微波天线课设.

1、课程设计报告实验名称：微波技术与天线实验题目：三角形贴片天线设计魔T的设计实验地点：跨越机房专业班级：电信学号:200学生姓名：指导教师：2013年6月20号三角形贴片天线设计、微带天线相关背景和三角形贴片天线相关机理:1、微带天线的发展：自从20世纪70年代中期微带天线理论得到大的发展以来， 由于微带天线 体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲 睐，在移动通信（GSM、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS等领域得到广泛 的应用。2、微带天线的辐射机理：微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它 利用微带线或同轴线等馈线馈电（本课设中用到）

2、，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。 通常介质基片的 厚度与波长相比是很小的，属于电小天线的一类。如下图（a） （b）：（扔3、本次课设研究内容“三角形微带贴片天线”介绍：在不同形状的微带贴片天线中，矩形和圆形是主要的。三角形微带贴片天线 与矩形微带天线具有类似的场结构和谐振频率，可是相对贴片面积则小的多，实际应用中可以满足天线贴片小型化等某些特殊的性能要求。无源等边三角形天线首先由Helszaj n and Jame和Bahia nd Bhartia用腔模理论来分析。然后由Keuster and Cha ng用几何光学理论来分析。而实验研究则由

3、Dahele and Lee提出。图1正三角形锻帯貼片天蜒结构示竄图4、三角形微带贴片天线中使用的馈电技术一一同轴线馈电：同轴线馈电就是将同轴插座安装在印刷电路板的背面， 而同轴线内导体接在 天线导体上。其简化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片 来等效电流柱。一种更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为TEM波的激励源，而把圆柱探针的效应按边界条件来处理。 对指定的模，同轴馈电点的位置 可由经验去找，以便产生较好的匹配。由工作于主模的矩形微带天线的场结构可 知，沿长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，即 心=底心5吒/），式中农；为侧馈时的输入电阻，K 是背馈点

4、离侧 馈边的距离，于是通过实验方法可以方便地在某一个 处实现与50 Q馈电线的 匹配，无需附加阻抗变换器。用同轴线馈电的优点是：1.馈点可选在贴片内任何所需的位置，便于匹配；2.同轴电缆置于天线接地平面下方，避免了对天线辐射的影 响。缺点是结构不便于集成，制作麻烦。下表是各种馈电方式的比较，可见同轴馈电的阻抗匹配容易，带宽也较宽。表1.1不同馈电方式的特性比较特性同轴馈电微带馈电临近耦合馈电口径耦合惯电CPW馈电结构非平何共血共面平面伪辐射多多务少极化纯度不好不好不好极好好制作难度要挖洞和焊接容易霸要调 整需要调 整而要调可靠性较好较好好好好阻抗匹配容M容易容易容易容易带宽25%2 5%13K

5、21%3%5、微带天线分析方法：目前国际上主流的高频电磁场仿真软件有德国 CST公司的 MicroWaveStudio （微波工作室）、美国An soft公司的HFSS（高频电磁场仿真， 也即本次课设所使用的软件）、Agile nt公司的ADS（Adva need Desig nSysyter以及 Zeland公司的IE3D等软件。借助于这些商用软件，理论上任何复杂形状的天线 都可以比较准确地分析和模拟，从而大大加快了微带天线技术的发展和应用。二、三角形贴片天线设计过程和各特性的理论值计算公式：下面将基于腔模理论，导出同轴馈电时等边三角形微带天线的输入阻抗。等边三角形微带贴片的几何形状和坐标系

6、如下图所示2, 1等边三角形的电磁场ott片同轴惯线接地ifn图2. 1同轴惯电的等边三角形微带人线结构示总图与分析扼形和圆形微带贴片一样，根据腔模理论，三角形贴片也可以看成一个周 围是磁樂的腔（札当皿小腔内在Z方向的电场不变，在臟壁边界条件下保ff.TTM 模存在，因此对于附哪模，其电施场分布是也；(2.1)a)j.t dy/w-j dE cty/ dx(2.2)(2.3)(2.4)其中,2kIx.r 2/7.rI) v寧* / .1； v) = coscoicoscos3mwV3M2(/-m)yx, = i+(/ Vs其中:(2.9)而儿是11激励决定的振幅常数，a是等边三角形的边长，m.

7、 n、/是不同时为零的 整数且满足条件：m+n+/=O,(2.7)场满足波动方程式：(2.8)以上是无源等边三角形微带人线电场和磁场分布的一般公式。当m=l, n = 0, / =一1时的上模情况时，只要将相应数值带入以I:和应的公式即町得到电磁场值，这 里不再累赘。2. 2谐振频率对应J咯个模式的谐振频率丿4(2.10)上式没有考虑终端效应或边缘效应.若取微带线导帶宽度为w = 0和w = a时的等效介电常数的平均值：=” +勺-1(J2 力严(2.11)24“并用这个等效介电常数来代换/；呦农达式中的巧，则能较准确地求出谐振频率。同理, 如考虑终端效应，则在式几中用“掳来代换a,而的值为：

8、= +亍(2.12)2.3谕入阻抗下血将基于腔模理论导出同轴馈电时等边三角形微带天线的输入阳抗也。如图2.1中所示，同轴馈线在离三角形顶点距离g的角平分线上馈电，馈电点坐标为(-“/、$ + Z /) 馈电同轴线可以看作沿看x轴方向仃效宽度为d的电流帯:(2.13)兀r)=”Cr)(儿)fl/5 + V XV 其它(2.14)由腔模理论和本征函数式2.5),得到微带贴片下面的电场表达式00 8d()二加送为仏“(2)J3(2.18)这里漏是介质损耗疋切值，从上式看出，通过选抒适当的馈电点，也即改变距 离g的值，来改变天线的输入阻抗，使得它与馈线的特征阻抗相匹配。而天线川微带 线或口径耦合馈电时

9、的处理方法是一样的，在文献0屮已详细阐述。2. 4辐射场求图2.1中夭线的辐射场可以从面电流出发,计算出磁矢量位力后得到凶。设空 间某点A观,儿，石）的坐标是(2.19)兀=/ sin&cos0 yQ = / sin Osin 0Zq = rcosO取远场近似后电矢屋位成为:(2.20)考虑到足三角形贴片中三条边界而上的面磁流(2.21)式屮，表示积分是沿三角形边沿进行的。为了求出式(2.21)屮的积分，采用变虽代 换：（2.22）这样,式(2.21)nJ以表示为4（2.23）沿等边三角形的三条边枳分并计算，町得电矢量位衣达式为：F、= g土 t 心-八和+ 尸(卩)224)（2.25）0 N

10、t.N巴工工儿尸3) +尸也)+尸/r=0 ht=hP = 2Cm 严wz. #（/,貯）* 甘g/, z）+ ff（z, /）/=（） w=/r其中:尸(才)二fi=t 二:ifni = / = 0 & .r = 0.、/5么方（ -/）. 、/iz方（/- /；/）sin-一Sill2力（一/）力（/一加）.V5（ 一 /）.（/一 /）.力（加-/）sin sin sin2+2+2;/（/；丰 0,/; = 0o 丰”丰 0）& x = 0 b（n -/）力（/一/）力（刃一）.X+Z + Z*0ssifb（n-l）2 = r（一/）力.2（一/）穴sinifin = 工0 &* = 0

11、z=b飞厶 x2（/2- f）7t+ COS33ss；ijb Q -= rT （I- m）b . 2（/-1；莎(一/f工才2“一7）兀sin+ cosjx33-1；妙（/-/）22sifb (/一府=x2Alf 丿(/一)久一 2(/一)2(刃一)兀n 心.、2 , e sin+ cos 妙 (/_) H-府-”jx33J 7y/3ax + sin(3ax) + y(l-cos(V3ar)4a(-1)1 di/v = 0 & y = z(_),3讪7 3)协=0&严2 托(y- z)ffy, z) = (_)+ 3in(2g7 吗如 o& (丿-几宀 0 247r(y- z)3“I g於工

12、0& (丿一 z)，- / H 0/r(y-z)兀(y-z) 7tvCOSHCOS33sin33并H： Cty = (4刃尸加-旳J* 化 b- 4兀 13込 a ；4 =；x, = )siii&(cos0 + sin0/5):x2 = k sin&(cos0-sin。/3):卩=3%11 Osin0/2/r ；又因为：H(r) = -jcoh所以天线远区场为：He = 一购(巴 cos&cos0 + 只cos&sin0)H* = -jco(-Fl sin 0 + 化 cos0)H, = E=QEe = 一丿 eo (-行 sin 0 + /cosp)= y 久(&COS&COS0 +/,co

13、s&sin0)(2.26)(2.27)然后,我们可以得到E而(0 = 0)和Hifif (0 =刃2)的方向图：E 面:心(0) = 1坊+|引2 = 。彷 f +|打 cos2 0)(2.28)H |ftf :心(8) = He +1| = co2 (Fv cos2 8 + )(2.29)三、三角形贴片天线尺寸确定及HFSS仿真：三角形天线设计的各个尺寸参数：接地板 GroundPIane： 90mm*90mm，介质基片 Substrate:45mm*45mm*5mm，, 材料Rogers R04003贴片天线 Patch半径R为18.3mm;探针Pin半径0.5mm*高 5mm,材料 Pe

14、c，中心点（0,5,0）；空气框 Air160mm*160mm*70mm ;馈电点距Patch 中心 9.5mm 处。经过反复调整，最终的三角形不是一个等边三角形，而是一个边长分别为39.36mm、39.36mm、34.00mm 的等腰三角形。用式 2.10（m=1, n=0）计算得到天线的谐振频率约为2.44GHz根据指导书步骤完成工程如下:四、保存并求解工程，绘制以下各个图形并分析仿真结果:1、反射系数S1曲线（即回波损耗与频率的关系曲线）27 Jun 201322:41:33An sofi. Corporation!KY Plot 4HFS5Desl|di12疏I22607t二 thsS

15、JgpaS3.W百peq GHz;2.81GHz -60.27X1- 2 46GHz|X2-2J5ClGHz|X3-VY2 *.钿|y2-1Q.21卜A -10.17分析：图中最低点对应谐振点，此时频率为谐振频率2.46GHZ也是工作频率，此 时回损为-40.48dB，符合设计要求。图中在回波损耗为-10.00dB处对应曲线频率 为 2.50GHZ和 2.43GHZ 所以带宽近似为 2.50-2.43=0.07GHZ=70MHZ27 Jun2fl1322:49:582、阻抗特性曲线Ansoft CorpcrationXYPlof 5HFSSDcsignlFreq GHQ:2.78GHI -1O

16、3|J*.XIs 2.45GHZX2-昱斗祐HzY1* 3.27Ahi&ft 商世丽22:527MP: 2.1 -lft.554RX：G咏-0.404 *J0.298Q; 0J37VSWR: 2J32Smith PI口I J Hf554Pligr11.Dmii.o3.000GHz)/1-3969 P1- 1t15332 005-3ZT/Z-0931P2-W7213 XDE分析：频率在2GHZ-3GHZ内变化时，天线的归一化电抗值始终小于 2.00,而且在将近一半频率范围内，天线的归一化电抗值始终小于0.50,所以天线基本实现阻抗匹配。刘I Jiili D0AntfiMl10;22;21iRdd

17、iaHicin Fiitiern 1HF髓利dE3EIieocCCGehTotai) |cfc| PUd旳Selupl: LwtAcfepllviCfiCGrtriTotSl) |倒Selupl - LKtAdeplN1acBTGeinTctsI) |j Ph-iaDcfeQ Setupl : L祖a加I牯4、2D辐射远场方向图分析：由图可看出天线的最大辐射方向在 0,且辐射角度有点宽，但是不影响 正常使用。5、3D图中的增益ei25e-000?92Te-EE16750*-0002B10TE-00B67&0E-EEB审伽宙J五、课程设计总结：刚开始听老师说八木天线比较有挑战性，便决定选它做，不

18、过在宿舍画好FiW|阿月本来以为只是天线上一些小尺寸的错误，便仔细查找并更改天线上的错误， 越改越乱，每次更改都得运行好久，最后还是不对。请同学帮忙查错误也无果， 去机房之后边让电脑继续运行， 边另外做三角形贴片天线， 回到宿舍继续运行八 木天线，出来的依然有错误，遂放弃。三角形贴片天线的尺寸同样需要通过观察反射系数图的情况反复修改调 整，还好计算机所需计算时间较短， 调整起来比较容易。 不过在网上查找资料上 费了比较多时间，很多文献对这一部分知识都只是“点到则止” ，需要自己阅读 分析好几份材料才能得出结论，也算是一个很有意思的学习过程。总的来说，这次课设是我大学里做过的最费时间也最有意义的

19、课设。自己 查找资料，解决参数问题也是大学生应该掌握的技能， 所以这是一次很好的体验。 也希望以后其它课设可以有类似要求，而不是做一些“复制、粘贴”的手工活。六、参考文献：微波技术与天线（第二版） 刘学观郭辉萍微波技术与天线课程设计指导书 第二版刘建霞李鸿鹰wcdma统小型、宽带微带天线的设计与研制孙瑜短路针加载三角形微带贴片天线的研究栾秀珍 李永红 李春庚 林斌 王百锁 微带天线理论与应用钟顺时一种圆极化正三角形微带贴片天线的设计与仿真周帆魔T的设计、微波元器件概述:无论在那个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件。微波系统也 有各种无源、有源元器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理

20、或变换， 是微波系统的重要组成部分。微波元器件按照性质可分为线性互易元器件、线 性非互易元器件以及线性元器件三类。其中线性互易元器件只对微波信号进行 线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理，主要包括各种微波连接匹配元 件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等。功率分配元器件可以将一路微波功率按比例分成几路，主要包括：定向耦合器、功率分配器及各种微波分支器。二、波导分支器简介：将微波能量从主波导中分路接出的元件成为波导分支器，它是微波功率分配器件的一种，常用的波导分支器有 E面T型分支、H面T型分支和匹配双ToE-T分支：E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支， 其轴线平行于主波 导的

21、1丄模的电场方向。E-T分支相当于分支波导与主波导串联。H-T分支：是在主波导窄边面上的分支，其轴线平行于主波导.!匚模的磁场方向。H-T分支相当于并联于主波导的分支线。匹配双T:将E-T分支和H-T分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反 射，则构成匹配双T，也称为魔 To三、魔T原理：魔T是波导分支器的一种，是一种功率分配器元件。E面T分支、H-T分支也 是波导分支器。E面T分支是在主波导宽面上的分支，其轴线平行于主波导的TEo模的电场方向。H-T分支是在主波导窄边面上的分支， 其轴线平行于主波导的TEo模的磁场 方向。将E-T分支和H-T分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反射，则构成

22、匹 配双T如右图所示，它有以下特征：1四个端口完全匹配2. 端口“、”对称，即有3当端口“”输入，端口“、”有等辐同相波输出，端口 “”隔离。4当端口“”输入，端口“、”有等辐反相波输出。端口 “”隔离。5.当端口“或”输入时，端口 “、”等分输出而对应端口“”或“” 隔离。6当端口“、”同时加入信号时，端口 “”输出两信号相量和的1/倍,端口“”输出两信号差的1/倍。端口 “”称为魔T的H臂或和臂，端口 “”称为魔T的E臂或差臂。魔T具有对口隔离，邻口 3DB摔减及完全匹配的关系。由个散射参数可得魔T的S矩阵为|0 0 1 1is = -L 0-1111 V2 1 TOOLl 10 0（E）（H）四、仿真结果与分析：1、在HFSS软件中，建立新的工程。并设置模型单位为 mm和模型的默认材料 为真空。按照指导书上步骤创建魔 T如下图：2、绘制其S参数，如下图:殴園町.11圜 SchJpi : Swcppi1 二 云伽2)问 Setupl : Sweep!Y1 Q 瞰.S(P初I列 Gehjpl : SweeplY1 Seiupl : SweeplAiraon