微带贴片天线圆极化性能仿真分析.docx

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微带贴片天线圆极化性能仿真分析

本科毕业设计（论文）

微带贴片天线圆极化性能仿真分析

杨珊

燕山大学

2011年06月

本科毕业设计（论文）

微带贴片天线圆极化性能仿真分析

学院：

信息科学与工程学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

杨珊

学号：

指导教师：

邢光龙

答辩日期：

2011-6-25

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：

信息科学与工程学院系级教学单位：

电子与通信工程系

学

号

学生

姓名

杨珊

专业

班级

07级电子信息工程2班

题

目

题目名称

微带贴片天线圆极化性能仿真分析

题目性质

1.理工类：

工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；

理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）

2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）

题目类型

1.毕业设计（√）2.论文（）

题目来源

科研课题（）生产实际（）自选题目（√）

主要

内容

HFSS是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。

采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。

可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计。

本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计对比分析圆形和矩形微带贴片天线辐射圆极化特性。

基本

要求

1.学会使用HFSS软件。

2.掌握圆形和矩形微带天线基本原理和分析方法。

3.应用HFSS对比分析圆形和矩形微带天线的圆极化辐射特性。

参考

资料

微波技术与天线—电磁波导行与辐射工程，殷际杰，电子工业出版社，2004

HFSS基础及应用，谢拥军等编着，西安：

西安电子科技大学出版社2007；HFSS用户手册和参考书

周次

第1～4周

第5～8周

第9～12周

第13～16周

第17～18周

应完成的内容

查阅文献资料、了解和掌握课题研究背景和方法

建立分析方法、确定软件实现方案、编制源程序

软件调试，结果分析

编制设计文件，使用说明

完成论文

指导教师：

邢光龙

职称：

教授2011年1月2日

系级教学单位审批：

年月日

摘要

HFSS是一款界面友好、功能完备、采用有限元法的三维全波电磁场仿真软件，对微带贴片天线的设计分析提供很大帮助。

本文主要内容是应用软件HFSS对比分析圆形和矩形微带贴片天线的辐射特性。

首先，本文对微带天线和圆极化的基本概念做了简单的介绍，论述微带天线的结构、馈电方式、辐射机理和微带天线的分析设计方法。

其次，简单列举了HFSS软件的特色功能及典型应用，介绍了HFSS仿真软件的分析方法（有限元数值分析法）和HFSS对天线的仿真设计流程。

最后，详细阐述用HFSS仿真设计圆形和矩形微带贴片天线的情况，并通过参数分析结果图包括S参数图、电压驻波比图、远场区方向图、极化轴比图等对比分析两种贴片天线的辐射特性。

矩形微带贴片天线和圆形微带贴片天线的圆极化设计及分析是本文的重点。

本设计用在辐射贴片上做切角的方法实现天线圆极化的目的。

通过对比分析两种天线的各项辐射特性参数，矩形微带贴片天线要优于圆形微带贴片天线。

关键词　微带贴片天线；HFSS仿真；圆极化；辐射特性

Abstract

HFSSisinafriendlyinterface,functioncomplete,andthethree-dimensionalfiniteelementmethodwholewaveelectromagneticfieldsimulationsoftware.Itprovidesmuchhelptothedesignofmicrostripantennas.ThemaincontentofthispaperismakingacomparativeanalysisoftheradiationpropertiesofcircularandrectangularmicrostrippatchantennabyusingsoftwareHFSS.

First,thispaperintroducesthebasicconceptsofmicrostripantennasandcircularlypolarizedmicrostripantenna.Discussesthestructureofmicrostripantenna,feedmethod,theradiationmechanismandmicrostripantennaanalysisanddesignmethods.

ThenitsimplyliststheHFSSsoftwarefeaturesandtypicalapplications,focusingontheHFSSsimulationsoftwareanalysis（finiteelementanalysis）andtheHFSSsimulationoftheantennadesignprocess.

Atlast,itdetailsthedesignwithHFSSofthecircularandrectangularmicrostrippatchantennas,andmakesacomparativeanalysisoftheradiationpropertiesofthetwomicrostrippatchantennasbyresultmapsincludingtheSparametermap,voltagestandingwaveratiograph,farfieldpattern,polarizationaxisratiomap.

Rectangularmicrostripantennaandcircularmicrostrippatchofpatchantennasareroundpolarizationdesignandanalysisinthispaperisfocus.Forthepurposeofacquiringcircularpolarizationantenna,Imakecuttinganglesonthepatchinthisdesign.Throughthecomparativeanalysisofradiationparametersofthetwoantennas,rectangularmicrostrippatchantennaisbetterthancircularmicrostrippatchantenna.

Keywords　Microstrippatchantenna;HFSSsimulation;Circularpolarization;Radiationproperties

第1章绪论

课题背景

天线是无线电通信和探测系统中不可缺少的重要组成部分，它是发射和接收电磁波的一种设备。

作为发射天线，它将被馈线引导的高频电流转换为电磁波并向特定的方向发射出去；而作为接收天线，它又要做相反的变换，从而在任意两点之间实现了电磁信号的传递。

从上世纪初的单一点对点通信到现在覆盖全球的卫星通信系统，天线技术无疑承担了最基本、最前端的角色，它在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成为现代文明中不可缺少的部分。

自从20世纪70年代中期微带天线理论得到大的发展以来，由于微带天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们青睐，在移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）等领域得到广泛的应用[1]。

微带天线可以分为三大类[2]：

微带贴片天线、微带缝天线、微带行波天线。

微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射元的天线。

它具有剖面低、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化的优点，并且非常有利于集成，在天线应用中占有非常重要的地位。

圆极化微带天线在卫星通信和移动通信领域更是得到了广泛应用[3]，圆极化微带天线具有如下优点[4]：

l、圆极化天线可接收任意线极化来波，且其辐射波可由任意线极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；2、在通信，雷达的极化分极工作和电子对抗等应用中广泛应用圆极化天线的旋向正交性；3、圆极化入射到对称目标（如平面，球面等）时旋向逆转。

圆极化微带天线的基本电参数是轴比带宽，定义为最大辐射方向上轴比不大于3dB的带宽，轴比决定了天线的极化效率。

实现圆极化的基本原理是产生两个相位相差900空间正交的等振幅的线极化电场分量，因此任一个圆极化波可分解为在时间、空间上均正交的等振幅线极化波[5]。

实现圆极化的方法大体有3类[6]：

l、单馈法，基于空腔模型理论，利用简并模分离，产生两个辐射正交极化的简并模。

可以采用多种形状贴片，引入几何微扰来实现，无需外加相移网络和功率分配器，结构简单，尺寸小；缺点是带宽窄极化性能较差。

2、多馈法，采用多个馈点馈电，利用T型分支或3dB电桥等馈电网络实现圆极化辐射，易于提高驻波比带宽及圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比，缺点是馈电网路复杂尺寸较大。

3、多元法，原理与多馈点法相似，利用天线阵的形式，采用多个线极化辐射元，每一个馈点分别对一个线极化辐射元馈电，相对于多馈法，馈电网络简单、增益高，缺点是结构复杂尺寸大。

HFSS仿真

与常用的微波天线相比，微带天线具有如下的优点[7-8]：

（1）重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；

（2）制造成本低，易于大批量生产；

（3）可以做的很薄，因此，不扰动装载的飞行器的空气动力学性能；

（4）无需做大的变动，天线就能很容易的装在导弹、火箭和卫星上；

（5）天线的散射截面较小；

（6）改变馈电点的位置即可方便的获得线极化和圆极化；

（7）较容易制作成多频段工作的天线；

（8）馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作，易于制作成印刷电路。

与此同时，微带天线也有一些缺点：

（1）相对带宽较窄，主要是谐振型微带天线；

（2）损耗较大，所以效率及增益较低；

（3）馈源与辐射源之间的隔离较差；

（4）容易激励表面波；

（5）单个微带天线的功率容量较小；

（6）介质基片对微带天线性能影响较大。

在许多实际设计中，微带天线的诸多优点远远超过它的缺点，用有效的仿真软件对其前期的研究工作进行仿真计算，或者对实验结果进行验证就显得越来越重要。

微带天线的实验方法和计算方法都已非常成熟，这就为克服微带天线的缺点奠定了基础，使其得到了广泛的应用与发展。

微带天线发展概况

微带天线最初是作为火箭和导弹上的全向共形天线而得到应用与发展的。

随着无线电技术的发展，微带天线在多个领域得到越来越广泛的应用，如手机、蓝牙（BlueTooth）、无线局域网（WLAN）等无线通讯终端，小型化卫星通讯、多普勒及其它制式雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、无线电引信、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、GPS卫星导航接收机、生物医学辐射器。

微带天线技术也在应用过程中得到了飞速的发展，当今对于微带天线技术的研究主要集中在以下几个方面[9]：

（1）宽频化，这是近年来微带天线领域研究的热点，当天线的工作频带较宽时，其应用的场合较广，避免了在不同的频段采用不同的天线，节省了成本及空间。

（2）多频化，在许多应用中，人们希望天线能够同时工作于两个或者多个频段，以实现更多的功能，GSM手机、WLAN（无线局域网）、GPS（全球定位系统）等就是典型的例子；

（3）小型化，在许多特殊应用的场合，特别是航空航天卫星通信、移动通信中，由于其物理空间的限制都需要小型化天线；

（4）极化技术，和线极化相比，圆极化天线有着众多优点，比如圆极化天线在雷达、目标识别和抗干扰方面的应用等，因此对圆极化微带天线的研究意义重大；

（5）分形微带天线，超宽带天线是近来研究的热点，分形技术应用于天线设计，可以实现天线超宽带性能[10]；

（6）光子带隙（PBG）技术应用于微带天线设计。

PBG技术可以有效减小高介电常数厚基板带来的表面波，改善天线的效率和方向图前后比，是一种很有前途的技术；

（7）高增益，低副瓣特性。

高增益特性能够保证天线较高的定向辐射能力，提高了天线的抗干扰能力；低副瓣特性保证了天线阵列中旁瓣对主瓣的较低影响，可通过一系列的加权形式实现；

（8）有源集成微带天线也是一个研究方向。

有源集成天线是将有源电路和无源辐射单元（天线）集成在同一介质板上，接收或者发射电磁波的装置。

近年来，随着微波集成电路（MIC）和空间功率合成技术的日益成熟，有源集成天线受到了广泛的关注。

课题研究主要内容及结构安排

本设计的主要内容是藉助软件HFSS设计对比分析圆形和矩形微带贴片天线辐射特性。

在AnsoftHFSS中建立所需研究的两种天线仿真模型，并设置好相应的频率、激励源、馈电方式、辐射边界、精度等参数，通过AnsoftHFSS仿真就能够得到天线的方向图、增益、效率、阻抗带宽等仿真结果。

具体的天线模型，工作频率等参数模型可以自行选择。

通过HFSS仿真计算结果包括S参数图、电压驻波比图、远场方向图、极化轴比图等对比分析两种天线辐射特性。

本文的主要结构为：

第1章介绍了课题的背景、发展概况、课题主要研究内容及论文的结构安排。

第2章阐述了微带天线的基本理论及分析方法，包括微带天线的分类、辐射机理、馈电方式、常用的理论分析方法及数值分析方法等。

第3章介绍了AnsoftHFSS软件的功能应用、分析方法，并通过具体实例详细介绍了HFSS的仿真设计流程。

第4章是本文的主体部分，详细介绍了在软件HFSS中圆形微带贴片天线和矩形微带贴片天线仿真设计的参数设置，最后通过仿真结果图对比分析了两种贴片天线的辐射特性，得出相关结论。

第2章圆极化微带天线原理概述

微带天线基本理论

微带天线是由具有一定厚度的介质基片、较薄的导体接地板及光刻的辐射贴片三部分组成[11]。

一般情况下，采用同轴线馈电或微带线馈电，在辐射贴片和导体接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片与导体接地板之间的缝隙向外辐射电磁波能量。

一般情况下，贴片是具有规则几何形状的金属片，几种常见的形状为：

矩形、三角形、圆形、矩形环、圆环等。

为了减小介质基片对电磁波的束缚、增加边缘电磁场的辐射，常采用介电常数较小的介质基片．但是在一些特殊的场合，由于受到物理体积方面的限制，为了最大限度的减小贴片的尺寸，或者在MMIC电路、LTCC工艺中，也可以选用介电常数较大的GaAS、Si、A1203等介质基片。

2.1.1微带天线的结构

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线[12]。

它利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射[13]。

因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于小尺寸天线的一类。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形、圆环形等，由这种单元形成的微带天线称为微带贴片天线。

微带天线由很薄（

<<

是自由空间中的波长）的金属带（贴片）以远小于波长的间隔（

<<

，通常取

）置于一接地面上而成，如图2-1所示。

微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择不同的贴片形状激励方式来实现。

选择不同的贴片形状还可以实现端射辐射。

对于矩形贴片，贴片长度L一般取

/3

/2，微带贴片与接地面之间有一介质薄片（称为基片）隔开。

图2-1微带天线

可见，微带天线是由很薄的有一定形状的金属贴片，以远小于波长的间隔（h<<λ）置于接地导电板上面构成的。

微带贴片与接地平板间有称为基片的介质层隔开。

辐射单元通常刻在介质基片上。

贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形等。

2.1.2微带天线的辐射机理

微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。

一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。

例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。

当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。

再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。

辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。

a）b）c）

图2-2矩形微带天线辐射原理图

我们由图2-2来具体说明矩形微带贴片天线的辐射原理。

设贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向和厚度h方向无变化。

仅沿长度b方向有变化，其结构见上图（a）。

则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘电磁场产生的，如上图（b）（c）所示。

将边缘电磁场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度b≈λ/2，所以两开路端的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱）。

而水平分量的电场是同相的。

远区辐射场主要由该分量场产生。

最大辐射方向在垂直于贴片的方向。

由此分析可见，矩形微带天线，可用两个相距λ/2，同相激励的缝隙天线来等效。

这是微带天线的传输线模型分析方法的解释。

如果介质基片中的电场同时沿贴片天线的宽度和长度方向都有变化，这时微带天线可用贴片四周的缝隙的辐射来等效。

2.1.3微带天线的馈电方式

微带天线有许多种馈电装置形式，但主要分为三类[14]，一是微带传输线馈电，二是同轴线探针馈电，三是耦合馈电如图2-3所示。

（1）微带传输线馈电见图2-3（a）。

微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。

微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模，但是会产生更多的表面波和寄生辐射，在实际应用中限制了带宽（一般2～5%）。

（2）同轴线探针馈电见图2-3（b）。

用同轴线馈电的优点：

馈电可选在贴片内任何所需位置，便于匹配；同轴电缆置于接地板上，避免了对天线辐射的影响。

缺点是结构不便集成，制作麻烦。

这种馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体接到接地面。

同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，同时寄生辐射比较低。

但它的带宽比较窄，而且建模相对难些，尤其介质层比较厚时（h>

。

（3）耦合馈电微带传输线和同轴线探针馈电由于自身的不对称性会产生高次模而导致交叉极化。

为了克服这些问题人们引入了传输线耦合馈电和小孔耦合馈电，如图2-3（c）所示。

小孔耦合馈电是几种馈电方式中最难制造的，而且带宽也比较窄。

图2-3（d）所示的耦合馈电，其带宽相对较宽。

a）微带传输线馈电b）同轴线探针馈电

d）耦合孔馈电d）耦合馈电

图2-3典型的微带传输线馈电

2.1.4微带天线电参数

天线是每一个无线电通信系统的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响整个无线电通信系统的性能。

人们通常用天线的电参数衡量天线性能的好与坏。

天线的电参数可以分为电路特性参数和辐射特性参数两类。

电路特性参数主要包括输入阻抗、效率、带宽、匹配程度等，辐射特性参数主要包括方向图、增益、极化等[15]。

（1）方向图与方向性系数天线辐射的电磁波能量在空间的分布是不均匀的，天线的辐射方向性图是用来表示天线的辐射参量随空间角度变化的图形。

这里的辐射参量可以是辐射的功率通量密度、场强、相位或者极化。

在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面，称为立体方向图或空间方向图。

立体方向图形象、直观，但画起来复杂，实际常采用平面方向图（常用E面和H面方向图）来描述天线的空间辐射特性。

对于天线方向图来讲，有的要求天线对准性很强，有的要求天线有一定的盖区域。

在本论文的设计中，我们力求所设计的天线的辐射方向图是全向的，这样才能保证在天线所要求的覆盖区域内所有方向上的通信都是稳定可靠的。

方向性系数，也叫方向性增益，是说明天线能量集中辐射的程度，它定义为在辐射总功率相等的情况下，天线在某个方向

辐射的功率密度

与完全无方向性的天线（理想点源）辐射的功率密度S之比。

天线的方向性系数表征了该天线在其最大辐射方向上比起无方向性天线来说把辐射功率放大的倍数。

一般来说，天线的方向性系数

是方向的函数，不同方向的数值不同。

对于本论文所设计的天线，实际上要求方向性系数

大一些为好，

越大天线方向性越强。

（2）增益增益是天线的又一个重要参数，它与方向性系数有密切的关系。

其定义为在输入功率相等的条件下，天线在

方向的功率密度

与无方向性、无损耗天线的功率密度

之比。

通常所说的天线增益是指天线的线性增益，其增益

的表达式为：

（2-1）

式中

——天线效率。

也就是说，天线的增益等于天线的方向性系数与天线效率的乘积。

方向性系数表征天线辐射电磁能量的集束程度，效率表征天线能量的转换效能，而天线的增益就可理解为标称天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。

一般来说，天线的方向性越好，增益越大；反之亦然。

本论文设计天线的增益是越大越好。

这样天线主向辐射效果较好。

（3）效率效率有辐射效率与天线效率之分。

由于反射波的存在，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，天线也不可能把从馈线输入给它的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线馈线中的热损耗、介质中的介质损耗以及天线近旁物体吸收电磁波引起的损耗等等。

天线的辐射效率

为天线的辐射功率

与输入功率最

的比值，即：

（2-2）

天线效率

为天线的辐射功率

与入射功率

比值，即：

（2-3）

（4）输入阻抗在天线输入端呈现的阻抗称为天线的输入阻抗，其数值上等于天线输入端的电压与电流之比。

天线输入阻抗除了取决于天线自身的结构外，还与工作频率和周围环境有关。

除少数天线可以获得输入阻抗的严格理论解外，大多数天线只能采用近似求解或者实验测定。

由传输线理论可知，微波能量要想最大程度地得到传输，天线与传输线必须有良好的阻抗匹配，阻抗匹配的好坏将影响功率传输的效率、整个系统的性能指标及稳定性程度等。

对绝大多数微带天线而言，由于其固有的窄频特性，输入阻抗随频率的变化比较敏感，阻抗匹配是天线设计中需特别注意的问题。

一般的天线输入阻抗为50

，为能和常用设备一致，本论文中的天线阵的激励源也选取输入阻抗为50

。

（5）带宽与电压驻波比天线的电参量几乎都与频率有关，电参量随频率变化的特性就是天线的频率特性。

频率特性可以用带宽表示，满足天线电参数一定要求的频率范围称为天线带宽[16]。

对微带贴片天线而言，其辐射方向图类似于偶极子的辐射方向图，因此，辐射方向图带宽、主瓣宽度、副瓣电平和增益不随频率发生明显的变化。

然而微带贴片天线的输入阻抗随频率的变化很快。

所以在本设计中，是通过多次仿真来调整天线的带宽的。

输入阻抗限制了天线单元与其馈线相匹配的频率范围，常用阻抗带宽来定义微带天线的带宽。

在许多场合，经常用天线的电压驻波比（VSWR）表示天线的带宽为[17]：

（2-