基于c型槽天线的研究毕业论文设计(编辑修改稿)

基于c型槽天线的研究毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

（ 216） 输入阻抗 传输线任意点的电压和电流的比值定义为该点沿向负载方向看去的输入阻抗。 设已 11 知终端电压和终端电流 (217) 式中 为终端负载阻抗。 反射系数 传输线上某点的反射波电压与入射波电压之比，定义为该点的反射系数，即 (218) 式中 (219) 称为传输线的终端反射系数。 驻波系数与行波系数 一般情况下，传输线上存在入射波和反射波，它们相互干涉形成驻行波。 入射波与反射波同向叠加达最大值，反向叠加达最小值。 传输线上电压最大值与电压最小值之比，称为电压驻波系数或电压驻波比，用 S 表示，即 (220) 传输线上电流最大值与电流最小值之比，称为电流驻波系数或电流驻波比。 电流驻波系数与电压驻波系数的值是一样的。 行波系数定义为驻波系数的倒数。 传输线存在三种不同的状态，即行波状态、驻波状态和混合波状态。 他们取决于传输线终端所接的负载。 行波状态即传输线上无反射波出现，只存在入射波的工作状态。 而驻波状态即当传输线终端开路（）或短路（）或接纯电抗负载时，线上的反射波振幅与入射波振幅相等，两者叠加，在线上形成全驻波。 三种负载所决定的驻波分布，其区别在于传输线终端处波的相位不同。 混合波状态 是当传输线终端所接的负载阻抗不等于特性阻抗，也不是短路、开路或接纯电抗性负载，而是接任意阻抗负载时，线上将同时存在入射波和反射波，且两者的振幅不等，叠加后形成混合波状态。 微带缝天线能产生双向辐射，对制作公差要求很低，与微带振子天线组合起来可以构成圆极化天线。 微带窄缝天线的输入阻抗主要决定于缝的尺寸、基片相对介电常数 和厚度以及馈线与缝的相对位置。 微带馈线和缝的相对位置有三种形式：侧馈、偏馈及中心馈电，如图 21 所示。 它们形成了三种馈电方式，不管哪种馈电方式，对于 微带馈线来说缝相当于传输线上的一个串联谐振回路。 12 （ a） （ b） （ c） 图 21 窄缝天线的馈电方式 （ a）侧馈 （ b）偏馈 （ c）中心馈电 窄缝微带天线虽然得到了较广泛的应用，但是它有两个很大的缺点：频带窄；制作时对掩膜精度要求较高。 图 22 表示微带宽缝天线的结构。 微带馈线超过缝的距离 d，终端开路。 缝长 L 接近。 适当选择和 d 可达到良好的匹配。 图 22 由微带馈电的单个宽缝微带天线 “宽 ”缝微带天线，它的缝宽和波长可比。 宽缝微带天线的优点是： （ 1）频带宽度 ≥10% （ 2）用标准的光刻技术可在覆铜印刷电路板上进行生产 （ 3）对校准掩膜的公差要求较低。 13 第三章 微带天线的分析方法 传输线法（ TML） 利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。 图 31 是此种方法的物理模型。 方法的基本假设是： (1) 微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准 TEM 波，波的传输方向决定于馈电点，线的长度 2/L g ， g 为准 TEM 波的波长。 场在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向（图中的宽度方向）是常数。 (2) 传输线的两个开口端（始端和末端）等效为两个辐射缝，长为 w ，宽为 h。 缝口径场即为传输线开口端场强。 缝平面看作微带两端的延伸平面，即是将开口面向上折转 o90 ，而开口场强随之折转。 由以上两条基本假设可以看出，当 2/L g 时，两缝上的切向电场均为 x 方向，且等幅同相。 它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于两倍磁流向上半空间辐射。 缝上等效磁流密度为 hVyM /2 为传输线开口端电压。 由于缝已放平，我们在计算上半空间辐射场时，就可以按自由空间处理。 这是这种方法的方便之处。 图 32 是微带天线的等效电路，（ a）为微带馈电方式，图中 Ys 为缝隙的辐射导纳。 （ b）为同轴馈电方式，探针从接地板空引出，称为底馈。 它与微带馈电不同之处在于会引入电感。 由上述讨论可见，传输线法简明、物理直观性强。 但是它的应用范围受到很大的限制。 图 31 传输线模型 （ a）微带馈线 （ b）同轴馈线 图 32 微带天线的等效电路 14 首先，传输线模型限制了它只能应用于矩形微带天线及微带振子。 虽然圆形微带天线也可以有径向传输线与之对应，但一般不常用。 传输线的另外一个主要的缺点是，除了谐振点外，输入阻抗随频率变化曲线是不准确的。 由于传输线模型是一维的，因 此当馈电点的位置在与波垂直的方向上变化时，阻抗不变；其次传输线模型相当于一个单谐振回路，在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称的，用原图表示的阻抗曲线对称于实轴。 上述两点均与试验不符。 实验表明，阻抗曲线与馈电的二维位置有关，并且当馈电点由边缘向中心移动时，阻抗曲线的不对称逐渐显著，并向电感区收缩。 这种计算与实测的差异，源于传输线法本质性的缺陷。 因为微带天线并非只存在最低阶的传输线模式，还有其他高次模式场的存在，在失谐时这些模式将显示其作用。 一般来说，传输线法较适用于在辐射边附近馈电，并且馈电点位于该边的对称轴 上，此时计算出的阻抗曲线才有较大的参考价值。 传输线法的另一不完善之处是缝导纳的计算，它的电纳部分通常是按照准静态法计算的，所得到的等效伸长在高频条件下不准确，故实际上往往通过对样件的实测来确定伸长量，这样得出的数据更可靠。 腔模理论 腔模理论是 1979 由 等人提出的经典分析方法。 该理论基于薄微带天线假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。 天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。 腔模理论是对传输线法的发展。 它 能应用于范围更广泛的微带天线，并且由于涉及了高次模，算得的阻抗曲线较准，且计算量不算大，比较适合工程设计的需要。 但是，基本的腔模理论同样要经过修正，才能得到较准确的结果。 特别值得注意的是边界。 导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题，理论上是严格的，只是边界图 33 微带天线上各膜的电场和壁上面的磁流分布 15 导纳确定比较困难，使计算只能是近似的。 在腔模理论中，认为腔内场是二维函数，这在薄基片时是合理的，但对于厚基片将引入误差。 由于应用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在多数情况下这不成问题。 但对于近来采用厚介质基板提高带宽的微带天线设计就不适用。 积分方程法 积分方程法也叫全波分析法，通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程 , 解出源分布 ,再由积分算式来求得总场。 由于实际问题的复杂性 , 积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计 算技术来完成。 全波分析中的数值分析方法主要包括矩量法、有限元法和时域有限差分法。 矩量法最为常用。 用矩量法分析微带天线时都会遇到SommerfeldType(一类有奇异性的高振荡函数 )的积分 , 传统的方法效率很低 , 由于积分时间很长使得矩量法在微带天线的应用中受到极大的限制。 1997 年 SeongOok Park 首次提出利用渐近提取法对 SommerfeldType 积分进行处理 , 积分速度有了很大提高 , 使矩量法再次得到人们的重视。 微波网络法 微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效 电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。 一般地，对于一个网络有 Y、 Z 和 S 参数可用来测量和分析， Y 称导纳参数， Z 称为阻抗参数， S 称为散射参数，在微波系统中，由于确定非 TEM 波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。 因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。 与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即 S 参数 矩阵，它更适合于分布参数电路。 S 参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。 散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。 散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。 只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。 图 34 二端口网络 定义为从 Port1 口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值。 16 第四章 传统微带天线设计 微带天线常用仿真软件 传输线理论和腔模理论通常是对具体的问题进行近似假设，其模型简单，并没有复杂的数值分析。 而全波分析法通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程，解出源分布，再由积分算式来求得总场。 由于实际问题的复杂性，积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成。 全波分析中的数值分析方法主要包括矩量法(MOM)，有限元法 (FEM)，时域有限差分法 (FDTD)，而且随着计算条件的不断改善，新的方法也不断涌现。 在这些数值分析方法中，矩量法最为常用，时域有限差分法，有限元法也运用的较为广泛。 随着 计算机技术的发展，各种商用电磁仿真软件涌现出来。 主要的厂商有：安捷伦 (Agil)， Ansoft， zelnad 等。 各种电磁仿真软件都是以矩量法、有限元、时域有限差分法等基本的电磁场全波分析方法作为内核，并配以友好的图形界面以及丰富的参数转换、图表输出功能。 本文主要应用 Ansoft 仿真软件进行微带天线的仿真，也有相关的书籍对 Ansoft 仿真软件进行了原理性和建模的解释说明。 HFSS 软件采用有限元法，计算结果准确可靠。 以下是 HFSS 软件设计流程： 设置求解类型。 使用 HFSS 进行天线设计时，可以选择模式驱动（ Driven Modal）求解类型或者终端驱动（ Driven Terminal）求解类型。 创建天线的结构模型。 根据天线的初始尺寸和结构，在 HFSS 模型窗口中创建出天线的 HFSS 参数化设计模型。 设置边界条件。 在 HFSS 中，与背景相接触的表面都被默认设置为理想导体边界（ Perfect E）；为了模拟无限大的自由空间，在使用 HFSS 进行天线设计时，必须把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件或者理想匹配层（ PML）边界条件，这样 HFSS才会计算天线的远区辐射场。 设置激励方式。 无线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口。 天线设计中的馈电面的激励方式主要有两种，分别是波端口激励（ Wave Port）和集总端口激励（ Lumped Port），通常与背景相接触馈电面的激励方式使用波端口激励，在模型内部的馈电面的激励方式使用集总端口激励。 设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数，其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率。 运行求解分析。 上述操作完成后，整个仿真计算由 HFSS 软件自动完成。 分析完成后，如果结果不收敛， 则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。 查看求解结果。 求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看 HFSS 分析出的天线各项性能参数。 如果仿真计算的天线性能满足设计要求，接下来可以着手天线的制作和调试工作。 如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用 HFSS 的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化设计。 Optimetrics 优化设计。 如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用 Optimetrics 优化设计模块的参数扫描分析功能 和优化设计功能来优化天线的结 17 构尺寸，以找到满足要求的天线设计。 微带天线的理论基础 微带天线有许多种馈电装置形式，如微带线馈电、同轴线馈电，耦合馈电（ Coupled Feed）和缝隙馈电（ Slot Feed）等。 其中最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。 微带线馈电 微带线馈电方式又称为侧馈，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电。 它可以中心馈电，也可以偏心馈电馈电点的位置取决于激励哪种模式。 对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定以后 ,可以用以下方法进行阻抗匹配 :先将中心馈电天线辐射贴片同 50Ω馈线一起光刻 ,测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴片与馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。 如果矩形辐射贴片的场沿某边有变化，那么输入阻抗也会随之变化。 因此，改动馈电点的位置是获得阻抗匹配的简单办法。 同轴线馈电 同轴线馈电又称为背馈，它是将同轴插座安装在接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上，若寻取正确的馈电点位置，就可以获得良好的匹配。 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为，对于工作频率的矩形微带天线，可以。