1、一種改良的微帶天線輸入阻抗計(jì)算方法(圖文)論文導(dǎo)讀：本文通過(guò)建立雙微帶天線并聯(lián)模型，提出了一種改良的輸入阻抗計(jì)算方法，有效地消除了-間隔饋電模型的固有相位誤差；計(jì)算結(jié)果說(shuō)明該算法可提高高次模式下阻抗和駐波比計(jì)算的精度。關(guān)鍵詞：時(shí)域有限差分法，電壓相位誤差，天線輸入阻抗，-間隔饋電模型1引言時(shí)域有限差分法是近年來(lái)開(kāi)展很快的一種電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，可以用于天線的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)仿真，以及天線參數(shù)的計(jì)算，由于它的計(jì)算原理簡(jiǎn)單，計(jì)算的結(jié)果直觀，和頻域計(jì)算方法相比，F(xiàn)DTD和離散付氏變換算法結(jié)合可以高效的處理寬頻帶電磁問(wèn)題，所以倍受人們關(guān)注。R.Luebbers【4】應(yīng)用FDTD較全面地分析了單極子天線的特性

2、，給出了兩種鼓勵(lì)源模型，同軸磁流鼓勵(lì)和間隙鼓勵(lì)模型，并用于天線阻抗計(jì)算。間隙鼓勵(lì)模型及其計(jì)算公式可以有效地計(jì)算微帶天線的輸入阻抗，但在計(jì)算的時(shí)候電壓存在固有的相位誤差。文獻(xiàn)【4】對(duì)間隙鼓勵(lì)模型進(jìn)行了改良和簡(jiǎn)化，推導(dǎo)了一種天線輸入阻抗新的計(jì)算公式，該方法簡(jiǎn)潔，有效，公式物理意義明確。但仍舊存在固有的電壓相位誤差，對(duì)于微帶天線這種輸入阻抗對(duì)饋電結(jié)構(gòu)敏感的天線，將帶來(lái)計(jì)算誤差。我們通過(guò)建立一種并聯(lián)的微帶天線的沒(méi)有電壓相位誤差的饋電模型。推導(dǎo)了其計(jì)算公式，并通過(guò)計(jì)算矩形貼片天線驗(yàn)證了其正確性和有效性。2-間隔饋電模型的誤差分析2.1 固有的電壓相位誤差如圖1所示，微帶天線的同軸間隙饋電模型，但其實(shí)質(zhì)上

3、的鼓勵(lì)源是加在同軸線內(nèi)導(dǎo)體和零電位平面之間如圖2。如果直接在微帶天線的輻射貼片和零電位平面之間接入電壓，那么電壓沿內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)層的相位滯后就會(huì)被忽略，造成誤差，同時(shí)傳輸線內(nèi)導(dǎo)體無(wú)法引入到剖分網(wǎng)格之中進(jìn)行計(jì)算，而只能根據(jù)饋電波導(dǎo)的特征阻抗對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正文獻(xiàn)【1】。如果采用文獻(xiàn)【4】的做法，雖然上述問(wèn)題會(huì)有一定程度的改良，但由于微帶介質(zhì)層較薄，在算法的網(wǎng)格剖分中，一般為了較準(zhǔn)確模擬介質(zhì)層中的場(chǎng)，采用不同的剖分。根據(jù)文獻(xiàn)【1】的做法要在饋電探針下底和地面之間加縱向電壓，如圖1所示。這樣可以將探針引入計(jì)算。但對(duì)探針的截?cái)鄬⒃斐晌锢砩系牟贿B續(xù)，這將使探針下底和地面之間產(chǎn)生附加電容，造成諧振頻率計(jì)算

4、不準(zhǔn)確見(jiàn)第四局部，同時(shí)這種方法只是相對(duì)與文獻(xiàn)【2】改善了相位滯后的影響，并未徹底解決。3改良的計(jì)算模型3.1 計(jì)算模型如圖2所示，鼓勵(lì)源由z向鼓勵(lì)改成符合實(shí)際的向鼓勵(lì)，在地面上為常數(shù)，同軸波導(dǎo)饋入處開(kāi)4個(gè)網(wǎng)格的縫隙，這樣除了這四個(gè)網(wǎng)格中的加鼓勵(lì)不為零以外，其余在該面上的全為零。考慮如圖2的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如果是如圖3的饋電形式，那么可以看成兩個(gè)并聯(lián)的微帶天線，如果將地面擴(kuò)大到無(wú)窮，那么可以認(rèn)為兩個(gè)天線無(wú)偶合，且相對(duì)饋源并聯(lián)。圖2 地平面圖3 并聯(lián)微帶模型3.2 計(jì)算公式設(shè)平面是地平面，那么源分別加在如圖2的網(wǎng)格上。饋入電場(chǎng)分別加在內(nèi)導(dǎo)體相臨的四個(gè)網(wǎng)格線上，假設(shè)內(nèi)導(dǎo)體和地面的饋入電壓為，為保證內(nèi)導(dǎo)體和

5、地面之間等電位，向饋入電場(chǎng)為。表示電場(chǎng)差分形式為：(1)(2)(3)(4)將電場(chǎng)時(shí)間差分表達(dá)式帶入以上四式，為了消除與環(huán)路電流積分運(yùn)算無(wú)關(guān)的分量。科技論文。將得到：實(shí)際上輸入電壓為：實(shí)際上輸入電流為：從圖3中可以看出，地面兩側(cè)完全鏡相對(duì)稱，饋入源也相同，所以輸入電流大小相等，方向相反。外加饋入電壓為：將將上式兩邊FFT變換并化簡(jiǎn)得到：考慮到兩個(gè)天線并聯(lián)那么輸入阻抗應(yīng)該是計(jì)算所得阻抗的一半，表達(dá)式為：式中心頻率，。為到達(dá)好的吸收效果，選用8層完全匹配吸收層。吸收層內(nèi)電磁場(chǎng)采用指數(shù)差分格式，其它網(wǎng)格采用Yee差分格式。微帶貼片天線饋電貼片為，厚度為。設(shè)饋點(diǎn)位于處，如圖4所示。網(wǎng)格采用長(zhǎng)方體，網(wǎng)格尺

6、寸為：,網(wǎng)格剖分保證頻率在以下可以精確計(jì)算根據(jù)穩(wěn)定性條件。饋電方向的精確剖分，以保證盡量減少不必要的固有誤差。分別使用精確計(jì)算軟件XFDTD，密網(wǎng)格剖分的HFSS9.2，文獻(xiàn)【4】和本文推導(dǎo)的算式加以計(jì)算得到結(jié)論如下：1、采用XFDTD軟件采用相同網(wǎng)格剖分，在饋點(diǎn)處參加密子網(wǎng)格剖分，提高計(jì)算精度，饋電方式為-間隔饋電模型。正弦調(diào)制的高斯脈沖源參加。得到的輸入電阻，電抗如圖5所示。：圖5、XFDTD軟件計(jì)算阻抗圖圖6、HFSS9.2軟件計(jì)算阻抗圖2、采用HFSS9.2軟件采用密網(wǎng)格剖分，饋電方式為同軸線饋電。科技論文。科技論文。1G到4G掃頻。得到的輸入電阻，電抗如圖6所示。3、將HFSS數(shù)據(jù)導(dǎo)

7、出，與文獻(xiàn)【4】中-間隔饋電模型，本文推導(dǎo)的算法相比。輸入電抗比擬如圖7所示。圖7、電抗比擬圖圖8、電阻比擬圖4、將HFSS數(shù)據(jù)導(dǎo)出，與文獻(xiàn)【4】中-間隔饋電模型，本文推導(dǎo)的算法相比。輸入電阻比擬如圖8所示。5、將HFSS數(shù)據(jù)導(dǎo)出，與文獻(xiàn)【4】中-間隔饋電模型，本文推導(dǎo)的算法相比。S11參數(shù)比擬如圖9所示。圖9、駐波比比擬圖可以看出-間隔饋電模型可以準(zhǔn)確的計(jì)算貼片天線主模工作頻率，但在高次模式計(jì)算時(shí)出現(xiàn)較大的誤差。這是由于固有的模型誤差導(dǎo)致的，通過(guò)本文的計(jì)算方法，根本可以消除誤差，使之可以準(zhǔn)確得分析高次模。根據(jù)上圖的計(jì)算結(jié)果可以驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性。在實(shí)際計(jì)算中可以根據(jù)鏡相原理，將圖2省去一半

8、加以剖分，那么不會(huì)增加計(jì)算所需內(nèi)存。5 結(jié)論文中針對(duì)利用FDTD算法仿真微帶天線輸入阻抗問(wèn)題，分析了間隙饋電模型固有的相位誤差，提出了一種新的計(jì)算模型，推導(dǎo)了該模型下的阻抗計(jì)算公式，該模型有效的消除了間隙饋電模型中的相位誤差，能夠比擬準(zhǔn)確有效地仿真得到高次模式下的阻抗特性。這種方法不僅可以用于微帶天線，還可以用于其它相似饋電結(jié)構(gòu)的天線計(jì)算。參考文獻(xiàn)：【1】 A Reinei,B Jecko.Analysis of microstrip patchantennas using finite-difference time-domain method.IEEE Trans.AntennasPropagat,1989,37(11):1361-1369.【2】 James G. Maloney ,Glenn S Simith,Waymind ,RScott,Jr.,Accurate computation of the radiation from simple antenna using thefinite-difference time-domain method.IEEE Trans.Antennae propagat.,July1990,38(7):1059-1068.【3】 R J Luebbers,LChen,T Uno,S Adachi .FDTD calc