喬貫宇 山西工程技術(shù)學(xué)院

微帶天線自身具備比較輕、耗費(fèi)比較少、體積也比較小、平面結(jié)構(gòu)、能夠與集成電路一起使用，且易于制成共形天線等優(yōu)勢(shì)，在無(wú)線通信自身的技術(shù)之中，包含藍(lán)牙、手機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)等終端小型的衛(wèi)星通訊設(shè)施；多普勒及其他制式雷達(dá)；無(wú)線電測(cè)高計(jì)；指揮以及管控系統(tǒng)情況；無(wú)線電的引信；環(huán)境檢測(cè)儀表以及遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的接收機(jī)設(shè)施；生物醫(yī)學(xué)輻射器等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

1 微帶天線的分析理論

與其他天線相同的是，微帶天線開(kāi)展工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，要對(duì)天線自身的性能特點(diǎn)（例如方向圖、效率、輸入阻抗、方向性特電、輸入阻抗提前預(yù)算，這會(huì)極大的提升天線研發(fā)的質(zhì)量水平以及收益，減少研發(fā)的成本費(fèi)用。許多人致力于這種理論工作，獲得了顯著的成果。研究微帶天線的基礎(chǔ)原理主要可以分成三大類(lèi)：傳輸線模型的基本理論知識(shí)，腔模理論，全波理論。從理論層面說(shuō)，積分方程法能夠用在對(duì)各種結(jié)構(gòu)，隨意厚度微帶天線的答案解答?？芍?，作為數(shù)值解法很明顯要受到計(jì)算模型的精準(zhǔn)度以及時(shí)間的約束。

1.1 傳輸線理論

微帶線包含有介質(zhì)還有地板、金屬微帶線以及這個(gè)基片的上方的空氣介質(zhì)形成的。在空間方面屬于比較開(kāi)放性的構(gòu)造，電磁場(chǎng)能夠分布到各個(gè)空間范圍之中。因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)是在不同界面都有的，微帶里面的傳輸模式具備電場(chǎng)以及磁場(chǎng)以及三個(gè)不同分量的混合型的模。所以，不能夠傳播單純的橫電磁波—TEM模。但是，在頻率并不是十分理想的情況下（小于10G），在符合基片的厚度要低于工作波長(zhǎng)的時(shí)候，能量大部分都集中在導(dǎo)體帶之下的介質(zhì)基片里面，這個(gè)時(shí)候傳播的就是確定好的TEM模。

針對(duì)矩形形狀的貼片天線使用端縫輻射的概念清晰的闡述了輻射的基本原理。能夠?qū)⑤椛湓?，介質(zhì)基片以及接地板看作是一段半波長(zhǎng)的傳輸射線。輻射大部分認(rèn)定是包含矩形貼片傳播方向方面的兩個(gè)開(kāi)路邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的。因?yàn)檩椛湓拈L(zhǎng)度大概是半波的長(zhǎng)度，兩開(kāi)路端邊緣場(chǎng)的垂直分量方向是不同的，然而水平分量的方向是一致的。針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)來(lái)講，兩邊開(kāi)路的同方向的輻射場(chǎng)就好比是大平面中彼此鼓勵(lì)的兩個(gè)槽。

1.2 腔模理論

腔模理論產(chǎn)生于1979年的時(shí)候，是Y.T.LO等人提出來(lái)的比較典型的研究方法。這個(gè)理論知識(shí)建立在薄微帶天線的假定，把微帶的貼片和基地班彼此之間的空間看作是四面都是墻壁，上面和下面是電壁的諧振空腔。天線輻射場(chǎng)包含空腔四面的等能效磁流構(gòu)成的。天線輸入阻止能夠結(jié)合空腔內(nèi)部以及周邊環(huán)境獲得?？涨焕碚撌菍?duì)傳輸線的不斷發(fā)展與擴(kuò)展，它可以運(yùn)用在范圍更加大的微帶天線里面，而且因?yàn)榕烁叽文＃?jì)算阻抗的曲線的校準(zhǔn)，并且計(jì)算的工作量并不是特別的多，比較符合工程設(shè)計(jì)的基本需求。因?yàn)槭褂梦炀€的目的就是降低剖面高度，因此在大多數(shù)情況下這不成問(wèn)題。但對(duì)于近來(lái)采用厚介質(zhì)基板提高寬帶天線設(shè)計(jì)就不適用。

1.3 全波理論

全波理論也被叫做積分方程法。一般要先算出專(zhuān)門(mén)的邊界條件之下單位點(diǎn)源所形成的場(chǎng)，也就是格林函數(shù)。之后結(jié)合疊加原理，將其乘以源進(jìn)行分布以后，在源所處的地區(qū)開(kāi)展積分而獲得的總場(chǎng)。由于一般源是不確定的，所以要受到邊界條件獲得源分布以后的積分方程，在算出源分布之后再經(jīng)由積分算式算出總場(chǎng)情況。

積分方程的方法是在開(kāi)放的空間之中的格林函數(shù)來(lái)當(dāng)成是基準(zhǔn)，它的基本方程是十分系統(tǒng)的。但是因?yàn)閲?yán)苛的格林函數(shù)要在頻譜里面開(kāi)展下去，求算積分方程具備比較高的難度，并且工作量也比較大。針對(duì)主要的問(wèn)題，積分方程法發(fā)展起來(lái)了一種比較簡(jiǎn)單的處置辦法。并不是通過(guò)求解積分方程獲得場(chǎng)源的分布，而是建立在最初的知識(shí)來(lái)假設(shè)場(chǎng)源的分布設(shè)計(jì)，比如借助空腔模型或者是傳輸線模型的已經(jīng)具備的結(jié)果來(lái)得出等效磁流分布伙食貼片電流的設(shè)計(jì)，之后將格林函數(shù)和源分布進(jìn)行乘法計(jì)算，在源所在區(qū)域積分而得出總場(chǎng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是省卻了積分方程的求解，而又獲得了較嚴(yán)格的計(jì)入微帶基片效應(yīng)的結(jié)果，但其應(yīng)用受到磁場(chǎng)源分布的先驗(yàn)假設(shè)條件限制。

2 微帶天線的數(shù)值分析方法

微帶天線的數(shù)值分析方法主要是指全波分析中的數(shù)值分析方法。其主要包括矩量法，有限元法、時(shí)域有限差分法，而且隨著計(jì)算條件的不斷改善，新的方法也不斷涌現(xiàn)。在這些數(shù)值分析方法中，矩量法最常用，時(shí)域有限差分法，有限元法也運(yùn)用的較為廣泛。

2.1 矩量法

矩量法是現(xiàn)在微帶天線研究中使用最寬泛的辦法。矩量法所處置的問(wèn)題能夠概括為解線性非齊次的方程，可統(tǒng)一的寫(xiě)為：Lf=g；其中L為線性算子，g為已知函數(shù)，f為待求解函數(shù)。在微帶天線使用矩量法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，存在空間域以及譜域矩量法兩個(gè)相對(duì)的理論。也就是在我們?cè)谑褂镁亓糠ㄋ愦鸢傅臅r(shí)候，選擇合適的方法。在待定的問(wèn)題里面，矩量法的重點(diǎn)就是選擇權(quán)函數(shù)以及基函數(shù)。

2.2 有限元法

有限元法就是創(chuàng)建在變分發(fā)發(fā)的條件下進(jìn)行的，它將所有求解地區(qū)氛圍很多個(gè)單元，在每一個(gè)單元中要求一個(gè)基本的函數(shù)。這種基函數(shù)在彼此的單元中分析。在別的范圍選擇為0，這種能夠分成解析函數(shù)替換所有解析函數(shù)。針對(duì)三維的問(wèn)題，單元能夠選取當(dāng)成是四面體、六面體等，每一個(gè)單元的形狀都能夠看做是主要情況來(lái)確定。有限元法最關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)就是它不受物理模型形狀的約束，這從基函數(shù)以及具體單元的選擇就能夠清楚了。Ansoft HFSS軟件就是Ansoft這個(gè)公司研發(fā)的軟件。

3 幾種不同形狀微帶貼片天線

微帶貼片天線包含有介質(zhì)基片，并且基片的一個(gè)面上面包含有隨意形狀的導(dǎo)電貼片以及基片在另外一個(gè)面上面的地板組成的。實(shí)際上，能夠算出貼片圖形是有形狀的，圓形、正方形、五角形、圓環(huán)形、正三角形、半圓形。下面是圓形和三角形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 圓形微帶貼片天線

圓形微帶貼片天線在腔模理論研究中得出它的主模就是TM11模。TMmn模事實(shí)上就是沒(méi)有太大的作用。然而在TMmn模里面僅僅是TM11模處在和天線平面方向成90度方向的時(shí)候輻射是最高的，并且別的模需要在這個(gè)方向的輻射是0。因?yàn)楸容^多見(jiàn)的就是工作在主要模里面的圓形微帶天線，所以如下分析的設(shè)計(jì)是在這種情況下思考的。

圓形微帶貼片的半徑由式（1）給出為

其中c為光速，在比較高的頻段的時(shí)候，也就是比2Ghz高的時(shí)候，還和基板的厚度有著一定的關(guān)系。因?yàn)榛宓暮穸扔绊懙牡刃У陌霃绞牵?/p>

3.2 正三角形微帶貼片天線

就好比研究圓形狀的微帶貼片這種天線那樣，用周?chē)谴疟趪傻娜切吻惑w模型，可以求得場(chǎng)的解。最低階模的諧振頻率是

這個(gè)式子沒(méi)有考慮終端效應(yīng)或邊緣效應(yīng)，但誤差不是很大，在天線設(shè)計(jì)過(guò)程中可以先由上式計(jì)算出三角形的邊長(zhǎng)a，再進(jìn)行微調(diào)。

4 結(jié)論

采用HFSS電磁仿真原件進(jìn)行貼片天線的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)便易行，該軟件能夠快速的對(duì)天線進(jìn)行仿真，便于對(duì)天線的參數(shù)分析。通過(guò)對(duì)不同形狀的貼片天線的設(shè)計(jì)，在不斷的實(shí)驗(yàn)和仿真完成符合諧振頻率的微帶貼片天線。在這一過(guò)程中得出以下結(jié)論：

(1）貼片天線的缺點(diǎn)是頻帶較窄，而對(duì)于給定的頻率，介質(zhì)基片選擇使用較小的相對(duì)的數(shù)值，頻帶較寬，介質(zhì)基片的厚度增加，頻帶加寬。

(2）在介質(zhì)基片的厚度比波長(zhǎng)少的時(shí)候，讓介質(zhì)基片變厚，可以增加輻射的整體效率，得到更小的反射系數(shù)。但基片厚度也影響其他參數(shù)。

(3）在利用HFSS軟件對(duì)三角形圓形進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，不能直接利用多邊形，而是需要先利用多邊形畫(huà)出需要的圖形，然后用直線進(jìn)行連接，圍成需要的圖形。