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1、74设计与实现2008年12月（下）责任编辑：林菊 1 引言微带贴片天线是一种使用贴片作为辐射元的天线，具有剖面低、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化等优点，并且非常有利于集成，在天线应用中占有非常重要的地位，目前已在空间电子学、生物电子学和常规天线领域获得了广泛的应用。微带贴片天线分析的目的是预测天线的辐射特性及近场特性，天线分析可以与设计过程相结合，从而更简单高效地设计出所需天线。天线分析的基本问题是求解天线在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。本文首先简要地阐述了微带贴片天线的馈电方式，然后总结了当前微带贴片天线常用的分析方法，并用基于相关分析方法的仿
2、真软件对一种平面倒F天线作了仿真。2 微带贴片天线的馈电方式微带天线有多种馈电方式，有两种常用的基本方式：微带线馈电和同轴线馈电。下面主要介绍这两种馈电方式。2.1 微带线馈电微带馈电也称为侧面馈电，就是馈电网络与辐射元刻制公茂进 北京电铁通信信号勘测设计院有限公司【摘 要】文章首先简要介绍了微带贴片天线的馈电方式，然后给出了微带贴片天线的三种常用数值分析方法，并用基于上述分析方法的两种仿真软件对一种倒F天线进行了仿真，从仿真的S11参数和方向图可知，天线具有较好的性能，这两种仿真软件的结果是基本相同的。【关键词】微带贴片天线 馈电方式 天线分析 仿真软件在同一平面。用微带线馈电时，馈线与微带
3、贴片是共面的，因而可方便地光刻，制作简便。但这时馈线本身也会引起辐射，从而干扰天线方向图，降低增益。为此，一般要求微带线宽度W不能宽，W，这要求微带天线特性阻抗ZC要高些或基片厚度h减小，介电常数r增大。当处在高频情况时，还需考虑另一个参量即每单位波长的损耗。宽度为W厚度为h工作频率为f的微带线的特性阻抗和相位常数可表示为1：上式中馈线有效宽度和介质有效介电常数分别为：2.2 同轴线馈电同轴线馈电又称为低馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相接，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。用同轴线馈电的优点是：馈点可选在贴片内任何所需位置，便于匹配；同轴电缆置于接地板上方，避免了对天线辐射的收稿日
4、期：2008年10月27日微带贴片天线的分析方法752008年12月（下）责任编辑：林菊 设计与实现影响。缺点是结构不便于集成，制作麻烦。这种馈源的理论模型可表示为z向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环，其简化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。一种更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为传TEM波的激励源，而把圆柱探针的效应按边界条件来处理2。近年来出现了多种电磁耦合型馈电方式，其结构上的共同特点是贴近（无接触）馈电，可利用馈线本身，也可通过一个口径（缝隙）来形成馈线与天线间的电磁耦合，因此它们也可统称为贴近式馈电。这对于多层阵中的层间连接问题，是一种有效
5、的解决方法，并且大多能获得宽频带的驻波比特性。3 常用微带贴片天线的分析方法3.1 矩量法矩量法是目前微带贴片天线分析中应用最广泛的方法。矩量法所处理的问题可概况为解线性非齐次方程3,4,5。Lfg （1）矩量法对式（1）的求解过程如下。在f的定义域内将f展开为一组线性无关的已知函fn(X)数的组合：（2）将式（2）代入式（1）得到离散形式的算子方程：（3）在L的值域内取权函数集合m(x)，对适当定义的内积f,g，用每一个对m(x)和式两边取内积，表示成矩阵形式如下：lmman=gm （4）其中，f,g解矩阵方程式（4）可得an，代入式（2）即可得原问题的近似解。解的精度取决于基函数和权函数的
6、选取及展开式的项数。当n(x)=fn(x)时，该方法通常称为Calerkin方法。在一个特定的问题中，矩量法的关键是基函数和权函数的选取。基函数和权函数的选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函数。选择基函数时，应尽量应用有关未知函数的先验知识，使所选择的基函数尽可能接近未知量的真解，并且满足边界条件，这样方程的收敛较快，广义阻抗矩阵也易于出现良态情况。使用矩量法作为内核的商用软件主要有Zeland公司的IE3D，和安捷伦公司的ADS Momentum。图1是一种典型的倒 F天线6，我们用IE3D软件对它进行仿真。图1 典型的倒F天线天线的尺寸：接地板长L=46mm，宽W=5
7、0mm；矩形贴片l=36mm，w=40mm。短路片位于右边缘距离上边缘9.5mm，长a=5mm，宽b=6mm；矩形贴片和接地板距离h=6mm；馈点位于右边缘中心处，两贴片之间填充介质，介质r3.5。图2和图3、图4是用IE3D对其仿真的S11参数和方向图。图2 S11参数的仿真结果微带贴片天线的分析方法76设计与实现2008年12月（下）责任编辑：林菊 此在所建立的矩阵方程中，矩阵元素大多为零，即是稀疏矩阵。用联系清单稀疏矩阵程序计算该矩阵可以节省90%的计算机内存；而在用矩量法求解时，矩阵是满秩矩阵。有限元法最重要的优点是其不受讨论物理模型形状的限制，但是只能得到纯数字解，这是有限元法的主
8、要不足之处。使用有限元法作为内核的商用电磁软件主要有ANSOFT公司的Ensemble、HFSS。同样，用HFSS对图（a）天线进行仿真，图5和图6、图7是S11参数和方向图的仿真结果。图5 S11参数的仿真结果天线的辐射方向图为：图6 yoz平面辐射方向图图3 yoz平面辐射方向图图4 xoz平面辐射方向图3.2 有限元法有限元法7是建立在变分法基础上的。它把整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数，这些基函数在各自的单元内解析，在其他区域内为零，这样就可以用分片解析函数代替全域解析函数。对于二维问题，单元的划分可以取为三角形、矩形等，但三角形单元适应性最广；对于三维问题，单
9、元可取作四面体、六面体。每个单元的形状可视具体问题灵活规定。通过规定每个单元中合适的基函数，可以在每个顶点得到一个基函数。分片解析函数通过这些单元间的公共顶点连续起来，拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价可化为代数方程求解。由于基函数的定义域限于本单元，在其余区域为零，因微带贴片天线的分析方法772008年12月（下）责任编辑：林菊 设计与实现图7 xoz平面辐射方向图3.3 时域有限差分法时域有限差分法8,9简称FDTD（Finite-Difference Time-Domain Method）方法，是由Yee在1966年首先提出来的10。它是一种时域、全波、一体化的分析方
10、法，先将MAXWELL方程在直角坐标系中展成六个标量场的分量方程，再将问题空间沿三个轴向分成很多网格单元长度作为空间变元，就可得出相应的时间变元。用有限差分式表示关于场分量对时间和空间变量的微分，即可得到FDTD基本方程，选取合适的场初值和计算空间的边界条件，可以得到包括时间变量的MAXWELL方程四维数值解，通过傅立叶变换可得到三维空间的谱域解。与矩量法相比，时域有限差分法更广泛适用于各种微带结构，以及分层、不均匀、有耗、色散等媒质的问题。而且时域有限差分法易于得到计算空间场的暂态分布情况，有助于深刻理解天线的瞬态辐射特性及其物理过程，利于改进天线的性能。此外，时域有限差分法选用适当的激励源
11、，通过一次时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性，避免了传统频域方法繁琐的逐点计算。使用FDTD作为内核的商用电磁仿真软件主要有Zeland公司的Fidelity。4 结束语本文总结了微带贴片天线的分析方法，分别用基于矩量参考文献1P BHARTIA,K V S RAO,R S TOMAR. Millimeter-Wave Microstrip and Printed Circuit AntennasM. 1991.2王保志. 微波技术与工程天线M.北京:人民邮电出版社,1991(8):152-153.3杨建军. PBG技术在微波电路中的应用研究D. 电子科技大学,2002.4清华大学. 微带电
12、路(第一版)M. 北京:人民邮电出版社,1976.5姜建. 金属导体上细天线的电磁特性研究D. 南京航空航天大学,2002.6朱晓维,何晓晓,刘进. 用于3G系统移动终端的平面倒F天线R. 东南大学毫米波国家重点实验室,2002.7刘宝宏. 微带天线的分析和宽频带设计D. 南京理工大学,2003.8刘元. 通用电磁仿真软件的设计及其在天线系统中的应用D. 电子科技大学,2001.9周斌. 用时域有限差分法分析柱面缝隙和贴片微带天线D. 南京航空航天大学,2002.10YEE K S. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell,Equations in Isotropic MediaJ. IEEE Trans on Antennas and Propagation,Vol A,1996:14. 【作者简介】公茂进：中国科学院研究生院通信与信息系统专业工学硕士，现任北京电铁通信信号勘测设计院有限公司，工程师，主要研究方向为移动通信、视频通信等。在核心期刊发表学术论文多篇。法的IE3D和基于有限元法的HFSS对所设计的一种平面倒F天线进行了仿真。仿真结果表明天线具有较好的性能，用这两种仿真软件所得的仿真结果基本相同。微带贴片天线的分析方法
