通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-微帶縫隙天線的仿真分析

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p>　　題 目： 微帶縫隙天線的仿真分析 </p><p>　　學(xué) 院： 自動(dòng)化工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p>　　姓

2、 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2010年 6 月 10 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　微帶縫隙天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、體積小、寬頻帶

3、等特性，在微波毫米波系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。論文利用Ansoft HFSS 12.0對(duì)一開在50×80 mm2地面上的縫隙天線進(jìn)行了建模和仿真，縫隙的尺寸約為四分之一波長(zhǎng)，開路在地面的邊緣，由微帶傳輸線饋電。文中計(jì)算了天線的回波損耗和方向圖，與文獻(xiàn)結(jié)果比較吻合，證明了仿真方法的正確性，可為 微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞 微帶縫隙天線 回波損耗 方向圖</p>

4、<p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Slot antenna has a simple structure, easy to process, small size, broadband and other characteristics, widely used in microwave, millimeter wave systems. In t

5、his paper, Ansoft HFSS 12.0 is used to analyze the slot antenna on a 50 × 80 mm2 open ground .The size of the slot is about quarterwavelength, cut in the finite ground plane edge, fed by a microstrip transmission li

6、ne. The paper calculated the return loss and antenna radation pattern. Good agreement with the literature results proved the co</p><p>　　Keywords microstrip slot antenna S11 radiation pattern</p>&

7、lt;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第1章 緒 論2</p><p>　　1.1 研究背景及意義2</p><p>　　1.2 天線特性的主要參數(shù)3</p><p>　　1.3

8、 微帶縫隙天線的應(yīng)用6</p><p>　　1.4 Ansoft HFSS軟件簡(jiǎn)介7</p><p>　　1.5 論文的內(nèi)容及安排8</p><p>　　第2章 縫隙天線的理論分析9</p><p>　　2.1 理想縫隙天線9</p><p>　　2.2 有限大理想導(dǎo)體面縫隙天線9</p>

9、;<p>　　2.3 圓柱體表面上縫隙天線陣11</p><p>　　2.4 微帶縫隙天線13</p><p>　　2.4.1 微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)13</p><p>　　2.4.2 微帶模型13</p><p>　　2.4.3 微帶天線的輻射機(jī)理14</p><p>　　2.4.4

10、 寬帶縫隙天線16</p><p>　　第3章 微帶縫隙天線的仿真20</p><p>　　3.1 創(chuàng)建微帶縫隙天線模型20</p><p>　　3.2 設(shè)置頻率23</p><p>　　3.3 仿真結(jié)果24</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)28</b></p>

11、<p><b>　　謝 辭29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　微帶天線是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型天線，按結(jié)構(gòu)可以把它分為兩大類，一種是微帶貼片天線，另一種是微帶縫隙天線。按形狀分類，

12、可分為矩形、圓形、環(huán)形微帶天線等。按工作原理分類，無(wú)論那一種天線都可分成諧振型(駐波型)和非揩振型(行波型)微帶天線。前一類天線有特定的諧振尺寸，一般只能工作在諧振頻率附近；而后一類天線無(wú)諧振尺寸的限制，它的末端要加匹配負(fù)載以保證傳輸行波。</p><p>　　同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。因而，在大約從100MHz到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點(diǎn)

13、是：重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做得很薄，因此，不擾動(dòng)裝載的宇宙飛船的空氣動(dòng)力學(xué)性能；無(wú)需作大的變動(dòng)，天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；天線的散射截面較小；稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化（左旋和右旋）；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；饋線

14、和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，微帶天線越發(fā)得到專家和研究者的注意，它的應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊。</p><p>　　第1章 緒 論</p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　天線是在無(wú)線電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部件。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來(lái)傳遞信息的，

15、都依靠天線來(lái)進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號(hào)的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。</p><p>　　天線按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。 按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線等。 按工作波長(zhǎng)可分為超長(zhǎng)波天線、長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線

16、等。 按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻</p><p>　　天線按維數(shù)來(lái)分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線。一維天線由許多電線組成，這些電線或者像手機(jī)上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現(xiàn)電纜之前在電視機(jī)上使用的老兔子耳朵。單極和雙級(jí)天線是兩種最基本的一維天線。 二維天線變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織

17、好的二維模式的一束片），還有喇叭狀，碟狀。 </p><p>　　天線根據(jù)使用場(chǎng)合的不同可以分為： 手持臺(tái)天線、車載天線、基地天線三大類。手持臺(tái)天線就是個(gè)人使用手持對(duì)講機(jī)的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。車載天線是指原設(shè)計(jì)安裝在車輛上通訊天線，最常見應(yīng)用最普遍的是吸盤天線。車載天線結(jié)構(gòu)上也有縮短型、四分之一波長(zhǎng)、中部加感型、八分之五波長(zhǎng)、雙二分之一波長(zhǎng)等形式的天線?；嘏_(tái)天線在整個(gè)通訊系統(tǒng)中具有非常關(guān)鍵的

18、作用，尤其是作為通訊樞紐的通信臺(tái)站。常用的基地臺(tái)天線有玻璃鋼高增益天線、四環(huán)陣天線（八環(huán)陣天線）、定向天線。</p><p>　　微帶天線的概念早在1953年就由G．A．DeSchamps提出，在20世紀(jì)50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世紀(jì)70年代初期，當(dāng)微帶傳輸線的理論模型及對(duì)敷銅的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，第一批具有許多設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)用的微帶天線才被制造出來(lái)。縫隙天線最早是在1946年H．G．B

19、ooker提出的，同微帶天線一樣最初沒有引起太多的注意?？p隙天線可以借助同軸電纜很方便地饋送能量，也可用波導(dǎo)饋電來(lái)實(shí)現(xiàn)朝向大平片單側(cè)的輻射，還可以在波導(dǎo)壁上切割出</p><p>　　縫隙的陣列?？p隙開在導(dǎo)電平片上，稱為平板縫隙天線； 開在圓柱面上，稱為開縫圓柱天線。開縫圓柱導(dǎo)體面是開縫導(dǎo)體片至開縫圓柱導(dǎo)體面的進(jìn)化。波導(dǎo)縫陣天線由于其低損耗、高輻射效率和性能等一系列突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用；而平板縫隙天線卻因?yàn)閾p耗

20、較大，功率容量低，效率不高，導(dǎo)致發(fā)展較為緩慢。到1972年，Y．Yoshimura明確提出微帶饋電縫隙天線的概念。</p><p>　　學(xué)者在微帶縫隙天線的研究方面已經(jīng)取得一些成就，顯示其很多優(yōu)點(diǎn)。如饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射單元相對(duì)分離，從而把饋線對(duì)天線輻射方向圖的影響降到最小，對(duì)制造公差要求比貼片天線低，可用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)在敷銅電路板上進(jìn)行生產(chǎn)， 在組陣時(shí)其單元間隔離可比貼片天線更大。特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體所用天線，微帶縫隙

21、天線可以說(shuō)是理想的選擇， 因?yàn)樗梢耘c物體的表面做得平齊，沒有凸起部分，用于快速飛行器表面時(shí)不會(huì)帶來(lái)附加的空氣阻力， 既隱蔽又不影響物體的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　從微帶天線的概念提出以來(lái)，由于它剖面薄、重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是，微帶天線頻帶較窄的突出缺點(diǎn)又限制了它的實(shí)際應(yīng)用。目前在高頻應(yīng)用上，采用更多的是微帶縫隙天線，它具有對(duì)加工精度要求低，可

22、用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)在敷銅電路板上進(jìn)行生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是微帶寬縫天線更是有效地拓寬了頻帶。目前縫隙天線(包括波導(dǎo)縫隙天線)已被廣泛地應(yīng)用于無(wú)線移動(dòng)通信天線以及衛(wèi)星直播電視天線。</p><p>　　1.2 天線特性的主要參數(shù)</p><p>　　天線的特性參數(shù)主要有方向函數(shù)或方向圖，極化特性，頻帶寬度，輸入阻抗等，為了方便對(duì)天線的方向圖進(jìn)行比較，就需要規(guī)定一些表示方向圖特性的參數(shù)。這些參數(shù)有

23、：天線增益G（或方向性Gd）、波束寬度（或主瓣寬度）、旁瓣電平等。下面就簡(jiǎn)單介紹一下天線特性參數(shù)。</p><p><b>　　1.極化特性</b></p><p>　　指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。按天線所輻射的電場(chǎng)的極化形式，可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化；圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右

24、旋。</p><p><b>　　2.輸入阻抗</b></p><p>　　天線阻抗簡(jiǎn)單地講就是在天線部分上的電壓和電流比率。由于在天線各點(diǎn)的電壓和電流的分配不盡相同，各點(diǎn)的阻抗也不相同，其中饋電點(diǎn)的阻抗最為重要，對(duì)半波長(zhǎng)偶極子天線來(lái)說(shuō)就是中央天線。為使無(wú)線電收發(fā)器具有最佳的功率傳送，這點(diǎn)的阻抗應(yīng)該和饋線電纜的阻抗相同。</p><p>　　天

25、線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率。</p><p><b>　　3.帶寬</b></p><p>　　天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。</p><p><b>　　4.

26、遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)</b></p><p>　　如果所觀測(cè)點(diǎn)離開波源很遠(yuǎn)、很遠(yuǎn)，波源可近似為點(diǎn)源。從點(diǎn)源輻射的波其波陣面是球面。因?yàn)橛^測(cè)點(diǎn)離開點(diǎn)源很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，在觀察者所在的局部區(qū)域，其波陣面可近似為平面，當(dāng)作平面波處理。符合這一條件的場(chǎng)通常稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。這里所謂很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)都是以波長(zhǎng)來(lái)計(jì)量的。</p><p>　　5.方向函數(shù)或方向圖</p><p>　　離開天線一定距離處

27、，描述天線輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的相對(duì)分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為天線的方向性函數(shù)；在離開天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的相對(duì)分布的圖形就叫天線的方向圖。最大輻射波束通常稱為方向圖的主瓣。主瓣旁邊的幾個(gè)小的波束叫旁瓣。</p><p>　　天線增益是在波陣面某一給定方向天線輻射強(qiáng)度的量度。它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強(qiáng)度與被研究天線具有同等輸入功率的各向同性天線在同一點(diǎn)所產(chǎn)生的最大輻射強(qiáng)度之比。&

28、lt;/p><p><b>　　(1.1)</b></p><p>　　天線方向性與天線增益類似但與天線增益定義略有不同。</p><p><b>　　(1.2)</b></p><p>　　因?yàn)樘炀€總有損耗，天線輻射功率比饋入功率總要小一些，所以天線增益總要比天線方向性小一些。</p>

29、<p>　　理想天線能把全部饋入天線的功率限制在某一立體角內(nèi)輻射出去，且在立體角內(nèi)均勻分布。這種情況下天線增益與天線方向性相等。</p><p><b>　　(1.3)</b></p><p>　　理想的天線輻射波束立體角及波束寬度</p><p>　　圖1.1 立體角及波束寬度</p><p>　　實(shí)際天線

30、的輻射功率有時(shí)并不限制在一個(gè)波束中，在一個(gè)波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強(qiáng)度最大，偏離波束中心，輻射強(qiáng)度減小。輻射強(qiáng)度減小到3db時(shí)的立體角即定義為。波束寬度與立體角關(guān)系為 :</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　旁瓣電平是指主瓣最近且電平最高的。第一旁瓣電平，一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)一般是不需要輻射的區(qū)域，其電平應(yīng)盡可能的低

31、。</p><p><b>　　天線效率定義為：</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中，為輸入功率；為歐姆損耗；為輻射功率。</p><p>　　天線的輻射電阻用來(lái)度量天線輻射功率的能力，它是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一個(gè)電阻，當(dāng)通過(guò)它的電流等于天線上的

32、最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于輻射功率。顯然，輻射電阻越大，天線的輻射能力越強(qiáng)。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　即輻射電阻為</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p&g

33、t;　　仿照引入輻射電阻的辦法，損耗電阻R1為</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　將上述兩式代入效率公式，得天線效率為</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　可見，要提高天線效率，應(yīng)盡可能提高，降低。</p><p&

34、gt;　　6.駐波系數(shù)和行波系數(shù)</p><p>　　為了定量描述傳輸線上的行波分量和駐波分量，引入駐波系數(shù)和行波系數(shù)。</p><p>　　傳輸線上最大電壓(或電流)與最小電壓(或電流)的比值，定義為駐波系數(shù)或駐波比，表示為</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　駐波系數(shù)和反射系數(shù)的關(guān)系

35、可導(dǎo)出如下</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　故得</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　行波系數(shù)

36、定義為傳輸線上最小電壓(或電流)與最大電壓(或電流)的比值，即 </p><p><b>　　（1.14）</b></p><p><b>　　顯然：</b></p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　

37、7.效率</b></p><p>　　效率有輻射效率與天線效率之分。由于入射波反射的存在，天線不可能把入射功率全部提供到天線的輸入端口作為天線的輸入功率。同時(shí)，天線也不可能把從饋線輸入給他的輸入功率全部輻射出去，總有一部分要損耗掉，如天線導(dǎo)線中的熱損耗、介質(zhì)中的介質(zhì)損耗、地電流的損耗以及天線近旁物體吸收電磁波一起的損耗等等。</p><p>　　為了便于對(duì)概念的理解，先將天線的

38、有關(guān)的基本功率定義如下：</p><p>　　入射功率：指發(fā)射機(jī)等提供給天線的功率。</p><p>　　反射功率：指天線反射回來(lái)的功率。</p><p>　　輸入功率：指收發(fā)機(jī)等提供給天線的功率。</p><p>　　損耗功率：指由于導(dǎo)線、介質(zhì)或者地電流等存在而損耗的功率。</p><p>　　輻射功率：指天線把發(fā)射

39、機(jī)提供的功率扣除損耗輻射出去的功率。</p><p>　　根據(jù)以上定義，很容易得到：</p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　1.3 微帶縫隙天線的應(yīng)用</p><p>　　微帶縫隙天線在航天器飛行、衛(wèi)星直播電視以及醫(yī)學(xué)診斷中得到了應(yīng)用。</p><p>　　在衛(wèi)星

40、直播電視接受中，11.17~12.5GHz頻帶內(nèi)的寬縫微帶天線陣得到了應(yīng)用。人們以矩形寬縫微帶天線作為作為陣元，作出了2，4，16，64以及512單元平面陣。在H面內(nèi)，單元縫隙間距為λ，E面縫隙間距為λ/2?？p隙是由微帶分路器饋電。圖1.2表示512單元寬縫隙組成的陣方向圖和增益。這種天線的缺點(diǎn)是單元多，饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。</p><p>　　(a)方向圖 (b)增益與頻率的關(guān)系<

41、;/p><p>　　圖1.2 512單元縫陣的方向圖和增益</p><p>　　近來(lái)，人們制作了一種寬帶高增益圓縫陣。陣元圓縫結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。</p><p>　　圖1.3 圓縫的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圓縫直徑與波長(zhǎng)可比，因此它也屬于寬縫。他是由兩介質(zhì)板之間帶線激勵(lì)的，下面有一段圓波導(dǎo)狀金屬導(dǎo)體。調(diào)整帶線寬度和深入縫中的長(zhǎng)度可以獲得

42、帶寬匹配。為了提到增益，在圓縫上金屬表面加一層直徑大一些的厚金屬板，形成短圓喇叭狀。</p><p>　　一個(gè)4×4圓縫陣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是：基板厚度1.75mm；相對(duì)介電常數(shù)2.32；用50歐姆帶線饋電。縫隙的工作模式為TEM，中心頻率為12GHz，駐波系數(shù)為2：1的帶寬可達(dá)2GHz；單縫增益為10dB。陣的增益為20.6dB。在11.17~12.5GHz頻率范圍內(nèi)，天線效率可達(dá)到57%~67%。交叉極化低

43、于最大增益25 dB。上述數(shù)據(jù)表明，在同樣指標(biāo)要求下，圓縫隙陣優(yōu)于矩形寬縫隙陣。</p><p>　　圖1.4為醫(yī)用寬縫隙微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖。單縫的增益可達(dá)到6dB。工作頻率為S波段。</p><p>　　圖1.4 醫(yī)用寬縫微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　這種天線放在人體組織附近進(jìn)行診斷。因此，場(chǎng)強(qiáng)隨縫隙表面與人體組織間距離變化的數(shù)據(jù)是重要的。圖表示場(chǎng)強(qiáng)隨

44、縫隙表面與水平面距離的變化。在醫(yī)療診斷和治療中，把微帶縫隙天線表面貼在人體有關(guān)部位或與有關(guān)部委保持一定距離，目的是在人體有關(guān)部位上產(chǎn)生一定形狀和強(qiáng)度的熱區(qū)。 </p><p>　　1.4 Ansoft HFSS軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　HFSS是由Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；HFSS是由Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)

45、電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS，可以計(jì)算：①基本電磁

46、場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題；② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④ 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。</p><p>　　HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算

47、天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。Ansoft HFSS提供了一個(gè)直觀、易于使用、用于建立任意三維無(wú)源器件模型的界面。創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)包括步驟如下：</p><p>　　1．File>New，然后點(diǎn)擊Project>Insert HFSS Design，新建一個(gè)Project。</p>

48、<p>　　2．HFSS>Solution Type，設(shè)置解算類型，確定如何激勵(lì)和收斂。HFSS有三種解算類型，第一種是模式驅(qū)動(dòng)，根據(jù)波導(dǎo)模式的入射和反射功率表示S參數(shù)矩陣的解；第二種是終端驅(qū)動(dòng)，根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流表示S參數(shù)矩陣的解；第三種是本征模，求解物理結(jié)構(gòu)的諧振頻率以及這些諧振頻率下的場(chǎng)模式。</p><p>　　3.創(chuàng)建互連結(jié)構(gòu)模型。HFSS擁有強(qiáng)大的全參數(shù)三維模型創(chuàng)建功能，簡(jiǎn)

49、單的實(shí)體建模中，直接使用HFSS中提供的基本圖形即可。</p><p>　　4.在創(chuàng)建每一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元時(shí)，HFSS都會(huì)提示確定其屬性，默認(rèn)的材料特性是真空。</p><p>　　5.指定平面設(shè)置邊界條件（HFSS>Boundaries>Assign）。HFSS有多種邊界條件，在高速設(shè)計(jì)中最常用的有，理想電邊界表示電場(chǎng)垂直于表面。理想磁邊界是指電場(chǎng)方向與表面相切；完美匹配層邊界

50、用一種非實(shí)際的、阻抗與自由空間相匹配吸收層來(lái)模擬開放空間。</p><p>　　6.指定端口設(shè)置激勵(lì)（HFSS>Excitations>Assign）。HFSS主要有波端口和集中端口，而在高速設(shè)計(jì)中，使用波端口的情況比較多。HFSS假定你定義的波端口連接到一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料，每個(gè)端口都是獨(dú)立地激勵(lì)并且在端口中每一個(gè)入射模式的平均功率為1瓦，使用波端口可以計(jì)算特性阻抗、

51、復(fù)傳播常數(shù)和S參數(shù)。</p><p>　　7.分析設(shè)置。通過(guò)HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup可以進(jìn)行自適應(yīng)頻率和收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，通過(guò)HFSS>Analysis Setup>Add Sweep可以得到互連結(jié)構(gòu)的掃頻響應(yīng)，通常選擇插值掃頻。</p><p>　　8.數(shù)據(jù)處理（HFSS>Results）。HFSS具有功能強(qiáng)

52、大又很靈活的數(shù)據(jù)管理和繪圖能力，可以輸出適合于Matlab編程，后綴為.m的S/Y/Z矩陣參數(shù)文件。</p><p>　　1.5 論文的內(nèi)容及安排</p><p>　　第1章為緒論，簡(jiǎn)單介紹了微帶縫隙天線研究背景及應(yīng)用、天線特性參數(shù)，仿真軟件及全文內(nèi)容安排。</p><p>　　第2章介紹了縫隙天線的理論分析、理想縫隙天線、有限大導(dǎo)體面上的縫隙天線、圓柱體表面上的

53、縫隙天線陣和微帶縫隙天線。</p><p>　　第3章通過(guò)Ansoft HFSS仿真軟件分析了文獻(xiàn)中的微帶縫隙天線，通過(guò)得到的反射系數(shù)、方向圖和電流分布圖與理論比較，驗(yàn)證仿真的正確性。</p><p>　　結(jié)束語(yǔ)部分對(duì)本文內(nèi)容作了總結(jié)。</p><p>　　第2章 縫隙天線的理論分析</p><p>　　如果在同軸線、波導(dǎo)管或空腔諧振器的導(dǎo)

54、體壁上開一條或數(shù)條窄縫，可使電磁波通過(guò)縫隙向外空間輻射，而形成一種天線，這種天線稱為縫隙天線。這種天線可以單獨(dú)使用，也可以作天線陣的輻射單元。</p><p>　　2.1 理想縫隙天線</p><p>　　實(shí)際上理想縫隙天線是有外加電壓或場(chǎng)激勵(lì)的。不論激勵(lì)方式如何，縫隙中的電場(chǎng)垂直于縫的長(zhǎng)邊，并在縫的中點(diǎn)呈上下對(duì)稱分布，如圖2.1（a）所示。不過(guò)，由于，縫隙內(nèi)外兩表面的等效磁流反向，理想

55、縫隙天線的場(chǎng)與前述磁流源激勵(lì)時(shí)的場(chǎng)若在y>0的半空間相同，則在y<0的半空間相差一個(gè)負(fù)號(hào)。由于在同一表面上，等效磁流亦對(duì)縫中點(diǎn)呈上下對(duì)稱分布，理想縫隙天線可等效為由磁流源激勵(lì)的對(duì)稱縫隙，如圖2.1(b)所示。當(dāng)然，這個(gè)磁流源的方向在內(nèi)外兩表面上也應(yīng)當(dāng)相反。與之互補(bǔ)對(duì)稱的顯然是尺寸相同的板狀對(duì)稱振子。</p><p>　　圖2.1 理想縫隙天線與板狀對(duì)稱陣子</p><p>　

56、　2.2 有限大理想導(dǎo)體面縫隙天線</p><p>　　開在理想導(dǎo)電平板上的窄縫是偶極天線的對(duì)偶形式，設(shè)縫長(zhǎng)為，縫寬為，，縫中的電場(chǎng)與縫垂直，其振幅沿縫長(zhǎng)呈駐波分布，縫中的電場(chǎng)</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中，為波腹電壓值。根據(jù)電磁場(chǎng)的等效原理，縫隙的輻射可由縫隙面上的方向等效磁流來(lái)確定，其等效磁流面密

57、度為</p><p><b>　　（2.2）</b></p><p>　　對(duì)于窄縫可設(shè)磁流沿x的方向均勻分布，因此縫中的磁流為</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　等效原理只能在縫隙口徑的一側(cè)產(chǎn)生正確的場(chǎng)，另一側(cè)為零場(chǎng)。不過(guò)用假設(shè)的磁流作源，正確地求出縫隙某一側(cè)的輻射

58、場(chǎng)后，另一側(cè)的場(chǎng)可以由對(duì)稱性求出。</p><p>　　縫隙天線可用同軸線不對(duì)稱饋電，同軸線的外導(dǎo)體接在金屬板上，內(nèi)導(dǎo)體跨接在縫的另一邊。由于半波長(zhǎng)縫隙的輸入阻抗比較大，同軸線的輸入阻抗一般為50，為了獲得良好的匹配可采用不對(duì)稱激勵(lì)方式將饋電點(diǎn)偏離縫隙中心，饋電點(diǎn)的輸入阻抗大約按變化，饋電點(diǎn)到縫端的距離可取左右?？p隙天線也可以采用平行天線雙線對(duì)稱饋電，這種情況下可以調(diào)節(jié)平行雙線的線徑和相距，使其特性阻抗與縫隙匹配

59、。</p><p>　　縫隙天線是雙向輻射的，可以在金屬板的一側(cè)加一個(gè)反射腔實(shí)現(xiàn)單向輻射，反射腔的寬邊保證反射腔內(nèi)只傳輸模，窄邊比縫寬略寬，深度為四分之一波長(zhǎng)。由于單向輻射，具有反射腔時(shí)縫隙的輸入導(dǎo)納只有原來(lái)的一半，即輸入阻抗為原來(lái)的一倍。直接使用同軸線很難實(shí)現(xiàn)匹配，解決的方法之一是采用T型變換器，這種結(jié)果更像是用一同軸波導(dǎo)變換器激勵(lì)平面縫隙天線。</p><p>　　降低中心饋電半波窄縫

60、天線輸入阻抗的另一種方法是采用折合縫隙天線。折合偶極子的輸入阻抗比簡(jiǎn)單偶極子大3倍，因此折合縫隙天線的輸入阻抗應(yīng)為簡(jiǎn)單縫隙天線的四分之一，約100。</p><p>　　實(shí)際上，縫隙不可能開在無(wú)限大尺寸的金屬面上的。因此，必須了解有限尺寸金屬面對(duì)天線輻射的影響。設(shè)這種情況下縫隙天線的方向圖必須考慮繞射的影響，嚴(yán)格的分析可采用幾何繞射理論進(jìn)行。</p><p>　　單縫輻射器常采用飛行器天線

61、，如飛機(jī)垂直尾翼上的開槽天線，通常縫的長(zhǎng)度不是半波長(zhǎng)而是四分之一波長(zhǎng)，采用不對(duì)稱激勵(lì)方式類似于一個(gè)單極天線。</p><p>　　有一個(gè)開有一條縫隙的無(wú)限薄和無(wú)限大的金屬平面以及一個(gè)無(wú)限薄的金屬平面對(duì)稱陣子，陣子形狀、尺寸與縫隙完全相同。依據(jù)對(duì)稱陣子的計(jì)算方法，縫隙天線可以看成由許多基本縫隙輻射場(chǎng)迭加求得，縫隙天線輻射場(chǎng)的公式為</p><p>　　（2.4） </p>

62、;<p>　　（2.5） </p><p>　　所以E面是的面，H面是的面。</p><p>　　不同和金屬平板尺寸上縫隙天線單面輻射的E面方向圖，實(shí)、虛線分別表示計(jì)算和測(cè)量值。計(jì)算和實(shí)測(cè)都表明，沿縫隙軸方向的金屬板尺寸2h對(duì)方向圖的影響較小，而垂直于縫隙的金屬板尺寸2l對(duì)方向圖有明顯的影響。 </p>

63、<p>　　(a) , (b) , </p><p>　　(c) ， (d) ， </p><p>　　圖2.

64、2 的單面輻射縫隙天線的E面方向圖</p><p>　　2.3 圓柱體表面上縫隙天線陣</p><p>　　當(dāng)圓柱體直徑足夠大時(shí)，圓柱體可以作為波導(dǎo)，則縫隙可以由波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)激勵(lì)。當(dāng)圓柱體直徑不大時(shí)，在圓柱體內(nèi)可放置同軸線或二線式傳輸線，通常激勵(lì)點(diǎn)選在縫隙的中點(diǎn)處。根據(jù)縫隙內(nèi)的給定場(chǎng)求圓柱體縫隙天線輻射問(wèn)題的理論解，已先后由A.A畢斯多里期爾斯給出。他研究圓柱體縱向縫隙所得到的結(jié)果清

65、楚地說(shuō)明了方向圖的特點(diǎn)。由A.A畢斯多里期爾斯所推導(dǎo)出圓柱體單個(gè)縱向縫隙天線，</p><p>　　遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分量的表示式為</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中　為縫隙內(nèi)最大電壓；：射線與z軸的夾角，或稱子午角；為方位角（對(duì)縫隙的法線而言）；為與理想縫隙對(duì)偶的電陣子方向函數(shù)；為第二類一階漢克爾函數(shù)；為圓柱體的直

66、徑。</p><p>　　圖2.3 圓柱波導(dǎo)上縫隙</p><p>　　根據(jù)電磁場(chǎng)分布得出的波導(dǎo)壁表面電流分布及波導(dǎo)開縫情況。具體縫隙根據(jù)天線的不同用途和要求可以切割在波導(dǎo)的寬邊，也可以切割在波導(dǎo)的窄邊。同時(shí)可以是沿緯度方向切割，也可以有一定的傾角位置切割。由圖可知，當(dāng)圓柱體為小直徑時(shí)，，水平平面的方向圖幾乎為圓形。隨著圓柱體直徑的增加，縫隙前方輻射增強(qiáng)，而縫隙正后方（）輻射減弱，當(dāng)時(shí)方

67、向圖為心臟形。 </p><p>　　圖2.4 單個(gè)縱向縫隙天線方向圖</p><p>　　當(dāng)圓柱體直徑足夠大時(shí)，圓柱體可用作波導(dǎo)，則縫隙可由波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)激勵(lì)。當(dāng)在波導(dǎo)管內(nèi)僅能傳輸模，且縱向縫隙是開在磁場(chǎng)矢量的縱向分量的最大值處時(shí)，縫隙的歸一化等效電導(dǎo)等于</p><p><b>　?。?.7）</b

68、></p><p>　　式中為臨界波長(zhǎng)，為一與（ka）有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)圓柱體直徑不大時(shí)，在圓柱體內(nèi)可放置同軸線或二線式傳輸線，通常激勵(lì)點(diǎn)選在輻射的中點(diǎn)處。</p><p>　　若縫隙的幾何尺寸、在波導(dǎo)上的位置、在波導(dǎo)中傳送能量已經(jīng)確定，則縫隙輻射能量的幅度及相位就確定了。一般在工程應(yīng)用中，只要提到波導(dǎo)縫隙的設(shè)計(jì)，就會(huì)想到縫隙的等效電路。根據(jù)波導(dǎo)縫隙的等效電路形式，將波導(dǎo)縫隙可分為并聯(lián)縫

69、隙和串聯(lián)縫隙</p><p>　　2.4 微帶縫隙天線</p><p>　　2.4.1 微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)</p><p>　　在50年代，人們?cè)谌寰€的一個(gè)接地板上開縫構(gòu)成輻射器，這就是微帶縫隙天線，并且以此為陣元構(gòu)成縫陣。許多人對(duì)這種天線進(jìn)行了研究。隨著微波集成電路工藝的發(fā)展，人們?cè)谖Ь€接地板上光刻成縫隙構(gòu)成微帶縫隙天線。圖2.5表示出了微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)

70、。</p><p>　　圖2.5 微帶縫隙天線</p><p>　　微帶縫隙天線產(chǎn)生雙向輻射；對(duì)制作公差要求低；與微帶振子天線組合起來(lái)可以構(gòu)成圓極化天線。他也是一種比較常見的天線。微帶縫隙天線常見的的縫隙形狀有矩形，圓形，或者環(huán)形</p><p>　　(a)窄縫 (b)圓環(huán)縫 (c)寬縫

71、 (d)圓貼縫</p><p>　　圖2.6 縫隙形狀</p><p>　　2.4.2 微帶模型</p><p>　　微帶饋電縫隙天線的基本模型，是在微帶線的接地平面上蝕刻單個(gè)縫隙或縫隙陣列作為輻射單元，該縫隙與微帶線的帶狀導(dǎo)體成直角，微帶線的電場(chǎng)經(jīng)微帶傳播到達(dá)縫隙處通過(guò)耦合激勵(lì)該縫隙，向外輻射能量。為了能有效激勵(lì)縫隙，可采用兩種激勵(lì)方式：帶狀導(dǎo)體或者穿過(guò)介質(zhì)基

72、板到縫隙邊緣并短路，如圖2.7所示，或者該帶狀導(dǎo)體終止于～個(gè)遠(yuǎn)離縫隙邊緣的開路短線，如圖2.7所示，在縫隙外邊緣實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有效短路。</p><p>　?。╝） （b）</p><p>　　圖2.7 微帶模型</p><p>　　2.4.3 微帶天線的輻射機(jī)理</p><p>　　微帶天線的輻射是通

73、過(guò)金屬貼片和接地平面之間的場(chǎng)分布來(lái)確定的，換句話說(shuō)，輻射可以由會(huì)屬貼片上的表面電流分布來(lái)描述。由于貼片的場(chǎng)分布或電流分布的精確計(jì)算非常復(fù)雜，因此一般采用簡(jiǎn)單的近似理論來(lái)建立一個(gè)微帶天線的工作模型。下面簡(jiǎn)單介紹一種分析方法：</p><p>　　假設(shè)微帶天線貼片己接通微波信號(hào)，貼片的信號(hào)將在上、下表面以及地平面上建立一個(gè)電荷分布。由于貼片振蕩在主模時(shí)大約為半波長(zhǎng)，從而引起和特性的電荷分布，這樣貼片下表面電荷之間的排

74、斥力將一些電荷從下表面沿其邊緣推到其上表面。這種電荷運(yùn)動(dòng)在貼片的下表面和上表面產(chǎn)生了相應(yīng)的電流密度和，如圖2.8所示：</p><p>　　圖2.8 微帶天線上的電荷分布和電流分布</p><p>　　對(duì)于多數(shù)微帶天線而言，h/w比值很小，因此電荷間的引力占主導(dǎo)地位。而且多數(shù)電荷和電流仍然在貼片的下層，只有少量的電流圍繞貼片邊緣流到上表面，產(chǎn)生一個(gè)與邊緣正切的弱磁場(chǎng)。因此，我們可以作一個(gè)

75、簡(jiǎn)單的近似：即正切磁場(chǎng)為0，讓磁壁圍繞貼片的四周。這種假設(shè)對(duì)于高的薄介質(zhì)基片來(lái)說(shuō)是成立的。由于使用的基片厚度與介質(zhì)中的波長(zhǎng)相比很薄()，因此沿厚度的場(chǎng)可以認(rèn)為是恒定的，電場(chǎng)幾乎與貼片表面垂直。這樣貼片可以近似為如下模型：頂部和底部有電場(chǎng)壁，沿4個(gè)矩形貼片邊緣有磁場(chǎng)壁的一個(gè)空腔。在這種空腔中，只可能存在TM模式，圖2.9所示為空腔模式的電場(chǎng)分布。腔體的4個(gè)側(cè)壁代表4個(gè)窄孔徑或裂縫，通過(guò)它們產(chǎn)生輻射。根據(jù)惠更斯(Huygens)場(chǎng)等效原理，

76、微帶貼片用上表面的等效電流密度來(lái)表示，4個(gè)裂縫用等效電流密度和磁流密度表示，其對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)分別為和，等效電流如圖2.10(a)所示</p><p>　　圖2.9 微帶腔中TM10模式的電場(chǎng)分布</p><p>　　對(duì)于薄基片，頂部貼片電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底部貼片電流，因此貼片電流的輻射可以忽略不計(jì)。類似地，沿貼片邊緣的正切磁場(chǎng)和相應(yīng)的電流密度上也可忽略不計(jì)，如圖2.10(b)所示。根據(jù)鏡像理論可知

77、，地平面的存在將使等效電流密度加倍。因此，貼片的輻射可以看作是沿外圍的4條磁電流在自由空間輻射而產(chǎn)生的，如圖2.10(c)所示。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　（b）</b></p><p><b>　?。╟）</b></p><p>

78、　　圖2.10 矩形微帶天線上的等效電流密度 </p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2.11 輻射裂縫上的電流分布</p><p>　　裂縫的等效磁流密度如圖2.11所示。利用等效原理，每個(gè)裂縫的輻射場(chǎng)與電流密度為的磁

79、偶極子相同。由于裂縫上的電流大小相等、方向相反，因此沿x軸分布的裂縫產(chǎn)生的輻射幾乎為0。但沿Y軸的裂縫卻構(gòu)成了一個(gè)兩單元的陣列，其電流密度的幅度相等且相位相同，相隔距離為貼片長(zhǎng)度L。因此，貼片輻射等效為兩個(gè)垂直裂縫的輻射。其它微帶天線結(jié)構(gòu)也可以用類似的方法通過(guò)等效裂縫來(lái)分析。</p><p>　　2.4.4 寬帶縫隙天線</p><p>　　傳統(tǒng)上微帶窄縫隙天線帶寬可以達(dá)到20％，但進(jìn)一

80、步增加縫的寬度時(shí)，其輻射電阻增加，這就帶來(lái)輻射縫隙和饋電線之問(wèn)的失配，降低阻帶帶寬。泰國(guó)的P．Rak1uea和N．Anatrasirichai提出一種雙L型微帶縫隙天線，中心頻率為2.4 GHz時(shí)帶寬有322 MHz(VSWR，2:1)，5．2 GHz時(shí)有250 MHz(VSWR，2:1)，可以滿足WLAN (the Wireless Local Area Network)對(duì)覆蓋頻率的要求。</p><p>　　

81、圖2.12是文獻(xiàn)【1】中提出的的微帶縫隙天線，圖2.13為文獻(xiàn)【1】中的回波損耗曲線，此天線的帶寬為60%。</p><p>　　圖2.12 文獻(xiàn)【1】中的微帶縫隙天線</p><p>　　圖2.13 文獻(xiàn)【1】中的回波損耗曲線</p><p>　　印刷縫隙天線是印刷天線的一個(gè)重要分支，它具有微帶天線輪廓低、加工簡(jiǎn)單和易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但比微帶天線具有相對(duì)更大

82、的寬帶。正是由于印刷縫隙天線的諸多優(yōu)點(diǎn)，天線工作者們對(duì)此也做了大量的研究。從上世紀(jì)40年代起發(fā)展到今天，寬帶印刷縫隙天線主要分為三類：漸變印刷開槽天線、共面波導(dǎo)饋印刷縫隙天線和微帶饋印刷縫隙天線。</p><p>　　1.漸變印刷開槽天線</p><p>　　漸變印刷開槽天線（TSA）最早由Mahaparra等提出，由于尺寸較大，通常工作于毫米波頻段。按照開槽簡(jiǎn)便的規(guī)律不同，這種天線主要有

83、以下三種方式：指數(shù)漸變印刷開槽天線（Vivaldi antenna），直線漸變印刷開槽天線（LTSA）和非漸變印刷開槽天線（CWSA），如圖2.14所示。</p><p>　　圖2.14 三種漸變的印刷縫隙天線圖</p><p>　　圖2.15 平衡雙面反向指數(shù)漸變印刷天線</p><p>　　在上述三種形式中，Vivaldi天線具有相對(duì)更寬的頻帶和更高的增益，

84、由Gibson在1979年首先提出的，但其駐波比帶寬最初由與微帶線線與槽線的匹配問(wèn)題而受到限制。Gazit等則提出了雙面反向指數(shù)漸變印刷開槽天線（antipodal Vivaldi antenna），解決了微帶線與槽線的帶寬匹配問(wèn)題，但交叉極化電平相對(duì)比較高。后來(lái)J.D.S. Langley等又引入了平衡雙面反相指數(shù)漸變印刷開槽天線（balance antipodal Vivaldi antenna）來(lái)抑制天線的交叉極化。圖2.15為一

85、超寬帶平衡雙面反相指數(shù)漸變印刷開槽天線的結(jié)構(gòu)圖，該天線的帶寬達(dá)到15:1，覆蓋頻率范圍1.3-20GHz，交叉極化電平低于-17dB。漸變印刷縫隙天線具有很寬的帶寬，但這種天線是端向輻射天線。因此，在一定程度上限制了其應(yīng)用。</p><p>　　2.微帶饋電印刷縫隙天線</p><p>　　傳統(tǒng)的微帶饋電印刷天線是在介質(zhì)板的一個(gè)人金屬面上開一個(gè)窄縫，在介質(zhì)板的另一面通過(guò)開路或者短路的微帶饋

86、源對(duì)縫隙進(jìn)行耦合激勵(lì)，但是這種印刷窄縫天線一般只有5~7%的駐波比貸款，通過(guò)采用微帶線饋電電路步長(zhǎng)縫隙電抗并結(jié)合偏執(zhí)饋電，可以使天線的貸款達(dá)到30%左右。近年來(lái)，天線工作者對(duì)款縫隙進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)提出了各種不同形式的款縫隙可饋源結(jié)構(gòu)開展天線的主板波比貸款，從而使微帶饋電印刷縫隙天線躋身UWB天線的行列，具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景。圖2.16給出三種不同的饋源結(jié)構(gòu)的印刷縫隙天線。(a)為T型微帶線饋源，在原本開路的微帶線末端添加一個(gè)人

87、橫向放置的開路微帶線，通過(guò)調(diào)節(jié)橫向枝節(jié)的長(zhǎng)度及其與縫隙中心的距離來(lái)達(dá)到展寬帶寬的目的，可得到52%的阻抗帶寬。(b)為十字形饋源，相對(duì)于T形結(jié)構(gòu)，十字形饋源多了一個(gè)枝節(jié)，相當(dāng)于引入一個(gè)諧振電路，該天線的駐波比帶寬可達(dá)到98%，(c)為雙十字型饋源，該饋源在十字形的基礎(chǔ)上又引入了一個(gè)枝節(jié)，使得天線的帶寬增大到111%。</p><p>　　圖2.16 不同饋源的矩形微帶印刷縫隙天線</p><

88、p>　　第3章 微帶縫隙天線的仿真</p><p>　　3.1 創(chuàng)建微帶縫隙天線模型</p><p><b>　　1.建立新的工程</b></p><p>　　點(diǎn)擊File下的New按鈕，新建一個(gè)工程。如圖3.1</p><p>　　圖3.1 建立新的工程</p><p><b

89、>　　2.設(shè)置求解類型</b></p><p>　　（1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Solution Type。</p><p>　?。?）在彈出的Solution Type窗口中：選擇Driven Modal。</p><p>　?。?）點(diǎn)擊OK按鈕，如圖3.2。</p><p>　　圖3.2 設(shè)置求解類型</

90、p><p><b>　　3.設(shè)置模型單位</b></p><p>　　（1）在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler>Units，在設(shè)置單位窗口中選擇：mm。</p><p>　?。?）點(diǎn)擊OK按鈕，如圖3.3。</p><p>　　圖3.3 設(shè)置模型單位</p><p><b>　　4.創(chuàng)建介

91、質(zhì)基片</b></p><p>　?。?）在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box。</p><p>　?。?）在右下角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)，X：-0.81,Y：0 ,Z：0,按回車鍵結(jié)束輸入，輸入個(gè)坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵進(jìn)行切換。</p><p>　　（3）輸入長(zhǎng)方體的XYZ三個(gè)方向的尺寸，dX：0.81,dY：50,dZ：-80,按回車

92、鍵結(jié)束，如圖3.4。</p><p>　　圖3.4 創(chuàng)建介質(zhì)基片</p><p>　?。?）在Property（屬性）窗口中選擇Attribute（屬性）標(biāo)簽，將該長(zhǎng)方體的名字改為Substrate（底面）,在Material中,將材料設(shè)置為FR4loss（loss：損耗）。</p><p><b>　　5.創(chuàng)建GND</b></p&g

93、t;<p>　?。?）點(diǎn)菜單欄中的Draw按鈕，選擇Rectangl。</p><p>　?。?）在右下角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方形的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)，X：-0.81,Y：0 ,Z：0，按回車鍵結(jié)束輸入，輸入個(gè)坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵進(jìn)行切換。</p><p>　?。?）輸入長(zhǎng)方形的XYZ三個(gè)方向的尺寸。</p><p>　　先選擇YZ平面，再輸入dX：0，d

94、Y：50,dZ：-80,按回車鍵結(jié)束，如圖3.5。</p><p>　?。?）在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該長(zhǎng)方形的名字改為GND。</p><p>　　將透明度設(shè)置為0.87。</p><p>　?。?）為GND設(shè)置邊界。在菜單欄中選擇Edit>Select>By Name（名叫）。在對(duì)話框中選擇GND，點(diǎn)擊OK。&l

95、t;/p><p>　　在菜單欄中選擇HFSS>Boundaries>Assign（委派）>Perfect E。在理想邊界設(shè)置窗口中，將理想邊界命名為PerfE_Ground，點(diǎn)擊OK。</p><p>　　圖3.5 創(chuàng)建GND</p><p>　　6.創(chuàng)建縫隙Slot</p><p>　　（1）在菜單欄中選擇Draw>R

96、ectangl。</p><p>　?。?）在右下角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方形的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)。</p><p>　?。?）X：-0.81, Y：3.75, Z：0，按回車鍵結(jié)束輸入，輸入個(gè)坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵進(jìn)行切換。</p><p>　　（4）輸入長(zhǎng)方形的XYZ三個(gè)方向的尺寸。先選擇YZ平面，再輸入dX：0，dY：11, dZ：-30,按回車鍵結(jié)束,長(zhǎng)方形畫好。

97、</p><p>　　（5）在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該長(zhǎng)方形的名字改為Cut。</p><p>　?。?）將Cut減去。</p><p>　　在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中選擇Cut,GND（按住Ctrl可以進(jìn)行多項(xiàng)選擇）在。菜單欄中點(diǎn)擊Modeler（模型）>Boolea

98、n（布爾數(shù)學(xué)體系的）>Substrate（底面），在彈出的Substrate窗口中選擇設(shè)置：</p><p>　　Blank Parts：GND。</p><p>　　Tool Parts：Cut。</p><p>　　Clone（克隆的） tool objects before subtract復(fù)選框不選。</p><p>　　點(diǎn)擊O

99、K結(jié)束，Slot做好如圖3.6。</p><p>　　圖3.6 創(chuàng)建縫隙Slot</p><p>　　7.繪制StripFeed（條狀）</p><p>　?。?）點(diǎn)菜單欄中的Draw按鈕，選擇Rectangl。</p><p>　?。?）在右下角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方形的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)。</p><p>　　X：0

100、,Y：0 ,Z：-15,按回車鍵結(jié)束輸入，輸入個(gè)坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵進(jìn)行切換。</p><p>　　（3）輸入長(zhǎng)方形的XYZ三個(gè)方向的尺寸。</p><p>　　先選擇YZ平面，再輸入dX：0，dY：30,dZ：-2,按回車鍵結(jié)束,長(zhǎng)方形畫好。</p><p>　　（4）在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該長(zhǎng)方形的名字改為StripFee

101、d。</p><p>　　圖3.7 繪制StripFeed</p><p>　?。?）為StripFeed設(shè)置邊界。</p><p>　　在菜單欄中選擇Edit>Select>By Name。</p><p>　　在對(duì)話框中選擇StripFeed,點(diǎn)擊OK。</p><p>　　在菜單欄中選擇HFSS&g

102、t;Boundaries>Assign>Perfect E。</p><p>　　在理想邊界設(shè)置窗口中，將理想邊界命名為PerfE_S，點(diǎn)擊OK。</p><p><b>　　8.繪制Feed</b></p><p>　?。?）點(diǎn)菜單欄中的Draw按鈕，選擇Rectangl。</p><p>　　（2）在右下

103、角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方形的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)。</p><p>　　X：0,Y：30 ,Z：-15,按回車鍵結(jié)束輸入，輸入個(gè)坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵進(jìn)行切換。</p><p>　?。?）輸入長(zhǎng)方形的XYZ三個(gè)方向的尺寸。</p><p>　　先選擇XZ平面，再輸入dX：-0.81，dY：0,dZ：-2,按回車鍵結(jié)束,長(zhǎng)方形畫好。</p><p>　

104、?。?）在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該長(zhǎng)方形的名字改為Feed,并右鍵選擇Assign Excitation,設(shè)置激勵(lì)模式為L(zhǎng)umped Port，如圖3.8。</p><p>　　圖3.8 繪制Feed</p><p>　　9.添加Air Box</p><p>　?。?）在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box。</p&g

105、t;<p>　?。?）在右下角的坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)X：-50.81,Y：-50 ,Z：-130,按回車鍵結(jié)束輸入，輸入個(gè)坐標(biāo)時(shí)，可用Tab鍵進(jìn)行切換。</p><p>　?。?）輸入長(zhǎng)方體的XYZ三個(gè)方向的尺寸,dX：100.81,dY：150,dZ：180,按回車鍵結(jié)束。</p><p>　?。?）設(shè)置材料。選中畫好的空氣盒子，右鍵選擇Assign ma

106、terial，設(shè)置為真空。</p><p>　　圖3.9 添加Air Box</p><p><b>　　3.2 設(shè)置頻率</b></p><p>　　模型建完后，設(shè)置中心頻率和掃描頻率，點(diǎn)擊HFSS>Analysis setup>add frequency sweep、選擇Add Solution Setup,將頻率設(shè)置為1G

107、Hz。</p><p>　　設(shè)置掃描頻率，將start 設(shè)置為1GHz，stop設(shè)置為10GHz，step size設(shè)置為0.1GHz，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊HFSS>validation> check檢查錯(cuò)誤，確認(rèn)沒有錯(cuò)誤后，再點(diǎn)擊HFSS>analyze all，開始仿真，如圖3.10</p><p><b>　　(a)</b></p>

108、<p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3.10 設(shè)置中心頻率和掃描頻率</p><p><b>　　3.3 仿真結(jié)果</b></p><p><b>　　1．反射系數(shù)圖</b></p><p>　　然后點(diǎn)擊Project按鈕下的Project

109、Variables選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中，找到Sw，改變縫隙寬度，分別將他設(shè)置為9mm,10mm,11mm,12mm,13mm,14mm,將反射系數(shù)在一張圖形中顯示出來(lái)，得到圖3.12，與文獻(xiàn)中的fig.2(a)基本吻合。</p><p>　　圖3.11 縫隙寬度更改</p><p>　　圖3.12 反射系數(shù)</p><p>　　然后在與上面同樣的對(duì)話框中改變G

110、w的數(shù)值，分別設(shè)置為30mm、40mm 、50mm、60mm、70mm、80mm，得到反射系數(shù)圖3.14，與文獻(xiàn)中的fig.2(b)基本吻合。</p><p>　　圖3.13 更改Gw數(shù)值</p><p>　　圖3.14 反射系數(shù)</p><p>　　改變h的數(shù)值，分別設(shè)置為0.61mm、0.81mm、1.22mm，得到的反射系數(shù)圖3.15，與文獻(xiàn)中的fig.2

111、(e)基本吻合。</p><p>　　圖3.15 反射系數(shù)</p><p><b>　　2．方向圖</b></p><p>　　在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>Create Far Fields Report>3D Polar Plot．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置:在trace標(biāo)簽中將Category選擇為gain，將Qu

112、antity選為DirTotal，將Function選為dB，點(diǎn)擊new report，然后點(diǎn)擊close按鈕。結(jié)果如圖3.16</p><p>　　圖3.16 方向圖</p><p><b>　　3. 電流分布圖</b></p><p>　　選中g(shù)roundplane，右擊plot fields>J>mag_Jsurf，在彈出的

113、對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為2.5Ghz，點(diǎn)擊done，就可得到groundplane上的電流分布，如圖3.17</p><p>　　圖3.17 groundplane上的電流分布</p><p>　　4.諧振頻率3GHz下的方向圖</p><p>　　在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>Create Far Fields R