Vivaldi基于CST的超宽带微带天线设计Word下载.docx

1、4.3.1传统Vivaldi天线结构模型174.3.2微带线-槽线馈电式Vivaldi天线设计174.3.3微带线-槽线馈电式Vivaldi天线仿真结果及分析244.4对拓Vivaldi天线的仿真设计264.4.1对拓Vivaldi天线结构原理264.4.2对拓Vivaldi天线尺寸的确定274.4.3对拓Vivaldi天线仿真结果及分析29结束语34致谢35参考文献361.绪论1.1选题背景及研究意义随着社会的发展，科技的进步，无论是军事通信还是民用通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化、共用化。天线作为辐射和接收电磁波的部件，是无线系统中重要

2、的组成部分。天线性能的优劣直接决定无线通信系统通信质量的好坏。没有天线，就不可能建立起任何无线电系统，因此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为学科领域中一个重要的研究分支。在军事领域中，为了实现保密通信，消除干扰，多频段、多功能电台和宽带调频电台将广泛应用。调频速率越来越高，调频范围越来越广，原有的窄带天线已无法满足要求。另外，狭小的空间内密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信质量。为了解决上述矛盾，有效的解决办法就是研制高性能、 宽频带、小型化天线，以减少载体上天线的数目。在民用通信系统中，无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。其信道容量不

3、 断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相适应，通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初的点对点、一点对多点发展到移动和全球漫游。而天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有重要的现实意义。1.2天线及微带天线简介1.2.1天线的概念及特点天线 ，在任何无线电系统组成中，都是必不可少的组件。简单地说，天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器，完成空间波和传输线导行波 之间的相互转换。天线的基本功能是实现辐射或接收无线电波，分别称为发射天 线或接收天线。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是

4、必要的：按用途分类，可分为通信天 线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等 。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。随着科学技术的飞速发展，人们的生活日益现代化，有限的频率资源越来越紧张，人们对无线通信的容量及传输速率提出了更高的要求。无论是军事通信还是

5、民用通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化、共用化。1.2.2微带天线的概念及特点1953年G.A.Deschamps提出来了微带天线的概念 ，1955年法国的Gutton和Baissinot等人申请了微带天线的相关专利，在随后的很长一段时间，微带天线的发展缓慢，受多方面因素的制约，研究的成果比较少；上个世纪70年代，具有低损耗角正切特性、有吸引力的热特性以及良好的机械特性的介质基片研发出来了，从此，微带天线的开发与应用得到了快速的发展，Howell和Munson研制了第一个实用的微带天线，从此，人们对微带天线单元以及微带天线阵列进行了广泛的研究

6、开发，各种结构的微带天线被应用到不同的领域中，并产生了大量的学术和科研成果 。至今，还没有对微带天线作一个具体完整的概念 ，简单的微带天线可以是由贴在带有金属地板的基片上的贴片构成的。第4章：详细分析了Vavildi天线的设计理论，及设计仿真的结果，与传统模型相比，改进型的Vavildi天线具有更高的性能。2.超宽带天线2.1超宽带信号介绍超宽带简称UWB,全称是Ultra Wide-Band，超宽带通信与其他通信技术的根本不同之处在于它的发射机和接收机之间采用非常窄的射频脉冲进行通信。早在1989年，美国国防高级研究计划局（DARPA）就对超宽带进行了明确定义 。2002年时，美国联邦委员会

7、（FCC）对超宽带的定义进行了调整，并规定民用通信可用的超宽带频段为3.1GHz-10.6GHz。超宽带信号的定义如下：满足上两式的信号即为超宽带信号，式中 和 为超宽带信号的上下截止频率。超宽带要求相对带宽比高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz，其传输速率可超过100Mbps，具有这样特性的系统称为UWB系统。图2.1.1.1 超宽带频谱图2.2超宽带天线简介2.2.1 超宽带天线概述超宽带天线 ，顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域中对天线带宽的定义，就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系

8、数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。超宽带天线是能够将超宽带高频电流能量转换成空间电磁波的器件，用于辐射和接收超宽带无线电波。超宽带天线一般要求具有一定的方向性，较高的效率，满足超宽带系统正常工作的宽频带范围，其质量影响着整个无线超宽带系统的性能。与传统天线相比，其设计也面临更多的挑战。在超宽带天线的研究中一般采用美国DARPA给出的带宽的定义 ，它定义天线的带宽为：（1）在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配阻抗，这要求UWB天线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。驻波电压比（VSWR）是衡量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求

9、在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。同时，在UWB脉冲源输出端安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。（2）要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。（3）在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。尤其是对于移动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。如下式所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率 和回波损耗 ，而且还与源脉冲的频谱有关。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。（2

10、.3）（4）在工作带宽内天线还要保持具有稳定的天线增益、极化，在各个频点上的功率方向图要大致相同。3.CST软件3.1CST工作室套装介绍 CST工作室套装是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件包，共包含七个工作室子软件，集成在同一平台上。七个工作室子软件如下：（1）CST 设计工作室/CST DESIGN STUDIO；（2）CST 印制板工作室/CST PCB STUDIO；（3）CST电缆工作室/CST CABLE STUDIO；（4）CST MS工作室/CST MICROSTRIPES；（5）CST微波工作室/CST MICROWAVE STUD

11、IO；（6）CST电磁工作室/CST EM STUDIO；（7）CST 粒子工作室/CST PARTICLE STUDIO。CST软件的主要特点有：（1）以有限积分技术（FIT）为基础，可用于解决从静态场计算到时域和频域的高频应用的各种电磁场问题；（2）丰富的2D/3D结果显示，并能动态显示场量；（3）强大的后处理模板，能对2D/3D场量，1D信号及标量值（0D）进行灵活的处理。如对任意曲线、任意曲面进行积分等；（4）内置的VBA（Visual Basic for Applications）兼容宏语言，带有功能完整的开发环境，通过VBA宏命令可方便对CST仿真进行控制。3.2CST软件使用对于

12、CST的使用，作者在此过程中遇到的问题，及通过查阅资料、请教学长最后解决问题的体会如下：（1）天线的每个参数是相互影响的，为保证端口的馈线的特性阻抗为50欧姆，可以采用CST自带的软件计算。该软件非常强大，可以计算各种不同情况下的特性阻抗，包括同轴线、微带线和共面波导等情况的特性阻抗值。本文仿真采用的是微带侧馈的馈电方式，微带线的特性阻抗应该为50欧姆，在已知基板的厚度和相对介电常数的情况下计算馈线的宽度值，点击CST中的“Macros”→Calculate& &Calculate analytical line impedance&如图3.2.1所示。（2）

13、曲线的画法。CST中，在主菜单的Curves下，可以画直线、圆、椭圆、多边形等线条，但是对于按数学公式规律变化的曲线而言，不能仅通过Curves来画，需要点击Macros – Construct & Curves &Create 2D-Curve analytical来创建一条二维曲线，然后在history list里修改曲线的数学方程及起始点即可。图3.2.1计算微带线的特性阻抗 （4.2）式中， 为电阻，对应于有用功率； 为电抗，对应于无功功率。只有天线的输入阻抗等于馈电单元的特性阻抗时，才能使得天线获得最大的功率。因此，阻抗匹配的好坏影响整个功率传输，从而影响整个系统的性能指

14、标。（2）反射系数天线的反射系数的定义是天线的反射电压与入射电压的比值（4.3）式中， 是天线的反射系数， 是天线的反射电压， 是天线的入射电压。（3）天线驻波比天线的电压驻波比的定义是天线的入射端的电压的最大值与最小值的比值（4.4）式中， 是天线的电压驻波比， 是天线的入射端电压的最大值， 是天线的入射端电压的最小值。 ， 等于1时，天线工作在匹配状态。驻波比和反射系数是存在对应关系的，两者都可以表征天线是否在工作频段处于匹配状态。若天线的输入阻抗为 ，馈线的阻抗为 ，那么反射系数（4.5）为0时，天线工作在匹配状态，反射系数和驻波比之间的关系为：（4.6）（4）方向性和方向图天线的辐射特

15、性与空间坐标系之间的函数称为天线的方向性函数，依据方向性函数绘制的图形称为方向图。空间立体方向图能够很直观和形象的表现整个的辐射特性，但是绘制起来比较麻烦，人们通常采用平面方向图来表征天线的空间电磁辐射特性，E面（H面）是电场强度（磁场强度）矢量和最大辐射方向所在的平面，通常，需要进行归一化处理。天线增益和方向图有密切关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益就越高。增益是用来衡量天线向一个特定方向收发信号的能力。（7）极化天线的极化特性反应了天线在最大辐射方向上的电场的空间取向，是在最大辐射方向上电场矢量的运动轨迹。根据电场矢量极化形式，可以划分为三种极化方式：线极化、圆极化和椭圆极化；圆极化和线

16、极化是椭圆极化的特殊情况；线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化可分为左旋圆极化和右旋圆极化。天线不能接收与其正交方向上的极化分量，线极化天线不能够接收与极化方向垂直的线极化波；圆极化不能够接收与其旋转方向相反的圆极化分量。（8）带宽天线的带宽定义为当频率改变时，天线的电参数能保持在规定的技术要求范围内，此时对应的频率变化范围称为天线的频带宽度，简称为带宽。天线的频带宽度常常使用绝对带宽和相对带宽来表示。绝对带宽的定义是天线的上限频率与下限频率的差值（4.11）式中， 是天线的绝对带宽， 是天线上限频率， 是天线的下限频率。相对带宽的定义是天线的绝对带宽与中心频率的比值（4.12）式中， 是

17、天线的相对带宽， 是天线的中心频率。超宽带天线中的频带宽度指的是其主要电气指标如驻波比、增益、主瓣副瓣大小、极化特性、辐射方向图等均满足所要求的频率范围，各个参数的带宽有各自的定义名称，如阻抗带宽、方向图带宽、增益带宽、极化带宽等。4.1.2 超宽带天线设计的难点 图4.1.3.1 频带扩展方法当天线的结构已定，不便修改时，一般通过安装宽带匹配网络来展宽带宽。现有技术，可以将自动天线调谐器和谐振天线组合，来自动实现带宽的扩展，使用灵活方便，而且效果不错。这是一种值得推广的方法。上述两种方法并没有从本质结构上改变天线，所以增加的带宽有限，并不能达到超宽带的要求。研究发现，实现极宽的带宽最有效的方

18、法就是采用渐变结构，使天线在很宽的频带内电长度不变，形成行波天线，如辐射面边缘呈指数函数渐变或椭圆函数渐变。这类典型的天线就是Vivaldi天线。4.1.4 超宽带天线类型确定本文选择了Vivaldi天线，Vivaldi天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波。在不同的频率上，它的不同部分发射或接收电磁波，而各个辐射部分相对于对应的不同频率信号的波长的电长度是不变的。它是一种具有非周期结构连续渐变的端射行波天线，因此理论上，它有很宽的频带，这种天线是一种高增益、线极化天线，所以理论上讲，它有很宽的频带，可以

19、做成随频率变化具有恒定增益的天线&。在设计频段内具有相同的波束宽度。此外，它还具有良好的时域特性，时域接收波形具有非色散特性，因此它是一种非常有潜力的超宽带天线。Vivaldi天线较其他超宽带天线有如下优越性 , ：（1）易于满足天线平面化、集成化、小型化的要求：相比于双锥天线、锥形对数天线、阿基米德螺旋天线等超宽带天线，Vivaldi天线是一种结构简单的平面天线，可以用印刷技术将它与其他模块集成为一体。同时易于实现天线共形。（2）极宽的频带宽度：Vivaldi天线为指数渐变槽线天线，只有槽线宽度与波长接近的区域才能向空间形成有效的辐射，当工作频率发生变化，辐射区域也相应变化。由于在不同频率下

20、Vivaldi天线的电尺寸始终保持不变，所以理论上具有无限带宽。天线的带宽包括方向图带宽、增益带宽、输入阻抗带宽，极化带宽等，根据研究结果，Vivaldi天线的大部分指标都实现了超宽带，具有很大的优势。4.2.2Vivaldi天线类型（a）传统Vivaldi模型（b）对拓Vivaldi模型（c）平衡Vivaldi模型图4.2.2.1 Vivaldi天线类型随着Vivaldi天线的发展，主要提出了三种Vivaldi天线类型结构：传统Vivaldi天线、对拓Vivaldi天线和平衡Vivaldi天线。其模型示意图分别如图4.2.1.1（a）、4.2.1.1（b）、4.2.1.1（c）所示。传统Vi

21、valdi天线是在单层金属覆层上开槽所构成，其槽线按指数规律渐变。其性能受指数曲线的参数、介质基片的介电常数和厚度等影响。传统Vivaldi天线常采用以下3种馈电方式：（a） 同轴线—槽线馈电 （b）共面波导&槽线馈电 （c）微带线&槽线馈电图4.2.2.2 Vivaldi天线馈电方式其中同轴线&槽线馈电是直接将同轴线与槽线相连接，结构简单，但设计过程中很难做到同轴线与槽线阻抗达到匹配；共面波导&槽线馈电多适用于天线阵的馈电系统；微带线&槽线馈电是单个Vivaldi天线最好的结构，而且具有较小的结构剖面，适用于电路的集成。对拓Vivaldi天线将槽线两边的金属覆层至于介质基片的正反

22、两面，通过超宽带巴伦将微带线转化成平衡双线进行馈电。与传统Vivaldi天线相比，其更容易实现宽带馈线匹配，驻波比更低，但是交叉极化变差。而平衡Vivaldi天线解决了上述两种结构的缺陷：传统Vivaldi天线宽带匹配不易实现，而对拓Vivaldi天线交叉极化较差。但是它付出的代价就是采用三层结构，使得设计、加工、测试复杂程度都有所增加。本文研究的是超宽带天线，希望结构简单，易于加工，因此，在对传统Vivaldi天线研究的基础上，又对对拓Vivaldi天线进行了探讨。对于高介电常数的槽线，在 时，特征阻抗 和归一化波长 / 的关系 如下：根据以往经验，槽线特性阻抗一般取在70-100欧姆之间，

23、为了设计方便暂取槽线特征值Zs为80欧姆。将各参数代入公式（4.13）及（4.14）计算可得 ， 。2）微带线-槽线馈电部分设计 微带线部分（a）耦合部分等效电路槽线耦合馈电结构如图4.3.2.2所示，槽线在介质基片的一面，微带线在另一面，槽线和微带线相互交错放置。ls 为槽线距耦合点的距离，lm 为微带线距耦合点的距离。等效电路如图4.3.2.2所示，其中Zs为槽线的特性阻抗，Zm为微带线的特性阻抗，Xs 为短路槽线的电感，CC为开路微带的电容，θS 为槽线的电长度，&m 为微带线的电长度。图4.3.2.2 微带线-槽线耦合馈电结构由于（4.17）而一般来说我们在设计时，通常将槽

24、线、微带线距耦合点的距离选为各自波导波长的四分之一，也即槽线和微带线的电长度都为 。再加上微带线的开路电容很大和槽线的短路电感近似为0，可以将上述等效电路进一步近似为下图4.3.2.3所示：图4.3.2.3馈电结构等效电路所以我们有 ,其中（4.18）其中 均指天线中心频率对应的波导波长（ s）和自由空间波长（ o）。在本设计中天线中心频率为1.5GHz，故自由空间波长200mm，波导波长为148mm。代入上式计算得N=1.61663，所以Zm=30.6欧姆。（b）微带线宽度计算由Hammerstadt,E.Q.的微带线特性阻抗计算公式有：（4.19）通过计算可得微带线的宽度W=6mm，等效介

25、电常数为3.55,波导波长为106mm。（c）微带短截线尺寸的选择 3）指数渐变部分设计天线渐变指数部分的参数对天线的增益、带宽、波束宽度等参数有着直接而重要的影响。其模型如图4.3.2.5所示：图4.3.2.5 指数渐变模型其指数渐变曲线可表示成： 。其中 。 天线长度L、宽度H初选一般在设计Vivaldi天线时，传统设计方法是取槽线的开口宽度应该大于等于最低工作频率自由空间半波长即H> /2=300mm；长度最小取最低工作频率自由空间一倍波长即600mm左右。但是由Ben Panzer及其导师Dr. Chris Allen在2004年University of Kansas的一篇名为

26、&DEVELOPMENT OF AN ELECTRICALLY SMALL VIVALDI ANTENNA: THE CReSIS AERIAL VIVALDI （CAV-A）& 的硕士论文中指出，Gibson提出的也即传统的设计要求以天线取得最大增益和最佳辐射方向为目的时取L=1倍波长，H=1/2波长最好，但如果仅仅是为达到带宽要求的话，天线长和宽仅需取最低工作频率波长的1/4加以合适的渐变率和馈线就可以了。所以我们只需取天线长宽大于 /4=600/4=150mm，但为了兼顾增益和方向性我们初选L=200mm，H=200mm。 指数渐变率由L=355mm，H=285mm，Ws=0.46mm可以得出天线的指数曲线为并取初始渐变率为0.02。4.3.3微带线-槽线馈电式Vivaldi天线仿真结果及分析根据理论分析，用CST建立天线模型，如图4.3.3.1所示，图4.3.3.1（a）为模型的正面，图4.3.3.1（b）为模型的反面。 Vivaldi基于CST的超宽带微带天线设计（12）: