毕业设计（论文）-一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析.doc

1 泉泉 州州 师师 范范 学学 院院 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题 目 一种用于一种用于 wlanwlan 的双频微带天线的设计与分的双频微带天线的设计与分 析析 物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业 07 级 学生姓名 学 号 070303048 指导教师 职 称 副教授 完成日期 2011 年 4 月 教务处教务处 制制 2 一种用于一种用于 wlanwlan 的双频带微带天线的设计与分析的双频带微带天线的设计与分析 物理与信息工程学院物理与信息工程学院 电电子信息科学与技子信息科学与技术专业术专业 指指导导教教师师 副教授副教授 【摘要摘要】对于频谱的资源日益紧张的现在通讯领域，迫切要求天线具有双极化的功能。对于频谱的资源日益紧张的现在通讯领域，迫切要求天线具有双极化的功能。 利用利用 ansoftansoft hfsshfss 设计一个微带天线结构，使其具有双频带特性，微带天线的两个工作中心频率分别为设计一个微带天线结构，使其具有双频带特性，微带天线的两个工作中心频率分别为 2.4ghz2.4ghz 和和 5.8ghz5.8ghz。本文提出并设计一款双频微带天线的结构，借助。本文提出并设计一款双频微带天线的结构，借助 hfsshfss 软件对该结构进行仿真。经过仿真分析，软件对该结构进行仿真。经过仿真分析， 该天线的谐振频率分别为：该天线的谐振频率分别为：2.53ghz2.53ghz 和和 6.05ghz6.05ghz 的相对带宽分别达到的相对带宽分别达到 632%632%和和 10.8%10.8%，满足无线局域网的标，满足无线局域网的标 准的要求。准的要求。 【关键词关键词】ansoft hfss； ； 微微带带天天线线；双；双频带频带；无；无线线通通讯讯。 。 3 目录目录 引言引言 .5 第一章第一章 微带天线的简介微带天线的简介 .6 1.1 当今天线的发展趋势.6 1.2 微带天线研究的背景.6 1.3 双频微带天线的研究意义.6 第二章第二章 双频微带天线设计双频微带天线设计 .7 2.1 双频微带设计的任务.7 2.2 双频微带天线设计的基本要求.7 2.3 双频微带天线设计方案论证.7 2.4 ansoft hfss 软件的介绍.7 2.5 ansoft hfss 设计的流程.9 2.6 ansoft hfss 可显示的参数.9 2.7 双频微带天线的设计过程 .10 第三章第三章 双频微带天线的双频微带天线的仿真及分析仿真及分析 .12 3.1 天线的仿真图形.12 3.2 改变天线的双缝宽度对天线的影响.14 3.3 改变天线的双缝位置对天线的影响.17 3.4 天线的改进方向.19 第四章第四章 微带天线的优化设计微带天线的优化设计 .20 4.1 优化设计的定义.20 4.2 优化设计的步骤.20 4.3 对微带天线的优化设计 20 4.4 优化后微带天线的性能 21 第五章第五章 结束语结束语 .23 4 致谢致谢 .24 参考文献参考文献 .25 英文摘要英文摘要 .26 5 引言引言 随着微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线要求的提高，和无线通信技术对收 发设备要求可以同时在两个或者多个频段工作。在这种背景下，微带双频带天线得到了迅 速的发展。无线局域网(wlan)是计算机网络与无线通信相结合的技术。随着无线通信技 术的飞速发展,无线局域网(wlan)的应用范围越来越广。伴随着无线局域网(wlan)中各 项标准的出台,研制出适用于各种标准的 wlan 天线是非常有意义的。根据 wlan 标准的 要求,wlan 天线应具有小型、频带宽、双频带的特点。而微带天线具有体积小、重量轻、 成本低,易与微波集成电路集成的优点,且可以方便地实现天线的双频段、小型化和宽频带非 常适合用于实现 wlan 天线1。近年来随着无线通信技术的发展,移动终端设备使用越来越 广泛无限局域网(wlan)技术也广泛应用在笔记本电脑中。随着 ieee802.11a(5.155.35ghz,5.7255.825ghz)和 802.11b/g(2.42.4835ghz)标准的提出, wlan 得到了迅猛发展，对天线的要求也越来越严格。所设计双频微带天线需要满足 ieee802.11a(5.155.35ghz,5.7255.825ghz)和 802.11b/g(2.42.4835ghz)的标准。节约 了材料，而且还易于集成2。 随着微带天线的应用的增多，采用有效的仿真软件对其研究工作进行仿真计算，或者 对实验结果进行验证显得越来越重要。ansoft hfss 就是一个界面非常好，计算准确的仿 真软件。通过这种软件对微带天线进行仿真计算，得到了与理论比较吻合的仿真结果。 本文提出并研究了一种应用于 wlan 的双缝微带天线设计方法，该天线利用 rogers rt/duroid 5880（tm）材料的介质板，并采用同轴馈电。将地板置于介质板的一面，而将微 带贴片置于介质板的另一面，这样通过微带馈线对缝隙进行耦合，实现微带天线的宽频特 性。 6 第第 1 章章 微带天线简介微带天线简介 1.1 微带天线的发展历史与趋势微带天线的发展历史与趋势 微带天线是 20 世纪 70 年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。虽然在 1953 年就提出 了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。从 20 世纪 50 年代到 60 年代也只是做 一些零星的研究，直到 20 世纪 70 年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基 片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来3。 为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺 寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积 也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。然而，在减小天线的尺寸的同时又不 明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线 在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。 微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多 优点，所以得到广泛的应用和重视。 1.2 微带天线研究的背景微带天线研究的背景 微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线通过 微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片 四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一 般设计的带宽只有 2%到 5%。随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。在这样的背景 下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线 能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。 1.3 双频带微带天线研究的意义双频带微带天线研究的意义 当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的 必需品4。对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为 双极化可使它的通讯容量增加 1 倍。对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段 的极化又不同。微带天线的工作的频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计的灵 7 活也使得微带天线在这些领域中得到广泛的应用。同时，通讯系统也需要宽频带来实现多 媒体信息无线传输和接收的高速率。因此，研究双频带天线具有重要意义。 第第 2 章章 双频带微带天线的设计双频带微带天线的设计及方案论证及方案论证 2.1 双频带微带天线设计任务双频带微带天线设计任务 利用 ansoft hfss 设计一个微带贴片天线结构，使其分别工作在 2.4ghz 和 5.8ghz 这 两个频段，并利用 ansoft hfss 软件对所设计的天线进行仿真和优化设计。 2.2 微带双频带微带设计的基本要求微带双频带微带设计的基本要求 要求：所设计的天线结构具有双频带特性，其工作的中心频率分别是 2.4ghz 和 5.8 ghz 这两个频段，相对带宽能够大于 5%，且天线可以实现宽带工作的特性。 2.3 双频带微带天线设计方案论证双频带微带天线设计方案论证 通常，微带天线的设计的主要目标是在指定的工作频率上得到要求的工作特性。为了 使微带天线达到这个目标。首先是选择贴片合适的几何形状，在没有特别要求的情况下， 我们一般选择矩形贴片，这是因为矩形微带天线不仅容易设计，制作也比较简单，并且还 有一系列比较成熟的理论作为研究依据，如分析矩形贴片天线的传输线法，空腔模型法等 等。 其次，确定天线介质基板的材料和厚度 h，这是因为介质板的介电常数，厚度等会直接影 响着天线的性能和尺寸。当确定介质基板后，就需要设计的参量为:矩形贴片的长度 l 和宽 带 w，双缝的位置和长度 l，双缝的宽度 w。最后根据所要求的带宽和增益来确定介质板 的材料及厚度。 实现双频带工作，对于矩形贴片较多的是利用激励多模来获得双频，如图 2-1 所示， 在矩形贴片非辐射边开两条长度不相等、宽带一样的平行缝隙，该平行双缝分割了矩形贴 片上的电流，从而改变了其电流的分布，使这个贴片具有双频效应。由于这个模型采用对 角线同轴结构馈电，馈电点到四个辐射边的电流路径由于双缝隙的存在而被延长，从而降 低理论天线贴片的谐振频率。从同轴线馈送到辐射片的电流因为受到双缝的阻挡，则由这 个平行的双缝所围成的区域产生了一个假想的辐射贴片，所以可以通过改变辐射贴片的尺 寸大小来改变天线的双频特性5。 8 2.4 ansoft hfss 软件的介绍软件的介绍 因为微波工程在分析计算和实际设计中具有很大的难度，传统的分析方法只能用来解 决少数的简单问题，所以对于高复杂的当代电磁系统微波工程问题，往往是采用近似分析 和实验验证，这使得设计的过程通常需要经过反复的设计、计算和调试过程，才能得到比 较满意的结果，但却需要一个时间非常长的设计周期。众所周知，当今科技发展的速度如 此迅猛，漫长的设计周期显然不能满足工程设计的要求。 20 世纪六十年代微波分析数值方法的出现，美国 ansoft 公司利用该方法，设计了第 一款微波电子设计自动化软件 hfss（high frequency simulator structure ） 。该软件利 用电磁场的有限元法来分析微波工程问题，具有精度高、仿真速度快、可靠性强、稳定性 好等优点，由于其自适用网络剖分技术，使 hfss 软件成为天线结构设计的首选工具。广泛 的应用于航空、航天、电子、半导体和通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种微 波结构6。 hfss 采用 windows 图形用户界面简洁直观；hfss 的使用简单，首先用户只需创建或导 入设计模型，其次指定模型的材料属性，然后正确分配模型的边界条件和激励，最后准确 定义求解设置，仿真软件就可以根据模型参数计算出输出用户需要的设计结果。用户还可 以根据设计的需要对模型进行优化设计、灵敏度分析、参数扫描分析和统计分析等操作。 图 2-1 ansoft hfss 的用户界面 2.52.5 hfsshfss 设计流程设计流程7 （1）启动 hfss 软件，新建一个设计工程，保存路径必须全英文； 9 （2）选择求解类型，包括模式驱动求解（driven modal） 、终端驱动求解(driven terminal)、本征模求解(eigenmode)； （3）创建设计模型，构造准确的结构模型、设定好模型的材料属性； （4）设置边界条件和激励；边界条件主要包括：理想导体边界（perfect e） 、辐射边界条 件（radiation)；激励主要包括波端口激励、集总端口激励； （5）求解设置包括定义求解频率，扫频范围； （6）设计检查、运行仿真计算； （7）数据处理，查看计算结果，包括 s 参数、增益大小、场分布、辐射方向图； （8）进行优化设计得到最优解； 自适应网格剖分和求解过程 否 是 是 否 图 2-2 hfss 设计的流程 2.62.6 ansoftansoft hfsshfss 可显示的参数：可显示的参数： （1）s、y、z 等参数矩阵； （2）电压驻波比（vswr） ； （3）端口阻抗和传播常数； （4）电磁场分布和电流分布； （5）谐振频率和品质因素 q； （6）天线辐射方向图和各种天线的参数：增益、方向性、回波损耗、波束宽度； 新建 hfss 设计工 程 设置求解类型 创建设计模型设置边界条件 设置端口激励 确定材料属性 求解设置 定义求 解频率，扫频范围 网格剖分细化 求解 结果是否收敛? 是否需要扫频 分析 扫描分析 数据后处理，查看 s 参 数、场分布图等计算结 果 10 （7）比吸收率（sar） ； 2.72.7 双频带微带天线的设计过程双频带微带天线的设计过程 （1 1） 选择介质板选择介质板 该天线介质板材料为 rogers rt/duroid 5880，相对介电常数为 2.2，从理论上分析， 接地板可以看做无限大，但是在实际设计中，考虑到天线的重量、尺寸及其制作成本等诸 多因素，接地板的尺寸应该尽可能小，所以介质尺寸为 60mm*50mm*3mm。 （2 2） 尺寸的计算尺寸的计算8 在普通的矩形微带天线的设计中，一般可以根据所要求的带宽和增益来确定介质板的 材料和厚度。根据天线所工作的中心频率，由以下公式可以求出辐射片的尺寸： 1 2 1 22 re r c f w (1) 2 2rr c ll f (2) (0.3)(0.264) 0.421 (0.258)(0.8) r w l h w h h (3) 式子（1）式子（3）中：w 和 l 分别是辐射单元的宽度和长度；l 为线伸长度； r 是 介质的等效介电常数。 当 vswr2.0 的时候，微带天线的带宽的一般公式为： 2 05.04() ()bw mhzfghz h mm （4） 式子（4）： 0f 为天线的中心频率；h 为介质基板的厚度。 （3 3） 天线的尺寸安排天线的尺寸安排 天线介质板材料为 rogers rt/duroid 5880，相对介电常数为 2.2，从理论上分析，接 地板可以看做无限大，但是在实际设计中，考虑到天线的重量、尺寸及其制作成本等诸多 因素，接地板的尺寸应该尽可能小，所以： 介质尺寸为 60mm*50mm*3mm； 贴片的尺寸为 50mm*60mm； 平行双缝的尺寸分别为： 长宽=25mm*2mm 及长宽=37.5mm*2mm。 11 天线的结构图如图 2-3 所示: 图 2-3 同轴线缝隙负载贴片天线结构的俯视图和侧视图 12 第三章第三章 双频带微带天线的双频带微带天线的仿真及分析仿真及分析 3.1 双频带微带天线的仿真图形双频带微带天线的仿真图形 利用 ansoft hfss 11 对上述的双频带微带天线进行仿真，我们可以得到天线的回波 损耗图形、电压驻波比（vswr）图形、三维场强分布图形、天线的平面方向图形及微带 天线的模型图分别如图 3-1，图 3-2，图 3-3，图 3-4，图 3-5 所示。 图 3-1 微带天线的回波损耗 图 3-2 微带天线的电压驻波比 13 图 3-3 微带天线三维场强图 图 3-4（1） f=2.4ghz 微带天线的平面方向图 图 3-4（2）f=5.8ghz 微带天线的平面方向图 14 图 3-5 微带天线的模型图 从图 3-1 和图 3-2 中可以看出，在 vswr3.0 时，天线的工作频率分别为 2.45ghz 到 2.61ghz 和 5.75ghz 到 6.30ghz，天线的两个中心频率分别为 2.53hz 和 6.05ghz。其 相对带宽分别为：6.32%和 10.8%，满足了天线的双频工作的要求，且天线可以实现宽带工 作的特性。 由微带天线的平面方向图 3-4（1）和图 3-4（2）中可以看出，当频率为 2.4ghz 的时 候，天线的主辐射方向为 15，此时天线的增益为 8.5db；当频率 5.8ghz 的时候，天线 的主辐射方向为 0，此时天线的增益为 11.6db。 3.2 双缝的宽度对天线的影响双缝的宽度对天线的影响 首先，调整天线的双缝的宽带，并对其进行仿真。下面是对天线仿真的结 果分析： 双缝的宽带 （mm） 2.4ghz 的回波 损耗（db） 5.8ghz 的回波 损耗（db） 2.4ghz 的相对 带宽(mhz) 5.8ghz 的相对 带宽(mhz) 1-24-1110050 2-17-23100200 3-18-1780150 4-10-2611250 取微带天线的双缝宽度为 3mm，利用 ansoft hfss 软件进行仿真，并分析改变双缝宽 度对双频微带天线的回波损耗、电压驻波比、三维场强图、平面方向图、增益、中心频率、 带宽等方面的影响。我们可以得到改变双缝宽度后天线的模型图、回波损耗图形、电压驻 波比（vswr）图形、三维场强分布图形及天线的平面方向图形图分别如图 3-6，图 3-7， 图 3-8，图 3-9，图 3-10 所示。 15 图3-6 改变微带天线双缝宽度后的模型图 图3-7 改变双缝宽度后的回波损耗 16 图3-8 改变双缝宽度后的电压驻波比 图3-9 改变双缝宽度后的三维场强分布图 图3-10（1） f=2.40ghz 改变双缝宽度后的平面方向图 图3-10（2）f=5.8ghz 改变双缝宽度后的平面方向图 由图3-7和图3-8中可以看出，改变双缝的宽度使天线的中心频率向右偏移，2.40ghz的 带宽有所减小，但5.8ghz的带宽却有所增加。 17 从图 3-10（1）和图 3-10（2）中可以看出：当频率为 2.4ghz 的时候，天线的主辐射 方向为 15，此时天线的增益为 7.7db，增益有所下降；当频率 5.8ghz 的时候，天线的 主辐射方向为 25，此时天线的增益为 18db，增益有所增加。 3.3 改变微带天线的双缝位置改变微带天线的双缝位置对天线的影响对天线的影响 将微带天线的双缝位置向中间靠拢，左边的缝隙向右移动 5mm，右边的缝隙向左移动 5mm，然后利用 ansoft hfss 软件进行仿真，并分析改变双缝位置对双频微带天线的回波损 耗、电压驻波比、三维场强图、平面方向图、增益、中心频率、带宽等方面的影响。我们 可以得到改变双缝位置后天线的模型图、回波损耗图形、电压驻波比（vswr）图形、三 维场强分布图形及天线的平面方向图分别如图 3-11，图 3-12，图 3-13，图 3-14，图 3-15 所示。 图 3-11 改变双缝位置后的微带天线模型图 图 3-12 改变双缝位置后的回波损耗 18 图 3-13 改变双缝位置后的电压驻波比 图 3-14 改变双缝位置后的三维场强分布图 19 图 3-15 （1）f=2.40ghz 改变双缝位置后的平面方向图 图 3-15（2） f=5.80ghz 改变双缝位置后的平面方向图 由图3-12和图3-13中可以看出，改变双缝的宽度使天线在2.40ghz处的带宽有所减小， 中心频率向右偏移；在5.80ghz处的中心频率没多大改变，但带宽急剧减小。 从图 3-10（1）和图 3-10（2）中可以看出：当频率为 2.4ghz 的时候，天线的主辐射方向 为 15，此时天线的增益为 5.8db，增益有所下降；当频率 5.8ghz 的时候，天线的主辐 射方向为 30，此时天线的增益为 20db，增益有所增加。 3.4 天线的改进方向天线的改进方向 从上文的探索分析可以得知，因为平行双缝的延伸方向和电流的方向是平行的，所以 对该模型的形状进行调整对微带天线的频率影响不是非常显著。但该模型可以对双缝的位 置和宽带进行调整来获得比较好的激化特性和辐射性能。 20 第第 4 章章 微带天线的优化设计微带天线的优化设计 4.1 优化设计的定义优化设计的定义 优化设计是指 ansoft hfss 软件结合 optimetrics 模块在一定的约束条件下，根据某一 个特定的优化算法对所设计模型的某些参数进行调整，从所有可能的设计变化中寻找出一 个可以满足设计要求的数值。9 4.2 优化设计的步骤优化设计的步骤 1）需要明确设计的要求或者设计的目标； 2）根据设计的要求创建初始结构模型、定义设计变量，构造目标函数； 3）指定优化算法进行优化。 4.3 对微带天线的优化设计对微带天线的优化设计 设计的三个变量 a，b 对微带天线频带抑制范围和回拨损耗大小的影响都比较明显，接 下来对 2 个变量进行逐一优化。 4.31 对决定左边缝隙位置的变量对决定左边缝隙位置的变量 a 的优化的优化 设置变量。a 的优化范围为 18mm20mm，优化算法选择 snp，迭代计算次数为 15， 目标函数取 s11 的最大值。优化分析结束后，查看优化结果如图所示： 图 4-1 a 优化设计结果的示意图 从显示的优化结果可以看出除了第 15 次迭代计算的目标函数 s11 绝对值最大，此时 a=18.83mm. 4.32 对决定右边缝隙位置的变量对决定右边缝隙位置的变量 b 的优化的优化 设置变量 b 的优化范围为 47.5mm48.5mm，优化算法选择 snp，迭代计算次数为 15，目标函数取 s11 的最大值。优化分析结束后，查看优化结果如图所示： 21 图 4-2 b 优化设计结果示意图 从显示的优化结果可以看出第 7 次迭代计算的目标函数 s11 绝对值最大，对应的优化 变量 b=48.05mm. 4.4 优化后的微带天线的性能优化后的微带天线的性能 由上述的优化设计结果可知，当 a=18.83mm，b=48.05mm 时，天线在 2.4ghz5.80ghz 的频 带抑制功能最好。接下来将变量设定为上述优化值，查看天线的各项性能。 图 4-3 优化后天线的回波损耗 22 图 4-4 优化后天线的电压驻波比 图 4-3 和图 4-4 中可以看出了该天线的回波损耗（s11）随频率的变化曲线，可以看 出天线在 2.4ghz2.6ghz，5.6ghz6.0ghz 具有良好的阻抗匹配，符合微带无线通信的应 用频段。 23 第五章第五章 结束语结束语 本文所设计的微带天线采用平行非对称双缝结构，来实现天线的双频工作特性，并考 察分析了双缝的位置和宽度对天线的整体性能的影响。通过利用 ansoft hfss 软件对天线 进行仿真分析可以得出，在天线的相对带宽满足了宽度天线的工作指标