微带贴片天线的分析方法

设计与实现

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

在同一平面。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，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 <<λ，这要求微带天线特性阻抗Z C 要高些或基片厚度h 减小，介电常数εr 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

收稿日期：2008年10月27日

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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]。

L f＝g　（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f n(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ωm(x)，对适当定义的内积

〈f,g〉，用每一个对ωm(x)和式两边取内积，表示成矩阵形

式如下：

[l mm][a n]=[g m] （4）

其中，〈f,g

〉解矩阵方

程式（4）可得a n，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选取及展开式的项数。当

ω

n

(x)=f n(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=46m m，宽W=50m m；矩形贴片l=36mm，w=40mm。短路片位于右边缘距离上边缘9.5m m，长a=5m m，宽b=6m m；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εr＝3.5。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

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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

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