圓形微帶天線畢設(shè)論文

1、大連海事大學(xué)裝訂線畢 業(yè) 論 文二一三年六月圓形微帶天線的仿真設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：通信工程1班姓 名： 徐 睿 指導(dǎo)教師： 王鐘葆 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院摘 要微帶天線以其體積小、重量輕且容易實(shí)現(xiàn)多頻段的特點(diǎn)，越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用，但其帶寬較窄，限制了其發(fā)展，因此展寬微帶天線的帶寬具有十分重要的意義。為了拓寬阻抗帶寬，本文通過(guò)HFSS仿真軟件，對(duì)圓形微帶天線進(jìn)行建模研究。天線采用聚四氟乙烯和空氣兩層介質(zhì)，通過(guò)同軸探針頂部加載圓形金屬電容片來(lái)對(duì)輻射貼片進(jìn)行耦合饋電，由此補(bǔ)償探針引起的電感，調(diào)整圓形貼片尺寸、金屬電容片尺寸和饋電點(diǎn)位置，來(lái)達(dá)到諧振點(diǎn)。并且分析了不同厚度空氣層介質(zhì)對(duì)微帶天線帶寬的影響，分析其規(guī)律，

2、最終使天線帶寬達(dá)到最大。本文中建模仿真的工作頻率為2.45GHz，分析結(jié)果表明最終得到帶寬達(dá)到24%，遠(yuǎn)超過(guò)一般微帶天線的2%-5%。關(guān)鍵字：寬頻帶；圓形微帶天線；電容饋電IVABSTRACTMicrostrip antenna is getting widely used because of the characteristics of small volume, light weight, and easily achieving multi-band operation. But the narrow bandwidth totally limited its development,

3、 improving the bandwidth of the microstrip antenna has much vital significance.In order to broaden the impedance bandwidth, a study on the circular microstrip antenna based on the HFSS simulation software is performed in this paper. The antenna consists of two layer medium, which are the PTFE and th

4、e air, feeding the radiation patch by adding a circular metal capactive patch to the top of coaxial probe, so this could cancel out the inductance caused by probe. By adjusting the size of the radiation patch and capacitive patch, and the position of the feed point, the resonance point can be achiev

5、ed. The analysis of the effect of different thickness of the air layer on the bandwidth of microstrip antenna is performed to find the maximum bandwidth.The operation frequency of the designed antenna in this paper is 2.45GHz, the results show that the bandwidth of 24%, far more than 5% of the tradi

6、tional microstrip antenna.Keywords：Broadband; Circular microstrip antenna; Capactive fed目 錄第1章 緒論11.1 概述11.1.1國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)21.1.2.研究目的和意義21.2 本章小結(jié)2第2章 微帶天線的基本理論32.1 概述32.2 微帶天線的分析方法32.2.1 傳輸線法42.2.2 空腔模型52.2.3 其它方法62.3 微帶天線的饋電方法62.3.1 微帶線饋電62.3.2 同軸線饋電62.3.3 電磁耦合饋電72.4微帶天線頻帶展寬的方法72.4.1采用厚基板72.4.2采用相對(duì)介電常數(shù)較

7、小或損耗角正切較大的基板72.4.3附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)82.4.4采用楔形或階梯形簽板82.4.5采用非線性基板材料82.4.6采用非線性調(diào)整元件82.4.7采用在貼片或接地板 “開窗”的辦法92.5空氣介質(zhì)對(duì)天線影響92.6 本章小結(jié)9第3章 軟件模型構(gòu)建113.1 HFSS簡(jiǎn)介113.2模型建立113.2.1分步建模113.2.2模型效果圖133.3 分析設(shè)置143.4本章小結(jié)15第4章164.1微帶天線的理論分析164.2 仿真分析164.2.1. S參數(shù)圖164.2.2 Z參數(shù)圖184.2.3 電壓駐波比和方向圖194.3比較不同空氣層厚度214.3.1 空氣層厚度8mm214.3.2

8、空氣層厚度10mm234.3.3 空氣層厚度12mm254.3.4 比較分析274.4 本章小結(jié)28結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致 謝32圓形微帶天線的仿真設(shè)計(jì)圓形微帶天線的仿真設(shè)計(jì)第1章 緒論1.1 概述微帶天線是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種新型天線形式。早在1953年美國(guó)Deschamps教授就己提出微帶輻射器的設(shè)想1，但由于當(dāng)時(shí)的集成技術(shù)和介質(zhì)基片材料尚未趨于完善，因此未能取得較大的進(jìn)步。直到20世紀(jì)70年代初期，當(dāng)微帶傳輸線的理論模型及對(duì)敷銅的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，實(shí)際的微帶天線才制作出來(lái)23。微帶天線最初作為火箭和導(dǎo)彈上的共形全向天線獲得了應(yīng)用，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)用的微帶天線才得

9、到了長(zhǎng)足的發(fā)展?，F(xiàn)己大量應(yīng)用于100MHz-1000Hz寬頻域的無(wú)線電設(shè)備中，特別是在飛行器上和地面便攜式設(shè)備中。微帶天線的出現(xiàn)是現(xiàn)代微波集成電路技術(shù)在理論和實(shí)踐上應(yīng)用于天線理論的一個(gè)重要成就。微帶天線的特征是比通常的微波天線有更多的物理參數(shù)，它們可以有任意的幾何形狀和尺寸。和常用的微波天線相比，它有如下一些優(yōu)點(diǎn):(1)體積小，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形，且除了在饋電點(diǎn)處要開出引線孔外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這對(duì)于高速飛行器特別有利。(2)電性能多樣化.不同設(shè)計(jì)的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整，易于得到各種極化，特殊設(shè)計(jì)的微帶元還可以在雙頻或多頻工作。(3)能和

10、有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了整體的制作和調(diào)試，大大降低了成本。和其它天線相比，它也有一些缺點(diǎn):(1)相對(duì)帶寬較窄，主要是諧振型微帶天線?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些改進(jìn)方法。(2)損耗較大，因此效率較低，這類似于微帶電路。特別是行波型微帶天線，在匹配負(fù)載上有較大的損耗。(3)單個(gè)微帶天線的功率容量較小。(4)介質(zhì)基片對(duì)性能影響大。由于工藝條件的限制，批量生產(chǎn)的介質(zhì)基片的均勻性和一致性還有欠缺，這影響了微帶天線的批量生產(chǎn)和大型天線陣的構(gòu)建。微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它的缺點(diǎn)，再加上微帶天線的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算方法都己非常成熟，這就為克服微帶天線的缺點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。本文就是應(yīng)用己有的理論來(lái)

11、設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶微帶天線1.1.1國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)由于微帶天線有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它的一些缺點(diǎn)正在研究克服，其中最主要的缺點(diǎn)是工作頻帶寬度太窄，一般典型微帶天線的相對(duì)工作頻帶寬度只在2%-4%左右4。微帶天線的窄頻帶限制了它在很多方面的應(yīng)用。在如何展寬微帶天線的工作頻帶寬度方面，國(guó)內(nèi)外天線工作者己做了大量的工作。例如，Chang ,Long和 Richards5通過(guò)實(shí)驗(yàn)用增加基片厚度的方法，可以得到20%的天線工作頻帶寬度。Purchine, A berie和Birtcher6把微帶天線看成是一個(gè)諧振電路，在微帶天線和接地板之間并接一個(gè)變?nèi)荻O管，用微處理器控制改變加到變?nèi)荻O管上的反向偏壓;在保持微帶

12、天線本身不大于 4%的頻帶寬度條件下，應(yīng)用調(diào)諧方法可以在1.55GHz-1.93GHz(相當(dāng)于22%)頻帶寬度上連續(xù)工作。Yan和Hessel7，在探針耦合的微帶天線上加一個(gè)尺寸稍小的寄生單元，可以得到20%-30%的頻帶寬度。Lee和Nalbandian8，利用微帶天線中最低模與一個(gè)高次模的諧振頻率，用改變空氣隙的方法對(duì)這兩個(gè)頻率同時(shí)進(jìn)行阻抗匹配，這兩個(gè)頻率可以相隔很遠(yuǎn)，相當(dāng)于可得到大于20%的不連續(xù)的頻帶寬度。An, Nauwelaers和Capel1e9在微帶天線輸入端與微帶饋線之間加一個(gè)電抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以得到16.82%的天線工作頻帶寬度。Fan Yang和Xue Xia Zhang

13、10等人采用E型貼片在無(wú)線通信頻率范圍之內(nèi)的帶寬可達(dá)到30.3%。由此可見，展寬微帶天線的帶寬，己經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。1.1.2.研究目的和意義在無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于信息的傳輸，天線的作用是不可缺少的。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)信息傳輸?shù)囊笠苍絹?lái)越高。因此，天線的發(fā)展方興未艾。微帶天線由于其低剖面、價(jià)錢便宜，并可制成多功能、可共形的天線，其尺寸可大可小，大的微帶天線其長(zhǎng)寬可到十幾米，小的只有幾毫米。顯然，其優(yōu)勢(shì)是明顯的。在電視技術(shù)領(lǐng)域，隨著電視在農(nóng)村的普及以及高清晰度電視的出現(xiàn)，微帶天線的發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的市場(chǎng)和光明的前景11本文設(shè)計(jì)了一種天線，采用較薄的聚四氟乙烯與較厚的空氣層雙層介質(zhì)，同

14、時(shí)又利用金屬電容片補(bǔ)償同軸探針饋電時(shí)所引入的電感。對(duì)微帶天線進(jìn)行仿真，可以使單個(gè)圓形貼片的阻抗帶寬在S波段內(nèi)達(dá)到25左右，滿足了現(xiàn)代通信對(duì)天線帶寬的要求。1.2 本章小結(jié)本章主要通過(guò)介紹微帶天線的發(fā)展和其特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已知的微帶頻寬拓展方法，提出一可行的天線模型，并通過(guò)仿真來(lái)得到其參數(shù)，可以看出有很好的寬帶特性。33第2章 微帶天線的基本理論2.1 概述天線是各種無(wú)線電設(shè)備中不可缺少的組成部分，它能有效地、定向地輻射或接收無(wú)線電波并由饋線同收發(fā)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，起著能量轉(zhuǎn)換作用。微波傳輸線(是用來(lái)傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱)，從本質(zhì)上講是一個(gè)封閉系統(tǒng)。它的基本功能是傳輸電磁能量，其

15、電磁場(chǎng)被束縛在傳輸線附近而不會(huì)傳到遙遠(yuǎn)的空間。它自身的不連續(xù)性可以用來(lái)構(gòu)成各種形式的微波組件。而天線是由傳輸線演變成的，但它的基本功能恰好與傳輸線相反，是向空間輻射或接收電磁能量，是一個(gè)開放系統(tǒng)。不管是線天線還是面天線，其輻射源都是高頻電流元，這是共性。因此，討論電流元的輻射場(chǎng)是討論天線問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。討論天線要解決的兩個(gè)最重要的問(wèn)題是阻抗特性和方向特性。前者要解決天線與饋線的匹配問(wèn)題;后者要解決定向輻射或定向接收問(wèn)題，也就是要解決提高發(fā)射功率或接收機(jī)靈敏度的問(wèn)題。而不論是阻抗特性還是方向特性都必須首先求出天線在遠(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)分布。為此要求解滿足天線邊界條件的麥克斯韋方程組。對(duì)于這樣一個(gè)電磁場(chǎng)的邊

16、值問(wèn)題，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)求解是很困難的。因此，經(jīng)常采用工程近似的方法進(jìn)行研究，即用某種初始場(chǎng)的近似分布代替真實(shí)的準(zhǔn)確分布來(lái)計(jì)算輻射場(chǎng).這樣，即避開了嚴(yán)格的電磁理論的計(jì)算又有一定的精確度。2.2 微帶天線的分析方法天線分析的基本問(wèn)題是求解天線在周圍空間建立的電磁場(chǎng)，求得電磁場(chǎng)后，進(jìn)而得出其方向圖、增益和輸入阻抗等特性指標(biāo)。微帶天線的分析方法主要分為兩大類:基于簡(jiǎn)化假設(shè)的近似方法和全波分析方法。全波分析方法有更好的適應(yīng)性和更高的精度，但速度較慢。第一種方法包括傳輸線模型、空腔模型和分段(segmentation)模型。這種方法將貼片單元當(dāng)作一段傳輸線或是空腔諧振器，簡(jiǎn)化了分析和計(jì)算，提高了速度，并且物理

17、概念清晰，可以提供設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)。分析微帶天線的基本理論大致可分三類。最早出現(xiàn)的也最簡(jiǎn)單的是傳輸線模型(TLM-Transmission Line Model)理論，主要用于矩形貼片。更嚴(yán)格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理論，可用于各種規(guī)則貼片，但基本上限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況。最嚴(yán)格而計(jì)算最復(fù)雜的是積分(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理論。從原理上說(shuō)，積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，然而要受計(jì)算模型的精度和機(jī)時(shí)的限制。從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡(jiǎn)化為一維的傳輸線問(wèn)題;第二種理

18、論則發(fā)展到基于二維邊值問(wèn)題的求解;第三種理論又進(jìn)了一步，可計(jì)入第三維的變化，不過(guò)計(jì)算也費(fèi)時(shí)得多。自然，這三種理論仍不斷地在某些方面有所發(fā)展，同時(shí)也出現(xiàn)了一些別的分析方法?；趯?duì)積分方程的簡(jiǎn)化，產(chǎn)生了格林函數(shù)(GFA-Green's Function Approach);而由空腔模型的擴(kuò)展，出現(xiàn)了多端網(wǎng)絡(luò)法(MNA-Multi port Network Approach)等。2.2.1 傳輸線法利用傳輸線模式分析微帶天線是比較早期的方法，也是最簡(jiǎn)單的方法。圖2.1是此種方法的物理模型。方法的基本假設(shè)是:(1)微帶片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn) TEM 波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)。

19、線段長(zhǎng)度L=g/2,振為準(zhǔn)TEM波的波長(zhǎng)。場(chǎng)在傳輸方向是駐波分布，而在其垂直方向(圖中的寬度方向)是常數(shù).(2)傳輸線的兩個(gè)開口端(始端和末端)等效為兩個(gè)輻射縫，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線開口端場(chǎng)強(qiáng)?？p平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折轉(zhuǎn) 90度，而開口場(chǎng)強(qiáng)隨之由以上兩條基本假設(shè)可以看出，當(dāng)L=g/2 時(shí)，二縫上切向電場(chǎng)均為x，且等幅同相。它們等效為磁流，由于接地板的作用，相當(dāng)于有二倍磁流向上半空間輻射。圖2.1 傳輸線法物理模型在各種方法中，傳輸線法最為簡(jiǎn)單，也最為直觀。利用端縫輻射的概念清楚地說(shuō)明了輻射的機(jī)理。可惜由于傳輸線模式的限制，它難于應(yīng)用在矩形片以外的情況。對(duì)于矩形片，傳

20、輸線模式相當(dāng)于腔模理論中的基模。在諧振頻率上，計(jì)算的場(chǎng)分布與實(shí)際很接近，參量計(jì)算合乎工程精度，但失諧大時(shí)，場(chǎng)分布與實(shí)際相差較大，計(jì)算就不可靠了。基本的傳輸線法對(duì)諧振頻率預(yù)測(cè)是不夠準(zhǔn)確的，利用一些修正方法(如等效伸長(zhǎng))可將誤差減小到1%以內(nèi)。如果通過(guò)樣品實(shí)測(cè)諧振頻率，然后再行調(diào)整，效果應(yīng)當(dāng)更好2.2.2 空腔模型羅遠(yuǎn)芷(Y.T.Lo)等在1979年提出了空腔模型理論。該理論是在微帶諧振腔分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。實(shí)際上，諧振型微帶天線的形狀與微帶諧振腔并無(wú)顯著區(qū)別。因此借助于諧振腔理論是很自然的，分析微帶諧振腔的一般方法是，規(guī)定腔的邊界條件，找出腔中的一個(gè)主模，從而計(jì)算出諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和輸入阻

21、抗等。把這種方法移植到微帶天線中來(lái)，稱為單模理論。這種簡(jiǎn)單的方法正如傳輸線法一樣，計(jì)算也不很復(fù)雜，因而為工程界廣泛采用。該理論基于薄微帶天線的假設(shè)，而將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四周為磁壁、上下為電壁的諧振空腔(或確切的說(shuō)是漏波空腔)。天線輻射場(chǎng)由空腔四周的等效磁流來(lái)得出，天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場(chǎng)和饋源邊界條件來(lái)求得。在分析腔內(nèi)場(chǎng)時(shí)，基本的腔模理論作如下假設(shè):(1)由于腔高度h<g，可認(rèn)為腔內(nèi)場(chǎng)僅有Ez分量，并且Ez不隨z而變。還假設(shè)Hz=0，因此腔內(nèi)場(chǎng)是與z無(wú)關(guān)的二維場(chǎng)，對(duì)z軸而言，腔內(nèi)僅存在TM波。(2)在微帶片的周界上，片電流沒有垂直于周界的分量，這意味著沿側(cè)壁x的切向分量

22、為零，故腔的側(cè)壁可假設(shè)為磁壁，即諧振腔可視為上、下為電壁，周圍為磁壁的腔體。在理論上，封閉的磁壁和電壁一樣都能將區(qū)域內(nèi)外的場(chǎng)互相隔離。但在這里，腔的側(cè)壁雖然等效為磁壁，它實(shí)際是連續(xù)空間的一部分，對(duì)計(jì)算外部空間場(chǎng)而言，側(cè)壁上的E,可等效為磁流 M= Ez Z×n (2.1)上述基本假設(shè)若用更嚴(yán)密的理論來(lái)檢驗(yàn)，不難發(fā)現(xiàn)其近似之處。此處二維場(chǎng)假設(shè)及僅有TM波假設(shè)都是近似的。同樣，側(cè)壁上切向磁場(chǎng)為零也是近似的。因?yàn)樵谥芙缣巸?nèi)壁面法向電流嚴(yán)格說(shuō)不是零(盡管總法向電流即內(nèi)壁和外壁法向電流之和為零)，只是在h<g,條件下接近零。由上述討論不難看出基本的腔模理論應(yīng)用上的限制，h<g的條件

23、是很重要的，當(dāng)不滿足此條件時(shí)，上述基本假設(shè)需要作適當(dāng)修改?；镜那荒＠碚撝杏捎谶吔鐚?dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問(wèn)題分開成獨(dú)立的問(wèn)題，理論上是嚴(yán)格的，只是邊界導(dǎo)納確定比較困難，使計(jì)算只能是近似的。在腔模理論中，認(rèn)為腔內(nèi)場(chǎng)是二維函數(shù)，這在薄基片時(shí)是合理的，對(duì)于厚基片將引入誤差。由于應(yīng)用微帶天線的目的就是降低剖面高度，因此在大多數(shù)情況下這不成問(wèn)題。而在毫米波段就需要另行考慮了。2.2.3 其它方法另外，有限元法作為一種數(shù)值方法也越來(lái)越引人注目，它和分域基函數(shù)矩量法一樣，不受天線形狀的限制。它和矩量法一樣，也應(yīng)用了變分原理，并且形式更為直接。但是有限元所涉及的場(chǎng)量、單元和基函數(shù)的選擇乃至表達(dá)式都和矩量法

24、不同。由于它的特殊選擇，得到的代數(shù)方程矩陣是稀疏矩陣，并且矩陣元素易于計(jì)算，這是有限元法的突出優(yōu)點(diǎn)，但是它只能得到純數(shù)值解，這可以說(shuō)是一個(gè)主要的缺點(diǎn).近年來(lái)，快速多極子算法，遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引入加速了天線的優(yōu)化。由于對(duì)大多數(shù)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的傳輸線模型和空腔模型給出的結(jié)果己足夠滿意。2.3 微帶天線的饋電方法天線是一種能量變換器。發(fā)射天線把發(fā)射機(jī)輸出回路的高頻交流能變?yōu)檩椛潆姶拍?，即變?yōu)榭臻g電磁波。相反，接收天線把到達(dá)的空間電磁波變?yōu)楦哳l交流能，傳送到接收機(jī)的輸入回路。從發(fā)射機(jī)到天線以及從天線到接收機(jī)之間的連接是依靠饋線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)天線的饋電包括對(duì)單元天線的饋電和陣列天線的饋電。下面只討

25、論對(duì)單元天線的饋電方法。對(duì)微帶單元天線進(jìn)行饋電的兩種基本方式是:(1)微帶線饋電;(2)同軸線饋電。2.3.1 微帶線饋電用微帶線饋電時(shí)，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便地光刻，制作簡(jiǎn)便。但這時(shí)饋線本身也要引起輻射，從而干擾夭線方向圖，降低增益.為此 一般要求微帶線寬度W不能寬，希望Wg。這要求微帶線特性阻抗Zo要高些或基片厚度h小，介電常數(shù)r，大。天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配可由適當(dāng)選擇饋電點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋點(diǎn)沿矩形貼片的兩邊移動(dòng)時(shí)，天線諧振電阻變化.對(duì)于TM10模，饋點(diǎn)沿饋電邊(正軸)移動(dòng)時(shí)阻抗調(diào)節(jié)范圍很大。微帶線也可通過(guò)間隔伸入貼片內(nèi)部，以獲得所需阻抗。饋點(diǎn)位置的改變將使饋線與天線

26、間的耦合改變，因而使諧振頻率有一小漂移，但方向圖一般不會(huì)受影響(只要仍保證主模工作)。頻率的小漂移可通過(guò)稍稍修改貼片尺寸來(lái)補(bǔ)償。2.3.2 同軸線饋電用同軸線饋電的優(yōu)點(diǎn)是:(1)饋點(diǎn)可選在貼片內(nèi)任何所需位置，便于匹配;(2)同軸電纜置于接地板下方，避免了對(duì)天線輻射的影響。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不便于集成，制作麻煩。這種饋源的理論模型，可表示為Z向電流圓柱和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)。其簡(jiǎn)化處理是略去磁流的作用，并用中心位于圓柱中心軸的電流片來(lái)等效電流柱。一種更嚴(yán)格的處理，是把接地板上的同軸開口作為傳TEM波的激勵(lì)源，而把圓柱探針的效應(yīng)按邊界條件來(lái)處理。天線設(shè)備作為一個(gè)單口組件，在輸入端面上常體現(xiàn)為一個(gè)阻

27、抗組件或等效阻抗組件，與相連接的饋線或電路有阻抗匹配的問(wèn)題。微帶輻射器的輸入阻抗或輸入導(dǎo)納是一個(gè)基本參數(shù)。因此應(yīng)精確地知道輸入導(dǎo)納，以便在單元和饋線之間做到良好的匹配。2.3.3 電磁耦合饋電80年代以來(lái)出現(xiàn)了多種電磁耦合型饋電方式。其結(jié)構(gòu)上的共同特點(diǎn)是貼近(無(wú)接觸)饋電，這種饋電方式通常要求微帶天線的結(jié)構(gòu)為雙層(或多層)結(jié)構(gòu)。鄰近耦合饋電是將饋電用的微帶線制作在底層基片上，將端接開路短線的貼片制作在上層基片上。口徑耦合饋電是用一塊接地板隔開二塊平行的基片，底層基片上的微帶線通過(guò)接地板上的小口徑耦合到上層基片的貼片上。由于耦合饋電方式允許在一塊介電常數(shù)高的薄基片上進(jìn)行饋電，而在另外一塊介電常數(shù)

28、低的厚基片上安裝天線。因此，采用雙層結(jié)構(gòu)，耦合饋電，可以分別對(duì)微帶天線的饋電性能和輻射性能進(jìn)行優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)能夠減小甚至消除饋源的寄生輻射對(duì)天線方向圖和極化純度的影響。盡管這種結(jié)構(gòu)沒有焊點(diǎn)，可以提高微帶天線的可靠性，但由于雙層基片需要精確對(duì)準(zhǔn)，所以，雙層基片的制作還是有一定難度的.電磁耦合饋電對(duì)于多層陣中的層間連接問(wèn)題，是一種有效的解決方法，并且大多能獲得寬頻帶的駐波比特性【11】2.4微帶天線頻帶展寬的方法常用的方法有采用厚基板，采用相對(duì)介電常數(shù)較小或tan較大(有耗)的基板，附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，采用楔形或階梯形基板，采用非線性基板材料，非線性調(diào)整元件，采用多層結(jié)構(gòu)，在貼片或接地板 “開窗”等

29、。其中，附加阻抗以展寬頻帶及在貼片切縫以展寬頻帶等方面已應(yīng)用到圓極化微帶天線上。2.4.1采用厚基板從物理意義上講，增大基板厚度之所以能使頻帶加寬是由于厚度增加輻射電導(dǎo)也隨之增大，輻射對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因素Qr，及總的品質(zhì)因素值下降。在一些空氣動(dòng)力性能及重量不慎苛刻的場(chǎng)合，這種方法還是行之有效的122.4.2采用相對(duì)介電常數(shù)較小或損耗角正切較大的基板當(dāng)r減小時(shí)，介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的“束縛”減小，易于輻射;且天線的貯能也因r的減小而變小，這樣將使輻射對(duì)應(yīng)的Qr 下降，從而使頻帶變寬。tan的增加使介質(zhì)損耗加大，使頻帶展寬。但r的變小將使所需的基板尺寸加大，tan增加必然使天線的效率降低。2.4.3附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

30、工作于主模的矩形或圓形等微帶貼片天線，其等效電路可以用一個(gè) RLC并聯(lián)諧振回路來(lái)描述。在背饋的情況下，饋電探針的電抗作用應(yīng)予考慮。尤其當(dāng)基板厚度h0.1g時(shí)，饋電探針的作用更為顯著。若h<g/4，其作用等效于一個(gè)電感，這個(gè)電感與上述并聯(lián)諧振回路相串聯(lián)，形成天線的輸人阻抗。為了使這個(gè)阻抗與50的饋線在最大的頻帶范圍內(nèi)相匹配，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綜合，可以用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法實(shí)施最優(yōu)設(shè)計(jì)。當(dāng)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)合理時(shí)，帶寬可達(dá)到25%13。對(duì)于圓形微帶貼片天線，發(fā)現(xiàn)上述最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果的主要匹配元件是一個(gè)串聯(lián)電容。在天線工作頻率上這個(gè)電容與饋電探針等效電感大致構(gòu)成串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振回路在諧振頻率附近收電抗趨于抵

31、消，使之避免了偏離諧振時(shí)電抗的迅速變化而展寬了頻帶。2.4.4采用楔形或階梯形簽板采用楔形或階梯形基板是展寬微帶天線頻帶簡(jiǎn)單而有效的方法。這兩種基板形狀的變化導(dǎo)致頻帶展寬的物理意義可解釋為是由于兩輻射端口處基板厚度不同的兩個(gè)諧振器經(jīng)階梯電容藕合產(chǎn)生雙回路現(xiàn)象造成的。采用階梯形基板的諧振器，VSWR<2時(shí)的頻帶可達(dá)25%;采用楔形基板諧振器，VSWR<2時(shí)的頻帶可達(dá)28%。而一個(gè)厚度相當(dāng)?shù)囊话憔匦挝炀€的頻帶為13%。2.4.5采用非線性基板材料在各種典型的微帶貼片天線中，其貼片的線性尺寸比例于工作波長(zhǎng)。頻率低時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸大，這就使UHF波段的低端以下采用微帶天線較為困難。對(duì)于一定

32、的貼片尺寸及介質(zhì)性能，這些天線都呈現(xiàn)窄頻特性。于是有人提出采用鐵氧體作為基板材料。它的電磁特性可以顯著地縮小天線尺寸。同時(shí)，鐵氧體具有非線性的色散特性，其有效磁導(dǎo)率是隨頻率的升高而降低的。由實(shí)驗(yàn)知，鐵氧體微帶天線具有多諧特性，故若能得到接近理想的色散特性就有可能在幾個(gè)倍頻程內(nèi)用一個(gè)鐵氧體天線，即可以在不同頻率上對(duì)應(yīng)同一貼片尺寸，這當(dāng)然是較理想的。2.4.6采用非線性調(diào)整元件在用傳輸線法分析矩形微帶天線時(shí)曾有這樣的概念，即其兩個(gè)輻射端的邊緣效應(yīng)可以看成是各并聯(lián)一個(gè)電容，這個(gè)電容可看作是傳輸線的等效伸長(zhǎng)，從而使實(shí)際的諧振頻率低于以諧振長(zhǎng)度算得的理論值。因此。如果在上述輻射端各并聯(lián)一個(gè)變?nèi)莨?，控制?/p>

33、到變?nèi)莨艿碾妷壕涂梢钥刂铺炀€的工作頻率，從而加大天線的工作頻率范圍。當(dāng)然，采用這種方法并不增加天線的瞬時(shí)阻抗帶寬。即使這樣，這種方案的實(shí)現(xiàn)對(duì)于頻率捷變裝置或多頻工作的收發(fā)系統(tǒng)都有實(shí)際意義。2.4.7采用在貼片或接地板 “開窗”的辦法在微帶貼片上的不同位置開不同形狀的“窗口”可等效成引入阻抗匹配元件，在接地板的適當(dāng)位置處“窗口”可改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性。這些都可能展寬頻帶，但分析方法變得復(fù)雜了。2.5空氣介質(zhì)對(duì)天線影響 帶天線由于重量輕、體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，以空氣為介質(zhì)的微帶天線在減輕天線重量方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯，并且這種類型的天線由于其有效介電常數(shù)低，可以增加帶

34、寬，減少介質(zhì)損耗14。但是以空氣為介質(zhì)的天線在實(shí)際應(yīng)用中還需要其它的一種介質(zhì)材料作支撐，隨之而來(lái)的問(wèn)題是，由于支撐介質(zhì)的存在，又會(huì)給天線性能帶來(lái)微擾。這類在局部增加支撐介質(zhì)的天線結(jié)構(gòu)不同于多層介質(zhì)基板天線，它的特殊結(jié)構(gòu)改變了電磁波在基板中的傳播特性，目前針對(duì)這一天線模型的分析方法也未見報(bào)道。因此，分析微帶天支撐介質(zhì)帶來(lái)的微擾性能，對(duì)理論設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用方面都有幫助。微帶天線常用的分析方法有傳輸線法、腔模理論法、積分方程法以及其他方法。由于傳輸線法除了諧振點(diǎn)之外，輸入阻抗隨頻率變化的曲線不準(zhǔn)確，而積分方程法雖然比較精確但是計(jì)算方法復(fù)雜。因此，工程上經(jīng)常采用腔模理論分析法，這是一種在微帶諧振腔分析的

35、基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的分析方法15。實(shí)際上，諧振式微帶天線的結(jié)構(gòu)及工作原理與微帶諧振腔類似，因此借助于諧振腔理論是很自然的。分析微帶諧振腔的一般方法是，規(guī)定腔的邊界條件，找出腔的主模，從而計(jì)算出諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和輸入阻抗等16。在本文模型中，借助于傳統(tǒng)的腔模分析理論，給出加了介質(zhì)支撐后天線諧振頻率的近似表達(dá)式。假設(shè)天線在沒加介質(zhì)支撐時(shí)的諧振頻率為 ，加了介質(zhì)后的天線諧振頻率為。則由公式17可得: (2.2)借助于微帶天線的腔模理論模型，分析了在矩形微帶天線縫隙處增加支撐介質(zhì)后，微擾產(chǎn)生的機(jī)理18,19，得出了在增加支撐介質(zhì)后天線的諧振頻率與原頻率的關(guān)系式。本文推導(dǎo)出的公式在一定條件下可以作為今后天

36、線設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)公式，為微帶天線的分析和設(shè)計(jì)20提供了依據(jù)。2.6 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單講述了微帶天線的分析方法，以及常見的饋電形式，為理解接下來(lái)仿真中所使用的耦合饋電方式打下基礎(chǔ)。比較重要的是分析了空氣層對(duì)天線的諧振頻率的影響，證明空氣介質(zhì)層在展寬微帶天線頻帶的功能中大有可為。第3章 軟件模型構(gòu)建3.1 HFSS簡(jiǎn)介HFSS High Frequency Structure Simulator Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性

37、能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS，可以計(jì)算： 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題； 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)； S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)； 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案21，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)

38、的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。HFSS是當(dāng)前最流行的設(shè)計(jì)仿真軟件本文中使用HFSS 13.0版本進(jìn)行課題研究。3.2模型建立3.2.1分步建模1、建立新的工程運(yùn)行HFSS，點(diǎn)擊菜單欄中的Project>Insert HFSS Design，建立一個(gè)新的工程。2、設(shè)置求解類型（1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Solution Type。（2）在彈出的Solution Type窗口中選擇Driven Modal。點(diǎn)擊OK按鈕。3、設(shè)置模型單位將創(chuàng)建模型中的單位設(shè)置為毫米。（1）在菜單欄中點(diǎn)擊3DModeler>Units。（2）設(shè)置模型單位：在設(shè)置單位窗口中選擇：

39、mm，點(diǎn)擊OK按鈕。4、創(chuàng)建圓形微帶天線模型本文中選定中心頻率為2.45GHz，所以圓形貼片和基質(zhì)板的尺寸分別要大于/2、 /4，初始設(shè)置變量值見表3.1。表3. 1變量定義變量名稱初值單位變量屬性CirR30mm圓形貼片半徑Metal_R3mm金屬電容片半徑Pin_Y10mm探針位置R_Pin0.5mm探針半徑H_Feed5mm同軸線尺寸H_Air4mm空氣層厚度H_Sub1mm介質(zhì)層厚度L125mm基質(zhì)板尺寸（1）創(chuàng)建地板GND。坐標(biāo)：X：-L/2，Y：-L/2，Z：0按回車鍵。在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)、寬：dX：L ，dY：L，dZ：0。（2）為GND設(shè)置理想金屬邊界。在3D模型窗口中將3D

40、模型以合適的大小顯示（可以用Ctrl+D來(lái)操作）。（3）建立介質(zhì)基片Sub，在這里選用介質(zhì)片尺寸大小與地板GND相同。在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box或者在工具欄中點(diǎn)擊按鈕，創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型。則起始點(diǎn)位置坐標(biāo)：X: -L/2，Y：-L/2，Z：0。輸入各坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵來(lái)切換。輸入長(zhǎng)方體X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸：dX：L，dY：L，dZ：H_Air。將材料設(shè)置為Rogers R04003。（4）建立貼片Patch。在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Circle，在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓心坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：H_Air+ H_Sub按回車鍵。在坐標(biāo)輸入欄中輸入半徑：dX：CirR，dY：0，

41、dZ：0按回車鍵。在特性窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將名字改為Patch。點(diǎn)擊Color后面的Edit按鈕，將顏色設(shè)置成黃棕色，透明度0.4，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。（5）為Patch設(shè)置理想金屬邊界。在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name。在對(duì)話框中選擇Patch，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。在理想邊界設(shè)置窗口中，將理想邊界命名為PerfE_Patch，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。（6）創(chuàng)建探針Pin。在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cylinder。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：Pin

42、_Y，Z：H_Air；輸入圓柱半徑：dX：R_Pin, dY：0，dZ：0；輸入圓柱的高度：dX：0，dY：0，dZ：-H_Air-H_Feed。將材料設(shè)置為pec。（7）創(chuàng)建同軸線Feed。同上畫出一圓柱，中心坐標(biāo)為：X：0，Y：Pin_Y，Z：0；輸入圓柱半徑：dX：R_Pin*2.3, dY：0，dZ：0；輸入圓柱的高度：dX：0，dY：0，dZ： -H_Feed，設(shè)立理想邊界E。（8）創(chuàng)建端口面Port。在菜單鍵中點(diǎn)擊Draw>Circle。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：Pin_Y，Z：0按回車鍵。在坐標(biāo)輸入欄輸入半徑：dX：R_Pin*2.3，dY：0，

43、dZ：0。（9）建立圓形電容片Metal。畫出一圓形，中心坐標(biāo)為0mm ,Pin_Y ,H_Air，尺寸為Metal_R，并設(shè)立理想邊界條件perfectE。（10）組合模型，用GND減去port，同軸線減去pin。具體命令為Modeler >Boolean>Subtract,用Ctrl依次選中。（11）設(shè)立輻射邊界創(chuàng)建Air，在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box,創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型。在右下角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)：X：-80，Y：-80，Z：-35；按回車鍵結(jié)束輸入。輸入長(zhǎng)方體的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70按回車鍵。在特性（Property）窗口中選

44、擇Attribute標(biāo)簽，將長(zhǎng)方體的名字修改為Air。在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name 。在對(duì)話框中選擇Air，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Radiation。在輻射邊界窗口中，將輻射邊界命名為Rad1，點(diǎn)擊OK。（12）在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，選中Port，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port。在Lumped Port窗口的General標(biāo)簽中，將該端口命名為1，點(diǎn)擊Next。在Modes 標(biāo)簽中的Integra

45、tion line點(diǎn)擊None，選擇New Line，在坐標(biāo)欄中輸入：X：0，Y：Pin_Y，Z：0；dX：0，dY：Pin_Y- R_Pin*2.3，dZ：0。按回車鍵，點(diǎn)擊Next按鈕直至結(jié)束（13）設(shè)置無(wú)限大球面 在菜單欄HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere標(biāo)簽中做以下設(shè)置：Phi：Start：0 deg，Stop：180 deg，Step：90 deg；Theta：Start：-180 deg，Stop：180 deg，Step：1 d

46、eg。在菜單欄直接點(diǎn)確認(rèn)建模成功并保存。3.2.2模型效果圖實(shí)際效果圖見圖3.1（a）及圖3.1（b）圖 3.1（a）模型側(cè)視圖圖 3.2（b）模型俯視圖3.3 分析設(shè)置為該問(wèn)題設(shè)置求解頻率及掃頻范圍 （1）設(shè)置求解頻率：HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。（2）設(shè)置掃頻。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analysis Setup&

47、gt;Add Sweep。選擇Setup1，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。在掃頻窗口中做以下設(shè)置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start:2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；將Save Field復(fù)選框選中，保持默認(rèn)名為sweep1確定。需要注意的是一開始的掃頻范圍不妨設(shè)寬一點(diǎn)，然后逐漸縮小范圍，方便減少仿真運(yùn)算時(shí)間。在菜單欄點(diǎn)擊HFSS>Analyze，軟件開始進(jìn)行仿真運(yùn)算。3.4本章小結(jié)本章主要簡(jiǎn)介了HFSS軟件，詳細(xì)說(shuō)明了如何針對(duì)寬頻帶微帶天線進(jìn)行模型建立，這是得到天線參數(shù)，比較與一般微帶天線優(yōu)劣的前提。

48、第4章 4.1微帶天線的理論分析圓形微帶天線的諧振頻率可近似用下式表示： （4.1）式中：a為圓形貼片的半徑；r為介質(zhì)的有效介電常數(shù)。通常情況下，對(duì)于同軸探針饋電的微帶貼片天線，介質(zhì)層厚度的增加會(huì)導(dǎo)致由探針引起的電感增大，從而惡化天線饋電點(diǎn)的輸入阻抗，可對(duì)探針引起的電感進(jìn)行補(bǔ)償。微帶天線的輸入阻抗和饋電探針的電感可以表示為： Z in = ZR + j XL （4.2）式中：XL為探針引出的電感為了補(bǔ)償電感，在探針頂部串聯(lián)一個(gè)電容，并使其滿足諧振條件： (4.3)這樣就可以有效地優(yōu)化天線饋電點(diǎn)處的阻抗，展寬其阻抗帶寬22。采用式(1)計(jì)算出天線諧振頻率在2.45 GHz時(shí)的圓形貼片半徑為20.

49、9mm。4.2 仿真分析經(jīng)過(guò)調(diào)諧，確定了輻射圓片半徑CirR=27mm、饋電點(diǎn)位置Pin_Y=9.84mm、金屬圓片半徑Metal_R=2.85mm。4.2.1. S參數(shù)圖仿真過(guò)后繪制該問(wèn)題的反射系數(shù)曲線，該問(wèn)題為單端口問(wèn)題，因此反射系數(shù)是S11。點(diǎn)擊菜單欄HFSS>Result>Create Report。選擇：Report Type：Modal S Parameters；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep點(diǎn)擊Y標(biāo)簽，選擇：Category：S parameter；Quantity

50、：S（p1，p1）；Function：dB，然后點(diǎn)擊Add Trace按鈕。點(diǎn)擊Done按鈕完成操作，繪制出反射系數(shù)曲線如圖4.1圖4. 1 S參數(shù)圖（H_Air=4mm）可以看到，此時(shí)的諧振點(diǎn)落在2.45GHz，而帶寬只有150MHz左右，帶寬增大但不明顯。分析輻射圓片半徑對(duì)S參數(shù)曲線的影響，如圖4.2所示:圖4. 2 CirR分為26.5mm 27mm和27.5mm下S參數(shù)圖（H_Air=4mm）從圖中可以看出，隨著圓形輻射貼片半徑CirR增大,諧振點(diǎn)左移且諧振深度增加；反之，則諧振點(diǎn)右移且諧振深度降低。4.2.2 Z參數(shù)圖繪制Z參數(shù)圖來(lái)觀測(cè)天線的輸入阻抗，繪制過(guò)程與S參數(shù)類似，點(diǎn)擊菜單欄

51、HFSS>Result>Create Report。選擇Report Type：Modal Z Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 點(diǎn)擊Y標(biāo)簽，選擇：Category：Z parameter；Quantity：Z（p1，p1）；Function：im和re，然后點(diǎn)擊Add Trace按鈕。點(diǎn)擊Done按鈕完成操作， 如圖4.3：圖4. 3 Z參數(shù)圖（H_Air=4mm）從上圖中可以看到，在諧振點(diǎn)2.45GHz時(shí)，電感部分已經(jīng)基本抵消為0，則就達(dá)到了通

52、過(guò)引入一個(gè)金屬片電容來(lái)抵消探針?biāo)鸬碾姼械哪康摹７治鼋饘倨霃礁淖儗?duì)輸入阻抗的影響，如圖4.4：圖4. 4 Metal_R分為2.8mm 2.85mm和2.9mm下Z參數(shù)圖從圖中可以看出，當(dāng)金屬片半徑增大，表示感抗的虛部線整體像上移動(dòng)，實(shí)部也往上移，阻抗變大；反之則虛部下移，阻抗變小。4.2.3 電壓駐波比和方向圖圖4. 5 電壓駐波比曲線（H_Air=4mm）諧振點(diǎn)時(shí)的電壓駐波比為1.19，VSWR<2的頻率范圍2.372.54GHz較窄。再看天線的方向圖，可以看出天線最大增益約為9.4dB，在天線的正上方，天線的波瓣寬度比較窄，展現(xiàn)了較好的方向性。再畫出頻率為2.37和2.54GH

53、z時(shí)的方向圖，如圖4.6(a)與圖4.6(c)，比較發(fā)現(xiàn)天線在VSWR<2的頻率范圍2.372.54GHz內(nèi)，增益有變化但不大。 (a) 2.37GHz方向圖(b) 2.45GHz方向圖(c) 2.54GHz方向圖圖4.6 輻射方向性圖（H_Air=4mm）本仿真采用的是兩層介質(zhì)的微帶天線模型，其中空氣層厚度遠(yuǎn)大于聚四氟乙烯層，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，在空氣層厚度（也就是H_Air）=4mm時(shí)，所得到的頻帶帶寬雖然增大但不明顯，滿足不了現(xiàn)代實(shí)用要求，所以需要改進(jìn)。4.3比較不同空氣層厚度4.3.1 空氣層厚度8mm此時(shí)由于空氣厚度增大了一倍，調(diào)節(jié)各組件參數(shù)仿真，最終確定輻射圓片半徑CirR=25.

54、3mm.金屬貼片半徑Metal_R=2.03mm,饋電點(diǎn)位置Pin_Y=9.3mm。得到S參數(shù)如圖4.7圖4. 7 S參數(shù)圖（H_Air=8mm）此時(shí)諧振點(diǎn)2.45GHz，小于10dB范圍為2.282.8GHz，相對(duì)于空氣厚度4mm的時(shí)候增加了很多。再看天線的駐波比曲線圖4.8：圖4. 8電壓駐波比曲線（H_Air=8mm）可看出2.45GHz時(shí)駐波比為1.1，VSWR<2的范圍2.282.84GHz。再比較圖4.9，天線的方向圖，最大增益方向?yàn)樘炀€正上方，最大增益9dB，且波瓣寬度較窄，天線具有較好的方向性。再畫出頻率為2.28和2.84GHz時(shí)的方向圖，如圖4.9(a)與圖4.9(c

55、)，比較發(fā)現(xiàn)天線在VSWR<2的頻率范圍2.282.84GHz內(nèi)，增益有變化但不大。 (a) 2.28GHz方向圖(b) 2.45GHz方向圖 (c) 2.84GHz方向圖 圖4.6 輻射方向性圖（H_Air=8mm）4.3.2 空氣層厚度10mm從不同厚度的空氣層建模分析，發(fā)現(xiàn)最后當(dāng)H_Air=4mm時(shí)所得帶寬雖然有一定的拓寬，但還不夠明顯。而分析H_Air=8mm以及H_Air=12mm模型下所得帶寬，兩者相差不大，為了作更細(xì)致的分析，再考慮一組H_Air=10mm下時(shí)的天線參數(shù)。調(diào)節(jié)各組件參數(shù)仿真，最終確定輻射圓片半徑CirR=24.86mm.金屬貼片半徑Metal_R=1.8mm

56、,饋電點(diǎn)位置Pin_Y=8.6mm。得到S參數(shù)如圖4.10所示：圖4. 10 S參數(shù)圖（H_Air=10mm）諧振點(diǎn)落在2.45GHz附近，小于10dB范圍2.242.84GHz，再看其駐波比曲線如圖4.11圖4. 11 駐波比曲線（H_Air=10mm）可看出2.45GHz時(shí)駐波比為1.01，VSWR<2的范圍2.232.86GHz。再比較圖4.12，天線的方向圖，最大增益方向接近天線正上方，最大增益9dB，且波瓣寬度較窄，天線具有較好的方向性。再畫出頻率為2.23和2.86GHz時(shí)的方向圖，如圖4.12(a)與圖4.12(c)，比較發(fā)現(xiàn)天線在VSWR<2的頻率范圍2.232.86GHz內(nèi)，增益變化接近1dB左右。 (a) 2.23GHz方向圖(b) 2.45GHz方向圖(c) 2.86GHz方向圖圖4.12 輻射方向性圖（H_Air=10mm）4.3.3 空氣層厚度12mm再進(jìn)一步增大空氣厚度，由軟件仿真分析調(diào)諧，調(diào)節(jié)各組件參數(shù)仿真，最終確定輻射圓片半徑CirR=24.8mm.金屬貼片半徑Metal_R=1.75mm,饋電點(diǎn)位置Pin_Y=7.8mm。得到S參數(shù)如圖4.13所示：圖4.13 S參數(shù)圖（H_Air=12mm）根據(jù)圖示可以看出，帶寬范圍2.242.83GHz，再觀察其駐波比曲線圖4.14