微波技术与天线仿真（共5篇）
目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。
在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。
天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。如下图1，图2所示。
图1 矩形微带天线开路段电场结构
图2 场分布侧面图 天线基础
天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。
2.1 天线的极化方式
所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。
(1)水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。
(2)垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
2.2 天线的增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。
2.3 天线的阻抗
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗。
驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。
2.4 天线的波瓣宽度
波瓣宽度是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。
(1)垂直波瓣宽度：一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质 量的目的。
(2)水平波瓣宽度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。
3矩形贴片的设计
矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个矩形贴片，其工作频率在2.45GHz，并分析其远区场辐射特性以及S曲线，3.1 设计目的
(1)学习设计微带天线的设计方法；
(2)掌握矩形贴片的设计方法及其远区辐射场的特性以及S曲线；(3)掌握HFSS10仿真软件的使用。
3.2 矩形微带贴片天线的辐射原理
如图3所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基 片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最
简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
图3 矩形贴片天线示意图
3.3 矩形贴片天线的仿真设计
1．建立新的工程 2．设置求解类型 3.设置模型单位
4．创建微带天线模型
(1)创建地板GroundPlane。尺寸为90mm*90mm，并设置理想金属边界。
(2)建立介质基片。尺寸为45mm*45mm*5mm。将材料设置为Rogers R04003。(3)建立贴片Patch。尺寸为：32mm*32mm，并设置理想金属边界。
(4)创建切角。首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通过旋转180度创建另一个切角。(5)用Patch将切角减去。(6)创建探针Pin。圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料设置为pec。
(7)创建端口面Port。圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0，半径为：dX：0，dY：1.5，dZ：0。
(8)用GroundPlane 将Port减去。
5.创建辐射边界
创建Air，尺寸为：160mm*160mm*70mm。辐射边界命名为Rad1。
6．设置端口激励
端口命名为p1。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回车键，点击Next按钮直至结束。
7．求解设置
为该问题设置求解频率及扫频范围
(1)设置求解频率。设置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。
(2)设置扫频。扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中。8.设置无限大球面
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。
9.确认设计 10.保存并求解工程 11 后处理操作
(1)S参数（反射系数）。
绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是s11。点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。选择：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成 操作，绘制出反射系数曲线。
(2)2D辐射远场方向图。
在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report。选择：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。结果分析
4.1 对探针位置的探讨
地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。
介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：32，dY：32，dZ：0。
4.1.1探针在Y轴
探针中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图4所示：
图4 矩形贴片天线3D模型(探针在Y轴)
(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图5所示。
图5 反射系数图（Y轴）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图6所示。
图6 2D辐射远场方向图（Y轴）分析： 当探针在Y轴上时，回波损耗在13.8dB左右，工作频带在2.35GHz-2.47 GHz。
由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要进行优化。
4.1.2 探针位置在X轴上
探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图7所示：
图7 矩形贴片天线3D模型(探针在X轴)
(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图8所示。
图8 反射系数图（X轴）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图9所示。
图9 2D辐射远场方向图（X轴）
分析：当探针在X轴上时，回波损耗也在13.8dB左右，工作频带在2.37GHz-2.48 GHz。
由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.说明此位置仍不是最佳位置。
4.1.3 探针在对角线位置上 探针中心点的坐标：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图10所示：
图10 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图11所示。
图11 反射系数图（对角线）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图12所示。
图12 2D辐射远场方向图（对角线上）
分析：当探针在对角线上时，回波损耗为-29dB，频点恰好在2.45GHz，工作频带在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作频带很窄。由远场图可知，此位置仍有一个小的背瓣。
因此，探针在这个工作特性很好，但工作带宽有点窄。探针中心点的坐标：X：8，Y：8，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图13所示：
图13 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)
(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图14所示。
图14 反射系数图（对角线）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图15所示。
图15 2D辐射远场方向图（对角线上）
分析： 当将探针设置在此位置时，回波损耗在-14.3dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.49GHz,频点正好在2.45GHz。
由远场方向图可知，在此位置有一个小的背瓣。
探针在这个位置工作特性很好，工作频带也较宽。此外还可知在对角线上越靠近中心，天线性能越好。
4.2 改变贴片尺寸
地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。
介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。
探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图16所示。
图16 矩形贴片天线3D模型(贴片尺寸改变)(1)反射系数曲线
仍在上述所设求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图17所示。
图17 反射系数曲线（贴片尺寸改变）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图18所示。
图18 2D辐射远场方向图（贴片尺寸改变）
分析： 当其他条件不变，改变贴片尺寸（由32mm*32mm改为31.7mm*31.7mm）时，回波损耗在-12.5dB左右，频带宽度在2.39 GHz-2.50GHz,频点正好在2.45GHz。
由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。探针在这个位置（X轴）工作特性不错，工作频带也较宽。
4.3 改变探针半径
在4.2的基础上，将探针半径改为0.4mm，其他条件不变，则所形成的反射系数图和2D辐射远场方向图如图19，图20所示。
图 19 反射系数图曲线（探针半径0.4mm）
图20 2D辐射远场方向图(探针半径0.4mm)分析：① 在上一步的基础上，改变探针半径（由0.5mm改为0.4mm）时，回波损耗在-14.1dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.52GHz,频点正好在2.46GHz。
② 由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。
③ 此时，探针不在工作频点，可知探针半径太小，但由上研究可知，半 径在稍微改大一点应该可以使探针工作在2.45 GHz（这个问题由于时间问题没研究）。
总结：
① 当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点（如2.45GHz）。
② 对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。
③ 当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。设计体会
微波课设在短短的几天时间里完成了。首先非常感谢老师以及各位学长的帮助和指导。
由于老师已经在指导书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，因此这次课设上手还是很快的。这使我们能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS10这款软件设计微带天，并通过所形成的远区辐射场图和S曲线分析矩形微带天线的特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中。做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。由此可知，在具体设计微带天线时要根据实际的情况对天线进行优化处理，使其达到理想辐射特点。当然在做实验时并不是特别顺利，所幸的是，在老师和几位学长的帮助指导下解决了，并从中学到很多东西。
此外，在这次课设中同学间的配合也是相当重要的。每个学生对老师课堂所讲的内容的接收程度不同。只有同学间的相互配合，提出问题，然后讨论最后解决，才能使课设结果达到更好的效果。参考文献
一、构建多媒体手段, 计算机辅助
设计与《微波技术与天线》课程教学整合模式
(一) 多媒体融入《微波技术与天线》课程教学模式的原则和实施
1、突出主体性以及独立性与相互作用性统一原则
在教学过程的不同阶段, 教师与学生的主体地位不是一成不变的。在教学大纲的制定、电子课件的制作、纸质教案的编写、教学过程的组织中, 教师是主体, 教师主体的作用体现在投入更多的精力, 做好服务于学生的准备。在课堂教学阶段, 学生是主体, 教师的角色要发生转变, 以学生为中心, 强调学生是信息加工的主体, 是知识意义的主动建构者;学生获取知识不是由教师灌输的, 而是由学生在一定的情境下通过协作、讨论、交流、互相帮助, 并借助必要的信息资源得到的。
2、多媒体和《微波技术与天线》课程教学的整合实施
(1) 课前准备
课前准备阶段, 需要根据教学大纲编写教学教案, 进行教学组织。一是教学教案。教学教案包括纸质教案和电子课件。编写教案与制作电子课件, 应根据教学大纲的要求, 结合教学经验, 认真分析课程内容的特点, 明确最适宜采用多媒体手段的教学内容。就“微波技术与天线”课程而言, 适合采用多媒体手段进行教学的内容如下:传输线的基本理论:行波的瞬时分布及振幅分布, 长线终端短路、开路、接负载时电压、电流及阻抗的分布, 长线终端接一般负载阻抗时沿线电压、电流及阻抗分布, 端接任意负载时均匀有耗长线上电压、电流及阻抗分布, 圆图;波导理论:几种常用的微波传输系统, 从平行双线至矩形波导的演化过程, 波导模式中的场分量变化规律、电磁场结构透视图、波导壁上的电流分布图, 微带传输线中微带的色散效应和高次模式的影响, 微带传输线中带状线, 微波传输线中激励与激励装置;微波元件:一端口元件中的短路活塞、匹配负载、失配负载, 二端口元件中的连接元件、匹配元件、衰减与相移元件、波形变换元件、滤波元件, 三端口分路/合成元件, 四端口元件中的双T和魔T接头、定向耦合器、平行耦合带线定向耦合器;微波铁氧体元件中的隔离器;谐振器:各种微波谐振腔结构, 矩形腔、圆柱腔各谐振模式的场分布图, 圆柱腔的谐振模式图, 同轴谐振腔, 环形腔, 微带谐振腔, 介质谐振腔, 谐振腔的耦合与耦合装置, 谐振腔的等效电路;天线:基本振子幅射, 线天线, 面天线;微波应用系统。根据教学大纲, 对不适合多媒体教学的要写出纸质教案, 按传统教学方法教学;对适合多媒体教学的要制成电子课件。一些较复杂的图形和实验, 应能在电子课件中得到很好的反映。
(2) 教学组织
在教学实施前, 还要做一些案头准备工作, 把授课内容的提纲写下来, 理清头绪, 做好两种教案在教学过程中平滑衔接的准备工作, 使得教学过程有条不紊地进行, 以掌握教学的主动权。
(3) 课堂组织
教师授课要组织课堂, 要充分认识到多媒体只是教学的一种手段。教师在教学过程中要争取主动, 合理展示多媒体的优势, 把握住多媒体手段与传统教学手段进行切换的最佳时机, 探索适应多媒体教学的授课速度。
(4) 教与学的整合与优化
利用电子课件信息量大、教学内容呈现立体化和交互界面友善的特点及教师授课速度的可控性, 将多媒体手段与传统教学方法有机结合, 扬长避短、优势互补。如“微波技术”课程中的圆图部分, 本文用传统教学方法讲授圆图中的等反射系数圆方程、阻抗圆图方程、导纳圆图方程, 给合多媒体手段将各种圆图在计算机上实现。实现的途径有两条:第一, 根据相应的数学公式直接编制程序, 给定参数后, 直接得到结果, 但这种方法没有对圆图进行操作, 无法理解圆图的基本特点;第二, 应用高级语言将圆图绘入计算机, 在计算机上直接对圆图进行操作, 每一步操作会在屏幕上显示相应的结果, 这种方法既方便又能使学生彻底理解圆图的基本特点, 巩固所学的概念。
(二) 计算式辅助设计和《微波技术与天线》课程教学整合模式
在微波技术与天线课程教学中, 涉及数学知识较多、公式冗长、计算烦琐, 而且经常还要用到多种特殊函数, 因此常常借助于计算机, 这样不仅可以省时、省力, 而且比较直观、形象, 如C、C++、Fortran、Pascal和Basic都成为微波技术与天线中计算机辅助分析、辅助设计、辅助计算的工具, 还有一些专用的程序和工具如Matlab, ADS-Advanced Design System, IE3D等软件在微波技术与天线中起到手工无法代替的作用。在天线优化设计中, 由于天线的一些参数如天线增益与工作带宽, 主瓣宽度与旁瓣电平往往是相互矛盾的, 用计算机很容易解决这一问题。另外, 我们在研究传输线理论时, 常用SMITH圆图理论, 传统做法是手工作图法进行传输线上的阻抗与反射系数的换算以及进行阻抗匹配, 现在, 传输线问题也可以借助计算机进行辅助计算, 采用计算机求解, 能做到准确、快捷;并且还可以在显示器上显示圆图的动态求解过程, 比较形象、直观。借助计算机辅助设计将课程中较复杂, 难以理解的形象、直观化, 有利于提高教质量。
二、教学内容设计和教学方法、手段的改进
以应用为主线和重点进行教学内容的设计。《微波技术与天线》课程是一门理论性较强的课程, 无论从教的角度讲, 还是从学的角度听, 都感到非常枯燥。以应用为主线和重点进行教学内容的设计, 就是努力改变理论教学的枯燥性, 使其向实践的生动性贴近, 增强学生学习的针对性, 极大地调动学生的兴趣和积极性。首先, 课前准备内容的精心设计, 通常意义上的课前准备是指在开课前, 教师和教研室应当进行诸如:教学实施方案制定、教案准备、集体备课、教具和课件准备、课前试讲和练讲、学生情况了解等一系列的活动。实际上, 教学是一个双向行为, 必须双方互动, 学生也应当进行相应的课前准备。如开课前, 可以将“微波和天线及其应用”这样一个课题布置给学生, 让学生在学习这门课之前, 就利用业余时间, 广泛查阅资料, 认真考虑、思考这一课题。一方面可以增强学习的目的性和针对性, 另一方面可以扩展知识面, 培养学员的信息搜集和处理能力。需要注意的是, 由于学生此时还不了解课程内容, 必须由教师引导, 因此教师除了进行通常意义上的课前准备外, 还需要精心设计学生的课前准备内容。其次、引言内容的精心设计, 一个好的引言能激发学生求知的欲望, 提高学习积极性。通过灵活多变的方式, 突出以应用为重点的引言设计, 是课堂导入的有效途径。
对课堂教学内容中的重点和难点进行妥善处理, 教学内容中的重点和难点是教学内容的精髓, 如果处理不当会使学生思维受阻, 注意力分散, 时间一长就会产生越来越多的疑问, 造成学习障碍, 从而对学习失去兴趣和信心。因而一定要加强对教材内容体系的把握、加深对教材内容的理解, 综合采取多种教学方法, 妥善处理重点和难点。
实践性教学是巩固学生所学理论知识、提高学生分析和解决实际问题能力、培养学生创新能力的重要环节, 因而必须积极采取多样化的实践教学形式, 巩固学生理论学习的效果。
一是坚持习题课教学。习题课是一种最传统、最方便、最易行的实践性教学形式。坚持讲练结合, 合理安排习题课的实施时机和时间, 精心设计好每一次习题课内容和形式, 将会使学员在习题课上获得较好的实践与锻炼机会。
二是加强实验课教学。由于该课程理论性很强, 因此实验课是一个至关重要的实践环节。如进行驻波测量、波导波长的测量、衰减的测量、波导测量线的调整等内容的实验课教学, 学生通过观察形象、生动的现象, 透过现象找本质, 寻找本质的理论基础, 解决实验课中意外发生的实际问题, 不仅增加了感性认识, 加深了对内容的理解和掌握, 而且激发了解决问题的兴趣和热情。
三是增设工程实践环节。教学中发现, 由于该课程理论性强, 学生常对理论的应用性质疑, 遇到实际问题时又无从下手。例如, 给出一个实际的雷达信号测量的工程问题, 由学生查阅资料, 设计测量和调理电路, 使电路满足给定的要求。实践证明, 通过增设工程实践环节, 可进一步强化学生对理论知识的理解, 锻炼应用能力, 有效提高学员综合分析问题和解决实际问题的能力。
四是开展案例教学。案例教学是以案例为教学内容, 通过教师对案例材料的介绍、引导、提示, 学生自主阅读和分析案例思考题, 找出涉及的问题, 归纳总结经验教训, 提出自己解决问题的方案和措施, 从而加深学生对理论知识的理解和提高学员分析和解决实际问题的能力的一种实践性教学活动。案例教学是“从实践中来, 在实践中练, 到实践中干”。需要注意的是, 在进行案例教学时, 要力求案例内容的真实性和新颖性、要突出学生的主体地位、要强调以理务实、要注重与理论的学习和教授相结合。
总之, 合理利用多媒体和计算机辅助教学、精心设计上课内容和加强实践教学会使本枯燥无味的课堂变得生动起来, 加强了教师与学生的互动性, 提高了学生的学习积极性和热情。
参考文献
[1]、刘学观, 郭辉萍.微波技术与天线[M].西安电子科技大学出版社, 2006.
[2]、顾洪军, 郭颖, 薛顶柱.基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性的仿真分析[J].长春工业大学学报 (自然科学版) , 2009 (5) .
关键词：微波技术,天线,教学,仿真,HFSS
TE10模的截止波长λc TE10=2a, 相邻高次模TE20模的截止波长λc TE10=a, 因此TE10模单模工作的波长范围是
各场分量的表达式为
式中, Ex, Ey, Ez为电场分量, Hx, Hy, Hz为磁场分量, ω为信号角频率, β为相移常数, μ为填充介质磁导率, 而波导波长
以上这些公式抽象而复杂, 不便于学生的理解。下面以BJ-32波导为例, 通过HFSS仿真研究其场结构和传播特性。波导宽边a=72.14 mm, 窄边b=34.04 mm, 长度l=288.56 mm, 两端设为波端口, 建立仿真模型。
根据 ( 1 ) 式, 该波导中T E1 0模单模传输的波长范围是72.14 mm<λ<144.28 mm, 频率范围是2.08GHz<f<4.16GHz。对两端口间各模式的传输系数的仿真结果如图2所示, 可以看出TE10单模传输的频率范围2.09 GHz<f<4.24 GHz, 利用这一结果, 学生可以更好地理解波导中各模式的传导条件以及波导的传输特性。
注:实线为TE10模;短划线为TE20模;长划线为TE01模
图3为波导中电场和磁场的分布图, 可以看出电场只有y轴上的分量, 且波导中心达到最大值, 两侧达到最小值;磁场有z轴和x轴上两个分量, z轴分量在两侧达到正负最大值, x轴分量在中心达到最大值, 场结构分布规律与式 (2) 相一致;而且还可以从图中测量两个波峰间的距离为174.04 mm, 与式 (3) 的波导波长的计算结果一致。这些仿真结果将复杂的公式形象化, 直观地向学生展示了波导中的场结构, 有利于学生对波导内电磁波传播特性的理解和掌握。
2 电基本振子辐射
电基本振子是指一段高频电流直导线, 其长度l远小于波长λ, 其半径a远小于l, 同时振子沿线的电流处处等幅同相。任意线天线均可视为由电基本振子组合而成, 因而对电基本振子辐射特性的分析是重要的天线理论基础。[4]
设电基本振子沿z轴放置, 建立球面坐标系, 其远区场的场分布为
式中, Eθ, Eφ, Ez为电场分量, Hθ, Hφ, Hr为磁场分量, k为电磁波的波数, λ为电磁波的波长, 电基本振子的E面和H面方向函数分布为
利用HFSS建立的电基本振子的仿真模型如图4所示, 信号频率1 GHz, 振子长度30 mm, 设置电流激励, 幅值1A。仿真可以得到天线的E面和H面方向图如图5所示。
这些仿真结果与公式 (4) (5) 相一致, 帮助学生迅速地建立起天线方向性的这一抽象概念, 并且了解电基本振子辐射的方向性。从图中可以看出, 天线的辐射在θ=90°的H面上具有全向辐射特性, 而在φ=90°的E面上具有定向辐射特性, 辐射零点出现在±z轴方向。
3 二元阵与方向图乘积定理
为了加强天线的定向辐射能力, 可以将结构相同的单元天线按照一定方式组成天线阵列, 最简单的天线阵是二元阵。设某二元阵的两个单元天线以间隔d沿y轴放置构成, 天线2相对于天线1的电流关系为
表示天线2的电流振幅是天线1的m倍, 而相角超前ξ角度, 那么两个天线的合成场
式中, E1 (θ, φ) 表示单元天线的辐射场, 而ψ=ξ+kdcosδ表示天线2的辐射场在 (θ, φ) 方向上相对于天线1的相位差, δ为电波射线与天线阵轴线 (y轴) 的夹角。天线阵的合成方向函数为
式中
第一项f1 (θ, φ) 是单元天线的方向函数, 称为元因子;第二项fa (θ, φ) 称为阵因子, 它取决于两天线的电流比及相对位置。这样二元阵的方向函数等于单元天线的方向函数与阵因子的乘积, 这就是方向图乘积定理。
以两个1 GHz电基本振子作为单元天线, 相距0.25λ构成二元阵, 激励电流Im2=Im1ej0.5π, 根据 (9) 式, 天线阵阵因子
天线阵的归一化方向函数
HFSS可以在单元天线基础上自定义天线阵列, 本例以电基本振子作为单元天线, 阵列定义文件如表1所示, 将其导入HFSS后得到二元阵的方向图如图6所示, 从图中可以看出由于电基本振子的E面波瓣宽度小于H面波瓣宽度, 乘以相同的阵因子后, 二元阵的E面方向性仍强于H面。
通过这些仿真结果有助于学生理解天线阵的基本原理和方向图乘积定理的意义。通过控制激励电流的相位就可以改变天线阵的方向性, 这是相控阵的基本原理。另外学生还可以结合教学内容, 按照表1的文件格式, 对边射阵、端射阵等其他天线阵列写出定义文件, 进行仿真分析。
4 结束语
各类仿真软件能够进行快速电磁计算, 并对结果进行可视化输出, 目前已广泛地用于各类天线与微波电路设计实践之中。本文利用Ansoft HFSS实现微波技术与天线教学中一些基础知识的可视化教学, 以仿真实验形式验证相关理论, 加深学生对电磁波传播特性的认识, 激发学生学习兴趣, 并为后期的生产实习和毕业设计做准备。
参考文献
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1 顶部加载单极天线分析
在一般天线的小型化技术中,加载是一种应用广泛且行之有效的方法。其中,在短振子顶部或末端加一金属小球、圆片或辐射状叶片来进行顶部加载,可以改变天线的电流分布,从而降低天线的谐振频率,实现小型化的目的,是一种简单实用的方法。金属球或片对地存在分布电容,使得天线顶部不是电流波节点,从而提高了短振子的辐射能力[7]。
设顶负载的静电容为C0,它可以等效为长h′的一线段,即
式中,ρA是天线的特性阻抗;β是天线上电流波的相移常数。设天线上电流近似地按正弦分布,即
式中,h0=h+h′,h为天线的实际高度;z为天线上一点与馈电点之间的距离。于是归于输入电流I0的有效高度为
对于电小天线,式(3)可简化为
由于h/h0<1,因而hc>0.5 h,即相比末端加顶的短振子,其有效高度更大。这是因为天线顶端不再开路,电流波腹点上移,电流沿线分布较均匀。
2 顶部加载单极天线的仿真分析
顶部加载常见的形式是在天线顶端加载金属圆盘,但短波波长为10～100 m,即使对天线进行了小型化处理,天线长度一般仍会在m量级,这就造成了加载金属圆盘过重,天线主辐射段不能承受重量,可能会导致使用中的不良后果等问题。因此考虑用交叉的金属棒代替圆盘实现天线的顶部加载。
选定一长度为1 000 cm、直径为10 cm的单极天线,分别研究顶线个数、张角、长度、直径对天线性能的影响。
2.1 顶线个数对天线性能的影响
顶线长度为200 cm,直径为10 cm,顶线水平放置。改变加顶的个数,分别为0、2、4个,天线的仿真结构如图2所示。
天线的反射系数的仿真结果如图3所示。
从图3可知,顶部不加载的天线第一谐振频率为7.9 MHz,谐振处反射系数为-12.23 dB;加载两个顶线的天线第一谐振频率为6 MHz,与不加载顶线时相比下降了1.9 MHz,谐振处反射系数为-10.5 dB;顶部加载4个顶线的天线第一谐振频率为5.5 MHz,与加载两个顶线时相比下降了0.5 MHz,谐振处反射系数为-9.8 dB。综上所述,在其他条件不变的情况下,顶线的个数越多,天线的谐振频率越低,同时,反射系数也会小幅度地变大。
对于短波波段3～30 MHz,天线高度不变的条件下,谐振频率降低1 MHz就意味着天线有效高度相当于提高几cm甚至几十cm;在短波的低频端,甚至相当于提高了几m。顶部加载增大了天线的有效电长度,从而提高了天线的辐射电阻和效率。
2.2 顶线张角对天线性能的影响
顶线个数为4个,长度为200 cm,直径为10 cm,只改变顶线的张角,分别为0°、30°、60°,天线的仿真结构如图4所示。
天线的反射系数的仿真结果如图5所示。
从图5可知,顶线张角为60°的天线第一谐振频率为6.4 MHz,谐振处反射系数为-13.8 dB;顶线张角为30°的天线第一谐振频率为5.9 MHz,与顶线张角为60°时相比下降了0.5 MHz,谐振处反射系数为-9.9 dB;顶线水平时天线第一谐振频率为5.5 MHz,与顶部张角为30°时相比下降了0.4 MHz,谐振处反射系数为-9.8 dB。综合可知,其他条件不变的情况下,顶线的张角越小,天线的谐振频率越低,同时,其反射系数增加幅度较大。
2.3 顶线长度对天线性能的影响
顶线个数为4个,直径为10 cm,水平放置,只改变顶线的长度,分别设为100 cm、200 cm和400 cm。此时天线的反射系数如图6所示。
如图6所示,顶线为100 cm时,天线第一谐振频率为6.5 MHz,反射系数为-10.7 dB;顶线为200 cm时天线第一谐振频率为5.5 MHz,与顶线为100 cm时相比下降了1 MHz,反射系数为-9.8 dB;顶线为400 cm时,天线第一谐振频率为4.5 MHz,相比顶线为200 cm时谐振频率下降了0.9 MHz,反射系数为-8.5 dB。因此,在其他情况不变的条件下,顶线越长,天线的谐振频率越低,其有效长度越大。但顶线不宜过长,一方面因为顶线越长,反射系数越高,另一方面因为不仅大幅增加了天线的横向尺寸,使天线移动不方便,而且增加了天线顶部的质量,使天线不稳定,从而影响天线的性能。
2.4 顶线直径对天线性能的影响
选定加顶的分支为4个,分支长度为200 cm,只改变顶线的直径,分别为2 cm,6 cm,10cm。此时天线的反射系数如图7所示。从图7可以看出,顶线直径为2 cm时天线第一谐振频率为6 MHz,,反射系数为-10.2 dB,顶线直径在6 cm和10 cm变化时,两条曲线在低频段基本重叠在一起,天线的谐振频率均为5.5 MHz左右,相比顶线直径为2 cm时谐振频率下降了0.5 MHz,反射系数约在-9.8 dB,所以顶线直径的影响程度在低频段表现不明显。
3 结束语
短波通信在现代通信中发挥着重要的作用。为实现天线小型化,采用顶部加载单极天线作为研究和仿真的对象。通过改变顶线的个数、张角、长度和直径等参数,分析了各参数变化对天线性能的影响。结果表明,从而顶部加载可以有效降低天线的谐振频率,实现天线的小型化。
摘要：短波天线的尺寸是其应用的主要障碍。论文分析了顶部加载对天线性能的影响,选取顶部加载单极天线作为研究和仿真的对象。通过改变顶线个数、张角、长度以及直径等参数值,仿真分析各参数变化对天线性能的影响。结果表明,顶部加载可以有效降低天线的谐振频率,实现天线的小型化。
关键词：单极天线,顶部加载,天线小型化
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随着移动通信的飞速发展 ,手机越来越趋向小型化、多功能、高性能 ,而且要美观耐用。这对手机天线的设计提出了更高的要求,其未来的发展趋势必将是小型化、内置化、多频段和智能化。微带天线作为一种新型天线,具有重量轻,体积小,剖面低,制造简单,能与载体共形等特点[1],因而在内置手机天线的研究设计上引起了更多的重视。近年来,颇受关注的是一种平面倒置F型微带天线。线性倒F天线是一种小尺寸天线,当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想(辐射电阻小),为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载的技术,把线形振子水平部分用平面代替,形成了平面到F天线,即PIFA(Planar Inverted-F Antenna)。参考文献[2]通过在辐射贴片上开了一个L形隙缝,实现了双频工作,分别谐振在WCDMA和ISM频段,相对带宽分别达到14.1%,4.92%,增益分别达到了4.62dBi和4.89dBi;参考文献[3]设计了一种双频WLAN微带缝隙天线,采用T形微带缝隙结构达到宽带双频工作,其频率覆盖WLAN系统的2.4-2.484GHz和5.15-5.35GHz,进一步扩展了带宽,分别达到了27%,12.3%;参考文献[4]在辐射贴片上开了2个U型槽的方法,可在GSM900MHz,DCS1800MHz和ISM2450MHz三个频段工作,带宽分别达到了6.4%,6.1%和2.5%,天线的增益及带宽均满足现代移动通信系统的工作要求,但是高频段2450MHz的带宽较窄。
基于对微带天线的研究,本文提出了一种新型的平面倒F型天线。它的结构特点是:天线辐射片上开了一个h型槽和一个矩形槽,用一个短路壁来调节阻抗匹配,采用同轴馈电。通过调节槽的位置和大小、馈电点的位置。在GSM900MHz,DCS1800MHz和ISM2450MHz 三个频段的增益分别达到了0.1dBi,0.25dBi和0.4dBi,带宽分别达到了6.44%,6.67%和4.5%,实现了三频工作。
2 PIFA天线及多频段技术
PIFA天线的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体,并以一个较大的地平面作为反射面,辐射体上有馈电点和接地点。
PIFA天线的近似谐振频率为[5,6]
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式中c为光速;L为辐射贴片的长边;W为辐射贴片的短边。
式(1)是根据PIFA天线作为一个半波长环形缝隙天线这一假定而得出的求解谐振频率的近似公式。另外,辐射体和接地面之间的高度对天线的带宽有着非常关键的影响。
PIFA天线实现多频段的目前的方法为:
①采用多馈点,但调谐频率和调谐范围受到一定的限制,通常不采用;
②在辐射体上采用开槽技术,实际应用中的多频段技术多采用开槽的方式实现。PIFA采用"开槽"设计,是将贴片天线和缝隙天线的优势加以综合利用,贴片天线容易设计、加工,可以双频工作。
在辐射体上开槽,形成缝隙天线可产生单向或双向方向图,且对制造公差的敏感性比贴片天线小。所利用的原理就是天线在所有谐振点上是以不同的模式工作的,即低次模和高次模,二者的频差很大,不满足指定频段的要求。限于手机中对天线体积、重量和制造工艺的要求,在贴片上"开槽",通过人工额外加载缝隙的办法,较小限度地改变天线结构,而较大限度地改变贴片表面的电流分布,从而实现增加频段、扩展频带的目的。只要仔细调整开槽的位置,槽的尺寸以及开槽缝隙的宽度,同时在合适的位置加载短路壁,就有可能使高次模的谐振频率降低到需要的频段,同时又不影响低次模在低频段上的应用。因此,近年来在多频天线的设计中,经常采取这一方法[4]。
3 三频段PIFA天线的设计
3.1 天线模型尺寸
本文以矩形贴片天线为载体进行研究,采用在辐射体上开槽技术,基于时域有限差分法进行设计、仿真和优化,得如图所示天线模型。其天线底层介质高度为1.65mm,介电常数为4.6,上层介质采用空气层,总高度为10mm,接地板大小为89mm*50mm(PCB板的尺寸),贴片大小为61.5mm*19.2mm。具体贴片尺寸如图 1所示。图中主体为开h形槽孔,W3和L3槽孔为调整低端频率,改善阻抗特性。
经反复优化、修改,最终得到槽孔尺寸数值如下(单位:mm):L1=56.6mm,L2=4mm,L3=3.75mm,L4=15.6mm,L5=6.5mm,W1=17mm,W2=11.5mm,W3=7.2mm,W4=3.5mm,W5=2mm。
3.2 天线调谐
谐振频率调节采用的步骤为:①调节缝隙的长度和宽度。首先确定低频段的谐振频率点,原则是缝隙不能弯折,避免切割电流路径太多而影响带宽和效率,然后调节高频段的缝隙和长度;②馈电点和短路壁起着变换天线阻抗的作用,即它们的感抗与辐射体和接地面形成的容抗之间构成谐振回路,它们越长则变化的效果越明显(实际中表现为天线高度的变化)。当改变它们的粗细时(横截面尺寸)也会改变天线的阻抗[7]。调节天线的匹配时,通过改变馈电点和短路壁的位置、长度与横截面尺寸来实现。本文设计的短路壁位置如图 2 所示,其中W6=16.25mm,W7=3mm,W8=5.5mm。
3.3 参数影响分析
改变槽孔尺寸,即微调了电流路径,从而改变了阻抗特性,影响谐振频率,各参数变化对三个频率点(f1=0.9GHz,f2=1.8GHz,f3=2.45GHz)的影响如表 1所示。
可见,影响低频段900MHz的谐振频率的主要因素有W,L,L1,L3等几项;影响1800MHz的谐振频率的主要因素有L1,L2,L3,L4,W1,W2,W5,影响高频段2450MHz的谐振频率的主要因素有L1,L2,L3,W4。
由于PIFA属于小型天线,设计上的一点误差对小天线尤其严重,而且各个参数互相制约,互相影响,因此有必要对上述的几个主要参数进行细微调节,综合比较,才能优化出合适的天线尺寸,得到理想的性能指标。
3.4 天线的仿真分析
本文应用时域有限差分法,在数值计算空间构建天线模型,分为四层:第一层为辐射贴片(金属层),即辐射单元;第二层为空气层;第三层为介质层;第四层为接地导体层。为在计算机的数字空间中模拟电磁波的传播及与物体的作用,得到包括时间变量的 Maxwell 方程的四维准确数值解,再通过傅里叶变换求得三维空间的频域解,采取了以下措施:①构建非时变、线性、各向同性媒质填充的无源区域;②当在计算机的有限存储空间对电磁波的传播进行模拟时,考虑了数值色散问题;③为保证细微结构区域的分辨率,又能节省计算内存和时间,在细微结构区域使用细网格尺寸,在其他区域应用粗网格尺寸;④设置理想匹配层边界,弥补由于计算机内存有限、对计算区域进行截断的缺欠,以模拟电磁波无反射地通过截断边界,按Maxwell 方程描述的规律,向无限远处传播。⑤在天线辐射边沿构置测量盒子,由测量值可得辐射的相对大小和相位,再构建远区辐射场的测量盒子,从而获得远区辐射情况。⑥设置数值计算时间和衰减量。
在此基础上,在层编辑器中设定所需要的介质材料、优先级、颜色、介电常数等参数,开始对天线进行仿真。
3.4.1 回波损耗
在利用天线来做电磁能量的发送和接收的过程中不可避免地会产生能量的损失,在仿真空间运行仿真程序,得图3所示平面倒F型天线的回波损耗曲线图,由于辐射板上开了一个h型槽和一个小矩形槽,得到了3个频率谐振点,分别为0.883GHz(阻抗带宽为0.805-0.938G),1.80GHz(阻抗带宽为1.75-1.87G)和2.44GHz(阻抗带宽为2.37-2.48G)。这三个频率段涵盖了GSM/DCS/ISM的工作频段。仿真结果满足目前GSM移动终端所需的3频段的工作频率。
3.4.2 辐射方向图
图 4～6是按照上述辐射贴片仿真所得的在3个谐振点处的E面和H面的辐射方向图。可以清楚地看出,天线在900MHz频段的最大增益达到了0.1dBi,1800MHz频段的最大增益达到了0.25dBi,2450MHz频段的最大增益达到了0.4dBi,三个频率点方向性较好。
4 结束语
本文根据PIFA天线的基本原理,提出了一种结构紧凑、造型简单的平面倒F型微带天线,通过设计,对天线建模仿真、不断调试、优化之后,得到的天线可使频率覆盖GSM900MHz、DCS1800MHz和ISM2450MHz 3个频段,天线的增益及带宽均满足现代移动通信系统的工作要求。研究了所开槽孔参数的变化对天线谐振频率的影响,为三频PIFA天线的设计提供了一种新思路。
摘要：本文提出一种新型平面倒置F型三频手机天线(PIFA)。天线采取单馈点同轴馈电,上层辐射片开h形槽孔,应用时域有限差分法对天线进行设计和仿真,在GSM900MHz,DCS1800MHz和ISM2450MHz 3个频段的增益分别达到了0.1dBi,0.25dBi和0.4dBi,带宽分别达到了6.44%,6.67%和4.5%,表明该天线可在三个频段工作,满足了新一代无线通信系统对频段、带宽和增益的要求。
关键词：平面倒F型天线,三频h型天线,GSM900MHz/DCS1800MHz/ISM2450MHz
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