微波仿真論壇_貼片天線研究

1、電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班貼片天線研究第一部分 天線的基本知識2第二部分 貼片天線設(shè)計 11第三部分 貼片天線的應(yīng)用24第四部分 貼片天線的性能以及SAR的分布31附錄 38小組成員：李黎軒 冷繼男鐘頤華 劉 同2004年1月2日電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班第一部分 天線的基本知識總括天線是我們在設(shè)計射頻系統(tǒng)時所需考慮得最后一部分內(nèi)容。然而可不能小視天線的重要作用，輕敵將導(dǎo)致設(shè)計前功盡棄。天線作為無線傳輸?shù)囊徊糠?，它的作用概括起來說是傳送與接受電磁場能量。在第一部分中，我們將介紹天線的最基本知識，以指導(dǎo)接下來貼片天線的設(shè)計。定義天線

2、是一個具備傳輸與發(fā)送電磁能量的導(dǎo)電元件。天線能夠?qū)㈦姶拍芰哭D(zhuǎn)化為電磁場傳播出去，同時又能夠通過將空間中的電磁場轉(zhuǎn)化為電磁能量來接收電磁波。如何在同一天線上實現(xiàn)電磁能量的接收（receive）與傳播(transmit)是天線的一個重要屬性.天線的主要特征參數(shù)有：天線的中心頻率（center frequency）、帶寬(bandwidth)、天線的極化(polarization)、天線增益gain、輻射模型(radiation pattern)、阻抗(impedance)。傳輸線的特征參數(shù)Lambda Wavelength（單位：米）在自由空間中傳播的電磁場，速度為光速。即c=3.0010m/s.

3、 8VSWR Voltage Standing Wave Ratio，電壓駐波系數(shù)dB Decibel 分貝的引入為在使用中表示方便dBm dBm 表示功率，相對于1 mw為基準(zhǔn)定義dBi 天線增益，以等方向天線為參考電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班天線的理解在我們的報告里只針對天線的最基本現(xiàn)象進行描述，因為這樣已經(jīng)足以滿足接下來的設(shè)計要求。圖1-1為電場E、磁場H方向圖。一根通電的直導(dǎo)線產(chǎn)生了電場E及磁場H。電場與磁場是相互垂直的。電場E的方向與電磁場的極化方向一致。Fig.1- 1: 電磁波的傳播天線可被視作一個被動的RLC網(wǎng)絡(luò)，他同任何的RLC網(wǎng)絡(luò)一樣，當(dāng)外電路

4、的頻率同它的中心頻率一致時，網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生諧振阻抗值。Smith原圖將有利于我們分析問題，因為在圓圖上我們能夠看到天線在各個頻率時的阻抗值，同時通過圓圖能夠非常方便的實現(xiàn)天線與傳輸線的阻抗匹配。要使天線工作在最有效的狀態(tài)，需要兩個條件（1） 諧振（resonance）：當(dāng)天線工作在中心頻率時，其阻抗值為一實數(shù)即為諧振阻抗。那么我們應(yīng)該將中心頻率設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率上，這樣才能在工作頻率內(nèi)獲得對我們有用的諧振阻抗（2） 匹配：（天線與傳輸線的匹配即指天線的阻抗與傳輸線的特征阻值相同，這樣才能使天線在接口處得到所有的電磁能量。否則，將產(chǎn)生駐波，那么將會有一部分電磁能量被反射回發(fā)射機。）VSWR即,決定了沒

5、有被發(fā)射機反射的電磁能量的大小。天線既可以輻射電磁能量，但是也可以將電磁能量以熱能的方式消耗。（需要指出的是，隨著天線上述提出的天線的特征參數(shù)，在實際應(yīng)用中很可能會做出重大的調(diào)整，我們在這里所說的僅僅是最接近的）電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班電磁場傳輸?shù)膸讉€量24Pr=PGG(/4)(1/d) ttr其中 Pr 是接收到的功率 (dBm)Pt 天線的發(fā)射功率 單位dBmGt 天線的發(fā)射增益 單位dBGr 接收機的增益 單位dB只有在滿足以下幾個條件是上述方程式才適用 遠(yuǎn)區(qū)場，例如d>2D2/其中D是天線發(fā)射機的直徑。在實際應(yīng)用中，考慮到工作頻率，d至少應(yīng)為34

6、倍以上的距離。由于地球表面的曲線，天線的發(fā)射與接受距離受到了光傳播的限制在城區(qū)，可能會由于以下幾種效應(yīng)對傳播造成不利影響3、1、多徑效應(yīng)（Multi-path effect）。電磁波在多個建筑物表面發(fā)生多次反射，這樣會導(dǎo)致接收端收到多路回波（我們在房間內(nèi)，或者在建筑物密集的街道中接收到的手機信號就是有這類效應(yīng)）4、2、多徑衰落（Multi-path fading）。接收機所接收到的信號是通過不同的直射、反射、折射等路徑到達接收機。由于電波通過各個路徑的距離不同，因而各條路徑中發(fā)射波的到達時間、相位都不相同。不同相位的多個信號在接收端疊加，如果同相疊加會使信號幅度增強，而反相疊加則會削弱信號幅度

7、。這樣接收信號的幅度將會發(fā)生急劇變化，從而導(dǎo)致多徑衰落。當(dāng)電磁波在物體表面發(fā)射以后，他將產(chǎn)生180度的相移，發(fā)射。波與入射波疊加，將導(dǎo)致電磁波的衰減5、衰減增加（Increase of attenuation），當(dāng)電磁波在水泥墻之間或者窗戶之間傳34播時，衰減將加劇，參數(shù)1/d將被衰減為1/d 或者1/d目標(biāo)的自由空間范圍應(yīng)2該事先指定。但是實際的測量應(yīng)該視實際情況而定天線的種類不同的天線有不同的屬性，我們將根據(jù)實際需要來決定用何種天線?？偟膩碚f，天線的工作效率是與天線的體積有關(guān)的，同時天線的大小也與波長有關(guān)。這么說來，一段很短的，工作在較低頻率下的天線，它的工作效率將非常低。參考天線 （Re

8、ference antenna）該天線的輻射模式是等方向性的，也就是說它在x、y、z軸上輻射都是均勻的。由于它是我們所分析的天線的參考標(biāo)準(zhǔn)，因而我們定義它的增益G=0dBi顯然，它僅僅是一個理論模型，因為在實際應(yīng)用中等方向輻射同電磁振蕩的本質(zhì)不符。雖然如此，但是它還是一個非常有用的模型，因為它將為我們研究其他天線帶來方便。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班偶極子天線 （Dipole antenna）天線長度是/2整數(shù)倍的天線是諧振天線。下面就以/2天線為例說明導(dǎo)線內(nèi)部電流的分布如下Fig1-.2該天線的饋點在他的中間。其具體模型如下圖所示，我們把該模型叫做Lenz 天線

9、Fig.1-3: Lenz 天線在實際應(yīng)用中，我們?nèi)=434MHZ,該偶極子的直徑為 4 mm:I：10 mmL: 157.5 mm兩偶極子間距為: 6 mm則該天線的總長為 2 *157.5 + 6 = 321 mm, 而/2 為691/2 = 345 mm，所以該天線的總長為 0.93 *(/2).天線的阻抗略大于50 ，增益接近于 2 dBi.，且在E平面內(nèi)天線的輻射是全方位的（omni-directional）。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班圖16該/2天線在E平面內(nèi)的輻射圖。Fig.1-4:/2 輻射圖四分之一波長天線（Quarter Wave）1波長天

10、線是最簡單的天線，它只需要一根鋼絲和接地板即可構(gòu)成。其組成4如下圖1-7所示：Fig1-.5: /4天線電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班14波長天線必須同接地板相連，接地板可以為PC板或者出口處的金屬板。不管采用的何種接地板都應(yīng)保證天線是垂直于接地板的，因為只有這樣才能獲得最大的阻抗值。無論如何，該阻抗值都必須保持在50以下，如果天線水平與地面放置，阻抗將顯著減小。/4的長度是理想化的，在實際應(yīng)用中，考慮到天線的屬性及接地板的的幾何因素，實際天線的長度為k*/4, k是一個0.93 0.98之間的數(shù)。同時必須注意天線長度至少應(yīng)為0.34 mm。圖1-8中的分析未考慮上

11、述因素，僅就以理想的長度來計算。2Fig1-.6: /4 輻射圖（理想情況）從上圖可以看出：與/2偶極子相比，該輻射模式在E平面內(nèi)看起來更加的圓潤，因為該圓弧度更加得高，以前面所選取的燈方向天線為參考，該天線的增益為G=-4.5dBi。在大多數(shù)的數(shù)據(jù)分析中，人們把四分之一波長線作為參考天線，因而此時G=0dBi環(huán)天線 （Loop）環(huán)天線的主要優(yōu)點是成本低，它的輻射模式是平行于地面的全方位輻射（omni-derectional）根據(jù)PC板位置決定可變電容值。螺旋天線（Helical）電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班螺旋天線具有很高的空間有效性，并且很容易設(shè)置。但是由于很

12、難對這種天線做一個理論模型的定義，在大多數(shù)實際調(diào)控中，我們都是根據(jù)實際經(jīng)驗操作。并且螺旋天線的具有窄帶特性這一特點，因而很難確定它的諧振點。方向性是螺旋天線的一個非常重要的參數(shù)。同前面分析的所有天線都不同，螺旋天線不具有對稱的天線增益，同時它的極化方式更類似于橢圓極化(ellipsoidal)貼片天線（Printed）貼片天線通常被用于高頻率的工作狀態(tài)下，它的主要優(yōu)點是其全方向的輻射，缺點為可用帶寬很窄。同其它的天線一樣，貼片天線同基底介質(zhì)的介電系數(shù)密切相關(guān)。常用的基底介質(zhì)為FR4環(huán)氧板（FR4 epoxy board）。但是基底的介電系數(shù)很不精確，根據(jù)來源其變化范圍為44.7。下面的結(jié)果將說

13、明基底介電系數(shù)的影響貼邊為一直徑為20.10cm的薄圓片。饋點在其中心。Fig1-.7:貼片天線中心頻率433.920 MHz 163.5 + j4.2 r = 4厚度1.6 mm400.405 MHz 1.7 MHz 155.3 + j3.9 r = 4.7厚度1.6 mm通過上面的分析，我們可以看到：當(dāng)天線的填充介質(zhì)FR4不同時,相同的貼片天線將工作在不同的狀態(tài)。同時我們也將注意到該天線的阻抗并不是50 歐姆，因而該天線在反饋點需要進行匹配的操作。 帶寬 VSWR = 2 1.7 MHz 輸入阻抗主要規(guī)則電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班中心頻率（諧振頻率）（Cen

14、ter frequency）天線的中心頻率取決于天線的大小。在實際設(shè)計過程中，我們將天線取得比理論計算出的天線長度長一點，以便在實際操作過程中，可以通過縮短天線的長度來獲得我們需要的中心頻率。帶寬（Bandwidth）帶寬取決于天線的寬度。我們根據(jù)要求的信道（channel），傳輸數(shù)據(jù)的速率(data rate)，所選用的調(diào)制方式來決定帶寬的大小。如果我們需要一個比較大的帶寬，那么就用一根寬一點的天線。極化（Polarization）在工程運用中，人們最喜歡選擇垂直極化的電磁波，因為在大多數(shù)情況下它能夠更好的抵抗噪聲干擾。天線增益（Gain）在天線增益的設(shè)計上可能會產(chǎn)生我們需要的或者是不需要的

15、效果。如果天線是全向天線，那么它很可能會達到我們所需的效果。當(dāng)天線離某物體很近時，將發(fā)生反射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電磁波在該某一方向磁場很強，相反方向磁場減弱。輻射方式（Radiation pattern）輻射的方式取決于天線的形狀。將接收天線置于和發(fā)射天線垂直的水平平面內(nèi)。跟增益一樣，類似于天線的其余物體也將對輻射產(chǎn)生干擾，趨膚效應(yīng)就是一個很好的例子。阻抗（Impedance）天線的阻抗同中心頻率有很大的聯(lián)系。當(dāng)天線在一個合適的頻率達到諧振時，天線的阻抗將達到最小值。大多數(shù)情況下，天線的參考阻抗為50 歐姆。但是天線的阻抗同周圍的環(huán)境有很大的關(guān)系，因而在測量過程中我們應(yīng)在同實際盡量相似的環(huán)境中進行測

16、量。（在第四部分中我們將著重討論天線的阻抗和周圍物體之間的關(guān)系）天線的匹配問題為了獲得最低的VSWR，以便達到天線中最好傳輸功率，天線的匹配問題至關(guān)重要。天線的匹配有很多種方法，最簡單而又最直觀的方法，就是Smith圓圖。下面就是一個用圓圖來達到天線匹配（使諧振阻抗達到50）的例子。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Fig18: Smiths 圓圖在434MHz下，天線阻抗為41.24 -j19.17 歐姆Fig1-9: Smiths 圓圖加上33nH的電感后，在434MHz的頻率下天線的阻抗為50 歐姆，達到匹配。電感或者電容的添加相當(dāng)于在原圖上改變了最初的點。更詳細(xì)

17、地解釋與說明請參考電磁場與電磁波 10電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 第二部分 貼片天線設(shè)計摘要在這一部分中，我們將通過設(shè)計一個貼片天線來展示它的原理并進行仿真。貼片天線經(jīng)常作為一種價格低廉而結(jié)構(gòu)緊湊的天線被用于各種印刷電路板上面。它是一種同向性的天線，可以作為移動設(shè)備中的發(fā)射機和接收機。1主要原理由于制作簡單，貼片天線非常受到歡迎。在一個需要同向性比較好的天線的系統(tǒng)中，例如移動設(shè)備中，它是最簡單的解決方案。為了獲得最佳的性能，人們喜歡把它設(shè)計成諧振偶極子的形式。這就要就偶極矩的長度要略微小于半個波長。不妨把它設(shè)定為0.47的波長。我們可以利用下面的公式來計算諧振時

18、候偶極矩的長度：1/10thrd=0.47=0.47v/f (I-1).其中 v是波的傳播速度，它取決于波傳播環(huán)境的介電系數(shù)?？梢杂孟旅娴墓絹碛嬎悖簐=(I-2). 其中c是真空中的光速，eff是波在印刷電路板中傳播時的實際介電系數(shù)。它主要由電路板的形狀和電路板的介電系數(shù)所決定。我們可以通過下面的方程來計算一個長條形狀的介質(zhì)的實際介電系數(shù)：eff=r+1r12+w212h12(1+)+0.04(1) (I-3) wh2其中h是基底的厚度，w是寬度，r是基底的相對介電常數(shù)設(shè)計過程使用在第一部分介紹的方程，我們將要設(shè)計一個工作頻率為433MHZ的諧振偶極子天線。我們使用標(biāo)準(zhǔn)的FR-4PCB作為基

19、底，它的相對接電系數(shù)r =2，工作在433MHZ，厚度是1.25mm。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班eff=r+1r12+12h1wF(1+)2+0.04(1)2=1.6 (II-1) 2whM88mv=3*10/=2.37*10 (II-2) s根據(jù)公式(I-1)我們可以得到諧振時候偶極矩的長度2.37*108rd=0.47=25.7cm (II-3) 6433*10所以我們?nèi)绻胍炀€工作在433MHZ，我們的設(shè)備長度將不少于26cm。這是不實際的。為了解決這問題，我們采用將偶極子天線折疊的方法。使用這種方法，我們可以將天線的長度變?yōu)樵瓉淼亩种?，得到：rd2

20、5.7fd=12.9cm (II-4) 22這是一個比較理想的長度，也是我們所需要的。如果我們的頻率設(shè)定為900MHZ，天線的長度將被減少為6.2cm。（假設(shè)在這個頻率范圍內(nèi)介質(zhì)的介電系數(shù)是不變化的）結(jié)果A. 仿真Figure III0 ADS模擬的天線形狀電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班因為上面的計算是建立在一定的假設(shè)上的，例如天線的物理長度會隨著折疊正好變?yōu)樵瓉淼亩种?，我們現(xiàn)在將進行仿真，找出天線在433MHZ發(fā)生諧振時的長度。Figure III-1是我們將要使用的模型，F(xiàn)igure III-2 和 Figure III-3分別是PCB的頂部和底部視圖。Fi

21、gure III-1 俯視圖（所有的部分）Figure III-2 俯視圖（偶極子）Figure III-3 俯視圖（基底）電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 經(jīng)過多次仿真之后，在433MHZ時的諧振長度(a)被確定。在r =2的時候，它的長度是205mm。天線和基底之間的距離(b)是3cm. Figure III-4顯示的是S11參數(shù)。在433MHZ的時候，增益是-17dB,用M1標(biāo)記。Figure III-4 S11, b=30mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure III-5顯示的是在同樣的參數(shù)選擇下的Smith圓圖。兩個方框中

22、上面的一個表示的是433MHZ。圓環(huán)說明天線在這個頻率是諧振的。另外也說明了天線是穩(wěn)定的。Figure III-5 Smith chart , b=30mmFigure III-6顯示的是天線的輸入阻抗Z11。從圖中可以讀出輸入阻抗是40歐姆。非常接近50歐姆。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 Figure III-6 Z11, b=30mm那么天線參數(shù)是怎么影響這些特性的呢？為了找到答案我們做了一系列的仿真。首先是天線和基底的距離b被減少到了2cm.我們預(yù)期將得到一個比較弱的諧振增益,在Figure III-7中，S11值從-17dB(b是3cm)增加到-8.3dB

23、.Figure III-7 S11, b=20mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班在Figure III-8中我們看到圓環(huán)變小了，這說明諧振變?nèi)酢Ｗ詈?，F(xiàn)igure III-9 說明在諧振時的輸入阻抗是27.5Figure III-8 Smith 圓圖 , b=20mmFigure III-9 Z11, b=20mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班如果把發(fā)射源遠(yuǎn)離基底會發(fā)生什么情況？在Figure III-10, Figure III-11 和 Figure III-12中我們展示了仿真的結(jié)果。距離b被變成了4cm.在Figure III-1

24、0我們可以看見諧振頻率被搬移到了比較低的頻率段上。S11從-17dB減小到-17.7dB,這個改變的程度不是很大。同樣，Smith圓圖也沒有大的改變。輸入阻抗甚至有輕微的減少。從這個分析結(jié)果我們可以說明，b的值選擇3cm是比較合適的并且如果有適當(dāng)?shù)脑鲩L并不會帶來效率的提高，只會占用更多的PCB空間。Figure III-10 S11, b=40mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure III-11 Smith 圓圖, b=40mmFigure III-12 Z11, b=40mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 下面我們來考察其他參數(shù)

25、，如基底的寬度和天線的長度的比率關(guān)系等。讓我們伸展基底的寬度，如Figure III-13所示，然后來看仿真的結(jié)果。天線的長度保持205mm不變。天線和基底的距離還是3cm?；椎拈L度c變成265mm。Figure III-13延伸后的俯視圖在Figure III-14, Figure III-15 和Figure III-16中我們看到仿真的結(jié)果。諧振頻率從433MHZ降到了424MHZ。這暗示基底也在天線的工作中起作用。諧振時的S11從17dB降到了23dB。Figure III-14 S11, c=265mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 在Smith圓圖中（

26、Figure III-15）可以看到很明顯的諧振的現(xiàn)象（是一個更大的圓環(huán)）。輸入阻抗是56.（Figure III-16）Figure III-15 Smith 圓圖 , c=265mmFigure III-16 Z11, c=265mm電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 B. 仿真結(jié)果的討論如果我們比較以上的結(jié)果就會發(fā)現(xiàn)，天線的長度a決定了諧振的頻率。天線的基底也對天線有影響。我們所考察的兩個參數(shù)，天線和基底的距離b和基底的長度c都影響了諧振頻率。天線離基底越遠(yuǎn)，諧振頻率越低?；自綄?，諧振頻率越低。那么這就提出了一個問題，基地部分是不是也是一個天線？另外，基底影響著

27、諧振的強度和輸入阻抗，天線離基底越遠(yuǎn)，諧振越強。C.仿真結(jié)果的證實為了證實我們的理論和仿真結(jié)果，我們準(zhǔn)備用實際天線來進行測量。但是由于時間有限，臨近期末考試，我只在這里介紹一下我們準(zhǔn)備的試驗方案，希望以后能夠有機會實施。Figure III-17 和 Figure III-18是我們對試驗構(gòu)想中的天線進行的設(shè)計。利用比較簡陋的材料設(shè)計出來天線的形狀。Figure III-17是第一個天線仰視和俯視圖。Figure III-18是第二個天線的仰視和俯視圖。Table III-1 是我們設(shè)計的天線參數(shù)。Figure III-17 天線 (1)仰視和俯視圖電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院

28、 01級混合班Figure III-18 天線 (2) 仰視和俯視圖Table III-1 兩個天線的參數(shù)天線(1) FR-4 PCB 1.25 mm 180 mm 17 mm天線(2) FR-4 PCB1.25 mm180 cm25 mm基底材料 基底厚度 寬度 (a) 和基底距離 (b)結(jié)論在上述過程中，我們設(shè)計了一個工作頻率為433MHZ的諧振偶極子天線從仿真的結(jié)果我們可以看到，這種天線非常適用于可以動設(shè)備的基站和接收端。在今后的研究中，我們將進一步的研究基底的面積和形狀對天線工作的影響，研究提高天線效率的各種方法。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 第三部分 貼

29、片天線的應(yīng)用915MHZ傳輸天線概述以上已經(jīng)討論了有關(guān)貼片天線的許多原理, 我們將在這部分介紹一個將設(shè)計貼片天線應(yīng)用在信號發(fā)送系統(tǒng)的例子。同時，這也是在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米疃嗟臒o線電數(shù)字的裝備的重要組成部分部分。在大多數(shù)情況下, 這部分天線的體積必須是非常的小從而保證附近設(shè)備的工作。考慮到這一點， 我們設(shè)計的天線必須是在具有最佳的工作性能的同時只占據(jù)最小的空間。與此同時，這塊天線必需品有最佳的側(cè)面輻射模式以至于獲得最大的方向性和效率。綜合考慮以上所有這些設(shè)計需求, 我們設(shè)計了一個微帶印刷的共面的雙極子天線。.最初的設(shè)計研究微帶印刷的共面的貼片天線的設(shè)計在提供了必需的性能指標(biāo)的同時也滿足工程上空

30、間和結(jié)構(gòu)的需求。接下來需要考慮的就是在設(shè)計研究過程盡量使我們的印刷的偶極子到最大的方向性。天線的方向性是描述為最大的輻射的方向與所有方向的球面波輻射之比。換句話說, 方向性表示了輻射在規(guī)定方向的強度。從定義上講，方向性是天線單位立體角最大輻射功率與總的輻射功率的比值。這三個變量指標(biāo)對偶極子天線能否達到最佳性能起到了重要的作用。為了完成第二個設(shè)計要求, 偶極子的兩個極子將會印刷在分開的面板上。圖3-1顯示了從垂直和水平兩個方向看的情況。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 .Figure 3-1基本上，兩個極子的偏移量讓兩者的輻射模式互相干涉。|結(jié)果，前端輻射部分變得更加強

31、烈和更具方向性,從而增加雙極子的總的效應(yīng)?；倦p極子的方向性參照量是2.15分貝。設(shè)計的第三點需要注意的是天線的總的性能。這包括諧振頻率,反射系數(shù), 天線阻抗, 和電壓駐波比(VSWR)。最初的設(shè)計期待是的諧振的頻率915兆赫, S11的值約為10到12分貝, 這個值非常重要。另外電壓駐波比VSWR小于1.7.在這項目的設(shè)計研究部分, 我們決定天線的尺寸, 質(zhì)量和性能以達到我們的設(shè)計目的。設(shè)計結(jié)構(gòu)將是對稱的半-波偶極子印制在一塊二位面FR4板上。設(shè)計方法主要的設(shè)計和仿真軟件是高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS) 和它的附屬工具。由Agilent出品的這款軟件工具供應(yīng)卓越的設(shè)計平臺用于設(shè)計仿真, 模擬和觀察天

32、線的性能。在使用ADS之前, 我們首先要建立一個天線模型。圖3-2表示的是偶極子底面和一些最初的設(shè)計尺寸。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure 3-2偶極子的長度是最重要的值，考慮到這個天線設(shè)計成半波型。接下來，考慮天線的導(dǎo)線。在大多數(shù)的天線設(shè)計中，導(dǎo)線都設(shè)計成為四分之一波長線。同時，考慮到微帶線的距離和尺寸，為了恰好符合底面天線的比例。所以，必須有一塊EM連接板，其到導(dǎo)線的距離是結(jié)合板厚度的5倍。.這樣將會提供足夠的空間給EM耦合.。最后，考慮極子的厚度。剛開始，我們并不覺得這一點有什么特別重要，但是在后面的實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，它對整個天線的性能還是有很大的

33、影響的。首先，我們設(shè)計的頻率是915兆赫，相應(yīng)的波長是327納米。使用這些值，我們向ADS輸出一個初始圖層，接下來，向頂圖層輸入極子的上半部分內(nèi)容，再輸入極子的下半部分內(nèi)容，最后，將兩個圖層拼合，我們得到了完整的天線設(shè)計ADS圖形。并且在合并的圖層上面，所有導(dǎo)線的分布都是正確的。見圖3-3是ADS的圖形。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure 3-3兩層之間的部分稱為FR4，其參數(shù)是h = 59 mil和er = 4.3，在接上端口后進行仿真，我們嘗試檢測天線設(shè)計中哪些變量會影響最后整部天線的工作性能。通過反復(fù)的測試，我們找到了控制天線性能的幾個參數(shù)。能否設(shè)置好

34、這些參數(shù)，將會對天線的性能由重要影響。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 仿真結(jié)果圖3-4顯示了反射系數(shù)對最終天線的性能的影響:Figure 3-4對天線的最終形態(tài)仿真的結(jié)果和預(yù)期的基本吻合。正如圖中顯示的那樣，歸一化阻抗為1.407/-3.325 事實上，這個阻抗的實部為65歐姆，并且它的虛部是0.82，以上都是在916.7兆赫茲的情況下。在仿真時，我們?yōu)榱艘恍┢渌母又匾囊蛩氐目紤]使相位差并不是為0。因此，我認(rèn)為該阻抗的實部電阻值已經(jīng)滿足了實現(xiàn)設(shè)計的要求。一個諧振頻率為919兆赫茲下的負(fù)反饋增益為-15.25 .這一個結(jié)果超出了我們設(shè)計的要求和指標(biāo)。此天線的效率

35、是百分之91,天線增益是2.18 dBi ,方向性是2.4 dB 這三個量使我們在設(shè)計之初認(rèn)為的對天線性能影響最大的參數(shù).圖3-6就顯示了仿真的輻射模式。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure 3-590度橫截面的交線取決于這個偶極子的長度。在圖中實際的極子根據(jù)長度從0度變化到180度。圖形分析顯示該球體前端突出部分的寬度約為100度并且其最大密度為90度。這一點同樣可以從圖3-5的偏振圖中分析得到。最大的水平和垂直偏振的最大值都是在90度時候產(chǎn)生。結(jié)果和討論天線的設(shè)計最終比我們預(yù)先希望的標(biāo)準(zhǔn)還要更好。所以，我們將討論為出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，以及一些我們在設(shè)計天線

36、過程中總結(jié)出來的規(guī)律，同時我們還探索將天線性能更加提高的手段。為了達到天線設(shè)計的性能要求，首先一點是天線的方向性，同時找到所有有作用的參量也是十分重要的。首先，偶極子的長度是一個可以調(diào)整的參量。簡單說來，如果說這個偶極子是半波結(jié)構(gòu)，那么這個偶極子的成都就應(yīng)該恰好是波長的一半。因此，它是被調(diào)整過變得小一點，比如波長被除以2.3，這樣可以滿足精確性。天線的實際的饋線大約是波長的十四分之一,這一點和常用的四分之一波長線不一樣。我們認(rèn)為，這個將是最重要響天線性能的參量。在設(shè)計中我們決定使用50歐姆的饋線。這一點剛好和平常的做法相反，因為 29電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班

37、人們會認(rèn)為饋線越大則EM和底板的耦合越好。但是，在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)并非人們所想的那樣。我們檢驗了試驗中的分配電流，使用很大的饋線和使用50歐姆的饋線相比較，幾乎所有的耦合都發(fā)生在饋線的邊帶上。事實上，最合適饋線尺寸是3mm和50歐姆的阻抗值。同時饋線的長度也大幅的降低了。這樣的設(shè)計是考慮了空間的合理使用和提供了更大的可選擇范圍內(nèi)的阻抗。耦合板是饋線的一部分，他并非我們一開始想象的那么重要。耦合板的寬度總是保持在截止基片的5倍，而且天線的性能隨之變化很小。最后，最終要的天線結(jié)構(gòu)的一個參量就是偶極子的厚度。合適的值將是16mm或者是波長的一半。這個數(shù)值大約是偶極子寬度的十分之一。他的重要性在于可以

38、大幅度的提高偶極子的面積，即是每毫米的增加將會帶來百分之7的面積增加。而且天線面積的增加將直接影響輻射的功率從而影響到天線的效率。增加偶極子的寬度和厚度同時也改變了天線裝置的結(jié)構(gòu)。設(shè)計中的寬度大約是長度的百分之十一。繼續(xù)增加寬度的值將會導(dǎo)致偶極子更像是一個貼片而不是一個極子。換句話說，我們認(rèn)為增加寬度的結(jié)果可以類比于一個雙向陣列天線。如果這兩個量是耦合的，那么饋線與反饋的相似，就會是一個陣列天線?？紤]到這個問題，人們就可以使用這種技術(shù)來縮短饋線的長度并且可以通過改變信號的相角來控制前端的方向性。使用同一個原理，將偶極子結(jié)構(gòu)分開一個很小的距離將會有助于增強前端的方向性。所以目前的設(shè)計都是使主要的

39、強度讓側(cè)面在30到120度之間。通過平整輻射模式可以增加輻射功率密度。為了做到這一點，我們參考了前面關(guān)于陣列天線的部分，我們使用相角的改變來控制前端。另一個平整輻射模式的上端和底部的方法是增加部件。通過增加一系列線性不見并且調(diào)整相角，在不見之間提升相角，部件間距和數(shù)目可以更加精確的控制輻射模式。但是，我們認(rèn)為電流范圍必須要求對前端有90度以致在某些情況下凈電流將會發(fā)生相移，傾斜或者阻斷。介質(zhì)基片同樣對天線的性能有重要的影響。如果使用另一塊介電系數(shù)更大的介質(zhì)基片，整個天線的性能將會大幅改變。另外，其他的材料提供了更加一致的結(jié)果。FR4包含的就有玻璃（er=6）和樹脂(er=3.2).不幸的是，F(xiàn)

40、R4的開發(fā)還并沒有非常完善。因此，材料中總是會有混雜物，這樣會導(dǎo)致工作中的不一致，尤其是在在同面板的設(shè)計中。改變介質(zhì)在某一個固定區(qū)域上面的質(zhì)同樣可以幫助提高天線的性能。同樣，對于微帶天線，限制它和空氣介質(zhì)的接觸，可以有助于縮小其尺寸。另一種使用的技術(shù)是將微帶天線遷入兩塊介質(zhì)板之間。硅處理技術(shù)將會用于發(fā)展更多的制造業(yè)可能性，以上都是為了是天線獲得更小的尺寸和更好的性能而考慮的。結(jié)論我們進行這個實驗項目的目的是為了設(shè)計一個傳輸天線用于無限數(shù)字傳輸。合理的器件尺寸和必要的性能決定了相對稱共面微帶貼片偶極子天線設(shè)計。這個天線滿足了所有事先預(yù)期的指標(biāo)。盡管還有很多方面可以通過改變參量來進行增強，但是現(xiàn)在

41、的設(shè)計已經(jīng)足夠滿足技術(shù)要求。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 第四部分 貼片天線的性能以及SAR的分布摘要也許印刷偶極子天線在日常生活中最廣泛的應(yīng)用就是移動電話了。人們越來越關(guān)心電磁輻射對人體的影響。在我們報告的最后一部分，我們將簡單針對這個問題進行初探。我們將研究人體和移動終端的關(guān)系。將人體頭部假設(shè)為一個長方形的物體，它的附近有一個貼片天線。貼片天線的介電系數(shù)在諧振頻率上是給定的。使用FDTD （時域有限差分）方法，計算出天線饋點處和人體模型內(nèi)部的電場大小。然后使用這些數(shù)據(jù)來分別計算指定吸收率（SAR）和天線的輸入阻抗。在計算中，我們還用到了離散傅立葉變換(DFT)

42、（參考數(shù)字信號處理教程）。關(guān)鍵詞: SAR (Specific Absorption Rate)DFT (Discrete Fourier Transformation)FDTD (Finite Difference Time Domain)簡介在過去的幾年中，蜂窩電話被廣泛的使用，隨之而來的是人們對電磁波是否會危害健康的關(guān)注。事實上，蜂窩電話的頻段都在微波波段，并且在使用的時候是貼近人體的，這里面有兩個重要的問題。第一就是人體中能量沉積的問題， 人們通常使用SAR(指定吸收率)來描述電磁波能量的輻射。SAR的定義為在單位質(zhì)量的有損耗的人體中，電磁波的消散速率。另一個問題是在人體操作電話的時候

43、，對電話本身一些性能指標(biāo)的影響。天線的特性由于人體的存在受到了多方面的影響，如輸入阻抗變化，輻射形式和輻射效率等。其中天線的輻射效率由于天線的功率被人體吸收了一部分而有所降低。中國衛(wèi)生部和國家技術(shù)監(jiān)督局已經(jīng)建立了一個針對移動設(shè)備對人體的影響中衡量SAR大小的標(biāo)準(zhǔn)移動電話電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)（見附件）。最近的一些文章和出版物上面也通過試驗的方法來研究蜂窩電話對人體的影響，并給出了一些更為準(zhǔn)確的說法。這里我們所介紹的是一種用人體模型來模擬實際情況的實驗方法。為了研究的方便，人的頭部用一個充滿了特定電導(dǎo)率的液體的長方形模型來代替，它的附近有一個半波長的偶極子天線。使用FDTD方法進行處理并記錄數(shù)據(jù)。 31電

44、磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 通過改變天線和模型的距離和模型中溶液的體積來模仿實際人們使用手機的情況。模型的建立和問題的研究設(shè)模型的參數(shù)為：長80cm,寬50cm,高20cm.（如下圖）。模型有一個厚度為1cm的外殼，外殼的介電常數(shù)和電導(dǎo)率都很低(r = 4, = 0.009 S/m).模型中填充了19cm高的液體（用來模仿人體的組織）。在和模型面積最大的那個面的平行方向放置一個半波長的偶極子天線。Figure 4-1 研究的模型使用FDTD方法來計算所研究范圍內(nèi)的場量。下面兩個公式是使用這種方法時的前提：dh<min10 (4-1)dt< (4-2)其

45、中 dh 是空間的量，在各個方向上是相同的dt 是時間的微分量，c 是 Pin=REVs(f)Is(f)*，min 是最高頻率下的波長，光速。使用FDTD方法，并假設(shè)在除了縫隙之外的地方電場的切向分量為零?？p隙處的電壓的表達式為vs(t)=et2/(22)cos(2fct) (4-3)電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班其中2確定了高斯脈沖的寬度， 2fc 是中心頻率。 縫隙處的電流 Is利用安培定律得到（電流是在一個很小的圓弧上）Is=vHdl (4-4)根據(jù)FDTD方法對（4-4）離散化處理，得到 (4-5):n+1/2n+1/2Is(t)=(Hxn+1/2(i,j1

46、,k)Hxn+1/2(i,j,k)+Hy(i,j,k)Hy(i1,j,k)dh(4-5)其中Hx Hy是磁場的x , y分量，i , j ,k 分別是x, y, z軸的自變量。N是時間變量。上面等式成立的條件是偶極子在z方向，且dh在各個方向都相同。 在得到了上述縫隙處的電壓和電流的表達式之后，可以計算出天線的輸入阻抗Zin(f)。用離散傅里葉變換的方法獲得Vs(f) 和Is(f) ，然后由下述共識得到再次頻率下的輸入阻抗：Vs(f)Zin(f)=Is(f) (4-6)同樣，每一點的磁場強度Etot都可以在時域中用下面的方程來計算|Etot|=總電場的表達式。(4-7) ExEyEz,是電場在

47、 x y z 方向的分量，然后進行離散傅里葉變換，得到頻域中計算結(jié)果在方程(4-1), (4-2)中令dh = 0.01 m, dt = 1.9 1011 sec，f=1GHZ。首先計算輸入阻抗，利用方程(4-3), (4-5), (4-6)，得到一個13cm的偶極子天線在freespaceZ=73.27+j0.34，頻率等于982MHZ的時候的輸入阻抗為in接近諧振。選擇脈沖寬度22為(1000dt)2保證中心頻率旁邊有一個比較小的帶寬。在這個比 33電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 較小的帶寬范圍內(nèi)，我們可以假設(shè)人體頭部模型的介電系數(shù)和電導(dǎo)率都是恒定不變的，由此可

48、以簡化我們的模型。再次回到Figure 4-1。假設(shè)人體頭部模型在諧振頻率為982MHZ的時候具有不變的介電系數(shù)和電導(dǎo)率，分別為r = 42.03和 = 1.02 S/m。再次使用FDTD，參數(shù)設(shè)置和自由空間中一樣，為了達到穩(wěn)定的狀態(tài)，時間設(shè)定為3000dt sec。利用方程(4-5), (4-6)計算天線的輸入阻抗，其中天線和頭部的模型的距離在不斷的變化。計算過程略去，下面是計算結(jié)果：d (cm)12345678910 Zin () 39.66 + j19.73 43.79 + j25.19 43.52 + j21.26 51.01 + j24.65 59.58 + j26.02 60.05

49、 + j24.99 75.61 + j21.69 87.14 + j15.63 85.47 + j9.58 86.61 + j1.98Table 4-1.可以從上面的表中看到，在頭部模型附近的輸入阻抗和自由空間中的輸入阻抗相比有很大的變化，為了更好地進行比較，利用下面的式子計算反射系數(shù)：freespaceZinZin=freespaceZin+Zin (4-8)以距離d為橫坐標(biāo)， 的絕對值為縱坐標(biāo)，描點，得到下面的坐標(biāo)圖： 34電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure 4-2. d| 曲線.可以很清楚地看到，隨著d的增加，| 的值在減小。所以我們可以推斷，經(jīng)過了一

50、定的距離之后，天線的輸入阻抗不再受頭部模型的影響，它的值將等于在自由空間中的值。并且我們還可以看到，| 隨d的變化基本上是呈線性的。 在計算了|和d關(guān)系之后，我們繼續(xù)研究頭部模型中產(chǎn)生的SAR的大小。于此有關(guān)的量是天線和頭部的距離和模型中液體的深度。利用下面的公式：|Etot|2SAR=liquid (4-9)其中Etot是通過（4-7）得到的總的電場強度，并且經(jīng)過了DFT變換。液體的電導(dǎo)率是 = 1.02 S/m，密度為liquid= 1000kg/m3。首先考慮模型內(nèi)部y=0處x-z平面的情況。對于每一個d計算出平均的SAR值。同樣對于模型內(nèi)部的y=1,y=2,y=3,y=4計算出對應(yīng)的平

51、均SAR值。然后用天線的輸入功率對這些SAR值進行歸一化。輸入功率的公式如下：Pin=REVs(f)Is(f)* (4-10)Vs(f), Is(f) 是自由空間中的電壓電流值（用DFT處理過的頻域量）所得的值（f=982MHZ）如下圖：電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班Figure 4-3.可以明顯地看到，隨著d的增加，SAR值明顯的減少，類似于指數(shù)函數(shù)。同樣可以看到，y=0處的SAR值明顯的比另外幾層的值大。在d比較小的地方尤其明顯。我們可以推斷，在d>10的地方，SAR小的可以被忽略。為了更直觀地反映SAR值隨著液體深度y的變化情況，取d=1-4，以y的變化為橫軸，將這四個不同距離下的SAR值反映在下面的圖表上：Figure4-4. 橫軸y是模型內(nèi)液體的深度同樣可以看到，隨著深度y的加大，SAR值呈指數(shù)形式的減小。從y=3開始的SAR值已經(jīng)很小，所以可以忽略不計。電磁場與電磁波 期末考試課程報告 竺可楨學(xué)院 01級混合班 總結(jié)在這一部分中，我們研究了在人體頭部模型附近的天線的性能以及在頭部模型中所引發(fā)的SAR值的情況。使用FDTD方法，架設(shè)在頭部模型的附近有一個半波長的偶極子天線，頭部的模型用一個充滿特殊液體的長方體來模擬，我們以反射