一種新型微帶貼片天線的優(yōu)化設計

1、泉 州 師 范 學 院畢業(yè)論文（設計）題目 一種新型微帶貼片天線的優(yōu)化設計 物理信息工程 學院 電子信息科學與技術 專業(yè) 07 級 1班學生姓名 何麗敏 學號 070303041 指導教師 余燕忠 職稱 副教授 完成日期 2011年4月 教務處 制一種新型微帶貼片天線的優(yōu)化設計物理信息工程學院 電子信息科學與技術專業(yè) 070303041 何麗敏指導教師：余燕忠 副教授【摘要】：由于普通微帶貼片天線效率低，為了提高貼片天線的效率，提出一種容易制作的新型微帶貼片天線。用HFSS軟件對它進行仿真，并對仿真的結果進行分析。與普通貼片天線進行比較，該天線提高了增益、降低了天線回波損耗。所提天線由于制作簡

2、單、性能優(yōu)良，所以具有一定的實用價值?！娟P鍵詞】：微帶貼片天線；HFSS；增益；回波損耗目錄摘要10.引言31.微帶天線的發(fā)展31.1概況31.2發(fā)展趨勢41.2.1小型化41.2.2寬頻帶41.2.3多功能41.3應用42.HFSS仿真軟件52.1 HFSS仿真軟件基本功能52.2HFSS仿真設計過程53.方案設計64.普通微帶貼片天線設計過程65.正方形環(huán)縫的微帶貼片天線設計過程76.圓形環(huán)縫的微帶貼片天線設計過程127.兩種環(huán)縫的微帶貼片天線的性能比較188.總結18致謝19參考文獻19英文摘要200. 引言微帶天線具有結構設計簡單，容易制作，成本較低，體積較小，重量較輕，能與有源器件、

3、電路集成統(tǒng)一的整體等優(yōu)點1。微帶天線在近二十年來得到了廣泛的應用，已用于大約100MHz100GHz的寬廣頻帶上，包括衛(wèi)星通信、雷達、遙感以及便攜式天線電設備上，并在未來的二十年有更廣泛應用的趨勢。但是在實際應用中，由于存在回波損耗，使得微帶天線的效率不是很高，不適合陣列天線的應用。所以研究出增益高，回波損耗低的新型微帶天線是非常有意義的。1. 微帶貼片天線的發(fā)展1.1 概況微帶貼片天線是微帶天線之中最常見的形式，是在七十年代初期研究成功的一種新型天線，如圖1所示。微帶貼片天線是在一個薄介質基上，其中一面附上金屬薄層作為接地板，而另一面貼上一定形狀的金屬導體貼片。通常利用的是微帶線或同軸線一類

4、饋線進行饋電，使得導體貼片與接地板之間激勵產生了射頻電磁場，并且通過貼片四周與接地板之間的縫隙而向外輻射。它的基片厚度與波長相比相對來說一般很小，因而它能實現(xiàn)一維小型化。與常用的微波天線相比，它有以下一些優(yōu)點：體積較小，重量輕，低剖面，能與載體共形，它制造簡單，成本低；在電器上的特點是可以得到單方向的寬瓣方向圖，它的最大輻射方向在平面的法線方向上，易于和微帶線路集成起來，易于實現(xiàn)線極化或者圓極化。相同結構的微帶天線能組成微帶天線陣，從而獲得更高的增益以及更大的帶寬。所以微帶貼片天線越來越得到廣泛的應用與重視2。 圖1 微帶貼片天線1.2發(fā)展趨勢1.2.1 小型化微電子技術以及大規(guī)模集成電路的快

5、速發(fā)展，使天線成為了電子設備中龐大、笨重部件的問題變得更加突出了，對能與設備的大小相互協(xié)調且具有效電性能的小天線的需求更加的迫切。微帶天線小型化的方法非常多，但都各具優(yōu)缺點3。當前主要應用于微帶天線的小型化方法多是采用表面開槽，它的突出特點是頻帶窄，增益小，效率低。而新材料的應用也頗受重視,比如高溫超導(HTS)、 光電子帶隙(PGB)及有機磁性材料4等。需要指出的是，天線尺寸的縮減往往是以性能作為代價的。1.2.2 寬頻帶微帶天線屬于一維小型化諧振式天線，它的Q值高，頻帶窄。近些年來出現(xiàn)的U型槽貼片與雙層貼片無論是在探針或者是槽孔耦合的饋電方式下都獲能得高達40%的阻抗帶寬5。因為圓極化帶寬

6、一般大大低于阻抗帶寬，常規(guī)的圓極化微帶天線軸比帶寬不足1%，因此制約圓極化微帶天線頻帶的因素將會轉化成增益和極化特性。1.2.3 多功能由于無線通信的飛速發(fā)展，使得在雷達、通信及定位系統(tǒng)等領域都非常需要雙頻/雙極化微帶天線，以此實現(xiàn)頻率復用、天線共用和收發(fā)雙工6。當前，雙頻天線主要的實現(xiàn)目的是獲得可控雙頻比的雙寬頻帶特性這方面來的，雙極化天線主要考慮的是隔離度和每種極化的交叉極化電平7。1.3 應用 在許多實際應用中，微帶天線的優(yōu)點遠遠超過它的缺點。同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線可以做成共形天線,并且由于不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學性能，因此無需作大的變動，天線就能很容易地裝在導彈、火箭和

7、衛(wèi)星上，另外微帶天線適合于組合式設計（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關、調制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）。在實際應用系統(tǒng)中，微帶貼片天線已應用于移動通信、衛(wèi)星通訊、多普勒及其它雷達、無線電測高計、指揮和控制系統(tǒng)、導彈遙測、武器信管、便攜裝置、環(huán)境檢測儀表和遙感、復雜天線中的饋電單元、衛(wèi)星導航接收機以及生物醫(yī)學輻射器等領域，隨著微帶貼片天線技術的成熟，微帶貼片天線將更加廣泛的用于社會生活中的各個層次，為經濟發(fā)展做出貢獻。2. HFSS仿真軟件2.1 HFSS仿真軟件基本功能高頻結構仿真器( High Frequency Structure Simulator,HFSS

8、)是一款界面非常友好、功能很完備、采用了有限元法的三維全波電磁場仿真軟件。它可以分析仿真任意一個三維無源結構的高頻電磁場， 可以直接得到特征阻抗、輻射場、S 參數及電磁場、傳播常數、天線方向圖等等結果。它廣泛的應用于航空、航天、計算機、電子、半導體以及通信等多個領域。它具有如下功能: （1） 用戶可以通過交互式界面輸入高頻元件或者是電路的幾何尺寸結構、材料的類型、端口的位置、端口的特性阻抗定義線等等參數。 （2） 可以按用戶所指定的精度計算出多端口結構端口處S 參數的值。（3） 能以磁場強度H和電場強度E作為基本的物理量, 由麥克斯韋( Maxwell) 方程出發(fā), 求解出微波元件中的磁場和電

9、場的分布，以及各種曲線和圖形。（4） 能和頻域/ 時域的電路仿真器Nexxim 和Ansoft Designer 實現(xiàn)了動態(tài)的鏈接, 擁有方便的原理圖集成以及仿真數據的管理, 具備了功能強大且高效的電磁場設計流程。（5）可以同時對多個微波元件進行分析, 即進行并行處理9。22 HFSS 仿真設計的過程（1） 設置HFSS 軟件運行參數, 如設定解算類型、單位、是否復制它的幾何圖形邊界、是否要打開各個工具窗口等等。（2） 打開新的工程, 并且在工程中插入一個也可以是多個HFSS 設計( insert HFSS design)。（3） 再根據天線設計的技術指標以及計算得到的各個天線參數, 比如天線

10、的尺寸、材料、激勵、邊界等參數，獲得仿真天線的模型10。 （4） 設置仿真天線模型的各個分析參數, 比如插入遠場設置、掃頻模式、中心頻率、起始頻率、終止頻率、掃描次數，然后進行校驗分析。 ( 5) 根據仿真出來的天線模型可以獲得天線對應的特性圖, 如方向圖、S參數圖、輸入阻抗圖等。3. 方案設計本文設計的是一種容易制作的新型微帶貼片天線，在普通微帶貼片天線的基礎上，在金屬的底板上開兩個正方形環(huán)縫，對仿真結果進行分析；然后把正方形環(huán)縫更改為圓形環(huán)縫，進行結果分析并且給出比較分析結果。4. 普通微帶貼片天線設計過程本文設計了一個右手圓極化天線，此天線是通過微帶結構來實現(xiàn)的，中心頻率設為2.45GH

11、z。選用Roger R04003介質板，它的相對介電常量為3.38，其厚度為5mm11。先對微帶貼片天線的貼片及饋電進行建模，其次設置端口和邊界等條件，最后生成了如圖4-1所示的三維方向圖的仿真結果。 圖4-1 普通微帶天線結構仿真圖天線的回波損耗曲線如圖4-2所示，也即為S11的曲線圖，由圖可知在頻率為2.38GHz時,得到了最小回波損耗,其值為-12.9dB。圖4-2天線的回波損耗圖圖4-3 3D增益方向圖普通微帶貼片天線的3D增益方向圖如圖4-3所示。由圖可以看出該微帶貼片天線的輻射最大方向為平面方向，即正Z方向，增益可達到7.5dB，而且還可以得到該方向的寬方向圖。5正方形環(huán)縫的微帶貼

12、片天線設計過程在圖4-1的基礎上，在金屬底板上加開了兩個正方形環(huán)縫，如圖5-1所示，大正方形的邊長為6mm，按一定的值改變小正方形的大小，形成不同大小的環(huán)縫。圖5-1正方形環(huán)縫的仿真圖圖5-2 正方形環(huán)縫為1.0mm的S11圖圖5-3 正方形環(huán)縫為1.5mm的S11圖圖5-4 正方形環(huán)縫為2.0mm的S11圖圖5-5 正方形環(huán)縫為2.5mm的S11圖圖5-2所示的S11的曲線圖，正方形環(huán)縫為1mm時，它的諧振頻率為2.35GHz，得到的最小回波損耗值為-13.84dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了0.94dB。圖5-3所示的S11的曲線圖，正方形環(huán)縫為1.5mm時，它的諧振頻

13、率為2.36GHz，得到的最小回波損耗值為-14.53dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了1.63dB。圖5-4所示的S11的曲線圖，正方形環(huán)縫為2mm時，它的諧振頻率為2.35GHz，得到的最小回波損耗值為-14.56dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了1.66dB。圖5-5所示的S11的曲線圖，正方形環(huán)縫為2.5mm時，它的諧振頻率為2.35GHz，得到的最小回波損耗值為-13.56dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了0.66dB。由以上四個圖可以看出，新型貼片在底板上開正方形環(huán)縫可以降低天線的回波損耗。但是降低程度的大小和縫的大小是有關系的

14、，并不是縫開得越大其回波損耗就會降得越低。正方形環(huán)縫從小開始逐漸增大時，其回波損耗慢慢的在降低。當正方形環(huán)縫為2mm左右時，其回波損耗值降到最小。然后隨著環(huán)縫繼續(xù)增大，回波損耗值又逐漸變大。圖5-6 正方形環(huán)縫為1.0mm的3D增益方向圖圖5-7 正方形環(huán)縫為1.5mm的3D增益方向圖圖5-8 正方形環(huán)縫為2.0mm的3D增益方向圖圖5-9 正方形環(huán)縫為2.5mm的3D增益方向圖圖5-6所示的3D增益方向圖，正方形環(huán)縫為1mm時，它的增益為5.78dB，比圖4-3比沒有進行底板開縫時的增益小了1.72dB。圖5-7所示的3D增益方向圖，正方形環(huán)縫為1.5mm時，它的增益為5.81dB，比圖4-

15、3比沒有進行底板開縫時的增益小了1.69dB。圖5-8所示的3D增益方向圖，正方形環(huán)縫為2mm時，它的增益達到了7.52dB，比圖4-3比沒有進行底板開縫時的增益大了0.02dB。圖5-9所示的3D增益方向圖，正方形環(huán)縫為2.5mm時，它的增益為5.81dB，比圖4-3在沒有進行底板開縫時的增益小了1.49dB。由以上四個圖可以看出，新型貼片在底板上開正方形環(huán)縫在大部分情況下不能提高天線的增益，還在一定程度上使其降低。但當正方形環(huán)縫為2mm左右時，增益有了微小的提高。綜合考慮了回波損耗與增益值的情況，得出當正方形環(huán)縫為2mm時達到最佳，其增益值提高了0.02dB，回波損耗降低了1.66dB。6

16、.圓形環(huán)縫的微帶貼片天線設計過程 在圖4-1的基礎上，在金屬底板上加開了兩個圓形環(huán)縫，如圖6-1所示，大圓的直徑為6mm，按一定的值改變小圓的大小，形成不同大小的圓形環(huán)縫天線。圖6-1圓形環(huán)縫的仿真圖圖6-2 圓形環(huán)縫為1.0mm的S11圖圖6-3 圓形環(huán)縫為1.5mm的S11圖圖6-4 圓形環(huán)縫為2.0mm的S11圖圖6-5 圓形環(huán)縫為2.5mm的S11圖圖6-2所示的S11的曲線圖，圓形環(huán)縫為1mm時，它的諧振頻率為2.37GHz，得到的最小回波損耗值為-13.88dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了0.98dB。圖6-3所示的S11的曲線圖，圓形環(huán)縫為1.5mm時，它的諧

17、振頻率為2.38GHz，得到的最小回波損耗值為-13.6dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了0.7dB。圖6-4所示的S11的曲線圖，圓形環(huán)縫為2mm時，它的諧振頻率為2.37GHz，得到的最小回波損耗值為-13.56dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了0.66dB。圖6-5所示的S11的曲線圖，圓形環(huán)縫為2.5mm時，它的諧振頻率為2.37GHz，得到的最小回波損耗值為-13.92dB，比圖4-2在沒有進行底板開縫時的回波損耗值小了1.02dB。由以上四個圖可以看出，新型貼片在底板上開圓形環(huán)縫可以降低天線的回波損耗。而降低程度的大小和縫的大小有關系。圓形環(huán)縫從

18、小開始逐漸增大時，其回波損耗慢慢的在降低。當圓形環(huán)縫為1mm時，其回波損耗值降低了0.98dB。然后隨著環(huán)縫繼續(xù)增大，回波損耗值還是有所降低，但是比圓形環(huán)縫為1mm時所降低的數值小。當圓形環(huán)縫增大到2mm時，其回波損耗值達到最小，比未開縫的回波損耗值降低了1.02dB。圖6-6 圓形環(huán)縫為1.0mm的3D增益方向圖圖6-7 圓形環(huán)縫為1.5mm的3D增益方向圖圖6-8 圓形環(huán)縫為2.0mm的3D增益方向圖圖6-9 圓形環(huán)縫為2.5mm的3D增益方向圖圖6-6所示的3D增益方向圖，圓形環(huán)縫為1mm時，它的增益為5.76dB，比圖4-3比沒有進行底板開縫時的增益小了1.74dB。圖6-7所示的3D

19、增益方向圖，圓形環(huán)縫為1.5mm時，它的增益為5.76dB，比圖4-3比沒有進行底板開縫時的增益小了1.74dB。圖6-8所示的3D增益方向圖，圓形環(huán)縫為2mm時，它的增益為5.79dB，比圖4-3比沒有進行底板開縫時的增益小了1.71dB。圖6-9所示的3D增益方向圖，正方形環(huán)縫為2.5mm時，它的增益為5.77dB，比圖4-3比沒有進行底板開縫時的增益小了1.73dB。由以上四個圖可以看出，新型貼片在底板上開圓形環(huán)縫在的情況下不能提高天線的增益，還在一定程度上使其降低了。7.兩種環(huán)縫的微帶貼片天線的性能比較對比正方形環(huán)縫貼片天線和圓形環(huán)縫貼片天線，由S11圖可知，正方形環(huán)縫貼片天線回波損耗

20、最大值可以降低了1.66dB，而圓形環(huán)縫貼片天線回波損耗最大值只能降低了1.02dB。由3D增益方向圖可知，正方形環(huán)縫貼片天線在其縫為2mm時，增益有了微小的提高，而圓形環(huán)縫貼片天線降低了天線的增益。 綜合考慮回波損耗和增益兩個參數，正方形環(huán)縫貼片天線更具優(yōu)勢。8.結論在底板開縫的新型微帶貼片天線回波損耗比普通貼片天線大大降低了。該天線的制作簡單，其性能優(yōu)良，具有一定的工程應用價值。致謝本次畢業(yè)設計是在我的導師余燕忠副教授的親切關懷和悉心指導下完成的。他為我指明了論文的方向和框架，在遇到問題時認真為我解答，他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。我在此對余老

21、師表示最衷心的感謝。同時還要感謝平時對我寄予幫助和鼓勵的同學們。參考文獻【1】 吳鋒濤,尹家賢,劉克誠. 一種新型微帶貼片天線及其分析M.國防科技大學學報，2003，25：5【2】 林昌祿.天線工程手冊M.電子工業(yè)出版社,2002【3】 楊衛(wèi)英. 覆蓋高材料的微帶天線的研究J.微波學報,2000,16(5):610-615【4】 張鈞.微帶天線理論與工程M.北京:國防工業(yè)出版社,1988【5】 張國華,袁乃昌,付云起. FDTD方法分析光子帶隙微帶結構J.微波學報,2001,17(4): 14-17【6】 肖紹球,王秉中.微帶可重構天線的初步探討J.電波科學學報,2002,17(4): 387-390【7】 薛睿峰. 微帶天線圓極化技術概述與進展J. 電波科學學報,2002,8（4）：5-7【8】 楊雪松,王秉中.可重構天線的研究進展J.系統(tǒng)工程與電子技術,2003,25(4): 417-421【9】 張文海,鐘順時,張需溥.E形寬帶微帶天線的時域有限差分法分析J.上海報,2003,9(2):105-108【10】 張?zhí)扈? 基于HFSS 的不同形狀微帶貼片天線的仿真設計J.吉林師范大學業(yè)學報,2008,11(4): 73-75【11】 謝擁軍,劉 瑩,李 磊等.HFSS原