課程設計：基于cst仿真的6GHz圓極化微帶貼片天線設計

1、哈爾濱工業(yè)大學課程設計說明書（論文）Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 天線仿真 設計題目： 圓極化微帶天線的仿真 院 系： 班 級： 設 計 者： 學 號： 指導教師： 設計時間： 哈爾濱工業(yè)大學一、課程設計目的1、了解微帶天線的輻射原理和分析方法，并掌握微帶天線尺寸計算一般過程；2、了解微帶天線圓極化的方法，并設計一種圓極化微帶天線；3、學習并掌握CST軟件的使用，熟悉天線仿真的流程，并完成天線的優(yōu)化設計。二、天線設計目標 本文設計的圓極化矩形微帶貼片天線的中心頻率為6 GHz，并且將滿足一下技術指標：1、反射系數(shù)S11<10

2、dB（VSWR<2）；2、天線軸比小于3dB；3、絕對帶寬100MHz；4、增益大于5dB；5、輸入阻抗50；6、波瓣寬度大于70deg。三、微帶天線背景1、微帶天線簡介微帶天線是近30年來逐漸發(fā)展起來的一類新型天線。早在1953年就提出了微帶天線的概念，但并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發(fā)展和使用是在70年代。常用的一類微帶天線是在一個薄介質(zhì)基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，這就構成了微帶天線。由于微帶天線有獨特的優(yōu)點，而缺點隨著科技的進步正在研

3、究克服，因此它有廣闊的應用前景。一般說來，它在飛行器上的應用處于優(yōu)越地位，可用于衛(wèi)星通訊、天線電高度表、導彈測控設備、導引頭、環(huán)境監(jiān)測設備、共形相控陣等?；諑炀€在地面設備上應用也有其優(yōu)勢方面。特別是較低功率的各種民用設備，例如醫(yī)用微波探頭，直播衛(wèi)星的接收陣以及當前的藍牙設備的收發(fā)天線等，由于微帶帶天線能集成化，它在毫米波段的優(yōu)勢非常明顯。當然它并不是完美無缺的，我們將其與微波天線相比，簡單介紹它的優(yōu)缺點。微帶天線和常用的微波天線相比較，它有以下一些突出的優(yōu)點：(1)重量較輕，體積比較小，剖面低，能與飛行器等載體共形。(2)容易制作和調(diào)制，制作成本較低，適合大批量生產(chǎn)。(3)容易集成化的性能，

4、在毫米波段的應用有很大的優(yōu)勢。與微波天線相比，微帶天線也有一些不足之處，主要表現(xiàn)在如下幾點：(1)損耗比較大，從而導致效率也不高。(2)相對帶寬比較窄，這也是微帶天線固有的缺陷，特別是諧振式微帶天線。(3)單個微帶天線的功率容量一般都比較小。目前，微帶天線的缺點正在研究克服中，有的已經(jīng)得到改善，盡管微帶天線存在著諸多不足，但是它獨特的性能決定了它廣泛的應用前景。2、圓極化天線圓極化天線就是輻射或接收圓極化波的天線。圓極化天線的實用意義主要體現(xiàn)在:(1)圓極化天線可接收任意極化的來波,且其輻射波也可由任意極化天線收到,故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線；(2)在通信、雷達的極化分集工作和電子對

5、抗等應用中廣泛利用圓極化天線的旋向正交性；(3)圓極化波入射到對稱目標(如平面、球面等）時旋向逆轉(zhuǎn),因此圓極化天線應用于移動通信、GPS等能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。四、CST仿真軟件介紹CST MICROWAVE STUDIO（簡稱CST MWS，中文名稱“CST微波工作室”）是CST公司出品的CST工作室套裝軟件之一，是CST軟件的旗艦產(chǎn)品，廣泛應用于通用高頻無源器件仿真，可以進行雷擊Lightning、強電磁脈沖EMP、靜電放電ESD、EMC/EMI、信號完整性/電源完整性SI/PI、TDR和各類天線/RCS仿真。結合其它工作室，如導入CST印制板工作室和CST電纜工作室。CST MIC

6、ROWAVE STUDIO集成有七個時域和頻域全波算法：時域有限積分、頻域有限積分、頻域有限元、模式降階、矩量法、多層快速多極子、本征模。支持TL和MOR SPICE提??；支持各類二維和三維格式的導入甚至HFSS格式；支持PBA六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格和表面三角網(wǎng)格；內(nèi)嵌EMC國際標準，通過FCC認可的SAR計算。CST微波工作室使用簡潔，能為用戶的高頻設計提供直觀的電磁特性。微波工作室除了主要的時域求解器模塊外，還為某些特殊應用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導入功能及SPICE參量的提取增強了設計的可能性并縮短了設計時間。另外，由于CST設計工作室的開放性體系結構能為其它仿真軟件提供

7、鏈接，使微波工作室與其它設計環(huán)境相集成。CST軟件產(chǎn)品(Mafia、微波工作室和電磁工作室)均采用的同一個算法，即有限積分技術(Finite Integration Technique-FIT)。FIT是一套完備的數(shù)學理論，是麥克斯韋積分方程在網(wǎng)格空間上的離散形式。早在1977年由托馬斯魏蘭特教授引入，進而成為其后在電磁仿真領域中一個重要算法的基石。由FIT所導出的矩陣方程保持了解析麥克斯韋方程各種固有的特性，如：電荷守恒性和能量守恒性。解析下的梯度、散度和旋度算子在FIT下具有一一對應的矩陣。這些矩陣滿足解析形式F的算子恒等式。故FIT保證了非常好的數(shù)值收斂性。另一個區(qū)別于其他算法的關鍵之處

8、在于FIT可被用于所有頻段的電磁仿真問題中。在CST微波工作室和電磁工作室中，引入了CST的專有技術一理想邊界近似(Perfect Boundary ApproximationPBA)。它使得長方形網(wǎng)格中材料的填充形式可以任意(單連通或復連通)。由于此技術，CST軟件不但保持了通常FDTD(時域有限差分法)的快速，而且還使其精度大為提高。即，帶PBA的FIT即快又準。換言之，對同一問題達到同一仿真精度而言，微波工作室或電磁工作室較Mafia的計算時間短。五、微帶天線設計方法及理論計算1、微帶貼邊天線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

9、使天線的制作質(zhì)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。本文主要利用腔模理論進行微帶天線的設計分析。腔模理論是羅遠芷在1979年提出來的，這種理論方法是基于微帶諧振腔分析發(fā)展起來的，因為微帶諧振腔與諧振式的微帶天線在形狀上沒有很大的差別，所以可以借用微帶諧振腔理論來分析矩形微帶貼片天線：諧振腔理論是通過規(guī)定邊界條件來找出一個主模，然后計算出諧振頻率和

10、輸入阻抗等，這種方法應用在微帶天線上，我們稱之為單模理論。與傳輸線法一樣，單模理論的應用也是有限制的，為了改進，出現(xiàn)了多模理論，與單模理論相比，它是用無限正交模來描述腔內(nèi)場的，這樣能更準確代表腔內(nèi)場。當然這種方法也不是完美無缺的，它也有缺點：(1)這種理論是把空腔內(nèi)場看成是二維的，所以只適合用于薄基片，如果基片過厚，就會造成誤差。(2)因為引入了邊界導納，而往往又很難確定邊界導納，只能采用近似計算，所以腔模理論要修正才可以得到比較準確的結果。對于矩形微帶天線，貼片的諧振頻率計算公式為：上式中，和分別為矩形貼片的長度和寬度，為等效介電常數(shù)，為光速。本設計中，設定基板厚度為，利用CST中宏計算，可

11、知其。另本設計中，將在頻率時，同時激勵起TM01模和TM10模。所以，易得據(jù)此，設置基板大小為2、圓極化方法 一般來說，微帶天線圓極化方法大致分為三類：單饋法、多饋法、多元法：單饋法，基于空腔模型理論,利用簡并模分離元產(chǎn)生兩個輻射正交極化的簡并模工作多饋法，多個饋點饋電微帶天線,由饋電網(wǎng)絡保證圓極化工作條件多元法，使用多個線極化輻射元,原理與多饋點法相似,只是將每一饋點都分別對一個線極化輻射元饋電。本文采用單饋法，利用在貼邊上切角的方法引入微擾“”，從而使微帶天線的簡并模分離元產(chǎn)生兩個輻射正交極化的簡并模工作。且已知，圓極化效果與微擾面積大小有關。故在仿真過程中將針對切角大小進行多次仿真，并確

12、定最佳尺寸。3、同軸線尺寸本設計采用同軸背饋方法，并且采用50歐姆同軸線饋電。同軸線的特性阻抗由同軸線的內(nèi)外導體直徑D，d以及填充介質(zhì)決定。計算公式如下：假設填充介質(zhì)，據(jù)此可計算當內(nèi)導體直徑半徑d=1mm，外導體內(nèi)徑=3.56mm時，同軸線阻抗為50歐姆。 仿真時，可通過調(diào)整饋點位置，實現(xiàn)天線的阻抗匹配。六、仿真過程1、建模步驟，并確定大概尺寸（1）設置單位、邊界條件單位頻率邊界條件背景mm GHz ns4-8GHzOpenNormal表1 基本設置（2）建立模型根據(jù)計算結果進行建模，并添加同軸饋線，為了與實際情況更貼近，我們選擇了?r=2.2，并且有損耗的材料（Rogers RT5880(l

13、ossy)）作為天線的基板，然后進行仿真。所建模型如下，材料長(mm)寬（mm）高（mm）基板Rogers RT5880(lossy)50501接地板PEC50500.015貼片PEC34340.015表2 天線基本結構 材料半徑(mm)高（mm）同軸線內(nèi)導體PEC0.56同軸線外導體PEC1.72（內(nèi)徑）1.80(外徑)5同軸線填充介質(zhì)Rogers RT5880(lossy)0.5(內(nèi)徑)1.72（外徑）5 表3 同軸線基本尺寸 （3）設置端口將同軸線的一端設置為端口，如下圖，(4)軸比2、對結果進行優(yōu)化第一步，改變貼片切角的大小，通過軸比選擇最佳切角大小可以得到，當?shù)怪苯菍抌=3時，效果最

14、好第二步，通過調(diào)整同軸線的位置，選擇的值最好的位置安放同軸線因為需滿足中心頻點在3GHz附近，小于-10dB的頻帶足夠?qū)?，由上圖可知，當同軸線的位置是x=-6或-7時，的效果最好，所以將同軸線 的位置確定在x=-6或-7。通過之后的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)x=-6時軸比更好。第三步，對貼片的長寬進行參量掃描，使中心頻點盡量接近3GHz，軸比更小，進一步優(yōu)化。由上圖可知，貼片的長寬都為32mm時，的效果最好，此時的軸比也非常小，軸比如下圖所示，綜上，圓極化微帶天線的最終結構尺寸如下，材料長(mm)寬（mm）高（mm）切角度數(shù)（°）倒直角寬（mm）基板Rogers RT5880(lossy)50501接地板PEC50500.015貼片PEC32320.015453同軸線的中心位置為x=-6，即同軸線的中心位置在基板的平分線上，且距離基板中心點6mm。七、仿真結果與分析1、 H面方向圖2、E面方向