小型化微帶天線的研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ort Network Model）等。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計算輻射場，包括矩量法（method of moments）、有限元法（finiteelement method）和時域有限差分法（finitedifference in time domain）等。 解析方法天線問題的嚴格分析是一個電磁場邊值型問題，需要根據其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據微帶天線的實際特征做某些方面的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種簡單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應用。傳輸線模型很簡單，并且有助于理解微帶天線的基本特性，因此首先介紹這種模型方法。在這種模型中，微帶貼片天線被視為場沿著橫向沒有變化而沿著傳輸線的延伸方向呈駐波分布的一個傳輸線諧振器。天線的輻射主要源自兩個開路終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距貼片長度的縫隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函數便可由磁流計算出天線的遠場輻射和其它的電參數。盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結構類型不能使用它來分析，這是因為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。 如果說傳輸線模型因為有場沿傳輸線橫向無變化的限制而只是微帶天線在一維下近似的話，那么腔體模型就可以稱為二維近似。因為腔體模型基于一維電小的基本假設（即介質基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。在腔體中，場沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的二維諧振器中所有諧振模式之和。天線的遠場輻射及其它電參數可以通過空腔四周的等效磁流來得到。多端網絡模型實際上是腔體模型的一種拓展，在這種模型中，貼片被等效為一個具有多個端口分布在貼片四周的二維平面網絡。通過二維格林函數可以計算出該網絡的多端阻抗矩陣，再添加一個等效的邊緣導納網絡，便可以將邊緣場和輻射場聯系起來，然后利用分割方法計算出全局阻抗矩陣，由貼片四周的電壓分布得到等效磁流分布，再由等效磁流計算出輻射場。利用等高線積分技術可以使其在不規則形狀的貼片天線中獲得應用。 數值方法 雖然以上介紹的解析方法具有簡潔性和較為明確的物理意義，但是它們不能用來分析任意形狀的微帶天線，同時微帶天線工程精確度的提高也對以上簡化模型分析方法提出了考驗。然而計算機技術的發展給微帶天線的分析帶來了新的思路，即依據微帶天線的電磁場邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉化為利用計算機來求解矩陣代數方程。由此也產生了多種數值方法，它們各具有一些優缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數建立關于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數展開法將此積分方程轉化為矩陣方程，利用計算機便可得出近似解。矩量法因為考慮了貼片周圍的物理邊界的邊緣場而具有較高的精度。 有限元法的原理是先將整個連續求解區域劃分為很多小的離散單元（如在二維結構中選取三角形單元，在三維結構中選取四面體單元等），在子域中將未知函數（如電磁場量、位函數或電流等）表示為子域基函數的插值，根據變分原理或迦略金方法便可建立一個關于未知函數展開系數的矩陣方程，利用計算機便可方便求解該代數方程。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模擬任意形狀的優點，但是其求解精度要受求解區域剖分精細程度的影響。時域有限差分法的基本思想是把求解空間進行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉化為關于電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界條件，便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數值解，通過離散傅里葉變換還可以得到三維空間的頻域解。時域有限差分法的優點是其離散比較簡單（空間網格大小一致、時間步長恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶范圍內特性。但是其數值解的穩定性要受時間步長和空間步長的限制。33第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 微帶天線的小型化技術 概述現代電磁學歷經三百多年的發展，日臻成熟完善。天線作為實現無線電應用的關鍵設備，順應通信、廣播、雷達、制導等無線電應用系統在不同階段的需要而不斷發展。今昔對比，天線在功能、設計及制造工藝上都發生巨大變化。然而微電子技術與大規模集成電路迅猛發展，使天線成為電子設備中龐大、笨重部件的問題日漸突出，因而對能與設備大小協調且具有有效電性能的小天線的需求愈加迫切。以移動通信和個人通信為例，目前廣泛應用于移動通信設備的單極天線和螺旋天線有許多缺點:(1) 不能集成到設備外殼上，尺寸大，易損壞； (2)輻射效率低，難于屏蔽，人體對天線的性能影響較大； (3) 天線對人體尤其是腦部有較大幅射，局部峰值甚至超出ANSI/ IEEE C95. 121992 標準規定的限制； (4) 僅有一種極化特性，電氣性能較差； (5) 需要匹配電路，損耗大，成本高。而若采用微帶天線，則擁有以下頗具特色的優點: (1) 便于與機身共形，集成到設備的印制電路板或外殼上，制成內置式，不易損壞，不額外增加設備尺寸； (2) 可采用高水平的屏蔽技術來屏蔽天線，使天線幾乎不受人體的影響，同時大大削減天線輻射對人體的危害； (3) 饋電方方式多樣化，易獲得阻抗匹配，不需匹配電路或平衡轉換器，不存在天線與射頻電路之間的物理限制； (4) 易設計出移動電話使用的雙頻或多頻天線。此外，小型化微帶天線還可用于PCMCIA 通信卡和無線調制解調器中，為筆記本電腦等便攜設備提供通信能力。然而遺憾的是，在較低頻段(VHF/ UHF) ，傳統的半波長微帶天線尺寸仍然太大。這樣，實用化小型微帶天線的研制，特別是用作第三代移動通信(3G) 系統、藍牙(Bluetooth) 系統及無線定位系統的天線，成為國內外研究熱點。 與普通微波天線相比，微帶天線實現了一維小型化，具有低輪廓、可共形、易集成，以及便于獲得圓極化，實現雙頻段、雙極化工作等多項優點。然而任何事件都具有兩面性。小天線的Q 值極高，因此輻射效率低、頻帶窄。微帶天線是一維小天線，必須經恰當設計才能獲得良好性能。 微帶天線小型化方法目前，微帶天線小型化方法主要有以下幾種:1． 天線加載在微帶天線上加載短路探針(shorting post) ，通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現小型化，典型結構如圖1 所示。天線的諧振頻率主要取決于短路探針的粗細和位置，天線尺寸可縮減50 %以上。其缺點是: (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ，往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。(2) 帶寬窄。(3) H 面的交叉極化電平相對較高。　圖 1 加載短路探針的微帶天線將短路探針替換為低阻抗的切片電阻(chip re2sistor) ，在進一步降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。隨加載電阻增大，天線品質因素降低，帶寬展寬，制造公差降低，但這些性能的提高以犧牲增益為代價。一般地，若加載1Ω 切片電阻，增益下降約1. 5dB。此外，加載切片電容(chip capacitor) 也可有效降低諧振頻率，減小天線尺寸，但帶寬有所減小。2． 采用特殊材料基片從天線諧振頻率關系式可以知道，諧振頻率與介質參數成反比，因此采用高介電常數(如陶瓷材料) 或高磁導率(如磁性材料) 的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。這類高介質天線的主要缺陷是: (a) 激勵出較強的表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。(b) 帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋介質(superst rate) (如圖2 所示) 。圖2 　采用高εr 的多層介質微帶天線　 采用鐵氧體材料制成的微帶天線實現小型化的同時，且在較寬頻帶范圍內頻率可調(可達40 %) ，但鐵氧體在微波頻段損耗很大。有機高分子磁性材料在寬溫度范圍內電感和磁性能穩定，由其設計成的微帶天線可顯著減小尺寸，但損耗大，增益低。高溫超導材料HTS ( high temperature superconductor)基片以及“光電子帶陣”PGB (photonic band2gap) 基片有極低的表面電阻，能有效抑制表面波，減小表面損耗，解除了用較厚基片的限制，兼奏提高天線增益，減弱陣元間互耦之效。3． 表面開槽（slot）當在貼片表面開不同形式的槽或細縫時(如圖3 所示) ，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當于引入了級聯電感。由于槽很窄，它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。選擇適當的槽從而控制貼片表面電流以激勵相位差90176。的極化簡并模，還可形成圓極化輻射，以及實現雙頻工作。圖4 為表面開槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線。圖3 表面開槽的小型化微帶天線圖4 小型口徑耦合圓極化微帶這類天線結構簡單，成本低廉，加工方便，其特點是:隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬(一般約為1 %) 與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶寬這兩個限制，開發實用化、易調諧的此類天線尚待深入研究。4． 附加有源網絡縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低。可利用有源網絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降。有源天線具有以下良好特性: (1) 工作頻帶寬。利用有源網絡的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達20～30 。(2) 增益高(可達10dB 以上) ，方向性好。(3) 便于實現阻抗匹配。(4) 易實施天線方向圖，包括主波方向、寬度、前后輻射比等的電控。(5) 有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。5 .采用特殊形式這些方法總的思路是使貼片的等效長度大于其物理長度，以實現小型化目的。近年來由于無線通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie) (如圖5所示) 、倒F 型( PIFA ，planar inverted2F antenna)(如圖6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、雙C 形、層疊短路貼片(stacked shorted patch) 等等 圖5 雙頻帶蝶型微帶天線圖6 電容加載的倒F型微帶天線（PIFA）除以上小型化技術外，還有一些方法提出。為改善天線性能，常綜合采用多種方法。 微帶天線的小型化設計與分析1 .天線設計 基本思想 微帶天線是諧振式天線，微帶貼片的長度大約為介質波長的1 /2. 如果用f表示天線輻射的中心頻率， L 表示微帶貼片的長度，則諧振頻率 （ 1 ） 式(1)中為等效介電常數， △l為考慮邊緣效應的校正長度. 用w 表示微帶的寬度， h表示微帶的厚度，哈默斯塔德給出△l的經驗公式為 （ 2 ） ，. ，. 可以設想把圖1所示的微帶天線進行折疊(如圖1所示) ，微帶天線的面積將減少到原來的1 /，由于微帶天線常采用正方形結構，因此天線面積減小遠不止1 /2. 折疊后天線的輻射性能是我們關心的主要問題，按照上述思想我們設計了折疊式微帶天線并進行了仿真驗證. 圖 1 折疊微帶天線示意圖 天線結構如圖2所示. 與通常寄生貼片天線不同，上表面( surface)與下表面( Ground)通過側面(Joint)連為一體，三個面形成一種半封閉結構. 天線為三層印刷板，板材選用Rogers TMM4作為介質基片，相對介電常數為4. 5. 上下表面均為正方形的敷銅面，中間為