用于3G系统带有PBG的微带天线的设计

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1、用于3G系统带有PBG的微带天线的设计答辩人：林斌指导老师：游佰强2006年5月本文主要工作•PBG微带天线的理论分析•PBG微带天线的尺寸结构设计及仿真•PBG微带天线设计中PBG结构边长、PBG结构周期、天线馈电点位置、介质介电常数、介质基板厚度等关键参数对反射系数S的影响11•工作在其它实用频段的PBG微带天线的仿真设计微带天线简介•现代通信的发展迫切需要一种体积小，重量轻的新型天线。•微带天线是一种按现代系统对天线的要求而发展起来的新型天线，具有一系列常规天线不可比拟的突出优点。•但是微带天线主要是一种谐振式天线，且相对频带较

2、窄，需要运用一定的技术加以改进，以达到展宽其工作频带的目的。光子带隙(PBG)结构简介•光子带隙(PBG)结构，又称为光子晶体，是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成的周期结构。•对光而言，PBG将阻止特定频段的光波传输，而应用于微波领域，能够使得特定频率段内的电磁波完全不能在其中传播。微带天线的理论分析方法•微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。•微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。λλg0微带天线的理论分析方法矩形微带天线场分布侧面图等效辐射缝隙开路端电场结构用时域有限差分法分析带有P

3、BG的微带天线•时域有限差分法（FiniteDifferenceTimeDomainMethod）于1966年由K.S.Yee提出，它是一种时域方法，直接由Maxwell方程推导而来，理论上讲是精确的，可以处理各种形状、多种材料的复杂结构系统。•FDTD算法是对与时间相关的麦克斯韦旋度方程直接求解，它采用中心差分取代电磁场分量的空间和时间上的微分形式而得到。E用时域有限差分法分析带有PBG的微带天线麦克斯韦方程反映电磁场的基本规律，于是在这种介质空间中所发生的电磁过程满足以下形式的麦克斯韦旋度方程:∂B∂D∇×

4、=−EJ−m∇×HJ=+∂t∂t各向同性线性介质中的本构关系为：D=εµσσEB,,,=HJ=EJm=Em用时域有限差分法分析带有PBG的微带天线在直角坐标系中，麦克斯韦方程可写为：∂H∂H∂E∂E∂E∂Hyzxzyx−=+εσE−=−−µσHxmx∂∂∂zyt∂∂yz∂t∂H∂H∂E∂E∂E∂Hxzyxzy−=+εσE−=−−µσHymy∂∂∂zxt∂∂zx∂t∂H∂H∂E∂E∂E∂Hyxzyxz−=+εσE−=−−µσHzmz∂∂∂xyt∂∂xy∂t用时

5、域有限差分法分析带有PBG的微带天线Yee氏于1966年首先导出了Maxwell旋度方程的有限差分方程。为表示方便起见，采用下图所示的Yee氏网格K.S.Yee网格用时域有限差分法分析带有PBG的微带天线Yee氏采用具有二阶精度的中心差分近似，把Maxwell旋度方程转化为差分方程，得到电场各分量满足的差分方程如下：σ(i+∆1,,)jkt1−22(εi+1,,)jknn+1112E(i+=,,)jkEi(+,,)jkxx221σ(i+∆,,)jkt1+22(εi+1,,)jk2nn++11HijkHijk22(++−+−11,,

6、)(11,,)zz2222∆t1∆y+εσ(i+11,,)jk(i+∆,,)jktnn++1122Hij22(,+11,)(,k+−Hij+1,)k−11+−yy22222(εi+1,,)jk∆z2用时域有限差分法分析带有PBG的微带天线σ(,ij+∆1,)kt1−22(,εij+1,)knn+1112E(i+=,,)jkEij(,+,)kyy22σ(,ij+∆1,)kt1+22(,εij+1,)k2nn++11H22(,ij++−11,k)H(,ij+−11,k)xx2222∆t1∆z+ε

7、σ(,ij+11,)k(,ij+∆,)ktHijkHijnn++1122++−−1111,)22(,,)(,+k1+−zz22222(,εij+1,)k∆x2σ(,,ijk+∆1)t1−22(,,εijk+1)nn+1112E(,,ijk+=)Eijk(,,+)zz22σ(,,ijk+∆1)t1+22(,,εijk+1)2nn++11H22(i+11,,jk+−)H(i−11,,jk+)yy2222∆t1∆x+11εσ(,,ijk+11)(,,ijk+∆)tHnn++22ij++−11kHij−1,)122

8、(,,)(,k+1+−xx22222(,,εijk+1)∆y2用时域有限差分法分析带有PBG的微带天线根据Maxwell旋度方程的对称性，可得到各磁场分量满足的差分方程如下:σ(,ij++∆11,k)tm