推荐-L型探针馈电的微带天线仿真设计 精品
L型探针馈电的微带天线仿真设计
中文摘要
近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，同时对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。重量轻，剖面低，成本低和易于集成的微带天线，受到大家的广泛的关注。目前微带天线的主要限制还在于天线的狭窄。经过数十年的发展，很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注。
由于L 型探针垂直部分及水平部分和贴片之间产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，使天线频带拓宽或者呈现多频带。这使得L型探针馈电广泛应用于现代移动通信系统中。本文介绍了微带天线的辐射原理及微波射频段电磁波的基本理论及L型探针馈电的微带天线。
文中依据理论分析以及数值计算相结合的方式设计出满足设计需要的微带天线并借助天线设计软件HFSS分析了L型探针水平段和竖直端长度对天线带宽的影响，在最后设计了一副进行仿真优化了的信号频段在3.2~4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。
关键词：微带天线；容感性；L型探针馈电；HFSS仿真
The design and Simulation of antenna with L-shaped probe feed
Absract
In recent years,with the increasing number of mobile munication system,munication equipment developed towards miniaturization direction constantly,and the antenna size,high integration and frequency requirements are also being more and more important.Light weight, with low profile,low cost and ease of integration has got widespread attention by all of us.The major limitations of microstrip antenna now is the bandwidth of the antenna. After decades of development,a lot of research scholars proposed method to expand the bandwidth of the microstrip patch antenna,which adopts the L-shaped probe feed get a lot of attention.
Because vertical section and horizontal section of L-shaped probe create inductive reactance and capacitive reactance,and both of them interact to produce resonance, this makes the antenna has wide bandwidth or multiple frequency bands. This makes L-shaped probe feed is widely used in modern mobile munications system. This paper introduces the radiation principle of microstrip antenna and microwave radio frequency section of the basic theory of electromagnetic wave transmission and the antenna with L-shaped probe feed.
Based on the basic theory of microstrip antenna analysis and numerical calculation design a microstrip antenna meet the design need,and analysis the effect of the size horizontal and vertical section of L-shaped probe on the antenna bandwidth with the aid of with simulation software HFSS.In the final,it designs a microstrip antenna with L-shaped probe feed which the transmission signal frequency band in 3.2~4.4 GHz.
KEY WORD：Microstrip antenna；Should the emotion；L-shaped feed；HFSS simulation
目录
第一章绪论
1.1 课题背景及研究意义
微带天线由于其重量轻、剖面低、成本低廉、设计较灵活，而且易和集成电路等电路相结合等优点得到了越来越广泛的应用，比如无线电通信、电视、广播、导航、雷达、电子对抗、射电天文、遥感等通信系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。天线一般都是具有可逆性的，也就是同一副天线既可用作发射的天线，又可用作接收的天线。根据天线的互易定理同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。微带天线以它的体积小，剖面比较低，便于集成，生产造价低等特性以及良好的性能，受到越来越广泛的关注。在某些通信场合，所用的频段很高，使得传输波长短。为此必须采用一定措施进一步减小微带天线的尺寸。现代移动通信要求天线需要具有宽频带工作的能力。在必须考虑大小，重量，价格，易安装等特性要求，以及应用于符合气体动力外观等因素的飞机、全球定位系统以及卫星的情况下，无线通讯以及移动通讯等诸多高度发展的通信系统中低剖面都是迫切需要的。这是由于低剖面的结构能够适应平贴在任何外观特性的平面或曲面上，易制作，并且具有容易与微波集成电路集成等优点。设计和研究性能优良的频带宽度宽的微带天线是本设计的主要工作。
但是微带天线的主要限制是其带宽的狭窄。现在的努力已经集中到适当的提高天线的带宽上。经过数十年的发展,很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注, 并广泛应用于现代移动通信系统中。基于这种技术, 本文就是从传统的微带贴片天线出发，针对微带天线窄带宽的特点，设计出宽频带特性L 型探针馈电微带天线，利用L型探针馈电技术有效解决阻抗带宽较窄的问题。并利用Ansoft 公司的HFSS软件对天线的结构和性能进行了仿真分析[1,2,3]。
1.2 微波天线的研究现状
早在1953年G. A. D schamps教授就提出微带贴片天线的概念[4]，但是当时并没有得到足够的重视，在20世纪中叶到60年代只有一些零碎的研究，真正的开始发展和使用是在70年代。直到20世纪80年代后，对敷铜以及敷金的介质基片的光刻技术得到长足的发展，并且研究人员研究出较好的理论模型后引起诸多学者的重视，实际的微带天线才制造出来。在20世纪80年代末90年代初，国内也有这方面的专著出版。从此以后，微带
天线得到了各国天线研究界广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且形成了微波天线中一种独特的天线类型。微带天线一般应用的频率范围是1～50GHz，对于相对特殊的天线频率也会在几十MHz。和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能够适应于任何平面或曲面的外观特性低剖面的结构。(2)易集成，能和大量无源器件、有源器件、电路集成。(3)电性能多样化，易于得到各种极化，对于微带元的设计不同，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内变化。
目前微带天线的研究主要集中在小型化、宽带化、多频段、多极化、分形技术等几个方面[5]。
1.3Ansoft HFSS软件简介
HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁场仿真软件。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面。场解器实现了精确的自适应；后处理器拥有空前强大的功能，而且电性能的分析能力相比之前的软件得到很大提高，任意形状三维无源结构的电磁场场量和S参数都能得到精确计算[5]。使用HFSS，可以用于计算：(1)远近场辐射问题和基本电磁场数值解的计算；
(2)谐振解以及结构的本征模计算；(3)端口阻抗的归一化S参数；(4)端口传输常数和特征阻抗。HFSS软件天线设计功能强大，它可以计算天线参量，如3dB带宽、方向性、增益和远场方向图剖面；绘制天线的极化特性。Ansoft HFSS的界面直观、易于使用且可以用于建立任意三维无源器件模型[6]。创建一个设计包括步骤如下：
1．启动HFSS软件，新建一个工程文件，保存路径必须全英文。
2．设置求解类型，确定如何收敛和激励。HFSS有三种求解类型，终端驱动、模式驱动和本征模。
3．创建结构模型。HFSS三维模型创建能力强大，简单的实体建模中，直接使用HFSS 中提供的基本图形即可，在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。
4．设置边界条件和激励；边界条件主要包括：理想导体边界（Perfect E）、辐射边界条件（Radiation)；激励主要包括波端口激励、集总端口激励。
5．求解设置包括定义求解频率，扫频范围。
6．设计检查、运行仿真计算。
7．数据处理，查看运行结果，包括增益大小、S参数、辐射方向图、电磁场场分布。
8．进行优化设计得到最优解。
1.4 的主要工作
本文根据现代卫星通信下行传输信号频段3.2GHz ~ 4.4GHz频段设计出L型探针馈电
微带天线。具体的内容安排如下：
第一章：绪论，简单介绍了L型探针馈电微带天线研究背景和现状，仿真软件及全文内容安排。
第二章：简单地介绍了微带天线的基本理论，包括:微带天线的工作机理、理论分析方法及理论模型相关的理论。并且介绍了拓宽天线带宽的方法。
第三章：对L型探针馈电微带天线进行介绍，并将它相对于普通天线的优点进行了分析。
第四章：通过Ansoft HFSS对微带天线的结构设计和软件仿真，设计优化及分析，设计了要求中的的微带天线，通过得到的反射系数、方向图及驻波比图与设计要求及理论进行比较，验证仿真的正确性。
第五章：对本文内容作了总结。
第二章微带天线概述
2.1 微带天线简介
微带天线之中最常见的形式是微带贴片天线，是在七十年代初期研究成功的一种新型天线，如图2.1所示。微带贴片天线是在一个薄介质基上，其中一面附上金属薄层作为接
地板，而另一面贴上一定形状的金属导体贴片。微带天线是一种平面天线[7]，微带线或同轴线一类馈线通常被利用来为天线进行馈电，使得激励在接地板与导体贴片之间产生，从而产生了射频电磁场，并且通过接地板与贴片边缘之间的缝隙向外辐射的。它的基片厚度与波长相比相对来说一般很小，因而它能实现平面上的小型化。微带天线与常用的微波天线相比，它有以下一些优点：体积较小，重量轻，低剖面，能与载体共形，它制造简单，成本低；在电器上的特点是可以得到单方向的宽瓣方向图，它的最大辐射方向在平面的法线方向上，易于和微带线路集成起来，易于实现线极化或者圆极化。并且由于不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上，另外微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）。在实际应用系统中，微带贴片天线已大量应用于大约100 MHz- 100 GHz的宽广频域，包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。相同结构的微带天线能组成微带天线阵，从而获得更高的增益以及更大的带宽。所以微带贴片天线越来越得到广泛的应用与重视[8,9,10]。
图2.1微带贴片天线
2.2 微带天线主要特性参量
天线的特性参数主要有输入阻抗，极化特性，频带宽度，方向性等。下面就简单介绍一下天线特性参数[11-14]。
1.输入阻抗
天线阻抗简单地讲就是天线在馈电点电压和电流的比值。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同，设计天线时，一个很重要的工作是使天线输入阻抗和标准馈线的特性阻抗匹配。天线与传输线之间的阻抗匹配的好坏将直接影响信号的传输效率,天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得
最大功率，即实现阻抗匹配。匹配越好，反射越小，驻波系数(VSWR)就越小。
2.极化特性
指一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，电场矢量随着时间变化在空间显示出的
轨迹称为天线极化。天线辐射的电磁波的极化形式决定了天线的极化形式。天线的极化可分为线极化天线、椭圆极化天线和圆极化天线。当有地面时，线极化又分为垂直极化和水平极化。圆极化又可以分为右旋圆极化和左旋圆极化。
3.带宽
频率与天线的电参数息息相关，当工作频率偏离设计频率时，天线参数往往会发生变
化。天线所规定的电参数在工作频率发生变化时不应超出指定的范围，这里的频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。一般用电压驻波比<2或11S 小于-10dB 来定义[15]。
4.方向性
天线的方向性函数是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空
间的相对分布的数学表达式；天线的方向图是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形。方向图的主瓣通常为最大辐射波束。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。
5.增益
天线增益是被研究天线在辐射最强方向的辐射强度与各向同性天线（与被研究天线具
有同等输入功率）在同一点所产生的最大辐射强度的比值，是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。 π
4馈入天线总功率
率单位立体角最大辐射功=G (2.2.1) 天线方向性D G 与天线增益G 定义略有不同。 π
4总的辐射功率
率单位立体角最大辐射功=D G (2.2.2)由于天线存在损耗，天线的辐射功率比输入功率要小一些，即在数值上天线增益要比天线方向性小。
理想天线能在某一立体角B Ω内把全部馈入天线的功率辐射出去，且满足在B Ω立体角
内均匀分布。在理想情况下，数值上天线增益与天线方向性大小相等。
B
D G G Ω==π4 (2.2.3) 在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度和理想全向天线（此
时的效率为100%）的辐射功率密度之比定义为天线的增益。按公式来即
G D η= (2.2.4)
6.驻波系数和行波系数
为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数[16]。 传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表
示为 min
max
min max I I U U =
=ρ (2.2.5) 传输线模型如图2.2所示，线上每一点的电压为入射波电压与反射波电压的叠加。
图2.2 传输线上的入射波和反射波
驻波系数和反射系数的关系可导出如下
()()()()()[]z z U z U z U z U 'Γ+'='+'='+-+1
(2.2.6) 故得
()22max 1Γ+=+
U U ()22min 1Γ-=+U U
(2.2.7) 2
2
min max 11
Γ-Γ+==U U ρ (2.2.8) 行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即
max
min
max min I I U U K ==
(2.2.9) 显然：
22111Γ+Γ-==
ρK (2.2.10)
7.效率 效率有天线效率与辐射效率。因为存在损耗以及入射波存在反射，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，如介质中的介质损耗、天线导线中的热损耗等使得馈线的输入功率总有一部分要损耗掉。
为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下：
输入功率in P ：指天线从外部设备得到的功率。
入射功率i P ：指天线从发射机等得到的功率。
辐射功率∑P ：指除去损耗，天线把发射机提供的功率辐射出去的功率。
损耗功率d P ：指由于介质、导线或者地电流等而损耗的功率。
反射功率t P ：指反射回来的功率。
根据以上定义，可得到：
i t in d P P P P P ∑=-=+ (2.2.11)
8.品质因素
微带天线的品质因数包括辐射品质因数r Q 、介质损耗品质因数d Q 、导体损耗品质因数c Q 和表面波损耗品质因数s Q 四个部分[17]。它们的关系如下：
11111r d c s
Q Q Q Q Q =+++ (2.2.12) r Q 可表示为
4r S Q G Z π
= (2.2.13)
式中s G 为辐射缝隙的等效导纳，Z 为微带线的特性阻抗。
d Q 可以表示成
1(tan tan )
d Q εμδδ=+ (2.2.14) 式中tan εδ为基底的介质角正切值。tan μδ为基底的磁损耗角正切值。
c Q 可以表示成
c Q = (2.2.15)
式中σ是天线的电导率，一般情况下认为σ→∞，所以c Q 对天线总的品质因数的影响
非常小。如果天线的表面波较低，s Q 也可以忽略不计。那么天线总的品质因数就可近似地表达成
111r d Q Q Q =+ (2.2.16)
9.交叉极化电平 交叉极化电平是用来衡量天线极化纯度的一个量，定义为交叉极化场强幅度c E 与主极化场强度p E 之比的平方，一般用dB 表示。
()c
p dB 20lg E X E = (2.2.17)
2.3 微带天线的辐射机理及馈电方式
2.3.1 微带天线的辐射机理
微带天线的辐射是由准TEM 模传输线、开在地板上的缝隙或贴片产生。图2.3所示的矩形贴片微带天线尺寸为a b ?，通常b 是半个波长。可以认为辐射元两开路边上的边缘场产生辐射场。将边缘场分解为与接地板相对应的切向和法向分量。由于微带天线中辐射元的长度/2b λ=，所以两个法相分量方向相反。在边射方向上两个分量产生反相的远区场互相抵消。而与接地板平行的切向电场方向是相同的，它们在远区的合成电场在边射方向上相加，在边射方向上得到的辐射场最大。这就是微带天线得到的辐射是单向的原理[18]。
图2.3矩形微带天线辐射结构
2.3.2 微带天线的馈电方式
由于结构的多样性，微带天线激励方式也就存在多样性，微带天线的性能和尺寸受微带天线的馈电方式的影响很大。目前，根据馈电结构的不同，常用的微带馈电方法有以下三种[19,20]:
1．同轴线馈电
同轴线馈电时，接地板与外导体连接，贴片与穿过接地板上的小孔及介质基片的内导体连接。用同轴线馈电的优点是：可在贴片内任意所需位置选馈电点，便于匹配；同轴电缆在接地板下方，天线面的辐射不会受到干扰。而不便于集成是同轴线馈电结构的缺点。
2．微带线共面馈电
微带天线最常用的馈电方式是微带线共面馈电，不仅结构简单而且经济，但微带馈电线与接地板共面。馈电线本身的辐射会导致旁瓣电平的升高和交叉极化。另外，微带馈线位置的选取会影响天线的增益和频带宽度。
3．电磁耦合型馈电
贴近式馈电是电磁耦合型馈电在结构上的共同特征，因此便于层间连接。在多层阵天线中，由于接地板与贴片之间的间隔比较大，从而能获得较宽的频带；同时，馈线较接近接地板可以减小了馈电网络的辐射干扰。
2.4 微带天线的分析方法
求解天线周围空间的辐射场是微带天线分析的基本问题，辐射场情况得到后进而求解天线的增益、输入阻抗、方向图、S参数、频带宽度等参数。微带天线分析方法有多种，如传输线模型、模式展开法、矢位法、谐振腔模型法以及并矢格林函数法等。本文主要介
绍两种常用的分析方法：腔模理论和传输线法，两种理论以矩形贴片天线做物理模型介绍的[21]。
1．传输线法
分析微带天线的方法中比较传统的是传输线法，这也是比较简单的方法。传输线法的物理模型如图2.4所示。传输线法适用于矩形微带天线。此方法的有以下两个基本假设：
(1)微带贴片和金属接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波。馈电方式和馈电位
置决定了波的传输方向。线段长度
g /2
Lλ
=，准TEM波在微带天线中的传输波长为
g
λ。在某一时刻，场在W边为常数，而在传输方向即L边是驻波分布。
(2)微带传输线的始端和末端两个开口端，即L的两端，近似等效为两个辐射缝，传输线开口端的场强即为缝口径的场。可以把缝平面看作位于微带贴片的延伸面上，（将开口面向上折转90度），则开口场强随之折转。
图2.4传输线法模型
利用传输线法合理地解释了辐射原理，模型中将微带看作一个场在横向W方向没有变
化，在长度L方向，电场为余弦变化的线型辐射器件。贴片可表示为相距
g /2
λ，产生同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。传输线模型虽然局限用于矩形微带天线和微带振子天线，但由于传输线法特性公式简单，计算量小，适合工程上的使用。
2．腔模理论
为解决传输线法适用范围的局限，从而提出的腔模理论方法。腔膜理论又分为单膜理论和多膜理论，在单模理论中人们借用微带谐振腔的分析方法，建立了腔模理论。这是因为微带谐振腔与谐振式微带天线在形式上没有显著的区别。在分析微带谐振腔时，一般先要确定腔中的一个主模，再根据其边界条件来计算输入阻抗、品质因数和谐振频率等天线
的基本参数。但是在单模理论中，我们认为谐振腔中仅存在一种主模式，这是有局限的。因为只有当工作频率正处于该模式的谐振频率上时，或该模式和激励源的场分布完全匹配时才是成立的。由于这样的局限，我们需要采用多模理论模型。因为事实情况下，当引入具体的激励源时，就会激励产生多种模。用无限正交模表示腔内场，因而能比较准确地表示腔内场分布，这就是多模理论分析方法，使人们对微带天线的工作特性有更深入的物理理解[22]。
矩形微带天线在腔模理论中被看作一个磁壁腔。规定腔的边界条件，确定腔中的一个主模，从而计算出输入阻抗、品质因数和谐振频率等。腔模理论有两个基本假设：
(l) 在微带贴片的边界上，电流沿侧壁H 的切向分量为零，因为没有垂直于边界的分量，故腔的侧壁可假设为磁壁。即谐振腔可视为周围为磁壁，上、下为电壁的腔体。
(2) 由于腔高度h λ≤，可认为腔内电场z E 不随z 而变，且仅有z E 分量。而且z H =0，因此腔内的场是与z 轴无关的二维场。
采用腔模理论分析天线，第一步要先求解腔中的电场，第二步由边缘电场的切向分量求得边缘的等效磁流，第三步再由等效磁流计算辐射场。
第三章 L 型探针馈电微带天线理论分析
3.1 L 型探针馈电微带天线介绍
研究者们不断追求提高微带天线的性能。影响微带天线性能的一个重要方面是馈电方式的选择。微带天线常见的馈电方式主要有孔耦合馈电、缝隙耦合馈电、探针馈电还有微带线馈电等。微带贴片天线中用的比较多的一种馈电方式是探针馈电。对于介质层比较厚的微带天线，当采用探针馈电时探针比较长会导致天线输入阻抗的电感性加强而影响天线的带宽。为了解决这一缺点，可以采用脊型地板技术，另外采用L 型探针馈电也可以有效的克服这一影响。L 型探针馈电采用的介质层通常是空气层或为与空气介电常数差不多的泡沫层，因此具有易于制作、成本低、重量轻等优点，这与其他宽频带技术相比优点突出。目前，L 型探针馈电已经大量应用于卫星微带天线的设计中[23]。
本文是对影响L型探针馈电微带天线的几个方面的参数进行研究，并最后设计一副覆盖通信卫星下行传输信号频段3.2GHz ~ 4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。
3.2微带天线基本模型
L 型探针馈电的微带贴片天线与空气介质基板微带贴片天线类似。它结构示意图和等效电路图如图3.1所示，L 型探针馈电微带贴片天线的辐射机理为:L 型探针垂直部分和贴片之间产生感抗，水平部分和贴片之间产生容抗，两者相互作用产生谐振，使天线呈现多频带或者宽频带。L型探针通过与同轴馈线连接，探针上将存在交变的电场, 探针水平臂所指方向为电场方向,同时交变电场将引起变化的磁场,磁场方向与电场方向垂直。当磁力线垂直穿过贴片时,又将产生变化的电场。经过金属接地板的反射后，这种变化的电磁场被辐射出去[24]。
图3.1 L型探针馈电的微带贴片天线结构示意图
因此，L 型探针馈电的微带贴片天线可以等效为串联谐振和并联谐振的综合电路。如图3.2所示
基于HFSS的4_24微带阵列天线的研究与设计_惠鹏飞
第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计 惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟 （齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006） 摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研 究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈 电结构的多元矩形微带阵列天线。在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性 良好，工程上实现比较方便。 关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图 中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04 随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1] 。微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。 微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。 1 微带阵列及馈电网络损耗分析 1.1 微带阵列理论 微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。 首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。以阵列的中心为坐标原点，天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n 表示。以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为 j()e xs ys m n mn I ψψ?+，天线阵在远区的辐射总场(,)E θ?为 ()(,)(,)E f S θ?θ?θ??,= 式中，(,)f θ?为阵元的方向性函数，(,)S θ?为平面阵的阵方向性函数。平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。 1.2 馈电网络及损耗分析 天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用 的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。当利用传输线对阵列结构进行 收稿日期：2010-06-06 基金项目：齐齐哈尔市科技局工业攻关项目（GYGG-09011-2） 作者简介：惠鹏飞（1980-）,男，辽宁凌源人，讲师，硕士，主要从事雷达极化信息处理的研究，weibo505@https://www.wendangku.net/doc/6d8499861.html,。
波导缝隙天线的设计和仿真
波导缝隙天线的设计和仿真 波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。它广泛用于各种领域： 1、地面、舰载、机载雷达 2、导航雷达 3、气象雷达 4、雷达信标天线LL ……………………………… 特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。 波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。 波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。
主要讨论的内容： 1.波导缝隙天线的设计基础理论 2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真 3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真 4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论 本章中您主要的目标是： 1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。 2.了解波导缝隙的基本等效电路。 3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。 4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。
把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。
实验七 微带贴片天线的设计与仿真
实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型： （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
(完整版)射频微带阵列天线设计毕业设计
射频微带阵列天线设计 摘要 微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。 本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线微带阵列天线方向性增益 HFSS仿真 Design of Radio-Frequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array wildly applied in the filed of wireless
HFSS 缝隙天线设计
Ansoft HFSS Version 8 / 8.5 Training Workbook Slot Antenna EDA教学网 https://www.wendangku.net/doc/6d8499861.html,
Conventions: ?Capitalized text refers to menu items (i.e. choose MODEL/MEASURE is an instruction to click on the Measure command under the Model menu) ?Bold Faced text is the text that is to be entered from the keyboard. ?Italicized text will signify the names of buttons that you will click on
Introduction: We will create a model of a stripline fed annular-ring slot antenna. The objective will be to duplicate the results presented in the paper by C. Chen, et al, “Stripline-fed arbitrarily shaped printed-aperture antennas,”IEEE Trans. On Ant. And Propagat., Vol. 45, No. 7, July 1997, pp. 1186-1198, specifically the antenna described in Figure 11 of the paper. The stripline is spaced midway between the two ground layers and has a width of 2.6 mm. The ground layers are spaced 3.14 mm apart and the dielectric has an εr=2.2. The annular-ring slot on the upper ground plane has an inner radius of 9.2 mm and an outer radius of 13.2 mm. The stripline ends at the point directly below the center of the ring. In the paper data for this structure that was computed using the BEM (assuming infinite substrate and ground layers) is presented. Measured data is also presented, but details on the size of the actual ground/substrate layers of the experimental model were not given. The measured data had a resonance at 5.64 GHz. for this antenna. The |S11| was ≈ -25dB at that point. The computed data presented had a resonance at ≈ 5.59 GHz with |S11| ≈ -31.5dB. We will attempt to model this antenna using a finite sized substrate/ground layers and an ABC. For this case let’s use a substrate/ground that is square with dimension of 60 mm. The adapt frequency will be 5.3 GHz., which has a free space wavelength of approximately 57 mm.
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名
输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
微带线天线研究..
微带天线研究 摘要 通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。在介质基板的一面一个三角形缝隙，另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。通过仿真给出了天线的s参数，VSWR和方向图。 关键词：天线参数，微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计
目录 一、绪论 (3) 1.1 简介 (3) 1.2 微带天线的发展 (3) 1.3 微带天线的特点 (3) 二、微带天线基本知识 (4) 2.1 微带天线的辐射机理 (4) 2.2微带天线的分析方法 (4) 2.3微带天线的主要电参数 (5) 2.3.1 输入导纳 (5) 2.3.2 辐射电阻和品质因数 (5) 2.3.3 带宽 (6) 2.3.4 方向性系数、增益和天线效率 (6) 2.3.5 方向图 (7) 2.4 激励方法 (7) 2.4.1 微带馈电 (7) 2.4.2 同轴线馈电 (8) 三、微带缝隙天线 (8) 3.1 矩形缝隙天线 (9) 3.1.1 输入阻抗 (9) 3.1.2 方向图 (11) 3.2 环形缝隙天线 (11) 3.3 锥形缝隙天线天线 (12) 四、三角缝隙宽缝微带天线 (13) 4.1 天线设计与性能 (13) 4.2 软件仿真 (14) 参考文献 (15)
一、绪论 1.1简介 微带天线（microstrip antenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。 1.2 微带天线的发展 微带天线的概念早在1953年就由Deschamps提出，但是并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，从70年代起，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证。微带天线随着应用领域的快速扩展而开始被广泛的研究和使用。1970年出现了第一批实用的微带天线。这以后微带天线的研究有了迅猛的发展。新形式和新性能的微带天线不断涌现，其中，许多学者和工程师对微带天线的双频、多频操作进行了大量的研究应用。早期发展的结构为堆叠式与共平面式的结构，之后随着频率比、极化要求以及整体天线体积上的要求，并配合不同的馈入方式而有各种不同设计结构出现。例如有使用多个寄生元件或两个独立辐射元件的结构，有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置的设计，也有利用植入电抗性负载的设计，这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带，嵌入的微带线，短路棒、变容二极管、槽孔等等。在解决微带天线窄频带特性的问题上，各种设计不断推陈出新，所利用的方法也不断被开发并互相结合。例如有使用低介电常数的厚介质基底的设计，植入贴片电阻等损耗性元件的设计，植入集成式电抗性负载的设计，在馈入端设计匹配网络、堆叠结构的设计，寄生元件的设计，植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电的方式等等。 但是上述方法也存在不足，有时会影响天线其它性能指标。例如，使用短路探针加载，在缩减天线尺寸的同时，对带来一些缺点，一方面使阻抗匹配依赖于短路探针的位置及其馈电点的距离，给制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是带宽缩减，如若使用电抗性元件加载同样会造成带宽缩减，如若使用电阻性器件，虽然有助于展开频带，但是电阻性元件对能量的消耗将降低天线的效率。因此，如何在实现小型化微带天线多频段、宽频带工作性能的同时，兼顾其它天线性能指标，如效率、增益、极化等，已经逐渐成为微带天线研究的热点和难点。 1.3 微带天线的特点 微带天线一般应用在1GHZ---50GHZ，特殊的微带天线也可用在几十兆赫。它的特点主要有： （1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体共型，除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，不影响载体的空气动力学性能。 （2）天线的散射截面较小；不需要背腔。 （3）电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；可以工作在双频或多频；稍稍改变亏点位置就可以得到线极化和圆极化。 （4）能和有源器件，电路集成为统一的组件，适合组合式设计；利于大规模生产，降低了成本。 （5）频带较窄；增益低。 （6）有损耗，因此效率较低。 （7）端射性能差；可能存在表面波。 （8）单个微带天线的效率容量较低。
实验一：微带天线的设计与仿真
实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 课程设计说明书 题目：基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 摘要：通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，具有广阔的前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文就设计一个中心频率工作为880MHz，相对带宽为B=5％，介质板厚度h=1.6mm，损耗角正切tanδ=0.0018，介电常数为Er=2.3的微带缝隙天线展开研究以及仿真和优化。 关键词：ADS；微带缝隙天线；仿真设计； Design of microstrip slot antenna based on ADS simulation Abstract: Communication system development has brought the antenna the vitality of the industry, in many types of antenna microstrip antenna has become one of the forefront of current research, has broad prospects and practical significance. Microstrip slot antenna, in particular, with its light weight, thin section, flat structure and easy with conformal carrier, feeding the advantages of network can be made with the antenna structure has caused extensive concern of antenna workers. In this paper, the design of a work center frequency is 880 MHZ, relative bandwidth is B = 5%, medium plate thickness h = 1.6 mm, loss tangent tan delta = 0.0018, the dielectric constant of Er = 2.3 microstrip slot antenna study and simulation and optimization. Key words: ADS; Microstrip slot antenna. The simulation design; 学习目的 线极化微带天线阵列的设计 摘要 微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。 本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真 ABSTRACT Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna. Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements. Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation 实验八波导缝隙阵天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个波导缝隙阵天线 2.查看并分析波导缝隙阵天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为 ()a x g g π21sin = ()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221= 其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长。在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y 矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此，当缝隙谐振时有Im(Y)=0。 单缝谐振长度优化示意图如下： 设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布，前10个缝的电平分布如下： n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n 0.33 0.29 0.39 0.5 0.62 0.73 0.83 0.91 0.97 1.0 根据电平分布进行归一化：∑==101212n n a K 短 路 波端口g λ41g λ2 1L 太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师 专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… …… 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航 实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试 一．实验目的 1.了解描述天线性能的主要参数及天线类型 2.了解微带天线的辐射机理和设计方法 3.掌握用ADS 进行微带天线优化仿真的方法与步骤 二．天线的基本原理 1.天线的辐射原理： 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波 将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 2.电磁波辐射与场区的划分 (a) 感应近场 (b) 辐射近场 (c) 辐射远场 天线实际使用区域为辐射远场区 3.天线的分类 从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。 从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。 从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 按天线上电流分布分: 有行波天线、驻波天线。 按使用波段分类: 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。 按天线外形分类 : 有鞭状天线、T 形天线、Γ形天线、V 形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。 4.天线的技术指标 （1）天线的方向性因子 方向性因子 归一化方向性因子 λ/62.031D R <λ/222D R >1(,)jkr E f e r θφ-→max ) ,(),(f f F ?θ?θ= （2）E 面和H 面方向图 工程上常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为E 面和H 面。 E 面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H 面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 （3）主瓣宽度 方向图主瓣上两个半功率点之间的夹角，记为2θ0.5。又称为半功率波束宽度或3dB 波束宽度。一般情况下，天线的E 面和H 面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5E 和2θ0.5H 。可以描述天线波束在空间的覆盖范围，主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。 （4）天线方向性系数 Pr ：被测天线距离R 处所接收到的功率密度,单位为W/m2; Pi ：为全向性天线距离R 处所接收到的功率密度, 单位为W/m2 （5）天线增益G Pr ：被测天线距离R 处所接收到的功率密度,单位为W/m2; Pi ：为全向性天线距离R 处所接收到的功率密度, 单位为W /m2 一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd ”表示 一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi ”表示 （6）辐射效率 Pr 为天线辐射出的功率；Pin 为馈入天线的功率。 天线增益、方向性系数和辐射效率的关系： （7）天线输入阻抗 （8）天线的极化 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 （9）天线带宽 有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比ρ≤1.4时，天线的工作带宽。 三．微带天线 1.微带天线优点： 相同辐射功率 i r P P D =相同输入功率 i r P P G =in r P P =ηD G η=I U Z in = 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz: (2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec , 用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ<基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计
线极化微带天线阵列的设计
实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真
微带天线仿真设计(5)讲解
实验五 微带天线设计
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
用ADS设计微带天线