第一篇：淺析寬縫天線的仿真

淺析寬縫天線的仿真

【摘 要】 本文改進(jìn)了一種基于寬縫微帶天線結(jié)構(gòu)的超寬帶天線．利用HFSS對(duì)改進(jìn)前后進(jìn)行了仿真計(jì)算，給出了反射損耗曲線和輻射方向圖。改進(jìn)后的天線采用較低的介電常數(shù)和較小的薄基板，獲得了更大的阻抗帶寬和頻率范圍。

【關(guān)鍵詞】 超寬帶 寬縫天線 HFSS仿真

對(duì)于超寬帶系統(tǒng)，一個(gè)很重要的問題就是超寬帶天線的研究。因?yàn)閷?duì)于傳統(tǒng)的窄帶天線，超寬帶天線需要有幾個(gè)倍頻程的阻抗帶寬，而且要求天線在整個(gè)超寬帶頻帶寬度中都有穩(wěn)定的性能。微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。它利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作為一種縫隙天線。它具有剖面低、體積小、重量輕、易于加工、便于獲得圓極化的優(yōu)點(diǎn)，并且非常有利于集成，為一簡單矩形貼片的微帶天線。輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的，垂直于貼片的方向上輻射最強(qiáng)。

微帶縫隙天線是微帶天線中的一種，因其結(jié)構(gòu)簡單、便于排陣等優(yōu)點(diǎn)在雷達(dá)與通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。通常按照縫寬電尺寸的大小，縫隙天線可以分為窄縫和寬縫兩種結(jié)構(gòu)。通常窄縫天線的阻抗帶寬比較窄，而采用寬縫結(jié)構(gòu)則可以獲得較寬的工作帶寬，并且對(duì)制造公差要求比貼片天線低，在組陣時(shí)其單元間隔距離比貼片天線更大。

目前改進(jìn)技術(shù)可歸納為以下兩種：改變饋電結(jié)構(gòu)(如T形、十字形、u形或 Pi形等)；改變寬縫形狀(包括矩形縫、圓形縫、橢圓縫等以及將矩形縫旋轉(zhuǎn)或者將矩形縫的直角轉(zhuǎn)為圓角等)。

采用漸變縫隙結(jié)構(gòu)的微帶天線可以獲得超過100％的阻抗帶寬，并且具有較高的增益，矩形微帶饋電的半圓形寬縫天線和三角形微帶饋電的三角形寬縫天線，阻抗帶寬分別為l20％和l10％。但上述兩種天線都是制作在FR4的基板材料上的，由于FR4的損耗比較大，降低了天線的效率，而且兩者面積也過大(110 mm×110mm)，這也限制了將其集成到便攜通信設(shè)備中。

采用低損耗低介電常數(shù)的基板材料，保證了天線能有較高的效率，而且天線的面積也大為減小，造價(jià)低廉，使用于小型或者便攜無線通信設(shè)備。將貼片的形狀加以微小的改進(jìn)，最后使用HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明此天線在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)具有比較好的全向輻射特性，因此是一種具有實(shí)用價(jià)值的超寬帶天線。

1.矩形微帶饋電的半圓形寬縫天線的仿真分析

1.1天線的仿真

采用仿真軟件HFSS 10對(duì)該天線進(jìn)行建模仿真，HFSS是基于有限元方法的高頻電磁場仿真分析軟件，能對(duì)任意三維結(jié)構(gòu)的電磁場進(jìn)行分析計(jì)算，并能得出特性阻抗、S參數(shù)、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。

具體過程如下：

（1）建模

在HFSS中新建立一個(gè)工程，設(shè)置求解類型為Driven Modal，將單位設(shè)置為mm。在HFSS中先畫出介質(zhì)板，并設(shè)置其材料為FR4，透明度設(shè)置為0.8，然后在其上方畫具有半圓形寬縫的銅層，按照經(jīng)驗(yàn)，厚度選為0.035mm，最后在介質(zhì)板的下面畫出厚度也為0.035的微帶線和正方形貼片，設(shè)置其材料為銅，透明度為0.8。

（2）端口

在左側(cè)面的中間設(shè)置1.5mm×0.8mm的集總端口，積分線選取該矩形中心線，按照默認(rèn)設(shè)置選取50歐姆。

（3）空氣和邊界設(shè)置

由于仿真頻率選取1GHz~11GHz，所以空氣層的厚度選取最低頻率對(duì)應(yīng)波長的四分之一（即75mm），試驗(yàn)中的空氣箱選取265mm×265mm×155mm，并將空氣箱的六個(gè)面設(shè)置為輻射邊界。將上下的銅層的表面設(shè)置為PEC邊界。

（4）分析設(shè)置

將求解的中心頻點(diǎn)設(shè)置為6GHz，最大步數(shù)設(shè)為10，每次的最大散射參量△S設(shè)為0.02。將掃描設(shè)置為快速掃描，從1GHz~11GHz，步長選為0.1GHz。

（5）求解

先進(jìn)行有效性檢查，通過后，開始進(jìn)行分析求解。

1.2仿真結(jié)果及分析

求解計(jì)算完成后，利用HFSS的后處理功能，即可得到天線的電參數(shù)。參數(shù)回波損耗如圖1所示，從圖中可以看出，該天線的阻抗帶寬（S11≤-10dB）約為100%（2~8GHz）。

阻抗帶寬并不足以說明天線的實(shí)際帶寬，必須對(duì)天線不同工作頻率下的方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算才能確定方向圖帶寬。圖2分別給出了天線在工作頻率為6GHz情況下，ZY平面(E面)與ZX平面(H面)的輻射方向圖，圖中外圍的曲線為ZY平面(E面)。分析時(shí)選取的參量為增益，單位為dB。

圖1 半圓形寬縫天線的回波損耗

圖2 半圓形寬縫天線的輻射方向圖

2.改進(jìn)結(jié)構(gòu)的仿真分析

由于FR4的損耗比較大，降低了天線的效率，而且兩者面積也過大(110 mm×110mm)，這也限制了將其集成到便攜通信設(shè)備中，針對(duì)該天線的不足，許多文獻(xiàn)都對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，在這里將介質(zhì)板縮小為60×95mm，所使用的基板改為為具有低介電常數(shù)，厚度小，柔韌性較好的聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂強(qiáng)化材料RT5880．基板厚度不變，介電常數(shù)為2.2，同時(shí)將矩形微帶改為近似半圓形，如圖3所示。

建模的過程中，對(duì)于矩形微帶進(jìn)行倒角，選取半徑為8mm。

按照前述步驟，對(duì)改進(jìn)后的寬縫天線進(jìn)行仿真，分析結(jié)果如圖

4、圖5所示。圖4為回波損耗，從圖中可以看出，進(jìn)過改進(jìn)后，阻抗帶寬有了明顯的加寬（2.5G~十幾G），但是個(gè)別點(diǎn)處回波損耗大于-10dB，這就需要進(jìn)一步的對(duì)半圓形貼片的半徑進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 改進(jìn)后的寬縫天線及其模型

圖4 改進(jìn)后的寬縫天線的回波損耗

圖5所示為改進(jìn)后的寬縫天線的輻射方向圖，其中近似為橢圓形的曲線表示ZY平面(E面)，另外一條對(duì)稱曲線表示ZX平面(H面)?？梢钥闯鲈撎炀€具有較好的全方向性。

圖5 改進(jìn)后的寬縫天線的輻射方向圖

3.結(jié)論分析

通過仿真可以看出，采用半圓形縫隙、半圓形饋電是可以實(shí)現(xiàn)的一種展寬寬縫天線頻帶的有效途徑。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的仿真結(jié)果，可以得知該類型寬縫天線的反射特性對(duì)縫隙周圍的基板尺寸L、W并不十分敏感，而饋電結(jié)構(gòu)對(duì)回波損耗的影響比較大。從仿真中，還得出以下的相關(guān)規(guī)律:

3.1縫隙的結(jié)構(gòu)與微帶饋電結(jié)構(gòu)應(yīng)該一致

另外一種天線，采用三角形縫隙，對(duì)應(yīng)饋電結(jié)構(gòu)也是采用三角形。

3.2縫與微帶應(yīng)該成對(duì)稱放置

從本實(shí)驗(yàn)的仿真可以看出，當(dāng)采用半圓形縫隙時(shí)，饋電結(jié)構(gòu)若采用倒置的半圓形，將會(huì)取得更好的效果，有待于進(jìn)一步的仿真證明。

4.仿真中的不足

4.1缺少優(yōu)化

仿真過程中，沒有進(jìn)行對(duì)天線相關(guān)尺寸的優(yōu)化設(shè)置，只是采用了相關(guān)文獻(xiàn)的建議值。

4.2頻率掃描應(yīng)該進(jìn)一步縮小

HFSS掃描時(shí)，一般要求掃描的頻率寬度小于掃描中心頻率的一半，仿真過程中，由于運(yùn)算時(shí)間的原因，沒有考慮這一因素，下一步的仿真證明中，需要采用分段掃描的方法。

（作者單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司）

第二篇：微波天線仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

基于HFSS的微帶天線仿真設(shè)計(jì) 1 概述

目前，在許多應(yīng)用場合（如移動(dòng)通信手機(jī)中）都需要體積小、重量輕的小型接收天線。微帶貼片天線代表一系列的小型天線，以其剖面低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)而成為人們的首選。通過采用簡單明了的傳輸線模型，建立微帶線嵌入饋電貼片天線的精確模型并對(duì)之進(jìn)行分析已成為可能。另外，通過應(yīng)用曲線擬合公式，也可以確定50Ohm輸入阻抗所需的精確嵌入長度。饋電機(jī)制在微帶貼片天線設(shè)計(jì)中扮演了重要角色。微帶天線可以由同軸探針或嵌入的微帶線來饋電，同軸探針饋電在有源天線應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，而微帶線饋電則是適合于開發(fā)高增益微帶陣列天線。

在一個(gè)薄的介質(zhì)基板上，一面覆上金屬薄層作為接地板，另一面采用刻蝕地方法做出各種形狀的貼片，利用微帶或者同軸對(duì)貼片進(jìn)行饋電，這就是最基本的微帶貼片天線。它在導(dǎo)體貼片和接地板之間激勵(lì)起電磁場，并通過貼片與接地板的縫隙向外輻射。

天線分析的基礎(chǔ)問題是求解天線周圍空間建立的電磁場，進(jìn)而得出方向圖增益和輸入阻抗等特性指標(biāo)。如下圖1，圖2所示。

圖1 矩形微帶天線開路段電場結(jié)構(gòu)

圖2 場分布側(cè)面圖 天線基礎(chǔ)

天線的性能直接影響著整個(gè)無線通信的性能，一般來說，表征天線性能的主要參數(shù)有方向特性、增益、輸入阻抗、駐波比、極化特性等。

2.1 天線的極化方式

所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場強(qiáng)度方向。根據(jù)極化方向可分為垂直極化波和水平極化波。

(1)水平極化波：當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面形成的波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號(hào)迅速衰減。

(2)垂直極化波：當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面形成的波。垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。

2.2 天線的增益

天線增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。

一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對(duì)于點(diǎn)源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對(duì)于對(duì)稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。

2.3 天線的阻抗

天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。

天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗。

駐波比：它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。

回波損耗：它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。

2.4 天線的波瓣寬度

波瓣寬度是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個(gè)方向收發(fā)信號(hào)能力的一個(gè)指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。

(1)垂直波瓣寬度：一般與該天線所對(duì)應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，一定范圍內(nèi)通過對(duì)天線垂直度（俯仰角）的調(diào)節(jié)，可以達(dá)到改善小區(qū)覆蓋質(zhì) 量的目的。

(2)水平波瓣寬度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但當(dāng)提高天線傾角時(shí)，也越容易發(fā)生波束畸變,形成越區(qū)覆蓋。角度越小，在扇區(qū)交界處覆蓋越差。

3矩形貼片的設(shè)計(jì)

矩形貼片是微帶貼片天線最基本的模型，本設(shè)計(jì)就是基于微帶貼片天線基礎(chǔ)理論以及熟練掌握HFSS10仿真軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)矩形貼片，其工作頻率在2.45GHz，并分析其遠(yuǎn)區(qū)場輻射特性以及S曲線，3.1 設(shè)計(jì)目的

(1)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)微帶天線的設(shè)計(jì)方法；

(2)掌握矩形貼片的設(shè)計(jì)方法及其遠(yuǎn)區(qū)輻射場的特性以及S曲線；(3)掌握HFSS10仿真軟件的使用。

3.2 矩形微帶貼片天線的輻射原理

如圖3所示，用傳輸線模分析法介紹它的輻射原理。

設(shè)輻射元的長為L，寬為ω，介質(zhì)基片的厚度為h?，F(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基 片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路，根據(jù)微帶傳輸線的理論，由于基片厚度h<<λ，場沿h方向均勻分布。在最

簡單的情況下，場沿寬度ω方向也沒有變化，而僅在長度方向（L≈λ/2)有變化。

在開路兩端的電場均可以分解為相對(duì)于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同向疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，縫的電場方向與長邊垂直，并沿長邊ω均勻分布?？p的寬度△L≈h，長度為ω，兩縫間距為L≈λ/2。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為有兩個(gè)縫隙所組成的二元陣列。

圖3 矩形貼片天線示意圖

3.3 矩形貼片天線的仿真設(shè)計(jì)

1．建立新的工程 2．設(shè)置求解類型 3.設(shè)置模型單位

4．創(chuàng)建微帶天線模型

(1)創(chuàng)建地板GroundPlane。尺寸為90mm*90mm，并設(shè)置理想金屬邊界。

(2)建立介質(zhì)基片。尺寸為45mm*45mm*5mm。將材料設(shè)置為Rogers R04003。(3)建立貼片Patch。尺寸為：32mm*32mm，并設(shè)置理想金屬邊界。

(4)創(chuàng)建切角。首先在坐標(biāo)原點(diǎn)處創(chuàng)建三角形，然后將其移動(dòng)到方形貼片的頂點(diǎn)處。輸入點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通過旋轉(zhuǎn)180度創(chuàng)建另一個(gè)切角。(5)用Patch將切角減去。(6)創(chuàng)建探針Pin。圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：8，Z：0；輸入圓柱半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；輸入圓柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料設(shè)置為pec。

(7)創(chuàng)建端口面Port。圓心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：8，Z：0，半徑為：dX：0，dY：1.5，dZ：0。

(8)用GroundPlane 將Port減去。

5.創(chuàng)建輻射邊界

創(chuàng)建Air，尺寸為：160mm*160mm*70mm。輻射邊界命名為Rad1。

6．設(shè)置端口激勵(lì)

端口命名為p1。在Modes 標(biāo)簽中的Integration line zhong點(diǎn)擊None，選擇New Line，在坐標(biāo)欄中輸入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回車鍵，點(diǎn)擊Next按鈕直至結(jié)束。

7．求解設(shè)置

為該問題設(shè)置求解頻率及掃頻范圍

(1)設(shè)置求解頻率。設(shè)置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。

(2)設(shè)置掃頻。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。8.設(shè)置無限大球面

在菜單欄中點(diǎn)擊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：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。

9.確認(rèn)設(shè)計(jì) 10.保存并求解工程 11 后處理操作

(1)S參數(shù)（反射系數(shù)）。

繪制該問題的反射系數(shù)曲線，該問題為單端口問題，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：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。

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖。

在菜單欄點(diǎn)擊HFSS>Result >Create Report。選擇：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep標(biāo)簽中，在Name這一列中點(diǎn)擊第一個(gè)變量Phi，在下拉菜單中選擇The。點(diǎn)擊Mag標(biāo)簽，選擇：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,點(diǎn)擊Add Trace按鈕。最后點(diǎn)擊Done，繪制出方向圖。結(jié)果分析

4.1 對(duì)探針位置的探討

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質(zhì)基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：32，dY：32，dZ：0。

4.1.1探針在Y軸

探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：8，Z：0；半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖4所示：

圖4 矩形貼片天線3D模型(探針在Y軸)

(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖5所示。

圖5 反射系數(shù)圖（Y軸）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖6所示。

圖6 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（Y軸）分析： 當(dāng)探針在Y軸上時(shí)，回波損耗在13.8dB左右，工作頻帶在2.35GHz-2.47 GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可看出，有一個(gè)小的背瓣。頻點(diǎn)在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要進(jìn)行優(yōu)化。

4.1.2 探針位置在X軸上

探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖7所示：

圖7 矩形貼片天線3D模型(探針在X軸)

(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖8所示。

圖8 反射系數(shù)圖（X軸）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖9所示。

圖9 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（X軸）

分析：當(dāng)探針在X軸上時(shí)，回波損耗也在13.8dB左右，工作頻帶在2.37GHz-2.48 GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可看出，有一個(gè)小的背瓣。頻點(diǎn)在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.說明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探針在對(duì)角線位置上 探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖10所示：

圖10 矩形貼片天線3D模型(探針在對(duì)角線軸)(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖11所示。

圖11 反射系數(shù)圖（對(duì)角線）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖12所示。

圖12 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（對(duì)角線上）

分析：當(dāng)探針在對(duì)角線上時(shí)，回波損耗為-29dB，頻點(diǎn)恰好在2.45GHz，工作頻帶在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作頻帶很窄。由遠(yuǎn)場圖可知，此位置仍有一個(gè)小的背瓣。

因此，探針在這個(gè)工作特性很好，但工作帶寬有點(diǎn)窄。探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：8，Y：8，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖13所示：

圖13 矩形貼片天線3D模型(探針在對(duì)角線軸)

(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖14所示。

圖14 反射系數(shù)圖（對(duì)角線）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖15所示。

圖15 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（對(duì)角線上）

分析： 當(dāng)將探針設(shè)置在此位置時(shí)，回波損耗在-14.3dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.49GHz,頻點(diǎn)正好在2.45GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可知，在此位置有一個(gè)小的背瓣。

探針在這個(gè)位置工作特性很好，工作頻帶也較寬。此外還可知在對(duì)角線上越靠近中心，天線性能越好。

4.2 改變貼片尺寸

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質(zhì)基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。

探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖16所示。

圖16 矩形貼片天線3D模型(貼片尺寸改變)(1)反射系數(shù)曲線

仍在上述所設(shè)求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖17所示。

圖17 反射系數(shù)曲線（貼片尺寸改變）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖18所示。

圖18 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（貼片尺寸改變）

分析： 當(dāng)其他條件不變，改變貼片尺寸（由32mm*32mm改為31.7mm*31.7mm）時(shí)，回波損耗在-12.5dB左右，頻帶寬度在2.39 GHz-2.50GHz,頻點(diǎn)正好在2.45GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可知，在此位置仍有一個(gè)小的背瓣。探針在這個(gè)位置（X軸）工作特性不錯(cuò)，工作頻帶也較寬。

4.3 改變探針半徑

在4.2的基礎(chǔ)上，將探針半徑改為0.4mm，其他條件不變，則所形成的反射系數(shù)圖和2D輻射遠(yuǎn)場方向圖如圖19，圖20所示。

圖 19 反射系數(shù)圖曲線（探針半徑0.4mm）

圖20 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖(探針半徑0.4mm)分析：① 在上一步的基礎(chǔ)上，改變探針半徑（由0.5mm改為0.4mm）時(shí)，回波損耗在-14.1dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.52GHz,頻點(diǎn)正好在2.46GHz。

② 由遠(yuǎn)場方向圖可知，在此位置仍有一個(gè)小的背瓣。

③ 此時(shí)，探針不在工作頻點(diǎn)，可知探針半徑太小，但由上研究可知，半 徑在稍微改大一點(diǎn)應(yīng)該可以使探針工作在2.45 GHz（這個(gè)問題由于時(shí)間問題沒研究）。

總結(jié)：

① 當(dāng)頻率低于工作頻點(diǎn)時(shí)，優(yōu)化天線的措施有：改變探針位置、探針半徑、貼片尺寸等，均可以使其工作在頻點(diǎn)（如2.45GHz）。

② 對(duì)于矩形貼片可知：當(dāng)探針在坐標(biāo)軸上時(shí)，天線性能不是很理想；當(dāng)在對(duì)角線上時(shí)，天線的性能較理想，工作頻帶較在坐標(biāo)軸的位置要窄，而且探針在對(duì)角線上靠近中心的位置上，天線的性能更好。

③ 當(dāng)改變探針半徑時(shí)，半徑減小，工作頻率變大。通過調(diào)整可以使貼片工作在頻點(diǎn)。設(shè)計(jì)體會(huì)

微波課設(shè)在短短的幾天時(shí)間里完成了。首先非常感謝老師以及各位學(xué)長的幫助和指導(dǎo)。

由于老師已經(jīng)在指導(dǎo)書上列出了很詳細(xì)的操作步驟，設(shè)計(jì)思路都體現(xiàn)在里面，因此這次課設(shè)上手還是很快的。這使我們能夠很快的把握住設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步學(xué)會(huì)如何利用HFSS10這款軟件設(shè)計(jì)微帶天，并通過所形成的遠(yuǎn)區(qū)輻射場圖和S曲線分析矩形微帶天線的特性。學(xué)習(xí)將基礎(chǔ)的理論知識(shí)應(yīng)用到微帶天線的實(shí)際設(shè)計(jì)中。做完之后再回頭想一下，按照公式計(jì)算出來的矩形天線的參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際時(shí)，并不能使天線達(dá)到理想的輻射狀態(tài)。這可能是由于一些共識(shí)的近似表示以及實(shí)際天線所處環(huán)境等因素造成。由此可知，在具體設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)要根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化處理，使其達(dá)到理想輻射特點(diǎn)。當(dāng)然在做實(shí)驗(yàn)時(shí)并不是特別順利，所幸的是，在老師和幾位學(xué)長的幫助指導(dǎo)下解決了，并從中學(xué)到很多東西。

此外，在這次課設(shè)中同學(xué)間的配合也是相當(dāng)重要的。每個(gè)學(xué)生對(duì)老師課堂所講的內(nèi)容的接收程度不同。只有同學(xué)間的相互配合，提出問題，然后討論最后解決，才能使課設(shè)結(jié)果達(dá)到更好的效果。參考文獻(xiàn)

《微波天線與技術(shù)》 西安電子科技大學(xué)出版社 劉學(xué)觀 郭輝萍 編著。

第三篇：HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

通信0905 楊巨 U200913892

2012-3-7

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

半波偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、學(xué)會(huì)簡單搭建天線仿真環(huán)境的方法，主要是熟悉HFSS軟件的使用方法

2、了解利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過程和方法

3、通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數(shù)，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖特性等

4、通過對(duì)半波偶極子天線的仿真，學(xué)會(huì)對(duì)其他類型天線仿真的方法

二、實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有windows系統(tǒng)的PC一臺(tái)

2、HFSS13.0軟件

3、截圖軟件

三、實(shí)驗(yàn)原理

1、首先明白一點(diǎn)：半波偶極子天線就是對(duì)稱陣子天線。

2、對(duì)稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為a，長度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計(jì)，所以振子的總長度L=2l。對(duì)稱振子的長度與波長相比擬，本身已可以構(gòu)成實(shí)用天線。

3、在計(jì)算天線的輻射場時(shí)，經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦律分布。取圖1的坐標(biāo)，并忽略振子損耗，則其電流分布可以表示為：

式中，Im為天線上波腹點(diǎn)的電流；k=w/c為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點(diǎn)，對(duì)稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn)；電流分布關(guān)于振子的中心店對(duì)稱；超過半波長就會(huì)出現(xiàn)反相電流。

4、在分析計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場時(shí)，可以把對(duì)稱振子看成是由無數(shù)個(gè)電流I(z)、長度為dz的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理，對(duì)稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。

1/ 8

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

電流元I(z)dz所產(chǎn)生的輻射場為

圖2 對(duì)稱振子輻射場的計(jì)算

如圖2 所示，電流元I(z)所產(chǎn)生的輻射場為

其中

5、方向函數(shù)

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1、設(shè)計(jì)變量

設(shè)置求解類型為Driven Model 類型，并設(shè)置長度單位為毫米。提前定義對(duì)稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化

2、創(chuàng)建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。

其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。

3、設(shè)置端口激勵(lì)

半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平行于YZ面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。

4、設(shè)置輻射邊界條件

要在HFSS中計(jì)算分析天線的輻射場，則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個(gè)沿Z軸放置的圓柱模型，材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。

5、外加激勵(lì)求解設(shè)置

分析的半波偶極子天線的中心頻率在3G Hz，同時(shí)添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置，掃頻類型為快速掃頻。

2/ 8

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

6、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算

7、HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理

具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、回波損耗S11 回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對(duì)線自身的反射，是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。

圖中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為3 G Hz，S11<-10dBd的相對(duì)帶寬BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%

2、電壓駐波比

駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由圖可以看到在3G赫茲附近時(shí)，電壓駐波比等于1，說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。

3、smith圓圖

史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換，將z復(fù)平面上。實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x＝常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與：反射系數(shù)

3/ 8

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

|G|=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)套印而成。

從smith圓圖可以看到，在中心頻率3G赫茲時(shí)的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。

4、輸入阻抗

傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配。

圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率3G赫茲時(shí)，輸入阻抗比較的理想，容易實(shí)現(xiàn)匹配。

5、方向圖

方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的，所以又叫遠(yuǎn)場方向圖。電場方向圖：

4/ 8

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

由圖可以看到，電場方向以Z軸為對(duì)稱軸，在XOY平面上電場最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場強(qiáng)度很弱。

磁場方向圖：

磁場方向圖在XOY平面上接近一個(gè)圓，雖然看上去有些誤差。說明磁場在XOY平面上輻射較為均勻。

三維增益方向圖：

這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對(duì)稱輻射的情況。

6、其他參數(shù)

5/ 8

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)。

看著這一張密密麻麻的圖表，很多參數(shù)還不是很明白，還需研究。

6/ 8

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

六、實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)一個(gè)天線，無論是作為發(fā)射天線還是接收天線，我們都很關(guān)心其方向參數(shù)、輸入阻抗參數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上訴幾個(gè)參數(shù)來討論半波偶極子天線的優(yōu)缺點(diǎn)。

1、半波偶極子天線在軸向無輻射

2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關(guān)。當(dāng)電長度小于0.5時(shí)，波瓣寬度最窄，在垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng)，隨著電長度的增加，開始出現(xiàn)副瓣，主瓣寬度變寬，最大輻射方向發(fā)生偏移。

3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈，說明寬頻帶時(shí)其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，所以相對(duì)應(yīng)的頻帶寬度也較窄。

4、在諧振頻率附近時(shí)，我們從圖中可以看到，天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗，實(shí)現(xiàn)匹配較易，而且在中心頻率附近，電波的傳輸特性也最好，從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的功率傳輸。

5、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的分析，不難發(fā)現(xiàn)，半波偶極子天線的諸多特性與電長度關(guān)系很大，所以可以通過調(diào)整天線的電長度來實(shí)現(xiàn)不同功能和要求的半波偶極子天線應(yīng)用。

6、最后還要補(bǔ)充一點(diǎn)：半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細(xì)有關(guān)。

七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)，使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線，卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中，我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn)，對(duì)天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)天線的各種參數(shù)也有了具體的理解，這些東西對(duì)以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

另外，這次實(shí)驗(yàn)中我感覺較難的部分在與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設(shè)計(jì)天線模型，來仿真驗(yàn)證天線特性。

7/ 8

第四篇：螺旋天線初步仿真總結(jié)

反射系數(shù)（駐波）和耦合系數(shù)：

0.00-5.00-10.00-15.00-20.00XY Plot 2-5.6694Curve Info0type2-6.5349-9.1981dB(S(1,1))Setup1 : SweepdB(S(1,2))Setup1 : SweepdB(S(2,2))Setup1 : SweepY1-25.00-30.00-35.00-40.00-45.000.500.751.001.25Freq [GHz]1.501.752.00 不圓度：m1-m2=0.7744

0-30-1.00-1.20-60-1.40-1.60m1m230609090-120Namem1m2PhiAngMag120271.0000-89.0000-0.9964197.0000-163.0000-1.7708-150150

增益（0.92GHz）加載線圈：

無線圈：

總結(jié)：

不圓度指標(biāo)可在1dB內(nèi)； 駐波和耦合是難點(diǎn)；

把螺旋天線內(nèi)置在天線罩中，耦合增強(qiáng)，但對(duì)位置敏感，需要和室分天線聯(lián)合調(diào)參。

fpc-induce2 good

天線變小了

反射系數(shù)（駐波）和耦合系數(shù)：940MHz 0.00XY Plot 2Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepdB(S(1,2))Setup1 : SweepdB(S(2,2))Setup1 : Sweepgood-5.00-4.7591-6.2077-9.3256-10.00Y1-15.00-20.00-25.00-30.000.500.751.001.25Freq [GHz]1.501.752.00 不圓度：m1-m2=0.7444

NamePhi0AngMag-30m1m2269.0000-91.0000-2.258306-1.6085.000085.0000-1.5142-1.80-60-2.00-2.20m160m29090-120120-150150

940Mhz 端口損耗=1.2023-（-1.4088）=2.6111 dB

S11=-9.3256dB, P: 0.116799235 S21=-4.7591dB, P: 0.334264303 GAIN-REALIZEDGAIN=1-|S11|-|S21|= 0.548953998=-2.604640473 dB 吻合!

螺旋天線方向圖：水平全向，和室分天線類似

IBEACON仿真結(jié)果：

1.2cm*2cm地板（2.4G）

沿y軸放置的ibeacon天線，方向圖為y軸零點(diǎn)的面包圈。增益1.3dB。

2.大地板（2.4G）

方向圖為y軸仍為零點(diǎn)。隨著地板增大，ibeacon天線輻射偏向了地板方向，出現(xiàn)3個(gè)副瓣，端口匹配容易，增益增大為3.5dB。

3.室分天線+螺旋天線+IBEACON（2.4G）0.00XY Plot 1-0.0506ibeacon+antennaCurve Info-2.50dB(S(1,1))Setup1 : SweepdB(S(2,2))Setup1 : Sweep-5.00dB(S(3,3))Setup1 : SweepY1-7.50-8.4173-10.00-10.1141-12.50-15.001.501.752.002.252.50Freq [GHz]2.753.003.253.50 室分天線和ibeacon的方向圖

Theta=30,60時(shí)的方向圖

其中，端口1是室分天線，端口2是螺旋天線，端口3是ibeacon天線。Ibeacon方向圖基本和2類似，增益有所損失。

總結(jié)：

1、Ibeacon天線會(huì)偏向相反方向輻射，且有3個(gè)明顯的副瓣，最大增益和最小增益差4dB。天線尺寸小，方向圖較難控制。

2、ibeacon和室分天線共地?cái)[放，布線較為容易。若需要水平均勻方向圖，則重新考慮ibeancon擺放位置、ibeacon天線形態(tài)（一定會(huì)增大尺寸）。

3、該方向圖是否可以足夠滿足定位需求，建議后續(xù)結(jié)合業(yè)務(wù)容量、距離進(jìn)行測試。

第五篇：電波天線考試

電波傳播與天線結(jié)課作業(yè)

系別：xxxx工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 班級(jí)：xx級(jí)xx班 學(xué)號(hào)：xxxxxxxxxx 姓名：XXX 1

電波傳播與天線考試試題

1.簡述天線的功能及接收天線的接收物理過程。（分?jǐn)?shù)：5）

答：天線的任務(wù)是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量（導(dǎo)波）轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或是將空間電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻電流能量送給接收機(jī)。

接收的物理過程為：接收天線工作的物理過程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在導(dǎo)體表面激起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓，在接收機(jī)回路中產(chǎn)生電流。所以接收天線是一個(gè)把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流能量的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的逆過程。

2.為什么引向天線的有源振子常用折合振子，引向天線的引向器和反射器怎么區(qū)分？（分?jǐn)?shù)：10）

答：引向天線是一個(gè)緊耦合的寄生振子端射陣，通常由一個(gè)（有時(shí)由兩個(gè)）有源振子及若干個(gè)無源振子構(gòu)成。有源振子近似為半波振子，主要作用是提供輻射能量；無源振子的作用是使輻射能量集中到天線的端向，折合振子為半波振子，提供的能量能保證天線的輻射要求。在該天線中，其反射能量作用的稍長于有源振子的無源振子稱為反射器；其引導(dǎo)能量作用的較有源振子稍短的無源振子叫引向器。

3.簡述行波天線和駐波天線的差別和優(yōu)缺點(diǎn)。（分?jǐn)?shù)：5）

答：用天線上的電流分布作為區(qū)分行波天線和駐波天線的依據(jù)：把天線上的電流按行波分布的天線叫行波天線，按駐波分布的天線叫駐波天線。駐波天線又稱為諧振天線，它的輸入阻抗具有明顯的諧振特性，天線的工作頻帶較寬，相對(duì)帶寬約幾分之幾到百分之幾；行波天線工作于行波狀態(tài)，頻率變化時(shí)輸入阻抗近似不變，方向圖隨頻率的變化也較緩慢，所以帶寬較寬，絕對(duì)帶寬可達(dá)（2~3）:1，是寬頻帶天線。但是，行波天線得寬頻帶特性使用犧牲效益（或增益）來換取的，因?yàn)橛胁糠帜芰勘回?fù)載吸收，所以分行波天線效率低于駐波天線的效率。

4.什么是縫隙天線？基本縫隙天線的場輻射特點(diǎn)是什么？（分?jǐn)?shù)：5）

答：在波導(dǎo)或空腔諧振器開出一個(gè)或數(shù)個(gè)縫隙以輻射或接收電磁波的天線稱為縫隙天線。

特點(diǎn)：有橫向分布電場激勵(lì)；結(jié)構(gòu)牢固；饋電方便。

5.簡述電波傳播研究內(nèi)容及對(duì)象和幾種主要的電波傳播的特點(diǎn)。（分?jǐn)?shù)：5）答：研究內(nèi)容：無線電波傳播媒質(zhì)特性的研究；幾種傳播方式的傳播機(jī)制，傳輸特性的研究；對(duì)于新開拓頻段的電波傳播問題的研究。

地面波傳播：信號(hào)比較穩(wěn)定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。天波傳播：長，中，短波都可以利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。視距傳播：收，發(fā)天線離地面高度遠(yuǎn)大于波長。

對(duì)流層散射傳播：主要用于超短波和微博遠(yuǎn)距離通信。

6.當(dāng)發(fā)射天線為輻射垂直極化的鞭狀天線，在地面上和地面下接收時(shí)，各自應(yīng)采用何種天線比較合適，解釋其原因？（分?jǐn)?shù)：5）

答：當(dāng)采用垂直極化的鞭狀天線作為發(fā)射天線時(shí)，根據(jù)波前傾斜現(xiàn)象的原理，在地面上和地面下均可以接收信號(hào)。在地面上接收時(shí)，由于電場的垂直分量遠(yuǎn)大于水平分量，所以宜采用直立天線來接收，接收天線附近的地面宜選擇濕地。如果受條件限制，不能采用直立天線來接收，也可以采用低架或水平鋪設(shè)的天線來接收，此時(shí)地面宜選擇干地。

7.簡述天波傳播中的反射條件和電離層吸收特點(diǎn)。（分?jǐn)?shù)：5）

答：反射條件：sinηmax

0

=√ε=√（1-80.8N/f2

n

n

max

n

max）

f=√80.8N/cos2η

式中N是反射點(diǎn)的電子密度。

吸收特點(diǎn):電離層的碰撞頻率越大或者電子密度越大，電離層對(duì)電波的吸收就越

大；電波頻率越低，吸收越大。

8.為什么存在地面有效反射區(qū)？在其他條件都相同的情況下，有效反射區(qū)的大小和頻率關(guān)系如何？（分?jǐn)?shù)：5）

答：由于地面的性質(zhì)、地貌、地面建筑等都會(huì)影響電波轉(zhuǎn)播，所以傳到地面的電磁波不會(huì)完全被利用，即存在地面有效反射區(qū)。

頻率越高，有效反射區(qū)越大。

9.簡述地面移動(dòng)通信中電波傳播特點(diǎn)及其研究方法？（分?jǐn)?shù)：5）

答：對(duì)地面移動(dòng)通訊所采用的VHF和UHF頻段而言，地面波衰減得很快，可以忽略不計(jì)，其主要的傳播方式仍為視距傳播，即直接波與地面波的合成。在地面移動(dòng)通訊中，接收信號(hào)不僅有時(shí)間上的衰落，而且還有地點(diǎn)上的衰落，是一種時(shí)間和地點(diǎn)上的隨機(jī)信號(hào)，對(duì)于所覆蓋的大面積地區(qū)，一般很難獲得準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，不可能對(duì)各個(gè)移動(dòng)臺(tái)所在的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的場強(qiáng)估算。

10.研究方法：基于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的預(yù)測方法，Okumura方法，Lee方法；此外還有實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法，如我國的GB/T 14617.1-93方法等。論述微帶天線在現(xiàn)代通信系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)，研究方向。（要求論文字?jǐn)?shù)不少于3000字，有標(biāo)題，摘要，參考文獻(xiàn)，參考文獻(xiàn)不少于10篇，且為近3年內(nèi)發(fā)表的文章）

（分?jǐn)?shù)：50）

微帶天線的發(fā)展及未來

摘要

現(xiàn)代電子技術(shù)向通訊、廣播、可視電話、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)等都離不開電磁學(xué)的發(fā)展。一直以來電磁學(xué)這門課程一直都是通訊技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。微帶天線在其中更是一個(gè)不可或缺的部分。天線的任務(wù)是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量（導(dǎo)波）轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或是將空間電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻電流能量送給接收機(jī)。輻射和接受電磁能量的裝置稱為天線。在現(xiàn)代的社會(huì)，天線是人人不能缺少的東西。在這里介紹的微帶天線則就是其中的精髓。它主要應(yīng)用于高科技領(lǐng)域，微帶天線是近30年來逐漸發(fā)展起來的一類新型天線。早在1953年就提出了微帶天線的概念，但并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發(fā)展和使用是在70年代。常用的一類微帶天線是在一個(gè)薄介質(zhì)基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對(duì)貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線。當(dāng)貼片是一面積單元時(shí)，稱它為微帶天線；若貼片是一細(xì)長帶條則稱其為微帶陣子天線。

關(guān)鍵字 ：微帶天線，電磁場與電磁波，通信，天線

1.微帶天線的發(fā)展情況

微帶輻射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出來的。最早的實(shí)際的微帶天線是Howellt和Munson在1972年研制成的（當(dāng)較好的理論模型及對(duì)敷銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后）。

隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，微帶天線在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用：無線通訊技術(shù)，包括手機(jī)、藍(lán)牙（BlueTooth）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等終端；小型化衛(wèi)星通訊；多普勒及其它制式雷達(dá)；無線電測高儀；指揮和控制系統(tǒng)；導(dǎo)彈遙測；無線電引信；環(huán)境檢測儀表和遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)；生物醫(yī)學(xué)輻射器等）。當(dāng)今對(duì)于微帶天線技術(shù)的研究熱點(diǎn)高增益、低副瓣設(shè)計(jì)小型化、寬帶設(shè)計(jì)多極化、多頻段設(shè)計(jì)超寬帶天線設(shè)計(jì)光子帶隙PBG技術(shù)應(yīng)用于微帶天線設(shè)計(jì)。

2.微帶天線的定義

微帶天線，英文名稱microstrip antenna，是在有金屬接地板的介質(zhì)基片上沉積或貼附所需形狀金屬條、片構(gòu)成的微波天線。主要應(yīng)用于航空科技（一級(jí)學(xué)科）；航空電子與機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（二級(jí)學(xué)科）。

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線(光刻、腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片)。它采用微帶線或同軸線等饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線可以看成是一種縫隙天線。由于介質(zhì)基片的厚度往往遠(yuǎn)小于波長，故它實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線。

3.微帶天線的分類

微帶天線可以分為三種基本類型：微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。微帶貼片天線（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介質(zhì)基片一面的任何平面或非平面幾何形狀的導(dǎo)電貼片和另一面的地平面構(gòu)成。常見實(shí)際使用的基本結(jié)構(gòu)如圖(a)，其中矩形和圓形貼片天線應(yīng)用最廣。典型的貼片天線的增益為5-7dB，3dB波束寬度在70゜-90゜范圍內(nèi)。

微帶行波天線（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由鏈形周期性導(dǎo)體或足夠?qū)挾纫灾С諸E模式的一個(gè)長微帶線構(gòu)成。它沿線傳輸行波，天線的另一端是一個(gè)匹配電阻性負(fù)載，用來避免天線上的駐波?？梢詫⑿胁ㄎ炀€設(shè)計(jì)成使得主波束位于從側(cè)面到端射的任何一個(gè)方向。

微帶縫隙天線（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其它饋線（如槽線）對(duì)其饋電的天線。裂縫實(shí)際上可以是任何形狀，但通常只對(duì)一些基本的微帶裂縫的形狀進(jìn)行研究，如矩形裂縫，環(huán)形裂縫，矩形環(huán)裂縫和錐形裂縫。裂縫天線在它們裂縫的兩側(cè)輻射，因此可稱之為雙向輻射器。利用裂縫的一個(gè)側(cè)面上的反射器板，就可以獲得單向輻射器。

4.微帶天線的工作原理

貼片尺寸為a×b，介質(zhì)基片厚度為h。微帶貼片可看作為寬a長b的一段微帶傳輸線，其終端（a邊）處因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹。一般取b，為微帶線上波長。于是另一端（a邊）處也呈電壓波腹。電場可近似表達(dá)為（設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場無變化）：。

天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效原理知，窄縫上的電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。等效的面磁流密度為。沿兩條a邊的磁流是同向的，故其輻射場在貼片法線方向（z軸）同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。

沿每條b邊的磁流都由反對(duì)稱的兩部分構(gòu)成，它們?cè)贖面（yz平面）上各處的輻射相互抵消；而兩條b邊的磁流又彼此呈反對(duì)稱分布，因而在E面（xz平面）上各處，它們的場也都相消，在其它平面上這些磁流的輻射不會(huì)完全相消，但與沿兩條a邊的輻射相比，都相當(dāng)弱。

矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條a邊的縫隙產(chǎn)生，該二邊稱為輻射邊。由于接地板的存在，天線主要向上半空間輻射。對(duì)上半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流 的正鏡像。由于，因此它只相當(dāng)于將 加倍，輻射圖形基本不變。

微帶縫隙天線

最早出現(xiàn)的也最簡單的是傳輸線模型(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)小與波長的情況。最嚴(yán)格而計(jì)算最復(fù)雜的是積分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理論。從原理上說，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化為一維的傳輸線問題；第二種理論則發(fā)展到基于二維邊值問題的求解；第三種理論又進(jìn)了一步，可計(jì)入第三維的變化，不過計(jì)算也費(fèi)時(shí)得多。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)積分方程法的簡化，產(chǎn)生了格林函數(shù)法(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-Multiport Network Approach)等。5.微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)

和常用的微波天線相比，微帶天線有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

⑴ 體積小，重量輕，低剖面，能與載體（如火箭、衛(wèi)星飛行器等）共形，并且除了在饋電點(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。

⑵ 性能多樣化。不同設(shè)計(jì)的微帶元，其最大輻射方向可以在邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化方式；特殊設(shè)計(jì)的微帶元還可以在雙頻或多頻方式下工作。

⑶ 可加性強(qiáng)。能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡化了整機(jī)的制作和調(diào)試，大大降低了成本。

和其他天線相比，微帶天線也有如下一些缺點(diǎn)：

⑴ 相對(duì)帶寬較窄，特別是諧振式微帶天線。

⑵ 損耗較大，因此效率較低，這類似于微帶電路。特別是行波微帶天線，在匹配負(fù)載上有較大的損耗。

⑶ 單個(gè)微帶天線的功率容量較小。

⑷ 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。

6.微帶天線的應(yīng)用

微帶天線具有小型化、易集成、方向性好、可加性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景廣闊，尤其可在無線電引信上積極的推廣與應(yīng)用?，F(xiàn)以國外某型炮彈引信為例，簡要說明微帶天線在引信上的分析與設(shè)計(jì)。該引信是—調(diào)頻體制引信，天線部分由頭部的塑料封帽、微帶貼片和金屬底板組成，安裝在彈體頭部。該天線在電流不連續(xù)點(diǎn)形成等效磁流源，靠改變各磁流的位置，可改變天線的方向性。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有：移動(dòng)通信、衛(wèi)星通訊、多普勒雷達(dá)及其它雷達(dá)；無線電測高計(jì)；指揮和控制系統(tǒng)；導(dǎo)彈遙測；武器信管；便攜裝置；環(huán)境檢測儀表和遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)；生物醫(yī)學(xué)輻射器。這些絕沒有列全，隨著對(duì)微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識(shí)的提高，微帶天線的應(yīng)用場合將繼續(xù)增多。

參考文獻(xiàn)

[1]天線的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，htp:// [2]鐘順時(shí)，微帶天線理論與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，1991 [3]LIU Xue-Guan，GUO Hui-Ping.Microstrip Technology antennas[M].Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University(劉學(xué)觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線，西安:電子科技大學(xué)出版社)2001.[4] 薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線小型化技術(shù).電子技術(shù).2002 [5] 施華，舒琳，王均宏.手機(jī)天線的研究進(jìn)展.移動(dòng)通信.2002 [6] 樊明延，張雪霞，馮正和.移動(dòng)通信中小天線技術(shù)新進(jìn)展.通信市場.2003 [7] 呂文俊，程勇，程崇虎，朱洪波.一種新型多頻縫隙微帶天線的設(shè)計(jì).電波科學(xué)學(xué)報(bào).2006 [8]王軍禮.電磁場與電磁波（第三版）.西安電子科技大學(xué)出版社，2009 [9]王軍禮.《電磁場與電磁波（第三版）》學(xué)習(xí)指導(dǎo).西安電子科技大學(xué)出版社，2011