科研训练结题报告 微带天线设计.docx

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科研训练结题报告微带天线设计

摘要

近些年来天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上发生了巨大变化。

在国内，幅员辽阔，虽然有线网发展迅速，但对于很多偏远地区来讲无线传输可能是唯一选择。

在广播电视领域，随着广播电视在农村的普及，微带天线的发展和应用有着广阔的发展前景。

尤其在移动广播电视中，微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。

本设计将使用HFSS软件设计一种侧馈方式的微带天线，其工作频率在35GHZ，带宽200M左右。

目录

第一章：

绪论4

1.1徽带天线发展历史与优缺点4

1.2微带天线的应用6

1.3微带天线发展方向7

1.3.1宽频带、超宽频技术的研究7

1.3.2双频以及多频化的研究8

1.3.3微带天线小型化的研究8

第二章：

矩形微带天线的辐射原理9

2.1微带天线结构9

2.2微带天线的一般分析方法10

第三章：

35GHz矩形微带贴片天线的设计以及HFSS仿真14

3.1天线性能指标14

3.2天线尺寸的计算14

3.2.1贴片宽度的确定14

3.2.2贴片长度的确定14

3.3.3介质基片长宽的确定15

3.3.450欧姆馈线长度和宽度的计算15

3.3.51/4λ阻抗变换器长度和宽度的计算16

3.3HFSS仿真16

3.3.1HFSS软件介绍16

3.3.2仿真步骤18

3.4实验结果分析19

3.4.1S参数优化图19

3.4.2矩形微带贴片天线的方向图20

3.4.3S参数最终结果图21

第四章：

总结与展望22

第一章：

绪论

微带天线的概念首先是由Deschaps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期造出来实际的微带天线。

微带天线由于质量轻、体积小、易于制造等优点，现已广泛用于个人的无线电通信中。

同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点，因而在大约100M到50GHZ的宽频带上得到广泛应用。

1.1徽带天线发展历史与优缺点

早在1953年微带天线的概念就已经被提出来了，但在当时并没有引起相关领域的足够重视。

一直到上世纪的六十年代才开始有了一些研究，直到七十年代微带天线才得到真正的发展和运用。

后来因为微波集成技术的发展和大量低耗介质材料的出现，促进了微带天线在工艺上的制作技术；由于空间技术的发展急需剖面较低的天线元，所以微带天线真正引起相关领域的广泛重视是在20世纪70年代以后，特别是1970年第一批实用天线的出现，随后关于微带天线各相关领域不仅发表了大量的学术报告，而且出版了专集和召开了专题的会议，尤其是在20世纪后期，开始了对分形天线在多频段工作的特性的研究和工程上的应用。

自此以后各种各样的微带天线已经在多普勒雷达、导弹遥测技术、生物工程以及卫星通信等领域得到了十分广泛的运用。

这表明微带天线已经在天线研究中占有一席之地。

微带天线最开始应用于导弹和火箭上，是作为共形全向天线使用的。

现如今已经应用在更宽广的频域范围上的无线电设备中，频域范围大约为100MHZ~100GHZ。

微带天线之所以能得到广泛的应用，是由它独特的优点决定的，当然它并不是完美无缺的，我们将其与微波天线相比，简单介绍它的优缺点。

微带天线和常用的微波天线相比较，它有以下一些突出的优点：

（1）重量较轻，体积比较小，剖面低，能与飞行器等载体共形。

（2）容易制作和调制，制作成本较低，适合大批量生产。

（3）容易集成化的性能，在毫米波段的应用有很大的优势。

（4）电性能多样化，通过改变微带元的设计，可以很方便的得到各种极化方式,也可以实现双频以及多频化。

与微波天线相比，微带天线也有一些不足之处，主要表现在如下几点：

（1）损耗比较大，从而导致效率也不高。

（2）介质基片对性能影响比较大，这是因为受到工艺条件这一因素的限制，大批量生产出来的介质基片的一致性和均匀性有不足，从而使大型天线阵的构建和微带天线的大批量生产受到了影响。

（3）相对带宽比较窄，这也是微带天线固有的缺陷，特别是谐振式微带天线。

（4）单个微带天线的功率容量一般都比较小。

目前，微带天线的缺点正在研究克服中，有的已经得到改善，尽管微带天线存在着诸多不足，但是它独特的性能决定了它广泛的应用前景。

1.2微带天线的应用

我们都知道天线对信息的传输起到了无可替代的作用。

随着社会的发展和进步，我们对信息的传输提出了更高的要求，因此天线也是在不断发展和应用的。

在我国，虽然有线网得到了迅速的发展，但是，我国大部分人口居住在偏远的农村，有线网往往不能完成信号在这些偏远地区传输的任务，无线传输才是最好的选择。

微带天线以其独特的优点，即可应用在室外也可应用在室内，还可以集成到无线电设备内部，它的尺寸可大可小，其在无线电设备中的应用的优势是很明显的。

在电视技术领域，电视已经在农村得到了普及，甚至高清晰度电视也走进了千家万户，可以肯定的是微带天线的发展和应用将会有着非常广阔的市场前景。

应用领域

用途

飞机天线

盲目着陆系统，高度表，通信与导航

导弹和遥测

引信，传感器，毫米波雷达

卫星通信

星载多波束天线，移动式地面站，直播卫星电视接收机

移动通信

随身和手持电话，舱内和车顶天线，基站天线

雷达

多普勒测速雷达，防撞雷达，防盗报警器，单脉冲雷达，相控阵雷达

战场通信和监视

车载共形天线

电子对抗

多波束阵列，自适应系统

遥感

综合孔径雷达

气象和射电天文

气象雷达，亚毫米波接收机

生物医学

微波治癌仪

此外，微带天线还应用在空间技术中。

海洋卫星和航天飞船成像雷达（SIR）的前三代（SIR-A、SIR-B、SIR-C）系统都使用了微带天线阵列，这种微带天线阵列都是平面结构。

X波段合成孔径雷达（X-SAR）是第三代航天飞船成像雷达系统的补充，这种天线是工作在9600MHz（X波段）、长为12米、宽为40米的平面缝隙波导阵。

航天飞船成像雷达的第三代（SIR-C）可工作在1250MHz（L波段）和5300MHz（C波段），其L波段和C波段的面板都是由微带贴片组成的面阵。

1.3微带天线发展方向

随着微带天线的理论技术的不断发展，人们对微带天线研究的越来越深入，目前微带天线主要的研究集中在一下几个方面：

宽频带技术的研究、超宽频技术的研究、双频以及多频化的研究、微带天线小型化的研究等。

1.3.1宽频带、超宽频技术的研究

众所周知，微带天线的致命缺点是频带窄，这是由于它是一种谐振式天线，它的谐振特性相当于一个高Q值的并联谐振电路，因此要想使微带天线的带宽有所增加，应该从降低它的Q值入手。

有几种降低Q值的几种方法：

1．增大基本厚度，降低基板相对介电常数；2．改变天线的结构，具体途径有：

附加阻抗匹配网络、采用非线性调整元件、采用多层结构以及采用贴片或接地板“开窗”；3．采用非常规的基板形状或非线性基板材料。

超宽带（UWB）无线电传输技术是目前国际上正在蓬勃发展的一种无线通信技术，超宽带通信可以缓解目前越来越紧张的频带资源的压力，成为产业界和通信界研究的重点。

其实超宽带早在1960年就作为军用雷达技术开发出来，从功能和形式上，超宽带天线可以分为四种：

非频变天线、小尺寸天线、喇叭天线、反射镜天线。

设计超宽带天线两个最重要的指标是要有较低的驻波比和固定的相位中心，超宽带天线设计的难点是需要设计的天线有良好的阻抗带宽。

2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用，规定其工作频率范围为3.1GHZ~10.6GHZ。

1.3.2双频以及多频化的研究

目前使微带天线双频化通常有三种方法：

（1）多贴片，

（2）槽加载，（3）集总元件加载。

这三种方法中，采用槽加载方法是最简单的方法，在单层微带天线上就可以实现双频，而且制作也比较简单。

而多贴片和集总元件加载会使天线的结构复杂化。

实现多频化的方法主要有：

（1）采用多层重叠贴片结构，形成多个谐振器，从而产生多频段特性；

（2）采用分形概念设计天线，分形具有空间填充属性和自相拟属性，几何结构的自相拟属性决定了它的多频带性质；（3）采用多个辐射单元，构成多频点谐振式的微带天线。

1.3.3微带天线小型化的研究

天线的小型化是指在一定的工作频率上，在不改变天线各项性能的前提下，尽量使微带天线的尺寸最小化。

针对不同的小型天线（比如螺旋天线、缝隙天线等）有不同的小型化方法。

具体到微带贴片天线小型化方法：

采用平面倒L结构以及倒F结构，增加介电常数、曲流、加载。

第二章：

矩形微带天线的辐射原理

2.1微带天线结构

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。

它利用微带线或同轴线等馈线馈电，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。

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，属于电小天线的一类。

另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或园环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振于（偶极子）。

由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线。

微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射，称之为微带线型天线，这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。

微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如稽线）对其馈电，称之为微带行波天线，由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。

微带天线通常采用微带线馈电或者是同轴线馈电，其结构如图1-3所示。

2.2微带天线的一般分析方法

采用的分析微带天线的方法不同，辐射原理也不同。

这里将用传输线模型法来介绍矩形微带贴片天线的辐射原理。

这可以从图2-3简单说明，根据传输线理论，场在宽度和厚度方向上是常数，仅在长度方向上有变化，其场分布图如图2（a）所示。

在两端的电场相对于接地板可分为的法向分量和切向分量，根据传输线理论的两条基本假设，法向分量方向相反，所产生的远区场相消；水平分量方向相同，所产生的远区场相叠加。

根据以上分析，贴片可以等效为

两个相距λ／2、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙，如图2（b）所示。

图2（a）图2（b）

微带天线在进行工程设计时，与其他天线一样需要对天线的一系列性能参数进行预算，这种做法可以使天线的制作质量和效率大大提高，并且可以使研制成本大大的降低。

近年来许多作者致力于这种理论工作的研究，获得了显著的成就。

如今比较成熟的分析微带天线的方法有很多，比如格林函数法、积分法、传输线法、腔模理论和矩量法等，这些方法各有长短互相补充。

每种方法并不是千篇一律的，每种方法可能只适合一种或几种微带天线。

通常使用的微带天线的带宽都比较窄，主要是因为其输入阻抗对频率的变化比较敏感，又因为微带贴片天线是通常只工作在谐振频率附近，所以研究微带天线的阻抗特性和谐振频率就显得十分关键，它也是评价分析方法好坏的一个重要依据。

用以上各种方法分析微带天线的方向图，除特殊情况外，得到的结果最后都差不多是一致的，尤其是主波束，所以以下我们主要介绍微带天线输入阻抗的分析方法。

传输线模型法：

传输线模型法是出现比较早的分析微带天线的方法，也是众多方法中最简单的方法。

这种方法的前提是采用了两条基本假设，这里将根据下图这种方法的物理模型来介绍两条基本假设：

（1）假设在由接地板和微带片构成的微带传输线上传输的是准TEM波，而波的传输方向由馈电点决定，把准TEM波的波长用λ来表示，线段长度三的值大约为半个波长，即L=λ/2。

场的分布在垂直方向（图中对应的是宽度方向）上是常数，而在传输方向上为驻波分布的。

（2）把传输线的始端和末端看作是两个辐射缝隙，长度是图中的W，宽度是图中的h，传输线的开口端的场强即为缝隙的口径场。

如果把缝的平面看成与微带片的平面共面，那么开口面就从原来的方向向上翻转了90度。

图3传输线法物理模型

根据两条基本假设，当L=λ／2时，两个缝隙的切向电场都为图中的x方向，并且它们的幅度是相同的。

把它们等效看作是磁流，这里有接地板的作用，根据镜像原理，可将缝隙上等效的磁流密度用下面的表达式表示出来：

其中u是传输线开口端的电压。

这种方法的方便之处就是，因为缝隙已经平放，所以在计算上半空间的辐射场时，可以按照自由空间来处理。

传输线法在各种方法中是最直观最简单的方法，它是利用端缝辐射的概念简单明了的说明了辐射机理，但是这种方法也有它的局限所在，由于传输线模式的限制，只适合应用矩形微带天线贴片天线和微带振子天线。

对于矩形微带贴片天线，传输线模式其实就相当于腔莫理论中的基膜，在谐振频率处，场的分布情况与实际情况很靠近，计算参量在工程精度要求之内，但是当失谐大时，计算的场分布与实际情况相差就比较大了，这时计算结果就不准确了。

现在已经针对基本的传输线法对谐振频率预测不够准确这一问题提出了一些修正方法，比如等效伸长微带片的长度，这种方法可以有效的将误差减小到1％以内。

除此以外，传输线法还有一个主要缺点，输入阻抗随着频率变化的曲线除了在谐振点准确以外，在其他频率上都不准确。

这主要是因为传输线的模型是一维的，所以当馈电点的位置在图中的宽度方向也就是与波的垂直方向上变化时，它的阻抗值并不会跟着发生改变；另外由于传输线模型可看成是单震荡回路，所以阻抗特性在谐振频点附近是关于谐振频点对称的，阻抗曲线用圆图表示出来是关于实轴对称的，以上这两点都是与实验很不相吻合的。

实验验证表明，馈电点的二维位置决定着阻抗曲线的变化，实验表明，当馈电点在边缘时，阻抗陆线是对称分布的，当馈电点的位置移向中心时，不对称现象就会变得明显，这种实测与计算的偏差是因为微带天线除了最低阶的传输线模式以外，还存在着其他高次模式场，一旦失谐，这些高次模式就会凸显出来。

一般说来，传输线法比较适合用于在辐射边附近馈电，而且要求馈电点位于该边的对称轴上，在这种情况下计算出来的阻抗曲线才有较大的参考价值。

第三章：

35GHz矩形微带贴片天线的设计以及HFSS仿真

3.1天线性能指标

介质基片厚度h0.254mm

介质基片介电常数

2.2

中心频率f035GHZ

反射系数S11<-20dB

带宽200M

3.2天线尺寸的计算

3.2.1贴片宽度的确定

由W=

算得W=3.39mm

3.2.2贴片长度的确定

由经验公式L=

得L=2.74mm

其中

=

=

为贴片宽边中心处输入阻抗

3.3.3介质基片长宽的确定

介质基片对天线的影响不大，大于贴片的0.2

即可。

LG=L+0.2

WG=W+0.2

3.3.450欧姆馈线长度和宽度的计算

ADS中的LineCalc使用非常简单，只要输入微带传输线的各项已知参数，把特性阻抗设为50欧姆，按下Synthesize按钮，就可以得到相应的微带线的宽度，此处选择λ/2长度，即相位选择180度。

可得馈线宽0.79mm，λ/2长度为3mm。

3.3.51/4λ阻抗变换器长度和宽度的计算

Z=

，其中

=50欧姆为微带线的特性阻抗，

为贴片宽边中心馈电点处的输入阻抗。

可得宽度为0.4mm，长约为1.6mm。

3.3HFSS仿真

3.3.1HFSS软件介绍

AnsoftHFSS是高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimulator）的缩写，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场的仿真软件，它可以对任意结构的三维无源高频电磁场进行仿真，可以直接得到S参数、传播常数、辐射场以及天线的方向图、特征阻抗等结果。

这款软件目前已经广泛用于航空航天、微波集成电路、半导体、雷达、卫星、计算机、有限和无线通信等领域，客户可以利用这款软件设计出世界上一流的产品。

HFSS是一个互动式的仿真系统，采用四面体作为基本的网格元素，这样用户在求解任意的三维几何形状的电磁场问题时比其他方法要省很多时间。

尤其是解决具有复杂形状和曲线的三维电磁场问题，它的优势就会凸显出来。

Ansoft公司最早在电磁仿真中应用有自适应Lanczos-Pade扫频（ALPS）、自适应网格划分和具有切向矢量场的有限元等技术的有限元法。

到目前为止，AnsoftHFSS已经应用于很多工业领域并且发展了很多新的用户。

这款软件已经成为工业界中应用于虚拟原始模型的首选工具。

这款软件求解电磁场时采用的是切向矢量有限元法，它是把整个连续区域划分成很多个子域，用带有未知系数的插值函数表示子域中的未知数，这样就把无限个自由度的问题转换成有限个自由度的问题。

通常我们将带有边值问题的有限元法分作四步：

第一步，将求解的整个区域划分成子域；第二步，选择适当的插值函数；第三步，建立方程组；第四步，求解方程组。

有限元法必须在一个完全封闭的区域内求解，而天线的辐射场是一个开放场，HFSS在处理这样的问题时，通常是用辐射边界条件来表示开放的空间，仿真时，将从辐射边界的表面释放能量。

建模时对辐射边界的位置也有要求，必须离辐射体有1/4波长以上的距离，特别是在主要的辐射方向上，这个距离至少要大于1/4波长。

3.3.2仿真步骤

1.创建工程和设计

2.设置求解类型:

模式驱动或终端驱动

3.创建模型:

设置单位

创建参考地,并分配边界条件

创建模型实体,并分配好边界条件（如果是辐射问题还要创建辐射边界表面）

4.设置激励端口

5.添加和使用变量

6.求解设置（求解设置和扫频分析）

7.仿真

8.查看谐振点

9.参数扫描、优化设计

10.查看优化后天线性能，查看S11，电压驻波比，三维增益图，E面方向图等。

构建完成后的图像

3.4实验结果分析

3.4.1S参数优化图

S参数是表示在波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值。

S参数图是描述天线的S参数随频率变化的图形．为了更好的来观察微带天线的中心频率处的情况，在这里选取了比较大的频率扫描范围。

首选，扫描频率范围确定为33GHz--37GHz时，优化后的S11图像如下：

3.4.2矩形微带贴片天线的方向图

从图中看可以看出矩形微带贴片天线的方向性很好，没有波瓣产生，在Z轴方向上辐射强度最大，其他方向辐射分散，从二维的方向图中还可以看出矩形微带贴片天线的对称性也是很好的。

．

3.4.3S参数最终结果图

由图可知当P=2.635mm时达到了设计初对天线回波损耗小于-20dB的要求，满足在一般通信系统中反射系数小于-20dB的要求。

而且带宽大于200M.

第四章：

总结与展望

本文主要工作是在理论知识的基础上，结合当今流行的三维电磁场仿真软件HFSS，设计了一款谐振频率为35GHz的矩形微带贴片

天线，利用HFSS仿真软件完成了模型的建立，并在仿真的基础上对这款矩形微带贴片天线的方向图，反射系数，驻波比等电参数进行了分析。

并且运用ADS的linecalc工具完成了对输入阻抗的匹配。

主要有以下几部分内容：

1．了解微带天线的研究方法以及如今仿真天线用到的主流软件。

2．收集相关资料以及仿真软件，了解微带天线发展的现状、应用以及发展方向。

运用仿真软件重复前人已经做出的微带天线仿真工作，在实践中学习微带天线设计的方法，加强对软件运用的熟练程度。

3．利用已有的理论经验公式，计算出中心频率为35GHz的矩形微带天线的尺寸，然后利用HFSS对其进行仿真，根据仿真结果来不断调整矩形微带天线的尺寸，使的天线的中心工作频率为35GHz。

本文主要取得的成绩：

1．经过理论计算以及多次对天线尺寸的调整，确定了天线的尺寸。

2．运用HFSS成功完成了对矩形微带天线模型的建立，并且从仿真结果来看，天线的中心频率在35GHz，达到了我们设计的要求。

因为天线的尺寸设计的稍不当，天线的中心频率就会有偏差，所以天线尺寸的确定是本文的重点也是难点。

3．从仿真结果来看，天线的绝对带宽，最高增益以及反射损耗都达到了设计之初对天线性能指标的要求。

本文的不足之处以及对未来工作的展望

论文的研究还是存在很多不足，首先本文设计的微带天线的相对频带宽度只有0.6％，但是已经有很多展宽天线带宽方法的研究，我仍需要继续探索。

其次，由于实验条件有限，并没有对所设计的天线进行加工制作测量。

未来主要的工作主要是针对本文的不足之处做出努力，争取使设计的天线各个方面的性能达到最佳。

参考文献

李艳矩形微带贴片天线的仿真研究与设计（硕士学位论文）；武汉理工大学2010.11

林昌禄陈海吴为公《近代天线设计》1990.8