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1、 武漢理亡大學(xué)碩一卜學(xué)位論文分類號)密級學(xué)校代碼劣凄理歹大學(xué)位論題目塹墅絲鱟壁叢鑫線鮑笪甚盈塞墨遮鹽多苣文:旦曼堡墜!壘魚壁壘望垂旦曼墨望曼曼!壘墜墜!壘!題目叢坌互墨!里壘!璺!迅!曼墮塾壘研究生姓名奎整指導(dǎo)教師姓名至盎然一職稱些墜一學(xué)位主睦單位名稱盛婆壟墨苤堂壟鱟瞳郵編箜姓名越堊塞職稱副墊撞學(xué)位譴副指導(dǎo)教師單位名稱巒墊壟三基鱟堡堂瞳單位名稱盛墊壟三基鱟堡堂瞳郵編申請學(xué)位級別殛學(xué)科專業(yè)名稱整鍪蠢塹堡論文提交期!蘭生壘旦論文答辯日期!羔生三月:學(xué)位授予單位盛婆壟墨盤堂學(xué)位授予日期答辯委員會主席主:藍亟評閱人赳藍迅鯫元年月浮文一一嬲煳掣必獨創(chuàng)性聲明本人聲明,所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研
2、究工作及取得的研究成果。盡我所知,除了文中特別加以標注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名:碰日期:翌!叢多學(xué)位論文使用授權(quán)書本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認可的國家有
3、關(guān)機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文,并向社會公眾提供信息服務(wù)。(保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)研究生(簽名):名身色導(dǎo)師(簽名):舐衫舌期功口、弓(注:此頁內(nèi)容裝訂在論文扉頁武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面等獨特的優(yōu)點引起了相關(guān)領(lǐng)域的廣泛重視,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在的寬廣頻域上的大量的無線電設(shè)備中。微帶貼片天線是微帶天線的一種基本類型,是一種諧振型天線,通常只在諧振頻率附近工作。設(shè)計這種天線首先要保證它的諧振頻率不能發(fā)生偏離。貼片的形狀可以是任意的,但是能計算出輻射特性的幾何形狀是很有限的,本文選用矩形貼片來研究微帶天線。本文首先介紹了微帶天線比較常用的幾種分析方
4、法以及輻射原理,然后根據(jù)已有的經(jīng)驗公式,再結(jié)合高頻結(jié)構(gòu)仿真器()設(shè)計了一款中心頻率為的矩形微帶貼片天線。本論文給出了詳細的設(shè)計流程:根據(jù)理論經(jīng)驗公式初步計算出矩形微帶貼片天線的尺寸,然后在里建模仿真,根據(jù)仿真結(jié)果反復(fù)調(diào)整天線的尺寸,直到仿真結(jié)果中天線的中心頻率不再偏離為止。天線的尺寸確定后,由仿真得到天線的駐波比,反射系數(shù),增益,輸入阻抗等電參數(shù)。由輸入阻抗仿真圖,得知天線的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗并不匹配,這意味著在傳輸線的終端有功率被反射回來。阻抗匹配是天線系統(tǒng)中必須考慮的問題,針對這個問題,本文用了兩種阻抗匹配方法:一種是電容電感法,是在由應(yīng)用程序提供的史密斯圓圖下操作完成的,這里本文
5、提出了兩種電容電感的連接方式,從匹配結(jié)果來看,這兩種連接方式都使駐波比值接近理想值;另一種方法是微帶線法,這種方法是在微波電路仿真軟件一先進性設(shè)計系統(tǒng)()下以電路的形式完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,并用對所設(shè)計電路進行仿真,仿真結(jié)果表明:在天線的中心頻率處,天線的輸入阻抗值由匹配前的一歐姆匹配到了目標值歐姆。微帶天線固有的缺陷是窄帶性,它的窄帶性主要是受尺寸的影響,本文在不改變天線中心頻率的前提下,通過理論經(jīng)驗公式與仿真軟件的結(jié)合,給出了微帶天線比較合理的尺寸,最后仿真結(jié)果表明:在駐波比小于的條件下,在中心頻率附近,絕對頻帶寬度達到了,達到了設(shè)計初期的要求。關(guān)鍵詞:微帶天線矩形仿真史密斯圓圖阻抗匹配
6、,一,叩,:,:,砌,武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文(),:目錄摘要】目錄第章緒論課題研究背景微帶天線發(fā)展歷史與優(yōu)缺點微帶天線的應(yīng)用微帶天線應(yīng)用在可移動衛(wèi)星通信中微帶天線應(yīng)用在空間技術(shù)中內(nèi)部集成的微帶天線應(yīng)用在蜂窩電話以及其他手持便攜式通信設(shè)備微帶天線發(fā)展方向。寬頻帶技術(shù)的研究。超寬頻技術(shù)的研究。雙頻以及多頻化的研究微帶天線小型化的研究微帶天線的分類本文的主要:作第章微帶天線理論微帶天線的分析方法傳輸線模型法:。矩量法()。腔模理論有;艮元法矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求矩形微帶貼片天線的輻射原理矩形微帶天線尺寸的確定確定介質(zhì)板確定輻射片寬度形確定輻射片長度。確定基板尺寸電參數(shù)頻帶寬度形輸入阻抗駐波
7、比方向圖矩形微帶天線的饋電方法。微帶線饋電同軸線饋電本章小結(jié):第章矩形微帶貼片天線的設(shè)計以及仿真所設(shè)計的天線性能指標微帶線介釕歐姆微帶線寬度的確定介紹;歐姆微帶線寬度的計算微帶天線尺寸的確定基板材料的確定介質(zhì)基板厚度的確定貼片寬度的確定貼片長度的確定饋電位置的確定仿真軟件仿真軟件的介紹仿真流程矩形微帶貼片天線仿真結(jié)果以及分析參數(shù)顯示設(shè)置。仿真結(jié)果的分析本章小節(jié)第章矩形微帶貼片天線的阻抗匹配設(shè)計;言阻抗以及阻抗匹配的定義阻抗匹配方法側(cè)饋下天線阻抗匹配方法電容電感匹配法史密斯圓圖的介紹天線的阻抗匹配過程微帶線阻抗匹酉己法微帶線匹配原理微帶線匹配具體過程本章小結(jié)第章總結(jié)與展望致謝??;參考文獻作者在攻
8、讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文:武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文課題研究背景第章緒論美國是世界上第一個實施全球定位系統(tǒng)的國家,美國于年開始實施,在年正式建成和使用。它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域,不僅能為近地空間和地球表面的用戶提供高精度的導(dǎo)航信息服務(wù),還能為陸地車輛、海上艦船、航空航天飛行器提供導(dǎo)航服務(wù),另外在石油勘探、大地測量、移動通訊等領(lǐng)域也發(fā)揮其獨特的作用。繼美國之后,俄羅斯也耗資個億打造自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)()。歐洲也在年制定了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(),并在年開始使用。我囡也高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè),一直在努力探索和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。年,中國“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建成運行,成為繼美國、俄
9、羅斯之后世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在測繪、電信、水利、交通運輸、減災(zāi)救災(zāi)和國家安全等諸多領(lǐng)域,經(jīng)濟效益和社會效益顯著,特別是在年我國南方冰凍災(zāi)害、汶川特大地震抗震救災(zāi)和北京奧運會中發(fā)揮出非常重要的作用。預(yù)計我國的“北斗在年覆蓋我國及周邊地區(qū)區(qū)域的導(dǎo)航服務(wù),年完成全球的部署瞳】。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,天線作為接收和發(fā)射電磁波的設(shè)備,是無線通信的一個關(guān)鍵部件,國內(nèi)很多研究院和高校都在進行衛(wèi)星定位用天線的研究。一般的用在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的天線,對其大小和形狀都有比較嚴格的規(guī)定,一般選用體積小且重量較輕的天線,另外,在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,為了能接收天線地平以上五度視野內(nèi)所有天空中的
10、可見衛(wèi)星信號,人們希望所用的天線是全向天線】。微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面、全向性、能與載體共性等獨特的優(yōu)點,在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中有很多應(yīng)用。徽帶天線發(fā)展歷史與優(yōu)缺點早在年微帶天線的概念就已經(jīng)被提出來了,但在當(dāng)時并沒有引起相關(guān)領(lǐng)域的足夠重視。一直到上世紀的六十年代才開始有了一些研究,直到七十年代微帶天線才得到真正的發(fā)展和運用。后來因為微波集成技術(shù)的發(fā)展和大量低武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文耗介質(zhì)材料的出現(xiàn),促進了微帶天線在工藝上的制作技術(shù);由于空間技術(shù)的發(fā)展急需剖面較低的天線元,所以微帶天線真正引起相關(guān)領(lǐng)域的廣泛重視是在世紀年代以后,特別是年第一批實用天線的出現(xiàn),隨后關(guān)于微帶天線各相關(guān)領(lǐng)域不僅發(fā)表
11、了大量的學(xué)術(shù)報告,而且出版了專集和召開了專題的會議,尤其是在世紀后期,開始了對分形天線在多頻段工作的特性的研究和工程上的應(yīng)用。自此以后各種各樣的微帶天線已經(jīng)在多普勒雷達、導(dǎo)彈遙測技術(shù)、生物工程以及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了十分廣泛的運用。這表明微帶天線已經(jīng)在天線研究中占有一席之地。微帶天線最開始應(yīng)用于導(dǎo)彈和火箭上,是作為共形全向天線使用的?,F(xiàn)如今已經(jīng)應(yīng)用在更寬廣的頻域范圍上的無線電設(shè)備中,頻域范圍大約為。微帶天線之所以能得到廣泛的應(yīng)用,是由它獨特的優(yōu)點決定的,當(dāng)然它并不是完美無缺的,我們將其與微波天線相比,簡單介紹它的優(yōu)缺點。微帶天線和常用的微波天線相比較,它有以下一些突出的優(yōu)點隅:()重量較輕,體
12、積比較小,剖面低,能與飛行器等載體共形。()容易制作和調(diào)制,制作成本較低,適合大批量生產(chǎn)。()容易集成化的性能,在毫米波段的應(yīng)用有很大的優(yōu)勢。()電性能多樣化,通過改變微帶元的設(shè)計,可以很方便的得到各種極化方式,也可以實現(xiàn)雙頻以及多頻化。與微波天線相比,微帶天線也有一些不足之處,主要表現(xiàn)在如下幾點【:()損耗比較大,從而導(dǎo)致效率也不高。()介質(zhì)基片對性能影響比較大,這是因為受到工藝條件這一因素的限制,大批量生產(chǎn)出來的介質(zhì)基片的一致性和均勻性有不足,從而使大型天線陣的構(gòu)建和微帶天線的大批量生產(chǎn)受到了影響。()相對帶寬比較窄,這也是微帶天線固有的缺陷,特別是諧振式微帶天線。()單個微帶天線的功率容
13、量一般都比較小。目前,微帶天線的缺點正在研究克服中,有的已經(jīng)得到改善,盡管微帶天線存在著諸多不足,但是它獨特的性能決定了它廣泛的應(yīng)用前景。微帶天線的應(yīng)用我們都知道天線對信息的傳輸起到了無可替代的作用。隨著社會的發(fā)展和進步,我們對信息的傳輸提出了更高的要求,因此天線也是在不斷發(fā)展和應(yīng)用的。在我國,雖然有線網(wǎng)得到了迅速的發(fā)展,但是,我國大部分人口居住在偏遠的農(nóng)村,有線網(wǎng)往往不能完成信號在這些偏遠地區(qū)傳輸?shù)娜蝿?wù),無線傳輸才是最好的選擇。微帶天線以其獨特的優(yōu)點,即可應(yīng)用在室外也可應(yīng)用在室內(nèi),還可以集成到無線電設(shè)備內(nèi)部,它的尺寸可大可小,其在無線電設(shè)備中的應(yīng)用的優(yōu)勢是很明顯的。在電視技術(shù)領(lǐng)域,電視已經(jīng)在
14、農(nóng)村得到了普及,甚至高清晰度電視也走進了千家萬戶,可以肯定的是微帶天線的發(fā)展和應(yīng)用將會有著非常廣闊的市場前景。微帶天線應(yīng)用在可移動衛(wèi)星通信中對于可移動衛(wèi)星通信系統(tǒng),地面車用天線需要在方位角覆蓋范圍為。,并且在低俯仰角上要有較高的增益的圓極化天線,在文獻中介紹到了一種圓環(huán)貼片微帶天線,其特點是結(jié)構(gòu)簡單、剖面比較低且造價比較便宜。這種天線總的高度是。它的特點是在圓環(huán)貼片上有一個寄生單元,它的作用是用來降低阻抗,展寬帶寬。它在三波段能夠得到或更小的軸比、秒一。一。、的帶寬()的圓錐狀的方向圖。這種天線在日本是一種很有用的車用天線。微帶天線應(yīng)用在空間技術(shù)中海洋衛(wèi)星和航天飛船成像雷達()的前三代(、)系
15、統(tǒng)都使用了微帶天線陣列,這種微帶天線陣列都是平面結(jié)構(gòu)。波段合成孑徑雷達()是第三代航天飛船成像雷達系統(tǒng)的補充,這種天線是工作在(波段)、長為米、寬為米的平面縫隙波導(dǎo)陣。航天飛船成像雷達的第三代()可工作在(三波段)和(波段),其波段和波段的面板都是由微帶貼片組成的面陣。內(nèi)部集成的微帶天線應(yīng)用在蜂窩電話以及其他手持便攜式通信設(shè)備便攜式的無線通信設(shè)備通常有以下幾類:蜂窩電話、個人通信業(yè)務(wù)()、機存儲卡國際協(xié)會()尋呼卡、無繩電話、尋呼機以及無線調(diào)制解調(diào)器。這些設(shè)備一般都是手持的,所以要求尺寸小、重量較輕的天線,同時還要求人體對天線輻射的吸收以及對天線性能的影響要比較小。另外,為了美觀也為了減小占用
16、空間,我們可把天線集成在塑料盒里和印制電路板上,尤其是在便攜式設(shè)備中,這樣做是很有必要的。最有希望滿足這些要求的技術(shù)便是使用內(nèi)部集成的天線,比如微帶天線。微帶天線發(fā)展方向隨著微帶天線的理論技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對微帶天線研究的越來越深入,目前微帶天線主要的研究集中在一下幾個方面:寬頻帶技術(shù)的研究、超寬頻技術(shù)的研究、雙頻以及多頻化的研究、微帶天線小型化的研究等。寬頻帶技術(shù)的研究眾所周知,微帶天線的致命缺點是頻帶窄,這是由于它是一種諧振式天線,它的諧振特性相當(dāng)于一個高值的并聯(lián)諧振電路,因此要想使微帶天線的帶寬有所增加,應(yīng)該從降低它的值入手。文獻中給出了幾種降低值的幾種方法:增大基本厚度,降低基板相對
17、介電常數(shù);改變天線的結(jié)構(gòu),具體途徑有:附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、采用非線性調(diào)整元件、采用多層結(jié)構(gòu)以及采用貼片或接地板“開窗”;采用非常規(guī)的基板形狀或非線性基板材料。超寬頻技術(shù)的研究超寬帶()無線電傳輸技術(shù)是目前國際上正在蓬勃發(fā)展的一種無線通信技術(shù),超寬帶通信可以緩解目前越來越緊張的頻帶資源的壓力,成為產(chǎn)業(yè)界和通信界研究的重點。其實超寬帶早在年就作為軍用雷達技術(shù)開發(fā)出來阿,從功能和形式上,超寬帶天線可以分為四種:非頻變天線、小尺寸天線、喇叭天線、反射鏡天線。設(shè)計超寬帶天線兩個最重要的指標是要有較低的駐波比和固定的相位中心,超寬帶天線設(shè)計的難點是需要設(shè)計的天線有良好的阻抗帶寬。年月,批準了技術(shù)用于民用,規(guī)
18、定其工作頻率范圍為一【。雙頻以及多頻化的研究目前使微帶天線雙頻化通常有三種方法:()多貼片,()槽加載,()集總元件加載。這三種方法中,采用槽加載方法是最簡單的方法,在單層微帶天線上就可以實現(xiàn)雙頻,而且制作也比較簡單。而多貼片和集總元件加載會使天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。實現(xiàn)多頻化的方法主要有:()采用多層重疊貼片結(jié)構(gòu),形成多個諧振器,從而產(chǎn)生多頻段特性;()采用分形概念設(shè)計天線,分形具有空間填充屬性和自相擬屬性,幾何結(jié)構(gòu)的自相擬屬性決定了它的多頻帶性質(zhì);()采用多個輻射單元,構(gòu)成多頻點諧振式的微帶天線隨】。微帶天線小型化的研究天線的小型化是指在一定的工作頻率上,在不改變天線各項性能的前提下,盡量使微帶
19、天線的尺寸最小化。針對不同的小型天線(比如螺旋天線、縫隙天線等)有不同的小型化方法到。文獻介紹了具體到微帶貼片天線小型化方法:采用平面倒結(jié)構(gòu)以及倒結(jié)構(gòu),增加介電常數(shù)、曲流、加載。微帶天線的分類如前面所述,微帶天線從不同角度可以分成很多種類。一般說來,微帶天線的基本類型分為四大類:微帶振子天線、微帶縫隙天線、微帶行波天線以及微帶貼片天線。其中微帶振子天線、微帶縫隙天線以及微帶貼片天線是諧振型天線,有特定的諧振尺寸,通常只能在諧振頻率附近工作;微帶行波天線是非諧振型天線,它的末端需要加匹配負載來保證傳輸行波。微帶振子天線主要分為兩種類型:一種是細線振子天線,是把細線振子鑲嵌在一個介質(zhì)基片上,這個介
20、質(zhì)基片比較薄,然后把介質(zhì)基片接地。細線振子的直徑遠小于波長,橫截面是圓形的,其長度與波長可以比擬,如圖()所示。另一種是矩形微帶振子天線,它的結(jié)構(gòu)與矩形微帶貼片天線很相似,可看成是由矩形窄條構(gòu)成的,如圖()所示。()細線微帶振子天線()矩形微帶振子天線圖微帶振子天線()()地扳微帶縫隙天線是在接地板上開窗構(gòu)成輻射器,也就是我們說的縫隙,通過印制在介質(zhì)基板另一面的微帶線對縫隙饋電,其形狀如圖所示。縫隙的形狀也有很多種,微帶縫隙天線可以分成寬縫和窄縫兩種,當(dāng)縫寬與波長可相比時為寬縫天線,當(dāng)縫寬遠小于波長時為窄縫天線。接地板圖微帶縫隙天線,微帶行波天線一般為傳輸特殊模式的結(jié)構(gòu)或為周期結(jié)構(gòu)。它在傳輸電
21、波的同時不斷的向空中輻射。微帶行波天線有很多類型:。模微帶行波天線,壁壘形天線,鏈形微帶行波天線、周期切割微帶行波天線等。圖為上述幾種微帶行波天線的結(jié)構(gòu)圖。()模微帶行波天線,一二一王()壁壘形天線的結(jié)構(gòu)武漢理工大學(xué)碩學(xué)位論文()鏈形微帶行波天線負載()周期切割微帶行波天線圖各種微帶行波天線()()()微帶貼片天線由接地板、介質(zhì)基片和介質(zhì)基片上的輻射貼片構(gòu)成的,其中輻射貼片可以是任意的幾何形狀,但是只有有限的幾何形狀能計算出輻射特性,比如矩形,圓形,橢圓形,三角形、半圓形、正方形等比較規(guī)則的幾何形狀,其中矩形和圓形貼片的研究最多,可以作為單獨的天線使用也可以作為陣元使用。當(dāng)然在實際應(yīng)用中,也有
22、矩形和圓形貼片達不到要求的情況,這就促使了人們對各種幾何形狀微帶貼片天線的研究,圖一給出了部分處于研究中的微帶貼片天線的幾何形狀。本文選用矩形微帶貼片天線最為研究對象,期待以此為基礎(chǔ),進一步研究形狀更為復(fù)雜的微帶貼片天線??诙斂煽诳趫D各種形狀的微帶貼片武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文本文的主要工作微帶天線適合用在組合式設(shè)計中,如混頻器,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機等,本文設(shè)計了一款用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的中心頻率為的矩形微帶貼片天線,根據(jù)已有的理論經(jīng)驗公式計算出了天線的尺寸,然后利用公司的仿真軟件對其進行了仿真,根據(jù)仿真結(jié)果對根據(jù)理論經(jīng)驗公式計算出的天線的尺寸進行了修改,最終使天線的中心頻率為。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的
23、矩形微帶貼片天線的輸入阻抗與饋電系統(tǒng)的特性阻抗并不匹配,運用以及史密斯圓圖對天線的輸入阻抗進行了匹配設(shè)計,提出了三種匹配方式:并聯(lián)電容串聯(lián)電感法和并聯(lián)電感一串聯(lián)電容法,微帶傳輸線法。這三種匹配方式都很出色的使矩形微帶貼片天線的輸入阻抗與饋電系統(tǒng)的特性阻抗匹配。本論文工作安排如下:第一章首先闡述了論文的研究背景以及微帶天線的發(fā)展歷史以及優(yōu)點和缺點,然后綜述了微帶天線的應(yīng)用以及微帶天線的主要發(fā)展方向和微帶天線的種類,最終確定本文的研究對象為矩形微帶貼片天線。第二章首先介紹了微帶天線常用的幾種分析方法,因為本文研究的對象是矩形微帶貼片天線,又因為傳輸線法只適合分析矩形微帶貼片天線和微帶振子天線,所以
24、選用傳輸線法分析矩形微帶貼片天線,再者,是以有限元法為基礎(chǔ)的,所以是傳輸線法與有限元法結(jié)合起來分析矩形微帶貼片天線的。然后本章還討論了矩形微帶貼片天線尺寸的設(shè)計、微帶天線的電參數(shù)以及常用的兩種饋電方式。第三章主要介紹了運用對矩形微帶貼片天線仿真的具體過程以及在仿真中采用的分析方法,最后給出了天線幾種參數(shù)的仿真結(jié)果,對仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),除了阻抗不匹配外,其他參數(shù)的仿真結(jié)果都取得了預(yù)期的結(jié)果。第四章首先介紹了阻抗以及阻抗匹配的定義以及常用的阻抗匹配方法。電容電感法中采用了并聯(lián)電容一串聯(lián)電感法和并聯(lián)電感一串聯(lián)電容法兩種匹配方式,這兩種連接方式都是在斯密斯圓圖中完成的。微帶線法是在中完成的,從匹配后的
25、結(jié)果來看,這三種方式都取得了很理想的成績。第五章是對本文的總結(jié)和展望。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第章微帶天線理論微帶天線的分析方法微帶天線在進行工程設(shè)計時,與其他天線一樣需要對天線的一系列性能參數(shù)進行預(yù)算,這種做法可以使天線的制作質(zhì)量和效率大大提高,并且可以使研制成本大大的降低。近年來許多作者致力于這種理論工作的研究,獲得了顯著的成就。如今比較成熟的分析微帶天線的方法有很多,比如格林函數(shù)法、積分法、傳輸線法、腔模理論和矩量法等,這些方法各有長短互相補充。每種方法并不是千篇一律的,每種方法可能只適合一種或幾種微帶天線。通常使用的微帶天線的帶寬都比較窄,主要是因為其輸入阻抗對頻率的變化比較敏感,又因
26、為微帶貼片天線是通常只工作在諧振頻率附近,所以研究微帶天線的阻抗特性和諧振頻率就顯得十分關(guān)鍵,它也是評價分析方法好壞的一個重要依據(jù)。用以上各種方法分析微帶天線的方向圖,除特殊情況外,得到的結(jié)果最后都差不多是一致的,尤其是主波束,所以以下我們主要介紹微帶天線輸入阻抗的分析方法。傳輸線模型法:傳輸線模型法是出現(xiàn)比較早的分析微帶天線的方法,也是眾多方法中最簡單的方法。這種方法的前提是采用了兩條基本假設(shè),這里將根據(jù)圖這種方法的物理模型來介紹兩條基本假設(shè)鉑:()假設(shè)在由接地板和微帶片構(gòu)成的微帶傳輸線上傳輸?shù)氖菧什?,而波的傳輸方向由饋電點決定,把準波的波長用。來表示,線段長度三的值大約為半個波長,即三一。
27、場的分布在垂直方向(圖中對應(yīng)的是寬度方向)上是常數(shù),而在傳輸方向上為駐波分布的。()把傳輸線的始端和末端看作是兩個輻射縫隙,長度是圖中的形,寬度是圖中的,傳輸線的開口端的場強即為縫隙的口徑場。如果把縫的平面看成與微帶片的平面共面,那么開口面就從原來的方向向上翻轉(zhuǎn)了。武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文縫圖傳輸線法物理模型根據(jù)兩條基本假設(shè),當(dāng)時,兩個縫隙的切向電場都為圖中的方向,并且它們的幅度是相同的。把它們等效看作是磁流,這里有接地板的作用,根據(jù)鏡像原理,可將縫隙上等效的磁流密度用下面的表達式表示出來:厶一)()其中甜是傳輸線開口端的電壓。這種方法的方便之處就是,因為縫隙已經(jīng)平放,所以在計算上半空間的輻射
28、場時,可以按照自由空間來處理。傳輸線法在各種方法中是最直觀最簡單的方法,它是利用端縫輻射的概念簡單明了的說明了輻射機理,但是這種方法也有它的局限所在,由于傳輸線模式的限制,只適合應(yīng)用矩形微帶天線貼片天線和微帶振子天線。對于矩形微帶貼片天線,傳輸線模式其實就相當(dāng)于腔莫理論中的基膜,在諧振頻率處,場的分布情況與實際情況很靠近,計算參量在工程精度要求之內(nèi),但是當(dāng)失諧大時,計算的場分布與實際情況相差就比較大了,這時計算結(jié)果就不準確了?,F(xiàn)在已經(jīng)針對基本的傳輸線法對諧振頻率預(yù)測不夠準確這一問題提出了一些修正方法,比如等效伸長微帶片的長度,這種方法可以有效的將誤差減小到以內(nèi)。除此以外,傳輸線法還有一個主要缺
29、點,輸入阻抗隨著頻率變化的曲線除了在諧振點準確以外,在其他頻率上都不準確。這主要是因為傳輸線的模型是一維的,所以當(dāng)饋電點的位置在圖中的寬度方向也就是與波的垂直方向上變化時,它的阻抗值并不會跟著發(fā)生改變;另外由于傳輸線模型可看成是單震蕩回路,所以阻抗特性在諧振頻點附近是關(guān)于諧振頻點對稱的,阻抗曲線用圓圖表示出來是關(guān)于實軸對稱的,以上這兩點都是與實驗很不相吻合的。實驗驗證表明,武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文饋電點的二維位置決定著阻抗曲線的變化,實驗表明,當(dāng)饋電點在邊緣時,阻抗陸線是對稱分布的,當(dāng)饋電點的位置移向中心時,不對稱現(xiàn)象就會變得明顯,這種實測與計算的偏差是因為微帶天線除了最低階的傳輸線模式以外,
30、還存在著其他高次模式場,一旦失諧,這些高次模式就會凸顯出來。一般說來,傳輸線法比較適合用于在輻射邊附近饋電,而且要求饋電點位于該邊的對稱軸上,在這種情況下計算出來的阻抗曲線才有較大的參考價值。矩量法()應(yīng)用矩量法來分析微帶天線是常用的方法。矩量法()在電磁場分析中有著廣泛的應(yīng)用,其概念很簡單,基本上是用未知場的積分方法去計算給定煤質(zhì)中場的分布。在微帶天線用矩量法計算時,有譜域矩量法和空間域矩量法兩個相對的概念。也就是在我們在用矩量法求解時,所進行的計算是在譜域進行的還是在空間域進行的。因為應(yīng)用在微帶天線上的積分方程實際上是一個空間域的積分方程,用矩量法在空間域計算好像是直截了當(dāng)?shù)?,所以?yīng)該稱之
31、為空間域矩量法更為準確。但不要忘記了在積分方程中還有格林函數(shù)的存在,格林函數(shù)的最嚴格的表示方式為無限譜,所以運算也有可能是在譜域進行的。只有在格林函數(shù)沒有涉及到譜域表達方式的情況下,才可以看作是純粹意義上的空間域矩量法副。由于接地板與微帶片之間存在基片,不通過譜域變換就直接建立空間,格林函數(shù)是難以實現(xiàn)的。所以在運用空間域矩量法時常常采用一些近似的步驟,比如介質(zhì)板的修正、空氣介質(zhì)微帶的近場等。這種方法一般是和積分方程法結(jié)合起來分析微帶天線的,而由于積分方程法發(fā)展的比較晚,但是又由于它的使用靈活性和嚴格性,目前正受到國內(nèi)外許多作者的關(guān)注。腔模理論腔模理論是羅遠芷在年提出來的,這種理論方法是基于微帶
32、諧振腔分析發(fā)展起來的,因為微帶諧振腔與諧振式的微帶天線在形狀上沒有很大的差別,所以可以借用微帶諧振腔理論來分析矩形微帶貼片天線:諧振腔理論是通過規(guī)定邊界條件來找出一個主模,然后計算出諧振頻率和輸入阻抗等,這種方法應(yīng)用在微帶天線上,我們稱之為單模理論。與傳輸線法一樣,單模理論的應(yīng)用也是有限制的,為了改進,出現(xiàn)了多模理論,與單模理論相比,它是用無限武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文正交模來描述腔內(nèi)場的,這樣能更準確代表腔內(nèi)場。當(dāng)然這種方法也不是完美無缺的,它也有缺點:()這種理論是把空腔內(nèi)場看成是二維的,所以只適合用于薄基片,如果基片過厚,就會造成誤差。()因為引入了邊界導(dǎo)納,而往往又很難確定邊界導(dǎo)納,只能
33、采用近似計算,所以腔模理論要修正才可以得到比較準確的結(jié)果。同傳輸線法一樣,用基本的腔模理論來分析腔內(nèi)場時也做了兩條假設(shè):()因為腔的高度遠小于波長(墨),可以認為空腔內(nèi)的場分布只有分量,且它不會隨著變化而改變,并且還假設(shè)日,為常數(shù),所以腔內(nèi)的場是一個與沒有關(guān)系的二維場,在軸上,空腔內(nèi)就只有波。()由于微帶片的邊界上無垂直于邊界的片電流分量,所以可以把空腔側(cè)壁看成是磁壁,也就是把諧振腔的上下兩面看成是電壁,四周看成是磁壁的腔體。雖然這里把腔的側(cè)壁等效成磁壁,但是它仍是連續(xù)空間的一部分。在計算外部空腔場時,側(cè)壁上的,可以看作是磁流。用公式表達為:一一三昌色:刀()上述兩個基本假設(shè)如果用更為嚴密的理
34、論來檢驗,就會很容易看出它的近似的地方:這里僅有刪波和二維場以及側(cè)壁上切向的磁場為零都是近似所得,是因為在邊界處的內(nèi)壁面上,法向電流嚴格說來并不為零,而是外壁和內(nèi)壁的法向電流的和才為零,顯然是省去了外壁的法向電流。只有在條件下才近似為零。從上面的討論我們會發(fā)現(xiàn)這種理論在應(yīng)用上的限制,由此可以看出,這一條件是非常重要的,當(dāng)這個條件得不到滿足時,上面兩條基本假設(shè)就要做修改。對于矩形微帶天線,貼片的諧振頻率計算公式為【】:厶。素()上式中,和分別為矩形貼片的長度和寬度,。為等效介電常數(shù),為光速。在工程應(yīng)用中,矩形貼片天線通常工作在主模,它的主模為。有限元法有限元法最早出現(xiàn)在上個世紀的四十年代,直到年
35、,現(xiàn)代有限元法才首次成功應(yīng)用在彈性力學(xué)平面問題上,隨后電磁學(xué)在六十年代逐漸興起,它成功的應(yīng)用到這個領(lǐng)域之中,與前面介紹的矩量法相比,有限元法就顯得復(fù)雜的多,不容易實現(xiàn)程序化。但是在處理非單一煤質(zhì)和復(fù)雜形體時,往往就表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)點來,所以它也廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。目前有限元分析軟件也有很多,比如、等。本文仿真軟件選用的是,所以這里很有必要簡介一下有限元法。對于介質(zhì)基片比較薄的微帶天線,我們可以把內(nèi)場看成是二維的,這樣可以簡化計算。對于微分方程劬()其中為已知函數(shù),工為線性算子,廠為未知函數(shù),這個式子表示線性算子作用于未知函數(shù)廠的微分運算。對于理想問題,廠表示的是對源產(chǎn)生的響應(yīng),的意義是激勵源
36、,三不同,所代表的物理系統(tǒng)也不同,從而產(chǎn)生的響應(yīng)也不同。事實上有限元法是在由里茲變分法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,因此可以用()表示的微分方程證明,定義域內(nèi)不為零的函數(shù)廠,如果恒有(巧刀,那么方程()的解法與下面所給出的的泛函的變分的解法是一樣的:()篇(矽,)(,)()事實上里茲變分法是把分解成在域內(nèi)的解線性無關(guān)的基函數(shù)系列:歹蠱,療()把上式代(外,泛函的變分就可以化成下面的極值問題:蘭幽。,。療()這樣一來就把二次微分方程的求解化成了求解線性代數(shù)方程組的問題,用矩陣將方程組求逆,就能得到系數(shù)矩陣口,進而可以得出的一個穩(wěn)定的解。里茲法一般要求算子為正定算子或是正算子,但在建立變分式時這種要求可有可
37、無,除了上述兩種算子之外,還有其他形式的算子,為了確保近似解收斂,里茲法里選用的基函數(shù)一定要在全域內(nèi)都解析,由于這樣的基函數(shù)在數(shù)學(xué)物理問題中不容易找到,所以里茲法的應(yīng)用受到了很大的限制。有限元法是從里茲變分法發(fā)展起來的,它的基本原理是:把連續(xù)的區(qū)域分成有限個不重疊的單元,在每個單元內(nèi)提出一個基函數(shù),每個單元內(nèi)的基函數(shù)只在本單元內(nèi)解析,最后把所有單元組合起來,這種組合區(qū)域是原有區(qū)域的近似。有限元法可以采用不同形狀來劃分區(qū)域,對于二維的問題,可以用矩形域、三角形等形狀來劃分區(qū)域,其中應(yīng)用最廣的是采用三角形域。對三維問題而言,單元可以用六面體、四面體等來取得。每個單元的具體形狀沒有一定的要求,可以根
38、據(jù)具體的問題來靈活的處理。下圖表示二維問題單元采用三角形域劃分。,圖有限元法單元的劃分單元內(nèi)基函數(shù)的選取也是有很多種的,為了方便計算,常常選用多項式,具體到三角形單元,可以選用一次多項式:(,)篁,()上式中的,表示的是相對應(yīng)的第個單元的系數(shù),表示的是這個單元內(nèi)的坐標。如果把三角形的頂點看作結(jié)點,上式中的三個未知系數(shù)可以用三個結(jié)點處的函數(shù)既,),既,耽),既(黽,弘)來表示為:彳(五力(五力最心(葛力最(為力忍()從上式可以看出前面的系數(shù)都是,的一次多項式,它們僅僅只用在單元內(nèi),在單元外都為零,在第一個結(jié)點上,此時。的值為,的值都為零。其他各點同理,所以把,稱為相對應(yīng)結(jié)點的基函數(shù)。同理,可以規(guī)
39、定每個單元的基函數(shù),并且用()來表示,因為在相鄰的兩個單元有公共的結(jié)點,而一個結(jié)點只有一個函數(shù)值,所以這些公共結(jié)點就把分片解析函數(shù)連續(xù)起來了,隨之相對應(yīng)的基函數(shù)也就連成一個整體了,這樣對于區(qū)域來講,每個結(jié)點只有一個基函數(shù),寫成全域形式為:歹一,釬()上式中表示的是結(jié)點總數(shù),求解時只要把()代替式()代入(),化武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文為代數(shù)方程即可。因為每個單元的基函數(shù)只在本單元內(nèi)解析,所建立的矩陣方程大多數(shù)元素為零,也就是稀疏矩陣。有限元法的優(yōu)點是不論所討論的物理模型多么復(fù)雜,只要單元劃分得當(dāng)以及選擇合適的基函數(shù),就可以使人明嘹。在用有限元法求解微帶天線時,通常解只適用于內(nèi)場,這是因為微帶片面積是有限的,從而結(jié)點數(shù)目不需要太多,再得到內(nèi)場的解后,天線的諧振模輸入阻抗、諧振頻率等都可以直接求得,對于外場,也可以通過內(nèi)場求解出。所以,要在邊界處規(guī)定導(dǎo)納邊界條件,將內(nèi)外區(qū)域分離開。矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求矩形微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)圖如圖所示:設(shè)計
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