面对它们作简要的对比和分析。 体 1 4 ( b ) 北京邮电大学硕士学位论文小型多波段微带天线的设计方法 ( c ) 图3 - 1 ( a ) 同轴线背馈( b ) 微带线侧馈 ( d ) ( c ) 电磁耦舍馈电( d ) 共面波导馈电 四种馈电方式中,同轴背馈与微带侧馈的区别最大,前者馈线与贴片垂直, 后者馈线与贴片同面。共面波导馈电、电磁耦合馈电则与微带馈电比较相似,前 者其实是将微带线的接地面与馈线放到同一平面上,而电磁耦合馈电则是将微带 馈电时的馈线与天线体分离,通过无接触的电磁耦合方法对天线进行馈电,其基 本原理是一致的。 四种馈电方式的优缺点如下: ( 1 ) ,同轴馈电。优点:馈电点可以选在贴片的任何位置,无需阻抗匹配网 络,匹配方便;馈线与贴片垂直,与贴片耦合较小,对天线辐射性能影响小。缺 点:背馈结构,不易集成,制作较为麻烦,须确保探针与贴片焊接到位,否则焊 点易发生反射,批量生产的一致性稍差。 ( 2 ) ,微带侧馈。优点:馈线与天线单元处于同一平面,易于集成与组阵, 制作简单,一致性好。缺点:馈电位置不够灵活,往往需要阻抗匹配电路辅助匹 配,增加的复杂性,其次馈线与贴片同平面,可能带来交叉极化,与贴片之间的 耦合还可能影响天线的谐振频率等性能。 ( 3 ) ,电磁耦合馈电。优点:馈电位置选取灵活,有时还能通过接地板的缝 隙对贴片进行馈电,匹配方式十分灵活;还可以在馈线上加调谐枝节以拓宽频带; 另外,多层阵的层间连接也常用到电磁耦合馈电方式。缺点:制作时需采用多层 p c b 板的制作方法,将馈线嵌于地板与贴片之间,且介质板厚度需根据p c b 板 本身的层厚来确定,需设计初期确定馈线离贴片的高度;其次馈线与贴片平行, 易造成互相耦合,影响天线的方向性、谐振频率等参数。 ( 4 ) ,共面波导馈电。优点:制作十分方便,馈线、接地板、贴片全在同一 1 5 北京邮电人学硕1 :学位论文小型多波段微带天线的设计方法 面上,直接印制即可,且通过调节馈点附近地板的形状可以有效的调整天线输入 阻抗,帮助匹配,改善带宽,这种馈电方式由于接地板与贴片无法形成腔体谐振, 因此实际上这种天线已经属于单极子天线范畴,共面波导馈电在超宽带( 具有3 倍频程以上带宽) 单极子天线的设计中常被用到。缺点:仅适用于单极子天线而 不适用于贴片天线,共面波导本身的激励往往需要利用其他传输线,如同轴线等 来转接,增加了复杂性。 1 6 北京邮电人学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 第四章微带天线的小型化、多波段技术 微带天线的小型化技术主要有:提高基板介电常数、采用铁氧体等磁性材料 作基板、短路片或销钉加载及弯折电流路径。本章重点研究短路片加载及弯折电 流路径法在贴片天线、单极子天线小型化设计中的作用。微带天线的多波段技术 主要包括:多片法、大带宽覆盖法、缝隙加载法。多片法要求在水平方向或垂直 方向增加贴片,不利于天线整体小型化,而增强带宽覆盖的方法仅适用于两个紧 挨的波段的情况,因此贴片天线缝隙加载的方法最受人推崇,第五章中的多波段 贴片天线即采用了缝隙加载技术。本章还提出了弯折电流路径会产生新谐振频率 的理论,这一结论对使用缝隙加载设计多波段天线有重要指导作用。 4 1 短路墙,短路片,销钉加载实现小型化的方法 4 1 1 短路墙加载的基本原理 使用短路墙加载减小天线尺寸的原理是基于矩形贴片天线内场的边界条件 及短路墙的镜像作用。原矩形贴片天线长度为2 l ( 坐标为b l ) ,宽度为w ,高 度为h ,其场分布为e := e oc o s 石( x + l ) 2 l 】,如图4 _ 1 所示,其中2 l 一九1 2 , x 等于l 、l 处为电压波腹,x 等于o ,即天线中间,y o z 面上电场为0 ,此时, 根据理想导体表面切向电场为零的边界条件可知,在y o z 面上贴片与接地板之间 插入一块理想导体然后将的一半贴片拿掉,并不影响剩余半个腔体的内场 分布,如图4 _ 2 所示,此时有l 一九4 的关系,谐振频率保持不变,但此时天线 实际尺寸仅为四分之一波长长度,因此大大减小了半波长贴片天线的尺寸。其实 更直观的,还可以把短路腔理解为无穷大的理想导体,因而在x 轴空间内还存在 与+ x 空间内相同的半个天线,因此总的辐射也不变。这种加载短路墙或短路带 的并使用同轴线背馈的贴片天线被称为p i f a ( p l a n a ri n v e r t e d f a n t e n n a ) 天线。 1 7 北京邮电大学硕上学位论文 小型多波段微带天线的设计方法 ( a ) 广 匹重匡薹西一 ( b ) 图4 1 无短路带加载的贴片天线( a ) 天线模型( b ) 侧缝电场图 ( a ) ( b ) 图4 2 短路墙加载的贴片天线与场图( a ) 天线模型( b ) 侧缝隙电场图 4 1 2 天线模型与仿真 现取图4 - 2 中的尺寸如下:l = 4 0 m m ,w = 1 5 m m ,h = l o m m ,- 1 ,贴片与 接地板之间介质为空气。下面分别对短路墙( 彬一1 5 n u n ) 、较宽短路带 1 8 北京邮电大学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 ( 彬- 5 r a m ) 、较窄短路带( 形一2 m m ) 、短路针( 直径以= l m m ) 加载四种情 况进行仿真分析。在h f s s 中建立的天线模型如图4 3 。每改变加载的短路带宽 度或短路针时需要重新调整馈电点位置,得到的s l l 图如图4 _ 4 、4 5 所示。 ( a )( b ) ( c )( d ) 图4 - 3 短路加载的h f s s 仿真模型( a ) 短路墙加栽形= 1 5 r a m ( b ) 短路带加载彬一勤删 ( c ) 短路带加载睨= 2 m m ( d ) 销钉( 短路针) 加载噍= l m m 、 、 一 、沁。 , 、 一 一 f t-: l i , l i j 1 ”,l ”一 即q 忙- q 图4 4 短路带宽度变化对谐振频率的影响 1 9 北京邮电大学硕十学位论文 小型多波段微带天线的设计方法 _ 、, 一 7 f 4 1 3 谐振频率的改进公式 钿旧嘲 图4 5 销钉( 短路针) 加载时的s l l 图 结合3 3 节中的原理与公式,考虑到短路墙加载时天线尺寸为四分之一波长, 且仅有一条辐射缝,因此易得短路墙加载时的谐振频率计算公式: 。可厕c 式( 4 - 1 ) 乞、址的计算见式( 3 - 1 ) 、( 3 - 4 ) 。我们将图4 - 2 的尺寸l = 4 0 m m ,w = 1 5 m m , h = l o m m ,一1 代入上式,可以求得fu 1 6 4 7 g h z ,将该值与图“中短路带宽 度为1 5 m m 的曲线比较,发现曲线所对应的谐振频率与计算所得的1 6 4 7 g h z 非 常接近,可见利用式( 4 _ 1 ) 计算短路墙加载的p i f a 天线谐振频率是合理的。 当加载方式由短路墙改为较窄的短路带甚至短路针时,式( 4 - 1 ) 不再适用, 因为由图“可知,天线谐振频率是随短路带宽度的减小而下降的,见表4 - 1 。 也就是说短路墙、短路片、短路销钉加载的小型化作用是依次增强的关系,这是 因为电场零点总是被强制的钳在短路加载处,当短路片宽度变小,从电压腹点 ( y = l ) 到电场零点的距离变大,变成了l + ( w w s ) 。因此此时的天线谐振频率计 算公式应改为: f 。砥面南 式。 北京邮电大学硕上学位论文小型多波段微带天线的设计方法 由此式计算的谐振频率值与h f s s 仿真所得的结果列表如下: 表4 - 1 短路带宽度变化对谐振频率的影响 茹n 譬 软件仿真值 公式计算值 1 51 6 21 6 5 51 4 01 3 8 21 3 51 2 8 销钉直径l m m 1 3 51 2 6 由表中数据可知,随着短路片宽度的减小,仿真所得的谐振频率值先明显下 降,然后缓慢下降,最终保持不变,也就是说曲线应呈抛物线形,当岷减小到 一定程度后应对谐振频率影响不大,这一点在式( 4 - 2 ) 中没有得到体现,现笔 者给出一个计算更精确的改进公式: 肛砺瓦志丽司 式。伯, 其中k 为校正因子,需在( 0 5 - 1 ) 之间取值,式中对嵋取根号其实是将其与谐 振频率的线性关系改进为抛物线关系,而k 的取值则是将m 的小型化作用限制 在k w 内。假设此处取2 3 ,可重新计算得谐振频率值如下: 表牝仿真值与最终改进公式的计算值比较 茹n 譬 软件仿真值公式计算值 1 51 6 21 6 5 51 4 01 4 1 21 3 51 3 7 销钉直径l m m 1 3 5 1 3 6 由上表可见,笔者给出的改进公式计算更精确,反应出了实际的嵋与f 的 非线性关系。 4 1 4 结论 p i f a 天线的谐振频率随短路带宽度的减小而下降,也就是说能够通过采用 更窄的短路带来缩减天线尺寸,这种方法很实用。但同时注意到,当短路带宽度 减小到一定值后谐振频率下降不再明显,因此在实际设计中无需过于追求彬的 2 1 北京邮i 也人学顶i :学位论文 小型多波段微带天线的没计方法 极小值,那样既不利于制作,又不利于带宽,较合适的设汁是采用宽度为 彬4 彬2 的短路片加载。另外,销钉加载在加载位置的选择上最为灵活,这 是它的优点,但其制造时需打穿介质,还须
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