第一篇：天線(xiàn)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文概要

第一章緒論

一、緒論

1.1課題的研究背景及意義

自古至今，通信無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響著人們的生活，小到一次社會(huì)交際中的簡(jiǎn)單對(duì)話(huà)；大到進(jìn)行太空探索時(shí)，人造探測(cè)器與地球間的信息交換。可以毫不保留地說(shuō)，離開(kāi)了通信技術(shù)，我們的生活將會(huì)黯然失色。近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。在廣播電視領(lǐng)域，光纖作為廣播電視信號(hào)傳輸?shù)拿襟w，以光纖網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的格局已經(jīng)形成。光纖傳輸系統(tǒng)具有的傳輸頻帶寬，容量大，損耗低，串?dāng)_小，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為城市最可靠的數(shù)字電視和數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌?，也是?shí)現(xiàn)直播或兩地傳送最經(jīng)常使用的電視傳送方式。隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，作為未來(lái)個(gè)人通信主要手段的現(xiàn)代通信技術(shù)引起了人們的極大關(guān)注，我國(guó)在移動(dòng)通信技術(shù)方面投入了巨大的人力物力，我國(guó)很多地區(qū)的電力通信專(zhuān)用網(wǎng)也基本完成了從主干線(xiàn)向光纖過(guò)度的過(guò)程。目前，電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)已成為我國(guó)規(guī)模較大，發(fā)展較為完善的專(zhuān)用通信網(wǎng)，其數(shù)據(jù)、語(yǔ)音，寬帶等業(yè)務(wù)及電力生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)都是由光纖通信承載，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)生活，顯然，已離不開(kāi)光纖通信網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)通信現(xiàn)狀另一非?；钴S的通信技術(shù)當(dāng)屬，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)了。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括了移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)等兩大主要方面。移動(dòng)通信就目前來(lái)講是3G 時(shí)代，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。目前，移動(dòng)通信已從模擬通信發(fā)展到了數(shù)字移動(dòng)通信階段。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可以彌補(bǔ)以光纖通信為主的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的不足，適用于無(wú)固定場(chǎng)所，或有線(xiàn)局域網(wǎng)架設(shè)受限制的場(chǎng)合，當(dāng)然，同樣也可以作為有線(xiàn)局域網(wǎng)的備用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WLAN，目前廣泛應(yīng)用IEEE802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)。其中，工作于2.4GHZ 頻段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ 頻段，速率高達(dá)54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b 兼容。給人們的生活工作帶來(lái)了很大的方便與快捷。

在整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，用來(lái)輻射或接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置成為天線(xiàn)，而通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、電視等無(wú)線(xiàn)電技術(shù)設(shè)備都是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波來(lái)傳遞信息的，均需

要有無(wú)線(xiàn)電波的輻射和接收，因此，同發(fā)射機(jī)和接收機(jī)一樣，天線(xiàn)也是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，其性能的優(yōu)良對(duì)無(wú)線(xiàn)通信工程的成敗起到重要作用。天線(xiàn)的作用首先在于輻射和接收無(wú)線(xiàn)電波，但是能輻射或接收電磁波的東西不一定都能作為天線(xiàn)。任何高頻電路，只要不被完全屏蔽，都可以向周?chē)臻g或多或少地輻射電磁波，或從周?chē)臻g或多或少地接收電磁波，但是任意一個(gè)高頻電路并不一定能用作天線(xiàn)，因?yàn)樗妮椛浠蚪邮招士赡芎艿停軌蛴行У剌椛浠蚪邮针姶挪?，天線(xiàn)在結(jié)構(gòu)和形式上必須滿(mǎn)足一定的要求?？焖侔l(fā)展的移動(dòng)通信系統(tǒng)需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化、高性能的天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)作為天線(xiàn)家祖的重要一員，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)步，在移動(dòng)終端中采用內(nèi)置微帶天線(xiàn)，不但可以減小天線(xiàn)對(duì)于人體的輻射，還可使手機(jī)的外形設(shè)計(jì)多樣化，因此內(nèi)置微帶天線(xiàn)將是未來(lái)天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向之一，設(shè)計(jì)出具有小型化的微帶天線(xiàn)不但具有一定的理論價(jià)值而且具有重要的應(yīng)用價(jià)值，這也成為當(dāng)前國(guó)際天線(xiàn)界研究的熱點(diǎn)之一。

因此，一副實(shí)用且性能良好的天線(xiàn)既要滿(mǎn)足系統(tǒng)易于集成化的要求，同時(shí)也要滿(mǎn)足各個(gè)系統(tǒng)的兼容性、可靠性要求，即為對(duì)天線(xiàn)小型化、寬頻帶、多頻帶的設(shè)計(jì)要求，因此本文主要對(duì)現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的多頻帶、寬帶、超寬帶天線(xiàn)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1.2微帶天線(xiàn)的發(fā)展概述

早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微帶線(xiàn)的輻射來(lái)制成微帶微波天線(xiàn)的概念。但是，在接下來(lái)的近20年里，對(duì)此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)對(duì)低剖面天線(xiàn)的迫切需求，芒森(R．E ．Munson 和豪威爾(J．Q ．Howell 等研究者制成了第一批實(shí)用的微帶天線(xiàn)[1]。隨之，國(guó)際上展開(kāi)了對(duì)微帶天線(xiàn)的廣泛研究和應(yīng)用。1979年在美國(guó)新墨西哥州大學(xué)舉行了微帶天線(xiàn)的專(zhuān)題目際會(huì)議，1981年IEEE 天線(xiàn)與傳播會(huì)刊在1月號(hào)上刊載了微帶天線(xiàn)專(zhuān)輯。至此，微帶天線(xiàn)已形成為天線(xiàn)領(lǐng)域中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支，兩本微帶天線(xiàn)專(zhuān)輯也相繼問(wèn)世。80年代中，微帶天線(xiàn)無(wú)論在理論與應(yīng)用的深度上和廣

度上都獲得了進(jìn)一步的發(fā)展；今天，這一新型天線(xiàn)已趨于成熟，其應(yīng)用正在與日俱增。微帶天線(xiàn)具有結(jié)構(gòu)緊湊、外觀(guān)優(yōu)美、體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。

1.3小型化、多頻帶/寬頻帶天線(xiàn)的研究現(xiàn)狀 1.3.1天線(xiàn)小型化、寬頻帶研究現(xiàn)狀

天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的一部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重要的影響。微帶天線(xiàn)帶寬相對(duì)較窄，通常低于3%，而無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)展，要求天線(xiàn)具有更高的帶寬。同時(shí)在隨著電路集成度的提高，系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領(lǐng)域，如導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和手機(jī)等等，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。此外隨著天線(xiàn)尺寸的減小，天線(xiàn)效率會(huì)顯著降低，帶寬也會(huì)隨之變窄。如何在天線(xiàn)帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設(shè)計(jì)出寬帶小型化的微帶天線(xiàn)是近年出現(xiàn)的一個(gè)熱門(mén)課題。當(dāng)然優(yōu)化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法的探討有著重要的意義。

1.3.2多頻帶天線(xiàn)的研究現(xiàn)狀

多頻天線(xiàn)主要有多頻振子天線(xiàn)[2]、多頻縫隙天線(xiàn)[3]和多頻微帶天線(xiàn)[4，多頻振子天線(xiàn)主要通過(guò)添加不同長(zhǎng)度的諧振振子來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻帶，多頻縫隙天線(xiàn)主要通過(guò)在輻射單元以及輻射地結(jié)構(gòu)上進(jìn)行開(kāi)縫改變電流流向來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻化，多頻微帶天線(xiàn)則主要通過(guò)調(diào)節(jié)微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度、寬度以及不同微帶線(xiàn)之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻化。隨著

1.4論文的主要研究?jī)?nèi)容

第二章微帶天線(xiàn)理論（參看寶兒書(shū)）第三章多頻帶天線(xiàn)設(shè)計(jì) 3.1天線(xiàn)多頻化實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.2基于分形結(jié)構(gòu)的多頻微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì) 3.1.1

三、微帶天線(xiàn)的小型化技術(shù)

天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的一部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重要的影響。微帶天線(xiàn)帶寬相對(duì)較窄，通常低于3%，而無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)展，要求天線(xiàn)具有更高的帶寬。同時(shí)在隨著電路集成度的提高，系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領(lǐng)域，如導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和手機(jī)等等，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。此外隨著天線(xiàn)尺寸的減小，天線(xiàn)效率會(huì)顯著降低，帶寬也會(huì)隨之變窄。如何在天線(xiàn)帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設(shè)計(jì)出寬帶小型化的微帶天線(xiàn)是近年出現(xiàn)的一個(gè)熱門(mén)課題。當(dāng)然優(yōu)化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法的探討有著重要的意義。

3.1 天線(xiàn)加載

在微帶天線(xiàn)上加載短路探針 [4]，通過(guò)與饋點(diǎn)接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實(shí)現(xiàn)小型化，典型結(jié)構(gòu)如圖3.1 所示。其缺點(diǎn)是:(1 阻抗匹配極大地依賴(lài)于短路探針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離Δ，往往需要饋電點(diǎn)的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。(2 帶寬窄。(3 H 面的交叉極化電平相對(duì)較高。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻(chip resistor，在進(jìn)一步降低諧振頻率的同時(shí)還可增加帶寬。

圖3.1 加載短路探針的微帶天線(xiàn) 3.2 采用特殊材料基片

從天線(xiàn)諧振頻率關(guān)系式可以知道，諧振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比，因此采用高介電常數(shù)(如陶瓷材料 或高磁導(dǎo)率(如磁性材料 的基片可降低諧振頻率，從而減小天線(xiàn)尺寸。這類(lèi)高介質(zhì)天線(xiàn)的主要缺陷是:(a 激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損

耗較大，使增益減小，效率降低。(b 帶寬窄。為提高增益，常在天線(xiàn)表面覆蓋介質(zhì)(如圖3.2 所示。

圖3.2 采用高r 的多層介質(zhì)微帶天線(xiàn) 3.3 表面開(kāi)槽（slot）[5] 當(dāng)在貼片表面開(kāi)不同形式的槽或細(xì)縫時(shí)(如圖3.3 所示，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過(guò)而路徑變長(zhǎng)，在天線(xiàn)等效電路中相當(dāng)于引入了級(jí)聯(lián)電感。由于槽很窄，它可模擬為在貼片中插入一無(wú)限薄的橫向磁壁。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵(lì)相位差90°的極化簡(jiǎn)并模，還可形成圓極化輻射，以及實(shí)現(xiàn)雙頻工作。圖3.4 為表面開(kāi)槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線(xiàn)。

圖3.3 表面開(kāi)槽的小型化微帶天線(xiàn)圖3.4 小型口徑耦合圓極化微帶

這類(lèi)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，加工方便，其特點(diǎn)是:隨槽的長(zhǎng)度增加，天線(xiàn)諧振頻率降低，天線(xiàn)尺寸減小，但尺寸的過(guò)分縮減會(huì)引起性能的急劇劣化，其中帶寬(一般約為1 % 與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶寬這兩個(gè)限制，開(kāi)發(fā)實(shí)用化、易調(diào)諧的此類(lèi)天線(xiàn)尚待深入研究。

3.4 附加有源網(wǎng)絡(luò)

縮小無(wú)源天線(xiàn)的尺寸，會(huì)導(dǎo)致輻射電阻減小，效率降低。可利用有源網(wǎng)絡(luò)的放大作用及阻抗補(bǔ)償技術(shù)彌補(bǔ)由于天線(xiàn)尺寸縮小引起的指標(biāo)下降。有源天線(xiàn)具有以下良好特性:(1 工作頻帶寬。利用有源網(wǎng)絡(luò)的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線(xiàn)

帶寬高低端頻比可達(dá)20～30。(2 增益高(可達(dá)10dB 以上，方向性好。(3 便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。(4 易實(shí)施天線(xiàn)方向圖，包括主波方向、寬度、前后輻射比等的電控。(5 有源天線(xiàn)陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線(xiàn)需考慮噪聲及非線(xiàn)性失真問(wèn)題。

3.5 采用特殊形式

這些方法總的思路是使貼片的等效長(zhǎng)度大于其物理長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)小型化目的。近年來(lái)由于無(wú)線(xiàn)通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie(如圖3.5所示、倒F 型(PIFA，planar inverted2F antenna(如圖3.6 所示、L 形、E 形、Y 形、雙C 形、層疊短路貼片(stacked shorted patch 等等。

圖3.5 雙頻帶蝶型微帶天線(xiàn)圖3.6 電容加載的倒F 型微帶天線(xiàn)（PIFA）

四、結(jié)束語(yǔ)

微帶天線(xiàn)由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而自其誕生以來(lái)就得到社會(huì)各界的廣泛研究與應(yīng)用。通訊產(chǎn)品越來(lái)越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素，因此天線(xiàn)的小型化成為天線(xiàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)出具有小型化的微帶天線(xiàn)是當(dāng)前微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

第二章

1.課題的研究背景及意義

從馬可尼橫跨大西洋的無(wú)線(xiàn)電通信創(chuàng)舉，到今天千百萬(wàn)用戶(hù)隨時(shí)隨地暢通無(wú)阻的漫游，從現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)武器使用，到日常生活中便攜式通信設(shè)備普及，射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)取得了舉世矚目的成就，并且越來(lái)越緊密的影響和改變著我們的生活。剛剛過(guò)去的十年無(wú)疑是無(wú)線(xiàn)通信爆炸式發(fā)展和普及的十年，射頻電子技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信快速發(fā)展的基礎(chǔ)。通過(guò)近十年的發(fā)展來(lái)看，無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)變得更加實(shí)用，隨著通信事業(yè)的飛速發(fā)展，射頻前端電路的集成度越來(lái)越高，寬帶化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量輕等設(shè)計(jì)要求越來(lái)越苛刻，因此射頻前端電路與系統(tǒng)寬帶化設(shè)計(jì)顯得十分必要，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。0 天線(xiàn)是無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波[1]，通信系統(tǒng)中的雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、電視等都是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞信息的。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展, 基于分形結(jié)構(gòu)的多頻微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì) 1分形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

多頻天線(xiàn)主要有多頻振子天線(xiàn)[2]、多頻 縫隙天線(xiàn)[3]和多頻微帶天線(xiàn)[4]，這些多頻天線(xiàn)輻射結(jié)構(gòu)之間相互獨(dú)立，沒(méi)有特定變化規(guī)律，而分形幾何結(jié)構(gòu)獨(dú)有空間填充性和自相似性的特

點(diǎn)，在多頻微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)多頻化、小型化的目的[4]。目前采用分形結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)

現(xiàn)多頻工作的有Sierpinski 三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、樹(shù)狀分形[8]結(jié)構(gòu)等，它

們通過(guò)改變分形次數(shù)而不引入有耗加載量，具有的規(guī)律性結(jié)構(gòu)使得小型化天線(xiàn)設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化

天線(xiàn)是無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波[1]，通信系統(tǒng)中的雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、電視等都是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞信息的。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展, 小型化、多功能成為人們對(duì)各種手持設(shè)備的不斷追求，這就需要一個(gè)終端設(shè)備能夠同時(shí)在多個(gè)頻段工作。2G 通話(huà)頻段（GSM1800）、世界公開(kāi)使用的無(wú)線(xiàn)頻段（ISM2.4GHz）和用于無(wú)線(xiàn)通信的城域網(wǎng)頻段（WiMAX）是小型多功能手持設(shè)備工作的重要頻段，因此設(shè)計(jì)出能覆蓋上述頻段的天線(xiàn)具有實(shí)際意義...............................本文擬采用Sierpinski 分形結(jié)構(gòu)，利用加載諧振和匹配枝節(jié)的辦法，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX(3.3GHz~3.6GHz 的全向輻射微帶天線(xiàn)。設(shè)計(jì)原理

Sierpinski 分形有Sierpinski 三角和Sierpinski 毯兩種，其中Sierpinski 三角的形式多樣，應(yīng)用較為廣泛[9]。Sierpinski 三角形天線(xiàn)進(jìn)行分形之前, 其初始元會(huì)在低頻處產(chǎn)生一個(gè)諧振點(diǎn), 隨著天線(xiàn)分形結(jié)構(gòu)迭代次數(shù)的不斷增加, 天線(xiàn)的生成元不斷減小, 而天線(xiàn)將保持原有的諧振點(diǎn)不變并在高頻處增加新的諧振點(diǎn), 諧振點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分形的迭代次數(shù)相等, 并且在各諧振頻點(diǎn)天線(xiàn)都具有相似的輻射性能。Sierpinski 三角形分形單元如圖1所示。

圖1Sierpinski 三角形分形單元

Sierpinski 三角形分形結(jié)構(gòu)具有多頻特性，且各個(gè)諧振頻點(diǎn)成比例。比例系數(shù)可通過(guò)改變墊片的形狀來(lái)調(diào)節(jié)，但不能無(wú)限次分形，其存在的截?cái)嘈?yīng)將導(dǎo)致第一諧振點(diǎn)與其它諧振

點(diǎn)不滿(mǎn)足諧振頻率[9] n n h c f δ26.0=（1）

比例關(guān)系。其中，c 為空氣中的光速，h 為迭代前三角形的高度，δ為天線(xiàn)的縮放因子。若通過(guò)加載枝節(jié)的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可以解決僅采用Sierpinski 三角形

分形結(jié)構(gòu)時(shí)頻點(diǎn)位置難以調(diào)節(jié)和不能無(wú)限次分形實(shí)現(xiàn)多頻化的問(wèn)題。加載的微帶枝節(jié)長(zhǎng)度L 和寬度W 的表示式

分別為[10] L f c L e ?-=22(2 2 1(2-+=r f c W ε(3 其中，r ε為相對(duì)介電常數(shù)，e ε為有效介電常數(shù)，其計(jì)算式為[10] 121(21 21-+-++=w h r r e εεε（4）L ?為等效長(zhǎng)度，由式（5）計(jì)算[10] 8.0(258.0(264.0(3.0(412.0+-++=?w w h L e e εε（5）2 天線(xiàn)設(shè)計(jì) 2.1天線(xiàn)模型設(shè)計(jì)

該天線(xiàn)基于Sierpinski 分形結(jié)構(gòu)，采用兩次三角形分形分別產(chǎn)生1.7GHz 和3.5GHz 兩個(gè)諧振點(diǎn)，加入短諧振枝節(jié)產(chǎn)生2.4GHz 的諧振點(diǎn)，加入長(zhǎng)匹配枝節(jié)調(diào)節(jié)低頻1.7GHz 諧振點(diǎn)后移至1.8GHz 處，克服了低頻諧振點(diǎn)因加入短諧振枝節(jié)以及耦合的影響出現(xiàn)前移的問(wèn)題，背面采用2.3mm 寬的反射參考地結(jié)構(gòu)，保證天線(xiàn)各處輻射大小相等，實(shí)現(xiàn)全向輻射。設(shè)計(jì)天線(xiàn)模型如圖2所示。

(a 正面

(b 背面 圖2 天線(xiàn)模型 2.2 模型參數(shù)設(shè)計(jì)

采用聚四氟乙烯材料為介質(zhì)基板，介電常數(shù)（r）為3.5，基板尺寸為53.6mm* 46.7mm*1mm。由式（1）可以計(jì)算求得Sierpinski 三角形分形輻射貼片的尺寸如下。初始S i e r p i n s k i 分形單元高度：ant H = 46.7mm 初始S i e r p i n s k i 分形單元寬度：W a n t = 53.6mm 第兩次分形后分形單元的長(zhǎng)度：L 1

= 17.1mm，L 2=16.1mm, L3=25.7mm，L 4=12mm 第兩次分形后分形單元的寬度：W 1= 28.6mm，W 2=12.5mm 由微帶貼片理論公式（2）、（3）計(jì)算加入短諧振枝節(jié)的尺寸如下。短諧振枝節(jié)長(zhǎng)度：L 5=24.9mm 短諧振枝節(jié)寬度：W 4=1mm 通過(guò)1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換，加入長(zhǎng)匹配枝節(jié)的長(zhǎng)度為：L 6=34.6mm。

由于受介質(zhì)均勻性、軟件本身存在的仿真誤差等影響，實(shí)際優(yōu)化長(zhǎng)度與理想計(jì)算長(zhǎng)度會(huì)稍有偏差，最終設(shè)計(jì)天線(xiàn)以實(shí)際優(yōu)化長(zhǎng)度為主。3 仿真優(yōu)化與結(jié)果分析

利用三維電磁仿真軟件（Ansoft HFSS15.0）對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輻射方向性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果分別如圖

3、圖4圖5和圖6所示。

圖3為只有分形結(jié)構(gòu)和在分形結(jié)構(gòu)上分別加載短諧振枝節(jié)、長(zhǎng)匹配枝節(jié)時(shí)天線(xiàn)諧振點(diǎn)和回波損耗的對(duì)比。

圖3加入不同枝節(jié)的天線(xiàn)回波損耗

由圖3可知，當(dāng)僅采用Sierpinski 分形結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生低頻1.7GHz 和高頻3.5GHz 兩個(gè)諧振點(diǎn)；加入短諧振枝節(jié)，可產(chǎn)生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3個(gè)

諧振點(diǎn)，與未加枝節(jié)時(shí)相比，低頻1.7GHz 諧振點(diǎn)的位置發(fā)生前移，但產(chǎn)生了新的諧振點(diǎn)；加入長(zhǎng)匹配枝節(jié)，產(chǎn)生1.8GHz、3.5GHz 兩個(gè)諧振點(diǎn)，與加入短枝節(jié)相比，低頻諧振點(diǎn)則向后移動(dòng)，頻點(diǎn)位置有所改善，但并沒(méi)有產(chǎn)生更多的諧振點(diǎn)，因此，綜合考慮加入短諧振枝節(jié)和長(zhǎng)匹配枝節(jié)對(duì)頻點(diǎn)位置的影響，若同時(shí)加入長(zhǎng)短枝節(jié)則可以實(shí)現(xiàn)該天線(xiàn)多頻化、小型化的設(shè)計(jì)。

圖4為不同的耦合距離對(duì)天線(xiàn)諧振點(diǎn)和回波損耗的影響對(duì)比圖。

圖4耦合間距的優(yōu)化

由圖4看出，耦合距離的變化對(duì)天線(xiàn)諧振頻率點(diǎn)位置的影響較小，但對(duì)回波損耗的大小影響較大，綜合考慮3個(gè)頻段的回波損耗，當(dāng)耦合距離S=0.6mm時(shí)，回波損耗在3個(gè)諧振點(diǎn)處均達(dá)到-25dB 以下，達(dá)到最優(yōu)。

圖5為設(shè)計(jì)天線(xiàn)同時(shí)加入長(zhǎng)短枝天線(xiàn)的諧振頻點(diǎn)和回波損耗的變化圖。

圖5有無(wú)似對(duì)稱(chēng)枝節(jié)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真回波損耗對(duì)比

由圖5可以看出，同時(shí)加入長(zhǎng)短枝節(jié)以及耦合后，既增加了2.4GHz 諧振頻率，也改善了低頻1.7GHz 的頻點(diǎn)位置和高頻諧振處的帶寬。

圖6為天線(xiàn)在1.8GHz、2.4GHz 和3.5GHz 3個(gè)諧振點(diǎn)的E 面、H 面輻射方向。

(a 1.8GHz

(b 2.4GHz

(c 3.5GHz 圖6 天線(xiàn)的E 面、H 面方向

圖6中，該天線(xiàn)具有良好的全向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，說(shuō)明背面采用了較窄的地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該天線(xiàn)保證了天線(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)等距離處輻射大小相等，實(shí)現(xiàn)全向輻射。將仿真天線(xiàn)模型導(dǎo)出版圖進(jìn)行加工，加工實(shí)物如圖7所示。

(a 正面

(b）背面

圖7天線(xiàn)加工實(shí)物 4實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

將該天線(xiàn)通過(guò)SMA 連接器連接到矢網(wǎng)儀(Agilent Technologies E5071C 300 MHz~20 GHz 進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖 8 天線(xiàn)測(cè)試環(huán)境 將圖 8 中測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖 9 所示。圖 9 天線(xiàn)仿真與測(cè)試回波損耗 圖 9 中，天線(xiàn)仿真回波損耗在-10dB 以下的頻段為 1.69GHz~1.85GHz、2.25GHz~2.54GHz、3.27GHz~3.69GHz，測(cè)試回波損耗在-10dB 以下的頻段為 1.65GHz~1.83GHz，2.37GHz~4.1GHz。與仿真結(jié)果相比，天線(xiàn)測(cè)試結(jié)果中 1.8GHz 諧振頻點(diǎn) 稍向前偏移，在 2.4GHz 和 3.5GHz 時(shí)，測(cè)試帶寬與仿真帶寬相比都有所提高，這主要是由 于材料及制作工藝存在誤差引起的，在誤差允許范圍內(nèi),實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。5 結(jié)語(yǔ) 利用分形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的空間填充性和自相似性的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)，通過(guò)加 入諧振枝節(jié)和匹配枝節(jié)實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的多頻化設(shè)計(jì)。采用三維電磁仿真軟件（Ansoft HFSS15.0）進(jìn)行仿真，并將該天線(xiàn)通過(guò) SMA 連接器連接到矢網(wǎng)儀(Agilent Technologies E5071C

300 MHz~20 GHz進(jìn)行測(cè)試，仿真和測(cè)試天線(xiàn)回波損耗在-10dB 以下的頻率范圍均 覆蓋了 GSM1800（1710MHz~1850 MHz）、ISM（2.4GHz）、WIMAX(3.3GHz ~3.6GHz頻段，實(shí)現(xiàn)了該多頻化、小型化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。

第二篇：毫米波天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 豆丁網(wǎng)概要

收稿日期：05.8.31毫米波天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉

孫厚軍 何巍

北京理工大學(xué) 100081 [摘要]本文提出了一種毫米波天自動(dòng)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)自行設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件，降低了天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的成本。本文對(duì)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射與接收系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并給出了軟件控制流程。[關(guān)鍵詞] 毫米波天線(xiàn)，自動(dòng)測(cè)試

THE DESIGN OF MILLIMETER-WAVE ANTENNA AUTOMATIC

MEASUREMENT SYSTEM Zhang Wei , Sun Houjun , He Wei , Beijing Institute of Technology , 100081 [Abstract] A design method of millimeter-wave antenna automatic measurement system is presented in this paper.The design method can reduce the antenna measurement system cost effectively.The realization of the transmission and receiving system are described in detail and then the measurement control flow is given.[Key Words] millimeter-wave antenna, automatic measurement 1引言

毫米波技術(shù)是當(dāng)今的一個(gè)重要發(fā)展方向，在國(guó)防及民用方面具有重要的應(yīng)用。天線(xiàn)是毫米波系統(tǒng)的重要組成部分，因此開(kāi)發(fā)毫米波天線(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)非常有必要。由于毫米波信號(hào)源、頻譜儀等設(shè)備均很昂貴，因此單純由儀器搭建毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)成本非常高。我們通過(guò)毫米波器件等設(shè)計(jì)出了一套毫米波天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可以大大降低系統(tǒng)成本，且能夠?qū)崿F(xiàn)天線(xiàn)測(cè)試任務(wù)。毫米波天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

天線(xiàn)測(cè)試就是采用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定和檢驗(yàn)天線(xiàn)的方向性、參數(shù)特性。天線(xiàn)的特性參數(shù)中，方向圖特性尤為重要，而天線(xiàn)的增益、相位、極化等特性可由完整的方向圖中導(dǎo)出，所以天線(xiàn)方向圖測(cè)量是天線(xiàn)測(cè)量中最為重要的環(huán)節(jié)。本文所設(shè)計(jì)的毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象為中心頻率為35GHz的毫米波天線(xiàn)，測(cè)試帶寬為2GHz，其組成原理框圖如圖1所示。

待測(cè)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)射天線(xiàn)接收部分發(fā)射部分轉(zhuǎn)臺(tái)控制與數(shù)據(jù)處理 暗室

圖1 毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

發(fā)射天線(xiàn)固定不動(dòng)，而待測(cè)天線(xiàn)受轉(zhuǎn)臺(tái)控制，可以在方位、俯仰兩維旋轉(zhuǎn)，天線(xiàn)方向圖的測(cè)量是通過(guò)天線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)，連續(xù)地測(cè)量接收回波幅值來(lái)進(jìn)行。為了測(cè)量天線(xiàn)增益，可在測(cè)待定天線(xiàn)前，先安裝已知增益的標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)，轉(zhuǎn)臺(tái)不旋轉(zhuǎn)，由天線(xiàn)測(cè)試儀測(cè)量其輸出信號(hào)幅值，作為基準(zhǔn)。在安裝待測(cè)天線(xiàn)后測(cè)得的數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較，則可求得每個(gè)方向角度下天線(xiàn)的近似增益。

毫米波天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要分為三個(gè)組成部分：發(fā)射接收部分，轉(zhuǎn)臺(tái)及控制部分，數(shù)據(jù)處理及顯示部分。發(fā)射接收部分主要完成毫米波信號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)射，待測(cè)天線(xiàn)接收信號(hào)的放大、濾波、混頻等；轉(zhuǎn)臺(tái)及控制部分包括轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理及顯示部分包括信號(hào)采集卡、數(shù)據(jù)處理及顯示軟件等。毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射接收機(jī)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射接收機(jī)原理框圖如下：

2GHzDDS控制信號(hào)點(diǎn)頻源發(fā)射天線(xiàn)DDS濾波脈沖調(diào)制器濾波16倍頻待測(cè)天線(xiàn)1。90625GHzDDS控制信號(hào)點(diǎn)頻源低噪聲放大器DDS濾波脈沖調(diào)制器濾波16倍頻數(shù)據(jù)處理I/Q解調(diào)中頻放大濾波100MHz

圖2 毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)收發(fā)機(jī)原理圖

中頻信號(hào)源由DDS產(chǎn)生，由DDS產(chǎn)生的中頻信號(hào)在與固定2GHz點(diǎn)頻混頻之后，經(jīng)脈沖調(diào)制輸出得到射頻脈沖，經(jīng)濾波放大后進(jìn)行16倍頻之后即產(chǎn)生毫米波發(fā)射信號(hào)。接收信號(hào)源也由DDS產(chǎn)生與發(fā)射DDS相同的點(diǎn)頻信號(hào)與固定1.90625GHz 點(diǎn)頻信號(hào)混頻，然后16倍頻后輸出。接收天線(xiàn)在接收到發(fā)射天下發(fā)射過(guò)來(lái)的信號(hào)之后經(jīng)接收機(jī)放大并與接收信號(hào)源進(jìn)行下變頻，這樣產(chǎn)生與發(fā)射信號(hào)差100MHz的中頻信號(hào)，經(jīng)濾波、放大之后與100MHz本振進(jìn)行混頻并解調(diào)，產(chǎn)生視頻信號(hào)。然后由A/D信號(hào)采集卡采集后進(jìn)行處理與顯示。這里由于發(fā)射、接收機(jī)有一定距離，故無(wú)法使用同一個(gè)信號(hào)源，而是采用了同樣的兩個(gè)信號(hào)源模塊。

DDS產(chǎn)生的中頻信號(hào)由125MHz向250MHz跳頻，每6.25MHz跳一個(gè)點(diǎn)，共20個(gè)頻點(diǎn)。通過(guò)混頻與倍頻，可產(chǎn)生34GHz到36GHz范圍內(nèi)的20個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)，每隔0.1GHz一個(gè)頻點(diǎn)。在每個(gè)方向角度下，對(duì)20個(gè)頻率點(diǎn)下的接收信號(hào)都進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)所有角度下的測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完后進(jìn)行處理，就可以得到每隔0.1GHz的34GHz－36GHz的天線(xiàn)方向圖數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)中，DDS選用AD公司的AD9858芯片，控制采用FPGA實(shí)現(xiàn)，通過(guò)FPGA往DDS中加載不同的控制字，實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)?？刂妻D(zhuǎn)臺(tái)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)方向圖的測(cè)量就要求天線(xiàn)做一定角度的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，這可由計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送不同的指令，控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，從而使天線(xiàn)按指定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)控制器可與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)合成為一塊電路板，根據(jù)天線(xiàn)測(cè)試的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)。

數(shù)據(jù)采集由PC機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。我們所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡基于PCI總線(xiàn)，采用雙路12位AD采集I、Q數(shù)據(jù)，每個(gè)角度下存儲(chǔ)20個(gè)頻點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)PCI總線(xiàn)傳送至計(jì)算機(jī)內(nèi)存。當(dāng)采集完所測(cè)的角度范圍后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，將方向圖在顯示器上進(jìn)行顯示。軟件控制流程圖如下：

開(kāi) 始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化測(cè)試系統(tǒng)收發(fā)機(jī)開(kāi)始工作接收當(dāng)前角度下的數(shù)據(jù)接收當(dāng)前頻點(diǎn)數(shù)據(jù)否采完20個(gè)頻點(diǎn)否？是將20個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制轉(zhuǎn)臺(tái)到下一角度所有角度測(cè)完否？測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示

圖3 毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)工作流程 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的毫米波天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)天線(xiàn)方向圖進(jìn)行測(cè)試，其他如駐波比等參數(shù)還未加以考慮。因此要實(shí)現(xiàn)完善的天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，還要做很多進(jìn)一步的工作。

[參考文獻(xiàn)] [1]毛乃宏，俱新德等.天線(xiàn)測(cè)量手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987.[2]朱友良.PC式衛(wèi)星天線(xiàn)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件.2005年第7期.[3]常樹(shù)茂，何星馀.DM型制導(dǎo)天線(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng).測(cè)控技術(shù)學(xué)報(bào).1996年第2期.

第三篇：第八章 電磁能量輻射與天線(xiàn)概要

第八章 電磁能量輻射與天線(xiàn)

習(xí)題8.1

一長(zhǎng)為20m的發(fā)射天線(xiàn)，在頻率f?1MHz時(shí)，可視為單元偶極子天線(xiàn)，設(shè)天線(xiàn)上電流振幅的有效值為2.5?A，求天線(xiàn)的輻射電阻Rrad和輻射功率P。如頻率變?yōu)閒?100kHz，其他參數(shù)不變時(shí)，輻射電阻和輻射功率又為多少?

題意分析：

單元偶極子天線(xiàn)輻射電阻和輻射功率是天線(xiàn)特性的重要參數(shù)，必須掌握。解：

當(dāng)f?1MHz時(shí)

自由空間中電磁波的傳播速度為光速c

所以，電磁波的波長(zhǎng)：

c3?108

????300（m）6f1?10天線(xiàn)的輻射電阻：

Rrad?80?2(天線(xiàn)的輻射功率：

P?I2Rrad?(2.5?10?6)2?3.5?2.19?10?11（W）

當(dāng)f?100kHz時(shí)：

電磁波的波長(zhǎng)：

c3?108

???（m）

?300 03f100?10?l?)2?80?2(202)?3.5（?）300天線(xiàn)的輻射電阻：

Rrad?80?2(天線(xiàn)的輻射功率：

P?I2Rrad?(2.5?10?6)2?3.5?10?2?2.19?10?13?l?)2?80?2(202)?3.5?10?2（?）3000（W）

從本題的分析可以看出：當(dāng)激勵(lì)電流和單元偶極子天線(xiàn)尺寸不變時(shí)，信號(hào)的頻率越高，輻射功率越大。輻射電阻Rrad表征了單元偶極子天線(xiàn)輻射電磁能量的能力，Rrad越大，輻射能力越強(qiáng)。

習(xí)題8.2

一單元偶極子天線(xiàn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，離天線(xiàn)較遠(yuǎn)處測(cè)得天線(xiàn)激發(fā)的電磁波的場(chǎng)強(qiáng)為：

?sinθr?E(r,t)?E0sin?ω(t-rc???)?eθV/m ?式中c為真空中的光速。求天線(xiàn)輻射的平均功率。

題意分析：

由題意，測(cè)量點(diǎn)距天線(xiàn)距離較遠(yuǎn)，本問(wèn)題研究的是單元偶極子天線(xiàn)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)問(wèn)題。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是橫電磁波（TEM波），電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間相互垂直，且與傳播方向垂直，三者滿(mǎn)足右手螺旋定律。在研究遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)時(shí)，天線(xiàn)的尺寸相對(duì)于源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離很小，可以忽略天線(xiàn)尺寸的影響，因此建立如圖所示球坐標(biāo)系。

zP?er?e??e??S?E?Hoyx

圖8.2.1 場(chǎng)點(diǎn)P處電場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度以及坡印廷矢量方向關(guān)系

解：

根據(jù)場(chǎng)量與波阻抗的關(guān)系，可得磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

??E?Esin?r???

H(r,t)?H?e???e??0sin?ω(t-)?e?（A/m）

Z0Z0rc??相位系數(shù)的定義式：

??表達(dá)式中ω(t-2???2?f?? ?fcr)項(xiàng)可以寫(xiě)成ωt-?r，這樣就與標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式統(tǒng)一起來(lái)了。c電場(chǎng)強(qiáng)度的相量形式：

?1sinθ?j?r??

E?(。E0e)e?（V/m）

r2磁場(chǎng)強(qiáng)度的相量形式：

?1E0sinθ?j?r??

H?(。e)e?（A/m）

2Z0r坡印廷矢量平均值：

?????

Sav?ReE?H*

???1sinθ?j?r1E0sinθj?r????Re?(E0e)(e)(e??e?)?

r2Z0r?2?

2E02sinθ??er（W/m2）22Z0r

?平均功率，即將坡印廷矢量平均值Sav在球坐標(biāo)系中進(jìn)行閉合面積分：

2??2??E2sin2?2EP??Sav?dS???0rsin?d?d??0（W）2S002Z0r90

第四篇：微波天線(xiàn)仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

基于HFSS的微帶天線(xiàn)仿真設(shè)計(jì) 1 概述

目前，在許多應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)。微帶貼片天線(xiàn)代表一系列的小型天線(xiàn)，以其剖面低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)而成為人們的首選。通過(guò)采用簡(jiǎn)單明了的傳輸線(xiàn)模型，建立微帶線(xiàn)嵌入饋電貼片天線(xiàn)的精確模型并對(duì)之進(jìn)行分析已成為可能。另外，通過(guò)應(yīng)用曲線(xiàn)擬合公式，也可以確定50Ohm輸入阻抗所需的精確嵌入長(zhǎng)度。饋電機(jī)制在微帶貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)中扮演了重要角色。微帶天線(xiàn)可以由同軸探針或嵌入的微帶線(xiàn)來(lái)饋電，同軸探針饋電在有源天線(xiàn)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，而微帶線(xiàn)饋電則是適合于開(kāi)發(fā)高增益微帶陣列天線(xiàn)。

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(xiàn)。它在導(dǎo)體貼片和接地板之間激勵(lì)起電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片與接地板的縫隙向外輻射。

天線(xiàn)分析的基礎(chǔ)問(wèn)題是求解天線(xiàn)周?chē)臻g建立的電磁場(chǎng)，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(xiàn)開(kāi)路段電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 場(chǎng)分布側(cè)面圖 天線(xiàn)基礎(chǔ)

天線(xiàn)的性能直接影響著整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信的性能，一般來(lái)說(shuō)，表征天線(xiàn)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(xiàn)的極化方式

所謂天線(xiàn)的極化，就是指天線(xiàn)輻射時(shí)形成的電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)信號(hào)迅速衰減。

(2)垂直極化波：當(dāng)電場(chǎng)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(xiàn)的增益

天線(xiàn)增益是用來(lái)衡量天線(xiàn)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(xiàn)最重要的參數(shù)之一。

一般來(lái)說(shuō)，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(xiàn)增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對(duì)于點(diǎn)源天線(xiàn)的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對(duì)于對(duì)稱(chēng)陣子天線(xiàn)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(xiàn)增益為18dBi，全向的為11dBi。

2.3 天線(xiàn)的阻抗

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

天線(xiàn)的匹配工作就是消除天線(xiàn)輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線(xiàn)的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)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(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)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(wú)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(wú)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(xiàn)的波瓣寬度

波瓣寬度是指天線(xiàn)的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線(xiàn)的輻射圖是度量天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)最基本的模型，本設(shè)計(jì)就是基于微帶貼片天線(xiàn)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(chǎng)輻射特性以及S曲線(xiàn)，3.1 設(shè)計(jì)目的

(1)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)微帶天線(xiàn)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(chǎng)的特性以及S曲線(xiàn)；(3)掌握HFSS10仿真軟件的使用。

3.2 矩形微帶貼片天線(xiàn)的輻射原理

如圖3所示，用傳輸線(xiàn)模分析法介紹它的輻射原理。

設(shè)輻射元的長(zhǎng)為L(zhǎng)，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(zhǎng)為L(zhǎng)的微帶傳輸線(xiàn)，在傳輸線(xiàn)的兩端斷開(kāi)形成開(kāi)路，根據(jù)微帶傳輸線(xiàn)的理論，由于基片厚度h<<λ，場(chǎng)沿h方向均勻分布。在最

簡(jiǎn)單的情況下，場(chǎng)沿寬度ω方向也沒(méi)有變化，而僅在長(zhǎng)度方向（L≈λ/2)有變化。

在開(kāi)路兩端的電場(chǎng)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(chǎng)所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)同向疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場(chǎng)反相相消。因此，兩開(kāi)路端的水平分量可以等效為無(wú)限大平面上同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，縫的電場(chǎng)方向與長(zhǎng)邊垂直，并沿長(zhǎng)邊ω均勻分布?？p的寬度△L≈h，長(zhǎng)度為ω，兩縫間距為L(zhǎng)≈λ/2。這就是說(shuō)，微帶天線(xiàn)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(xiàn)示意圖

3.3 矩形貼片天線(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)

1．建立新的工程 2．設(shè)置求解類(lèi)型 3.設(shè)置模型單位

4．創(chuàng)建微帶天線(xiàn)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(guò)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(chē)鍵，點(diǎn)擊Next按鈕直至結(jié)束。

7．求解設(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。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(wú)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(wèn)題的反射系數(shù)曲線(xiàn)，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：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(xiàn)。

(2)2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(zhǎng)、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質(zhì)基片長(zhǎng)、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長(zhǎng)、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(xiàn)3D模型(探針在Y軸)

(1)反射系數(shù)曲線(xiàn)

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(xiàn)，如圖5所示。

圖5 反射系數(shù)圖（Y軸）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)方向圖，如圖6所示。

圖6 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(xiàn)3D模型(探針在X軸)

(1)反射系數(shù)曲線(xiàn)

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(xiàn)，如圖8所示。

圖8 反射系數(shù)圖（X軸）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)方向圖，如圖9所示。

圖9 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(shuō)明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探針在對(duì)角線(xiàn)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(xiàn)3D模型(探針在對(duì)角線(xiàn)軸)(1)反射系數(shù)曲線(xiàn)

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(xiàn)，如圖11所示。

圖11 反射系數(shù)圖（對(duì)角線(xiàn)）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)方向圖，如圖12所示。

圖12 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（對(duì)角線(xiàn)上）

分析：當(dāng)探針在對(duì)角線(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)3D模型(探針在對(duì)角線(xiàn)軸)

(1)反射系數(shù)曲線(xiàn)

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(xiàn)，如圖14所示。

圖14 反射系數(shù)圖（對(duì)角線(xiàn)）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)方向圖，如圖15所示。

圖15 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（對(duì)角線(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)上越靠近中心，天線(xiàn)性能越好。

4.2 改變貼片尺寸

地板長(zhǎng)、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質(zhì)基片長(zhǎng)、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長(zhǎng)、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(xiàn)3D模型(貼片尺寸改變)(1)反射系數(shù)曲線(xiàn)

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(xiàn)，如圖17所示。

圖17 反射系數(shù)曲線(xiàn)（貼片尺寸改變）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)方向圖，如圖18所示。

圖18 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)方向圖如圖19，圖20所示。

圖 19 反射系數(shù)圖曲線(xiàn)（探針半徑0.4mm）

圖20 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(wèn)題由于時(shí)間問(wèn)題沒(méi)研究）。

總結(jié)：

① 當(dāng)頻率低于工作頻點(diǎn)時(shí)，優(yōu)化天線(xiàn)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(xiàn)性能不是很理想；當(dāng)在對(duì)角線(xiàn)上時(shí)，天線(xiàn)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(xiàn)上靠近中心的位置上，天線(xiàn)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(guò)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(zhǎng)的幫助和指導(dǎo)。

由于老師已經(jīng)在指導(dǎo)書(shū)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(guò)所形成的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)圖和S曲線(xiàn)分析矩形微帶天線(xiàn)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(xiàn)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(lái)的矩形天線(xiàn)的參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際時(shí)，并不能使天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)時(shí)要根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)天線(xiàn)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(zhǎng)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(wèn)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(xiàn)與技術(shù)》 西安電子科技大學(xué)出版社 劉學(xué)觀(guān) 郭輝萍 編著。

第五篇：教學(xué)設(shè)計(jì)概要

第四講教學(xué)設(shè)計(jì)概要

萬(wàn)事預(yù)則立，不預(yù)則廢。

不管是課堂革命還是課程改革，不管是三維目標(biāo)還是核心素養(yǎng)，都離兩個(gè)環(huán)節(jié)：備課和上課。

在建筑行業(yè)，建筑設(shè)計(jì)師比現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)理的地位要高，因?yàn)樵O(shè)計(jì)比施工更重要、更專(zhuān)業(yè)。在教學(xué)領(lǐng)域，同樣是備課比上課更重要，備課準(zhǔn)備充分了，上課就差不到哪里，二者價(jià)值應(yīng)該說(shuō)是三七開(kāi)。不過(guò)，在中小學(xué)，備課與上課基本上一個(gè)人實(shí)施，不少教師更重視上課。

備課如此重要，因此，不管什么改革，都繞不開(kāi)備課這一重要環(huán)節(jié)。

我國(guó)目前大部分教師使用的備課模型是簡(jiǎn)陋的，還是幾十年前的凱洛夫模型：教學(xué)目標(biāo)、教材分析、學(xué)情分析、教學(xué)重難點(diǎn)、教學(xué)用具、教學(xué)過(guò)程等。用這樣的模型不能適應(yīng)核心素養(yǎng)時(shí)代的需要。

因此，教師專(zhuān)業(yè)化首先要做到備課專(zhuān)業(yè)化。本篇以問(wèn)答的方式來(lái)回答什么是專(zhuān)業(yè)化備課的基本問(wèn)題。

一、備課的專(zhuān)業(yè)說(shuō)法是什么？

備課的專(zhuān)業(yè)說(shuō)法是教學(xué)設(shè)計(jì)。

教學(xué)設(shè)計(jì)是創(chuàng)建教學(xué)系統(tǒng)的過(guò)程（加涅）。

要理解教學(xué)設(shè)計(jì)，就先得理解什么是教學(xué)、什么是教學(xué)系統(tǒng)、什么是設(shè)計(jì)。學(xué)生可以從教中學(xué)、育中學(xué)、養(yǎng)中學(xué)、做中學(xué)。從教中學(xué)，就簡(jiǎn)稱(chēng)為教學(xué)，教學(xué)設(shè)計(jì)的祖師爺加涅是這樣定義教學(xué)的：教學(xué)是嵌于有目的活動(dòng)中的促進(jìn)學(xué)習(xí)的一系列事件（加涅）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是有目的有計(jì)劃促進(jìn)學(xué)習(xí)的活動(dòng)。

教學(xué)系統(tǒng)是用于促進(jìn)學(xué)習(xí)的資源和程序的安排。（加涅）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的定義是：有目的的創(chuàng)作行為。直白的說(shuō)，就是“設(shè)計(jì)是一個(gè)使夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)的過(guò)程。”

教學(xué)設(shè)計(jì)是以學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)為中心的，因此，也可以稱(chēng)之為學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。

加涅認(rèn)為不存在唯一最佳教學(xué)設(shè)計(jì)模型，但不管什么模型方法都有如下基本的共同假設(shè)。

第一個(gè)假設(shè)，教學(xué)設(shè)計(jì)必須以幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)而不是教學(xué)過(guò)程為目的。教學(xué)設(shè)計(jì)必須建立以學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)為中心的理念，同時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)也是以有目的的學(xué)習(xí)而不是“偶然”學(xué)習(xí)為目的。

第二個(gè)假設(shè)，教學(xué)設(shè)計(jì)必須基于學(xué)習(xí)原理。教學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)用學(xué)習(xí)原理為設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)事件和學(xué)習(xí)過(guò)程。比如，依據(jù)工作記憶容量是有限的這個(gè)原理，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，我們就需要設(shè)計(jì)PPT或板書(shū)來(lái)減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

第三個(gè)假設(shè)，教學(xué)設(shè)計(jì)要關(guān)注的因素非常多，因?yàn)閷W(xué)習(xí)是受許多變量影響的復(fù)雜過(guò)程，這就決定了教學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如，如果不考慮學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)和原有知識(shí)水平，則高質(zhì)量的教學(xué)不可能是有效的。

第四個(gè)假設(shè)，教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)化的過(guò)程。教學(xué)設(shè)計(jì)是由一系列相關(guān)的、可識(shí)別的子過(guò)程組成，比如確定預(yù)期的結(jié)果、選擇教學(xué)方法、開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)材料、設(shè)計(jì)練習(xí)、評(píng)價(jià)與反饋等。要以系統(tǒng)論觀(guān)點(diǎn)對(duì)這些過(guò)程步驟進(jìn)行有序安排、建立結(jié)構(gòu)。

第五個(gè)假設(shè)，教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程。并不能指望一次形成一個(gè)完美的教學(xué)設(shè)計(jì)。不將學(xué)習(xí)者包括在設(shè)計(jì)過(guò)程中就不是完整的教學(xué)設(shè)計(jì)。必須利用學(xué)習(xí)者來(lái)對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，以便決定什么可行、什么不可行。教學(xué)設(shè)計(jì)是在實(shí)踐中持續(xù)完善的過(guò)程。因此，設(shè)計(jì)者并不設(shè)計(jì)完美的教學(xué)，他們只是使教學(xué)設(shè)計(jì)趨于完美，教學(xué)設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)走在改進(jìn)的路上。

第六個(gè)假設(shè)，不同的類(lèi)型的學(xué)習(xí)結(jié)果需要不同類(lèi)型的教學(xué)。比如，概念、原理、技能、能力等教與學(xué)的方式是不一樣的，即使是概念，不同概念類(lèi)型教學(xué)方式也是不一樣的。例如，不讓學(xué)生參與到問(wèn)題解決過(guò)程就不可能形成問(wèn)題解決能力的。

第七個(gè)假設(shè)，教學(xué)設(shè)計(jì)有多種設(shè)計(jì)水平上的運(yùn)用。有針對(duì)一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)、有針對(duì)一個(gè)單元的教學(xué)設(shè)計(jì)、有針對(duì)一個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)、有針對(duì)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)設(shè)計(jì)、有針對(duì)一門(mén)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)。中小學(xué)教師大多針對(duì)一節(jié)課或一個(gè)單元的教學(xué)設(shè)計(jì)。

第八個(gè)假設(shè)，系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)能極大地影響個(gè)人的發(fā)展。人可以從教中學(xué)、育中學(xué)、養(yǎng)中學(xué)、做中學(xué)。某些人本主義教育家認(rèn)為：“好的教育只為受教育者提供養(yǎng)育作用的環(huán)境，讓學(xué)生在其中以他們自己的方式成長(zhǎng)，不必外加任何計(jì)劃去指引他們的學(xué)習(xí)。”加涅反對(duì)這種觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為“教學(xué)設(shè)計(jì)的基本原因是要確保沒(méi)有一個(gè)人是教育上的不利者，并確保所有學(xué)生都有最充分地運(yùn)用自己潛能的平等機(jī)會(huì)?！毕到y(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)能大大提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)需要哪些支撐？

要掌握教學(xué)設(shè)計(jì)是一件非常復(fù)雜的事情，除了教育學(xué)、心理學(xué)、教學(xué)論、教育心理學(xué)等知識(shí)外，還要專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)的知識(shí)，如果要跟上當(dāng)前課程改革的形勢(shì)，還要理解核心素養(yǎng)和了解項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等新的教學(xué)方式。

要理解教育與學(xué)習(xí)之間的關(guān)系，涉及教育學(xué)、教育哲學(xué)等。

要知道學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的，學(xué)習(xí)的過(guò)程是怎樣，涉及到學(xué)習(xí)科學(xué)、腦科學(xué)、教育心理學(xué)。

要知道學(xué)習(xí)內(nèi)容的分類(lèi)，不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容的不同學(xué)習(xí)方式和教學(xué)策略，涉及教育目標(biāo)分類(lèi)學(xué)。

要理解課堂的教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)模式。

要知道教學(xué)設(shè)計(jì)的基本模型，掌握教學(xué)設(shè)計(jì)的基本方法。對(duì)本學(xué)科要有充分的理解，并且對(duì)相關(guān)學(xué)科也要有一定的了解，要有豐富深刻的學(xué)科知識(shí)。

要理解當(dāng)下教育改革去向，理解什么是核心素養(yǎng)，核心素養(yǎng)如何在教學(xué)設(shè)計(jì)中得到充分的體現(xiàn)。

要掌握以上內(nèi)容，建議閱讀以下書(shū)目：

《認(rèn)知心理學(xué)及其啟示》（約翰。安德森），從認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的角度研究認(rèn)知的過(guò)程?！度耸侨绾螌W(xué)習(xí)的：大腦、心理、經(jīng)驗(yàn)及學(xué)?！罚闪藢W(xué)習(xí)研究的新成果。

《教育心理學(xué)：理論與實(shí)踐》（羅伯特。斯萊文）、《當(dāng)代教育心理學(xué)》（陳琦），依據(jù)心理學(xué)研究為教學(xué)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)用教學(xué)策略。

《學(xué)習(xí)的條件與教學(xué)論》（加涅）、《學(xué)習(xí)、教學(xué)和評(píng)估的分類(lèi)學(xué)》（安德森）、《學(xué)習(xí)心理學(xué)》（王小明），這些著作對(duì)學(xué)習(xí)和知識(shí)進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)每種類(lèi)型提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)策略。

《提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的九種教學(xué)方法》（賽瑞迪因），《深度學(xué)習(xí)的7種有效策略》、《聰明教學(xué)七原理》（蘇珊。安布羅斯），這些著作是學(xué)習(xí)策略、學(xué)習(xí)活動(dòng)的。

《聚焦五星教學(xué)》（盛群力編）、《教學(xué)模式》（布魯斯。喬伊斯），這些著作是研究課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)。

《教學(xué)設(shè)計(jì)原理》（加涅）、《系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計(jì)》（迪克）、《追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)》（格蘭特。威金斯）、《現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計(jì)》（皮連生），這些著作是研究如何做教學(xué)設(shè)計(jì)的。

要做好教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)科知識(shí)還要進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理解，要閱讀教材教參、學(xué)科史、學(xué)科教學(xué)心理學(xué)等方面書(shū)籍。

要讀這么多書(shū)就不容易了，更不容易的是，如何把這些理論知識(shí)如何運(yùn)用到教學(xué)設(shè)計(jì)中去，設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的教學(xué)設(shè)計(jì)，這才是更難的事情。

所以，學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)最好的辦法是在做中學(xué)，要用融合式學(xué)習(xí)的方法來(lái)學(xué)。

教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程，是一個(gè)結(jié)構(gòu)化過(guò)程，有結(jié)構(gòu)就有模型。因此，學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)從教學(xué)設(shè)計(jì)模型開(kāi)始。最經(jīng)典的教學(xué)設(shè)計(jì)是加涅提出的：ADDIE模型。

三、什么是ADDIE模型？

教學(xué)設(shè)計(jì)是創(chuàng)建教學(xué)系統(tǒng)的過(guò)程，因此，教學(xué)設(shè)計(jì)也稱(chēng)之為教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。加涅把這個(gè)過(guò)程分為了分析（analysis）、設(shè)計(jì)(design)、開(kāi)發(fā)(development)、實(shí)施(implementation)、評(píng)價(jià)(evaluation)五個(gè)階段，簡(jiǎn)稱(chēng)ADDIE模型。做教學(xué)設(shè)計(jì)，必須要知道ADDIE，否則就是笑話(huà)，如同學(xué)物理學(xué)的人一定要知道牛頓三大定律一樣。

這里需要指出的是，實(shí)施也是設(shè)計(jì)的一個(gè)階段，是因?yàn)榧幽J(rèn)為教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，需要在實(shí)施中檢驗(yàn)、在實(shí)施中獲得反饋。

分析是教學(xué)設(shè)計(jì)的開(kāi)始。如果我們要設(shè)計(jì)一座住宅，就必須考慮住宅的用途、居住者的性質(zhì)及其需要、預(yù)算、時(shí)間限制和必須的資源。同樣，我們?cè)谧鼋虒W(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮為什么要學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容、學(xué)什么內(nèi)容、學(xué)習(xí)者做好學(xué)習(xí)的準(zhǔn)備了嗎、學(xué)習(xí)需要的資源和限制條件等。

分析階段是為設(shè)計(jì)階段中的決策提供重要的支持性信息。因此，分析階段是很重要的，也是最容易被忽略的步驟。因?yàn)榇蠹叶枷胫苯舆M(jìn)入更具樂(lè)趣和創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)階段。而分析不足是大多數(shù)教學(xué)失敗的通病，所以要認(rèn)真進(jìn)行分析。

設(shè)計(jì)是研究怎么學(xué)的階段，對(duì)學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)事件進(jìn)行有效的安排，目的是得到具體的教學(xué)方案和學(xué)習(xí)方案。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括：把課程目標(biāo)為學(xué)習(xí)目標(biāo)、把單元分解為課或?qū)W習(xí)活動(dòng)、安排學(xué)習(xí)活動(dòng)和配置教學(xué)策略、設(shè)計(jì)評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)達(dá)成狀況等。

設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的、充滿(mǎn)挑戰(zhàn)性過(guò)程，既需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)、掌握過(guò)硬的教與學(xué)技術(shù)、又需要靈感和洞察力，這才能設(shè)計(jì)出有趣有效有價(jià)值的學(xué)習(xí)方案。

開(kāi)發(fā)就是準(zhǔn)備學(xué)習(xí)材料。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，開(kāi)發(fā)教師教的材料和學(xué)生學(xué)習(xí)的材料，包括開(kāi)發(fā)教學(xué)素材、制作評(píng)估表格、開(kāi)發(fā)作業(yè)、開(kāi)發(fā)學(xué)案、制作PPT等。

實(shí)施就是上課，把設(shè)計(jì)好的東西如何在課堂上呈現(xiàn)出來(lái)。實(shí)施主要包括：課前準(zhǔn)備、教學(xué)基本功、教學(xué)策略的執(zhí)行、課堂管理、課堂文化建設(shè)和動(dòng)機(jī)激發(fā)等。

評(píng)價(jià)是ADDIE模型的最后一個(gè)階段。評(píng)價(jià)分為形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)是對(duì)整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在改進(jìn)在下的教學(xué)設(shè)計(jì)或者為未來(lái)的教學(xué)設(shè)計(jì)留下經(jīng)驗(yàn)。因此，形成性評(píng)價(jià)不是實(shí)施完后再來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是邊設(shè)計(jì)可以邊評(píng)價(jià)邊修改。形成性評(píng)價(jià)的實(shí)施主體是教學(xué)設(shè)計(jì)者本人。總結(jié)性評(píng)價(jià)是在教學(xué)設(shè)計(jì)流程結(jié)束后進(jìn)行的評(píng)價(jià)，旨在確定是否達(dá)成既定目標(biāo)，總結(jié)性評(píng)價(jià)主體既可以是設(shè)計(jì)者本人也可以是他人。

教學(xué)設(shè)計(jì)模型有幾十個(gè)，但ADDIE模型是目前最著名、使用最廣泛的教學(xué)設(shè)計(jì)模型，其他大部分模型都在A(yíng)DDIE模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，因此ADDIE模型稱(chēng)之為模型中的模型。