射頻微帶陣列天線設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　射頻微帶陣列天線設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　微帶天線是一種具有體積小、重量輕、剖面低、易于載體共形、易于與微波集成電路一起集成等諸多優(yōu)點(diǎn)的天線形式，目前已在無線通信、遙感、雷達(dá)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)由于微帶天線其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在一些缺點(diǎn)，例如頻帶窄、增益低、方向性差等。通常將若干單個(gè)微帶

2、天線單元按照一定規(guī)律排列起來組成微帶陣列天線，來增強(qiáng)天線的方向性，提高天線的增益。</p><p>　　本文在學(xué)習(xí)微帶天線和天線陣的原理和基本理論，加以分析，利用Ansoft 公司的高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS，設(shè)計(jì)了中心頻率在10GHz的4元均勻直線微帶陣列，優(yōu)化和調(diào)整了相關(guān)參數(shù)，然后分別對(duì)單個(gè)陣元和天線陣進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比兩者在相關(guān)參數(shù)的差異。最后得到的研究結(jié)果表明，微帶天線陣列相較于單個(gè)微帶天

3、線，由于陣元間存在互耦效應(yīng)以及存在饋電網(wǎng)絡(luò)的影響，微帶陣列天線的回波損耗要大于單個(gè)陣元。但是天線陣列增益明顯大于單個(gè)微帶天線，且陣列天線比單個(gè)陣元具有更好的方向性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微帶天線 微帶陣列天線 方向性 增益 HFSS仿真</p><p>　　Design of  Radio-Frequency  Microstrip Array Anten

4、na </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy in

5、tegration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array have been wildly applied in the filed of wireless </p><p>　　communications, remote sensing and radar,and many other

6、filed. While some study also found that because of the microstrip antenna’s structural characteristics, there are some disadvantages, such as narrow-band, low gain,poor directivity.Typically we use microstrip antenna el

7、ements arranged in accordance with certain laws together to form a microstrip array antenna to enhance the directivity and improve the gain of the antenna.</p><p>　　In this paper, after learning the basic t

8、heory and principles about microstrip antenna and antenna array, I designed two kind of antenna models with 10GHz of center frequency,one is the single antenna,the other one is an antenna array with 4 single antenna .The

9、n using Ansoft's high frequency electromagnetic simulation software HFSS, optimize and adjust the relevant parameters .After that, we used the HFSS to simulate the single array element and an antenna array separately

10、.Then analyzed the simu</p><p>　　Key words: Microstrip Array Microstrip Array Antenna Directivity Gain HFSS Simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I<

11、/b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 微帶天線1</p><p>　　1.2 微帶天線陣1</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)和內(nèi)容安排2</p><p>　　第二章 微帶天線和微帶陣列天線的基本原理4</p>

12、<p>　　2.1 微帶天線的基本原理4</p><p>　　2.1.1 微帶天線的輻射機(jī)理4</p><p>　　2.1.2 微帶天線的饋電4</p><p>　　2.1.3 微帶天線的分析方法6</p><p>　　2.2 微帶陣列天線原理分析7</p><p>　　2.3 天線的性能參數(shù)分析

13、9</p><p>　　第三章　微帶陣元天線設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 陣元設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1.1 介質(zhì)基片的選取11</p><p>　　3.1.2 計(jì)算微帶貼片的尺寸11</p><p>　　3.1.3 饋電與阻抗匹配12</p><p>　　3.2 H

14、FSS軟件簡介及設(shè)計(jì)步驟13</p><p>　　3.3 微帶陣列天線陣元的仿真過程14</p><p>　　3.3.1 設(shè)計(jì)陣元模型并仿真分析14</p><p>　　4.3 天線陣元的總結(jié)分析18</p><p>　　第四章 微帶陣列天線的設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1 陣元間距的選取20<

15、/p><p>　　4.2 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.3 微帶陣列天線的仿真結(jié)果及其分析22</p><p>　　4.4 微帶陣列天線的總結(jié)分析25</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)結(jié)論和工作總結(jié)26</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p>

16、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 微帶天線</b></p><p>　　天線是無線通信系統(tǒng)中重要的組成部分之一，而天線的微型化、集成化是無線通信領(lǐng)域中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代科技對(duì)天線技術(shù)的不斷需求和走向，在此條件下人們提出了微帶天線的概念。最早于1953年提出，當(dāng)時(shí)德尚（G.A.Descha

17、mps）教授提出的利用微帶線的輻射來制成微波天線的想法。但是由于缺乏更進(jìn)一步的理論研究和當(dāng)時(shí)制造工藝水平的限制，微帶天線在那時(shí)并未引起工程界的重視，沒有取得實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。微帶天線真正發(fā)展、研究和應(yīng)用開始于70年代。由于微波集成技術(shù)發(fā)展需要，加上制造工藝技術(shù)（介質(zhì)基片的光刻等技術(shù)）發(fā)展，使得微帶天線的研究不斷深入。最終芒森（R.E.Munson）和豪威爾（J.Q.Howell）等研究人員在1972年研制出了第一批真正意義上用于實(shí)際的微帶天

18、線，微帶天線的諸多優(yōu)點(diǎn)也被人們所認(rèn)知。在近三四十年對(duì)微帶天線的探究不斷發(fā)展，許多科學(xué)家對(duì)微帶天線展開了廣泛的研究，將其研究成果應(yīng)用在許多方面?，F(xiàn)如今微帶天線已成為科學(xué)家們爭(zhēng)相研究的熱門領(lǐng)域，并較之前的研究取得了相當(dāng)多的成果，理論及應(yīng)用都有了長足發(fā)展。相較于常用的微波天線，微帶天線主要體現(xiàn)了如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　體積小、重量輕、成本低，能夠與集成電路很好地兼容；</p><p>　

19、　微帶天線及其陣列天線剖面低，易于與載體共形；</p><p>　　微帶天線具有平面結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)成需要的形式和形狀；</p><p>　　便于獲得圓極化，實(shí)現(xiàn)雙頻段，雙極化等多功能工作需要；</p><p>　　能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件；易于大量生產(chǎn)等。</p><p>　　正是由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，使得微帶天線的應(yīng)用層面非常廣泛，例

20、如：雷達(dá)精確識(shí)別與探測(cè)、地質(zhì)地礦勘測(cè)、無線通信、衛(wèi)星通信、便攜式移動(dòng)設(shè)備通信、軍事電子干擾對(duì)抗等諸多軍用和民用領(lǐng)域。同時(shí)，由于微帶天線的結(jié)構(gòu)特性，存在頻帶窄、增益低、功率容量小、方向性差等缺點(diǎn)。因此，在克服和改善這些缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使其能很好地應(yīng)用在實(shí)際中，是微帶天線的主要研究方向。</p><p><b>　　1.2 微帶天線陣</b></p><p>

21、;　　將若干個(gè)相同的單個(gè)微帶天線按照一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，稱為微帶陣列天線。相較于單個(gè)微帶天線，微帶天線陣具有強(qiáng)方向性、高增益、方向圖易控制等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)和研究陣列天線時(shí)，需要考慮天線陣陣元的類型、數(shù)目、排列方式、陣元間距、陣元上激勵(lì)電流的振幅和相位以及連接陣元的饋電網(wǎng)絡(luò)等，這些都決定著陣列天線的輻射特性。選擇合理的設(shè)計(jì)方案，可以得到滿足設(shè)計(jì)需要的天線性能。天線陣按照不同的分類條件有多種，可以按照以下幾種類型分類：</p&g

22、t;<p>　　按陣元單元排列形式可分為線陣和面陣。</p><p>　　線陣是最常用的一種排列方式，它是指各陣元單元的中心依次等距排列在一條直線上的直線陣，也叫均勻直線陣。也可以各單元的中心等間距地排列在一條曲線上，比如均勻地排列在圓周上，也是線陣。若干個(gè)線陣按照一定間隔排列在某個(gè)平面上，就構(gòu)成了平面陣。陣元排列方式也可以是三維平面，例如各單元中心排列在某個(gè)球面上，則構(gòu)成了球面陣。</p&g

23、t;<p>　　2、按最大輻射方向圖形指向可分為側(cè)射陣列天線、端射陣列天線、和非側(cè)射非端射陣列天線。</p><p>　　側(cè)射（也稱邊射）天線陣是指最大輻射方向?yàn)榕c陣元排列面垂直的方向的天線陣。端射陣列天線是指最大輻射方向指向與陣元排列平面平行方向的天線陣。非端射非側(cè)射天線的最大輻射方向則指向與上述兩方向不同的其他方向。</p><p>　　按照天線陣的在使用功能上的區(qū)別，可

24、以將天線陣劃分為同相水平天線、頻率掃描天線、相控陣天線、多波束天線、信號(hào)處理天線、自適應(yīng)天線等。</p><p>　　由于天線陣的輻射電磁場(chǎng)是組成該陣列天線各個(gè)陣元單元輻射電磁場(chǎng)的矢量和，且各陣元單元的位置、饋電電流振幅和相位等可以獨(dú)立調(diào)整，我們可以調(diào)整陣元的距離和相位，使其方向圖在同一個(gè)方向有最大輻射，那么陣元的矢量疊加使得天線陣具有單向輻射的功能。</p><p>　　由于單個(gè)微帶天線

25、的增益通常都比較低，而且波束比較寬，方向性差，所以單個(gè)使用的效果不好。將若干微帶天線組成微帶陣列天線，可以很好解決這些缺點(diǎn)，從而應(yīng)用在對(duì)性能要求更高的實(shí)際中。</p><p>　　在本文的天線設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用了HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行建模和對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并仿真得到天線的性能參數(shù)和結(jié)果。借助該軟件，使我加深了對(duì)天線理論知識(shí)的理解，也使我學(xué)會(huì)運(yùn)用軟件去分析天線的各個(gè)性能指標(biāo)，從而對(duì)天線和天線陣的設(shè)計(jì)有了更深層次的

26、理解。</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)和內(nèi)容安排</p><p>　　本文在學(xué)習(xí)天線的相關(guān)理論基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)了一個(gè)工作的中心頻率在10GHz的1×4均勻直線微帶陣列天線。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算、優(yōu)化、確定單個(gè)陣元的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)出單個(gè)陣元，然后再選取合適的饋電網(wǎng)絡(luò)將單個(gè)陣元組成天線陣，最后分別對(duì)單個(gè)陣元和整個(gè)天線陣用HFSS進(jìn)行仿真，運(yùn)行得出結(jié)果，通過對(duì)比兩者

27、結(jié)果和性能參數(shù)，分析兩者的性能差異，從而得出結(jié)論。</p><p>　　在本文內(nèi)容安排上，第一章作為緒論首先簡單概述了微帶天線的發(fā)展歷程、性能優(yōu)缺點(diǎn)以及微帶天線在實(shí)際中的應(yīng)用領(lǐng)域；然后簡單介紹了微帶陣列天線的定義、分類和特點(diǎn)；最后提到了此次設(shè)計(jì)用到的HFSS仿真軟件和所做的主要工作。</p><p>　　第二章主要介紹了微帶天線和微帶陣列天線的基本原理、分析方法和設(shè)計(jì)中需要得出的相關(guān)特性參

28、數(shù)。</p><p>　　第三章主要介紹了此次微帶陣列天線陣元的設(shè)計(jì)，包括選取材料，確定饋電方式，計(jì)算參數(shù)這幾個(gè)前期準(zhǔn)備步驟；然后介紹了此次仿真設(shè)計(jì)采用的軟件HFSS并對(duì)所設(shè)計(jì)的陣元的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的陣元進(jìn)行仿真，得出結(jié)果并進(jìn)行分析。</p><p>　　第四章是對(duì)陣列天線的設(shè)計(jì)和仿真，包括陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p

29、>　　第五章是對(duì)此次設(shè)計(jì)的總結(jié)，包括設(shè)計(jì)結(jié)論以及對(duì)所做工作內(nèi)容的簡述。</p><p>　　第二章 微帶天線和微帶陣列天線的基本原理</p><p>　　2.1 微帶天線的基本原理</p><p>　　圖2.1 微帶天線的示意圖</p><p>　　微帶天線的示意圖如上圖所示，是在一塊在厚度遠(yuǎn)小于工作波長的介質(zhì)基片的一面敷上金屬輻射

30、貼片、另一面敷上金屬層作接地板而成，通過微帶線饋電或者同軸線饋電的方式，在輻射貼片與介質(zhì)基片的金屬接地層之間激勵(lì)起電磁場(chǎng)并向外輻射。由于微帶天線的輻射是場(chǎng)是由貼片和基片的接地板之間的縫隙產(chǎn)生的，因此從理論上說微帶天線也常常被視作一種縫隙天線。微帶貼片可以是矩形，圓形或者圓環(huán)形等規(guī)則面積單元，成為微帶貼片天線。</p><p>　　2.1.1 微帶天線的輻射機(jī)理</p><p>　　微帶天線

31、的輻射機(jī)理可以用微帶天線的最普遍一種形式：以微帶貼片天線為例來進(jìn)行解釋說明。如圖2.1所示，微帶天線的輻射電場(chǎng)是由微帶貼片邊緣和介質(zhì)基片的接地層之間的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的。設(shè)輻射貼片的寬為w，長為半波長λ/2，介質(zhì)基片的厚度為h，這樣，輻射貼片和介質(zhì)基片和接地板可以被看作一段長為半波長的低阻抗微帶傳輸線。前面已知介質(zhì)基片厚度h遠(yuǎn)小于工作波長λ，故可假定輻射電場(chǎng)沿微帶結(jié)構(gòu)的寬度和介質(zhì)基片厚度的方向沒有變化，而是僅沿著長度為λ/2的貼片長度方向變化

32、。由于微帶天線的輻射基本上是由貼片邊沿的邊緣場(chǎng)引起的，那么就可以將輻射電場(chǎng)分解為垂直于接地板平面和平行于接地板平面的兩個(gè)分量。由于已知微帶貼片的長為λ/2，即半波長，故兩個(gè)垂直于接地板平面的分量反相，而他們?cè)谶h(yuǎn)區(qū)場(chǎng)在正面方向上相互抵消；兩平行于接地板平面的分量則同相，故他們的合場(chǎng)強(qiáng)疊加增強(qiáng)。因此垂直于接地板平面方向的輻射場(chǎng)是最強(qiáng)的。所以微帶天線可以看作相距λ/2、長度為w、縫隙寬度為介質(zhì)基片厚度h的縫隙天線。</p>&l

33、t;p>　　2.1.2 微帶天線的饋電</p><p>　　微帶天線有多種饋電方式，如微帶線饋電、耦合饋電、同軸線饋電和縫隙饋電，其中微帶線饋電和同軸線饋電是最常用的兩種饋電方式。</p><p><b>　　微帶線饋電</b></p><p>　　微帶線饋電又稱側(cè)饋。所采用的是利用微帶線與輻射貼片相連作為傳輸線進(jìn)行饋電的。由于微帶饋線與

34、微帶貼片是處在同一平面，制造時(shí)只需要將饋線和貼片一起光刻，操作簡單容易大量生產(chǎn)。微帶線饋電的缺點(diǎn)是饋線自身也有輻射會(huì)干擾天線方向圖，產(chǎn)生旁瓣電平，而且在一定程度上降低天線增益，使得天線性能降低。因在設(shè)計(jì)時(shí)要求微帶線線寬盡量窄且遠(yuǎn)小于工作波長。</p><p>　　微帶線饋電需要考慮天線輸入阻抗與特性阻抗的匹配。常見方法有三種：1）可以通過選擇適當(dāng)?shù)酿侂婞c(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)；2）通過改變微帶貼片的寬度實(shí)現(xiàn)；3）通過設(shè)計(jì)阻

35、抗匹配器來實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到最佳匹配效果通常會(huì)采用兩種或者三種方式來進(jìn)行阻抗匹配。研究發(fā)現(xiàn)饋線與貼片在貼片寬上的連接位置（即饋電點(diǎn)位置）變化，則貼片的輸入阻抗隨之變化。由于饋線與微帶貼片之間的耦合效應(yīng)，使得天線諧振頻率與工作的中心頻率之間有一個(gè)小的移位，可以通過稍加改變貼片尺寸，借助計(jì)算機(jī)軟件找到最合適的尺寸使得天線諧振頻率回到中心頻率上。根據(jù)饋電點(diǎn)的位置，可分為中心饋電（饋電點(diǎn)在貼片邊沿的中點(diǎn)）和偏心饋電（饋電點(diǎn)不在貼片邊沿中心）兩種。&l

36、t;/p><p><b>　　示意圖如下：</b></p><p>　　圖2.1.2.1 微帶線饋電 </p><p><b>　　同軸線饋電</b></p><p>　　同軸線饋電的示意圖如下：</p><p>　　圖2.1.2.2 同軸線饋電</p><

37、;p>　　同軸線饋電方式又稱為背饋，它是將同軸插座安裝在介質(zhì)基片的接地板上，同軸線內(nèi)的導(dǎo)體穿過介質(zhì)基片的中間層連接到輻射貼片上。同軸線饋電也需要考慮阻抗匹配。由于天線的輸入阻抗與饋電點(diǎn)位置有關(guān)，所以選擇合適的饋電點(diǎn)位置達(dá)到阻抗匹配的最佳效果。相較于微帶線饋電，同軸線饋電由于饋電點(diǎn)位置可以在貼片上任何位置，且由于沒有微帶線從而避免了對(duì)天線輻射的影響。但是在獲得阻抗匹配時(shí)對(duì)饋電點(diǎn)位置的確定比較復(fù)雜，且制作加工起來比較復(fù)雜。</p

38、><p>　　2.1.3 微帶天線的分析方法</p><p>　　為了得到天線的一些特性參數(shù)，比如天線的增益、輸入阻抗、回波損耗和方向圖等，需要對(duì)天線周圍空間的電磁場(chǎng)進(jìn)行理論分析。目前對(duì)天線的分析方法有：傳輸線法、腔模理論、多端口網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)值分析法等，選擇合適的分析方法可以對(duì)天線的一些性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)先的估算處理，從而方便天線的設(shè)計(jì)的效率。下面將對(duì)此次設(shè)計(jì)用到的幾種分析方法進(jìn)行解釋說明。<

39、;/p><p><b>　　傳輸線法</b></p><p>　　傳輸線法是一種簡單又比較常用的分析方法。前面在說明微帶天線的輻射機(jī)理時(shí)我們已經(jīng)知道天線的輻射場(chǎng)主要由開路端處的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生，且沿垂直天線平面的駐波變化，在此基礎(chǔ)上將微帶貼片天線作為一種輻射場(chǎng)在平行天線平面方向沒有變化的諧振器進(jìn)行分析。傳輸線法分析時(shí)需要基于以下幾兩個(gè)假設(shè)：1）微帶貼片跟介質(zhì)基片的接地層構(gòu)成微帶

40、傳輸線，在介質(zhì)基片的中間傳輸TEM波，且波傳輸方向由饋電點(diǎn)的位置。微帶天線的輻射場(chǎng)是向上的駐波分布，在垂直方向是常數(shù)。2）傳輸線的兩個(gè)開口端等效為兩個(gè)輻射縫，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線開口端場(chǎng)強(qiáng)?？p平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折轉(zhuǎn) 90 度，而開口場(chǎng)強(qiáng)也隨之折轉(zhuǎn)。</p><p>　　傳輸線模型理論分析方法計(jì)算量少，方法簡單，可以直觀地由其物理模型進(jìn)行理解。但是也有其局限性。比如：傳輸線法只能用于矩

41、形微帶天線和微帶陣子天線，對(duì)其他形狀和形式的天線不適用，而且由于傳輸線法是一維上的分析模型，所以在考慮饋電點(diǎn)沿傳輸線寬度變化時(shí)的輸出阻抗時(shí)不準(zhǔn)確（分析時(shí)改變饋電點(diǎn)位置輸出阻抗不變，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，饋電輸出阻抗與饋電點(diǎn)在微帶貼片便于的位置有關(guān)）。</p><p><b>　　數(shù)值分析法</b></p><p>　　與傳輸線法的基于假設(shè)條件不同，數(shù)值分析法是對(duì)工作波

42、段中的具體數(shù)值進(jìn)行理論計(jì)算分析。由給所設(shè)計(jì)天線給出的邊界條件列出場(chǎng)源特性分布的積分方程，再解方程得到源分布特性，再由一系列的積分方程的解來確定總場(chǎng)。需要說明的是，與傳輸線法的簡單模型分析相較，數(shù)值分析法是一種精確求解的分析方法。在數(shù)值分析過程中積分方程的求解和計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，一般需要借助相關(guān)的計(jì)算機(jī)工具來完成，現(xiàn)在用來計(jì)算求解這些場(chǎng)分布特性的計(jì)算機(jī)輔助軟件有多種，使用這些軟件大大提高了分析的效率和精確度。數(shù)值分析法主要可以分為矩量法（MO

43、M）、時(shí)域差分法（FDTD）和有限元法（MEW）。此次設(shè)計(jì)用到的HFSS軟件所采用的就是上述數(shù)值分析方法中的一種：有限元法，因此下面對(duì)該方法進(jìn)行解釋說明。</p><p>　　有限元法（Finite Element Method）是將需要求解的區(qū)域（由邊界條件確定）劃分為一個(gè)個(gè)的單元網(wǎng)格，給每個(gè)單元網(wǎng)格規(guī)定一個(gè)在各自單元區(qū)域內(nèi)解析、其他單元內(nèi)為零的基函數(shù)，這樣使得在分析每個(gè)單元時(shí)相互獨(dú)立，這樣在全區(qū)域的求解分析就

44、被離散為了對(duì)每個(gè)單元的求解分析，將得到的各個(gè)單元網(wǎng)格的求解整合就得到了整個(gè)區(qū)域內(nèi)的求解。劃分單元網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)求解需要可以將其劃分為矩形、三角形等平面形狀。如果是求解區(qū)域?yàn)槿S結(jié)構(gòu)，則網(wǎng)格單元相應(yīng)地可以是六面體、四面體等立體形狀。相關(guān)研究已經(jīng)證明，采用正三角形或正四面體劃分網(wǎng)格時(shí)，得到的求解結(jié)果最為精確。為了使求解過程盡量簡化，通常采用多項(xiàng)式來作為單元網(wǎng)格的基函數(shù)進(jìn)行求解分析。比如設(shè)計(jì)用到的HFSS仿真軟件采用的是三角形的單元網(wǎng)格劃分時(shí)，

45、基函數(shù)為一次多項(xiàng)式。利用有限元法分析問題時(shí)可分為以下幾個(gè)步驟：1）將求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定網(wǎng)格單元的基函數(shù)；2）根據(jù)網(wǎng)格單元區(qū)域的邊界條件列出各個(gè)單元求解方程；3）將得到的網(wǎng)格單元方程整合，組成整個(gè)區(qū)域內(nèi)的方程組；4）求解所列方程組，根據(jù)求解結(jié)果得出輻射場(chǎng)的特性分布。</p><p>　　需要指出，為了減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，并且使得出的結(jié)果更加精確，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使得輻射邊界不能過大，在滿足所需要的輻射區(qū)域的基礎(chǔ)上

46、盡量減小輻射邊界尺寸。</p><p>　　2.2 微帶陣列天線原理分析</p><p>　　由若干個(gè)相同的微帶天線按照一定方式排列成直線或者平面結(jié)構(gòu)的天線系統(tǒng)稱為微帶陣列天線，要求組成天線陣的陣元結(jié)構(gòu)和排列取向相同。本文采用的是4陣元的均勻直線陣，所以將重點(diǎn)說明均勻直線陣的原理分析。</p><p>　　圖2.2 均勻直線陣天線的原理圖</p>&l

47、t;p>　　均勻直線陣是指陣元按照相同的形式排列成一條直線，且其相位沿直線均勻遞減和或者遞增的電流饋電。上圖表示的就是一個(gè)N陣元均勻直線陣，圖中0—N-1表示Ｎ個(gè)陣元，延ｘ軸排成一條直線。這里要求每個(gè)陣元在結(jié)構(gòu)形式與排列方式相同，天線陣方向圖函數(shù)為元因子與陣因子的乘積。于是需要考慮的是陣因子與因子關(guān)系式和相鄰元之間相位差ξ如何建立聯(lián)系，由原理圖分析得到陣列在 H 面（xoy）內(nèi)的歸一化陣因子關(guān)系式為：</p><

48、;p>　?。ㄊ?.2.1） </p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　（式2.2.2）</b></p><p>　　上式為一幾何級(jí)數(shù)的多項(xiàng)式，可以得到其和為：</p><p><b>　　（式2.2.3）</b></p>&

49、lt;p>　　這樣上式就構(gòu)成了均勻直線陣列天線的歸一化因子表達(dá)式。</p><p>　　根據(jù)想要得到的最大電場(chǎng)輻射與天線平面方向的關(guān)系，可以將均勻直線陣分為兩大類。</p><p><b>　　邊射陣</b></p><p>　　邊射陣得到的輻射電場(chǎng)的最大值方向在垂直于天線平面的方向，即各陣元的輻射場(chǎng)在垂直天線平面方向同相疊加。此時(shí)的陣元

50、的電流同相。即β=0.此時(shí)有：</p><p><b>　　（式2.2.4）</b></p><p>　　由上式可知，當(dāng)時(shí)，，陣元在該方向上產(chǎn)生場(chǎng)的同相疊加。如果陣元的最大輻射方向也在該方向疊加，那么直線陣的最大輻射方向必然也是在此方向上。故構(gòu)成了邊射式均勻直線陣。</p><p><b>　　端射陣</b></p&

51、gt;<p>　　端射陣跟邊射陣正好相反，端射陣的輻射電場(chǎng)最大方向在陣元排列的直線方向，此時(shí)α=0度，且，則由式2.2.4可知，此時(shí) </p><p><b>　?。ㄊ?.2.5）</b></p><p>　　對(duì)于上式進(jìn)行物理意義的分析：在此端射陣中，各個(gè)陣元的電流相位存在一個(gè)角度的滯后，此時(shí)我們已經(jīng)知道滯后的這個(gè)角度在數(shù)值上等于陣元間距在方

52、向上的相位差kd。當(dāng)使得時(shí)，此時(shí)兩相鄰陣元產(chǎn)生的輻射場(chǎng)在α=0方向上引起的相位差為，即與陣元自身的電流相位相互抵消，這樣就使得所有陣元在方向上產(chǎn)生的輻射場(chǎng)同相疊加達(dá)到最大值。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)的均勻直線陣就是采用的邊射式直線陣。</p><p>　　2.3 天線的性能參數(shù)分析</p><p><b>　　（1） 增益系數(shù)</b>&l

53、t;/p><p>　　天線的增益系數(shù)是指在相同的輸入功率下，在某一距離和角度天線在最大輻射方向上某處輻射功率密度與無方向性天線在同一處輻射功率密度之比，也可以用天線的方向系數(shù)和其效率的乘積來表示。天線的增益系數(shù)表明了天線在最大輻射方向上比理想的無方向性天線把輸入功率增大的倍數(shù)，因此，天線的增益系數(shù)可以很好地表征天線對(duì)功率集中輻射的能力。所以天線增益是一個(gè)衡量天線性能的重要參數(shù)，增益越大，代表天線在特定方向上的輻射效果

54、好。因此我們需要盡量得到增益高的天線。</p><p><b>　?。?）天線的方向圖</b></p><p>　　天線方向圖又叫輻射方向圖和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。是指在距離天線一定距離的輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來表示。輻射方向圖主要包括主瓣寬度、旁瓣電平和前后比等。由天線的方向圖可以直觀看出天線在某一特定方向的增益

55、和輻射強(qiáng)度。因此，天線的方向圖也是衡量天線性能的一個(gè)重要指標(biāo)。</p><p>　　（3）回波損耗參數(shù)（S11參數(shù)）</p><p>　　回波損耗表示的是傳輸線端口的反射功率與入射功率的比值。用對(duì)數(shù)表示時(shí)單位是dB。S11參數(shù)可以看出天線工作時(shí)能量經(jīng)傳輸線后有多少被反射回了入射源，因此S11參數(shù)也是表明天線性能的重要指標(biāo)，S11如果比較大，就表示反射回來的能量比較大，相應(yīng)的發(fā)射出的功率就比

56、較小，從而使天線的效率就比較低了。因此，在設(shè)計(jì)天線時(shí)應(yīng)盡可能使S11參數(shù)比較低，從而保證天線在工作時(shí)盡可能地把能量發(fā)射出去，使天線有比較高的效率，這是保障天線性能的一種方式。</p><p><b>　　天線的輸入阻抗</b></p><p>　　阻抗匹配是衡量輸入電路與輸出電路之間功率的差異的一項(xiàng)指標(biāo)。換言之就是反映天線在工作時(shí)輸入端經(jīng)過傳輸線到達(dá)輸出端消耗了多少功

57、率，表示的是傳輸線的損耗。達(dá)到理想的輸入阻抗匹配時(shí)，沒有發(fā)生傳輸線損耗，則輸入端輸出的能量沒有損耗全部輸送到終端負(fù)載，表明在這一過程天線的能量被完全地利用到了，效率是百分之百，當(dāng)然這是理想情況，在實(shí)際中都會(huì)發(fā)生損耗。在失配情況下，由于此時(shí)傳輸線上存在反射波，使得傳輸線輸送的功率的過程中發(fā)生損耗使得能量不能全部被負(fù)載吸收，因此會(huì)降低天線的效率。在天線的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使輻射貼片的輸入阻抗與50Ω微帶線或者饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，從而提高天線的效率

58、。 </p><p>　　第三章　微帶陣列天線設(shè)計(jì)</p><p>　　此次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)工作中心頻率為10GHz的1×4均勻直線陣。分兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一是設(shè)計(jì)陣元，二是將陣元組成陣列。在設(shè)計(jì)陣元過程中需要選取貼片和介質(zhì)基片材料、計(jì)算相關(guān)尺寸、選擇饋電方式，然后通過仿真優(yōu)化參數(shù)，最終確定參數(shù)進(jìn)行仿真，得出結(jié)果進(jìn)行分析。組成陣列設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)連接陣元的饋電網(wǎng)絡(luò)，再設(shè)計(jì)

59、出整個(gè)陣列，進(jìn)行仿真，得出結(jié)果并進(jìn)行分析。</p><p><b>　　3.1 陣元設(shè)計(jì)</b></p><p>　　我們選取的是最為常見的矩形微帶貼片，采用微帶線饋電的方式的偏心饋電，將微帶饋線與導(dǎo)體貼片的左邊緣相連。這樣的陣元結(jié)構(gòu)比較簡單，選取的饋電方式也方便了后來陣列天線中的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。為了得到很好地天線性能，我們需要通過分析和計(jì)算來確定微帶天線陣元中的相關(guān)參

60、數(shù)。</p><p>　　3.1.1 介質(zhì)基片的選取</p><p>　　設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)第一步需要選取合適的介質(zhì)基板，并經(jīng)過理論分析和計(jì)算確定介質(zhì)基片的厚度，因?yàn)榻橘|(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)和損耗正切值還有其厚度h決定了微帶天線其他參數(shù)和性能指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，較厚的介質(zhì)基片可以增加輻射功率，降低導(dǎo)體損耗和提高阻抗帶寬，但是也會(huì)增加介質(zhì)損耗、表面波損耗和來自微帶線的輻射干擾，同時(shí)也增加了重量。而對(duì)于

61、相對(duì)介電常數(shù)，根據(jù)理論，低介電常數(shù)材料的介質(zhì)基片可以增加微帶貼片周圍的邊緣輻射場(chǎng)，從而提高天線的輻射功率，但是介電常數(shù)過低會(huì)使得微帶貼片的尺寸變得比較大。綜合以上考慮，本文選擇了聚四氟乙烯材料Arlon AD270，其介電常數(shù)=2.7,損耗正切值為0.0023，選擇基片厚度h為1.2mm。</p><p>　　3.1.2 計(jì)算微帶貼片的尺寸</p><p>　　經(jīng)過前人的研究以及理論推導(dǎo)，

62、微帶貼片天線的寬度w可由下面的公式計(jì)算得到：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.1）</b></p><p>　　式中c表示光速，f表示天線工作的中心頻率。接下來就是設(shè)計(jì)貼片的長度了，一般取貼片長度為，為介質(zhì)體內(nèi)部的導(dǎo)波波長，為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.2）</b></p><p

63、>　　式中的是有效介電常數(shù)，由介電常數(shù)和介質(zhì)基片厚度與貼片的寬w的比值共同決定，其關(guān)系式為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.3）</b></p><p>　　而實(shí)際中應(yīng)考慮貼片的邊緣縮短效應(yīng)，所以實(shí)際微帶貼片的長度應(yīng)為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.3）</b></p><p

64、>　　式中表示的是等效輻射縫隙長度，由和貼片寬w與基片厚度h的比值決定，關(guān)系式如下：</p><p><b>　　（式3.1.4）</b></p><p>　　由于f=10GHz，=2.7，h=1.2mm，根據(jù)以上公式求得w=11.03mm，=2.18，=0.60，L=8.96mm。至此微帶天線的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)初步確定。</p><p>　

65、　3.1.3 饋電與阻抗匹配</p><p>　　前面已經(jīng)介紹微帶天線的饋電方式有好幾種，我們選擇的是最常用也是結(jié)構(gòu)最簡單的微帶線饋電的方式，饋電點(diǎn)位于貼片邊緣位置的偏心饋電方式。饋線是50Ω的微帶線，利用微帶線計(jì)算工具，輸入介質(zhì)基片的介電常數(shù)、厚度、貼片的厚度（35μm）、工作頻率，可計(jì)算出50Ω微帶線的寬度為3.02mm。</p><p>　　一般來說，微帶天線的邊緣阻抗為100Ω～4

66、00Ω，要想與50Ω的微帶饋線相匹配，則微帶天線與饋線之間需設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗變換器，通常是一個(gè)長度1/4波長的阻抗轉(zhuǎn)換器。假設(shè)饋電點(diǎn)位置的輸出阻抗為，1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗為，則阻抗匹配的條件為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.5）</b></p><p>　　式中=50Ω，與饋電點(diǎn)與貼片邊緣的距離有關(guān)，可根據(jù)相關(guān)公式求得。在設(shè)計(jì)單個(gè)微帶天線時(shí)，為充分發(fā)揮微

67、帶天線的性能，所以必須考慮阻抗匹配問題，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)1/4波長轉(zhuǎn)換器。但是在設(shè)計(jì)陣列天線時(shí)，作為陣元，在設(shè)計(jì)陣元的時(shí)候，我們暫不考慮阻抗匹配的問題直接將50Ω饋線與微帶貼片相連，故不設(shè)計(jì)阻抗轉(zhuǎn)換器。將在陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中用到相關(guān)理論。</p><p>　　3.2 HFSS軟件簡介及設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　HFSS（High Frequency Structure Simulat

68、ion）是由美國Ansoft公司開發(fā)設(shè)計(jì)出的一款功能強(qiáng)大的三維電磁仿真軟件，該軟件涵蓋射頻和微波器件設(shè)計(jì)，天線、陣列天線和饋源設(shè)計(jì)，高頻 IC 設(shè)計(jì)，高速封裝設(shè)計(jì)，高速 PCB 板和 RF PCB 板設(shè)計(jì)等許多設(shè)計(jì)領(lǐng)域的仿真分析，幫助設(shè)計(jì)人員解決在設(shè)計(jì)過程中遇到的分析問題和優(yōu)化設(shè)計(jì),現(xiàn)已在航空航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著該軟件的不斷更新升級(jí)，實(shí)現(xiàn)的功能也越來越大，因此有著很好的應(yīng)用前景。該軟件采用的是基

69、于數(shù)值分析的有限元法，能對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算，并對(duì)其設(shè)計(jì)模型的方向圖、內(nèi)外場(chǎng)分布等性能進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，同時(shí)還可以優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的相關(guān)參數(shù)，得到滿足設(shè)計(jì)需要的模型。應(yīng)用在天線領(lǐng)域時(shí)，使用HFSS可以對(duì)設(shè)計(jì)的天線模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到精確天線性能參數(shù)，包括二維和三維平面遠(yuǎn)近場(chǎng)輻射方向圖、天線的方向系數(shù)、增益、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等。借助該軟件，能大大減少在天線設(shè)計(jì)時(shí)的誤差，提高所設(shè)計(jì)天線的性能，并幫助我們很好地對(duì)天線的

70、性能進(jìn)行分析和理解。使用HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真</p><p>　　設(shè)置求解類型。選擇模式驅(qū)動(dòng)（Driven Modal）或者終端驅(qū)動(dòng)(Driven Terminal)求解類型。</p><p>　　創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)尺寸參數(shù)和已確定的結(jié)構(gòu)，在HFSS模型窗口設(shè)計(jì)出天線的參數(shù)化模型。也可以將事先在AutoCAD、Pro.E等繪圖軟件設(shè)計(jì)好的參數(shù)模型導(dǎo)入到HFSS窗口里。

71、</p><p>　　設(shè)置邊界條件。使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)，需要將與背景接觸的表面設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界，這樣HFSS才會(huì)計(jì)算出天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)。</p><p>　　設(shè)置激勵(lì)方式。天線通過傳輸線或波導(dǎo)傳播信號(hào)天線與傳輸線接口處即為饋電面或者激勵(lì)端口。設(shè)計(jì)時(shí)饋電面的激勵(lì)方式的選取主要有兩種：波端口激勵(lì)（Wave port）和集總端口激勵(lì)（Lumped Port），這兩者的區(qū)別體現(xiàn)在，一般與

72、背景相接觸的饋電面使用波端口激勵(lì)方式，在模型內(nèi)部的饋電面使用集總端口激勵(lì)。</p><p>　　設(shè)置掃頻分析參數(shù)，即設(shè)定天線工作的中心頻率和掃頻頻率范圍以及掃頻迭數(shù)。</p><p>　　求運(yùn)行求解分析。在完成前面幾步之后，運(yùn)行仿真。</p><p>　　查看運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行軟件仿真之后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理部分可以查看運(yùn)行結(jié)果中的各項(xiàng)性能參數(shù)。</p>&

73、lt;p>　　Optimetrics優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果結(jié)果中的某些性能參數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就需要對(duì)天線的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到符合設(shè)計(jì)性能要求的天線設(shè)計(jì)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的HFSS v15.0版本。</p><p>　　3.3 微帶陣列天線陣元的仿真過程</p><p>　　在第三章中我們已經(jīng)確定了微帶天線的介質(zhì)基片材料、厚度、介電常數(shù)，通過

74、計(jì)算得到了貼片的長度和寬度、50Ω微帶線的寬度，選取微帶線饋電的方式，饋電點(diǎn)在貼片邊緣。下面以表格的形式將各參數(shù)列舉出來。</p><p>　　表4.2 設(shè)計(jì)陣元模型參數(shù)</p><p>　　3.3.1 設(shè)計(jì)陣元模型并仿真分析</p><p>　　設(shè)計(jì)模型如下圖所示：</p><p>　　圖3.3.1 陣元的三維設(shè)計(jì)模型</p>

75、<p>　　設(shè)計(jì)好模型之后，檢查和確認(rèn)設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性和完整性，運(yùn)行仿真。待仿真完之后，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行查看分析。</p><p>　　回波損耗參數(shù)分析及參數(shù)優(yōu)化</p><p>　　陣元信號(hào)端口回波損耗（即）的掃頻結(jié)果分析，查看天線的諧振頻率是否在工作中心頻率10GHz上。的掃頻分析結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　圖3.3.2 的掃頻結(jié)果分析<

76、;/p><p>　　由上圖看出天線的諧振頻率在9GHz以前，即小于9GHz，不在中心頻率10GHz上。而且在10GHz時(shí)，天線的回波損耗太大，為-4.14dB。達(dá)不到設(shè)計(jì)所需的高性能。所以我們需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使得諧振頻率在設(shè)計(jì)的10GHz。</p><p>　　經(jīng)過相關(guān)理論分析，天線的諧振頻率跟輻射貼片的尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度決定。其中主要作用明顯的是輻射貼片的長度L。相關(guān)理論研究

77、發(fā)現(xiàn)，輻射貼片長度越短，則諧振頻率越高。為了盡量保留原有參數(shù)，我們通過改變輻射貼片的長L來獲得滿足設(shè)計(jì)需要的諧振頻率。利用HFSS軟件的Optimetrics模塊來得到改變輻射貼片長度L后的各參數(shù)掃頻分析圖。需要說明的是，要想得到精確的諧振頻率所對(duì)應(yīng)的貼片長度L，往往需要經(jīng)過多次優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)越多，得到的結(jié)果更精確。前面通過計(jì)算得到額輻射貼片的長為8.96mm。這里設(shè)置L的長度分別為7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5

78、mm。得到一組掃頻分析圖，如下圖所示。</p><p>　　圖3.3.3 不同L所對(duì)應(yīng)的參數(shù)曲線</p><p>　　由上圖可以看出，當(dāng)改變輻射貼片長L=8mm時(shí)，陣元天線的諧振頻率為10GHz，且此時(shí)天線的回波損耗值為-19.84dB，較輻射貼片長為8.96時(shí)有了大幅度降低，性能較好。故我們將修改輻射貼片長為8mm。優(yōu)化完成，優(yōu)化后的掃頻分析結(jié)果圖如下：</p><p

79、>　　圖3.3.4優(yōu)化后的掃頻分析結(jié)果圖</p><p>　　對(duì)比優(yōu)化之前的掃頻分析圖，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后天線的諧振頻率為設(shè)計(jì)要求的中心頻率，同時(shí)大大減小了回波損耗，說明天線的大部分能量經(jīng)過微帶線傳輸出去了，從而很好地改善了天線的性能。</p><p>　　陣元的三維增益方向圖</p><p>　　天線的三維立體方向圖仿真結(jié)果如下圖所示：</p>

80、<p>　　圖3.3.5 天線的三維增益方向圖</p><p>　　從得出的仿真結(jié)果圖中可以看出，天線的最大輻射方向集中主要在Z方向一片，即垂直于天線平面方向。最大增益為7.76dB。但是方向性不明顯，這是由于微帶天線自身結(jié)構(gòu)特性決定的。所以需要通過組成陣列天線等方式提高天線的方向性。</p><p>　　陣元的輸入阻抗及阻抗匹配</p><p>　　仿真

81、結(jié)果中天線的輸入阻抗特性曲線和史密斯圓圖如下圖所示，從圖中可以看出，在工作中心頻率10GHz對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為58，說明天線的輸入阻抗為58Ω，與微帶線的特性阻抗50Ω已經(jīng)非常接近了。再看史密斯圓圖中可以看出，在中心頻率10GHz處對(duì)應(yīng)的阻抗匹配參數(shù)為1.1721-0.1398i。說明天線與微帶饋線已經(jīng)達(dá)成了很好地阻抗匹配效果，這也對(duì)應(yīng)了前面天線的回波損耗分析的結(jié)果。說明設(shè)計(jì)的天線效率比較高，性能較好。</p><p&g

82、t;　　圖3.3.6陣元天線的輸入阻抗</p><p>　　圖3.3.6 陣元天線的史密斯圓圖</p><p>　　3.4 天線陣元的總結(jié)分析</p><p>　　由仿真結(jié)果得到的相關(guān)性能參數(shù)我們可以總結(jié)出，首先天線的尺寸參數(shù)影響著天線的諧振頻率和相關(guān)性能。通過優(yōu)化天線單元的尺寸，可以得到工作在中心頻率的諧振頻率。而且優(yōu)化尺寸后的天線的回波損耗參數(shù)大大降低，使天線的

83、性能得到很好地提升，也使得天線的輸入阻抗得到很好地匹配，從而使天線的利用效率提高了。但是在單個(gè)陣元天線中，從得到的方向圖來看，天線的方向性不強(qiáng)，增益也不高，這是由于天線的結(jié)構(gòu)特性決定的，這是天線重要的性能指標(biāo)，所以下一步的研究方向是增強(qiáng)的天線的方向性，提高天線的增益，使微帶天線充分發(fā)揮其作用。</p><p>　　第四章 微帶陣列天線的設(shè)計(jì)</p><p>　　從前面的陣元仿真結(jié)果我們已經(jīng)

84、知道，單個(gè)陣元天線使用起來方向性不強(qiáng)，增益低，往往達(dá)不到天線在實(shí)際應(yīng)用的強(qiáng)方向性、高增益的性能指標(biāo)。所以需要想辦法改善單個(gè)天線的方向性和增益問題。</p><p>　　將單個(gè)陣元按照一定規(guī)律排列組成陣列天線，可以很好地解決微帶天線方向性差、低增益的缺陷。陣列天線利用的是使陣元在遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)同相疊加的原理提高天線的方向性和增益系數(shù)。此次設(shè)計(jì)中，由于只是對(duì)陣列天線的性能和參數(shù)進(jìn)行定性的分析，我們?yōu)榱耸乖O(shè)計(jì)簡單，設(shè)計(jì)的是

85、一個(gè)4元均勻直線陣列天線，采用的是陣元同相激勵(lì)電流，所以是一個(gè)4元的邊射陣，得到的最大輻射方向也是在垂直天線平面方向。陣元的饋電方式和饋電點(diǎn)的位置跟上一章陣元設(shè)計(jì)一樣。連接陣元的方式是設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)，選用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡(luò)的理由是并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以保證陣元的電流相位一致，且陣元數(shù)較少，容易設(shè)計(jì)。微帶陣列天線的設(shè)計(jì)模型如下圖所示：</p><p>　　圖4-1 微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)模型</p>&

86、lt;p>　　在上章中我們已經(jīng)對(duì)陣元的相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和確定，在陣列天線設(shè)計(jì)我們直接使用上章陣元的參數(shù)，因此陣列天線設(shè)計(jì)時(shí)所需要做的相關(guān)參數(shù)選取和計(jì)算只有陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1 陣元間距的選取</p><p>　　根據(jù)相關(guān)理論研究，選擇合適的陣元間距可以提高天線的增益。陣元間距過小，由于陣元之間的耦合作用會(huì)降低天線的效率，從而使得陣列天線的增

87、益效果明顯。因此加大陣元間距有助于提高天線增益，但是如果陣元間距過大可能會(huì)使得陣列天線的副瓣比較大，也會(huì)影響天線的效率，其次從天線的集成效果來看，較大的陣元間距會(huì)使得陣列天線的長度也會(huì)變得很大，當(dāng)陣元數(shù)目比較多時(shí)整個(gè)天線系統(tǒng)尺寸也就相當(dāng)大，應(yīng)用起來會(huì)不方便。一般認(rèn)為，取陣元間距為0.6～0.8倍工作波長時(shí)，可以一定程度上減小陣元間的耦合作用，而此間距下的陣列天線長度也會(huì)比較合理。此次設(shè)計(jì)選取天線的陣元間距為0.75倍工作波長：</

88、p><p><b>　?。ㄊ?.1）</b></p><p>　　計(jì)算得陣元間距為22.5mm。</p><p>　　4.2 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)</p><p>　　并聯(lián)式的饋電網(wǎng)絡(luò)可以很好地使陣元電流相位一致，達(dá)到邊射陣的設(shè)計(jì)要求。需要說明由于是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以此饋電網(wǎng)絡(luò)只適用于陣元數(shù)為2的冪次數(shù)的陣列天線。饋電網(wǎng)絡(luò)模型如4

89、.2所示。</p><p>　　設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)主要是考慮天線輸入電阻的阻抗匹配。由于選用的微帶線阻抗為50Ω，與天線的輸入阻抗一般情況下是不匹配的因此我們考慮利用饋電網(wǎng)絡(luò)使天線輸入阻抗與微帶線進(jìn)行良好的匹配，所以連接陣元的饋電網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)大的四分之一物理波長阻抗轉(zhuǎn)換器。通過前面對(duì)阻抗匹配的介紹，我們知道阻抗匹配需滿足的條件是：。接下來我們就需要根據(jù)阻抗匹配條件來確定饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸。也就是每一段的長和寬。具體的確定方

90、法為：豎著（除了最下面的一段）的微帶線的長均為四分之一物理波長，也就是4.92mm。橫著的微帶線長分別為一倍間距和兩倍間距，即22.5mm和45mm。微帶線的寬的確定方法為：先由阻抗匹配條件公式確定特性阻抗，再借助微帶線計(jì)算工具由特性阻抗確定微帶線的寬度。</p><p>　　圖4.2 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　設(shè)計(jì)好饋電網(wǎng)絡(luò)之后，把陣元設(shè)計(jì)進(jìn)去，構(gòu)建微帶陣列天線模型，用

91、HFSS進(jìn)行仿真。</p><p>　　4.3 微帶陣列天線的仿真結(jié)果及其分析</p><p>　　微帶陣列天線的方向圖</p><p>　　微帶陣列天線的三維立體方向圖如圖5.3-1所示。從圖中我們可以看出，所設(shè)計(jì)的陣列天線的輻射場(chǎng)主要集中在垂直天線平面方向，即圖中所示的Z軸方向，與單個(gè)陣元的方向圖相比，陣列天線的輻射方向圖更有指向性，場(chǎng)強(qiáng)主要集中在Z軸方向。這是

92、陣元輻射場(chǎng)在該方向疊加的效果。</p><p>　　圖4.3.1 微帶陣列天線的三維立體方向圖</p><p>　　圖4.3.2 微帶天線的平面方向圖</p><p>　　圖4.3-2兩條曲線對(duì)應(yīng)的是為天線在XOZ平面和YOZ平面的輻射方向圖，在圖上 可以看出，在XOY平面天線沒有明顯的方向性，主瓣寬度比較大，基本無旁瓣；而在YOZ平面，天線的方向性明顯，主瓣突

93、出而且比較窄，旁瓣電平多。這是由于陣列天線的排列結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果。因?yàn)殛囋帕性赬OY平面與Y軸平行的一條直線上，陣元在YOZ平面沿輻射電場(chǎng)同相疊加，由于陣元之間存在波程差，使得陣元在各個(gè)方向的疊加效果不一樣，因此產(chǎn)生較多的旁瓣；而在沿Z軸方向陣元的最大輻射電場(chǎng)相互疊加，得到陣列天線的最大輻射方向，因此主瓣突出。由于陣元在XOZ平面都是等相位的，因此陣列的輻射方向取決于陣元的輻射方向，陣元的方向性本身就不明顯，因此在陣列天線XOZ平面的方

94、向性也不明顯。但是綜合陣列天線的三維立體方向圖我們可以看出，陣列天線的方向性與單個(gè)陣元相比還是有很大的提高。</p><p>　　從圖中的標(biāo)記還可以知道，天線的增益為13.2446dB,與單個(gè)陣元的7.76dB相比，提高了約3.5dB。理論研究表明，陣列天線的陣元數(shù)越多，天線的方向性更好，增益系數(shù)也越大，所以陣列天線的性能較單個(gè)天線更好。</p><p>　　天線的回波損耗參數(shù)S11<

95、;/p><p>　　微帶陣列天線的回波損耗分析圖如下圖所示。由圖中可以看出陣列天線的回波損耗較之前單個(gè)陣元的損耗要偏大，這是因?yàn)殛嚵刑炀€中陣元之間存在耦合效應(yīng)，使得天線的回波損耗比較大。但是在設(shè)置的頻率范圍內(nèi)，回波損耗有足夠的衰減，且在實(shí)際應(yīng)用允許的回波損耗范圍內(nèi)，故此陣列天線還是有很好的性能。</p><p>　　圖4.3.3 微帶陣列天線的S11參數(shù)分析圖</p><p

96、>　　微帶陣列天線的輸入阻抗及阻抗匹配</p><p>　　天線的輸入阻抗分析圖和史密斯圓圖分別如圖4.3.4和4.3.5所示。</p><p>　　從圖4.3.4中可以看出，在中心頻率10GHz上陣列天線的輸入阻抗為55.56Ω，與微帶線的阻抗50Ω非常接近，說明陣列天線與微帶線達(dá)到了很好地匹配效果。從5.3.5的史密斯圓圖上可以看出在中心頻率10GHz上天線的阻抗匹配系數(shù)為1.1

97、112-0.8252i。從而也證明了天線與微帶線達(dá)成了很好的阻抗匹配效果。說明該設(shè)計(jì)的微帶陣列天線性能優(yōu)良。</p><p>　　圖4.3.4 微帶陣列天線的輸入阻抗分析圖</p><p>　　圖4.3.5 史密斯圓圖</p><p>　　4.4 微帶陣列天線的總結(jié)分析</p><p>　　通過設(shè)置合適的陣元間距，通過阻抗匹配的原理及公式計(jì)算

98、和設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求的饋電網(wǎng)絡(luò)，用饋電網(wǎng)絡(luò)將陣元連接起來設(shè)計(jì)成微帶陣列天線。通過仿真結(jié)果可以看出，天線的方向圖明顯，增益高，回波損耗參數(shù)滿足實(shí)際工程需求，阻抗匹配效果良好，因此微帶陣列天線總體性能比較好，有很好的理論參考價(jià)值。</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)結(jié)論和工作總結(jié)</p><p>　　在了解微帶天線應(yīng)用特點(diǎn)的背景下，知道微帶天線有著體積小、重量輕、易于集成和與載體共形等優(yōu)點(diǎn)使得微帶

99、天線在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)微帶天線存在增益小、方向圖不明顯等缺陷制約了其理論研究和實(shí)際應(yīng)用。理論研究發(fā)現(xiàn)將若干微帶天線按照一定規(guī)律排列組成微帶陣列天線可以很好地解決這些問題。于是通過學(xué)習(xí)和了解天線和陣列天線的相關(guān)理論，分別設(shè)計(jì)出了工作中心頻率在10GHz的單個(gè)天線和4元均勻直線陣列天線，通過HFSS仿真軟件對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后分別對(duì)陣元天線和陣列天線進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果得到的相關(guān)性能參數(shù)和圖示進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證微帶陣列天線能提高

100、天線增益和方向性的結(jié)論。</p><p>　　針對(duì)此次設(shè)計(jì)目標(biāo)，我主要做了如下工作：</p><p>　　學(xué)習(xí)微帶天線的相關(guān)理論，了解微帶天線的輻射機(jī)理和分析方法，并了解天線的特性參數(shù)。</p><p>　　根據(jù)相關(guān)理論和公式，通過分析和計(jì)算得到設(shè)計(jì)天線所需要的參數(shù)。設(shè)計(jì)出天線的結(jié)構(gòu)模型。</p><p>　　利用HFSS軟件對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行

101、仿真并對(duì)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到性能更加具有理論分析價(jià)值的天線。</p><p>　　對(duì)所設(shè)計(jì)并完成優(yōu)化后的微帶天線單元和由其組成的微帶陣列天線進(jìn)行仿真，對(duì)比仿真結(jié)果和相關(guān)性能參數(shù)，得出結(jié)論。</p><p>　　通過對(duì)陣元天線和陣列天線的仿真結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的4元微帶陣列天線增益系數(shù)比單個(gè)陣元曾大了3.5dB，同時(shí)陣列天線的方向圖比單個(gè)陣元的方向圖指向性更好，說明陣列天線的方

102、向性要強(qiáng)于單個(gè)天線陣元。于是可以得出結(jié)論：將單個(gè)微帶天線設(shè)計(jì)成微帶陣列天線可以提高增益，增強(qiáng)方向性。驗(yàn)證了相關(guān)理論的正確性。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]. 惠鵬飛，夏穎，周喜全，淘佰瑞，苗鳳娟；基于HFSS的4×24微帶陣列天線的設(shè)計(jì)與研究[J]；齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)；2010,26(5).</p>

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