swj微波技术及天线课程设计

1、QINGDAO UNIVERSITY微波技术与天线课程设计题 目：Novel Modified UWB Planar Monopole AntennabWith Variable Freque ncy Ban d-Notch Function专业：2008级通信一班作者1：2班200840603040,胡丹作者2：2班200840603046,刘瑶瑶作者3：2班200840603051,孙文静作者4:指导教师：2班200840603053,宗卫华唐晓丽自动化工程学院2011年6月13日1、天线结构及性能图 1 中显示了被推荐的宽频带的单极天线的构造，它由一个简单的天线矩形贴片、 带有两个插槽的

2、有缺口地平面和 H-shaped导体面组成。被推荐的天线是建造在厚度为1.0 毫米、相对介电常数为 4.4 的 FR4 基板上。微带线的宽度馈线是固定的 1.86mm 以获得 50欧的特性阻抗。在基片的正面，印刷着一个大小是 10*13.5mm 矩形贴片，此矩形贴片 到底面6mm长度的有槽基地的距离是 2mm。关于地面结构（DGS），地平面槽的设置提供 额外的电流路径。 另外这种结构改变了输入阻抗的电感及电容， 从而改变带宽。 通过改变 插槽的形状和尺寸，应用于微带线的 DGS引起了谐振频率可控的结构传输的共振特性。因此，通过在地面层插入两个插槽，然后慢慢改变它的参数（ WS、LS），可以获得

3、更高的 阻抗带宽。如图一所示，这两个插槽放置在距地面中心线 1mm 处（大约 0.5Wf）.如图 1,H 形导体面被放置在辐射补丁的下面，相对于纵向方向也是对称的。 The con ductor-backed面会扰乱共振响应还可以作为一个寄生的半波共振结构电耦合到矩形单 极子。At the notch frequency,电流受寄生元素的支配，在寄生元素和辐射贴片之间他们相 反的方向。由此，在the notch frequency附近可以产生理想的高衰变。 通过慢慢改变 WH、 LH、DH参数可以获得可变的band-notch特性。在此设计中 WH的宽度是控制过滤带宽 的主要参数，也是寄生元素

4、和辐射贴片耦合参数。另一方面，the notched band的中心频率对WH的改变不敏感。the notched band的共振频率取决于LH和DH。在此设计中，L 的最优化长度设定在大约 0.5参考文献中给出的天线结构图如图 1，其回波损耗如图 2，可见天线的 -6dB 带宽为 3.1-4.8GHZ以及6.2-11.4GHZ,覆盖UWB的两个频带。天线的方向图如图3,在水平面具 有全向性，符合 UWB 通信终端天线的方向性要求。22H-shaped conductor-backed planez8w22f 0+5由11工*I1.8* wlhDhmicrostrip feedline top

5、 view ground plane bottom view图1天线结构图wMhoul mbts 工z m i亡勺梵和用i579Freci (GHz)11Fig.2. SiiniJIJled VSWRetwriiclcrislicvarious lengthf： DM = 2iuul).uaacda一 W50.5rnrn “ W$lmnn Ws2mm-Tij1In|i 0 冲 FI1i *41II41IlI0,5 41+11-i35791113Freq (GHz)Figa 工 Simulated V5WR diLimetcrjstic for vriou lengdi (Ls = 7.5 11

6、11LI h1I- LH-nm1 1 * LH-11mm- tLH=13mmLH14.&nrricrMSA；* * * WHi=li4inm r * WH=1i1a6mm911Froq (GHz)Fig. 5. SLinuJaccd VSWR chaiujclcritic: fijr vininui length H u.7911Freq (GHz)Fig. 4, Jlinwlhyd VSWR chunMUcri曲ic f viiriaus; length Eh(D 5- imii L10Fiig. MenhureiJ VSWRwith and withom H-shjiped eonduil

7、or-backed plane.Fig. 8u htc/so爬dl anEennoi gain.图2天线的回波损耗图270f-z planeco-polartmss-pd 町Fig. 7. M eiisured .r z pl ane nd 甘一：pkine: ud ialiun piilteni (ur pniposd unienn. ul 灿 4 GHz: Cb) 8 Cihk： und (c) 11 GHt.270i-z planejf-z plam图3天线的方向图2、 采用HFSS建立天线模型采用HFSS建立天线的模型如表1及表2,变量如表3 表1天线三维体模型名称形状顶点(mm)尺寸

8、(mm)材料Box1长方 体(0,0,0)dx=22 dy=22 dz=1FR4_exopy(4.4)airbox长方 体(-$lbd/3, -$lbd/3, -$lbd/3)dx=$lbd/3*2+22 dy=$lbd/3*2+22 dz=$lbd/3*2+1真空(vacuum)表2天线二维面模型名称所在 面形状顶点(mm)尺寸(mm)边界/源patchxy矩形1(6,8,1)dx=10 , dy=13.5PEC矩形2(10.07,0,1)dx=1.86,dy=8groundxy矩形3(9.2-$wh/2,6+$dh,0)dx=1.8,dy=15.5-$dhPEC矩形4(11+$wh/2,6

9、+$dh,0)dx=1.8,dy=15.5-$dh矩形5(11-$wh/2,6+$lh,0)dx=$wh,dy=1矩形6(0,0,0)dx=22,dy=6矩形7(10-$ls,3-$ws/2,0)dx=$ls,dy=$ws矩形8(12-$ls,3-$ws/2,0)dx=$ls,dy=$wsfeedxz矩形3(10,0,0)dx=1.93,dz=1Lumped port表3变量表变量名变量初始值（mm）变量值（mm）$lbd37.537.5$w11.611.6(9.2,14.0)$d5.55.5$l14.314.3(9.0,11.0,13.0,14.5)$ws22.0(0.5,1.0)$ls7.

10、57.5(3.5,6.0)3、计算结果验证HFSS计算的回波损耗如图4,方向图如图5。计算结果与文献值基本吻合，验证了仿真 的正确性。Ansol ILLGXY Plot 1Cme hTo VSWRtipatchTl) Sdupl: Sweepi 細店h) 5nirrf“ 逊冋伯SduN 帥 geAVSWRt(pslch_Tl SSupI : SWGEPIXY Plot 1Arlsofi LLC8 000 007 00二0 003 002 001 00Curve 1*11。nw.oo12.003.00 Frsq GHz-VSVrf4jpa1ch_Tl) Sefjpli: SweEpI VSwft

11、ipiarlcn_Tl) Se&ipH 抽 eepl irsumi VSWft(pa1ch_T1) SdupH : SwCTplArisoft LLG1500 -XY Plot 112.5D 10.00 7.50 500 2 50 0.00j-2.00An soft LLC VSmip3lch_T1) Sjpli: Sweep!St13rwfCuve InlDvwa(pdh_n)Sdup1騷啊j 珈书2ml VSVVRl(paicih_TiJ 曲 Lfd :希 eq)1SwlH.&riri4.00B.QO10.OT12.00曲申1希阿j $w-14nni6.00Freq 刖4XY Plot 1

12、6.008.0010.0012.00Freq GHz图8天线的回波损耗图Radiation Pattern 3KSSDkugnlCurvi Inta DBG 11*1I LuLAdifibin n科刊GMf仆创饲申 = 础 CTXi；I I MlAdlfTlFBIi(1)4GHZX-Z pla neRadioiion PatlErn 4Y-Z pla nemSDuignl130Qr*rfcn*(j dHfCunFi；-SfWZ gAm，神Firq-1&ti, Rw-Tdm -也 dUlTMUjSfiW-TF!EFOt2*申1申(2)8GHZX-Z pla neY-Z pla neRadmon

13、Pattern 6Into-一朗Gun啊 命甲歩LnWlilin FWilGteAii-tMefldShjp3 Ue4kiipkh-e rrvqllGfRii-Ddaji-Radiilion Pattern 7取GwPh；! Snip LiAlMApkv* Fnefl-IIGH?O-awej1廿出 HwiTnsWi Mp3 LisUMiI Fiaq-l iCbU1 Thristtdq(3)11GHZ X-Z pla neY-Z pla ne图7天线的方向图4、天线性能讨论利用HFSS得到模拟结果，并在此基础上进行天线的参数分析，得到优化达到最大的阻 抗带宽和良好的阻抗匹配。LS取不同值时模拟V

14、SWR曲线仿真结果绘出如图2。从图2仿真结果观察到阻抗带 宽随LS长度增加而增加。Ansol LLCXY Plot 1LS (0.75mm)取最优长度，WS长度变化的模拟的VSWR曲线如图3所示。随槽 宽度WS的增加,阻抗带宽增加Anscst LLCFreq GHzID DO12.00Cire hfo VSWRpatchTl) Sdupli:抽 eepi 細 5mrrf佃日 tfh_TH BducM 帥 seedVSR4p?tch_Tij Selupl : Swsepl 軸羊=2卄刖E.DD图3另一方面，带宽的低频部分对 WS和LS的变化不敏感。我们观察图2和3可知在11GHZ时新增加了一个共

15、振频率 。由此我们可以得出结论：参数 LS和WS是决定更高操作频率、阻抗带宽、阻抗匹配的关键因素。LH取不同值时，模拟的VSWR曲线如图4所示。随着高度LH从9.0到14.5毫米增加,凹槽带宽中心频率从8.9GHZ变化到5.3GHZ。高度DH时另一个决定band-notch频XY Plot 1Ansoft LLC9 00 tCUn/e rilo VSVrfHjDSlch_Tl) Seflupl eepl 5r9im-1率的参数，由结果可知，通过改变两个高度参数LH和DH得到可控的notch frequency（槽 频率）VSWRfpalchJI) SeUpI Sweepl VSmpHlch_T

16、1) SdupH :尿rcepl S13nirf V8Vrfipalch_Tl) SeUpI : Sweepl图5说明了 WH变化时模拟的VSWR特性，随 WH从9.2到14mm的增加,the filterbandwidth （过滤带宽）从 0.6GHZ 变化到 2.2GHZ。conductorbacked plane的最优参数如下:WH=11.6mm LH=14.3mm DH=5.5mm L=27.6mm.XY Plot 1Qive Inlb12.5D 10.00 7.&0 &.002500.OTHOOT12.00Freq矗网图5SeIlipI :&ep1 Sw-Unni VSMRl(pai

17、cii_Ti) SelLfil: 9weqi1 Sw=?H1.&nTiVSMM(pddh_T1)lMr=2wn1Ansofi LLC1500 -如图6(a)图6(b)显示的是有、无H型底平面的单极天线VSWR测试性能。为了便于 比较，简单长方形单极天线的 VSWR曲线也在图6中。如图6所示，在超过8.9兆赫频 段，简单的单极天线的VSWR特性很差。在底面插入两个槽后，阻抗带宽变化范围从 3.1GHZ到超过14GHZ( VSWRdig2.004.006.008.0010.0012.00Freq GHz图 6 (b)在x-z和y-z平面的被测量的辐射模式分别如图7的a到c,从一个整体的认识观察这些辐射模式图可知，这个天线工作特性十分类似于典型的单极天线。Gmtyi Inta 沁舉1 LulAdipkai:I I MlAdirtiaY-Z pla ne(b)8GHZX-Z pla ne图7如图8所示为有、无con ductor-backed平面时所推荐天线的最大增益。一个急剧减少最大增益在取得 5.5GHZ频段时出现。对于其他超过the notched frequency banc的频率,有过滤器的天线增