要的天线性能。天线阵按照不同的分类条件有多种，可以按照以下几种类型分类： 1、按阵元单元排列形式可分为线阵和面阵。
线阵是最常用的一种排列方式，它是指各阵元单元的中心依次等距排列在一条直线上的直线阵，也叫均匀直线阵。也可以各单元的中心等间距地排列在一条曲线上，比如均匀地排列在圆周上，也是线阵。若干个线阵按照一定间隔排列在某个平面上，就构成了平面阵。阵元排列方式也可以是三维平面，例如各单元中心排列在某个球面上，则构成了球面阵。
2、按最大辐射方向图形指向可分为侧射阵列天线、端射阵列天线、和非侧射非端射阵列天线。
侧射（也称边射）天线阵是指最大辐射方向为与阵元排列面垂直的方向的天线阵。端射阵列天线是指最大辐射方向指向与阵元排列平面平行方向的天线阵。非端射非侧射天线的最大辐射方向则指向与上述两方向不同的其他方向。 3、按照天线阵的在使用功能上的区别，可以将天线阵划分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。 由于天线阵的辐射电磁场是组成该阵列天线各个阵元单元辐射电磁场的矢量和，且各阵元单元的位置、馈电电流振幅和相位等可以独立调整，我们可以调整阵元的距离和相位，使其方向图在同一个方向有最大辐射，那么阵元的矢量叠加使得天线阵具有单向辐射的功能。
由于单个微带天线的增益通常都比较低，而且波束比较宽，方向性差，所以单个使用的效果不好。将若干微带天线组成微带阵列天线，可以很好解决这些缺点，从而应用在对性能要求更高的实际中。
在本文的天线设计中，主要运用了HFSS软件对天线进行建模和对相关参数进行优化，并仿真得到天线的性能参数和结果。借助该软件，使我加深了对天线理论知识的理解，也使我学会运用软件去分析天线的各个性能指标，从而对天线和天线阵的设计有了更深层次的理解。
1.3 设计目标和内容安排
本文在学习天线的相关理论基础上，研究和设计了一个工作的中心频率在10GHz的1×4均匀直线微带阵列天线。在设计过程中，需要根据相关理论计算、优化、确定单个阵元的相关参数设计出单个阵元，然后再选取合适的馈电网络将单个阵元组成天线阵，最后分别对单个阵元和整个天线阵用HFSS进行仿真，运行得出结果，通过对比两者结果和性能参数，分析两者的性能差异，从而得出结论。
在本文内容安排上，第一章作为绪论首先简单概述了微带天线的发展历程、性能优缺点以及微带天线在实际中的应用领域；然后简单介绍了微带阵列天线的定义、分类和特点；最后提到了此次设计用到的HFSS仿真软件和所做的主要工
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作。
第二章主要介绍了微带天线和微带阵列天线的基本原理、分析方法和设计中需要得出的相关特性参数。
第三章主要介绍了此次微带阵列天线阵元的设计，包括选取材料，确定馈电方式，计算参数这几个前期准备步骤；然后介绍了此次仿真设计采用的软件HFSS并对所设计的阵元的相关参数进行优化，并对优化后的阵元进行仿真，得出结果并进行分析。
第四章是对阵列天线的设计和仿真，包括阵元间距的确定和馈电网络的设计、对仿真结果进行分析。
第五章是对此次设计的总结，包括设计结论以及对所做工作内容的简述。
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第二章 微带天线和微带阵列天线的基本原理
2.1 微带天线的基本原理
图2.1 微带天线的示意图
微带天线的示意图如上图所示，是在一块在厚度远小于工作波长的介质基片
的一面敷上金属辐射贴片、另一面敷上金属层作接地板而成，通过微带线馈电或者同轴线馈电的方式，在辐射贴片与介质基片的金属接地层之间激励起电磁场并向外辐射。由于微带天线的辐射是场是由贴片和基片的接地板之间的缝隙产生的，因此从理论上说微带天线也常常被视作一种缝隙天线。微带贴片可以是矩形，圆形或者圆环形等规则面积单元，成为微带贴片天线。
2.1.1 微带天线的辐射机理
微带天线的辐射机理可以用微带天线的最普遍一种形式：以微带贴片天线为
例来进行解释说明。如图2.1所示，微带天线的辐射电场是由微带贴片边缘和介质基片的接地层之间的边缘场产生的。设辐射贴片的宽为w，长为半波长λ/2，介质基片的厚度为h，这样，辐射贴片和介质基片和接地板可以被看作一段长为半波长的低阻抗微带传输线。前面已知介质基片厚度h远小于工作波长λ，故可假定辐射电场沿微带结构的宽度和介质基片厚度的方向没有变化，而是仅沿着长度为λ/2的贴片长度方向变化。由于微带天线的辐射基本上是由贴片边沿的边缘场引起的，那么就可以将辐射电场分解为垂直于接地板平面和平行于接地板平面的两个分量。由于已知微带贴片的长为λ/2，即半波长，故两个垂直于接地板平面的分量反相，而他们在远区场在正面方向上相互抵消；两平行于接地板平面的分量则同相，故他们的合场强叠加增强。因此垂直于接地板平面方向的辐射场是最强的。所以微带天线可以看作相距λ/2、长度为w、缝隙宽度为介质基片厚度h的缝隙天线。
2.1.2 微带天线的馈电
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微带天线有多种馈电方式，如微带线馈电、耦合馈电、同轴线馈电和缝隙馈电，其中微带线馈电和同轴线馈电是最常用的两种馈电方式。 1、微带线馈电
微带线馈电又称侧馈。所采用的是利用微带线与辐射贴片相连作为传输线进行馈电的。由于微带馈线与微带贴片是处在同一平面，制造时只需要将馈线和贴片一起光刻，操作简单容易大量生产。微带线馈电的缺点是馈线自身也有辐射会干扰天线方向图，产生旁瓣电平，而且在一定程度上降低天线增益，使得天线性能降低。因在设计时要求微带线线宽尽量窄且远小于工作波长。
微带线馈电需要考虑天线输入阻抗与特性阻抗的匹配。常见方法有三种：1）可以通过选择适当的馈电点的位置来实现；2）通过改变微带贴片的宽度实现；3）通过设计阻抗匹配器来实现。为达到最佳匹配效果通常会采用两种或者三种方式来进行阻抗匹配。研究发现馈线与贴片在贴片宽上的连接位置（即馈电点位置）变化，则贴片的输入阻抗随之变化。由于馈线与微带贴片之间的耦合效应，使得天线谐振频率与工作的中心频率之间有一个小的移位，可以通过稍加改变贴片尺寸，借助计算机软件找到最合适的尺寸使得天线谐振频率回到中心频率上。根据馈电点的位置，可分为中心馈电（馈电点在贴片边沿的中点）和偏心馈电（馈电点不在贴片边沿中心）两种。 示意图如下：
图2.1.2.1 微带线馈电
2、同轴线馈电
同轴线馈电的示意图如下：
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图2.1.2.2 同轴线馈电
同轴线馈电方式又称为背馈，它是将同轴插座安装在介质基片的接地板上，
同轴线内的导体穿过介质基片的中间层连接到辐射贴片上。同轴线馈电也需要考虑阻抗匹配。由于天线的输入阻抗与馈电点位置有关，所以选择合适的馈电点位置达到阻抗匹配的最佳效果。相较于微带线馈电，同轴线馈电由于馈电点位置可以在贴片上任何位置，且由于没有微带线从而避免了对天线辐射的影响。但是在获得阻抗匹配时对馈电点位置的确定比较复杂，且制作加工起来比较复杂。
2.1.3 微带天线的分析方法
为了得到天线的一些特性参数，比如天线的增益、输入阻抗、回波损耗和方
向图等，需要对天线周围空间的电磁场进行理论分析。目前对天线的分析方法有：传输线法、腔模理论、多端口网络模型、数值分析法等，选择合适的分析方法可以对天线的一些性能参数进行预先的估算处理，从而方便天线的设计的效率。下面将对此次设计用到的几种分析方法进行解释说明。 （1）传输线法
传输线法是一种简单又比较常用的分析方法。前面在说明微带天线的辐射机理时我们已经知道天线的辐射场主要由开路端处的边缘场产生，且沿垂直天线平面的驻波变化，在此基础上将微带贴片天线作为一种辐射场在平行天线平面方向没有变化的谐振器进行分析。传输线法分析时需要基于以下几两个假设：1）微带贴片跟介质基片的接地层构成微带传输线，在介质基片的中间传输TEM波，且波传输方向由馈电点的位置。微带天线的辐射场是向上的驻波分布，在垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两个辐射缝，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上，即是将开口面向上折转 90 度，而开口场强也随之折转。
传输线模型理论分析方法计算量少，方法简单，可以直观地由其物理模型进行理解。但是也有其局限性。比如：传输线法只能用于矩形微带天线和微带阵子天线，对其他形状和形式的天线不适用，而且由于传输线法是一维上的分析模型，所以在考虑馈电点沿传输线宽度变化时的输出阻抗时不准确（分析时改变馈电点位置输出阻抗不变，但是在实际实验中发现，馈电输出阻抗与馈电点在微带贴片便于的位置有关）。 2.数值分析法
与传输线法的基于假设条件不同，数值分析法是对工作波段中的具体数值进行理论计算分析。由给所设计天线给出的边界条件列出场源特性分布的积分方
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