毕业设计微带天线设计资料文档格式.docx

1、指导教师 * 职 称 * 2013年5月2.4GHz无线网桥天线设计摘 要当代人们生活越来越依赖通信网络，数据传输的方式分为有线传输和无线传输，对于有一定距离的局域网，比如一些相距几百米或者几十公里的建筑物内的局域网，往往需要通过光缆来传输巨大的数据量，然而光缆的成本比较高，施工也比较费钱费力。无线网桥的出现使无线传输可以代替有线传输，而且传输数据的速度也能得到保证。本文主要通过分析无线网桥的传输的射频技术要求，设计出一款方向性较强，增益比较大的微带天线。并且在设计过程中采用了一些拓宽微带天线工作带宽和提高辐射增益的方法，通过优化设计采用了使用增加空气介质层和天线组阵的双层阵列的天线结构。该天

2、线结构可以很好的满足无线网桥方向性比较强增益较大的工程技术要求。空气介质层的损耗较小，相对介电常数较低，可以很好的拓宽工作带宽和提高增益，可以降低工程中对优良介质板的要求，而且使用空气介质层更方便于调试。该天线具有很高的实用工程价值。关键字：无线网桥 微带天线 工作带宽 辐射增益AbstractContemporary peoples life more and more rely on communication networks, data transmission way is divided into cable transmission and wireless transmissi

3、on, and local area network （LAN） for a certain distance, such as some several hundred meters or a few tens of kilometers away from the local area network （LAN） within the building, often need the cable to transfer huge amount of data, but cable is quite expensive and the cost of construction is also

4、 higher. The emergence of wireless bridge can replace wired transmission, wireless transmission and the speed of data transmission can be guaranteed. This thesis is written mainly through the analysis of the transmission of radio frequency technology requirements of wireless bridge, designed a stron

5、g directivity, a bigger gain microstrip antenna. And in the design process adopts some working broadening bandwidth and enhance radiation gain method of microstrip antenna, increase air through optimization design adopted the use of dielectric layer and the antenna array of double arrays of antenna

6、structure. The antenna structure can well meet the wireless bridge direction more gain larger engineering technical requirements. The loss of the air dielectric layer is small, the relative dielectric constant is low, can work well to broaden the bandwidth and enhance the gain and can reduce the eng

7、ineering requirement for good medium plate, and the use of air medium layer is more convenient to debug. The antenna has high practical engineering value. Key words: wireless bridge microstrip antenna radiation gain working bandwidth一 绪论1.1 论文研究背景及意义近代电磁学的飞速发展和微电子产品的不断普及，特别是二者的结合使得电信行业的发展虽然经历了一个世纪但依

8、旧充满盎然生机，由诸如计算机，手机，人造卫星等电子设备通过有线及无线电波互相连接起来所组成的网络日益成为人们生活不可少的一部分。虽然无线和有线都有各自的优点，但在很多系统中单纯的哪一种无线或有线传输方法都不好满足现实要求，而只有两者结合才能适合实际需要。因此有线传输和无线传输相结合才是当今及将来的主流。本论文主要针对无线网桥的功能及工程设计的要求，采用矩形微带贴片天线的形式，设计出一款能够连接不同网络的射频产品，实现无线和有线的互联，以及无线网络的点对点桥接和无线中继，掌握工程开发的相关流程以及当前的技术发展与需求。无线网桥顾名思义就是无线电网络之间信息的桥接设备，它利用无线传输方式实现连接两

9、个或多个独立网络。通常可以连接相距几百米到几十公里的局域网。无线网桥是射频技术、嵌入式技术等基于通信协议下融合的产物，具有很高的可靠性。无线网桥从通信机制上分为电路型网桥和数据型网桥。其天线的类型可谓多种多样，但总的特点是方向性比较强，增益比较大。本设计采用的是微带贴片天线。微带天线的发展相对来讲发展的历史并不长，上世纪50年代G.A.Deschamps提出了微带天线的概念，接下来没有引起太大的关注，只有一些浅散的研究。到70年代由于印刷技术的发展和各种优良介质材料的出现，飞行器对低剖面天线的需求也很大，1972年R.E.Munson和J.Q.Howell等研制成功了第一批能实际使用的微带天线

10、。至此微带天线得到了广大研究者的重视。美国新墨西哥州大学在1979年举办了微带天线的研讨全球会议。1981年美国IEEE天线与传播会刊刊载了微带天线专集。至此开启了微带天线研究的新局面。1.2 微带天线的特点微带天线由于其独特的结构特点，其具有其他微波天线所不具备的优势：（1）小型化、剖面低、容易和其他载体共型；（2）印制板制作便于和其他元器件加工成单一模件；（3）设计灵活辐射元可以做成各种形状，容易实现各种极化方式；（4）方向性好，在放射面以下辐射强度几乎可以忽略不计；（5）馈电方式灵活，匹配网络可以和天线做成一体。微带天线其缺点主要有：（1）谐振结构微带天线频带较窄；（2）介质损耗、导体损

11、耗较大，对介质要求较高；（3）功率容量较小，不适合大功率场合1。1.3 本文主要研究内容无线网桥是实现无线传输的主要工具之一，是现在通信系统中必备的器件之一，应用极其普遍。在一定范围内使用无线传输相比于有线传输可以降低成本，可施工性较高，因此无线网桥的前景比较广阔。微带天线是近年来天线研究的热点，优点比较显著，但其频带较窄、损耗较大的缺点也很严重，本文提出的增加空气介质层和天线组阵的方法来改善，通过和普通微带天线对比可看出可以很好的拓宽工作带宽和提高增益。该论文所做的工作具有很大现实应用价值。二 微带天线的基本理论和分析方法2.1微带天线基本概念微带天线是在微带板上加上有一定形状金属导体片和另

12、一面全部镀金属相当于由两部分变形的导线，其两端的变化造成电波的辐射2。其中全部镀金属的一面叫做接地板，另一面称为辐射元。微带板的厚度远小于波长，辐射元的长度约等于二分之一波长，微带线的馈电方式有微带线馈电的侧馈和同轴探针对贴片的背馈。这几部分构成了微带天线。2.2 微带天线的分类微带天线按照不同的角度可以有很多种分类，按工作原理分为谐振型天线和非谐振型天线，其中谐振型包括微带振子天线、微带缝隙天线、微带贴片天线。非谐振型包括微带行波天线，微带行波天线的终端要做匹配才能保证行波传输。微带振子天线又分为细线振子天线和矩形微带振子天线，如图2-1（a）细线振子天线是在比较薄的微带基片上印制细金属线。

13、细金属线构成细线振子，其直径远小于波长，长度约等于一个波长。如图2-1（b）矩形微带振子天线辐射元为矩形贴片，和微带贴片天线在形式上相近3。图2-1 微带阵子天线微带缝隙天线的结构是微带线和底板的缝隙和介质板构成，由缝隙构成辐射器，微带线起馈电的作用。缝隙也有和多种形状，可以按照窄缝和宽缝来分，和波长相近的称为宽缝，宽度远远不能和波长相比的称为窄缝天线。微带缝隙天线的工作带宽相比其他微带天线要宽，厚度大于微带贴片天线时其辐射方向为单方向。图2-2 微带缝隙天线微带行波天线类似于传输的导线，相当于工作在特殊传输模式的导线，周期结构便为其中的一种。在不稳定的传输模式下将电磁波辐射出去。常用的微带行

14、波天线有： TE10模微带行波天线，周期切割微带行波天线，链形微带行波天线，壁垒形天线等。图2-3 TE10模微带行波天线图2-4周期切割微带行波天线图2-5链形微带行波天线图2-6 壁垒形天线微带贴片天线和其他几种微带天线相同的都有全覆接地板和介质基片，不同的是辐射元由贴片构成，贴片可以做成很多种形状来实现不同的电性能，但只有一些规则的形状可以计算出其电性能，比如矩形和圆形，研究的也比较深入可以单独天线也可以作为阵元，但其他形状的天线可以达到矩形或圆形天线所达到不了的要求。下图为一些正在研究当中的微带贴片天线形状。微带天线的辐射方向一般都是垂直于基板的方向，应用的效率很高，但频带比较窄。图2

15、-7 各种形状的微带天线2.3 微带天线的分析方法天线的计算求解主要是计算出周围空间的电磁场性质，进而计算出电磁场的方向图，增益等参数，一直以来的分析方法可以分为以下三种：传输线模型理论、空腔模型理论、积分方程法也称为全波理论。传输线模型理论的分析比较简便，从一维的角度，把天线看作特殊的导线适用于矩形微带贴片天线。空腔模型理论相对传输线模型理论比较准确也实用，从二维的角度把天线和周围空间看做一个腔体来分析。积分方程法是最严格的，相对来讲属于三维的分析方法，从该方法可以衍生出很多种微带分析方法。现在也产生了很多新的分析方法，格林函数法（GreenS Function Approach，GFA）是基于积分方程法的简化；多端网络法（Multiport Network Approach，MNA）是来源于空腔模型理论的延伸；在工程上比较实用的是有限元法，又分为解析法、近似解析法和数值法。在工程上比较实用的软件Ansoft HFSS便是建立在有限元法的基础上的。2.4 微带天线的馈电方法微带天线的馈电方法主要分为侧馈和背馈4，侧馈是会在辐射元的侧面用微带线延伸至介质基板边缘从而与外界连接，辐射元和微带线同在一个印制板上，制作比较方便易集成，但是这样一来微带线会产生辐