Ku波段微帶貼片天線設計與實現

喬貫宇 山西工程技術學院

微帶天線自身具備比較輕、耗費比較少、體積也比較小、平面結構、能夠與集成電路一起使用，且易于制成共形天線等優勢，在無線通信自身的技術之中，包含藍牙、手機、無線局域網等終端小型的衛星通訊設施；多普勒及其他制式雷達；無線電測高計；指揮以及管控系統情況；無線電的引信；環境檢測儀表以及遙感；復雜天線中的饋電單元；GPS衛星導航的接收機設施；生物醫學輻射器等領域得到了廣泛的研究和應用。

1 微帶天線的分析理論

與其他天線相同的是，微帶天線開展工程設計的時候，要對天線自身的性能特點（例如方向圖、效率、輸入阻抗、方向性特電、輸入阻抗提前預算，這會極大的提升天線研發的質量水平以及收益，減少研發的成本費用。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原理主要可以分成三大類：傳輸線模型的基本理論知識，腔模理論，全波理論。從理論層面說，積分方程法能夠用在對各種結構，隨意厚度微帶天線的答案解答?？芍?，作為數值解法很明顯要受到計算模型的精準度以及時間的約束。

1.1 傳輸線理論

微帶線包含有介質還有地板、金屬微帶線以及這個基片的上方的空氣介質形成的。在空間方面屬于比較開放性的構造，電磁場能夠分布到各個空間范圍之中。因為空氣介質是在不同界面都有的，微帶里面的傳輸模式具備電場以及磁場以及三個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的時候，能量大部分都集中在導體帶之下的介質基片里面，這個時候傳播的就是確定好的TEM模。

針對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。能夠將輻射元，介質基片以及接地板看作是一段半波長的傳輸射線。輻射大部分認定是包含矩形貼片傳播方向方面的兩個開路邊緣場產生的。因為輻射元的長度大概是半波的長度，兩開路端邊緣場的垂直分量方向是不同的，然而水平分量的方向是一致的。針對遠場區來講，兩邊開路的同方向的輻射場就好比是大平面中彼此鼓勵的兩個槽。

1.2 腔模理論

腔模理論產生于1979年的時候，是Y.T.LO等人提出來的比較典型的研究方法。這個理論知識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。天線輻射場包含空腔四面的等能效磁流構成的。天線輸入阻止能夠結合空腔內部以及周邊環境獲得?？涨焕碚撌菍鬏斁€的不斷發展與擴展，它可以運用在范圍更加大的微帶天線里面，而且因為弄了高次模，計算阻抗的曲線的校準，并且計算的工作量并不是特別的多，比較符合工程設計的基本需求。因為使用微帶天線的目的就是降低剖面高度，因此在大多數情況下這不成問題。但對于近來采用厚介質基板提高寬帶天線設計就不適用。

1.3 全波理論

全波理論也被叫做積分方程法。一般要先算出專門的邊界條件之下單位點源所形成的場，也就是格林函數。之后結合疊加原理，將其乘以源進行分布以后，在源所處的地區開展積分而獲得的總場。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由積分算式算出總場情況。

積分方程的方法是在開放的空間之中的格林函數來當成是基準，它的基本方程是十分系統的。但是因為嚴苛的格林函數要在頻譜里面開展下去，求算積分方程具備比較高的難度，并且工作量也比較大。針對主要的問題，積分方程法發展起來了一種比較簡單的處置辦法。并不是通過求解積分方程獲得場源的分布，而是建立在最初的知識來假設場源的分布設計，比如借助空腔模型或者是傳輸線模型的已經具備的結果來得出等效磁流分布伙食貼片電流的設計，之后將格林函數和源分布進行乘法計算，在源所在區域積分而得出總場。這種方法的優點是省卻了積分方程的求解，而又獲得了較嚴格的計入微帶基片效應的結果，但其應用受到磁場源分布的先驗假設條件限制。

2 微帶天線的數值分析方法

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

2.1 矩量法

矩量法是現在微帶天線研究中使用最寬泛的辦法。矩量法所處置的問題能夠概括為解線性非齊次的方程，可統一的寫為：Lf=g；其中L為線性算子，g為已知函數，f為待求解函數。在微帶天線使用矩量法進行數據分析的時候，存在空間域以及譜域矩量法兩個相對的理論。也就是在我們在使用矩量法算答案的時候，選擇合適的方法。在待定的問題里面，矩量法的重點就是選擇權函數以及基函數。

2.2 有限元法

有限元法就是創建在變分發發的條件下進行的，它將所有求解地區氛圍很多個單元，在每一個單元中要求一個基本的函數。這種基函數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替換所有解析函數。針對三維的問題，單元能夠選取當成是四面體、六面體等，每一個單元的形狀都能夠看做是主要情況來確定。有限元法最關鍵的優勢就是它不受物理模型形狀的約束，這從基函數以及具體單元的選擇就能夠清楚了。Ansoft HFSS軟件就是Ansoft這個公司研發的軟件。

3 幾種不同形狀微帶貼片天線

微帶貼片天線包含有介質基片，并且基片的一個面上面包含有隨意形狀的導電貼片以及基片在另外一個面上面的地板組成的。實際上，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計參數。

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模事實上就是沒有太大的作用。然而在TMmn模里面僅僅是TM11模處在和天線平面方向成90度方向的時候輻射是最高的，并且別的模需要在這個方向的輻射是0。因為比較多見的就是工作在主要模里面的圓形微帶天線，所以如下分析的設計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候，也就是比2Ghz高的時候，還和基板的厚度有著一定的關系。因為基板的厚度影響的等效的半徑是：

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，用周圍是磁壁圍成的三角形腔體模型，可以求得場的解。最低階模的諧振頻率是

這個式子沒有考慮終端效應或邊緣效應，但誤差不是很大，在天線設計過程中可以先由上式計算出三角形的邊長a，再進行微調。

4 結論

采用HFSS電磁仿真原件進行貼片天線的設計，簡便易行，該軟件能夠快速的對天線進行仿真，便于對天線的參數分析。通過對不同形狀的貼片天線的設計，在不斷的實驗和仿真完成符合諧振頻率的微帶貼片天線。在這一過程中得出以下結論：

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

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

(3）在利用HFSS軟件對三角形圓形進行設計過程中，不能直接利用多邊形，而是需要先利用多邊形畫出需要的圖形，然后用直線進行連接，圍成需要的圖形。