L型探针馈电的微带天线仿真设计Word格式.docx

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关键词：

微带天线；

容感性；

L型探针馈电；

HFSS仿真

ThedesignandSimulationofantennawithL-shapedprobefeed

Absract

Inrecentyears,withtheincreasingnumberofmobilecommunicationsystem,communicationequipmentdevelopedtowardsminiaturizationdirectionconstantly,andtheantennasize,highintegrationandfrequencyrequirementsarealsobecomingmoreandmoreimportant.Lightweight,withlowprofile,lowcostandeaseofintegrationhasgotwidespreadattentionbyallofus.Themajorlimitationsofmicrostripantennanowisthebandwidthoftheantenna.Afterdecadesofdevelopment,alotofresearchscholarsproposedmethodtoexpandthebandwidthofthemicrostrippatchantenna,whichadoptstheL-shapedprobefeedgetalotofattention.

BecauseverticalsectionandhorizontalsectionofL-shapedprobecreateinductivereactanceandcapacitivereactance,andbothoftheminteracttoproduceresonance,thismakestheantennahaswidebandwidthormultiplefrequencybands.ThismakesL-shapedprobefeediswidelyusedinmodernmobilecommunicationssystem.ThispaperintroducestheradiationprincipleofmicrostripantennaandmicrowaveradiofrequencysectionofthebasictheoryofelectromagneticwavetransmissionandtheantennawithL-shapedprobefeed.

Basedonthebasictheoryofmicrostripantennaanalysisandnumericalcalculationdesignamicrostripantennameetthedesignneed,andanalysistheeffectofthesizehorizontalandverticalsectionofL-shapedprobeontheantennabandwidthwiththeaidofwithsimulationsoftwareHFSS.Inthefinal,itdesignsamicrostripantennawithL-shapedprobefeedwhichthetransmissionsignalfrequencybandin3.2~4.4GHz.

KEYWORD：

Microstripantenna；

Shouldtheemotion；

L-shapedfeed；

HFSSsimulation

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.Dschamps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]。

1.3AnsoftHFSS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。

AnsoftHFSS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（PerfectE）、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论文的主要工作

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AnsoftHFSS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