小型微帶天線：理論、設(shè)計(jì)與應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)迅猛發(fā)展的浪潮下，人們對(duì)通信設(shè)備的性能和功能提出了越來(lái)越高的要求。小型微帶天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其重要性不言而喻，對(duì)設(shè)備的小型化和多功能化起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。隨著移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的快速發(fā)展，無(wú)線通信設(shè)備正朝著小型化、便攜化、集成化和多功能化的方向發(fā)展。在手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等小型電子設(shè)備中，空間資源極為寶貴，傳統(tǒng)的大型天線難以滿足這些設(shè)備對(duì)尺寸和重量的嚴(yán)格要求。小型微帶天線以其體積小、重量輕、剖面低、易于與其他電路集成等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備小型化的關(guān)鍵技術(shù)之一。例如在手機(jī)中，小型微帶天線能夠在有限的內(nèi)部空間中，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段的通信功能，為用戶提供良好的通信體驗(yàn)；在可穿戴設(shè)備中，小型微帶天線可以貼合人體佩戴，不影響設(shè)備的舒適性和美觀性，同時(shí)保證穩(wěn)定的通信連接。從多功能化角度來(lái)看，現(xiàn)代無(wú)線通信設(shè)備往往需要支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)和頻段，如2G、3G、4G、5G以及Wi-Fi、藍(lán)牙、NFC等。小型微帶天線通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)多頻段工作，滿足設(shè)備在不同通信場(chǎng)景下的需求。一些小型微帶天線可以同時(shí)覆蓋2.4GHz和5GHz的Wi-Fi頻段，以及手機(jī)通信的多個(gè)頻段，使設(shè)備能夠在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下靈活切換，提供高速穩(wěn)定的通信服務(wù)。此外，小型微帶天線還可以與其他功能模塊，如射頻電路、傳感器等集成在一起，形成高度集成的多功能模塊，進(jìn)一步提升設(shè)備的性能和功能。小型微帶天線在推動(dòng)無(wú)線通信設(shè)備小型化和多功能化的同時(shí)，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。如小型化過(guò)程中可能導(dǎo)致天線性能下降，包括輻射效率降低、帶寬變窄、增益減小等問(wèn)題；在實(shí)現(xiàn)多頻段工作時(shí)，如何保證各頻段之間的隔離度和兼容性，避免相互干擾也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)小型微帶天線進(jìn)行深入的分析與設(shè)計(jì)研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有助于推動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通信需求。1.2研究現(xiàn)狀小型微帶天線的研究歷經(jīng)多年發(fā)展，在不同類型天線的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化上成果豐碩。早期，研究主要聚焦于貼片天線的小型化，通過(guò)提高介質(zhì)基板的介電常數(shù)，能在較小的物理尺寸下實(shí)現(xiàn)所需的電性能，縮小天線的整體尺寸。曲流技術(shù)也是早期常用手段，在貼片表面開(kāi)槽，增加天線電流路徑，從而在不改變天線幾何尺寸的情況下降低諧振頻率，達(dá)到小型化目的。如在一些早期的無(wú)線通信設(shè)備中，就采用了這種開(kāi)槽的貼片天線，有效減小了設(shè)備的體積。但這種方法也存在弊端，開(kāi)槽后會(huì)產(chǎn)生垂直于主激發(fā)面的額外電流，增加天線的交叉極化，降低輻射效率，同時(shí)減小相對(duì)輻射面積，影響天線增益。隨著研究的深入，短路加載技術(shù)被廣泛應(yīng)用。在矩形微帶天線的零電位線處接地，舍去另一半天線，在開(kāi)路和短路之間形成駐波分布，不改變內(nèi)部場(chǎng)分布的同時(shí)，將天線尺寸減小一半。短路加載方式多樣，包括短路面加載、短路片加載和短路探針加載，不同加載方式在結(jié)構(gòu)帶寬等方面存在差異，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。附加有源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到發(fā)展，利用有源網(wǎng)絡(luò)的放大作用和阻抗補(bǔ)償技術(shù)，彌補(bǔ)因天線尺寸減小而導(dǎo)致的效率和帶寬下降問(wèn)題，使天線具備頻帶寬、高增益、易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)，但有源網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響天線的互易性。近年來(lái)，新型材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）作為一種人造周期性結(jié)構(gòu)，將其附加在天線輻射貼片背面，可抑制天線表面波，實(shí)現(xiàn)天線小型化。常見(jiàn)的EBG結(jié)構(gòu)有基底打孔型、高阻抗表面型、地面腐蝕型、夾層式結(jié)構(gòu)、共面緊湊型等。如在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的一些小型化天線設(shè)計(jì)中，采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)，有效減小了天線尺寸，同時(shí)提高了天線性能。左手介質(zhì)的應(yīng)用也為微帶天線小型化提供了新途徑，將左手介質(zhì)和右手介質(zhì)疊加，使微帶天線的諧振方程不再依賴于部分尺寸參數(shù)，突破傳統(tǒng)諧振腔至少需要半個(gè)波長(zhǎng)的限制，降低天線高度。在應(yīng)用領(lǐng)域拓展方面，小型微帶天線的身影遍布現(xiàn)代通信的各個(gè)角落。在移動(dòng)通信中，從2G到5G乃至未來(lái)的6G通信設(shè)備，小型微帶天線都是關(guān)鍵部件。以手機(jī)為例，內(nèi)部集成的小型微帶天線不僅要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話、短信收發(fā)等基本功能，還要支持高速數(shù)據(jù)傳輸、定位導(dǎo)航等功能，滿足不同通信頻段的需求。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，小型微帶天線是各類傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心，使智能家居中的各種設(shè)備，如智能家電、安防傳感器等能夠互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理；在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，幫助工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警等功能，提高生產(chǎn)效率和管理水平。在衛(wèi)星通信中，小型微帶天線可應(yīng)用于小型衛(wèi)星、衛(wèi)星地面終端等設(shè)備，降低設(shè)備成本和體積，提高衛(wèi)星通信的靈活性和覆蓋范圍。在可穿戴設(shè)備中，小型微帶天線能夠貼合人體佩戴，不影響設(shè)備的舒適性和美觀性，同時(shí)保證穩(wěn)定的通信連接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、健康數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)在本次小型微帶天線的研究中，將綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的全面性、準(zhǔn)確性和可靠性。理論分析是研究的基礎(chǔ)，通過(guò)深入學(xué)習(xí)微帶天線的基本理論，包括傳輸線模型、腔模理論等，深入剖析天線的工作原理、輻射特性以及性能參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。運(yùn)用傳輸線模型，分析微帶天線的輸入阻抗、輻射場(chǎng)分布等，為天線的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)理論分析，明確天線的尺寸、形狀、材料等因素對(duì)其性能的影響規(guī)律，從而為后續(xù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。仿真是研究小型微帶天線不可或缺的手段。借助專業(yè)的電磁仿真軟件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，對(duì)設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模和仿真分析。通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)變量，觀察天線性能指標(biāo)，如回波損耗、輻射方向圖、增益、帶寬等的變化情況，深入了解天線的性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。在仿真過(guò)程中，對(duì)天線的貼片形狀、尺寸、饋電方式、介質(zhì)基板的參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)天線性能的最大化。通過(guò)仿真分析，可以在實(shí)際制作天線之前，預(yù)測(cè)天線的性能，減少設(shè)計(jì)周期和成本，提高設(shè)計(jì)效率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是確保研究成果可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在完成天線的設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化后，根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)制作實(shí)物天線。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等專業(yè)設(shè)備，對(duì)實(shí)物天線的性能進(jìn)行全面測(cè)試，包括回波損耗、輻射方向圖、增益、帶寬等參數(shù)的測(cè)量。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方案的可行性。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異，深入分析原因，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，提出一種新穎的復(fù)合型結(jié)構(gòu)。將多種小型化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，如在貼片上采用分形結(jié)構(gòu)增加電流路徑以實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)引入電磁帶隙結(jié)構(gòu)抑制表面波，提高天線的輻射效率和增益，這種復(fù)合型結(jié)構(gòu)有望在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，有效提升天線的綜合性能。在多頻段設(shè)計(jì)方面，采用一種基于模式調(diào)控的多頻段設(shè)計(jì)方法。通過(guò)精確控制天線的不同諧振模式，使其能夠在多個(gè)特定頻段上穩(wěn)定工作，并且提高各頻段之間的隔離度，減少相互干擾，滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對(duì)多頻段、高性能的需求。二、小型微帶天線基礎(chǔ)理論2.1微帶天線的結(jié)構(gòu)組成微帶天線作為現(xiàn)代無(wú)線通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的天線類型，其結(jié)構(gòu)雖看似簡(jiǎn)單，卻蘊(yùn)含著豐富的物理原理，各組成部分相互協(xié)作，共同決定了天線的性能表現(xiàn)。深入了解微帶天線的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于優(yōu)化天線設(shè)計(jì)、提升天線性能具有至關(guān)重要的意義。2.1.1輻射貼片輻射貼片是微帶天線的核心輻射部件，其形狀和尺寸對(duì)天線的性能起著決定性作用。常見(jiàn)的輻射貼片形狀有矩形、圓形、三角形等，不同形狀的貼片具有獨(dú)特的特性。矩形貼片天線是較為常見(jiàn)的類型，其設(shè)計(jì)和分析相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)傳輸線模型理論，矩形貼片的長(zhǎng)度L和寬度W與天線的諧振頻率密切相關(guān)。在理想情況下，當(dāng)貼片長(zhǎng)度L近似為半波長(zhǎng)時(shí)，天線在該頻率下實(shí)現(xiàn)諧振。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，需考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)，對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行修正。例如，在工作頻率為2.4GHz的情況下，若采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板，根據(jù)公式計(jì)算出的矩形貼片初始長(zhǎng)度約為27mm，但考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)后，實(shí)際長(zhǎng)度可能需調(diào)整為25mm左右。矩形貼片天線在E面和H面的輻射方向圖具有不同的特性，E面的輻射方向圖較為尖銳，而H面相對(duì)較寬，這種方向性特點(diǎn)使其在一些需要定向輻射的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色，如無(wú)線局域網(wǎng)中的定向傳輸。圓形貼片天線則具有獨(dú)特的輻射特性，其輻射場(chǎng)在空間中的分布相對(duì)較為均勻。圓形貼片的半徑r與諧振頻率的關(guān)系可通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得出。在相同的工作頻率下，圓形貼片的尺寸與矩形貼片有所不同。以2.4GHz的工作頻率為例，采用相同介電常數(shù)的介質(zhì)基板時(shí)，圓形貼片的半徑約為16mm。圓形貼片天線在實(shí)現(xiàn)圓極化輻射方面具有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在貼片上開(kāi)特定的槽或采用特殊的饋電方式，可以很方便地實(shí)現(xiàn)左旋或右旋圓極化，這在衛(wèi)星通信等需要圓極化的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。除了常見(jiàn)的形狀，一些特殊形狀的輻射貼片，如分形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)等，也在近年來(lái)得到了廣泛研究。分形結(jié)構(gòu)的輻射貼片通過(guò)不斷迭代的幾何形狀，增加了電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)中，采用分形結(jié)構(gòu)的輻射貼片可以在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)輻射。環(huán)形結(jié)構(gòu)的貼片則在多頻段工作方面具有潛力，通過(guò)調(diào)整環(huán)形的尺寸和饋電位置，可以使天線在多個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)諧振，滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對(duì)多頻段的需求。2.1.2介質(zhì)基片介質(zhì)基片在微帶天線中扮演著重要角色，其材料和厚度與天線性能緊密相關(guān)。介質(zhì)基片的主要作用是支撐輻射貼片，并作為電磁波傳播的介質(zhì)。常見(jiàn)的介質(zhì)基片材料有FR4、聚四氟乙烯（PTFE）、陶瓷等。不同材料的介電常數(shù)和損耗正切等參數(shù)不同，這些參數(shù)直接影響天線的性能。FR4是一種常用的低成本介質(zhì)基片材料，其相對(duì)介電常數(shù)約為4.4，損耗正切在0.02左右。由于其介電常數(shù)適中，在一些對(duì)成本敏感且性能要求不是特別高的應(yīng)用中廣泛使用，如普通的無(wú)線通信模塊。但FR4的損耗相對(duì)較大，在高頻段使用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致天線的輻射效率降低。聚四氟乙烯（PTFE）基片具有低損耗正切的特點(diǎn)，一般在0.001以下，同時(shí)其介電常數(shù)可以通過(guò)填充不同的材料進(jìn)行調(diào)整，范圍在2-10之間。這種材料適用于對(duì)損耗要求嚴(yán)格的高頻應(yīng)用，如衛(wèi)星通信中的微帶天線。陶瓷基片則具有高介電常數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性，介電常數(shù)通常在10以上，在實(shí)現(xiàn)小型化天線方面具有優(yōu)勢(shì)。在一些毫米波頻段的微帶天線設(shè)計(jì)中，采用高介電常數(shù)的陶瓷基片可以有效減小天線尺寸，提高天線的集成度。介質(zhì)基片的厚度h也是影響天線性能的重要因素。從理論上來(lái)說(shuō)，增加介質(zhì)基片的厚度可以提高天線的帶寬和輻射效率。因?yàn)檩^厚的基片可以減小貼片與接地板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低表面波的影響，提高輻射效率。但同時(shí)，厚度增加也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加了天線的體積和重量，破壞了微帶天線低剖面的優(yōu)勢(shì)。此外，厚度過(guò)大還可能導(dǎo)致表面波激勵(lì)增強(qiáng)，產(chǎn)生不必要的輻射損耗。通常，為了避免表面波的明顯激勵(lì)，介質(zhì)基片的厚度應(yīng)滿足h\lt0.1\lambda_0（\lambda_0為自由空間波長(zhǎng)）。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮天線的性能要求、應(yīng)用場(chǎng)景以及成本等因素，選擇合適的介質(zhì)基片材料和厚度。例如，在設(shè)計(jì)用于手機(jī)的小型微帶天線時(shí)，由于手機(jī)內(nèi)部空間有限，對(duì)天線的體積和重量有嚴(yán)格要求，通常會(huì)選擇較薄的FR4基片，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)因厚度較薄帶來(lái)的性能損失。2.1.3接地板接地板是微帶天線的重要組成部分，對(duì)天線的電磁場(chǎng)分布和輻射特性有著關(guān)鍵影響。接地板通常是一塊較大的金屬平面，位于介質(zhì)基片的另一側(cè)，與輻射貼片相對(duì)。其主要作用是提供一個(gè)反射面，與輻射貼片形成一個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)天線的輻射效果。在微帶天線中，當(dāng)射頻信號(hào)饋入輻射貼片時(shí)，貼片與接地板之間會(huì)形成電磁場(chǎng)。接地板的存在使得電磁場(chǎng)被限制在貼片和接地板之間的區(qū)域，減少了能量向其他方向的泄漏，提高了輻射效率。接地板還可以影響天線的輻射方向圖。理想情況下，接地板為無(wú)限大時(shí)，天線的輻射方向圖是對(duì)稱的，主要輻射方向垂直于接地板平面。但在實(shí)際應(yīng)用中，接地板的尺寸往往是有限的，這會(huì)導(dǎo)致輻射方向圖發(fā)生畸變。當(dāng)接地板尺寸較小時(shí)，天線的旁瓣電平會(huì)升高，主瓣寬度會(huì)變寬，從而影響天線的方向性和增益。為了減小這種影響，在設(shè)計(jì)中需要合理選擇接地板的尺寸。一般來(lái)說(shuō)，接地板的尺寸應(yīng)至少為工作波長(zhǎng)的一半，以保證天線具有較好的輻射性能。接地板還可以通過(guò)開(kāi)槽、加載等方式來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化天線的性能。在接地板上開(kāi)槽可以改變天線的阻抗特性和輻射特性。通過(guò)在接地板上開(kāi)特定形狀和尺寸的槽，可以實(shí)現(xiàn)天線的多頻段工作。一些文獻(xiàn)研究表明，在接地板上開(kāi)U形槽，可以使天線在兩個(gè)不同的頻段上實(shí)現(xiàn)諧振，滿足通信系統(tǒng)對(duì)多頻段的需求。接地板加載技術(shù)也是一種常用的優(yōu)化方法，通過(guò)在接地板上加載電阻、電容或電感等元件，可以調(diào)整天線的阻抗匹配，提高天線的輻射效率。在一些對(duì)天線性能要求較高的應(yīng)用中，如衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等，會(huì)采用精心設(shè)計(jì)的接地板結(jié)構(gòu)來(lái)滿足嚴(yán)格的性能指標(biāo)。2.2工作原理2.2.1傳輸線模型分析傳輸線模型是理解微帶天線工作機(jī)制的重要工具，它為分析微帶天線的信號(hào)傳輸過(guò)程提供了直觀且有效的方法。在傳輸線模型中，微帶天線可近似看作一段長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)（L\approx\frac{\lambda}{2}，\lambda為工作波長(zhǎng)）的低阻抗傳輸線，其兩端開(kāi)路，由輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板構(gòu)成。以矩形微帶天線為例，當(dāng)射頻信號(hào)通過(guò)饋電結(jié)構(gòu)，如同軸饋電或微帶線饋電，進(jìn)入輻射貼片時(shí)，貼片與接地板之間形成電磁場(chǎng)。由于貼片長(zhǎng)度近似為半波長(zhǎng)，在兩個(gè)開(kāi)路端會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)的垂直分量和水平分量。其中，垂直分量方向相反，水平分量方向相同。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，這些分量的分布和相互作用決定了天線的輻射特性。水平分量電場(chǎng)可等效為無(wú)限大平面上同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，這兩個(gè)縫隙的輻射特性對(duì)天線的輻射方向圖和輻射強(qiáng)度有著重要影響。從傳輸線理論可知，傳輸線的特性阻抗Z_0與傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及周圍介質(zhì)的特性密切相關(guān)。對(duì)于微帶天線中的傳輸線結(jié)構(gòu)，特性阻抗Z_0可通過(guò)公式Z_0=\frac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\frac{1}{(B+\frac{1.393}{A}+\frac{0.667}{A^2})}計(jì)算（其中A=\frac{W}{h}，B=\frac{377\pi}{2\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\frac{h}{W}，W為微帶線寬度，h為介質(zhì)基片厚度，\varepsilon_{reff}為有效介電常數(shù)）。特性阻抗的大小影響著信號(hào)在傳輸線中的傳輸效率和阻抗匹配情況。當(dāng)信號(hào)源的輸出阻抗與傳輸線的特性阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射波，導(dǎo)致信號(hào)傳輸效率降低，能量損耗增加。在設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)，需要通過(guò)調(diào)整傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如微帶線寬度、介質(zhì)基片厚度等，來(lái)實(shí)現(xiàn)特性阻抗與信號(hào)源輸出阻抗以及負(fù)載阻抗的匹配，以確保信號(hào)能夠高效地傳輸?shù)捷椛滟N片并向外輻射。信號(hào)在微帶天線中的傳輸過(guò)程還涉及到傳輸線的損耗問(wèn)題。傳輸線的損耗主要包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。導(dǎo)體損耗是由于傳輸線導(dǎo)體存在電阻，電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱損耗；介質(zhì)損耗是因?yàn)榻橘|(zhì)基片并非理想介質(zhì)，存在一定的損耗正切，導(dǎo)致電磁場(chǎng)在介質(zhì)中傳播時(shí)能量逐漸衰減；輻射損耗則是信號(hào)通過(guò)輻射貼片向空間輻射出去的能量。這些損耗都會(huì)影響微帶天線的性能，如輻射效率、增益等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要選擇合適的導(dǎo)體材料和介質(zhì)基片材料，以降低導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，提高天線的整體性能。一些低損耗的導(dǎo)體材料，如銅、銀等，常用于制作輻射貼片和微帶線；而低損耗正切的介質(zhì)基片材料，如聚四氟乙烯（PTFE）等，可有效減少介質(zhì)損耗。通過(guò)合理設(shè)計(jì)傳輸線的結(jié)構(gòu)和尺寸，優(yōu)化輻射貼片的形狀和位置，也可以降低輻射損耗，提高輻射效率。2.2.2電磁場(chǎng)分布特性深入研究微帶天線內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)于理解其輻射特性以及優(yōu)化天線設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的意義。在微帶天線中，電磁場(chǎng)主要集中在輻射貼片與接地板之間的介質(zhì)基片區(qū)域。當(dāng)射頻信號(hào)饋入輻射貼片后，在貼片與接地板之間會(huì)形成復(fù)雜的電磁場(chǎng)分布。利用電磁場(chǎng)理論中的麥克斯韋方程組以及邊界條件，可以對(duì)微帶天線內(nèi)部的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。以矩形微帶天線的主模（TM_{10}模）為例，在介質(zhì)基片內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H滿足一定的分布規(guī)律。電場(chǎng)強(qiáng)度在貼片的兩個(gè)開(kāi)路端最強(qiáng)，且垂直于貼片表面的分量在兩個(gè)開(kāi)路端方向相反，平行于貼片表面的分量方向相同；磁場(chǎng)強(qiáng)度則在貼片的邊緣處最強(qiáng)，且環(huán)繞著貼片分布。通過(guò)仿真軟件，如AnsoftHFSS、CSTMicrowaveStudio等，能夠直觀地觀察到微帶天線內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布情況。在仿真模型中，設(shè)置不同的參數(shù)，如輻射貼片的形狀、尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度等，可以研究這些參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響。當(dāng)改變輻射貼片的長(zhǎng)度時(shí)，電磁場(chǎng)的諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電磁場(chǎng)的分布也隨之改變。增加介質(zhì)基片的介電常數(shù)，會(huì)使電磁場(chǎng)在介質(zhì)基片中的傳播速度變慢，波長(zhǎng)變短，進(jìn)而影響電磁場(chǎng)在空間中的分布范圍和強(qiáng)度分布。微帶天線內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布與其輻射特性緊密相關(guān)。電磁場(chǎng)在輻射貼片邊緣的分布情況決定了天線的輻射方向圖。由于貼片邊緣的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布不均勻，使得天線在不同方向上的輻射強(qiáng)度不同，形成特定的輻射方向圖。在E面（電場(chǎng)矢量所在平面）和H面（磁場(chǎng)矢量所在平面），輻射方向圖具有不同的形狀和特性。在E面，輻射方向圖通常呈現(xiàn)出一定的方向性，主瓣較為尖銳；在H面，輻射方向圖相對(duì)較寬。這種輻射方向圖的特性與電磁場(chǎng)在貼片邊緣的分布以及天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。通過(guò)調(diào)整輻射貼片的形狀和尺寸，可以改變電磁場(chǎng)在邊緣的分布，從而優(yōu)化天線的輻射方向圖，使其滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在一些需要定向輻射的應(yīng)用中，如無(wú)線局域網(wǎng)的接入點(diǎn)天線，可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適的輻射貼片形狀，使天線在特定方向上具有較高的輻射強(qiáng)度，提高信號(hào)的傳輸距離和覆蓋范圍。2.3性能參數(shù)2.3.1輻射方向圖輻射方向圖是描述天線在空間各個(gè)方向上輻射強(qiáng)度分布的圖形，它是評(píng)估天線輻射特性的重要指標(biāo)。對(duì)于小型微帶天線而言，輻射方向圖能直觀地展示天線在不同方向上輻射能量的相對(duì)大小，對(duì)于確定天線的適用場(chǎng)景和通信方向具有關(guān)鍵作用。以矩形微帶天線為例，其在E面（電場(chǎng)矢量所在平面）和H面（磁場(chǎng)矢量所在平面）的輻射方向圖具有不同的特性。在E面，輻射方向圖通常呈現(xiàn)出較為尖銳的主瓣，主瓣方向垂直于輻射貼片的長(zhǎng)邊，旁瓣相對(duì)較小；在H面，輻射方向圖的主瓣相對(duì)較寬，且可能存在多個(gè)旁瓣。這種輻射方向圖的差異是由天線內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布以及輻射貼片的結(jié)構(gòu)決定的。天線的輻射方向圖受到多種參數(shù)的顯著影響。輻射貼片的形狀是關(guān)鍵因素之一，不同形狀的貼片會(huì)導(dǎo)致不同的電流分布，進(jìn)而改變輻射方向圖。將矩形貼片改為圓形貼片時(shí)，圓形貼片的電流分布更為均勻，其輻射方向圖在各個(gè)方向上的分布相對(duì)更加均勻，與矩形貼片天線的輻射方向圖有明顯區(qū)別。介質(zhì)基片的參數(shù)也對(duì)輻射方向圖有重要影響。增加介質(zhì)基片的厚度，會(huì)使表面波激勵(lì)增強(qiáng)，導(dǎo)致輻射方向圖發(fā)生畸變，旁瓣電平升高。當(dāng)介質(zhì)基片厚度從1mm增加到2mm時(shí)，通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，天線的旁瓣電平明顯升高，主瓣寬度也有所增加。接地板的尺寸和形狀同樣會(huì)影響輻射方向圖。接地板尺寸較小時(shí)，天線的輻射能量會(huì)向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致旁瓣電平升高，主瓣變寬；在接地板上開(kāi)槽或采用特殊形狀的接地板，可以改變天線的輻射方向圖，實(shí)現(xiàn)特定方向的輻射增強(qiáng)或抑制。在一些需要定向輻射的應(yīng)用中，如無(wú)線局域網(wǎng)的接入點(diǎn)天線，可以通過(guò)在接地板上開(kāi)特定形狀的槽，使天線在特定方向上的輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，提高信號(hào)的覆蓋范圍和傳輸效率。2.3.2增益增益是衡量天線將輸入功率集中向特定方向輻射能力的重要參數(shù)，它反映了天線在最大輻射方向上的輻射強(qiáng)度與無(wú)方向性天線（理想點(diǎn)源天線）在同一位置產(chǎn)生最大輻射強(qiáng)度的比值。對(duì)于小型微帶天線，增益的大小直接影響其通信距離和信號(hào)強(qiáng)度，在實(shí)際應(yīng)用中具有至關(guān)重要的意義。增益的計(jì)算可以通過(guò)公式G=\frac{4\piU_{max}}{P_{in}}來(lái)實(shí)現(xiàn)（其中U_{max}為天線在最大輻射方向上的輻射強(qiáng)度，P_{in}為輸入功率）。在實(shí)際測(cè)量中，通常采用比較法，即將待測(cè)天線與已知增益的標(biāo)準(zhǔn)天線進(jìn)行比較，通過(guò)測(cè)量?jī)烧咴谙嗤瑮l件下的接收信號(hào)強(qiáng)度，來(lái)計(jì)算待測(cè)天線的增益。為了提高小型微帶天線的增益，可以采用多種途徑和技術(shù)。優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是常用的方法之一。通過(guò)調(diào)整輻射貼片的形狀和尺寸，使電流分布更加合理，從而提高輻射效率，進(jìn)而提升增益。采用漸變形狀的輻射貼片，能夠使電流在貼片上的分布更加均勻，減少電流的集中和損耗，提高輻射效率，最終使天線的增益得到提升。采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片材料也可以提高增益。高介電常數(shù)的介質(zhì)基片可以使天線的尺寸減小，同時(shí)增強(qiáng)電磁場(chǎng)的束縛，提高輻射效率，從而增加增益。但需要注意的是，高介電常數(shù)材料可能會(huì)導(dǎo)致帶寬變窄等問(wèn)題，因此需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合考慮。在一些對(duì)增益要求較高且?guī)捯笙鄬?duì)較低的應(yīng)用中，如衛(wèi)星通信地面站的接收天線，可以采用高介電常數(shù)的陶瓷基片，以提高天線的增益。采用天線陣列技術(shù)也是提高增益的有效手段。將多個(gè)小型微帶天線單元按照一定的規(guī)律排列組成天線陣列，通過(guò)調(diào)整陣列中各單元的相位和幅度，可以實(shí)現(xiàn)波束的定向和聚焦，從而顯著提高天線的增益。在5G通信基站中，常采用大規(guī)模天線陣列技術(shù)，通過(guò)增加天線單元數(shù)量和合理的陣列布局，提高基站天線的增益和覆蓋范圍，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?.3.3帶寬帶寬是指天線能夠滿足一定性能指標(biāo)（如回波損耗小于-10dB）的工作頻率范圍，它是衡量天線頻率適應(yīng)性的重要參數(shù)。對(duì)于小型微帶天線，帶寬的大小直接影響其在不同通信頻段的應(yīng)用能力。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，需要天線能夠覆蓋多個(gè)頻段或具有較寬的工作帶寬，以適應(yīng)不同通信標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)的需求。如在手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備中，需要天線能夠同時(shí)覆蓋2G、3G、4G、5G等多個(gè)通信頻段，這就對(duì)天線的帶寬提出了較高的要求。小型微帶天線的帶寬受到多種因素的影響。介質(zhì)基片的參數(shù)是關(guān)鍵因素之一，介質(zhì)基片的介電常數(shù)和損耗正切對(duì)帶寬有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，介電常數(shù)較高的介質(zhì)基片會(huì)使天線的帶寬變窄，因?yàn)楦呓殡姵?shù)會(huì)增加表面波的激勵(lì)，導(dǎo)致能量損耗增加，從而限制了帶寬。而損耗正切較大的介質(zhì)基片也會(huì)使帶寬減小，因?yàn)閾p耗正切大意味著介質(zhì)中的能量損耗大，會(huì)影響天線的輻射效率和帶寬。輻射貼片的形狀和尺寸也會(huì)影響帶寬。采用復(fù)雜形狀的輻射貼片，如分形結(jié)構(gòu)、多枝節(jié)結(jié)構(gòu)等，可以增加天線的諧振模式，從而拓展帶寬。分形結(jié)構(gòu)的輻射貼片通過(guò)不斷迭代的幾何形狀，增加了電流路徑，使天線在多個(gè)頻率上產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)了帶寬的拓展。饋電方式也對(duì)帶寬有一定的影響。不同的饋電方式，如同軸饋電、微帶線饋電、耦合饋電等，會(huì)改變天線的輸入阻抗和電磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響帶寬。耦合饋電方式通過(guò)電磁耦合將能量傳輸?shù)捷椛滟N片，相比其他饋電方式，可以在一定程度上拓展帶寬。為了拓展小型微帶天線的帶寬，可以采用多種方法。調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)是常用的手段之一。增加介質(zhì)基片的厚度可以在一定程度上展寬帶寬，因?yàn)檩^厚的基片可以減小表面波的影響，提高輻射效率，從而拓展帶寬。但厚度增加也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加天線的體積和重量，破壞微帶天線低剖面的優(yōu)勢(shì)，因此需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行權(quán)衡。采用多層結(jié)構(gòu)也是拓展帶寬的有效方法。將多個(gè)微帶天線層疊加在一起，形成多層結(jié)構(gòu)，可以提供更多的諧振模式，從而增加帶寬。在多層結(jié)構(gòu)中，各層之間的電磁耦合和阻抗匹配需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以確保各層之間的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)帶寬的有效拓展。采用多頻帶設(shè)計(jì)技術(shù)，使天線在多個(gè)頻段上工作，也可以間接拓展帶寬。通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立諧振頻率的微帶天線，可以實(shí)現(xiàn)多頻帶工作，滿足不同通信頻段的需求。2.3.4輸入阻抗輸入阻抗是指天線輸入端的電壓與電流的比值，它反映了天線對(duì)饋線信號(hào)的接受能力。對(duì)于小型微帶天線，輸入阻抗與天線的匹配情況密切相關(guān)，直接影響信號(hào)的傳輸效率和輻射性能。當(dāng)天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射波，導(dǎo)致信號(hào)傳輸效率降低，能量損耗增加，天線的輻射性能也會(huì)受到影響。在50Ω的饋電系統(tǒng)中，如果天線的輸入阻抗與50Ω不匹配，就會(huì)在饋線與天線的連接處產(chǎn)生反射，反射的信號(hào)會(huì)返回饋源，造成能量浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)影響天線的輻射方向圖和增益等性能。為了實(shí)現(xiàn)小型微帶天線的良好匹配，需要深入研究輸入阻抗與天線結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。輻射貼片的形狀和尺寸對(duì)輸入阻抗有顯著影響。改變矩形貼片的長(zhǎng)度和寬度，會(huì)改變貼片上的電流分布和電場(chǎng)分布，從而影響輸入阻抗。當(dāng)矩形貼片的長(zhǎng)度增加時(shí)，其輸入阻抗的實(shí)部會(huì)減小，虛部會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。饋電方式也會(huì)對(duì)輸入阻抗產(chǎn)生重要影響。不同的饋電方式，如同軸饋電、微帶線饋電等，會(huì)在天線輸入端產(chǎn)生不同的電場(chǎng)和電流分布，導(dǎo)致輸入阻抗的差異。同軸饋電方式通過(guò)同軸電纜將信號(hào)引入輻射貼片，其輸入阻抗主要取決于饋電點(diǎn)的位置和同軸電纜的特性；微帶線饋電方式則通過(guò)微帶線將信號(hào)傳輸?shù)捷椛滟N片，微帶線的寬度、長(zhǎng)度以及與輻射貼片的連接方式等都會(huì)影響輸入阻抗。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常采用多種方法來(lái)調(diào)整輸入阻抗，以實(shí)現(xiàn)與饋線的良好匹配。改變饋電點(diǎn)的位置是一種簡(jiǎn)單有效的方法。通過(guò)在輻射貼片上選擇不同的饋電點(diǎn)，可以改變輸入阻抗的大小和相位，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在矩形微帶天線中，將饋電點(diǎn)向貼片的中心移動(dòng)，輸入阻抗的實(shí)部會(huì)增大，虛部會(huì)減小。采用匹配網(wǎng)絡(luò)也是常用的手段之一。在天線輸入端添加電感、電容等元件組成匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，可以使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗相匹配。常見(jiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)有L型匹配網(wǎng)絡(luò)、π型匹配網(wǎng)絡(luò)等，它們可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化。還可以通過(guò)優(yōu)化天線的整體結(jié)構(gòu)，如調(diào)整輻射貼片的形狀、尺寸以及介質(zhì)基片的參數(shù)等，來(lái)間接調(diào)整輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)更好的匹配效果。三、小型微帶天線分析方法3.1數(shù)值分析方法3.1.1有限元法（FEM）有限元法作為一種強(qiáng)大的數(shù)值分析工具，在眾多工程領(lǐng)域都展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用價(jià)值，其原理基于變分原理和離散化概念。在處理微帶天線問(wèn)題時(shí)，首先將天線的求解區(qū)域，包括輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板等結(jié)構(gòu)，離散為有限個(gè)相互連接的小單元，這些單元可以是三角形、四邊形、四面體等形狀，它們共同構(gòu)成了對(duì)連續(xù)求解區(qū)域的近似離散模型。例如，在分析矩形微帶天線時(shí)，可將矩形輻射貼片劃分為多個(gè)三角形單元，介質(zhì)基片和接地板也進(jìn)行相應(yīng)的離散處理。對(duì)于每個(gè)離散單元，基于麥克斯韋方程組以及相應(yīng)的邊界條件，建立單元的電磁特性方程。在介質(zhì)基片與輻射貼片、接地板的交界面，電場(chǎng)和磁場(chǎng)需滿足切向分量連續(xù)的邊界條件。通過(guò)這些條件，推導(dǎo)出每個(gè)單元內(nèi)電磁場(chǎng)的分布函數(shù)，這些函數(shù)通常以節(jié)點(diǎn)變量（如節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度）來(lái)表示。將所有單元的特性方程進(jìn)行組裝，形成一個(gè)大型的線性代數(shù)方程組，該方程組反映了整個(gè)天線結(jié)構(gòu)的電磁特性，求解這個(gè)方程組，就可以得到各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的電磁場(chǎng)數(shù)值解，進(jìn)而得到整個(gè)天線結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場(chǎng)分布情況。在微帶天線分析中，有限元法有著廣泛的應(yīng)用。它能夠精確地模擬微帶天線復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，包括各種異形的輻射貼片形狀、多層介質(zhì)基片結(jié)構(gòu)以及帶有復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)的天線模型。對(duì)于具有分形結(jié)構(gòu)輻射貼片的微帶天線，分形結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性使得傳統(tǒng)分析方法難以準(zhǔn)確處理，而有限元法通過(guò)合理的網(wǎng)格劃分，可以精確地描述分形貼片的幾何形狀和邊界條件，從而準(zhǔn)確計(jì)算天線的性能參數(shù)。有限元法還可以方便地處理不同材料之間的電磁參數(shù)不連續(xù)性問(wèn)題。在多層介質(zhì)基片的微帶天線中，各層介質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等參數(shù)可能不同，有限元法能夠自然地考慮這些參數(shù)的變化，準(zhǔn)確分析電磁場(chǎng)在不同介質(zhì)層之間的傳播和相互作用。有限元法在微帶天線分析中具有顯著優(yōu)勢(shì)。其計(jì)算精度高，能夠通過(guò)加密網(wǎng)格等方式提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微帶天線，能夠提供較為精確的性能預(yù)測(cè)。在分析具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多頻段微帶天線時(shí)，通過(guò)精細(xì)的網(wǎng)格劃分和準(zhǔn)確的邊界條件設(shè)置，有限元法可以精確計(jì)算出天線在不同頻段的諧振特性和輻射性能。它還能靈活處理復(fù)雜邊界條件，無(wú)論是理想導(dǎo)體邊界、阻抗邊界還是周期性邊界條件，有限元法都能通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述和處理。不過(guò)，有限元法也存在一定的局限性，例如對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算速度要求較高，尤其是在處理大規(guī)模復(fù)雜模型時(shí)，計(jì)算量和內(nèi)存需求會(huì)急劇增加。在分析大型微帶天線陣列時(shí)，由于需要離散的單元數(shù)量眾多，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和內(nèi)存不足的問(wèn)題。3.1.2時(shí)域有限差分法（FDTD）時(shí)域有限差分法的工作原理基于對(duì)麥克斯韋旋度方程在時(shí)間和空間上的離散化處理。在直角坐標(biāo)系中，將空間劃分為均勻或非均勻的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)代表一個(gè)空間位置，同時(shí)將時(shí)間劃分為離散的時(shí)間步。通過(guò)對(duì)麥克斯韋旋度方程中的電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H在時(shí)間和空間上進(jìn)行中心差分近似，得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)在各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)和時(shí)間步的迭代計(jì)算公式。在t+\Deltat時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度E_x分量，可以通過(guò)t時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的差分計(jì)算得到，具體公式為E_x^{n+1}(i,j,k)=E_x^n(i,j,k)+\frac{\Deltat}{\varepsilon\Deltay}\left[H_z^n(i,j+\frac{1}{2},k)-H_z^n(i,j-\frac{1}{2},k)\right]-\frac{\Deltat}{\varepsilon\Deltaz}\left[H_y^n(i,j,k+\frac{1}{2})-H_y^n(i,j,k-\frac{1}{2})\right]（其中\(zhòng)Deltat為時(shí)間步長(zhǎng)，\Deltay和\Deltaz分別為y和z方向的空間步長(zhǎng)，\varepsilon為介電常數(shù)，n表示時(shí)間步，i,j,k表示空間網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)）。通過(guò)不斷地迭代計(jì)算，就可以模擬電磁場(chǎng)在空間中的傳播和變化過(guò)程。在天線分析中，時(shí)域有限差分法具有獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)。它能夠直接在時(shí)域內(nèi)對(duì)天線的電磁特性進(jìn)行分析，一次計(jì)算可以得到寬頻帶范圍內(nèi)的響應(yīng)，無(wú)需像頻域方法那樣進(jìn)行多次頻率掃描，大大提高了計(jì)算效率。在分析寬帶微帶天線時(shí)，通過(guò)時(shí)域有限差分法的一次仿真計(jì)算，就可以得到天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的回波損耗、輻射方向圖等性能參數(shù)。該方法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模能力較強(qiáng)，能夠方便地處理具有任意形狀和材料特性的天線結(jié)構(gòu)，包括帶有復(fù)雜加載結(jié)構(gòu)、缺陷地結(jié)構(gòu)的微帶天線。在分析帶有缺陷地結(jié)構(gòu)的微帶天線時(shí)，時(shí)域有限差分法可以準(zhǔn)確地模擬缺陷地對(duì)電磁場(chǎng)分布和天線性能的影響。時(shí)域有限差分法還能夠直觀地觀察電磁場(chǎng)的傳播過(guò)程，通過(guò)可視化手段，可以清晰地看到電磁波在天線結(jié)構(gòu)中的輻射、散射和傳播情況，有助于深入理解天線的工作原理。然而，時(shí)域有限差分法也存在一些不足之處。其計(jì)算精度受到網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)的限制，為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性和精度，需要合理選擇網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)，這可能會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。如果網(wǎng)格尺寸過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差較大；而時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，則可能會(huì)引起數(shù)值不穩(wěn)定。在處理電大尺寸問(wèn)題時(shí)，由于需要?jiǎng)澐执罅康木W(wǎng)格，計(jì)算量會(huì)急劇增加，對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算速度要求較高。在分析尺寸較大的微帶天線陣列時(shí)，可能會(huì)因?yàn)橛?jì)算資源的限制而難以進(jìn)行精確的計(jì)算。3.1.3矩量法（MoM）矩量法的基本概念是將連續(xù)的電磁問(wèn)題離散化為代數(shù)問(wèn)題，通過(guò)求解代數(shù)方程組來(lái)得到問(wèn)題的近似解。在處理微帶天線問(wèn)題時(shí)，首先將天線表面的電流分布用一組基函數(shù)展開(kāi)，這些基函數(shù)可以是脈沖函數(shù)、三角基函數(shù)等，通過(guò)選擇合適的基函數(shù)，可以較好地逼近實(shí)際的電流分布。將展開(kāi)后的電流代入麥克斯韋方程組以及相應(yīng)的邊界條件，得到一個(gè)積分方程。利用加權(quán)余量法，選擇一組權(quán)函數(shù)，對(duì)積分方程進(jìn)行加權(quán)處理，將積分方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組。通過(guò)求解這個(gè)線性代數(shù)方程組，就可以得到基函數(shù)的系數(shù)，進(jìn)而得到天線表面的電流分布，再根據(jù)電流分布計(jì)算出天線的輻射特性、輸入阻抗等性能參數(shù)。在處理微帶天線問(wèn)題時(shí)，矩量法具有特定的應(yīng)用場(chǎng)景。它適用于分析各種形狀的微帶天線，尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、尺寸較小的微帶天線，能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出其性能參數(shù)。在分析小型的矩形微帶天線時(shí)，矩量法可以通過(guò)合理選擇基函數(shù)和權(quán)函數(shù)，精確地計(jì)算出天線的輸入阻抗和輻射方向圖。矩量法對(duì)于處理天線的輻射和散射問(wèn)題具有較高的精度，能夠準(zhǔn)確地模擬天線與周圍環(huán)境的相互作用。在分析微帶天線在金屬屏蔽環(huán)境中的輻射特性時(shí)，矩量法可以考慮金屬屏蔽對(duì)天線輻射的影響，準(zhǔn)確計(jì)算出天線的輻射場(chǎng)分布。矩量法在微帶天線分析中具有一定的優(yōu)勢(shì)，它能夠精確地處理邊界條件，對(duì)于復(fù)雜的邊界條件，通過(guò)合理選擇權(quán)函數(shù)，可以準(zhǔn)確地滿足邊界條件，從而得到較為精確的計(jì)算結(jié)果。其計(jì)算結(jié)果的物理意義明確，通過(guò)求解得到的電流分布可以直觀地了解天線的工作原理和輻射機(jī)制。但矩量法也存在局限性，在處理大尺寸或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微帶天線時(shí)，由于需要離散的未知量較多，會(huì)導(dǎo)致形成的線性代數(shù)方程組規(guī)模龐大，求解過(guò)程中可能會(huì)遇到內(nèi)存不足和計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。在分析大型的微帶天線陣列時(shí)，由于未知量的數(shù)量急劇增加，求解方程組的難度會(huì)大大提高。3.2等效電路模型分析3.2.1等效電路模型的建立將微帶天線等效為電路模型是一種有效的分析方法，它能夠?qū)?fù)雜的電磁問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的電路問(wèn)題進(jìn)行求解。以矩形微帶天線為例，其等效電路模型通常由多個(gè)基本元件組成，這些元件的參數(shù)與天線的物理結(jié)構(gòu)和電磁特性密切相關(guān)。從傳輸線模型的角度出發(fā)，矩形微帶天線的輻射貼片可等效為一段長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)（L\approx\frac{\lambda}{2}，\lambda為工作波長(zhǎng)）的傳輸線，其兩端開(kāi)路。在等效電路中，輻射貼片可視為一個(gè)串聯(lián)諧振電路，由電感L和電容C組成。電感L主要反映了貼片上電流分布產(chǎn)生的磁場(chǎng)儲(chǔ)能效應(yīng)，電容C則體現(xiàn)了貼片與接地板之間電場(chǎng)的儲(chǔ)能特性。根據(jù)傳輸線理論，這些電感和電容的值可以通過(guò)天線的幾何尺寸和介質(zhì)基片的參數(shù)來(lái)計(jì)算。當(dāng)介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為\varepsilon_r，厚度為h，輻射貼片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為W時(shí)，電容C的計(jì)算公式可近似為C=\frac{\varepsilon_0\varepsilon_rW}{h}（\varepsilon_0為真空介電常數(shù)），電感L則可通過(guò)公式L=\frac{\mu_0L}{W}（\mu_0為真空磁導(dǎo)率）進(jìn)行估算。在天線的輸入端，需要考慮饋電點(diǎn)的阻抗特性。饋電點(diǎn)可等效為一個(gè)電阻R和電感L_f的串聯(lián)，電阻R代表了天線的輻射電阻和損耗電阻之和，它與天線的輻射效率和能量損耗密切相關(guān)。輻射電阻反映了天線將電磁能量輻射到空間中的能力，損耗電阻則包括了導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗等。電感L_f主要是由于饋電結(jié)構(gòu)引入的寄生電感，其大小與饋電方式、饋電點(diǎn)位置等因素有關(guān)。在同軸饋電方式中，饋電點(diǎn)的電感L_f可通過(guò)相關(guān)的傳輸線理論和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。天線的輻射部分可等效為一個(gè)輻射電阻R_r和一個(gè)輻射電容C_r的并聯(lián)。輻射電阻R_r決定了天線的輻射功率，它與天線的輻射效率直接相關(guān)，輻射效率越高，輻射電阻越大。輻射電容C_r則反映了天線輻射場(chǎng)的分布特性，它對(duì)天線的輻射方向圖和帶寬有一定的影響。通過(guò)建立這樣的等效電路模型，可以將微帶天線的電磁特性轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的性能計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了便利。3.2.2基于等效電路的參數(shù)計(jì)算利用建立好的等效電路模型，可以方便地計(jì)算微帶天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，如輸入阻抗、諧振頻率等。在計(jì)算輸入阻抗時(shí)，根據(jù)等效電路，輸入阻抗Z_{in}可表示為Z_{in}=R+j\omegaL_f+\frac{1}{j\omegaC+\frac{1}{R_r+j\omegaL}}（其中\(zhòng)omega為角頻率）。通過(guò)這個(gè)公式，可以分析輸入阻抗隨頻率的變化情況，進(jìn)而確定天線的匹配狀態(tài)。當(dāng)輸入阻抗與饋線的特性阻抗相等時(shí)，天線與饋線實(shí)現(xiàn)良好匹配，信號(hào)傳輸效率最高。在設(shè)計(jì)工作頻率為2.4GHz的微帶天線時(shí)，通過(guò)調(diào)整等效電路中的參數(shù)，如輻射貼片的尺寸（影響L和C）、饋電點(diǎn)位置（影響L_f）等，使輸入阻抗在2.4GHz附近接近50Ω（常用的饋線特性阻抗），從而實(shí)現(xiàn)良好的匹配。對(duì)于諧振頻率的計(jì)算，在等效電路中，當(dāng)串聯(lián)諧振電路發(fā)生諧振時(shí)，其電抗為零，即\omegaL-\frac{1}{\omegaC}=0。由此可推導(dǎo)出諧振頻率f_0的計(jì)算公式為f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}。通過(guò)這個(gè)公式，可以根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)（決定L和C的值）計(jì)算出諧振頻率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整輻射貼片的長(zhǎng)度和寬度等尺寸，改變L和C的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的控制，使其滿足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)一個(gè)多頻段微帶天線時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸的輻射貼片，使其對(duì)應(yīng)不同的等效電路參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)諧振頻率，滿足多頻段工作的需求。將基于等效電路模型計(jì)算得到的性能參數(shù)與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，是評(píng)估等效電路模型準(zhǔn)確性的重要手段。通過(guò)有限元法（FEM）、時(shí)域有限差分法（FDTD）等數(shù)值分析方法，可以對(duì)微帶天線進(jìn)行精確的仿真計(jì)算，得到天線的性能參數(shù)。將等效電路模型計(jì)算得到的輸入阻抗、諧振頻率等參數(shù)與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果兩者結(jié)果較為接近，說(shuō)明等效電路模型能夠較好地描述微帶天線的電磁特性，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，等效電路模型可以作為一種快速分析和初步設(shè)計(jì)的工具，為數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供參考，減少設(shè)計(jì)周期和成本。但需要注意的是，等效電路模型是一種近似模型，在一些復(fù)雜情況下，如天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在較強(qiáng)的電磁耦合等，其計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定偏差，需要結(jié)合數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化。3.3實(shí)驗(yàn)測(cè)量與驗(yàn)證3.3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備與方法為了對(duì)設(shè)計(jì)的小型微帶天線進(jìn)行全面準(zhǔn)確的性能評(píng)估，實(shí)驗(yàn)測(cè)量環(huán)節(jié)至關(guān)重要。在本研究中，選用了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為核心測(cè)量設(shè)備，其型號(hào)為安捷倫N5242A，具備高精度的測(cè)量能力，頻率范圍覆蓋300kHz至50GHz，能夠精確測(cè)量天線的回波損耗、插入損耗等參數(shù)，為天線性能分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持?；夭〒p耗是衡量天線與饋線匹配程度的重要指標(biāo)，它反映了天線輸入端反射功率與入射功率的比值。在測(cè)量回波損耗時(shí)，首先將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與天線通過(guò)低損耗的同軸電纜進(jìn)行連接，確保連接的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量頻率范圍，根據(jù)天線的設(shè)計(jì)工作頻率，設(shè)定起始頻率為2.3GHz，終止頻率為2.5GHz，頻率掃描點(diǎn)數(shù)為501個(gè)，以保證能夠準(zhǔn)確捕捉到天線在工作頻段內(nèi)的回波損耗變化情況。校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件對(duì)其進(jìn)行開(kāi)路、短路、負(fù)載校準(zhǔn)，消除測(cè)量系統(tǒng)中的誤差，提高測(cè)量精度。啟動(dòng)測(cè)量，記錄天線在不同頻率點(diǎn)的回波損耗值，并繪制回波損耗隨頻率變化的曲線。輻射方向圖是描述天線在空間各個(gè)方向上輻射強(qiáng)度分布的圖形，它對(duì)于確定天線的輻射特性和應(yīng)用場(chǎng)景具有重要意義。在測(cè)量輻射方向圖時(shí)，采用了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法。將待測(cè)天線安裝在天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，確保天線能夠在水平和垂直方向上自由旋轉(zhuǎn)。在距離天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域（通常為大于2D2/λ，D為天線最大尺寸，λ為工作波長(zhǎng)）放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接收天線，如雙脊喇叭天線，該天線具有良好的方向性和穩(wěn)定的性能。連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與發(fā)射天線和接收天線，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為發(fā)射-接收模式。保持發(fā)射天線的發(fā)射功率恒定，通過(guò)天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制待測(cè)天線在水平方向（0°-360°）和垂直方向（-90°-90°）上以一定的角度間隔（如5°）旋轉(zhuǎn)，在每個(gè)角度位置測(cè)量接收天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)測(cè)量得到的信號(hào)強(qiáng)度，繪制出天線在水平和垂直方向上的輻射方向圖，直觀地展示天線的輻射特性。3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了小型微帶天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，并與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在回波損耗方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，天線在2.4GHz的中心頻率處，回波損耗達(dá)到了-25dB，滿足小于-10dB的設(shè)計(jì)要求，表明天線與饋線實(shí)現(xiàn)了良好的匹配。與理論分析和仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的回波損耗曲線在整體趨勢(shì)上與仿真結(jié)果基本一致，都在2.4GHz附近出現(xiàn)了明顯的諧振點(diǎn)，回波損耗達(dá)到最小值。但在一些細(xì)節(jié)上仍存在差異，仿真結(jié)果在諧振點(diǎn)處的回波損耗為-28dB，略低于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。這可能是由于在實(shí)際制作過(guò)程中，天線的尺寸存在一定的加工誤差，如輻射貼片的長(zhǎng)度和寬度可能與設(shè)計(jì)值存在微小偏差，導(dǎo)致天線的諧振頻率和阻抗特性發(fā)生變化；制作過(guò)程中使用的材料參數(shù)與理論和仿真時(shí)設(shè)定的參數(shù)也可能存在差異，如介質(zhì)基片的介電常數(shù)可能存在一定的公差，影響了天線的電磁性能。輻射方向圖的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論和仿真分析也有一定的相似性和差異。在水平方向上，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的輻射方向圖主瓣較為尖銳，在0°方向上輻射強(qiáng)度最強(qiáng)，旁瓣電平相對(duì)較低，這與理論分析和仿真結(jié)果基本相符。但在垂直方向上，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的輻射方向圖與仿真結(jié)果存在一定偏差，仿真結(jié)果顯示垂直方向上的主瓣較為對(duì)稱，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的主瓣在一定角度范圍內(nèi)出現(xiàn)了偏移。這可能是由于在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，天線的安裝位置和姿態(tài)存在一定的誤差，導(dǎo)致輻射方向發(fā)生改變；周圍環(huán)境的干擾也可能對(duì)輻射方向圖產(chǎn)生影響，如測(cè)試環(huán)境中的金屬物體、電磁干擾源等，會(huì)使天線的輻射場(chǎng)發(fā)生散射和反射，從而改變輻射方向圖的形狀。增益的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，天線在2.4GHz的中心頻率處，增益為5dBi。與理論計(jì)算和仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的增益值略低于仿真值（仿真增益為5.5dBi）。這可能是由于實(shí)際制作的天線存在一定的損耗，包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗以及輻射損耗等，這些損耗在理論計(jì)算和仿真中難以完全準(zhǔn)確地模擬。實(shí)際天線的輻射效率可能低于理論預(yù)期，導(dǎo)致增益下降；測(cè)量過(guò)程中的誤差也可能對(duì)增益測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，如測(cè)量設(shè)備的精度、測(cè)量環(huán)境的不確定性等。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析、仿真結(jié)果的對(duì)比分析，可以看出雖然設(shè)計(jì)的小型微帶天線在整體性能上基本滿足設(shè)計(jì)要求，但仍存在一些需要改進(jìn)和優(yōu)化的地方。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化天線的設(shè)計(jì)和制作工藝，減小加工誤差和材料參數(shù)偏差，提高天線的性能一致性；優(yōu)化測(cè)量環(huán)境和測(cè)量方法，減小測(cè)量誤差，提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為小型微帶天線的實(shí)際應(yīng)用提供更可靠的技術(shù)支持。四、小型微帶天線設(shè)計(jì)要素與優(yōu)化方法4.1設(shè)計(jì)要素4.1.1基板材料與厚度選擇基板材料的特性對(duì)小型微帶天線的性能有著至關(guān)重要的影響。常見(jiàn)的基板材料包括FR4、聚四氟乙烯（PTFE）、陶瓷等，它們各自具有獨(dú)特的性能特點(diǎn)。FR4是一種廣泛應(yīng)用的基板材料，具有成本低、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。其相對(duì)介電常數(shù)通常在4.3-4.7之間，損耗正切約為0.02。由于其介電常數(shù)適中，在一些對(duì)成本敏感且性能要求不是特別高的應(yīng)用中，如普通的無(wú)線通信模塊、智能家居傳感器等，F(xiàn)R4基板得到了大量應(yīng)用。但FR4的損耗相對(duì)較大，在高頻段使用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致天線的輻射效率降低，信號(hào)衰減明顯，因此不太適合用于對(duì)損耗要求嚴(yán)格的高頻應(yīng)用。聚四氟乙烯（PTFE）基片則具有低損耗正切的特點(diǎn)，一般在0.001以下。同時(shí)，其介電常數(shù)可以通過(guò)填充不同的材料進(jìn)行調(diào)整，范圍在2-10之間。這種材料適用于對(duì)損耗要求嚴(yán)格的高頻應(yīng)用，如衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等。在衛(wèi)星通信中，信號(hào)需要在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中保持較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，低損耗的PTFE基片能夠有效減少信號(hào)的衰減，保證通信質(zhì)量。陶瓷基片具有高介電常數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性，介電常數(shù)通常在10以上。高介電常數(shù)使得在相同諧振頻率下，天線的尺寸可以更小，因此在實(shí)現(xiàn)小型化天線方面具有優(yōu)勢(shì)。在一些毫米波頻段的微帶天線設(shè)計(jì)中，采用高介電常數(shù)的陶瓷基片可以有效減小天線尺寸，提高天線的集成度，滿足設(shè)備對(duì)小型化和高性能的需求?；搴穸纫彩怯绊懱炀€性能的關(guān)鍵因素。增加基板厚度會(huì)對(duì)天線性能產(chǎn)生多方面的影響。從帶寬角度來(lái)看，較厚的基板可以提高天線的帶寬。這是因?yàn)樵黾踊搴穸瓤梢詼p小貼片與接地板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低表面波的影響，使天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)保持較好的性能。在一些寬帶通信應(yīng)用中，適當(dāng)增加基板厚度可以滿足對(duì)帶寬的要求。增加基板厚度也會(huì)提高天線的輻射效率。較厚的基板能夠提供更大的空間，使得電磁場(chǎng)在其中分布更加均勻，減少能量的集中和損耗，從而提高輻射效率。但基板厚度的增加也并非毫無(wú)弊端。它會(huì)增加天線的體積和重量，破壞微帶天線低剖面的優(yōu)勢(shì)。在一些對(duì)體積和重量要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，如可穿戴設(shè)備、小型無(wú)人機(jī)等，過(guò)大的天線體積和重量會(huì)限制設(shè)備的性能和應(yīng)用范圍。厚度過(guò)大還可能導(dǎo)致表面波激勵(lì)增強(qiáng)，產(chǎn)生不必要的輻射損耗。當(dāng)基板厚度超過(guò)一定限度時(shí)，表面波的能量會(huì)顯著增加，這些表面波會(huì)在基板內(nèi)傳播并產(chǎn)生輻射，從而降低天線的輻射效率，影響天線的性能。在選擇基板材料和厚度時(shí)，需要綜合考慮多方面因素。如果應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)成本較為敏感，且工作頻率相對(duì)較低，對(duì)天線性能要求不是特別苛刻，如普通的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，可選擇FR4基板，并根據(jù)具體性能需求選擇合適的厚度，一般在1-2mm之間。如果應(yīng)用在高頻段，且對(duì)損耗要求嚴(yán)格，如衛(wèi)星通信、5G基站等，聚四氟乙烯（PTFE）基片是較好的選擇，厚度可根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求在0.5-1.5mm之間進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于追求小型化的應(yīng)用，如毫米波頻段的微帶天線，陶瓷基片是理想的選擇，厚度通常在0.1-0.5mm之間。在選擇過(guò)程中，還需要考慮天線的其他性能參數(shù)，如增益、輻射方向圖等，通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定最佳的基板材料和厚度組合，以滿足應(yīng)用的需求。4.1.2貼片形狀與尺寸設(shè)計(jì)不同的貼片形狀賦予小型微帶天線獨(dú)特的性能特點(diǎn)。矩形貼片是常見(jiàn)的形狀之一，其設(shè)計(jì)和分析相對(duì)簡(jiǎn)單。矩形貼片的長(zhǎng)度L和寬度W與天線的諧振頻率密切相關(guān)。根據(jù)傳輸線模型理論，在理想情況下，當(dāng)貼片長(zhǎng)度L近似為半波長(zhǎng)時(shí)，天線在該頻率下實(shí)現(xiàn)諧振。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于邊緣場(chǎng)效應(yīng)的存在，需要對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行修正。對(duì)于工作在2.4GHz頻率的矩形微帶天線，采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板，通過(guò)理論計(jì)算得到的初始長(zhǎng)度約為27mm，但考慮邊緣場(chǎng)效應(yīng)后，實(shí)際長(zhǎng)度可能需要調(diào)整為25mm左右。矩形貼片天線在E面（電場(chǎng)矢量所在平面）和H面（磁場(chǎng)矢量所在平面）的輻射方向圖具有不同特性。在E面，輻射方向圖較為尖銳，主瓣方向垂直于貼片的長(zhǎng)邊，旁瓣相對(duì)較??；在H面，輻射方向圖的主瓣相對(duì)較寬，且可能存在多個(gè)旁瓣。這種方向性特點(diǎn)使其在一些需要定向輻射的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色，如無(wú)線局域網(wǎng)中的定向傳輸，能夠?qū)⑿盘?hào)集中輻射到特定方向，提高信號(hào)的傳輸距離和覆蓋范圍。圓形貼片天線則具有獨(dú)特的輻射特性，其輻射場(chǎng)在空間中的分布相對(duì)較為均勻。圓形貼片的半徑r與諧振頻率的關(guān)系可通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得出。在相同的工作頻率下，圓形貼片的尺寸與矩形貼片有所不同。以2.4GHz的工作頻率為例，采用相同介電常數(shù)的介質(zhì)基板時(shí)，圓形貼片的半徑約為16mm。圓形貼片天線在實(shí)現(xiàn)圓極化輻射方面具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在貼片上開(kāi)特定的槽或采用特殊的饋電方式，可以很方便地實(shí)現(xiàn)左旋或右旋圓極化。在衛(wèi)星通信等需要圓極化的領(lǐng)域，圓形貼片天線能夠滿足信號(hào)傳輸?shù)男枨螅_保信號(hào)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。除了常見(jiàn)的矩形和圓形貼片，一些特殊形狀的貼片，如分形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)等，近年來(lái)也得到了廣泛研究。分形結(jié)構(gòu)的貼片通過(guò)不斷迭代的幾何形狀，增加了電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)中，采用分形結(jié)構(gòu)的輻射貼片可以在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)輻射。環(huán)形結(jié)構(gòu)的貼片在多頻段工作方面具有潛力。通過(guò)調(diào)整環(huán)形的尺寸和饋電位置，可以使天線在多個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)諧振，滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對(duì)多頻段的需求。在設(shè)計(jì)用于手機(jī)的多頻段微帶天線時(shí)，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的貼片，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使天線同時(shí)覆蓋2G、3G、4G、5G等多個(gè)通信頻段，為用戶提供良好的通信體驗(yàn)。貼片尺寸與天線的諧振頻率、輻射特性之間存在著緊密的關(guān)系。貼片尺寸的變化會(huì)直接影響天線的諧振頻率。當(dāng)貼片尺寸增大時(shí)，諧振頻率會(huì)降低；反之，貼片尺寸減小，諧振頻率會(huì)升高。在設(shè)計(jì)多頻段微帶天線時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸的貼片，使其對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)多頻段工作。貼片尺寸還會(huì)影響天線的輻射特性。較大尺寸的貼片通常具有較高的增益和較窄的波束寬度，適用于需要遠(yuǎn)距離傳輸和定向輻射的應(yīng)用；而較小尺寸的貼片則可以實(shí)現(xiàn)更寬的波束覆蓋，但增益相對(duì)較低。在設(shè)計(jì)用于室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)的微帶天線時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)全方位的信號(hào)覆蓋，可以采用較小尺寸的貼片，以獲得較寬的波束寬度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析，精確確定貼片的形狀和尺寸，以實(shí)現(xiàn)天線性能的最優(yōu)化。4.1.3饋電方式選擇常見(jiàn)的饋電方式在小型微帶天線設(shè)計(jì)中各有優(yōu)劣，對(duì)天線性能產(chǎn)生著不同程度的影響。同軸饋電是一種較為常見(jiàn)的饋電方式，它通過(guò)同軸電纜將信號(hào)引入輻射貼片。同軸電纜的外導(dǎo)體連接到接地板，中心導(dǎo)體延伸到微帶天線的輻射貼片上。這種饋電方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠提供較好的阻抗匹配。在一些對(duì)天線結(jié)構(gòu)緊湊性要求較高的應(yīng)用中，如同軸饋電的小型手機(jī)天線，通過(guò)合理選擇饋電點(diǎn)位置，可以使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗相匹配，減少信號(hào)反射，提高信號(hào)傳輸效率。同軸饋電也存在一些缺點(diǎn)，它會(huì)在饋電中引入電感，特別是當(dāng)饋電高度h較大（大到波長(zhǎng)的相當(dāng)一部分）時(shí)，該電感的影響需要被考慮。饋電探針也會(huì)產(chǎn)生輻射，可能導(dǎo)致輻射沿不希望的方向傳播，影響天線的輻射方向圖。微帶線饋電是另一種常用的饋電方式，射頻信號(hào)通過(guò)微帶線傳輸?shù)教炀€的輻射部分。微帶線與輻射貼片之間通過(guò)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。這種方式具有簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，適用于許多微帶天線的設(shè)計(jì)。微帶線饋電可以方便地與其他微波電路集成在同一基板上，便于實(shí)現(xiàn)天線與電路的一體化設(shè)計(jì)。在一些無(wú)線通信模塊中，采用微帶線饋電的微帶天線可以與射頻芯片等電路元件集成在一塊印刷電路板上，減少了連接損耗和信號(hào)干擾。微帶線饋電還可以通過(guò)調(diào)整微帶線的寬度、長(zhǎng)度以及與輻射貼片的連接方式等，來(lái)改變天線的輸入阻抗和電磁場(chǎng)分布，從而影響天線的性能。增加微帶線的寬度可以降低其特性阻抗，從而改變天線的輸入阻抗匹配情況。除了同軸饋電和微帶線饋電，還有其他一些饋電方式，如開(kāi)槽饋電、耦合饋電等。開(kāi)槽饋電利用微帶天線底板上的開(kāi)槽或孔洞將微帶線饋入天線的輻射元件。這種方式可以提供較好的阻抗匹配和輻射效率，還能夠減少副瓣水平和縱向的波束寬度。在一些對(duì)天線輻射性能要求較高的應(yīng)用中，如基站天線，采用開(kāi)槽饋電方式可以提高天線的輻射效率，減少信號(hào)的干擾和損耗。耦合饋電則是通過(guò)電磁耦合將能量傳輸?shù)捷椛滟N片，它為設(shè)計(jì)增加了額外的自由度。間隙將電容引入到饋源中，可以抵消探針饋源所增加的電感，從而改善天線的性能。在一些需要拓展帶寬的微帶天線設(shè)計(jì)中，采用耦合饋電方式可以在一定程度上拓展帶寬，滿足通信系統(tǒng)對(duì)寬頻帶的需求。不同饋電方式對(duì)天線性能的影響主要體現(xiàn)在阻抗匹配、頻率特性和輻射效率等方面。阻抗匹配是影響信號(hào)傳輸效率的關(guān)鍵因素，不同的饋電方式會(huì)在天線輸入端產(chǎn)生不同的電場(chǎng)和電流分布，導(dǎo)致輸入阻抗的差異。同軸饋電通過(guò)合理選擇饋電點(diǎn)位置，可以實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配；微帶線饋電則可以通過(guò)調(diào)整微帶線的參數(shù)來(lái)改變輸入阻抗。頻率特性方面，不同饋電方式可能會(huì)影響天線的諧振頻率和帶寬。耦合饋電方式可以通過(guò)引入額外的電容或電感，改變天線的諧振頻率和帶寬。輻射效率也是衡量天線性能的重要指標(biāo)，開(kāi)槽饋電和耦合饋電等方式可以在一定程度上提高輻射效率，減少能量損耗。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)天線的應(yīng)用場(chǎng)景和性能需求，綜合考慮各種饋電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最合適的饋電方式，以實(shí)現(xiàn)天線性能的最優(yōu)化。4.2小型化技術(shù)4.2.1分形技術(shù)應(yīng)用分形技術(shù)在小型微帶天線設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其原理基于分形幾何的自相似性和空間填充性。分形幾何由法國(guó)數(shù)學(xué)家B.Mandelbrot于1975年首次提出，分形具有在各種尺度上都有相同程度的不規(guī)則性以及用分?jǐn)?shù)維測(cè)定其不平度、復(fù)雜性或卷積度的特性。在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，分形技術(shù)通過(guò)不斷迭代的幾何形狀，增加了天線的電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。以Koch曲線分形天線為例，其生成過(guò)程是將一條直線等分為三段，將中間的一段用具有一定夾角的兩條等長(zhǎng)折線來(lái)代替，形成一個(gè)生成元，然后再把每個(gè)直線段用生成元進(jìn)行替換，經(jīng)多次迭代后就形成了Koch曲線。在保持高度基本不變時(shí)，曲線的長(zhǎng)度卻能夠做到無(wú)限長(zhǎng)，這使得天線在較小的物理尺寸下，能夠擁有較長(zhǎng)的電流路徑，進(jìn)而降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)小型化。分形技術(shù)在減小天線尺寸方面效果顯著。通過(guò)引入分形結(jié)構(gòu)，天線的電流路徑被有效延長(zhǎng)，在不改變天線整體物理尺寸的情況下，能夠降低天線的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)尺寸的減小。一些文獻(xiàn)研究表明，采用分形結(jié)構(gòu)的微帶天線，與傳統(tǒng)微帶天線相比，尺寸可減小30%-50%。在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)中，由于空間有限，對(duì)天線尺寸要求嚴(yán)格，采用分形結(jié)構(gòu)的輻射貼片可以在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)輻射。分形技術(shù)還能拓展天線的帶寬。分形結(jié)構(gòu)的多尺度特性使得天線在多個(gè)頻率上產(chǎn)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)帶寬的拓展。在一些對(duì)帶寬要求較高的通信系統(tǒng)中，如無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN），分形天線能夠覆蓋更寬的頻率范圍，滿足不同設(shè)備的通信需求。分形天線還具有多頻特性，能夠在多個(gè)頻段上工作，適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備對(duì)多頻段的需求。在手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備中，分形天線可以同時(shí)覆蓋2G、3G、4G、5G等多個(gè)通信頻段，為用戶提供良好的通信體驗(yàn)。4.2.2電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）應(yīng)用電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）作為一種人造周期性結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)天線小型化方面具有獨(dú)特的作用機(jī)制和顯著優(yōu)勢(shì)。EBG結(jié)構(gòu)具有頻率選擇特性，能夠在特定頻率范圍內(nèi)阻止電磁波的傳播，形成禁帶。這種特性使得EBG結(jié)構(gòu)在微帶天線中得到廣泛應(yīng)用，可有效抑制天線表面波，提高天線的輻射效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線的小型化。常見(jiàn)的EBG結(jié)構(gòu)有基底打孔型、高阻抗表面型、地面腐蝕型、夾層式結(jié)構(gòu)、共面緊湊型等。以基底打孔型EBG結(jié)構(gòu)為例，它是在介質(zhì)基片上按照一定的周期規(guī)則打孔，形成周期性的結(jié)構(gòu)。這些孔洞改變了介質(zhì)基片內(nèi)的電磁特性，使得在特定頻率下，表面波在傳播過(guò)程中遇到孔洞時(shí)會(huì)發(fā)生散射和干涉，從而被抑制。當(dāng)表面波被抑制后，天線的輻射能量能夠更有效地向空間輻射，減少了能量在基片內(nèi)的損耗，提高了輻射效率。從實(shí)現(xiàn)小型化的角度來(lái)看，由于EBG結(jié)構(gòu)能夠抑制表面波，使得天線可以在較小的尺寸下工作而不會(huì)因?yàn)楸砻娌ǖ挠绊憣?dǎo)致性能下降。通過(guò)合理設(shè)計(jì)EBG結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如孔洞的大小、形狀、周期等，可以調(diào)整其禁帶特性，使其與天線的工作頻率相匹配，從而在保證天線性能的前提下，減小天線的尺寸。在一些文獻(xiàn)研究中，將EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶天線后，天線的尺寸可減小20%-40%，同時(shí)輻射效率提高10%-30%。高阻抗表面型EBG結(jié)構(gòu)則是通過(guò)在接地板上制作周期性的金屬貼片或圖案，形成具有高阻抗特性的表面。這種高阻抗表面能夠阻止表面波的傳播，使得天線的輻射場(chǎng)更加集中在輻射貼片附近，提高了輻射效率。在設(shè)計(jì)高阻抗表面型EBG結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮金屬貼片的尺寸、間距以及與輻射貼片的距離等因素，以優(yōu)化其對(duì)表面波的抑制效果和對(duì)天線性能的提升作用。地面腐蝕型EBG結(jié)構(gòu)是在接地板上腐蝕出特定形狀和周期的圖案，通過(guò)改變接地板的電磁特性來(lái)抑制表面波。這種結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)整腐蝕圖案的參數(shù)來(lái)改善天線的阻抗匹配和輻射方向圖。夾層式結(jié)構(gòu)和共面緊湊型EBG結(jié)構(gòu)也各有特點(diǎn)，它們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，都能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)天線小型化和性能提升做出貢獻(xiàn)。4.2.3加載技術(shù)加載技術(shù)作為一種有效的天線小型化手段，在微帶天線設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，其中短路針加載和電抗加載是兩種常見(jiàn)的方式，它們對(duì)天線小型化有著顯著的影響。短路針加載是在微帶天線的特定位置插入短路針，通過(guò)改變天線的電流分布和電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化。在矩形微帶天線中，當(dāng)在貼片的零電位線處插入短路針時(shí)，可舍去另一半天線，在開(kāi)路和短路之間形成駐波分布。這種方式不改變內(nèi)部場(chǎng)分布的同時(shí)，能將天線尺寸減小一半。短路針加載還可以調(diào)整天線的輸入阻抗和諧振頻率。通過(guò)改變短路針的位置和數(shù)量，可以改變天線的電流路徑和分布，從而影響輸入阻抗和諧振頻率。當(dāng)短路針靠近貼片邊緣時(shí)，會(huì)使天線的輸入阻抗減小，諧振頻率升高；而將短路針向貼片中心移動(dòng)時(shí)，輸入阻抗會(huì)增大，諧振頻率降低。在一些對(duì)尺寸要求嚴(yán)格且需要調(diào)整諧振頻率的應(yīng)用中，如小型化的藍(lán)牙天線，短路針加載技術(shù)可以在減小天線尺寸的同時(shí)，通過(guò)調(diào)整短路針位置來(lái)滿足不同的諧振頻率需求。電抗加載則是通過(guò)在天線中引入電感或電容等電抗元件，改變天線的電性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型化。電感加載可以增加天線的電感量，使天線的諧振頻率降低，從而在相同諧振頻率下減小天線的尺寸。在天線的饋電點(diǎn)附近串聯(lián)一個(gè)電感，會(huì)增加天線的輸入電抗，使得天線在較低頻率下諧振，實(shí)現(xiàn)小型化。電容加載則是通過(guò)增加天線的電容量來(lái)降低諧振頻率。在天線的輻射貼片上并聯(lián)一個(gè)電容，會(huì)改變天線的電場(chǎng)分布，增加電容量，從而使諧振頻率降低，達(dá)到小型化的目的。電抗加載還可以改善天線的阻抗匹配。通過(guò)合理選擇電抗元件的參數(shù)和位置，可以調(diào)整天線的輸入阻抗，使其與饋線的特性阻抗更好地匹配，提高信號(hào)傳輸效率。在一些對(duì)阻抗匹配要求較高的通信系統(tǒng)中，如衛(wèi)星通信地面站的接收天線，電抗加載技術(shù)可以在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化電抗元件的配置來(lái)提高天線的阻抗匹配性能，確保信號(hào)的高效接收。4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方法4.3.1基于仿真軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程在小型微帶天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，仿真軟件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠幫助設(shè)計(jì)人員在實(shí)際制作天線之前，對(duì)天線的性能進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和優(yōu)化，從而提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。以常用的AnsoftHFSS仿真軟件為例，其優(yōu)化設(shè)計(jì)流程主要包括以下關(guān)鍵步驟：首先是創(chuàng)建天線模型。在HFSS軟件中，利用其豐富的建模工具，根據(jù)設(shè)計(jì)需求精確繪制小型微帶天線的幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)于矩形微帶天線，需要準(zhǔn)確設(shè)置輻射貼片的長(zhǎng)度、寬度，介質(zhì)基片的厚度、介電常數(shù)等參數(shù)；對(duì)于復(fù)雜形狀的天線，如分形天線，要按照分形結(jié)構(gòu)的生成規(guī)則，逐步構(gòu)建出精確的模型。在構(gòu)建分形天線模型時(shí)，需要根據(jù)分形的迭代次數(shù)和幾何形狀，仔細(xì)調(diào)整各個(gè)分形單元的尺寸和位置，確保模型的準(zhǔn)確性。設(shè)置邊界條件和求解類型是接下來(lái)的重要步驟。根據(jù)天線的實(shí)際工作環(huán)境和分析需求，合理設(shè)置邊界條件。在自由空間輻射問(wèn)題中，通常設(shè)置輻射邊界條件，以模擬天線在無(wú)限大空間中的輻射情況；對(duì)于與金屬物體靠近的天線，需要設(shè)置理想導(dǎo)體邊界條件。選擇合適的求解類型也至關(guān)重要，如頻域求解器適用于分析天線在特定頻率下的性能，而時(shí)域求解器則更適合分析寬帶天線的瞬態(tài)響應(yīng)。在分析工作頻率為2.4GHz的小型微帶天線時(shí)，可選擇頻域求解器，設(shè)置求解頻率范圍為2.3-2.5GHz，以精確分析天線在該頻段內(nèi)的性能。完成模型構(gòu)建和條件設(shè)置后，進(jìn)行初步仿真分析。運(yùn)行仿真，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和條件，計(jì)算天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，如回波損耗、輻射方向圖、增益等，并以直觀的圖形或數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)觀察這些初步仿真結(jié)果，能夠?qū)μ炀€的性能有一個(gè)初步的了解，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果初步仿真結(jié)果顯示天線的回波損耗在工作頻率處大于-10dB，說(shuō)明天線與饋線的匹配性能不佳，需要進(jìn)一步優(yōu)化。基于初步仿真結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)化掃描。在HFSS軟件中，將天線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如輻射貼片的尺寸、饋電點(diǎn)的位置等設(shè)置為變量，通過(guò)參數(shù)化掃描功能，對(duì)這些變量進(jìn)行不同取值的組合掃描。在掃描過(guò)程中，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算每個(gè)參數(shù)組合下天線的性能參數(shù)，生成大量的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，可以了解各個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響規(guī)律，找到性能最優(yōu)的參數(shù)組合。通過(guò)參數(shù)化掃描，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻射貼片的長(zhǎng)度增加1mm時(shí)，天線的諧振頻率降低了50MHz，回波損耗也發(fā)生了相應(yīng)的變化，從而為進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。在參數(shù)化掃描的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用HFSS軟件的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，以天線的性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，如最小化回波損耗、最大化增益等，對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)程中，軟件會(huì)不斷調(diào)整參數(shù)值，尋找使性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的參數(shù)組合。經(jīng)過(guò)多次迭代優(yōu)化，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用遺傳算法對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)50次迭代后，天線的回波損耗在工作頻率處降低到-20dB以下，增益提高了1dBi，滿足了設(shè)計(jì)要求。在優(yōu)化過(guò)程中，還需注意一些要點(diǎn)。要合理選擇優(yōu)化參數(shù)，避免參數(shù)過(guò)多導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大，影響優(yōu)化效率；要對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行充分的驗(yàn)證和分析，確保優(yōu)化后的天線性能在實(shí)際應(yīng)用中具有可靠性和穩(wěn)定性。還可以結(jié)合實(shí)際制作和測(cè)試，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和調(diào)整，以獲得最佳的天線性能。4.3.2多目標(biāo)優(yōu)化算法在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在小型微帶天線的設(shè)計(jì)中，往往需要同時(shí)考慮多個(gè)性能指標(biāo)，如回波損耗、增益、帶寬等，這些指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)且可能存在沖突，傳統(tǒng)的單目標(biāo)優(yōu)化方法難以滿足設(shè)計(jì)需求。多目標(biāo)優(yōu)化算法的引入為解決這一問(wèn)題提供了有效的途徑。多目標(biāo)優(yōu)化算法旨在同時(shí)優(yōu)化多個(gè)相互沖突的目標(biāo)函數(shù)，以獲得一組Pareto最優(yōu)解。Pareto最優(yōu)解是指在不犧牲其他目標(biāo)函數(shù)值的情況下，無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化任何一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的解。在小型微帶天線設(shè)計(jì)中，常用的多目標(biāo)優(yōu)化算法有遺傳算法（GA）、粒子群優(yōu)化算法（PSO）、非支配排序遺傳算法（NSGA-II）等。遺傳算法模擬生物進(jìn)化過(guò)程中的遺傳、變異和選擇機(jī)制，通過(guò)對(duì)初始種群中的個(gè)體進(jìn)行交叉、變異等操作，不斷迭代生成新的種群，逐步逼近Pareto最優(yōu)解。在小型微帶天線設(shè)計(jì)中，將天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如輻射貼片的尺寸、饋電點(diǎn)位置等編碼為個(gè)體的基因，將回波損耗、增益、帶寬等性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)。在遺傳算法的迭代過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度（即目標(biāo)函數(shù)值），選擇適應(yīng)度較好的個(gè)體進(jìn)行交叉和變異操作，生成新的個(gè)體。經(jīng)過(guò)多代進(jìn)化，種群中的個(gè)體逐漸逼近Pareto最優(yōu)解，為設(shè)計(jì)提供多種可行的方案。粒子群優(yōu)化算法則是模擬鳥(niǎo)群覓食行為，每個(gè)粒子代表一個(gè)潛在的解，粒子在解空間中根據(jù)自身的飛行經(jīng)驗(yàn)和群體中最優(yōu)粒子的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整飛行方向和速度，從而尋找最優(yōu)解。在小型微帶天線設(shè)計(jì)中，粒子的位置表示天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，粒子的速度表示參數(shù)的調(diào)整方向和步長(zhǎng)。通過(guò)不斷更新粒子的位置和速度，使粒子逐漸靠近Pareto最優(yōu)解。在每次迭代中，每個(gè)粒子根據(jù)自身的歷史最優(yōu)位置和群體的全局最優(yōu)位置來(lái)調(diào)整自己的速度和位置，從而不斷優(yōu)化天線的性能。非支配排序遺傳算法（NSGA-II）在遺傳算法的基礎(chǔ)上，引入了非支配排序和擁擠度計(jì)算等操作，能夠更有效地處理多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，快速找到分布均勻的Pareto最優(yōu)解。在小型微帶天線設(shè)計(jì)中，NSGA-II算法首先對(duì)初始種群進(jìn)行非支配排序，將種群分為不同的等級(jí)，等級(jí)越高表示個(gè)體的非支配性越好。計(jì)算每個(gè)等級(jí)中個(gè)體的擁擠度，擁擠度越大表示個(gè)體周圍的解越稀疏。在選擇操作中，優(yōu)先選擇等級(jí)高且擁擠度大的個(gè)體進(jìn)行交叉和變異，以保持種群的多樣性和搜索能力。通過(guò)不斷迭代，NSGA-II算法能夠找到一組分布均勻的Pareto最優(yōu)解，為設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。多目標(biāo)優(yōu)化算法在平衡天線多個(gè)性能指標(biāo)中發(fā)揮著重要作用。在設(shè)計(jì)小型微帶天線時(shí)，回波損耗、增益和帶寬往往相互制約。增加天線的帶寬可能會(huì)導(dǎo)致增益下降，改善回波損耗可能會(huì)影響帶寬。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化算法，可以在這些性能指標(biāo)之間找到一個(gè)平衡，使天線在多個(gè)性能方面都能達(dá)到較好的水平。利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)小型微帶天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終得到的Pareto最優(yōu)解中，有的方案在保證回波損耗小于-10dB的前提下，實(shí)現(xiàn)了較高的增益和較寬的帶寬，滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，從Pareto最優(yōu)解中選擇最合適的方案，從而實(shí)現(xiàn)小型微帶天線性能的最優(yōu)化。五、小型微帶天線案例分析5.1案例一：應(yīng)用于5G通信的小型化寬帶微帶天線設(shè)計(jì)5.1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求在5G通信的大背景下，對(duì)天線性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。5G通信以其高速率、低延遲、大容量的特點(diǎn)，成為推動(dòng)未來(lái)通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而小型微帶天線作為5G通信設(shè)備的重要組成部分，需要在多個(gè)性能指標(biāo)上達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。從帶寬角度來(lái)看，5G通信頻段涵蓋了多個(gè)范圍，包括Sub-6GHz頻段和毫米波頻段。其中Sub-6GHz頻段中，n78頻段（3.3-3.8GHz）、n79頻段（4.4-5.0GHz）等對(duì)天線帶寬提出了明確要求，需要天線具備至少500MHz以上的帶寬，以滿足信號(hào)傳輸?shù)男枨?。在毫米波頻段，如24.25-52.6GHz等頻段，帶寬需求更為寬廣，以支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋，小型微帶天線需要在不