一種矩形微帶天線設計

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1、 畢 業(yè) 論 文 學生姓名 學 號 院 (系) 專 業(yè) 電子信息工程 題 目 一種矩形微帶天線設計 指導教師 2012 年 5 月  摘 要:微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面等獨特的優(yōu)點引起了相關領域的廣泛重視，已經(jīng)被廣泛應用在1OOMHz—1OOGHz的寬廣頻域上的大量的無線電設備中。微帶貼片天線是微帶天線的一種基本類型，是一種諧振型天線，通常只在諧振頻率附近工作。設計這種天線首先要保證它的諧振頻率不能發(fā)生偏離。貼片的形狀可以是任意的，但是能計算出輻射特性的幾何形狀是很有限的，本文選用矩

2、形貼片來研究微帶天線。本文首先介紹了微帶天線比較常用的幾種分析方法以及輻射原理，然后根據(jù)已有的經(jīng)驗公式，再結合高頻結構仿真器(High Frequency StructureSimulator)HFSS設計了一款中心頻率為2.44GHz的無線局域網(wǎng)矩形微帶天線。本論文給出了詳細的設計流程：根據(jù)理論經(jīng)驗公式初步計算出矩形微帶天線的尺寸，然后在HFSS里建模仿真，根據(jù)仿真結果反復調(diào)整天線的尺寸，直到仿真結果中天線的中心頻率不再偏離2.44GHz為止。微帶天線固有的缺陷是窄帶性，它的窄帶性主要是受尺寸的影響，本文在不改變天線中心頻率的前提下，通過理論經(jīng)驗公式與仿真軟件的結合，給出了微帶天線比較合理的

3、尺寸。由駐波比仿真結果，可以看出在2.42GHz-2.46GHz頻率范圍內(nèi)，駐波比VSWR<2，符合設計要求；由天線的增益仿真結果，可以看出天線在工作頻率處的增益略小于8dB，基本符合設計要求。 關鍵詞:微帶貼片天線,HFSS,矩形微帶天線,駐波比,增益 Abstract：Microstrip antennas with its small volume, light weight, low profile, and other unique advantages caused wide related field The attention, has be

4、en widely used in 1OOMHz-1OOGHz broad frequency domain of the large number of radio equipment . Microstrip antenna is microstrip antennas patch a basic types, is a resonance antennas, usually only in Near the resonant frequency. The antenna design, it must ensure the resonance frequency deviation fr

5、om cannot occur. Posted Slice shape can be arbitrary, but can calculate radiation characteristics of geometric shape is very limited, this paper Choose the rectangle patch to study microstrip antennas. This paper first introduced the microstrip antennas used frequently in several analysis method and

6、 principle of radiation, and then the root According to the previous experience formula, combined with High Frequency Structure simulation device (High Frequency Structure Simulator) HFSS designed a center frequency of 2.44 GHz wireless LAN rectangular microstrip antennas. This paper The details of

7、the design process are: according to the theory experience formula preliminary calculated the rectangular microstrip antennas feet “And then HFSS in modeling simulation, according to the simulation results of the antenna size adjustment again and again, until the simulation” In the center of the ant

8、enna fruit frequency deviation 2.44 GHz no longer so far. Microstrip antenna inherent defect is narrowband sex, its narrowband sex is mainly by the influence of size, in this paper Don’t change the antenna center frequency, under the premise of through the theory and simulation software of empirical

9、 formula of the union, gives Microstrip antennas more reasonable size. The standing wave than simulation, and the results can be seen in the 2.42 GHz 2.46 GHz frequency range, the standing wave VSWR than < 2, comply with the design requirements; The antenna gain simulation, and the results can be se

10、en in the frequency of the work in antenna gain is slightly less than 8 dB, basic comply with the design requirements. Keywords：Patch microstrip antennas, HFSS, rectangular microstrip antenna, standing wave ratio, the gain 目 錄 1 緒論 4 1.1 課題研究背景及意義 4 1.2 微帶天線的特點 4 1.3 微帶天線的分類 5 2

11、微帶天線理論 5 2.1 微帶天線的分析方法 5 2.2 微帶天線設計的方法 9 2.3 展寬微帶天線頻帶和提高增益的主要方法 12 3 矩形微帶貼片天線 13 3.1 結構和設計要求 14 3.2 矩形微帶貼片天線的輻射原理 14 3.3 矩形微帶天線尺寸的確定 15 3.4 天線設計軟件HFSS的簡單介紹 18 4 基于HFSS的無線局域網(wǎng)矩形微帶天線設計 18 4.1 設計要求 18 4.2 設計步驟 18 4.4 設計結論 26 總結 27 參考文獻 28 致 謝 29 1 緒論 1.1 課

12、題研究背景及意義 微帶天線是20世紀70年代出現(xiàn)的一種新型天線形式。早在1953年,美國的Deschamp s教授已提出微帶輻射器的設想,但當時的集成技術和介質基片材料尚未趨于完善,因此未能取得較大的進步。直到20世紀70年代初期,當微帶傳輸線的理論模型和光刻敷銅的介質基片技術發(fā)展成熟之后,實際的微帶天線才制作出來。微帶天線由于其重量輕、制作簡單、成本低， 可貼合于物體表面及適合組陣等的特點， 自70年代開始發(fā)展以來受到廣泛歡迎。它特別適用于各種移動地面設備如移動通信、無線電話、接收機等及飛行體設備如衛(wèi)星、火箭、無人機等。微帶天線可有各種形狀, 本文介紹一種基本矩形微帶天線的設計及分析, 其

13、中“ 基本”是指形狀為正規(guī)矩形, 且只工作于最低振蕩模式的天線。我國也高度重視衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，一直在努力探索和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2000年，中國“北斗”導航系統(tǒng)建成運行，成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)已成功應用在測繪、電信、水利、交通運輸、減災救災和國家安全等諸多領域，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，特別是在2008年我國南方冰凍災害、汶川特大地震抗震救災和北京奧運會中發(fā)揮出非常重要的作用。預計我國的“北斗"在2012年覆蓋我國及周邊地區(qū)區(qū)域的導航服務，2020年完成全球的部署。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，天線作為接收和發(fā)射電磁波的設備，是無線通信的一

14、個關鍵部件，國內(nèi)很多研究院和高校都在進行衛(wèi)星定位天線的研究。一般的用在衛(wèi)星導航系統(tǒng)上的天線，對其大小和形狀都有比較嚴格的規(guī)定，一般選用體積小且重量較輕的天線，另外，在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，為了能接收天線地平以上五度視野內(nèi)所有天空中的可見衛(wèi)星信號，人們希望所用的天線是全向天線。微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面、全向性、能與載體共性等獨特的優(yōu)點，在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中有很多應用。 1.2 微帶天線的特點 與常用的微波天線相比,微帶天線具有如下優(yōu)點:重量輕、體積小、剖面薄的平面結構,可以做成共形天線；制造成本低,易于大量生產(chǎn)；可以做得很薄,因此,不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學性能；無需作大的變動,天線

15、就能很容易地裝在導彈、火箭和衛(wèi)星上；天線的散射截面較?。簧陨愿淖凁侂娢恢镁涂梢垣@得線極化和圓極化(左旋和右旋) ；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設計(固體器件,如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上) ；饋線和匹配網(wǎng)絡可以和天線結構同時制作。微帶天線也有一些缺點:頻帶窄；有損耗,因而增益較低;大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射;最大增益實際上受限制(約為20dB ) ;饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。目前,采用一些辦法可以克服某些缺點。例如,只要在設計過程中注意截止頻率遠高于使用頻率就可抑

16、制或消除表面波。 1.3 微帶天線的分類 如前面所述，微帶天線從不同角度可以分成很多種類。一般說來，微帶天線的基本類型分為四大類：微帶振子天線、微帶縫隙天線、微帶行波天線以及微帶貼片天線。其中微帶振子天線、微帶縫隙天線以及微帶貼片天線是諧振型天線，有特定的諧振尺寸，通常只能在諧振頻率附近工作；微帶行波天線是非諧振型天線，它的末端需要加匹配負載來保證傳輸行波。微帶振子天線主要分為兩種類型：一種是細線振子天線，是把細線振子鑲嵌在一個介質基片上，這個介質基片比較薄，然后把介質基片接地。細線振子的直徑遠小于波長，橫截面是圓形的，其長度與波長可以比擬。另一種是矩形微帶振子天線，它的結構與矩形微帶貼

17、片天線很相似，可看成是由矩形窄條構成的。微帶行波天線一般為傳輸特殊模式的結構或為周期結構。它在傳輸電波的同時不斷的向空中輻射。微帶行波天線有很多類型：TE模微帶行波天線，壁壘形天線，鏈形微帶行波天線、周期切割微帶行波天線等。 微帶貼片天線由接地板、介質基片和介質基片上的輻射貼片構成的，其中輻射貼片可以是任意的幾何形狀，但是只有有限的幾何形狀能計算出輻射特性，比如矩形，圓形，橢圓形，三角形、半圓形、正方形等比較規(guī)則的幾何形狀，其中矩形和圓形貼片的研究最多，可以作為單獨的天線使用也可以作為陣元使用。當然在實際應用中，也有矩形和圓形貼片達不到要求的情況，這就促使了人們對各種幾何形狀微帶貼片天線的研

18、究。 2 微帶天線理論 2.1 微帶天線的分析方法 微帶天線在進行工程設計時，與其他天線一樣需要對天線的一系列性能參數(shù)進行預算，這種做法可以使天線的制作質量和效率大大提高，并且可以使研制成本大大的降低。近年來許多作者致力于這種理論工作的研究，獲得了顯著的成就。如今比較成熟的分析微帶天線的方法有很多，比如格林函數(shù)法、積分法、傳輸線法、腔模理論和矩量法等，這些方法各有長短互相補充。每種方法并不是千篇一律的，每種方法可能只適合一種或幾種微帶天線。通常使用的微帶天線的帶寬都比較窄，主要是因為其輸入阻抗對頻率的變化比較敏感，又因為微帶貼片天線是通常只工作在諧振頻率附近，所以研究微帶天線的阻抗特

19、性和諧振頻率就顯得十分關鍵，它也是評價分析方法好壞的一個重要依據(jù)。用以上各種方法分析微帶天線的方向圖，除特殊情況外，得到的結果最后都差不多是一致的，尤其是主波束，所以以下我們主要介紹微帶天線輸入阻抗的分析方法。 2.1.1 傳輸線模型法 傳輸線模型法是出現(xiàn)比較早的分析微帶天線的方法，也是眾多方法中最簡單的方法。這種方法的前提是采用了兩條基本假設，這里將根據(jù)圖2-1這種方法的物理模型來介紹兩條基本假設： (1)假設在由接地板和微帶片構成的微帶傳輸線上傳輸?shù)氖菧蔜EM波，而波的傳輸方向由饋電點決定，把準TEM波的波長用A。來表示，線段長度L的值大約為半個波長，即L=A／2。場的分布在垂直方

20、向(圖中對應的是寬度方向)上是常數(shù)，而在傳輸方向上為駐波分布的。 (2)把傳輸線的始端和末端看作是兩個輻射縫隙，長度是圖中的h，寬度是圖中的W，傳輸線的開口端的場強即為縫隙的口徑場。如果把縫的平面看成與微帶片的平面共面，那么開口面就從原來的方向向上翻轉了90。 圖2-1 傳輸線法物理模型 根據(jù)兩條基本假設，當時，兩個縫隙的切向電場都為圖中的x方向，并且它們的幅度是相同的。把它們等效看作是磁流，這里有接地板的作用，根據(jù)鏡像原理，可將縫隙上等效的磁流密度用下面的表達式表示出來：

21、 (2．1) 這種方法的方便之處就是，因為縫隙已經(jīng)平放，所以在計算上半空間的輻射場時，可以按照自由空間來處理。傳輸線法在各種方法中是最直觀最簡單的方法，它是利用端縫輻射的概念簡單明了的說明了輻射機理，但是這種方法也有它的局限所在，由于傳輸線模式的限制，只適合應用矩形微帶天線貼片天線和微帶振子天線。對于矩形微帶貼片天線，傳輸線模式其實就相當于腔莫理論中的基膜，在諧振頻率處，場的分布情況與實際情況很靠近，計算參量在工程精度要求之內(nèi)，但是當失諧大時，計算的場分布與實際情況相差就比較大了，這時計算結果就不準確了?，F(xiàn)在已經(jīng)針對基本的傳輸線法對諧振頻率預測不夠準確這一問題提出了一些修正方法，比如等效

22、伸長微帶片的長度，這種方法可以有效的將誤差減小到1％以內(nèi)。 除此以外，傳輸線法還有一個主要缺點，輸入阻抗隨著頻率變化的曲線除了在諧振點準確以外，在其他頻率上都不準確。這主要是因為傳輸線的模型是一維的，所以當饋電點的位置在圖中的寬度方向也就是與波的垂直方向上變化時，它的阻抗值并不會跟著發(fā)生改變；另外由于傳輸線模型可看成是單震蕩回路，所以阻抗特性在諧振頻點附近是關于諧振頻點對稱的，阻抗曲線用圓圖表示出來是關于實軸對稱的，以上這兩點都是與實驗很不相吻合的。實驗驗證表明，饋電點的二維位置決定著阻抗曲線的變化，實驗表明，當饋電點在邊緣時，阻抗陸線是對稱分布的，當饋電點的位置移向中心時，不對稱現(xiàn)象就會變

23、得明顯，這種實測與計算的偏差是因為微帶天線除了最低階的傳輸線模式以外，還存在著其他高次模式場，一旦失諧，這些高次模式就會凸顯出來。一般說來，傳輸線法比較適合用于在輻射邊附近饋電，而且要求饋電點位于該邊的對稱軸上，在這種情況下計算出來的阻抗曲線才有較大的參考價值。 2.1.2 矩量法(MOM) 應用矩量法來分析微帶天線是常用的方法。矩量法(method of moment)在電磁場分析中有著廣泛的應用，其概念很簡單，基本上是用未知場的積分方法去計算給定煤質中場的分布。在微帶天線用矩量法計算時，有譜域矩量法和空間域矩量法兩個相對的概念。也就是在我們在用矩量法求解時，所進行的計算是在譜域進行的

24、還是在空間域進行的。因為應用在微帶天線上的積分方程實際上是一個空間域的積分方程，用矩量法在空間域計算好像是直截了當?shù)?，所以應該稱之為空間域矩量法更為準確。但不要忘記了在積分方程中還有格林函數(shù)的存在，格林函數(shù)的最嚴格的表示方式為無限譜，所以運算也有可能是在譜域進行的。只有在格林函數(shù)沒有涉及到譜域表達方式的情況下，才可以看作是純粹意義上的空間域矩量法n副。由于接地板與微帶片之間存在基片，不通過譜域變換就直接建立空間，格林函數(shù)是難以實現(xiàn)的。所以在運用空間域矩量法時常常采用一些近似的步驟，比如介質板的修正、空氣介質微帶的近場等。這種方法一般是和積分方程法結合起來分析微帶天線的，而由于積分方程法發(fā)展的比

25、較晚，但是又由于它的使用靈活性和嚴格性，目前正受到國內(nèi)外許多作者的關注。 從矩量法的原理上看，運用矩量法的關鍵在于基函數(shù)和權函數(shù)的選取上?；瘮?shù)和權函數(shù)的選取必須是線性無關的，并使其線性組合能得到很好的逼近求解函數(shù)。選取基函數(shù)時，應盡量應用有關未知函數(shù)的先驗知識，使所選擇的基函數(shù)盡可能接近未知量的真實解，并且滿足邊界條件，這樣方程的收斂較快，廣義阻抗矩陣也不容易出現(xiàn)病態(tài)情況。跟有限元等方法相比，矩量法對計算機內(nèi)存和計算能力的要求要小的多。 基函數(shù)的選擇一般分為全域基函數(shù)和分域基函數(shù)。全域基函數(shù)是指基函數(shù)系列fn(x)和未知函數(shù)f的定義域相同。一般來說，若在自變量的定義域上，未知函數(shù)能分解為

26、一組線性無關的解析函數(shù)，其中每一個都能滿足規(guī)定的邊界條件時，就可以選擇全域基函數(shù)。顯然，它的限制比較嚴格。而分域基函數(shù)則是把f 的定義域分為若干個子域，在每個子域上定義一個基函數(shù)fn(x)，典型的分域基函數(shù)有脈沖函數(shù)，三角函數(shù)和分段正弦函數(shù)等。這種基函數(shù)選取方法的優(yōu)點在于，它只有在邊緣區(qū)域才需要滿足邊界條件，因而這種方法就更為靈活。 2.1.3 有限元法 有限元法的數(shù)學處理是在1943年由Courant 所提出來的，直到1968年才用于電磁場的數(shù)值計算問題。有限元法是建立在變分基礎上的，其基本構想是將由偏微分方程表征的整個求解區(qū)域劃分為若干個單元，在每個單元內(nèi)規(guī)定一個基函數(shù)。這些基函數(shù)在

27、各自的單元內(nèi)解析，在其他區(qū)域內(nèi)為零，這樣可以用分片解析函數(shù)代替全域解析函數(shù)。對于二維問題，單元的劃分可以取三角形、矩形等，其中三角形單元適應性最廣；對于三維問題，單元可取作為四面體、六面體等等，其中四面體應用更加靈活。Ansoft 公司的HFSS 軟件就是選取四面體作為空間單元。 有限元法在每個單元中規(guī)定合適的基函數(shù)，由于相鄰單元有公共結點，在該結點上有唯一的函數(shù)值，因此分片解析函數(shù)通過這些單元間的公共頂點聯(lián)系起來，拼接成一個整體，代替全域解析函數(shù)，通過相應的代數(shù)等價便可化為代數(shù)方程求解。 有限元法的優(yōu)點在于：有限元法采用物理上離散與分片多項式插值，因此具有對材料、邊界、激勵的廣泛適應性；

28、有限元法基于變分原理，將數(shù)理方程求解變成代數(shù)方程組的求解，因此非常簡易；有限元法采用矩陣形式和單元組裝方法，其各環(huán)節(jié)易于標準化，程序通用性強，且有較高的計算精度，便于編制程序和維護，適宜于制作商業(yè)軟件。 當前，使用有限元法作為內(nèi)核的商用電磁仿真軟件主要是：Ansoft HFSS。 有限元法是從里茲變分法發(fā)展起來的，它的基本原理是：把連續(xù)的區(qū)域分成有限個不重疊的單元，在每個單元內(nèi)提出一個基函數(shù)，每個單元內(nèi)的基函數(shù)只在本單元內(nèi)解析，最后把所有單元組合起來，這種組合區(qū)域是原有區(qū)域的近似。有限元法可以采用不同形狀來劃分區(qū)域，對于二維的問題，可以用矩形域、三角形等形狀來劃分區(qū)域，其中應用最廣的是采用

29、三角形域。對三維問題而言，單元可以用六面體、四面體等來取得。每個單元的具體形狀沒有一定的要求，可以根據(jù)具體的問題來靈活的處理。下圖表示二維問題單元采用三角形劃分。 圖2-2 有限元法單元的劃分 2.2 微帶天線設計的方法 2.2.1 天線加載 在微帶天線上加載短路探針（shorting post）如圖2-3所示： 圖2-3 加載短路探針的微帶天線 通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現(xiàn)小型化，這時天線的諧振頻率主要取決于短路探針的粗細和位置，此外天線的尺寸可縮減50%以上。其缺點主要是：阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及與饋電點的距離；還有帶寬

30、變窄，H面的交叉極化電平相對較高。 如果將短路探針替換為低阻抗的切片電阻（chip resistor），可以在進一步降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。當加載電阻變大，天線的品質因數(shù)降低，帶寬拓寬，但這些性能的提高是以犧牲增益為代價。此外加載切片電容（chip capacitor）也可以有效降低諧振頻率，減小天線尺寸，但帶寬有所減小。 2.2.2 采用特殊材料基片 一般矩形微帶天線的諧振頻率關系式用下式表示： （2.2） 式（2.2）中c為光速，a為貼片的等效長度，為有效介電常數(shù)。天線的諧振頻率固定時，尺寸與成反比，介電常數(shù)變大

31、，天線的尺寸將減小。由于微帶天線的增益也隨相對介電常數(shù)的增大而減小，這樣就限制了高介電常數(shù)材料的應用范圍?？梢酝ㄟ^覆蓋適當厚度的更高介電常數(shù)材料或采用寄生貼片可提高天線增益，但這又會增大體積和造價。 采用鐵氧體材料制成的微帶天線在實現(xiàn)了天線小型化的同時，還能夠使頻帶在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)（可高達40%），但鐵氧體在微波頻段損耗很大。高溫超導材料HTS（high temperature superconductor）基片以及光電子帶陣PGB（photonic band-gap）基片有極低的表面電阻，能有效抑制表面波，減小表面損耗，解除了用較厚基片的限制，兼提高天線增益，減弱陣元間互耦的效果。

32、 2.2.3 曲流技術 圖2給出了一種開槽天線，圖3為開槽前后貼片表面電流分布。當在貼片表面開不同形式的的槽或細縫時，切斷了表面電流的路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當于引入了級聯(lián)電感。這類天線其特點是：隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸的過分縮減會影響性能的劣化，其中帶寬和增益尤為明顯。如何解除增益和帶寬這兩個限制，開發(fā)實用化、易調(diào)諧的此類天線尚待深入研究。 圖2-4 開槽微帶貼片天線 圖2-5 開槽前后貼片表面電流分布示意圖 2.2.4 附加有源網(wǎng)絡 縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低，

33、可以利用有源網(wǎng)絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸減小引起的指標下降。有源天線具有以下良好特性：工作頻帶寬、增益高、方向性好、便于實現(xiàn)阻抗匹配、易實施天線方向圖、具有單元間弱互耦的潛能。圖2-6給出一種有源加載微帶天線。有源電路置于接地板一側通過探針對貼片進行饋電，這樣可以減小電路的寄生輻射。 圖2-6 有源加載微帶貼片天線 2.2.5 采用特殊形式 這種方法總的思路是使貼片的等效長度大于其物理長度，以實現(xiàn)小型化目的，近年來由于無線通信的需求，有大量方案的提出，如蝶形、倒F形、L形、E形、Y形、雙C形、層疊短路貼片等。 2.3 展寬微帶天線頻帶和提高增益的主要

34、方法 2.3.1 微帶天線發(fā)展近況及頻帶展寬的基本方法 頻帶特性：近年來所開發(fā)并經(jīng)優(yōu)化設計的雙層貼片和U型槽貼片, 無論在探針或槽孔藕合的饋電方式下都獲得高達40%的阻抗匹配微帶, 使制約貼片頻帶的因素轉化為輻射方向性和極化特性僅達20%以上。此外, 微帶貼片結構可實現(xiàn)較窄頻帶的雙頻或多頻工作, 其下一目標是獲得大頻率比和可控頻率比的雙寬頻帶特性。 極化特性：各種利用貼片形狀微擾、切槽加載和多饋點組合等技術實現(xiàn)的圓極化天線在固定波束的角域內(nèi)可提供寬頻帶、高極化純度的性能。困難的是在寬頻帶、寬角域內(nèi)保持高極化純度, 以適應固態(tài)有源相控陣輻射單元的要求。此外, 為了用于極化分集或收發(fā)極化

35、隔離的系統(tǒng), 已制成多種型式的雙饋雙正交極化微帶貼片單元, 但性能受制于陣列環(huán)境和饋線布局、其極化隔離度還有待改進。 小型化：在較低頻采用加短路片或銷、切曲折槽和介質諧振加載等技術措施, 可做到1：4的縮尺率, 但頻帶較窄, 輻射性能有所降低。在微波毫米波單片集成系統(tǒng)中, 高介電常數(shù)的基片使貼片的幾何尺寸進一步縮小, 困難轉化為如何抑制相對電厚的基片中存在的表面波效應。近年來出現(xiàn)的“ 光電子帶隙”基片材料可以有效地抑制表面波, 解除了用較厚基片的限制, 并可提高天線的增益、減弱陣元之間的互耦。 饋線網(wǎng)絡：采用探針或槽孔藕合的背饋方式將輻射部分域饋線部分借接地板隔開, 是優(yōu)先考慮的結構方案。

36、微帶線饋電網(wǎng)絡會引人明顯的導電損耗和色散性非色散的帶狀線不便與電路集成一體介質波導饋電的方案則另辟蹊徑而受到重視。空間功率合成的有源陣將各輻射單元直接與傳輸接收組件連接, 減少了饋線長度, 接收通道的放大器還可補償其傳輸損耗, 將成為大規(guī)模陣列系統(tǒng)的發(fā)展主流。 從目前的情況來看, 展寬微帶天線的帶寬方法主要有以下幾種： （1）修改等效諧振電路 微帶天線之所以頻帶窄、效率低, 因為微帶天線實質上接近于封閉的諧振系統(tǒng), 當諧振時可實現(xiàn)匹配, 而當頻率偏離諧振時, 會由于電抗分量急劇變動而出現(xiàn)失配。 （2）在同軸探針的頂部附加小的平板電容對微帶貼片天線進行饋電。 2.3.2 其它展寬微帶

37、天線頻帶的方法 （一） 改變貼片結構 這種方法包括：采用多貼片結構，電磁耦合饋電；在貼片或接地板上開槽；在電路中采用非線性調(diào)制元件，如變?nèi)荻O管。 采用多貼片結構，它是通過寄生耦合，利用每個貼片天線的諧振中心頻率各不相同，而各個諧振帶寬又相互交叉，使整個天線的總體帶寬展寬。根據(jù)類似的原理已研制成了多層貼片構成的微帶天線。但這樣會增加微帶天線的厚度。 在微帶貼片天線的不同位置開不同形狀的槽或縫隙，可等效成引人阻抗匹配元件，使微帶天線的饋電端形成多級的等效諧振電路，從而實現(xiàn)頻帶的展寬。使用這一方法的一個成功的例子是微帶U型槽天線，U型槽微帶天線中心頻率1815MHz，相對帶寬達到2

38、7.5%。 （二） 采用特殊基片 這種方法包括：采用楔形或階梯形基板；采用非線性基板材料。 用非線性基板材料也可以拓寬微帶天線的頻帶，如采用鐵氧體材料作為基板材料，其電磁特性可顯著縮小天線尺寸，還有鐵氧體具有非線性的色散特性，其有效磁導率隨頻率的升高而減低，由實驗知鐵氧體基板的微帶天線具有多諧特性，可以在不同頻率上對應同一貼片尺寸，從而實現(xiàn)展寬微帶天線的帶寬。但采用鐵氧體其損耗較大，效率較低。 （三） 運用加載技術 加載微帶天線是通過加載電阻的方法引入歐姆損耗，降低天線的品質因數(shù)，從而有效增加天線帶寬。通常的加載微帶天線是由加載短路銷釘?shù)奈炀€演化而來的，將加載的短路銷釘

39、換成一個低阻抗（如1 Ω）的貼片電阻，這時天線的諧振頻率和加載銷釘?shù)奈炀€相比幾乎不變，而天線的帶寬會有顯著的提高。但這種加載方法的主要缺點是天線的效率較低，增益比不加的常規(guī)微帶天線低10dB以上。 2.3.3 提高增益技術 微帶天線的另一個主要缺點是低增益特性。近年來人們對關于如何提高微帶天線增益的問題展開了大量研究工作。主要方法有：（1）在貼片上面加蓋介質層。這種方法是通過調(diào)整介質基片和加蓋介質層的厚度值，可以在任意期望角度上獲得較高的增益。（2）采用與輻射單元一體化設計技術制稱的有源微帶天線。這種方法把微波固態(tài)放大器引入微帶天線中，集天線和有源器件于一體，使微帶天線獲得額外的

40、增益。此外，低次?？傻脦?，高次?？梢杂懈咴鲆妗Ｒ虼藥挼脑黾邮且栽鲆娴臓奚鼮榇鷥r的，反之也一樣。 3 矩形微帶貼片天線 3.1 結構和設計要求 矩形微帶貼片天線的結構圖如圖3-1所示：設計時要考慮的參數(shù)包括：介質板厚度h，輻射元寬度W，輻射元長度L，基板寬度WG，基板板長度LG，基板相對介電常數(shù)f，和損耗正切tan6。圖中的饋線是側饋的微帶線，矩形微帶貼片天線除了這種饋電方式外，還有后面將要介紹到的用同軸接頭的芯線穿過接地面和介質板的背饋來激勵。 每個使用部門或使用者，在設計之前都會根據(jù)需要提出一系列的技術指標，這些技術指標主要包括以下幾點： (1)駐波比，通常規(guī)定駐波比小于

41、2，通過駐波比進而考察阻抗特性。 (2)方向特性，也就是增益G，波束寬度以及方向性系數(shù)D。 (3)頻帶寬度以及中心工作頻率。 (4)外部調(diào)整的手段一般指的是輸入阻抗和中心工作頻率的可調(diào)性。 (5)極化特性，線極化時通常給定允許的交叉極化電平。 (6)環(huán)境條件下的工作特性，一般包括在給定的高低溫、低氣壓、濕度、沖擊、振動等條件下必須滿足的各項機械和電氣的性能指標。 圖3-1 矩形微帶貼片天線示意圖 為了更好了滿足提出的設計要求，也為了提高研究效率，降低研制成本，常常需要用實驗和理論結合的方法。 3.2 矩形微帶貼片天線的輻射原理 采用的分析微帶天線的方法不同，輻射原理也

42、不同。這里將用傳輸線模型法來介紹矩形微帶貼片天線的輻射原理盼幻。這可以從圖2-3簡單說明，根據(jù)傳輸線理論，場在寬度和厚度方向上是常數(shù)，僅在長度方向上有變化，其場分布圖如圖3-2所示。在兩端的電場相對于接地板可分為的法向分量和切向分量，根據(jù)傳輸線理論的兩條基本假設，法向分量方向相反，所產(chǎn)生的遠區(qū)場相消；水平分量方向相同，所產(chǎn)生的遠區(qū)場相疊加。根據(jù)以上分析，貼片可以等效為兩個相距A／2、同相激勵并向地板以上半空間輻射的兩個縫隙，如圖3-3所示。 圖3-2 輻射場分布圖 圖3-3 等效輻射場圖 3.3 矩形微帶天線尺寸的確定 3.3.1 確定介質板

43、設計微帶天線，首先應該從介質板的選取著手，選定以后接下來應該確定介質板的厚度。這是因為基板材料的相對介電常數(shù)s，和損耗正切tans值以及介質板的厚度h還會直接影響微帶天線的一系列性能指標： (1)基板厚度h對頻帶的影響 在第一章緒論中，我們提到了頻帶窄是微帶天線的固有的缺陷，具體到矩形微帶貼片天線，這種缺陷的形成可以理解成是它的兩個輻射縫隙之間的傳輸阻抗值太小，一般只有1D 10Q。隨著h的增大，傳輸線的特性阻抗也會增大，頻帶也會隨著變寬。當厚度h與波長滿足h<／16關系時，VSWR2的頻帶寬度的經(jīng)驗公式為： 上式中介質板厚度h是以英寸為單位的頻率h是以GHz為單位的。一般我們習慣把

44、介質板厚度h的單位用毫米來表示，這樣上面的式子就可以改寫成： (2)基板厚度h對體積和重量的影響 在前面腔模理論中介紹了矩形微帶貼片天線主要工作于主模。，貼片長度L近似為／2，其中L表示的是介質內(nèi)的波長，它與自由空間波長的關系為。表示的是有效介電常數(shù)，它可以用下面的式子表示出來： ，是相對介電常數(shù)，由此可以看出介質的相對介電常數(shù)決定了貼片長度的值。當貼片的長度和寬度的值確定以后，基板的厚度直接決定著天線的重量和體積。一般說來，如果使天線在較低的頻段工作時，而且限制了安裝的天線的面積和體積，應該選用，比較大的基板為好。 (3)基板厚度h對效率的影響 增加基板厚度的同時也會增加輻

45、射效率，當采用=2．5的基板，工作于400MH的天線，若h=O.079 ，效率為65%；當=0.38 時，效率為85%,證明了這一結論。 上面提到的幾個因素并不是獨立的，都是互相制約的，比如增加基板的厚度可以提高效率和使頻帶展寬，但是另一方面基板厚度的增加不僅會破壞微帶天線低剖面的特性還會增加天線的體積和重量，這對于飛行器天線的應用是行不通的。其實并不存在方方面面都理想的基板材料，設計者應用時就要根據(jù)自己的具體要求來取舍，目前，國內(nèi)外可供使用的微帶天線基板的材料如下表2-1給出： 表3-1 微帶天線的基板材料 3.3.2 確定輻射片寬度形 在介質基板厚度和材料選定以后，接下來

46、應該確定的是輻射單元寬度W的尺寸，從上文公式可以知道當h和，為已知數(shù)時，緲的值決定了有效介電常數(shù)s的值。一方面寬度的尺寸影響著微帶天線的輻射電阻、輸入阻抗以及方向性函數(shù)，從而就會影響輻射效率和頻帶的寬度；另一方面，它的尺寸還直接與微帶天線總的尺寸有關系。如果在允許的安裝尺寸下，可以把寬度取的適當大一些，因為大尺寸的寬度對阻抗匹配、效率以及頻帶都是很有利的，但是也不能一味的增大寬度的尺寸，因為當寬度的尺寸大于下式給出的尺寸時就會產(chǎn)生高次模，從而導致場的畸變性。 上式中，是諧振頻率，C是光速。由上式可知W總是取小于／2的值。 3.3.3 確定輻射片長度L 按照傳輸線理論，輻射片的長度應

47、該?。?，但是考慮到邊緣場的影響，L的尺寸還應該從／2中減去2△L，，即L的表達式為: 3.3.4 確定基板尺寸 矩形微帶貼片天線有兩種饋電方式：背饋和側饋，后面將會介紹到。這里的基板尺寸指的是圖中的WG和LG。前人已經(jīng)有相關實驗表明，貼片輻射場主要集中在輻射邊附近比較小的區(qū)域內(nèi)，介質板向外延伸過多也不會對輻射場的場分布造成很大的影響．考慮到安裝面積和成本，LG和WG的尺寸應盡可能的小一些。通過實驗驗證，輻射元兩邊分別向外延伸／10就可以了。所以，對于背饋可取: LG=L+0.2；對于側饋，WG=W+0.2；而LG則要根據(jù)饋線及阻抗變換器的配置來確定。 3.4 天線設計軟件HFS

48、S的簡單介紹 Ansoft HFSS 是世界上第一個商業(yè)化的三維結構電磁場仿真軟件， 可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場， 可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S 參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。該軟件廣泛應用于無線和有線通信、計算機、衛(wèi)星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領域， 以幫助客戶設計世界一流的產(chǎn)品。仿真設計過程： （1） 設定HFSS 軟件運行參數(shù)， 如設定解算類型、模型規(guī)模單位等； （2） 根據(jù)天線設計指標及計算所得的天線參數(shù)獲得天線的仿真模型； （3） 設置天線仿真模型的分析參數(shù)， 如解算頻率、掃描模式、掃描次數(shù)、起始頻率、終止頻率等； （4） 根據(jù)仿真模型獲得天

49、線的特性參數(shù)， 并對結果進行分析。 4 基于HFSS的無線局域網(wǎng)矩形微帶天線設計 本文設計的矩形微帶貼片天線的中心頻率為2.44GHz，在實際應用中，為了使天線的發(fā)射功率損耗達到最低的要求，一般就要求天線的輸入阻抗與天線的饋線有較好的匹配。微帶天線的結構雖然簡單，但是為了達到預定的要求，一般而言，在實際制作天線的過程中，我們需要對天線的各種參數(shù)進行調(diào)整，修改。一方面為了提高天線制作的效率，減少調(diào)整、修改的時間，另一方面也為了節(jié)省天線制作的成本。目前，應用于天線的仿真軟件已有多種，本文應用HFSS軟件進行仿真。 4.1 設計要求 天線的工作頻率=2.44GHz 在工作頻率處S11<

50、-20dB 天線-10dB的帶寬B>=40MHz 帶寬內(nèi)駐波比VSWR<2 工作頻率處的增益Gain>8dB 4.2 設計步驟 a）對于介質基板厚度h、相對介電常數(shù)，天線的中心工作頻率，矩形貼片的實用寬度W為： 其中，c為真空中的光速。當然，也可以選擇其它的寬度。但是，當選用大于上式的寬度時，雖然天線的輻射效率會提高，但天線將可能產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變，惡化輻射方向圖，如果選用小于上式的寬度，則會引起天線輻射效率的降低，故一般情況下矩形貼片單元的寬度最好選取上式確定的值。 b）確定了矩形微帶貼片的寬度W后，則介質基板的相對有效介電常數(shù)為： c）確定微帶貼片天

51、線邊緣場引起的等效伸長長度，此長度可以由下式確定： d）微帶天線長度的確定 矩形貼片天線單元的長度在理論上選取有效波長的一半，但由于天線邊緣場的影響，單元長度的經(jīng)驗值應從中減去2倍等效伸長長度，即 e）饋電方式的確定及阻抗匹配 對微帶天線的直接饋電方式基本上分成如下圖一所示的背饋和側饋兩種。一般情況下，當工作于相同的頻率時，側饋所需的面積大于背饋。這是因為側饋時，微帶單元的諧振輸入阻抗Rin至少都在100以上，為使和特性阻抗為50歐姆的饋線系統(tǒng)相匹配，阻抗變換器是不可缺少的，這樣一來就增加了天線的面積。因此，當天線單元的面積受到限制時以選背饋為宜。 a 背饋

52、 b 側饋 當選定了饋電方式后，我們就要著手實現(xiàn)饋源與天線間的阻抗匹配。這對于背饋來說就是選擇饋電點的位置。由下式可以知道矩形微帶天線沿長度方向諧振輸入電阻從側饋時的最大值到中心時變?yōu)榱?，式中Rin為側饋時的輸入電阻，是背饋點距離側邊的距離。 由傳輸線法可知在側邊牙已知情況下，諧振輸入電阻為: 結合上面兩式可以估算出背饋點的位置Y0： f）介質板尺寸的確定 微帶貼片天線輻射的口徑場集中在輻射邊附近很小的區(qū)域內(nèi)，介質板的過多向外延伸對場的分布沒有明顯的影響，因此介質板的尺寸不必取的過大，實驗表明沿輻射元各邊

53、向外延伸λ0/10即可，所以介質板的寬度為： 對于利用同軸線底饋的情況，介質板的長度為： 這里我們選擇聚四氟乙烯類材料，因為聚四氟乙烯類材料是目前比較常用的基片材料，這種基片材料的特點是價格比較便宜且性能比較穩(wěn)定。本設計用到的介質基片特性參數(shù)是εr=2.2; h=3.2mm; tanδ=0.0005。根據(jù)以上設計步驟可以粗略計算出微帶天線的長度L，寬度W，饋電位置。按計算的結果用HFSS建模，并進行優(yōu)化后的微帶天線的尺寸為：L=38.6mm; W=29mm; =5mm; Lg=50mm; Wg=40mm。 微帶天線的模型如下圖所示： 天線的各項性能參數(shù)的仿真結果如

54、下： 天線的S11仿真結果 天線的駐波比VSWR仿真結果 2.44GHz處天線的總輻射 2.44GHz處天線的E面輻射方向圖 2.44GHz處天線的H面輻射方向圖 2.44GHz處天線的總的3D輻射方向圖 2.44GHz處天線的E面3D輻射方向圖 2.44GHz處天線的H面3D輻射方向圖 4.4 設計結論 由S11仿真結果可以看到，天線的工作頻率=2.44GHz，工作頻率處反射系數(shù)S11=-27.78 dB，S11<10dB的帶寬為45MHz,符合設計要求；由駐波比仿真結果，可以看出在2.42GHz-2.46GHz頻率范圍內(nèi)

55、，駐波比VSWR<2，符合設計要求；由天線的增益仿真結果，可以看出天線在工作頻率處的增益略小于8dB，基本符合設計要求。 總結 本文主要工作是在理論知識的基礎上，結合當今流行的三維電磁場仿真軟件HFSS，設計了一款用于無線局域網(wǎng)頻率為2.44GHz的矩形微帶貼片天線，利用HFSS仿真軟件完成了模型的建立，并在仿真的基礎上對這款矩形微帶貼片天線的輻射方向圖，駐波比，輸入阻抗等電參數(shù)進行了分析。 本文還是存在很多不足，首先本文設計的微帶天線的相對頻帶寬度只有為3.44％，雖然微帶天線是窄帶器件，帶寬通常只有0.6％至3％，但是已經(jīng)有

56、很多人著手了展寬天線帶寬方法的研究，并取得了一定的成績。其次，由于實驗條件有限，并沒有對所設計的天線進行加工制作測量，這是本文最大的不足。 未來主要的工作主要是針對本文的不足之處做出努力，爭取使設計的天線各個方面的性能達到最佳。 參考文獻 [1]王新新，微帶天線頻帶展寬方法的研究：【J】．山東：山東大學，2007．3 [2]張鈞等編著．微帶天線理論與工程【M】.北京國防工業(yè)出版社，1988：42—43 [3]秦文奕，衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機天線小型化研究：【J】．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2005 [4]王增和，盧春蘭

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59、謝 在我大學最后一個階段，在這個終于順利撰寫完成我的畢業(yè)論文的時候，在這里，首先我要感謝的是我的母校對我的栽培，衷心地祝愿我所留戀的母校，在建設和諧校園、平安校園的過程中，取得豐碩的成果，在今后取得更好的成績；其次我要感謝所有幫助過我的老師，而我特別要感謝的是我的指導老師——待人非常和藹可親老師，在我做畢業(yè)設計過程中，對我的積極鼓勵和十分耐心、細致的指導，給我許多非常有益的幫助，使我的論文由十分粗糙，結構和思路相當混亂的狀態(tài)(老師給了我許多積極的鼓勵，并提供給了我許多有益的指導和熱心幫助——大的在思路框架的建構的指導，小的在語言組織的表達完善，細到一個標點的修改。多次修改的情況下)逐漸轉變成為論點比較明確、思路比較清晰、材料能有序排列的比較完善的論文。因而我要特別感謝老師對我的指導?？梢赃@么說，沒有我的指導老師，我的畢業(yè)論文不會那么順利地完成。真心地祝愿徐老師以后在事業(yè)上取得更為輝煌的成就，為我等晚輩做出更好的引航作用；在這里我還要感謝所有幫助過我的同學，特別是要對我三個可愛的室友表示我最真誠的感謝，在我完成大學最后的也是最重要的作業(yè)——畢業(yè)設計時，他們給了我很大的鼓勵和幫助，我的畢業(yè)設計，也在你們的幫助下更加完善，更加規(guī)范。特別是在寫論文的時候，是你們的檢查才讓我發(fā)現(xiàn)自己論文的錯誤與不足，并加以修改。再一次對你們表示感謝！ 30