无限航模遥控系统课程设计说明书.docx

1、无限航模遥控系统课程设计说明书目 录前 言 2绪 论 31.1 课题背景 3正 文 32.1我国航模发展史 32.2航模遥控系统介绍 42.2.1 航模遥控的分类 42.2.2无线航模遥控系统中的相关技术 42.2.3 ISM 频段 42.2.4扩频通信技术 52.2.5 微带天线 52.3无线航模系统的整体框架及基本理论 52.3.1整体系统的框架结构 52.3.2无线航模系统中重点理论 62.3.3微带天线理论 62.4 2.4GHZ无线航模遥控系统中天线的设计 82.4.1航模系统对天线的性能要求 82.4.2微带天线的辐射源里 82.4.3仿真软件的介绍 92.5矩形微带贴片天线尺寸的

2、确定 102.5.1天线尺寸设定 102.5.2贴片宽度W对天性性能的影响 112.5.3辐射片长度 L 122.6微带天线馈电方式的选择以及馈线尺寸的计算 132.6.1 微带天线的馈电方式 132.6.2 50 欧姆微带馈线尺寸的计算 132.7 天线初步仿真结果 142.7.1 2.4GHZ无线航模遥控系统天线的阻抗匹配设计 142.8阻抗匹配原理 152.8.1匹配优化设计 152.8.2匹配的原理 152.8.3阻抗匹配优化及仿真结果 15总结与展望 18前 言本文是针对无线航模遥控系统进行的研究 设计，特别是对系统中的天线进行了重点的研究。随着航模爱好者数量的日渐增多，对航模系统的

3、可靠性和稳定性提出了更高的要求。遥控系统作为航模的重要组成部分，对其进行研究设计具有现实的意义。目前关于航模遥控的研究主要是集中在航模的控制方式上，对于天线的研究甚少，而一个通信系统的可靠性和稳定性恰恰是由天线的性能来直接决定的。并且针对特定的应用来设计能达到要求的天线，也是当前天线研究设计的一个热点。 论文对整个遥控系统的设计是基于模块化研究方法的，对其中每个功能模块的设计方法都给予了叙述，因为天线模块是本系统的设计重点，所以在一开始就先给出了天线模块的设计，然后结合所设计的天线给出了整体的硬件电路图以及系统软件的设计方案。论文最主要的工作有以下几点： 1.设计了一款适用于无线航模遥控系统的

4、微带天线。根据微带天线的理论知识，确定了所要设计的微带天线的形状为矩形，然后对矩形微带天线的尺寸进行了确定并一一分析了各种参数的改变对天线性能的影响，对最后确定好尺寸的天线在 ADS 仿真软件中进行建模和仿真，从仿真结果可以看出最终设计出来的天线能够很好的工作在 2.4Ghz 的频率，达到了航模遥控系统的工作频率要求；2.微带天线匹配电路的设计。通过对各种匹配方法进行比较，最后选择了微带线匹配法，因为该方法只需在ADS软件下就可以完成，操作简单。并用ADS对加载了匹配电路后的天线进行仿真，仿真结果表明：在天线的谐振频率处，天线的输入阻抗值由之前的171.8-j*14.5欧姆匹配到了馈线的阻抗值

5、50欧姆，同时还从得到的天线方向图、驻波比、增益等结果图中可以看出，所设计的矩形微带天线满足了航模遥控系统所要求的各项性能指标3在 ADS下以电路的形式完成阻抗匹配网络的设计，用ADS对加载了匹配电路的天线进行仿真，仿真结果表明：在天线的频率处，天线的输抗值由匹配前的171.8- j * 14.5欧姆匹配到了目标值50欧姆，并且其他的参数例如增益、驻波比等也达到了设计之前的要求。关键词：无线航模遥控系统，微带天线绪 论1.1 课题背景随着航模运动在中国的逐渐普及，航模爱好者的数量越来越多，有些中小学校甚至开设了航模课程。然而人们对航模运动的喜爱更加凸显出了航模系统稳定和可靠的重要性。在进行航模

6、操纵时，如果模型飞机遥控的质量不能保证，那么会存在很大的安全隐患，像跳舵、操纵失灵等故障会很容易发生。而一旦是在空中发生这种情况，坠机还只是小事，如果伤到了人，那后果就是不能想象的了。可靠性是要求通信系统具有较强的抗干扰能力。稳定性的定义是通信系统在受到扰动后，还能在一定的区域内保持原状或是可以在一定的时间限制内恢复到原平衡状态的性能。稳定性和可靠性是一个通信系统最主要的两个性能指标，同时也是在选购航模系统设备的时候，最看重的两个因素。而航模遥控系统是航模的重要组成部分，其稳定性和可靠性决定了整个航模系统的稳定性和可靠性20世纪 50年代的末期，我国开始了对航模系统中的遥控设备进行研究设计那个

7、时侯的航模遥控器，主要是针对滑翔机的，而且从国外进口来的遥控设备很少，都是爱好者根据自身的实际情况来进行设计。等到了1980年，我国终于有了自己生产的第一款遥控设备，这款遥控设备出自于上海玩具第八厂，通过采用分离元件来搭建，不仅调试不方便，而且不能批量生产，再加上可靠性和灵敏度低，所以并没有得到广泛的应用90年代后，国际航模业迅速发展，因此也带动了国内航模产业的蓬蓬勃发展，但是国内所设计生产的航模遥控的质量一直不高，因此我国很多航模爱好者所使用的比较高端的遥控设备都还是以进口为主。正 文2.1我国航模发展史20世纪 50年代的末期，我国开始了对航模系统中的遥控设备进行研究设计那个时侯的航模遥控

8、器，主要是针对滑翔机的，而且从国外进口来的遥控设备很少，都是爱好者根据自身的实际情况来进行设计。等到了1980年，我国终于有了自己生产的第一款遥控设备，这款遥控设备出自于上海玩具第八厂，通过采用分离元件来搭建，不仅调试不方便，而且不能批量生产，再加上可靠性和灵敏度低，所以并没有得到广泛的应用90年代后，国际航模业迅速发展，因此也带动了国内航模产业的蓬蓬勃发展，但是国内所设计生产的航模遥控的质量一直不高，因此我国很多航模爱好者所使用的比较高端的遥控设备都还是以进口为主。2.2航模遥控系统介绍 航模系统是一套利用无线电波作为载波来进行操控者操作指令的传送，然后模型飞机接收到指令后，根据指令完成相应

9、的飞行动作的集合了机械电子等各方面技术的复杂系统，通常包含遥控设备以及动力系统这两大部分。整个航模系统框图如图 1 所示如上图所示，遥控设备高寒了输入设备模块，编码模块和无线发射模块以及无限接受模块，问电源，调速器和舵机属于航模的动力系统。2.2.1 航模遥控的分类遥控系统可以有多种分类方式，按照不同的分类方法有（1）按照通信方式分类 按照通信的方式，可分为有线遥控和无线遥控，有线遥控是指用来传输数据的介质为某些特定的线材，而无线遥控则是直接利用空气来作为传输介质，无线通信方式不需要连线少了布线的繁琐，目前的航模遥控绝大多数都是无线遥控。（2）按照通道的数量分类 一般的通信过程中，传输通信指令

10、信号的道路叫做“通道”。如果在遥控系统中，只有发射或是接收这么一种信号，那么我们就说这套设备只有一个通道，这种遥控器就叫做一通道遥控。同理，还可以有两通道、三通道等，目前市场上的模型遥控设备有从一通道到十通道等多种。 （3）按照通信频率分类 根 据 无 线 通 信 工 作 频 率 的 不 同 ， 遥 控 设 备 可 以 分 为 ： 红 外 遥 控 系 统 、27MHz、36MHz、40MHz、72MHz、1GHz 等频段的遥控系统。 （4）按照调制方式分类 按调制方式的不同，遥控设备还可被分类为调幅（AM）式、调频（FM）式、脉冲编码式（PCM）式、脉冲位置调制（PPM）式、跳频扩频技术（FH

11、SS）式等。2.2.2无线航模遥控系统中的相关技术 所将要设计的无线航模遥控系统工作在 2.4GHz 频段，采用扩频通信技术来进行数据的传送，最终的数据是由微带天线发射出去，所以先对这几种技术进行简单的说明。2.2.3 ISM 频段 ISM 频段主要是开放给工业、科学和医学使用的频段，使用者不需要去申请授权许可，只要设备的发射功率能满足一定的要求（一般是低于 1W），并不对其它频段造成干扰即可5。在美国，ISM 频段是由美国联邦通信委员会(FCC)来进行分配的，其标准是工业（902-928MHz）、科学研究（2.42-2.4835GHz）和医疗（5.725-5.850GHz），而在欧洲，GSM

12、 通信占用了 900MHz 的部分频段，所以用于 ISM 的低频段为 868MHZ 433MHz6。2.4GHz 为各国共同的 ISM 频段，因此很多无线技术，例如无线局域网、蓝牙以及 Zig Bee 等，均可工作在 2.4GHz 频段上7。 2.2.4扩频通信技术 扩频通信（Spread Spectrum Communication）是扩展频谱通信的缩写，是在最近几年快速发展起来的一种通信技术。扩频通信系统的出现，是通信技术领域的一个重大突破，但是在早期，扩频技术只应用在军事通信上，因此一般的人们都对其没有了解。之后，随着民用通信的迅速发展，用户越来越多导致了频带的拥挤，扩频技术开始被应用在

13、民用通信中，而近代微电子技术和信号处理技术以及大规模集成电路等新型技术的快速发展，大大降低了与扩频通信有关的。2.2.5 微带天线 微带天线是一种新型的天线，它是在介质基片上贴上各种形状的导体薄片而构成的，其中介质基板必须带有导体接地板12。然后利用微带线或是同轴线等方式进行馈电，激励起导体贴片与接地板之间的射频电磁场，最后通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射出去，所以我们也可以把微带 天线看成是一种缝隙天线1314。微带天线的概念早在1953年就由G.A.Decham Ps教授给提出来了，但是当时并没有在工程界引起足够的重视。微带天线真正的得到发展和应用是在七十年代，因为微波集成技术迅速发

14、展，并且出现了各种低耗介质材料，使得微带天线的制作在工艺上有了保证，而后随着空间技术的发展，对微带天线的需求越来越迫切13。在Howell和Munson对微带天线进行了大量的实验后，第一款微带天线实物被成功研制出来，在这之后，微带天线有了快速的发展，成为天线家族中重要的一员15。 从结构和原理上来对微带天线进行分类，可以主要分为以下三大种:微带贴片天线和微带缝隙天线以及微带行波天线。一般微带贴片天线指的是谐振式微带贴片天线，它效率高，但是却有着带宽较窄的缺陷。微带缝隙天线的带宽和微带贴片天线比起来要宽些，尤其是宽矩形缝隙天线，但是它也有缺陷，就是在单方向进行辐射时，所需要的厚度要比贴片天线大，

15、另外，在分析和设计方面要比微带贴片天线困难，这样就限制了它的应用范围。微带行波天线能够获得相对较大的带宽，但是其效率低，并且分析方法还不是特别的成熟13。因此微带贴片天线以其独特的优势获得了广泛的应用。2.3无线航模系统的整体框架及基本理论2.3.1整体系统的框架结构 航模遥控系统由发射机和接收机两部分组成，它们之间通过无线通信技术来传输数据。发射机即遥控器，完成对操作者指令的采集，然后经过 A/D 转换后传送给中央处理器，中央处理器对所传送过来的数据进行控制方式处理后再继续传送给无线射频芯片，最后射频芯片将数据进行编码，经天线发送出去；同理，接收机经天线接收到数据后，经由微处理器解码，去控制

16、各个舵机的动作。在本论文设计的遥控器中，因为中央处理器既要完成对控制方式的处理，又要完成对射频芯片的控制，所以采用了两块中央处理器芯片，这样将控制部分单独出来，既能提高工作效率，也方便电路板的布局，同时也方便以后进一步的改进。整个遥控系统的整体框架图如下：2.3.2无线航模系统中重点理论由上面的框架图可以看出，整个系统设计分为以下几个模块：（1）控制电路的设计；（2）无线收发电路的设计；（3）控制芯片与无线芯片进行 SPI 通信的设计；（4）系统天线的设计。因为采用的是集成芯片，所以（1）（2）的设计最终就归于是芯片的选择，然后重点就是 SPI 通信和天线的设计。下面先对这两种技术的理论知识进

17、行一番了解，这样会更方便后面的设计。2.3.3微带天线理论（1）微带天线的性能指标天线是一个通信 系 统中的终端，主 要 的作用是在自由 空 间传输和接收信号，实现无线传输数据的功能，如下几个指标可用来描述天线的辐射特性。（a）方向特性天线的方向特性可以用以下参数来描述，例如方向性系数或是方向图等。方向性系数用 D 来表示，它是这样来定义的：在相同的辐射总功率下，天线在最大辐射方向某一处场强的平方与理想无方向性点源在该处产生的电场强度的平方比23，用公式表示如下，是用来表征天线的辐射性能在哪一个方向最强的。（公式1）上式中F表示的是天线归一化方向图函数。方向性函数还可以用图形表示出来天线方向图

18、。天线方向图描述了辐射场的相对场强在各个方向上的大小，通过方向图，我们可以很清楚的看出天线的辐射范围以及在各个方向上的辐射场强大小，不过，我们一般比较关心天线的最大辐射方向。方向图根据天线应用场合的不同，表示的方法也不同：1）对于在地面上架设的线天线，方向图是由水平面方向图和铅垂面方向图组成的；2）对于超高频天线，一般都是架设在空中，所以用来表示的两个平面方向图是与场矢量相平行的 E 平面方向图和 H 平面方向图;而不管天线的应用场地，只是按照几何坐标来划分，根据所选取的坐标是直角坐标、极坐标或是立体坐标，方向图相应的又可分为直角坐标方向图，极坐标方向图，立体方向图等。（b）辐射效率辐射效率

19、的表达式为：天线的辐射功率/输入功率， 的值一般来说总是小于 1 的，因为天线不可能把自己全部的输入功率都发射出去，多多少少总会有一些损耗。所以天线的输入功率等于辐射功率加上损耗功率。其中损耗功率由金属损耗、介质损耗和电磁损耗等几部分组成。（c）电压驻波比在无线通信中，当天线输入端的阻抗与馈线的特性阻抗不匹配时，会产能量的反射，有一部分的电磁波被反射回来，并且会与正在向前传递的能量汇合，形成驻波。驻波比(VSWR )就是用来反映正向波与反向波的状况。 （公式2）其中K=(R-r)/(R+r)，当 K 为负值的时侯，则表示正向波与反向波的相位是相反的。式中 R和r分别表示输出和输入阻抗。当 R

20、= r 时，则 K = 0，当VSWR = 1时表明实现了完全匹配，这种情况为理想状况。但是在实际工程应用中，电压驻波比一般会大于 1，但是越接近 1 代表天线的性能越好。 （d）回波损耗回波损耗用来描述反射回来的信号的性能，可表示为： （公式3）式中 refg代表反射功率， ing是入射功率。如果回波损耗 R 值越小，就说明天线匹配情况越差。当 R = 0d B 时，则表示为全反射；当 R = ，则代表完全匹配。 （e）阻抗特性输入阻抗也是天线的一个重要电参数，因为天线的阻抗特性直接影响着天线的带宽和天线的回波损耗等参数，在进行天线的设计时，要综合的考虑，进行折中的选择。天线的输电压和输入电

21、流之间的比值就是天线的输入阻抗，一般可以表示成： （公式4）在实际的应用中 ，要尽量的保证天 线 的输入阻抗和馈 线 的特征阻抗相匹配。天线的输入阻抗是由以下因素来确定的：天线结构、天线尺寸和介质的介电常数等。当天线接连上馈线后，最理想的情况是天线的输入阻抗是一个纯电阻值，并且和馈线的特征阻抗相等。此时，天线的馈电端是没有功率反射的，且馈线上没有驻波。要实现天线输入端的阻抗匹配，最重要的是要减小甚至是去除输入阻抗中的电抗部分，然后使其电阻值尽量接近馈线特征阻抗。（f）天线的极化特性天线的极化特性其实是指天线所辐射出去的电磁波的极化特性。电磁波的极化特性有线极化和圆极化两种，因此相应的天线可以分

22、成线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线三种，其中圆极化只是椭圆极化的一种特例。当把地面作为参照面时，线极化又可以分为平线极化和垂直线极化。椭圆极化特性可以用轴比（AR）、倾角、旋转方向这三个参数来表示。轴比是椭圆的长轴与短轴的比值，倾角是所选取的参考方向和椭圆长轴之间的夹角参数中旋转方向分为左旋和右旋，其定义为“当观察者沿波的传播方向由发射端向接收端看去，在某一固定横截面上电场矢量的旋转方向为顺时针时，极化方向就称右旋，否则为左旋”。 （h）天线带宽天线带宽可以分成绝对带宽、相对带宽和倍频带宽三种，虽然定义的方式不一样，但都是用天线的最高工作频率与最低频率来表示的，同时它们之间也可以互相表示与

23、转换。绝对带宽可定义如下： 公式（5）其中 maxf表为工作频段的最高频率， minf是工作频段的最低频率。但是天线的带宽通常用相对带宽来表示，相对带宽与绝对带宽之间的关系为：绝对带宽的两倍（2 f）比上工作频段的中心频率 f0 ，可表示为: 公式（6）倍频带宽定义为最高频率与最低频率的比值 公式（7）其中0B,倍频带宽的定义多用于秒数超带宽天线。2.4 2.4GHZ无线航模遥控系统中天线的设计天线的设计是本文中的重点，所以本章首先对系统中的天线进行了设计，然后在此基础上给出了系统的整体设计。2.4.1航模系统对天线的性能要求航模系统对天线的要求如下表：2.4.2微带天线的辐射源里 微带天线贴

24、片的形状可以是多种多样的，本文中选用了举行贴片来进行设计。图3 举行贴片辐射原理矩形微带天线的辐射原理可以根据上图所示的简单情况来予以说明。图9（a）是一个矩形微天线的结构图，贴片与地板的距离为几分之一波长。假设电场在沿着微带结构的宽度与厚度方向上移动是没有变化的，则辐射元的电场可由图 9（b）中看到，电场仅仅只沿贴片长度约半波长的方向变化34。该电场可近似表达为下面的公式，其中假设在沿贴片宽度和基片厚度的方向，电场没有变化： 公式（7）贴片四周与接地板之间存在窄缝，正是这些窄缝形成了天线的辐射。根据等效原理中，窄缝上电场的辐射可以等效于面磁流的辐射。等效的面磁流密度为: 公式（8）在矩形微带

25、天线中，贴片开路边沿的边缘场引起辐射，位于两端的场以接地平面为参照面，可以分解成两个分量：法向分量和切向分量，因为贴片长是半波长，所以法向分量反相，在正面方向上由法向分量产生的远区场互相抵消掉了，而切向分量恰好相反，在平行于接地平面方上是同相的，场强相加进行合成，导致了垂直于结构表面上方的辐射场是最强的3637。当贴片宽度变化时，电场所会发生的变化，这种情况下微带贴片天线可以等效为贴片周围的四个缝隙。同理，也可以用等效的缝隙来表示其他形状的微带天线。2.4.3仿真软件的介绍ADS 全称为 Advanced Design System，是 Agilent Technoligyies 公司推出的一

26、套电路自动设计软件。Agilent Technoligyies 公司在已有产品 HP MDS(Microwave Design System)和 HP EEsof IV（Electronic Engineering Software)的基础上，将这两款软件的精华结合起来，并新添了许多的功能，构成了功能强大的 ADS 软件。ADS 软件经过多年的发展，仿真手法和仿真功能日趋完善，它能完成小至元器件到电路级直至系统级的仿真，主要的模块包括有：RFIC 设计、RF 电路板设计、DSP 专业设计、通信系统设计以及微波电路仿真设计。其仿真手段丰富多样，例如时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等，并

27、且它还能对计好的结果进行成品率分析与优化，复杂电路的设计效率被大大地提高，是一款优秀的微波电路、系统信号链路的仿真工具，仿真性能优越的同时还具有强大的后台数据处理能力。这让我们有可能进行复杂、特殊电路的仿真、数据后处理及显示。特别是在工程中，要考虑到实际应用中各种参数对系统的影响，所以利用 ADS 来进行仿真分析，尤其适用。 对于整个现代通信系统及其子系统的仿真也可以利用 ADS 软件来实现，这一优点是以往任何自动设计软件都不能及的，所以 ADS 现已被广大电子工程技术人员接受，应用于各个领域。2.5矩形微带贴片天线尺寸的确定微带天线尺寸确定以后才能进行仿真，然而贴片是在介质板上的，介质基板的

28、材质和厚度都将影响贴片天线的性能，所以第一步首先是要选定介质基板的材料以及确定它的厚度，接下来才是对贴片尺寸的确定。2.5.1天线尺寸设定贴片尺寸首先可以根据理论公式计算出来，然后再通过不断的调整，找到最佳参数。贴片尺寸确定后，基板尺寸也随之可以确定下来，基板尺寸直接决定了天线的体积大小。在实际设计过程中，要找到天线最合适的尺寸，是需要不断的进行调整的，是很繁琐的，因为要使天线工作在中心频率，任何一个因素的改变都会导致中心频率的偏离。为了和航模遥控系统的应用结合起来，方便电路板的制作，所以选用了 FR4介质基板，这样可以得到介电常数 Er=4.4,同时根据后面的长度和宽度的理论计算公式，贴片的

29、长度和宽度分别选择 36mm 和 29mm。这里通过利用最终得到的尺寸，分别对其中的一个因素进行改变，来进行仿真说明天线的介质基板材质、厚度、天线贴片的宽度、长度对中心频率的影响。（1）介质基板材质对中心频率的影响利用 ADS 仿真软件，保持天线其他参数（贴片宽度、长度、介质基板厚度）不变，只改变介质基板的材质即 Er 值，然后分别对不同 Er 值的天线模型进行仿真，得到的 S 参数图如下，从下图中可以看到，不同的介电常数，天线的谐振频率是完全不同的。图 4 不同介质材料的基板矩形微带天线的谐振频率从上面的S参数曲线图和表格中可以看出，在不改变天线的其他参数的情况下，选择不同材质的介质基板，天

30、线的谐振频率也发生了相应的变化。（2）基板厚度h对天线性能的影响图 5 不同基板厚度矩形微带天线的谐振频率从上面的图和表中可以看到，改变介质基板的厚度对天线中心频率影响不是特别大，但是对频带宽度有较大的影响。2.5.2贴片宽度W对天性性能的影响贴片宽度 W 对天线性能的影响表现在以下几个方面：方向性函数、辐射电阻和输入阻抗，同时对频带宽度和辐射效率也是有着很大的影响。另外，W 的大小还决定了微带天线总的尺寸大小。当安装条件允许时，为了获得更宽的频带、更高的效率、及利于阻抗匹配，W 应尽量取大点，但是 W 的值不能随便一味的取大，而是受到下面公式的限制，当 W 的值大于下式给出的值时，天线将产生

31、高次模而引起场的畸变。 公式（9）其中，c 代表光速；r是介质薄板的介电常数；f为天线的谐振频率 。根据理论公式计算出来的值只是个大概值，所以需要通过不断的在理论值的附近来取值进行调整得到最佳宽度值，通过改变 W 的值得到的仿真图如下：图 6 不同贴片宽度矩形微带天线的谐振频率2.5.3辐射片长度 L矩形微带天线的贴片的长度L在理论上取值为其波长的一半即 /2，但考虑到边缘场的影响，应从中减去2L，L由式(2)计算。 公式（10）式中， g为f对应的波长；L是根据天线实际受边缘场的影响算出的一个修正公式，分别由下面的三个公式来计算。 e为修正常数。、 公式（11） 公式（12） 公式（13）图 7 不同贴片长度矩形微带天线的谐振频率2.6微带天线馈电方式的选择以及馈线尺寸的计算2.6.1 微带天线的馈电方式矩形微带贴片天线所使用的馈电方式，主要有两种背馈与侧馈。这两种馈电方式各有其优势劣势，并不会影响天线的性能，因此可以根据自己设计的实际情况来选择。考虑到背馈方式制作起来复杂并难于集成，而采用侧馈来馈电时，馈线和微带贴片在一个平面上，制作起来会简单，所以为了方便制作，在本文中选用了侧馈方式来进行馈电。当然这种方式也是有缺点的：输入阻抗受馈电的位置变化而变化。不过对于这个问题，设计一个阻抗匹配电路就能轻易解掉。微带线的特性阻抗通常有两种：50 欧姆和 75 欧姆。本文选用的是