小型天線與金屬腔體及人體頭顱的耦合諧振分析及應(yīng)用研究.pdf

1、本文主要討論小型天線和諧振腔,小型天線廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域,傳統(tǒng)上通過增加介電常數(shù)、短路加載、延長(zhǎng)電流路徑或者采用新型的左手材料來減小天線的尺寸；而諧振腔用于濾波、頻率檢測(cè)、介質(zhì)測(cè)量等等領(lǐng)域。本文力圖從理論分析開始,對(duì)一些電磁現(xiàn)象給出理論的解釋,然后通過仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證,最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并基于上述理論與驗(yàn)證結(jié)果建立測(cè)試系統(tǒng)。本文涉及的理論方法包括:傳輸線腔理論、復(fù)相角理論、模式展開理論等等,采用的計(jì)算方法包括有限元法(FEM)、時(shí)

2、域有限差分法(FDTD)以及電磁計(jì)算軟件HFSS。
　　 本文的工作主要有以下三個(gè)內(nèi)容:
　　 (1)研究加載天線的傳輸線腔性能的變化,包括諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)加載前后腔體參數(shù)的變化,可以得到加載天線的等效電路參數(shù)。理論分析表明在傳輸線腔中存在兩類諧振模式,分別是傳輸模式下的諧振和截止模式的諧振。在傳輸模式下,腔體的諧振頻率相對(duì)于空腔的諧振頻率出現(xiàn)了偏移；而在截止模式下,由于天線受激輻射,腔體產(chǎn)生新的諧振點(diǎn),本文稱之

3、為廣義諧振。利用HFSS進(jìn)行仿真分析,在其中建立天線模型和腔體模型,從理論計(jì)算的角度驗(yàn)證了上述理論。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)并加工了一套測(cè)試系統(tǒng),驗(yàn)證了上述理論的正確性。由于加載天線受周圍環(huán)境的影響,例如貼片高度、耦合探針等影響,諧振頻率發(fā)生偏移,本文進(jìn)一步進(jìn)行了相關(guān)性驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn),證明腔體的諧振頻率與天線自身工作時(shí)的頻率是線性相關(guān)的。
　　 (2)研究天線置入金屬腔體后,自身特性的變化。理論分析表明,由于天線與腔體之間的耦合從而導(dǎo)致

4、天線的輸入阻抗發(fā)生變化。如果腔體較大,在諧振頻點(diǎn),天線的輸入阻抗變化非常劇烈,而在非諧振點(diǎn)則變化較小。如果腔體較小,腔體會(huì)影響天線的表面分布電流,進(jìn)一步影響到天線的輸入阻抗。
　　 本文首先利用模式展開的方法,得到了置入腔體的天線的輸入阻抗的等效電路,并對(duì)該電路進(jìn)行了分析。而天線置入金屬腔體多用于天線效率的測(cè)量,但是由于天線與金屬腔體之間的耦合,限制了惠勒法測(cè)量天線效率的使用范圍,也就是僅適用于窄帶的或者單頻點(diǎn)的測(cè)量?；谝陨戏?/p>

5、析,論文設(shè)計(jì)了一套可變諧振頻率的諧振腔一滑動(dòng)短路諧振腔,通過腔體一端發(fā)生位移,從而改變腔體的尺寸達(dá)到改變諧振頻率的目的。本文將該滑動(dòng)短路諧振腔結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制部件、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等,建立了一套天線效率的測(cè)量系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)一系列的天線進(jìn)行了測(cè)量,并與目前的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法進(jìn)行了比較,結(jié)果證明了本文方法的快速和有效性。
　　 (3)雙頻PIFA天線與人體頭顱的耦合問題的研究。手機(jī)的輻射問題備受關(guān)注,并制定了相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量方法,本

6、文利用時(shí)域有限差分法(FDTD)進(jìn)行研究。
　　 本文首先建立雙頻的PIFA天線模型,對(duì)其在自由空間的特性進(jìn)行了研究,包括駐波特性,方向圖,效率等；然后將其置于精度為1mm×1mm×1mm的人體頭顱模型一側(cè),重新對(duì)其上述特性進(jìn)行研究,并與自由空間的特性進(jìn)行了比較,得出了人頭顱對(duì)天線特性的影響。本部分的另外一個(gè)研究主題是天線對(duì)人體頭顱的影響,也就是電磁波在人體頭顱內(nèi)的吸收問題,研究了在900MHz和1800MHz頻率下,雙頻PIF