南通大學(xué)線極化微帶天線及天線陣設(shè)計(jì)

南通大學(xué)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯

線極化微帶天線及天線陣設(shè)計(jì)電子信息學(xué)院通信工程103班指導(dǎo)老師：褚慧學(xué)生：孔祥飛

時(shí)間：2014年6月4日內(nèi)容簡(jiǎn)介第一章.課題簡(jiǎn)介及發(fā)展第二章線極化微帶天線及天線陣第三章微帶貼片及陣列天線HFSS仿真實(shí)驗(yàn)第一章.課題簡(jiǎn)介及發(fā)展在通信系統(tǒng)里面，天線發(fā)揮著非常重要的作用。天線被韋伯斯特大詞典定義為：一個(gè)用在發(fā)射及接受電磁波的金屬的裝置；美國(guó)電氣和電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）對(duì)天線的標(biāo)準(zhǔn)定義是：一種接受和輻射電磁波的途徑。天線是一種能量變換裝的裝置，它能夠?qū)鬏斁€上的電磁波，轉(zhuǎn)換成在大氣或者特定傳輸媒質(zhì)上傳播的電磁波；同樣，它可以將大氣中或者特定傳輸媒質(zhì)中的電磁波變換到傳輸線上傳輸。在無(wú)線通信，電子對(duì)抗，廣播，導(dǎo)航，遙感等高科技領(lǐng)域，但凡是涉及到微波通信的，都要用到天線裝置，這里可以看的出天線的應(yīng)用是非常廣泛的。1.微帶天線發(fā)展簡(jiǎn)介有時(shí)候，大型客機(jī)，太空飛船以及火箭這些飛行器的尺寸、重量、以及輪廓都是有一定的要求和限制的，這時(shí)大型的天線就顯得不宜使用；同樣，一些商用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和無(wú)線通信也需要小型的通信設(shè)備。為了滿足這些需要，微帶天線進(jìn)入了我們的視野，這種類型的天線具有較低的輪廓，而且具有和平面或者曲面共形的優(yōu)點(diǎn)，除此之外，它是使用印刷電路板技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工的，造價(jià)低廉。微帶天線是由Deschamps

教授于1953年提出的，當(dāng)時(shí)他是希望能將微帶傳輸線傳播的能量輻射出去，進(jìn)而產(chǎn)生了微帶天線的概念。從二十世紀(jì)70年代起，由于微帶天線技術(shù)發(fā)展很快，它也迅速成為了天線家族中獨(dú)立的分支，與此同時(shí)，第一個(gè)實(shí)用微帶天線也制作而成。從此，人們都在這個(gè)領(lǐng)域投入了大量的精力，使得微帶天線不僅在理論上快速發(fā)展，而且在工程應(yīng)用中也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。2.微帶天線的一些性能參數(shù)方向圖：被測(cè)天線在某方向上的功率密度與把該天線假想成元天線（元天線就是一個(gè)沒(méi)有方向性的輻射點(diǎn)源）輻射的功率密度的比值。增益：增益等于方向性系數(shù)與系統(tǒng)效率（效率被定義為天線有效輻射功率與饋入天線總功率的比值）的乘積輸入阻抗：天線的輸入電壓與輸入電流的比值被稱為天線的輸入阻抗。帶寬：隨著頻率的變化，天線的各項(xiàng)電性能參數(shù)能夠保持在技術(shù)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率寬度就叫作帶寬。極化：天線在其最大輻射方向上電場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。駐波比（VSWR）：反映天線能否很好的接收和利用功率源供給的能量的參數(shù)。前人已經(jīng)證實(shí)，由于小天線具有很高的Q值，所以它的輻射效率就會(huì)比較低，同時(shí)還有頻帶窄的缺點(diǎn)。微帶天線屬于一維小型天線，天線的長(zhǎng)寬尺寸與波長(zhǎng)一般來(lái)說(shuō)在同一數(shù)量級(jí)，而天線的厚度僅有波長(zhǎng)的百分之一左右。正因?yàn)檫@樣，微帶天線的頻帶就很窄。當(dāng)然，有時(shí)候巧妙的設(shè)計(jì)也可以使天線在一定頻帶內(nèi)具有好的阻抗特性和高的輻射效率，特別是這幾年來(lái)毫米波技術(shù)的快速發(fā)展，使得微帶天線得到了更大的關(guān)注。圖1-3分別是矩形貼片微帶天線和圓形貼片微帶天線的模型，天線表面的矩形和圓形金屬片是微帶天線的輻射貼片，它附著在介質(zhì)基片上，最底下是接地金屬板

(a)矩形貼片微帶天線(b)圓形貼片微帶天線圖1-3微帶貼片天線3.微帶天線優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1)剖面低，體積小，重量輕，容易共形；(2)電性能的多樣化。微帶元的不同設(shè)計(jì)能使天線的輻射方向圖在輻射面內(nèi)改變；易于得到不同的極化；(2)容易與有源器件，電路等集成在一起。

缺點(diǎn)(1)歐姆損耗在陣列饋電結(jié)構(gòu)中較大；(2)增益低，頻帶窄，有比較多的微帶天線輻射出的能量范圍只有整體的一般；(3)陣列的性能若要求高，則其饋電結(jié)構(gòu)就會(huì)比較復(fù)雜，且易不完全極化，輻射會(huì)從饋源和結(jié)合的地方泄露出來(lái)，功率容量不高；4.微帶天線的分析與饋電方法

分析方法

(1)傳輸線法(2)積分方程法(3)全波分析理論(4)空腔模理論饋電方法(1)微帶線饋電（側(cè)饋） (1)同軸線饋電（背饋）第二章線極化微帶天線及天線陣設(shè)計(jì)按照微帶天線的工作原理可以將微帶天線劃分為線極化微帶天線和圓極化微帶天線。本論文主要介紹線極化微帶天線線極化微帶天線主要電特性：(1)方向性系數(shù)以及增益；(2)中心工作頻率f0；(3)輸入阻抗，可以用天線的S11參數(shù)或者VSWR來(lái)代替；(4)極化特性，對(duì)于線極化特性主要看其主極化增益與交叉極化增益的對(duì)比；1.輻射貼片示意圖如下圖所示：2.微帶線兩種饋線方式示意圖微帶線饋電同軸線饋電由于我們平時(shí)所用的同軸饋電頭都是50Ω，然而普通微帶天線的輸入阻抗一般都在100Ω以上，想要與之匹配，必須使用微帶阻抗變換器，這樣就會(huì)使微帶天線基片面積增大。所以，如果對(duì)使用天線的面積有限制的話，那么背饋的方式為最佳。雖然背饋能夠省去很多面積，但是作為陣列設(shè)計(jì)時(shí)，大部分采用側(cè)饋方式，因?yàn)閭?cè)饋方式便于將能量饋入陣元。實(shí)際操作中可以先把天線和50Ω的饋線設(shè)計(jì)好，然后用實(shí)驗(yàn)的辦法測(cè)定出阻抗變化器的寬度，再進(jìn)行制作即可。3.兩種饋電比較4.天線陣組成IEEE對(duì)天線陣列的定義為：在一個(gè)規(guī)則的幾何布局中，由相同陣元組成的天線陣。陣列天線中有一個(gè)非常著名的原理，稱為波瓣圖乘法原理，這個(gè)原理被概括為：天線陣列方向圖=單元方向圖×陣因子。也就是說(shuō)，要求出陣列方向圖，首先把天線每個(gè)陣元假想成是理想點(diǎn)源，求出這個(gè)陣列的方向圖，然后用這個(gè)方向圖去乘以單元方向圖，這樣就能得出陣列的方向圖了。單一天線的方向性是有限的，為適合各種場(chǎng)合的應(yīng)用，將工作在同一頻率的兩個(gè)或兩個(gè)以上的單個(gè)天線，按照一定的要求進(jìn)行饋電和空間排列構(gòu)成天線陣列，也叫天線陣。構(gòu)成天線陣的天線輻射單元稱為陣元。天線陣的主要作用有：(1)加強(qiáng)和改善輻射場(chǎng)的方向性。(2)加強(qiáng)輻射場(chǎng)的強(qiáng)度。5.天線陣主要作用第三章微帶貼片及陣列天線HFSS仿真實(shí)驗(yàn)本章介紹了矩形微帶貼片天線的中心頻率為2.5GHz，基板為RogersRT/duroid5880(tm)厚度為0.508mm的單片應(yīng)用設(shè)計(jì)。組成四個(gè)（4×1）個(gè)貼片陣列矩形微帶天線，仿真陣列天線。天線設(shè)計(jì)的性能，包括長(zhǎng)期回波損耗，電壓駐波比（VSWR），帶寬，方向性，輻射方向圖和增益等。結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的陣列天線陣列天線的模擬表演表現(xiàn)出良好的一致性。1.HFSS軟件設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)基板RogersRT/duroid5880(tm)

中心頻率2.5Ghz介電常數(shù)2.2損耗角正切值0.0009基板高度0.508mm饋線的寬度1.567mm波端口長(zhǎng)度8*饋線寬度波端口高度6.5*基板高度貼片長(zhǎng)度42.2mm貼片寬度39.26mm空氣與貼片距離大于等于2.單片HFSS設(shè)計(jì)模型3.優(yōu)化調(diào)試得到仿真結(jié)果S(1，1)仿真圖：優(yōu)化調(diào)試得到仿真結(jié)果增益圖：方向圖方向圖4.微帶天線陣列設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)選擇四個(gè)用來(lái)設(shè)計(jì)元素陣列網(wǎng)絡(luò)。該陣列天線由一個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)的雙向功率分配器構(gòu)成。四分之一轉(zhuǎn)換器（50Ω）用于將100Ω的線與25Ω的線匹配起來(lái)。下圖所示在這個(gè)四個(gè)元素的矩形陣列天線中的個(gè)別線路的阻抗。5.單片組成天線陣列圖6.陣列仿真結(jié)果其中基本數(shù)據(jù)按照單片微帶天線的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好后仿真，得到的回波損耗和增益并不理想，在不斷的優(yōu)化下，最終調(diào)得滿意波形。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，仿真得到下圖結(jié)果；S(1，1)仿真圖：仿真結(jié)果圖增益仿真圖：方向圖方向圖7.仿真結(jié)果分析用軟件根據(jù)基板的類型和厚度，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)還是有差異的，需要自己不斷的設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化，取定一個(gè)范圍，設(shè)置變化步長(zhǎng)，仿真出各種反射系數(shù)和增益圖，得到最佳數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)一些結(jié)論。微帶貼片的寬度決定了整體的中心頻率，呈反比關(guān)系，饋線和貼片的長(zhǎng)度決定了波端口輸入阻抗，從而影響其反射系數(shù)和增益，當(dāng)然，這個(gè)也是受到其他因素影響，比如空氣盒子和貼片的距離，陣列中，貼片之間的距離，饋電的位置，波端口的大小，以及波端口后加上的銅片等等。8.實(shí)驗(yàn)總結(jié)首先，先介紹關(guān)于建模仿真的一些細(xì)節(jié)方面的東西，打開(kāi)HFSS軟件，新建自己的工程，并保持好，接著就開(kāi)始設(shè)置參數(shù)變量，其中主要設(shè)置貼片的長(zhǎng)，寬，還有基板，空氣盒子和貼片邊緣的距離，饋線的寬度，基板的高度，其他數(shù)據(jù)則用這些已知變量來(lái)表示，這樣既方便數(shù)據(jù)的變動(dòng)，也方便優(yōu)化仿真，使得最終仿真更容易得到結(jié)果。在建模時(shí)一定要細(xì)心仔細(xì)，模板坐標(biāo)數(shù)據(jù)不能弄錯(cuò)各個(gè)部分的坐標(biāo)要小心，不能分開(kāi)?？偟膩?lái)說(shuō)，在波端口加上一個(gè)厚度為0.1mm的銅貼片有助于獲得達(dá)標(biāo)的增益和回波損耗。陣列天線在很大程度上還依賴于幾個(gè)因素，如進(jìn)料技術(shù)，襯底的類型，厚度和襯底分別介電常數(shù)等。9.HFSS軟件小結(jié)那么最后，我們?cè)賮?lái)討論關(guān)于HFSS這款軟件，自從本人獲得本課題到動(dòng)手實(shí)踐再到最后撰寫(xiě)該論文，接觸最多的還是使用該軟件進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，該軟件是世界上一個(gè)非常優(yōu)秀的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，關(guān)于天線的一系列的參數(shù)，模型，模擬仿真等功能一應(yīng)俱全，可以很完美的將理論結(jié)合在實(shí)踐之中，大大簡(jiǎn)化了人們的計(jì)算和操作，使得天線這門(mén)學(xué)科的發(fā)展更加的便捷。而且，該軟件功能強(qiáng)大，遠(yuǎn)不止這一種用途，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各大領(lǐng)域。論文總結(jié)本文著重介紹了微帶天線，講述了它的歷史，發(fā)展，和展望等，并對(duì)線極化微帶天線做了一些介紹，它的分析方法，饋電，線極化，圓極化分類等，最后使用HFSS軟件進(jìn)行建模仿真，將線極化微帶天線的理論用于實(shí)踐中，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，分析結(jié)果，得到于理論相符的結(jié)論。1.解析法中，本文介紹了理論分析方法中的傳輸線法分析，以及微帶天線的各個(gè)參數(shù)，參考了很多了學(xué)術(shù)論文；分析得到了很多有價(jià)值的參考。使得我受益匪淺，也使得我的一些數(shù)據(jù)理論得到了驗(yàn)證。2.線極化微帶天線是微帶天線里的最基本也是最簡(jiǎn)單的一種天線的結(jié)構(gòu)。本文對(duì)矩形線極化微帶天線的饋電方式的進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的分析，并可以證明出兩種饋電方式得到的結(jié)論是相同的，具體的選擇肯定是根據(jù)不同的工程需求來(lái)定的；本文還對(duì)線極化微帶陣列天線做了一些的分析研究，并且得到一些結(jié)論。3.本文最后列舉的一仿真實(shí)驗(yàn)，微帶矩形4X1貼片陣列天線仿真實(shí)驗(yàn)。具體介紹了矩形微帶貼片天線的中心頻率為2.5GHz的WiMAX應(yīng)用的設(shè)計(jì)。數(shù)組中的四個(gè)（4×1）個(gè)貼片陣列矩形微帶天線與微帶線饋送的基礎(chǔ)上四分之一波阻抗匹配技術(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)HFSS軟件的仿真，得到結(jié)果圖，總體而言，該陣列天線的性能滿足回波損耗的計(jì)算所需的增益。微帶陣列天線在很大程度上依賴于這幾個(gè)因素，如襯底的類型，進(jìn)料技術(shù)，厚度和襯底分別介電常數(shù)。以上，是本文的全部?jī)?nèi)容。當(dāng)然因?yàn)楸救怂接邢蓿€有很多不足的的地方，希望老師們提出寶貴的意見(jiàn)和建議，使我的論文更加的完善，豐富理論體系，本人定當(dāng)虛心請(qǐng)教，積極改正，用最認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度面對(duì)學(xué)問(wèn)！致謝辛苦了那么長(zhǎng)時(shí)間的論文終于快完結(jié)了，肯定要感謝導(dǎo)師褚慧老師的指導(dǎo)。這幾個(gè)月以來(lái)，褚老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)作風(fēng)、極其淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、認(rèn)真嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度不斷的幫助，教導(dǎo)并影響著我。深深感受