基于矩量法的微带天线优化设计

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1、第一章引言1．1研究背景在过去几十年中，无线通信技术、雷达技术得到了很大的发展，并且现在每天都在进行着变革。这种变革使得我们的生活和通信越来越便利，成本越来越低。在我们的生活中可以感受到各种无线通信系统和雷达系统，例如无线局域网系统、探地雷达系统等。这些技术的发展使得微带天线的应用越来越广泛。微带天线是上世纪七十年代初期研制成功的一种天线形式。它是在介质基片上用金属沉积矩形、圆形、或其他几何形状的辐射元，背面贴以金属薄层作接地板所构成，有微带线和同轴线还有耦合馈电三种馈电形式。微带天线在结构上的特点是体积小、重量轻、低剖面，从而便于共形【l】，制造简单，在电

2、气上的特点是能得到单方向的宽波瓣方向图，易于和微带电路集成，易于实现线极化或圆极化【21。但是一般微带天线却有以下两个特点，导致在许多场合使用起来很不方便。1、具有很强的谐振特性，这导致微带天线的带宽很窄。2、由于微带天线的是一种分层结构，很容易激励起表面波。表面波的存在会使微带天线的增益降低，而且如果把微带天线用在天线阵列中，互耦会非常严重。天线之间的互耦对天线阵有很多不好的影响，比如天线的极化特性会变坏、阵元的输入阻抗随扫描角变化等。针对微带天线的以上两个缺点，可以采用遗传算法优化微带天线的带宽。由于不同的贴片形状可能会有不同的带宽，贴片形状可以通过遗传

3、算法改变，以达到一定的带宽要求。对于微带天线中的表面波，可以采用电磁带隙结构。电磁带隙结构具有周期特性，这种周期特性使得它具有一定的带隙，在带隙范围中的电磁波将不能传播，从而对表面波具有一定的抑制作用。1．2微带天线分析方法概述微带天线的理论分析方法比较传统的有传输线模型法、空腔模型理论，近年来随着计算机领域突飞猛进的发展，一些数值方法如矩量法、时域有限差分方法、有限元法等也在微带天线中得到了广泛的应用。电子科技大学硕士学位论文1．2．1传输线模型法作为经典的天线分析理论，传输线模型法是将微带天线作为一终端开路的微带传输线，传输准TEM波。当介质厚度相对于波

4、长很小时，可以假定介质基片中的电场沿厚度方向没有变化。再假定电场沿辐射元的宽边也没有变化。由此传输线的两开口端等效为两个辐射缝，缝长为辐射元宽度，缝宽为介质厚度，缝口径场即为传输线开口端场强，如图1．1所示。缝图l-l传输线模型按照传输线法建立的等效电路如图1-2所示，Gl+尼和G2+皿分别为两端缝隙的辐射导纳，go为微带片特性导纳。(a)为微带线馈电方式，在等效电路中馈源设在左端；(b)为探针馈电方式，距离左端边沿为x。，在等效电路中把源设在距离左端x。处，探针本身要引入感抗，用‘表示。传输线模型对辐射机理的说明比较明确，但是只能用于矩形单元的微带天线和微

5、带振子天线，并且，由于传输线模型是一维的，天线输入阻抗的计算精度并不高。卜———_L+—————-{卜——一L+——1”、墨JIGl+以I1(a)传输线馈电q+妈卜％．

6、(b)探针馈电图l-2微带天线等效电路模型2q+屈第一章引言1．2．2空腔模型法空腔模型理论是罗远祉在1979年提出，这种方法将微带天线看成上下为电壁，四周为磁壁的谐振腔【3】’如图1．3所示，由于该理论是基于薄介质，即h<<九的假设，故只能用于计算厚度不超过介质波长的百分之几的微带天线的特性。介馈电点图l-3空腔模型同传输线模型一样，空腔模型也只能适用于一些比较规整的微带贴片天线，并且两者

7、都是基于h<<九的假设，故对分析微带天线没有通用性。1．2．3数值方法对于计算微带天线的数值方法，比较常用的有矩量法、有限元方法、时域有限差分法等。由于本文采用矩量法分析微带天线，所以着重介绍一下矩量法。对于矩量法在微带天线中的应用，目前采用较多的是把微带结构看成是无限大的分层结构。从而积分方程采用这种分层结构的格林函数，这种分层结构的格林函数一般采用散射叠加法或者传输线法推出其谱域形式，再通过Fourier变换转化为空域的格林函数，由此导出的空域格林函数都是由Sommerfeld积分来表示。而其计算却很耗时间，通常采用离散复镜像技术【4】，计算方法是利用S

8、ommerfeld恒等式将被积函数分式进行指数逼近，将格林函数分成准静态项、表面波项和漏波项，而对漏波项的积分采用Prony法进行指数逼近，从而得到格林函数的闭合形式的解【5】，采用此方法能大大节省计算时间。由于此方法把介质、地板等背景都放在格林函数中，从而计算量只用放在贴片上。还有一种方法也是基于无限大介质模型。与上面处理不同的是对格林函数的电子科技大学硕士学位论文处理上，这种方法计算阻抗矩阵元素是在谱域中进行，不需要把格林函数转换成空域的形式，而需对基函数做傅立叶变换。其计算精度依赖于阻抗矩阵计算的精度【6】o随着矩量法算法本身的愈来愈成熟(快速多极子方

9、法、自适应积分方法等)，以及金属．介质混合结构在实际