wcdma系统小型、宽带微带天线的设计与研制硕士学位论文(编辑修改稿)

wcdma系统小型、宽带微带天线的设计与研制硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

会议通过了 IMT20xx无线接口技术规范建议 ， 其中我国提出的 TDSCDMA技术写在了第三代无线接口规范建议的 IMT20xx CDMA TDD部分中。 IMT20xx无线接口技术规范建议的通过表明 TG8/1制定第三代移动通信系统无线接口技术规范方面的工作已经基本完成。 第三代移动通信系 统的开发和应用将进入实质阶段 ， 与此同时 IMT20xx许可证的发放工作也在世界各国如火如荼地开展起来 ， 在当前新划分的 IMT20xx频段中， WCDMA（ Wideband Code Division Multiple Access 宽带码分多址）是使用最广泛的 3G空中接口技术。 目前，全球CDMA20xx 1xEVDO用户在 5000万以上，各种技术的 3G蜂窝电话用户在 上。 WCDMA用户占所有 3G蜂窝电话用户的三分之二。 作为目前电磁问题的主要分析手段，电磁场数值计算方法为国内外广大工作者所研究，并且由 于这些数值方法研究的成熟，各种商业化计算软件工具不断涌现。 常见的仿真软件主要有基于矩量法的 IE3D，基于有限元法的 HFSS，基于有限积分法的 CST 等等，本文中用的是在仿真软件业内有着很好口碑的 Ansoft 公司的。 表 无线通信系统带宽要求 Required bandwidths for wireless munication system 应用频段 频段范围 相对带宽 GSM 890960MHz % DCS 17101880MHz % PCS 18501990MHz % UMTS 19202170MHz 13% Lband radar 14001700MHz 19% Satellite TV in Cband 37004200MHz % WCDMA 系统小型 、 宽带微带天线的设计与研制 3 微带天线的发展 状况 早在 1953 年 教授就已提出利用微带线的辐射来制成微带天线的概念，但是在随后的近 20 年里，对此只有一些零星的研究。 直到 1972 年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需要， 和 等研究者制成了第一批使用的微带天线，随之国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。 1979 年在美国新墨西哥州立大学举行了微带天线的专题国际会议， 1981 年 IEEE 天线与传播会刊刊载了微带天线专题。 至此，微带天线已成为天线领域中的一个专门分支 [15]。 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。 它利用微带线、同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射 [15]，因此微带天线可看作是一种缝隙天线。 和常用的微波天线相比，它有如下一些优点： 体积小、重量轻、成本低，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于用印刷电路技术大批量生产 ， 能与有源器件和电路集成为单一的模件， 容易获得圆极化， 容易实现双频、多频段工作等。 其缺点主要是频带窄，功率容量小，损耗大，基片对性能影响较大。 微带天线主要分为三大类：微带贴片天线，微带缝隙天线，微带行波天线 [1]。 微带贴片天线是指谐振式微带贴片天线，这种天线的最大特点是效率高 ，但是带宽比较窄。 微带缝隙天线的带宽比微带贴片天线的要宽，特别是 宽矩形缝隙天线，但是此天线在要求单方向辐射时，厚度比贴片天线要大，另外，分析和设计这种天 线要比微带贴片天线困难，限制了其应用范围。 微带行波天线可以获得比较大的带宽，但是这种天线的效率比较低并且分析方法还不是很成熟。 微带天线最初作为火箭和导弹上的共形全向天线获得了应用，现已应用于大约 100MHz～ 100GHz 的宽广频域上的大量无线电设备中，特别是飞行器上和地面便携式设备中。 在要求低剖面辐射器的场合，即使微带天线某些性能不如常规天线，也往往被优先选用 [1]。 现有的应用简表如 表 所 示。 第 1 章 绪论 4 表 微 带天线的典型应用 Microstrip antenna applications 应用领域 用途 飞机天线 盲目着陆系统、高度表、通信与导航 导弹与遥测 引信、传感器、毫米波雷达 卫星通信 星载多波束雷达、移动式地面站、直播卫星电视接收机 移动通信 随身和手持电话、舱内和车载天线、基站天线 雷达 多普勒测速雷达、防撞雷达、防盗报警器、单脉冲雷达、相阵控雷达 战场通信和监视 车载共形天线 电子对抗 多波束阵列 遥感 综合口径雷达 气象和射电天文 气象雷达、亚毫米波接收机 生物医学 微波治癌仪 作为小型化 、集成化天线的线天线主角，微带贴片天线以其三维结构的灵活性受 到各种不同设计目标的全方位开发，它既被单独用于手机天线，医用辐射器等场合，也被广泛用作各种阵列天线的单元；既在工程设计中以形式多样而取胜，又多见于 被电磁场数值分析用作典型实例。 微带贴片天线素以低轮廓、印刷工艺、便于与电路集成等优点著称，但又有频带窄和效率低的缺陷。 另一方面，为了适合 VHF/UHF 频段的应用以及实现与微波毫米波单片电路的集成一体化，还需要进一步使结构小型化。 再者，极化特性和多样化、适应宽角域波束扫描的要求，以及采用新型传输线馈电的可行性等都在探索之中。 论 文的主要工作和内容安排 本论 文 在 分析总结了多种实现微带天线小型化 、宽频带工作的设计方法 的基础上 ，提出 了一种新型的小型宽频 带 的三角形微带贴片天线 结构。 该天线采用 短路针 对 等边三角形微带贴片天线 进行加载 ，并在三角形贴片上开平行双缝，从而实现小型宽频 带 的目的。 本文 利用 基于 腔膜理论 的短路针加载理论得到天线设计WCDMA 系统小型 、 宽带微带天线的设计与研制 5 的初步结果， 通过 3D 电磁场仿真软件 对天线结构进行了仿真和优化，给出了设计 参数 ， 最后 进行了实际的 加工测试。 结果表明， 仿真与测试结果基本吻合 ， 天线的 10dB 损耗 频带达 到了 350MHz， 相对带宽 达 %，覆盖了 WCDMA系统工 作频段，且尺寸较小，辐射方向覆盖均匀。 基本满足了设计要求 ，为 WCDMA移动终端天线的设计提供了参考。 论 文内容 作如下 安排 ： 第 1 章 作 为绪论 ，介绍了论文的 选题背景 和 研究 意义，讨论了微带天线的发展状况， 列 出了本论文的主要工作和内容安排。 第 2 章 简要 地 介绍微带天线的基本理论，包括微带天线 的 辐射机理 、理论分析方法 ，其中详细介绍了空腔模型理论和有限元法。 第 3 章 较为 详细 地归纳和总结 了 国内外参考文献中实现 微带天线小型化、宽频带的各种方法。 第 4 章 介绍了基于腔膜理论的短路针加载理论。 第 5 章 设计 研制 了一种 适用于 WCDMA 系统的 新型 小型宽 带 微带天线，给出了天线 的设计 结构 ,仿真结果和实测结果，并进行了分析和比较， 得出 了 结论。 最后 结束语，对全文工作加以总结，提出了有待进一步研究和解决的几个问题。 第 2 章 微带天线基本理论 6 图 矩形微带天线及主面方向图 Rectangular microstrip antenna and main pattern 第 2 章 微带天线 基本 理论 微带天线工作原理 虽然微带天线最早在上世纪五十年代提出，但是直到七十年代随着成熟的理论模型和介质材料基片的光刻技术成熟，微带天线才制造出来。 经过近几十年的理论分析的成熟和材料及加工工艺的发展，以及微带天线越来越多的优点引起重视，微带天线有了飞速的发展。 下面介绍 一下 微带天线的基本原理和分 析方法。 微带天线的辐射机理 微带天线的基本原理可由考察矩形微带贴片天线来理解 [15]。 如图 (a)所示 ,贴片尺寸为 WL,介质基片厚度 h(hλ0)， λ0 为自由空间波长。 微带贴片天线可看作宽 W 长 L 的一段微带传输线，其终端（ W 边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。 一般取 L≈λg/2,λg 为微带线上波长，于是另一端（ W 边）处也呈电压波腹。 此时贴片与接地板间的电场分部如图 (b)所示。 该电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化） WCDMA 系统小型 、 宽带微带天线的设计与研制 7 )/co s (0 LyEE x  () 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。 由等效性原理知，窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。 等效地面磁流密度为 EnMs   ˆ () 式中， E=xˆ Ex， xˆ 是 x 方向单位矢量； nˆ 是缝隙表面（辐射口径）的外法线方向单位矢量。 这些等效磁流的方向 已在图 上用虚线标出。 可以看到，沿两条 W 边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向 (x 轴 )同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。 沿每条 L 边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在 H 面 (xz 平面 )上各处的辐射互相抵消；而两条 L 边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在 E 面 (xy 面 )上各处，它们的场也都相消。 在其它平面上这些磁流的辐射不完全相消，但与两条 W 边的辐射相比，都相当弱。 由上分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿 W 边的缝隙产生，该两边称为辐射边。 其 H 面和 E 面方向图如图 (c),(d)所示。 由于接地板的存在，天线的主要向上半空间辐射。 对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 Ms 的正镜像。 由于 hλg，因此它只相当于将 Ms 加倍，辐射图形基本不变。 微带天线的分析方法 微带天线分析的目的是天线的辐射特性及近场特性进行预先估算，通过分析与设计相结合，减少高耗费的边做边试的循环次数，弄清天线的优点和局限性，帮助了解新的设计方法，现有设计的改进以及对新的天线结构研发来说可能有用的工作原理。 天线分析的基本 方法 是 通过 Maxwell 方程 求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁 场后，进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。 分析微带天线的基本理论大致可分为三类。 最早出现的也是最简单的是传输线模型（ TLMTransmission Line Model）理论，主要用于矩形贴片。 更严格 、更有用的是空腔模型（ CMCavity Model） 理论，可用于各种规则的贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。 最严格而计算最复杂的是积分方程法（ IEMIntegral Equation Method），即全波（ FWFull Wave）理论，从原理上说，积分方程法可用于各种结构 、 任意厚度 的微带天线 ，然而要受计算模型精度的限制。 从数学处理上第 2 章 微带天线基本理论 8 xyzh(x,y)o同轴探针馈电点（x 0 ,y 0 ）R),( Rpbarr(a)(b) 图 空腔模型几何 关系 Geometry of cavity model 看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题，第二种理论则发展到二维边值问题的求解；第三理论又进了一步，可计入第三维的变化。 我们这里需要用到空腔模型理论和 全波理论中的有限元法 ，下面两节将对这两种方法进行详细的介绍。 空腔模型理论 空腔模型理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的。 实际上，谐振式微带天线的形状与微带谐振腔并无显著区别。 因此，借助于谐振腔理论是很自然的。 它的一般方法是，规定腔的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频率、品 质因数和输入阻抗等。 把这种方法移植到微带中来，称为单模理论。 作为此法的改进，发展了多模理论，它把腔内场用无限正交模表示，因而就能较准确的代表腔内场。 空腔模型已成功用于精确计算厚度不超过介质波长百分之几的微带天线的特性。 下面介绍一下空腔模型理论 [15]。 图 所示微带贴片天线，微带贴片和接地板之间的盒形区域可以看作谐振 腔：它的上下壁为微带贴片的面积相同的接地板，周围的柱形面为侧壁。 在分析腔内场时，基本空腔模型理论作如下假设： (1) 电场只有 Ez 分量，并且 Ez 不随 z 而变化。 磁场只有 Hx 和 Hy 分量， 且假WCDMA 系统小型 、 宽带微带天线的设计与研制 9 设 Hz=0 即腔内只存在对 z 的 TM 型场； (2 内场不随 z 坐标变化；四周边缘处电流无法向分量，即边缘处切向磁场为零，故空腔四周可视为上、下为电壁，四周为磁壁的腔体。 上述基本假设若用更严密的理论来检验，不难发现其近似之处。 因为微带贴片内壁的电流可通过周界流向外壁面，因此在周界处内壁面法向电流严格说不是零，只是在 hλ 条件下接近零。 由上述讨论可以看出基本空腔模型理论应用上的限制， hλ 的条件时很重要的。 空腔内场满足下列复数形式麦克斯韦方程： 00EHHjEJEjH () 对第二式取旋度，再利用第一式消去 H，得 JjEkE  022 。