24GHz微带贴片天线设计毕业论文.docx
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24GHz微带贴片天线设计毕业论文
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摘要
根据矩形贴片天线相关知识，设计出一款1×4的24GHz阵列贴片天线，此天线可以应用于交通测速以及汽车智能驾驶等方面。
首先是使用微带线馈电的方法建立单元贴片天线模型，进行优化仿真后得到最佳的单元贴片天线模型，然后在单元贴片天线的基础上，设计出合适的馈电馈电网络。
再通过仿真优化得到最佳的参数，从而设计出24GHz的阵列贴片天线。
并对天线设计进一步展望。
通过HFSS软件仿真设计，得到了一款1×4的阵列天线，回波损耗S11<-20dB,馈电点的输入阻抗值为50Ω，驻波比约为1.2，最大增益方向的增益为13.6dB，和之前所定的设计指标比较符合。
关键词：
微带贴片天线；阵列天线；阻抗匹配;方向图
Abstract
Accordingtotheknowledgeoftherectangularpatchantenna,a1×424GHzarraypatchantennawasdesigned.Thisantennacanbeusedintrafficspeedmeasurementandintelligentdrivingofautomobiles.Thefirstistousethemethodofmicrostriplinefeedingtoestablishtheunitpatchantennamodel,optimizethesimulationtoobtainthebestunitpatchantennamodel,andthendesignasuitablefeedpowerfeednetworkbasedontheunitpatchantenna..Thentheoptimalparametersareobtainedthroughsimulationoptimizationtodesigna24GHzarraypatchantenna.
ThroughtheHFSSsoftwaresimulationdesign,a1×4arrayantennawasobtainedwithareturnlossS11<-20dB,afeedpointinputimpedanceof50Ω,astandingwaveratioofapproximately1.2,andamaximumgaingainof13.6dB.Tomeettherequirementsofdesignindicators.
Keywords:
microstrippatchantenna;arrayantenna;Impedancematching;Directionpattern
第1章绪论
1.1论文的研究背景及意义
毫米波（millimeterwave）是波长为1～10毫米的电磁波，它的波长处于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以同时具有两种波谱的特点。
微带天线的低成本性使得在选择毫米波天线的时候，会优先选择它。
我们最常使用的微带天线是在一层薄的介质基板（例如FR4或者Rogers材料）上，两面分别作为地和天线面，然后使用侧馈或者背馈的方式对贴片天线进行馈电，这样就是一个贴片天线。
当这个贴片是一个面积单元时，它就可以被称为微带天线[1]。
与普通微波天线相比，微带天线存在着如下几种好处：
1.剖面比较低、体积相对小、重量比较轻
2.微带天线的结构是平面的，比较容易和其他的器件做共形处理。
3.适用于使用印刷电路技术来进行大批量生产
微带天线缺点有：
1.频带窄
2.比较容易产生表面波来从而降低辐射效率
3.功率比较小小，一般只是适用于中、小功率的情况
天线作为无线收发系统的一部分，它的性能关系着整个系统的性能的好与坏。
另一个方面，现在不断地进行电路的集成，越小的体积往往越能够应用的比较广泛，特别是在某些民用方面，物理空间的严格限制已经成为系统设计中不得不考虑的非常重要的因素。
而且随着天线尺寸的慢慢减小，天线效率会明显的降低，带宽也会随着越来越窄。
怎样在天线带宽等受到尺寸要求限制的情况下，设计出小型化，带宽较宽的天线越来越成为大家比较重视的研究工作。
毫米波微带贴片天线在交通领域有着非常广泛的应用，比如交通测速，自动驾驶，电子卡口雷达，路内停车管理系统等方面。
例如在测速雷达方面，专门设计了多车道的雷达测速系统，可以装在路边，每台雷达可以配备一台高清摄像机，这样就可以结合每辆车的车牌等信息，提供每辆车的精确速度。
确保得到每辆超速车辆的信息。
这样可以避免多辆车的
干扰，为车辆管理提供方便。
其示意图如1-1-1所示：
图1-1-1测速雷达示意图
再如路内停车收费系统中，一台毫米波雷达雷达加上一台高清球形摄像机，这样就可以跟踪多车道的多个车辆，当雷达检测到车辆停车位的时候，就可以把停车坐标发给摄像机，然后摄像机就可以识别车牌，接着计费处理，这种方法简便可靠。
相信随着未来智能交通的发展，毫米波雷达将在更多的方面发挥作用。
1.2论文的主要研究工作
在微带贴片天线的理论知识的指导下，设计出一个中心频率是24GHz的天阵列天线，并通过HFSS软件对其性能进行优化，使其达到性能最优。
论文共分为五章。
第一章是绪论，主要是对微带天线的基本情况以及以后微带天线的发展方向做出的简单的介绍。
第二章是原理，主要介绍微带天线和阵列天线的基本理论和分析方法等。
第三章是单元贴片天线的设计，根据基本的理论公式计算出单元贴片的规格大小，并使用HFSS进行仿真。
第四章是在单元贴片天线的基础上设计出微带贴片天线阵列，并使用HFSS进行仿真，优化性能。
第五章是结论，总结本次设计的成果，达到了设计要求。
第2章微带天线的基本原理
1.
2.
2.1微带天线的概念
微带天线（microstripantenna）说的是在一片特别薄的介质基板的两面分别布上金属的地和金属刻的贴片，然后利用侧馈或者背馈的方式来对金属刻成的贴片来构成的微带天线天线。
微带贴片天线一般可以分为以下的两种：
a）当贴片形状是一个比较细长的带条时，我们就把它称为微带振子天线。
b）当贴片是一个面积单元时候，我们就把它称为微带天线[2]。
2.2阵列天线的概念
微带阵列天线是多个阵列单元的按特定的规则进行排列，并通过合理的馈电网络对整个天线阵列进行馈电。
单个天线在某些场合的应用是足够的，但是在如果需要比较高的天线增益的情况，这个时候就可以通过设计阵列天线来得到想要的结果。
阵列天线通过两个或两个以上的单元贴片天线通过某种规则来进行排列，然后加上合适的激励来获得特殊工作模式下的天线形式。
但是排列的方式并不是简单的随机排列，而是需要考虑天线单元的间距，馈电电流，馈电的微带线的长宽等因素，来使阵列天线的优势充分发挥出来。
随着科技的进步以及工程上对于天线性能的要求越来越高，阵列天线的发展会越来越快。
阵列天线的出现，可以满足天线发展中遇到的各种挑战，比如，减小尺寸，增加带宽，提高增益，增强方向性等。
因此在各个领域阵列天线的发展都是备受关注。
阵列的方式有很多种，例如简单的有点源阵以及线阵，本文中设计的是在线阵的基础进行的天线的设计。
2.3天线的基本参数
在做更深一步的研究之前，我们先来了解一下天线的基本参数。
1.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
方向图
天线方向图，说的是在距离天线一段距离的地方，辐射场的相对的场强随着方向变化而变化的图形，我们一般使用经过了天线的辐射最强的方向的相互垂直的两个平面的方向图来表示方向性。
为了方便我们对比较各种天线的方向图特性，我们就需要定义一些必须的参数，其中包括：
主瓣宽度，旁瓣电平，前后比等[3]。
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2.3.1.
图2-3-1方向图
辐射强度
某天线在某方向上单位立体角内传送的功率，它的单位是W/sr，我们可以用下列式子来定义和表示辐射强度：
（21）
式子中U表示的是天线的辐射强度，S表示的是坡印廷幅值。
效率
由于在天线的整个系统中存在着各种各样的损耗，所以，一般而言，传输线传输到天线上的能量会小于发射电路所提供的能量。
这中天线转化能量的能力就可以被定义成是天线的效率，这个值是天线辐射功率和输入功率两个值进行相除得到的，这个比值可以表示天线的效率。
（22）
这个式子中
表示效率，
表示辐射功率，
表示输入功率。
增益
天线的增益表示的是设计制作出的天线在空间中一个定点和一个理想的辐射单元所产生的信号功率密度的比值。
它表示了一个天线辐射的集中程度[4]。
这个增益很明显和会和天线的方向图有着非常重要的联系。
（23）
在式子中：
G表示增益，
表示天线的最大辐射方向上的功率密度，
为无全向天线在该方向上的功率密度。
输入阻抗
输入阻抗定义为天线馈电端的输入电压与输入电流的比值，当天线和其馈线实现了比较好的连接的时候，这时天线本身的阻抗将会等于这个馈线的特征阻抗，于是这个时候在天线和馈线连接的时候就将不会产生反射，所以在这条馈线上也就不会产生驻波。
所以天线的阻抗匹配是我们需要重点关注的地方，一旦阻抗匹配做的不好，那么将会影响整个天线的性能。
极化方式
天线的极化特性是用天线辐射的电磁波在辐射的最大方向上电场强度矢量的空间取向来定义的。
天线的极化可以分为线极化、圆极化和椭圆极化。
下面我们就将对着三种方式作一个简单的说明。
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2.1.
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2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.3.4.
2.3.5.
2.3.6.
a）线极化
电场矢量在空间的取向固定不变的电磁波叫线极化，如图2-3-2
图2-3-2线极化
b）圆极化
当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0~360度周期地变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化[5]。
如图2-3-3：
图2-3-3圆极化
c）椭圆极化
如果x方向和y方向的电场强度的矢量幅度和相位差都不满足上面所说的条件的时候，矢量的端点的轨迹就会变成是一个椭圆。
当这个椭圆的长轴比上短轴的比值是1的时候，这个就可以被称为圆极化。
同样当这个值变得无穷大的时候，这个极化就可以被称为线极化。
图2-3-4椭圆极化
2.4微带天线的基本理论
现今微带天线已经在各个领域有了很多的应用，比如手机，蓝牙，无线指挥等，这些都需要我们引起足够重视，努力发展宽频带天线。
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2.4.1微带天线的辐射机理
我们可以用矩形的微带贴片天线来说明微带天线的辐射机理，如图3-4所示，贴片大小是
而且介质基片的厚度是h，其中h<<
0，这里的
0是自由空间中的波长，微带贴片可以看成是一段宽是a，长是b的一段微带传输线，两边呈现的是开路，将形成电压的波腹[6][7]。
当这个传输线的长度是
的时候,在这个传输线的两端就都可以形成电压的波腹。
这个时候的微带贴片和接地板之间的分布电场情况可以如图3-4-1所示，并且电场可以近似表达为下式：
（24）
天线的辐射是由四周的边和接地板子中间的狭缝产生的，我们可以通过等效性原理知道这个等效的面磁流密度为：
（25）
2-4-1辐射机理
等效磁流方向已经在图2-4-1中已经表示了出来，在两条a边上的方向相同，所以会比原来的增强，然而在两条b边的辐射将会相互抵消减少一些，其他面不会进行抵消，只是和两条a边比起来显得非常弱。
所以从以上的分析可以得到两条a边可以被称作是辐射边，但是接地使得其主要向上半边辐射。
2.4.2微带天线的馈电方式
微带天线有多种不同的馈电方法，下面将会对微带线馈电和同轴线馈电这两种馈电方式进行说明。
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a）微带线馈电
微带线馈电是使用一段和微带贴片连接在一起的微带传输线来进行馈电，具体的可如图2-4-2所示：
图2-4-2微带线馈电
微带线馈电的辐射损耗会比较大，这会对天线的性能产生非常重大的影响。
微带线馈电的一大优势是结构简单，容易分析并设计，适合大规模的微带阵列天线的设计[8]，所以这里也采用微带线馈电的方式。
b）同轴线馈电
这种馈电方法主要是在介质基板上钻取一个贯穿孔，通过一根同轴线来连接天线和馈电点来进行馈电。
具体的连接如图2-4-3所示：
图2-4-3同轴线馈电
同轴线馈电可以根据公式4-1计算出同轴线的特性阻抗。
从而可以根据这个选择合适的馈电点，得到比较好的匹配。
（26）
其中a和b分别是同轴线内外导体的半径。
同轴线馈电的优点是可以非常容易进行阻抗匹配，但是在实际的制作中加大了加工难度，不适合阵列天线。
2.4.3微带天线的分析方法
微带天线的分析方法主要可以分为以下的三种，包括传输线模型法，空腔模型理论法，全波分析法[9]。
这几种当中，最简单的是传输线模型法，缺点是只用于矩形的贴片[10]。
更严格的是空腔模型法，这个方法是一种二维的近似方法，但是对于比较厚的天线来说，误差会比较大。
最严格的是全波分析法，它是三维的计算，适用广泛，但是非常复杂。
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a）传输线模型理论
传输线模型理论的基本思想是把矩形贴片天线的两个开路端等效为缝隙，然后通过传输线理论求出缝隙上的切线电场，并利用等效原理求出缝隙的面磁流密度从而得到单个缝隙的辐射场和输入阻抗[11]。
采用如图2-4-5所示的坐标系：
图2-4-5传输线模型理论示意图
先设缝隙上的电压是U，缝隙上的切向电场
，则缝隙的等效磁流是[12]
（27）
假设磁流在x轴方向和z轴方向均匀的进行分布，所以缝隙分辐射场可以表示如下
（28）
式子中
（29）
E面（
）和H面（
）的归一化方向函数
（210）
（211）
当h=
时，可以使用坡印廷矢量积分来求得到辐射功率
和辐射电阻
是
（212）
（213）
设缝隙的等效导纳为Y=G+Jb,有以下公式：
（214）
式子中，
是接地板有限引起的规格化线的伸长。
辐射单元的输入导纳
，可以通过4-5的等效网络得到：
（215）
式子中
是微带传输线的特性导纳，
图2-4-6缝隙辐射单元等效图
这个辐射单元可以看做是通过两个缝隙辐射单元来构成的，所以这个辐射单元在E面的归一化的方向函数可以通过下列式子来表示
（216）
谐振的时候，
的虚部是0，得到
，谐振长度是：
（217）
从此可以得到天线的谐振频率
是;
（218）
b）全波分析理论
全波分析理论是先求出在特定边界条件下的单位点源产生的场，然后再根据叠加原理把它和源分布进行相乘，在源所在的区域进行积分从而计算出总的场[13]，是这种方法计算复杂，计算量很大，通常需要借助计算机完成。
这里就不多做介绍，因为本设计中没有用到此方法。
2.5阵列天线的基本理论
阵列天线在提高天线的增益，增强天线的方向性方面有着不可替代的作用，比如自动驾驶等方面需要极强方向性的天线。
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2.5.1阵列天线的馈电方式
微带阵列天线的馈电是通过馈电网络进行连接。
微带阵列天线的馈电方法主要有并联馈电和串联馈电两种。
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2.5.1.
并联馈电
这种馈电方法是将多个辐射贴片单元按照并联的方式放置，使用多根来自一个馈电端口的馈电线对各个单元辐射贴片天线进行馈电[14]。
而且辐射单元的个数需要是2的整数幂，这样可以保证对称。
如图2-5-1所示：
图2-5-1并联馈电
并联馈电的优点是，设计简单直接，阵元之间独立，可以保证每个单元的激励是同相的。
并联馈电的缺点是，需要比较复杂的馈电，而且插入损耗比较大。
串联馈电
串联馈电的方式如图2-5-2，所有的贴片天线单元排列成一排，使用微带线将其串起来。
图2-5-2串联馈电
串联馈电的优点是，在设计整个结构的时候比较容易，另一方面，在经过馈线后损耗比较小。
串联馈电的缺点是每个贴片天线单元之间有可能会产生相互影响，设计的时候需要考虑这种影响，所以设计起来相对来说会比较麻烦。
在微带阵列天线的设计过程中，天线的馈电网络的设计几乎决定着整个天线性能的好坏，所以在选取馈电网络的时候要十分重视
2.5.2阻抗匹配器
阻抗匹配时设计天线过程中非常重要的一个环节。
用的比较多的的阻抗匹配器有短枝节阻抗变换器，四分之一波长阻抗匹配器等。
每种都有其优缺点，而四分之一波长阻抗变换器设计比较简单，本文的微带天线设计也使用的四分之一波长阻抗变换器。
如图2-5-3所示
图2-5-3四分之一波长阻抗变换器
设Z0和ZL分别是这个微带传输线的特征阻抗和这个贴片天线单元的输入阻抗，在他们两个中间的是长度为
特性阻抗是Z1的匹配微带线，如果已经匹配了，那么中间的微带线的阻抗值将会满足下列的式子：
（219）
可以求得阻抗变换器的特性阻抗。
第3章单元贴片天线设计
1.
2.
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3.1确定材料及尺寸
在仿真天线之前，我们需要先进行天线的介质基片和天线尺寸的计算，介质基片的选取以及尺寸计算的精确性对仿真会产生很大的影响。
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3.1.1介质基片的确定
首先确定介质基片。
微带贴片天线中，介质基片位于天线与接地板之间，构成一个电容，介质基片并不辐射电磁波，而天线向外辐射电磁波，当工作频率一定的情况下，如果介电常数越大，那么所需的贴片尺寸越小。
此贴片天线的工作频率是24GHz，频率较高，于是我们选择了通用性比较好的RogersRT／duroid5880（tm）材料作为介质基片材料，其参数如下：
同时可以根据材料的加工工艺，可以线确定介质基片的厚度为0.254mm。
以上就已经确定好了介质基片的参数。
3.1.2天线尺寸的确定
根据以下的贴片天线尺寸的计算公式可以计算得到天线的基本大小：
（31）
（32）
其中：
（33）
（34）
根据以上公式可以算出辐射边W=4.941mm，非辐射边L=3.5658mm，而且W/L≈1.5，符合要求。
贴片天线使用微带线馈电，所以需要计算微带线的线宽以保证阻抗匹配，可以由以下公式计算：
（35）
其中：
（36）
这里的
是特征阻抗，应该最先被定义，一般是50Ω。
于是可以根据以上公式，代入数据可以算得微带线宽度为0.248mm。
以上就是贴片天线的尺寸的计算过程，在这里忽略了贴片天线厚度的影响，因为其影响非常小。
在平时的仿真中，天线的厚度对仿真结果的影响有限，因此我们在建模的时候可以将其作为一个没有厚度的平面，这样可以节省很多的仿真时间，因为分析模型对于HFSS软件来说非常耗费时间，模型越复杂，花费的时间越多。
但是在某些特定的场景，天线的厚度对结果的还是有影响的，这个需要根据具体情况改变方案。
在本次仿真中，忽略了天线厚度的影响。
3.2HFSS建模及仿真
1.
2.
3.
3.1.
3.2.
3.2.1建模及初步仿真
根据上一小节计算得到的数据进行建模，其中将天线贴片放置在特定厚度的介质基片上，在另一面铺地。
采用集中端口激励，端口的输入阻抗设置为50Ω。
最后就是对辐射边界进行定义。
定义有限辐射边界的意义在于天线仿真软件无法仿真无限大的空间，所以需要用有限的辐射边界来等效，这样可以加快仿真速度，一般将辐射边界设置为距离天线表面四分之一波长的地方。
所以建模如3-2-1所示：
图3-2-1单元贴片模型
仿真结果如3-2-2所示：
3-2-2单元贴片S11
从S11图中可以看到天线的谐振点偏离24GHz，需要进行参数扫描，将将谐振点调回到24GHz。
天线的谐振点表示天线的工作频率，天线将以这个频率点为中心来工作。
如果天线的工作频率不是回波损耗最小的点，那么将会导致天线的工作效率下降很多，特别是对于窄带天线来说，偏离很小的范围就可以产生很大的影响。
所以最先的就是需要调节这个参数，使其达到设计目标的要求。
3.2.2参数扫描
要想设计好一款好的阵列天线，核心是要将单元贴片天线设计好，这个是关键环节，使用HFSS的扫频功能可以在设置参数扫描的范围后进行扫频，参数扫描是一个比较复杂的过程，因为对于高频的产品来说，微小的尺寸变化都会对结果产生很大的影响，而且影响结果的并不只是一个参数，所以需要对某个参数扫频后，其他的参数又需要重新进行扫频。
优化的时候可以将多个参数设置的权值不同，这样可以得到比较合理的参数数值。
这里的影响天线性能的主要参数有，天线的辐射边长度W，非辐射边长度L，馈线宽度ω，所以主要对这几个参数进行扫频。
首先对非辐射边长度L进行扫频，结果图3-2-3：
图3-2-3对长度L扫描的S11
此次扫描长度L参数，频率扫描范围是23GHz-25GHz，参数扫描范围设置为3.8mm-4mm，宽度W参数固定为4.941mm。
从结果的s11图中可以看出，非辐射边长度L对谐振点的影响是非常大的，随着长度L的增加，谐振点将向低频方向偏移，即使在微小的范围内变化，谐振点也会发生比较大的变化。
根据S11图，选择谐振点最接近24GHz的曲线，选择的曲线已经标注在图3-2-3中，其参数为L=3.97mm，此时的参数为最优参数。
接下来对辐射边长度W进行扫频，结果如图3-2-4：
图3-2-4对W扫描的S11
接下来扫描的是宽度W参数，扫频范围仍然设置为23GHz-25GHz，W参数设置的扫描范围是4.5mm-5.5mm，而长度L参数则固定为L=3.97mm，这个时候可以S11图中看出，在改变W的大小时，谐振点的变化并不会很大的范围内波动，所以可以看出W对谐振点的影响并不会很大。
在此图中选取的曲线已经在图3-2-4中标出，此时的参数W=5.1mm，为参数扫描中的最佳参数。
因为馈线的宽度主要影响阻抗匹配的程度，这里主要的是确定天线的谐振点的位置，所以根据以上的扫频，可以得到比较合理的参数是L=3.97mm，W=5.1mm
设置好参数后，进行仿真后可以得到以下结果：
第一是S11参数，如图3-2-5：
图3-2-5确定参数后的S11
从图中可以看出S11图中谐振点几乎已经在24GHz点上，满足了设计要求。
这样就可以进行后面的阻抗匹配的仿真，将回波损耗降到所需要的指标。
第二是输入阻抗，如图3-2-6：
图3-2-6确定参数后的输入阻抗
在这个结果图中可以看到，在24GHz的点上，输入阻抗比较接近50Ω，基本满足要求。
第三个是VSWR，如图3-2-7：
图3-2-7确定参数后的驻波比
在VSWR中可以看出，在24GHz谐振点上，驻波比接近1，说明阻抗匹配较好。
3.2.3优化仿真
从以上的几张结果图中可以看到，扫频后的参数基本达到要求，但是回波损耗S11并没有达到要求，所以接下
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