南通大学线极化微带天线及天线阵设计

1、南通大学本科生毕业设计 论文答辩线极化微带天线及天线阵设计电子信息学院通信工程103班 指导老师：褚慧学生：孔祥飞 时间：2014年6月4日内容简介v第一章.课题简介及发展v第二章 线极化微带天线及天线阵v第三章 微带贴片及阵列天线HFSS仿真实验第一章.课题简介及发展v 在通信系统里面，天线发挥着非常重要的作用。天线被韦伯斯特大词典定义为：一个用在发射及接受电磁波的金属的装置；美国电气和电子工程协会（IEEE）对天线的标准定义是：一种接受和辐射电磁波的途径。v 天线是一种能量变换装的装置，它能够将传输线上的电磁波，转换成在大气或者特定传输媒质上传播的电磁波；同样，它可以将大气中或者特定传输媒

2、质中的电磁波变换到传输线上传输。在无线通信，电子对抗，广播，导航，遥感等高科技领域，但凡是涉及到微波通信的，都要用到天线装置，这里可以看的出天线的应用是非常广泛的。1.微带天线发展简介v 有时候，大型客机，太空飞船以及火箭这些飞行器的尺寸、重量、以及轮廓都是有一定的要求和限制的，这时大型的天线就显得不宜使用；同样，一些商用移动通信业务和无线通信也需要小型的通信设备。为了满足这些需要，微带天线进入了我们的视野，这种类型的天线具有较低的轮廓，而且具有和平面或者曲面共形的优点，除此之外，它是使用印刷电路板技术进行生产加工的，造价低廉。 v 微带天线是由 Deschamps 教授于 1953 年提出的

3、，当时他是希望能将微带传输线传播的能量辐射出去，进而产生了微带天线的概念。从二十世纪 70 年代起，由于微带天线技术发展很快，它也迅速成为了天线家族中独立的分支，与此同时，第一个实用微带天线也制作而成。从此，人们都在这个领域投入了大量的精力，使得微带天线不仅在理论上快速发展，而且在工程应用中也取得了长足的进步。2.微带天线的一些性能参数v 方向图：被测天线在某方向上的功率密度与把该天线假想成元天线（元天线就是一个没有方向性的辐射点源）辐射的功率密度的比值。v 增益：增益等于方向性系数与系统效率（效率被定义为天线有效辐射功率与馈入天线总功率的比值）的乘积v 输入阻抗：天线的输入电压与输入电流的比

4、值被称为天线的输入阻抗。v 带宽：随着频率的变化，天线的各项电性能参数能够保持在技术指标要求的范围内，此时所对应的频率宽度就叫作带宽。 v 极化：天线在其最大辐射方向上电场随时间的变化规律。v 驻波比（VSWR）：反映天线能否很好的接收和利用功率源供给的能量的参数。v 前人已经证实，由于小天线具有很高的Q值，所以它的辐射效率就会比较低，同时还有频带窄的缺点。微带天线属于一维小型天线，天线的长宽尺寸与波长一般来说在同一数量级，而天线的厚度仅有波长的百分之一左右。正因为这样，微带天线的频带就很窄。当然，有时候巧妙的设计也可以使天线在一定频带内具有好的阻抗特性和高的辐射效率，特别是这几年来毫米波技术

5、的快速发展，使得微带天线得到了更大的关注。图 1-3 分别是矩形贴片微带天线和圆形贴片微带天线的模型，天线表面的矩形和圆形金属片是微带天线的辐射贴片，它附着在介质基片上，最底下是接地金属板 3.微带天线优缺点v 优点(1) 剖面低，体积小，重量轻，容易共形； (2) 电性能的多样化。微带元的不同设计能使天线的辐射方向图在辐射面内改变；易于得到不同的极化； (2) 容易与有源器件，电路等集成在一起。 v 缺点(1) 欧姆损耗在阵列馈电结构中较大；(2) 增益低，频带窄，有比较多的微带天线辐射出的能量范围只有整体的一般；(3) 阵列的性能若要求高，则其馈电结构就会比较复杂，且易不完全极化，辐射会从

6、馈源和结合的地方泄露出来，功率容量不高；4.微带天线的分析与馈电方法v 分析方法 (1) 传输线法(2) 积分方程法(3) 全波分析理论(4) 空腔模理论 v 馈电方法(1) 微带线馈电（侧馈）(1) 同轴线馈电（背馈）第二章 线极化微带天线及天线阵设计v按照微带天线的工作原理可以将微带天线划分为线极化微带天线和圆极化微带天线。本论文主要介绍线极化微带天线v线极化微带天线主要电特性：(1) 方向性系数以及增益；(2) 中心工作频率f0；(3) 输入阻抗，可以用天线的S11参数或者VSWR 来代替；(4) 极化特性，对于线极化特性主要看其主极化增益与交叉极化增益的对比；0f1.辐射贴片示意图如下

7、图所示：2.微带线两种馈线方式示意图v由于我们平时所用的同轴馈电头都是 50 ，然而普通微带天线的输入阻抗一般都在 100 以上，想要与之匹配，必须使用微带阻抗变换器，这样就会使微带天线基片面积增大。所以，如果对使用天线的面积有限制的话，那么背馈的方式为最佳。v虽然背馈能够省去很多面积，但是作为阵列设计时，大部分采用侧馈方式，因为侧馈方式便于将能量馈入阵元。实际操作中可以先把天线和 50 的馈线设计好，然后用实验的办法测定出阻抗变化器的宽度，再进行制作即可。3.两种馈电比较4.天线阵组成vIEEE 对天线阵列的定义为：在一个规则的几何布局中，由相同阵元组成的天线阵。v阵列天线中有一个非常著名的

8、原理，称为波瓣图乘法原理，这个原理被概括为：天线阵列方向图=单元方向图阵因子。也就是说，要求出阵列方向图，首先把天线每个阵元假想成是理想点源，求出这个阵列的方向图，然后用这个方向图去乘以单元方向图，这样就能得出阵列的方向图了。v单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列，也叫天线阵。构成天线阵的天线辐射单元称为阵元。v 天线阵的主要作用有：(1) 加强和改善辐射场的方向性。(2) 加强辐射场的强度。5.天线阵主要作用第三章 微带贴片及阵列天线HFSS仿真实验 v本章介绍了矩形微带贴片天线的中心频率为2

9、.5GHz，基板为Rogers RT/duroid 5880(tm)厚度为 0.508mm的单片应用设计。v组成四个（41）个贴片阵列矩形微带天线，仿真阵列天线。v天线设计的性能，包括长期回波损耗，电压驻波比（VSWR），带宽，方向性，辐射方向图和增益等。结果在实验室测定的阵列天线阵列天线的模拟表演表现出良好的一致性。 1.HFSS软件设计基本数据 基板 RogersRT/duroid5880(tm) 中心频率 2.5Ghz 介电常数 2.2 损耗角正切值 0.0009 基板高度 0.508mm 馈线的宽度 1.567mm 波端口长度 8*馈线宽度 波端口高度 6.5*基板高度 贴片长度 42

10、.2mm 贴片宽度 39.26mm 空气与贴片距离 大于等于 / 22.单片HFSS设计模型3.优化调试得到仿真结果vS(1，1)仿真图：1.01.52.02.53.03.5-12-10-8-6-4-20dB(S(1,1) (-0.061383629)Freq GHz (1) -0.061969445优化调试得到仿真结果v增益图：-200-150-100-50050100150200-20-15-10-50510dB(GainTotal) - Freq=2.5GHz Phi=90.0000000000002deg (-13.94936243)Theta deg (-180) -13.96338

11、005方向图-80-70-60-50-40-30-20-10010-150-120-90-60-300306090120150180-80-70-60-50-40-30-20-10010 面线极化方向图 面交叉极化方向图方向图-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50510-150-120-90-60-300306090120150180-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50510交叉极化方向图线极化方向图4.微带天线阵列设计v馈电网络选择四个用来设计元素阵列网络。该阵列天线由一个分支网络的双向

12、功率分配器构成。四分之一转换器（50）用于将100的线与25的线匹配起来。下图所示在这个四个元素的矩形阵列天线中的个别线路的阻抗。5.单片组成天线阵列图6.阵列仿真结果v 其中基本数据按照单片微带天线的设计，设计好后仿真，得到的回波损耗和增益并不理想，在不断的优化下，最终调得满意波形。经过优化，仿真得到下图结果；v S(1，1)仿真图：1.01.52.02.53.03.5-14-12-10-8-6-4-202dB(S(1,1) (-0.069338865)Freq GHz (1) -0.098234404仿真结果图v增益仿真图：-200-150-100-50050100150200-40-30

13、-20-10010dB(GainTotal) - Freq=2.5GHz Phi=90deg (-11.3217213)Theta deg (-180) -11.44665362方向图-50-40-30-20-10010-150-120-90-60-300306090120150180-50-40-30-20-10010面线极化方向图面交叉极化方向图方向图-40-30-20-10010-150-120-90-60-300306090120150180-40-30-20-10010 面交叉极化 面线极化7.仿真结果分析v用软件根据基板的类型和厚度，计算得到的数据还是有差异的，需要自己不断的设置优

14、化参数，进行优化，取定一个范围，设置变化步长，仿真出各种反射系数和增益图，得到最佳数据。总结一些结论 。v微带贴片的宽度决定了整体的中心频率，呈反比关系，馈线和贴片的长度决定了波端口输入阻抗，从而影响其反射系数和增益，当然，这个也是受到其他因素影响，比如空气盒子和贴片的距离，阵列中，贴片之间的距离，馈电的位置，波端口的大小，以及波端口后加上的铜片等等。8.实验总结v 首先，先介绍关于建模仿真的一些细节方面的东西，打开HFSS软件，新建自己的工程，并保持好，接着就开始设置参数变量，其中主要设置贴片的长，宽，还有基板，空气盒子和贴片边缘的距离，馈线的宽度，基板的高度，其他数据则用这些已知变量来表示

15、，这样既方便数据的变动，也方便优化仿真，使得最终仿真更容易得到结果。v 在建模时一定要细心仔细，模板坐标数据不能弄错各个部分的坐标要小心，不能分开。总的来说，在波端口加上一个厚度为0.1mm的铜贴片有助于获得达标的增益和回波损耗。v 阵列天线在很大程度上还依赖于几个因素，如进料技术，衬底的类型，厚度和衬底分别介电常数等。 9.HFSS软件小结v那么最后，我们再来讨论关于HFSS这款软件，自从本人获得本课题到动手实践再到最后撰写该论文，接触最多的还是使用该软件进行建模仿真优化，该软件是世界上一个非常优秀的三维结构电磁场仿真软件，关于天线的一系列的参数，模型，模拟仿真等功能一应俱全，可以很完美的将

16、理论结合在实践之中，大大简化了人们的计算和操作，使得天线这门学科的发展更加的便捷。而且，该软件功能强大，远不止这一种用途，已经被广泛的应用于各大领域。论文总结v本文着重介绍了微带天线，讲述了它的历史，发展，和展望等，并对线极化微带天线做了一些介绍，它的分析方法，馈电，线极化，圆极化分类等，最后使用HFSS软件进行建模仿真，将线极化微带天线的理论用于实践中，并根据结果进行优化调试，分析结果，得到于理论相符的结论。 v1.解析法中，本文介绍了理论分析方法中的传输线法分析，以及微带天线的各个参数，参考了很多了学术论文；分析得到了很多有价值的参考。使得我受益匪浅，也使得我的一些数据理论得到了验证。 v

17、2.线极化微带天线是微带天线里的最基本也是最简单的一种天线的结构。本文对矩形线极化微带天线的馈电方式的进行了一些简单的分析，并可以证明出两种馈电方式得到的结论是相同的，具体的选择肯定是根据不同的工程需求来定的；本文还对线极化微带阵列天线做了一些的分析研究，并且得到一些结论。 v3.本文最后列举的一仿真实验，微带矩形4X1贴片阵列天线仿真实验。具体介绍了矩形微带贴片天线的中心频率为2.5GHz的WiMAX应用的设计。数组中的四个（41）个贴片阵列矩形微带天线与微带线馈送的基础上四分之一波阻抗匹配技术设计。通过HFSS软件的仿真，得到结果图，总体而言，该阵列天线的性能满足回波损耗的计算所需的增益。微带阵列天线在很大程度上依赖于这几个因素，如衬底的类型，进料技术，厚度和衬底分别介电常数。v以上，是本文的全部内容。当然因为本人水平有限，还有很多不足的的地方，希望老师们提出宝贵的意见和建议，使我的论文更加的完善，丰富理论体系，本人定当虚心请教，积极改正，用最认真严谨的科学态度面对学问！致谢v 辛苦了那么长时间的论文终于快完结了，肯定要感谢导师褚慧老师的指导。这几个月以来，褚老师以严谨的教学作风、极其渊博的学术知识、认真严肃的科学态度不断的帮助，