四极化螺旋天线 设计部分

1、郑州大学毕业设计（论文）题 目： 四极化天线的设计制作与测量 指导教师： 周晓平 职称： 副教授 学生姓名： 李小飞 学号： 20092410217 专 业： 电子信息工程 院（系）： 信息工程学院 完成时间： 2013年5月30号 2013年 5月 30日四极化天线的设计、制作与测量摘要:天线是无线设备中不可缺少的一部分，本文即围绕天线展开。对称阵子天线由于结构简单，因此广泛用于雷达、通讯、电视和广播等无线电技术设备上。正交阵子天线辐射电场的有效方向图是一个圆，广泛用于电视及调频广播发射天线。正交振子天线虽然很早已投入使用，但是实现的单一极化方式很难满足要求。定向耦合器广泛用于功率分配、合成

2、器、平衡放大器和幅度控制系统。由于微带线具有平面电路结构，用其做成的定向耦合器往往比波导型的立体结构简单得多，在微波集成电路中获得广泛应用。本论文基于正交振子天线的工作原理，及定向耦合器的功率分配的作用，设计了四极化天线。推导了半波对称阵子的辐射场公式；研究了正交振子天线及微带线定向耦合的特性；设计了正交振子天线；设计了微带线对称分支线定向耦合器；运用电磁场仿真软件HFSS13.0，对所设计天线的特性进行了较为详细的建模和仿真，得到了较小的驻波比及辐射方向图等，实现了垂直极化波、水平极化波、左旋圆极化波和右旋圆极化波四个功能，对所设计的天线进行了制作；利用矢量网络分析仪及天线测试系统对制作的天

3、线进行了测量。驻波比的仿真结果与实测结果误差较小。关键词 对称阵子天线 正交阵子天线 定向耦合器 四极化天线 HFSS仿真4.2四极化天线仿真步骤新建工程文件 打开HFSS13.0软件，打开File选项单击Save as，在默认目录下，键入文件名sijihuatianxian（注：存储目录和文件名必须是英文或是数字，不然软件运行肯能会出错）。单击工具栏里的 按钮，在左下project窗口会出现默认的的设计HFSSDesign1，展开后查看Model、Boundaries等选项 。图4.3求解设置单击主菜单栏HFSS Solution Type，选择Driven Model，单击OK。如图所示。

4、选择长度单位，单击Modeler>Units，选择mm单位，点击OK，如图4.4所示图4.4 添加和使用变量从主菜单栏中选择HFSS Design Properties命令，打开“设计属性”对话框，单击对话框中的按钮。打开Add Property 对话框。在Name中输入变量length1，Value想输入变量的初始值为43mm，然后单击OK按钮；此时添加了变量length1，重复以上操作，添加length2=24mm，h1=2mm，l=1.5mm，d=0.8mm，最后单击“设计属性”的对话框的确定按钮，完成变量定义，如图4.5所示图4.5在模型库中添加新材料在工具栏中选择ToolsEd

5、it Configured LibrariesMaterials,单击，出现如下的对话框，在Material Name处填mysub，其余参数如图4.6所示图4.6创建四极化天线结构模型1.创建接地板从主菜单栏选择DrawRectangle命令，或者单击工具栏中的按钮，进入创建长方形模型的状态，在界面上任意画一个长方形，画好后，出弹出Attribute对话框，在对话框中修改属性，命名为gnd如下图所示。最后按Ctrl+D，使模型大小适中。再在历史树下的sheets展开gnd，双击CreateRectangle,在弹出的对话框中修改gnd的坐标参数，如图4.7所示图4.7 画好后如图4.8所示

6、图4.8 2.创建介质板层从主菜单栏中选择DrawBox命令，或者单击工具栏中的，进入创建长方体模型状态，在界面上任意位置画一个长方体，在弹出的属性框中修改属性，命名为subtrate如下图所示。再如上，双击subtrate下的CreatBox,弹出如下对话框，参数如图4.9所示图4.9画好介质板后如右图4.10图4.103.馈电端口从主菜单栏中选择DrawCircle命令，或者单击工具栏中的，进入创建圆的状态，在界面上任意画出一个圆面，在弹出的属性框中修改属性，命名为port1，如下图所示再双击port1节点下的CreatCircle，修改坐标参数，具体如图4.11所示图4.11然后用同样的

7、方法分别画出三个圆，分别命名为port2、port3、port4，位置相差90度。画好后如图4.12所示图4.12从主菜单栏中选择DrawCircle命令，或者单击工具栏中的，进入创建圆的状态，在界面上任意画出一个圆面，在弹出的属性框中修改属性，如图4.13所示，然后用同样的方法分别再画出三个圆，位置相差90度。图4.13画好后如图4.14所示图4.14在左边的历史树中按住Ctrl键先后选择port1、Circle1，单击工具栏中的按钮，出现如下所示的属性框，选择不保留circle1。按照同样的方法，分别从port2、port3、port4上减去circle2、circle3、circle4。

8、画好后如图4.15所示图4.154.创建馈线从主菜单栏中选择DrawCylinder命令，或者单击工具栏中的，进入创建圆柱模型状态，在界面上任意画出一个圆柱，在弹出的属性框中，修改属性，命名为cable1，如图4.16所示图4.16画好后如图4.17所示图4.17然后用同样的方法分别画出三个圆柱，分别命名为cable2、cable3、cable4，位置相差90度。如图4.18所示图4.185.创建阵子臂从主菜单栏中选择DrawCylinder命令，或者单击工具栏中的，进入创建圆柱模型状态，在界面上任意画出一个圆柱，在弹出的属性框中，修改属性，命名为antenna1，如下图所示。然后用同样的方法

9、分别画出三个圆柱，分别命名为antenna2、antenna3、antenna4，位置相差90度。如图4.19所示图4.19画好antenna2、antenna3、antenna4后如图4.20所示图4.20单击工具栏中的按钮，选择平面，从主菜单栏中选择DrawCylinder命令，或者单击工具栏中的，进入创建圆柱模型状态，在界面上任意画出一个圆柱，在弹出的属性框中，修改属性，如图4.21所示。图4.21然后用同样方法画出其它三个阵子臂。（注：画Clinder3和Clinder4时需要注意将平面改为），画好后如图4.22所示图4.22分别选中antenna1和Clinder1，如图4.23所示

10、，单击按钮，图4.23同样分别将antenna2与Clinder2、antenna3与Clinder3、antenna4与Clinder4合并，如图4.24所示图4.24按住Ctrl键同时选中antenna1、antenna2、antenna3、antenna4，单击工具栏中的，弹出如图4.25对话框，选择旋转45度角，点击确定。图4.25同样的方法把port1、port2、port3、port4和cable1、cable2、cable3、cable4都旋转45度，旋转后如图4.26所示图4.26在左边的历史树中，按住Ctrl键按先后顺序选择gnd、port1、port2、port3、port

11、4，然后单击工具栏中的按钮，出现如图4.27所示的对话框，下面的属性框打勾，表示保留port1、port2、port3、port4四个端口。图4.27 图4.28在左边的历史树中按住Ctrl键先后选择subtrate、cable1、cable2、cable3、cable4，单击工具栏中的，出现如图4.28的对话框，对话框下面打钩，保留cable1、cable2、cable3、cable4。6.创建耦合器的主线和分支线从主菜单栏选择DrawRectangle命令，或者单击工具栏中的按钮，进入创建长方形模型的状态，在界面上任意画一个长方形，画好后，出弹出属性框，在属性框中修改属性，命名为coupl

12、er，其他参数如图4.29所示。最后按Ctrl+D，使模型大小适中。图4.29画好后如图4.30所示图4.30选中coupler，然后点击工具栏中的，在右下角的坐标中输入按Enter键按Enter键 画好后如图4.31所示图4.31从主菜单栏选择DrawRectangle命令，或者单击工具栏中的按钮，进入创建长方形模型的状态，在界面上任意画一个长方形，画好后，出弹出属性框，在属性框中修改属性，其参数如图4.32所示。最后按Ctrl+D，使模型大小适中。图4.32选中刚才画的长方形，然后点击工具栏中的，在右下角的坐标中输入按Enter键按Enter键最后，按住Ctrl键，选中刚才画的四个长方形，

13、单击工具栏中的如图4.33所示图4.337.绘制空气腔从主菜单栏中选择DrawBox命令，或者单击工具栏中的，进入创建长方体模型状态，在界面上任意位置画一个长方体，在弹出的属性框中修改属性，命名为air如图4.34所示图4.34画好后如图4.35所示图4.358.创建辐射边界条件在左边的历史树中选中coupler，右键选择Assign BoundryPefect E，点击OK；同样的方法设置gnd。然后选中air，右键选择Assign BoundryRadiation，点击OK。这样设置的边界条件的名称会自动添加到工程树Boundries下面。设置激励端口在左边的历史树中选中port1，右键选

14、择Assign ExcitationLumped port，出现如下对话框，命名为L1，单击下一步，选择new line，在port1端口由内径沿着半径方向画一条矢量线，因为port是一个圆环，还必须保证矢量线的起点和终点都在port1上（注：画积分线时，可以把port1放大到可以清晰看见圆环画出积分线，也可以在右下角输入坐标）。画好后，如图4.36所示图4.36同样的方法，分别在port2、port3、port4上画出积分线。此时集总端口的名称会自动添加到工程树Excitations下。设置求解频率右击工程树下的AnalysisAdd Solution Setup，出现如下对话框，中心频率设

15、置为3GHz，最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。单击确定后，在Analysis节点下会自动添加Setup1。 图4.37 图4.38再右键单击Setup1Add Frequence Setup，出现如图4.38所示的对话框，扫描类型选择Fast，频率范围选择2.83.2GHz，步长为0.05GHz。设计检查和运行仿真分析单击工具栏中的，会出现如图4.39对话框，点击Close。图4.39单击工具栏中的，开始运行仿真，右下角显示进度查看天线谐振点运行结束后，右键单击工程树下的Results节点，在弹出的菜单中选择Create Model Solution Data ReportRectan

16、gular Plot命令，打开如图4.40所示的“报告设置”对话框，设置各项与图一样，单击New Report按钮，再单击Close按钮关闭对话框。 图4.40图4.41从图4.41中可以看出当频率为 3.03GHz时，最小，约为-16dB分析：有图可知，天线谐振点不是在3G，因此需要通过调节天线和谐振频率相关的参数，如阵子臂之间的距离l，阵子臂长度length2。这些参数是和天线的频率成反比的，因此需要增大l或length2。查看优化后天线性能1.查看参数图4.42图4.43注：有模型可知，1和4、2和3端口是完全对称的，故在此仅示出了1和2端口的一些参数。2.查看驻波比 右键单击工程树下的

17、Results节点，在弹出的菜单中选择Create Model Solution Data ReportRectangular Plot命令，打开如图4.44所示的“报告设置”对话框，设置各项与图一样，单击New Report按钮，再单击Close按钮关闭对话框。 图4.44图4.45图4.463.查看天线三维增益图 右键单击工程树下的Raditation节点，在弹出菜单中选择Insert Far Field SetupInfinite Sphere命令，打开“远区辐射球面设置”对话框，Name处输入3D，其他保持不变，如图4.47所示，然后单击确定按钮。图4.47右键单击工程树下的Resul

18、ts节点，在弹出菜单中选择Create Far Field Report3D Ploar Plot命令，打开报告设置对话框，采用图4.48设置，单击New Report 按钮，生成三维图。从图中可以看出该天线最大增益方向为z轴方向。图4.48 图4.49图4.504.查看平面方向图右键单击工程树下的Raditation节点，在弹出菜单中选择Insert Far Field SetupInfinite Sphere命令，打开“远区辐射球面设置”对话框，Name处输入2D，其他设置如图4.51所示，然后单击确定按钮。图4.51右键单击工程树下的Results节点，在弹出菜单中选择Create Fa

19、r Field ReportRaditation Pattern命令，在打开的对话框中，Geometry项选择2D；其他采用下图4.52所示设置，单击New Report按钮，生成的E面增益方向图。图4.52图4.53图4.54从图4.53（圆极化）可知结果的最大增益没有在0度附近，有偏差。这是由于所设计的耦合器的尺寸有一定的偏差引起的；图4.54中（线极化），偏差较小，基本符合线极化的要求。第五章 四极化天线制作与测量第六章 总结及展望本论文通过利用Asoft HFSS仿真软件，研究了四极化天线的设计，给出了四极化天线的基本原理，和其重要参数的分析。在这个过程中，我对天线有了进一步的认识，极

20、大地丰富了我天线方面的只是，具备了设计天线的初步能力。通过亲手制作该四极化天线。熟悉了电路板印刷的基本步骤，并能够制作简单天线，增强了自己的动手能力。本文基于旋转场天线和微带分支线定向耦合器的基本原理，研究了四极化天线。通过软件仿真，使天线的一些性能参数基本达到了要求，但是天线的增益较低，不能满足一般的使用要求，因此可以选择其他的方法提高天线的增益。天线的频带宽度也不是很宽，现在是宽频带天线是比较难以实现的，通常都是在一些指标中折中选择。由于时间问题，本文仍存在一些问题有待于进一步的研究，比如在天线的上方加铜片是否能提高天线增益、如何改变耦合器尺寸，使得天线的谐振点增益、阻抗匹配等问题达到最佳，并应用到实际制作中。致谢 本论文得以顺利完成，受益于周晓平老师的悉心指导和帮助，在软件仿真、理论分析、论文编写方面，周老师都对我进行了很大的帮助。周老师严谨的治学态度、渊博的知识成为我今后学习和榜样。在周老师的悉心指导下，我积累了很多专业知识，不仅强化了我已学的专业知识，而且在此基础上学会了更多没有学习过的专业知识，这为我以后研究生的学习打下了一定的基础。 更为重要的是，在学到了科学研究的思想和方法以及做人做学问的原则，这些都将使我受用终身。 参考文献1. 宋铮等著.天线与电波传播（第二版）.西安电子科技大学出版社,2011 2. 李宗谦等著.微波工程基础.清华大学出版社,2009