(畢業(yè)論文)空氣貼片微帶天線的設(shè)計論文

1、空氣貼片微帶天線的設(shè)計摘要微帶天線的發(fā)展正方興未艾，應(yīng)用前景非常廣泛。由于應(yīng)用的需要，微帶天線 在許多方面還將得到進一步的發(fā)展，如天線介質(zhì)材料的更新,天線的多極化技術(shù), 分形技術(shù)，光子帶隙技術(shù)以及計算機輔助設(shè)計技術(shù)和計算機輔助制造技術(shù)等隨 著技術(shù)的發(fā)展以及人們對微帶天線的深入研究和探討，微帶天線將會得到更為廣 泛的用。本文著重點是，設(shè)計了一款可用于lhf頻段（915whz）圓極化微帶天線。采 用雙層介質(zhì)微帶貼片展寬天線頻帶。設(shè)計適用于lhf頻段的微帶圓極化天線。要 求體積小，增益高。具體指標如下：0）工作頻率：902-928vhz； 0增益：大于 5dbi; 駐波比：小于2 0 極化方式：圓極

2、化，并利用ansoft軟件進行仿 真設(shè)計。關(guān)鍵詞：微帶天線；ansoft軟件；圓極化the air microstrip patch antenna design abstractabstractthe development of the microstrip antenna is in the ascendant and also it has very broad applicat ion prospects. since the request of the appl i cat ion, the microtstrip wi 11 be further developed inman

3、y ways, for exarrple update the material of the dielectric ante nn% mui tipolarization technology, fractal technology, photonic band gap (pb3 as 娠 11 as caiputer aided design cae) technology and caiputer aided manufacturing cayi technology, etc. with the development of technology and the indepth stu

4、dy and discussion of the microstrip antenn% it wi 11 be more widely usedin this article, emphasis is to design a ci rcularly polarized microstrip an ten na that can be used in ihf qlsvhz) band doublelayer dielectric microstrip can be used to broaden antenna bandwidth. microstrip circular polarized a

5、ntenna is desig ned for use in the inf band it requests smal 1 in size, high-gain. specific indicators are as fol lows, o ope rati ng f requency: 902928mhz; q gain: greater than 5dbi; q0ar less than 2. q 9 polarization mode: ci rcular polarizat ion also it has to be simulated by ansoft software.keyw

6、brds: microstrip antenna; ansoft software ci rcular ly polarization1緒論11.1課題研究背景及意義11. 2微帶天線技術(shù)概述11. 3本文主要研究工作22微帶天線32. 1微帶天線研究現(xiàn)狀32. 1.1微帶天線的發(fā)展近況32. 1.2天線設(shè)計的主要工作42. 2微帶天線特點42. 2.1優(yōu)點52. 2.2缺點52. 3天線的參數(shù)52. 3.1方向性52. 3.2方向圖62. 3.3天線效率62. 3.4增益系數(shù)72. 3.5天線的極化72. 3.6頻帶的寬度82.3.7天線的輸入阻抗和駐波比82. 3.8參數(shù)82.4微帶天線的

7、饋電方法92.5典型的微帶天線和貼片材料92.5.1微帶天線的基本類型92. 5.2矩形微帶天線92.5.3圓極化標簽天線102.5.4微帶貼片材料102.6微帶天線的主要技術(shù)112.6.1寬頻帶技術(shù)112.6.2多頻段工作112. 6. 3饋電方式112. 6. 4抑制表面波效應(yīng)的技術(shù)112. 7矩形微帶天線及其分析方法122. 7. 1腔體模型理論122. 7. 2矩形微帶天線的性能分析143恥cfi軟件173. 1 akft軟件功能173. 2 actthfss軟件仿真流程173. 2. 1 建模(dr潮173. 2. 2 材料定義 (setup feterial) 173. 2. 3

8、定義端口和邊界(setup port/surfaces) 173. 2. 4設(shè)置求解參數(shù)(setup solutionparameters) 183. 2. 5 后處理 (post processing 183. 2. 6計算機丄的調(diào)試183. 2. 7仿真結(jié)果及實驗驗證184設(shè)計方案194. 1介質(zhì)基板材料、厚度194. 2空氣層194. 3微帶貼片天線尺寸204. 4基板215模型建立225. 1介質(zhì)板225. 2空氣層225. 3基板235. 4微帶貼片235. 5頂部電容貼片245. 6天線模型245. 7實物圖256測試結(jié)果266. 1參數(shù)和頻率之間的關(guān)系266. 2方向圖266.

9、3 參數(shù) s11287總結(jié)29致謝30參考文獻31畢業(yè)設(shè)計(論文)知識產(chǎn)權(quán)聲明3233畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明ci r|fmx q ，彳）9dbp主要符號表介電常數(shù)介質(zhì)材料的品質(zhì)因素天線的工作頻率自由空間的光速軸比方向函數(shù)的最大值子午角方位角分貝輻射功率天線效率增益系數(shù)輻射功率密1緒論1.1課題研究背景及意義微帶天線技術(shù)技術(shù)最早起源于雷達技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，其歷史可追溯到20 世紀初期。微帶天線技術(shù)正在成為全球貿(mào)易、制造業(yè)和供應(yīng)鏈管理的基礎(chǔ)，對全 球各行業(yè)的生產(chǎn)、流通和管理模式都將帶來深刻的變革。微帶天線技術(shù)即將成為 繼互聯(lián)網(wǎng)和手機之后，全球信息產(chǎn)業(yè)的乂一場技術(shù)革命。為適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的需求,

10、天線的研發(fā)主耍朝幾個方面進行，即減小尺寸、 寬帶和多波段工作、智能方向圖控制。1. 2微帶天線技術(shù)概述對于陣列天線而言，可作為陣列天線陣元的單元天線有很多種如振子天線、 環(huán)天線、縫隙天線、螺旋天線、背射天線等山。結(jié)合我們近年來實驗室的科研項 和實驗研究。單元天線主要選取了微帶天線、振子天線、背射天線作為天線陣元 進行組陣研究。重點的研究對象為微帶天線。因為微帶天線周有的特點，它很適 合進行天線組陣的研究。在天線組陣屮，目前己有本實驗室研制的圓環(huán)背射天線 的二元陣列投入工程應(yīng)用，并有相應(yīng)產(chǎn)品面世役但主要的研究方向還是集中于 微帶天線的組陣方案，現(xiàn)對微帶天線進行理論和實驗的分析。微帶輻射器的概念

11、首先是deshcmaps在1953年提岀的。這種基片介電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特 性和機械特性及低損耗角正切。最早的實際的微帶天線是和minsno在二 十世紀七十年代初期研制成的。在此之后，由于微帶天線的許多優(yōu)點，諸如重量 輕、體積小、成本低，平面結(jié)構(gòu)可以和集成電路兼容等，微帶天線得到了廣泛的 研究和發(fā)展，從而使微帶天線獲得了多種應(yīng)用，并且在微波天線中作為一個分立 領(lǐng)域獲得了很大的發(fā)展歸目前，已研制成了各種類型平面結(jié)構(gòu)的印制天線，例 如，微帶天線、帶線縫隙天線、背腔印制天線以及印制偶極子天線。而一般所指 的微帶天線，可分為三種基本類型:微帶貼片天線、微帶行波天線、微帶縫隙天 線。它們的輻射機理

12、是由微帶貼片、或準 血模傳輸線、或開在地板上的縫隙產(chǎn) 生輻射。同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點。因而，在大約locmiz 到500hz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線具有很多優(yōu)點：a. 重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；b制造成本低，易于大量生產(chǎn)；c可以做得很薄，因此，可以較小擾動裝載的宇宙飛船等飛行器的空氣動 力學性能；d無需作大的變動，天線就很容易地裝在導彈、火箭和衛(wèi)星上；e天線的散射截面較?。?#163;稍微改變饋電位置就可獲得線極化和圓極化妊旋和右旋）；g不需要背腔，微帶天線適合于組合式設(shè)計固體器件如振蕩器、放大器、 可變衰減器、開

13、關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上。微帶天線與通常的微波天線相比，也有一些缺點：乩頻帶窄；b. 有損耗，因而增益較低；g大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；d最大增益實際上受限制約為20dq;e.饋線與輻射元之間的隔離差；f可能存在表面波，功率容量較低。但是，采取一些辦法可減少某些缺點，例如，只要在設(shè)計和制造過程中特別 注意就可抑制或消除表面波。在實際應(yīng)用屮，微帶天線的優(yōu)點遠遠超過它的缺點。微帶天線已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其主要應(yīng)用范圍如下:衛(wèi)星通信、多普勒 及其它雷達、無線電測高計、指揮和控制系統(tǒng)、導彈遙測、武器信管、便攜裝置、 環(huán)境檢測儀表和遙感、復(fù)雜天線中的饋電單元、衛(wèi)星導航接收

14、機、生物醫(yī)學輻射 器等。但在口前，由于各個領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，微帶天線在無線通信中已獲 得廣泛應(yīng)用，它還將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用，而且將進一步擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。1. 3本文主要研究工作本次畢業(yè)設(shè)計主要基于對現(xiàn)有閱讀器天線仿真研究，設(shè)計適用于lhf頻段的 閱讀器天線。要求體積小，增益高，用ansofthfss軟件對天線進行仿真，具體 指標如下：a. 工作頻率：902t23vhzb. 增益：大于5dbiu駐波比：小于2d極化方式：圓極化2微帶天線微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線。它 利用微帶線或同軸線等饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通 過貼片四周與接地板間

15、的縫隙向外輻射。導體貼片一般是鉛和金，可取任意形狀，但是，通常都用規(guī)則的形狀，如矩 形、圓形或圓環(huán)形等以簡化分析和預(yù)期其性能?；慕殡姵?shù)應(yīng)較低，這樣可 增強產(chǎn)生輻射的邊緣場，但是，也有其它的一些性能則要求使用介電常數(shù)較大的 基片材料'5,o目前已研制成了介電常數(shù)范圍較大和損耗角止切低的各種類型的基 片。2. 1微帶天線研究現(xiàn)狀2. 1. 1微帶天線的發(fā)展近況近些年來，天線作為通信、廣播、雷達、制導等無線電應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備 在功能、設(shè)計及制造工藝上都發(fā)生了巨大變化。尤其微帶天線以其重量輕、可共 形、易集成、便于匹配等優(yōu)點獲得了更多青睞，發(fā)揮了其得天獨厚的優(yōu)勢。尤其 在移動通信和射頻

16、識別中，微帶天線的地位在將來的發(fā)展中將無可比擬。人們歷 經(jīng)兒十年的努力，在克服其固有缺點方面得到了長足進展,主要休現(xiàn)在以下方面。a. 頻帶特性一般單層微帶天線的帶寬只有0. %7%頻帶窄這一主要缺點制約了它的發(fā) 展。目前，很多的研究人員致力于展寬微帶天線帶寬的研究，使得天線單元的帶 寬達到了 2夠甚至更高。近年來所開發(fā)并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的雙層貼片和彪槽貼片，無論在探針或槽孔耦 合的饋電方式下都獲得了高達4助勺阻抗匹配微帶，使制約貼片頻帶的因素轉(zhuǎn)化 為輻射效率和極化特性（2哪上）葺此外，微帶貼片結(jié)構(gòu)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寬頻帶特性。b. 小型化微電子

17、技術(shù)與大規(guī)模集成電路迅猛發(fā)展，使天線成為電子設(shè)備中龐大、笨重 部件的問題日漸突出，因而對能與設(shè)備大小協(xié)調(diào)且具有有效電性能的小天線的需 求愈加迫切，較低頻段（vhr 傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然很大。這 樣，實用化小型微帶天線的研制，成為國內(nèi)外研究熱點。在系統(tǒng)屮，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(zhuǎn)化為如 何抑制基片屮存在的表面波效應(yīng)。近年來出現(xiàn)的光子帶隙pbg （photonic band yh®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。g饋線網(wǎng)絡(luò)采用探針或槽孔耦合的背饋方式將輻射部分與饋線部分接地板隔開,是優(yōu)先 考

18、慮的結(jié)構(gòu)方案。微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)會引入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(zhì)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廣接收組件連接，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。2. 1. 2天線設(shè)計的主要工作當前，空氣介質(zhì)層技術(shù)研究工作主要集中在天線設(shè)計、頻率選擇、防沖突技 術(shù)等方面。低頻頻段繞開障礙物能力強但覆蓋范圍相對較小、能最低、數(shù)據(jù)傳輸 率小、方向性不強、穿透能力較弱，高頻頻段覆蓋范圍大、能量高、數(shù)據(jù)傳輸率 大、方向性和穿透能力都相對較強但卻易被障礙物阻擋，頻率選擇影響著標簽的 性能

19、和尺寸大小，關(guān)系著標簽與讀寫器的價格，而且為了產(chǎn)品的通用，還必須考 慮著各國對無線電頻段使用和發(fā)射功率的規(guī)定，所以選好頻率很重要。受應(yīng)用場合的限制，空氣介質(zhì)層通常需要貼在不同類型、不同形狀的物體表 面，甚至需要嵌入到物體內(nèi)部。要求低成本的同時，還要求有高的可靠性。此外, 天線還承擔接收能量和發(fā)射能量的作用，這些因素對天線的設(shè)計提出了嚴格要 求。當前對微帶天線天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)以提高輻射效率上，而 要提高輻射效率，一方面要增強天線對惡劣環(huán)境的抗干擾能力，比如電磁干擾和 金屬屏蔽，另一方面要控制能量損失，比如要抑制表面波提高增益。天線結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖、極化方向、阻抗特性、駐波比、

20、天線增益和工 作頻段等特性鷺方向性天線由于具有較少回波損耗，比較適合電子標簽應(yīng)用。天線特性受所標識物體的形狀及物理特性影響。如金屬物體對電磁信號有衰 減作用，金屬表面對信號有反射作用，物體尺寸對天線大小有一定限制等。人們 根據(jù)天線的以上特性提出了多種解決方案，如采用曲折型天線解決尺寸限制，采 用倒 膛天線解決金屬表面的反射問題等咒 天線特性還受天線周圍物體和環(huán)境 的影響。2. 2微帶天線特點由于空間技術(shù)發(fā)展與對低剖面天線的需要，使這種新型的天線得到進一步發(fā) 展。微帶天線的發(fā)展是現(xiàn)代微波集成電路技術(shù)和實踐在天線領(lǐng)域的重要應(yīng)用。2 2. 1優(yōu)點和常用的微波天線拋物面天線和相控陣天線）相比，微帶天線

21、主要優(yōu)點有： 體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；易于實現(xiàn)線極化和圓極化，容易實現(xiàn) 雙頻段、雙極化等多功能工作天線的散射截面較小:能得到單方向的寬瓣方向圖, 最大輻射方向在平面的法線方向；易于和微帶線路集成，制造成本低，易于批量 生產(chǎn)。微帶天線己得到愈來愈廣泛的重視，已用于大約1000w勺寬廣頻 域上，包括衛(wèi)星通信、雷達、遙感、制導武器以及便攜式無線電設(shè)備上。相同結(jié) 構(gòu)的微帶天線組成微帶天線陣可以獲得更高的增益和更大的帶寬。2. 2. 2缺點微帶天線的主要缺點是：頻帶窄；有導體和介質(zhì)損耗，并且會激勵表面波, 導致輻射效率降低；方向系數(shù)較低；單個微帶天線的功率容量??；性能受基片材 料影響大等。

22、在許多實際設(shè)計屮，微帶天線的優(yōu)點遠遠超過它的缺點，甚至在處于它的發(fā) 展早期，微帶天線己有許多不同的和成功的應(yīng)用。隨著微帶天線的繼續(xù)研究和發(fā) 展以及日益增多的使用，可以預(yù)料，對于大多數(shù)的應(yīng)用，它將最終取代常規(guī)的天 線。2. 3天線的參數(shù)描述天線工作特性的參數(shù)稱為天線電參數(shù)®asic antenna parameters）, 乂 稱為電指標。它們是定量衡量天線性能的尺度。為了止確設(shè)計或選擇天線，需要 射頻識別系統(tǒng)微帶天線的研究了解發(fā)射天線的電參數(shù)。大多數(shù)天線電參數(shù)是針 對發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空問電波能量以及定向輻 射的能力。下面介紹發(fā)射天線的主耍電參數(shù)。2. 3

23、. 1方向性天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何 一個天線的輻射場都具有方向性。所謂方向性，就是在相同距離的條件下天線輻 射場的相對值與空間方向&午角0、方位角v ）的關(guān)系。常采用歸一化函數(shù)f（0 , v ）表示，即f初=/讐=粵回（2. 1）其中，lx 幵）為方向函數(shù)的最大值；氐場最大輻射方向上的電場強度； e0 ，甲）為同一距離（。，甲）方向上的電場強度。2. 3. 2方向圖a方向圖將方向函數(shù)用曲線描繪出來，稱之為方向圖field patterri）o方向圖就是 與天線等距離處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形。依據(jù) 歸一化方向函數(shù)而繪

24、出的為歸一化方向圖。輻射強度與輻射方向有關(guān)，這種關(guān)系 以相對刻度描繪：線性功率方向圖），平方根場強方向圖），分貝 徹。b方向圖參數(shù)實際天線的方向圖通常有多個波瓣，它可細分為主瓣、副瓣和后瓣。（1）零功率點波瓣寬度（beamdth between first nulls, bw ：指主瓣 最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。0半功率點波瓣寬度 血if power beam width, hphv：指主瓣最大值兩 邊場強等于最大值的0. 70彳咅或等于最大功率密度的一半）的兩輻射方向之間的 夾角，又叫坯貝波束寬度。如果天線的方向圖只有一個強的主瓣，其他副瓣均 較弱，則它的足向輻射性能的強弱就可以從

25、兩個主平面內(nèi)的半功率點波瓣寬度來 判斷。®副瓣電平6ide lobe lever, su）:指副瓣最大值與主瓣最大值之比， 一般以分貝來表示。前后比：指主瓣最大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。c. 方向系數(shù)方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向 圖中特定方向的輻射強弱程度，未能反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單 獨休現(xiàn)天線的定向輻射能力i12'o方向系數(shù)能夠定量地表示天線定向輻射能力的電 參數(shù)。方向系數(shù)定義為：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射 方向上的輻射功率密度s沁或場強丨的平方）和無方向性天線點源）的輻射 功率密度s

26、或場強丨ei的平方）。d=-pr=prq（2.2）式屮r、r分別為實際天線和無方向性天線的輻射功率。從式子可知方向系數(shù)與 輻射功率在全空間的分布狀態(tài)有關(guān)問。要使天線的方向系數(shù)大，不僅要求主瓣窄, 而且要求全空間的副瓣電平小。2. 3. 3天線效率一般來說，載有高頻電流的天線導體及其絕緣介質(zhì)都會產(chǎn)生損耗，因此輸入 天線的實功率并不能全部地轉(zhuǎn)換成電磁波能量?？梢杂锰炀€效率來表示這種能量 轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率定義為天線輻射功率巴與輸入功率r之比，記為4 a, 即p71a=（2 3）2.3.4增益系數(shù)方向系數(shù)衡量天線方向輻射特性的參數(shù)，它只決定于方向圖；天線效率則表 示了天線在能量上的轉(zhuǎn)換效能；而

27、增益系數(shù)cai®則表示了天線的走向增益程 度。增益系數(shù)等于在同一距離及相同輸入功率的條件下，某天線在最大輻射方向 的輻射功率密度s斯u理想無方向性天線 理想點源）的輻射功率密度s之比，記為 gog 二 6竺亦嘛二"cmax（ 2 4）g = %d（2. 5）增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線 效率的乘積。在實際中，天線的最大增益系數(shù)是比方向系數(shù)更為重要的電參量， 即使它們密切相關(guān)。2 3. 5天線的極化天線的極化是指天線輻射時形成的電場強度方向。一般而言，特指為該天線 在最大輻射方向上的電場的空間取向叫實際上，天線的極化隨著偏離最大輻射

28、方向而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。輻射場的極化，即在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的軌跡, 按其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化。媒質(zhì)中某點的電場作為時間 的函數(shù)沿直線振蕩時稱之為線極化波。電場端點沿圓運動，稱圓極化波。電場沿 橢圓路徑，則稱橢圓極化波。當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直 極化波;當電場強度方向平行于地面時，此電波稱為水平極化波。水平極化波因 受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極 化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。一般移動通信系 統(tǒng)中采用垂直極化的傳播方式。隨著新技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一

29、種雙極化天線。一 般分為垂直與水平極化和± 45呦。極化兩種方式，性能上一般后者優(yōu)于前者， 因此月前大部分采用±45極化方式。雙極化天線組合了+45和-45兩副極化 方向相互正交的天線，并同時工作在收發(fā)雙工模式，大大節(jié)省了小區(qū)的天線數(shù)量。任意極化波的瞬時電場矢量的端點軌跡為一橢圓。極化橢圓的長軸 稱口短軸 2陀比，稱為軸比ar (axial rati®。圓極化天線的基本電參數(shù)就是它所輻射的電磁波的軸比丨r| , 一般是指其 最大增益方向上的軸比。對于純圓極化波，丨r| =1,即odb軸比丨h(huán)不大于 3dl的帶寬，定義為天線的圓極化帶寬。2 3. 6頻帶的寬度當天線

30、工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi), 此時對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度(bandwidth)o根據(jù)頻帶寬度的不同，可以把 天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。若天線的最高工作頻率為lx,最低工作頻率為f.un,對于窄頻帶天線，采用相對帶寬。而對于超寬頻帶天 線，常用絕對帶寬。通常，相對帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線，例如引向天線；相對帶寬達 百分之幾十的為寬頻帶天線，例如螺旋天線；絕對帶寬可達到幾個倍頻的稱為超 寬頻帶天線，例如對數(shù)周期天線。2. 3. 7天線的輸入阻抗和駐波比天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連 接，最佳情形是天線

31、輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒 有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的 匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的 特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)、行波系數(shù)，駐波比和 回波損耗。用的較多的是駐波比和回波損耗。電壓駐波比卜0血用來評價負載接至無損耗傳輸線的不匹配程度。其值在1 到無窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全 失配?；夭〒p耗等于反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)單位為回波損耗的值在無 窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。(w示全 反射，無窮大表示

32、完全匹配。在移動通信系統(tǒng)屮，一般要求回波損耗大于14db 2. 3. 8參數(shù)散射矩陣倉數(shù)可以完全反映高頻器件的反射與傳輸特性。只需測得參數(shù)， 便可得到以上所需測量的參數(shù)。2 4微帶天線的饋電方法大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線 或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50q傳輸線阻抗，所以需要匹 配。匹配可由適當?shù)剡x取饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。 因此，可用格林函數(shù)法來確定微帶線饋電和同軸饋電位置的影響。微帶饋電分為屮心微帶饋電和偏心微帶饋電結(jié)構(gòu)示于。饋電點的位置也決定 激勵哪種模式。當天線元的尺寸確定后可按下法進行匹配：先將屮心饋電天

33、線的 貼片同50q的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計出匹配變阻器；再在天線元 與饋線之間接入該匹配變阻器，重新作成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維 持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線?？捎迷S多方法 激勵。如果場沿矩形貼片的寬度變化，則當饋線沿寬度變化時，輸入阻抗隨之改 變，從而提供了一種阻抗匹配的簡單方法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之 間的耦合改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變。 不過稍加改變貼片尺寸或天線尺寸，可補償諧振頻率的漂移。2. 5典型的微帶天線和貼片材料2. 5. 1微帶天線的基本類型微帶天線基本類型有：微帶振子天線、微帶行波

34、天線、微帶縫隙天線和微帶 陣列天線。微帶振子天線由介質(zhì)基片、在基片一面貼有任意平面幾何形狀的導電體以及 在基片的另一面敷以平面金屬片所構(gòu)成。平面幾何形狀常見的有正方形、矩形、 圓形、橢圓形，以及其他圖案。微帶線行波天線是根據(jù)行波天線原理，在微帶基礎(chǔ)上做成的天線。微帶縫隙天線是由微帶饋線和開在地片上的縫隙所組成，縫隙可以是矩形、 圓形或環(huán)形，根據(jù)縫隙天線的原理來設(shè)計。微帶陣列天線用微帶振子構(gòu)成陣列天線，具有高增益、波束掃描和波束控制 等特性。2. 5. 2矩形微帶天線矩形微帶天線是由矩形導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質(zhì)基片上形 成的天線。通常利用微帶傳輸線或同軸探針來饋電，使導體貼片與接地板

35、之間激 勵起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。微帶貼片如圖 2.迪可看作為寬為w長為曲勺一段微帶傳輸線，其終端處 穴1邊）因為呈現(xiàn)開路, 將形成電壓波腹和電流的波節(jié)。一般取總 乙x訥微帶線上波長。于是另一 端 貝噠）也呈現(xiàn)電壓波腹和電流的波節(jié)。圖2. 1矩形微帶貼片天線示意圖2. 5. 3圓極化標簽天線由于rfii系統(tǒng)常用于待識別物體位置不固定的情況，標簽天線要求共形、重 量輕、體積小且又成本低的圓極化天線。圓極化天線的意義體現(xiàn)在：a. 圓極化天線可接收任意線極化的來波，其輻射波也可由任意線極化天線 收到。這是標簽天線普遍采用圓極化波工作的原因。b. 天線若輻射左旋圓極化波

36、，則只接收左旋圓極化波而不接收右旋圓極化 波;若天線輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波。g圓極化波入射到對成日標如平面、球面等）時，反射波變?yōu)榉葱颍?左旋波變右旋，右旋波變左旋?？趶今詈橡侂姷奈炀€是比較常用的一種圓極化天線。它交叉極化電平 低，易獲得寬頻帶匹配，適于圓極化設(shè)計。2.5.4微帶貼片材料典型的微帶天線結(jié)構(gòu)是帶導電地板介質(zhì)基片上的金屬貼片。介質(zhì)基片的選擇 是設(shè)計微帶天線的重要一環(huán)，它將影響天線尺寸、工作帶寬、效率、功率容量和 加工工藝血。基片的選擇一般應(yīng)考慮以下的各項因素：a. 介電常數(shù)、損耗卬值以及它們的頻率特性；b. 參數(shù)均勻性，即基片各點的、厚度及其他性能的一致性；

37、g各向同性，即在各個方向上的電磁場作用下，等性能的一致性。但特殊 應(yīng)用需采用非各向同性介質(zhì)基片如鐵氧體）的例外；d熱膨脹系數(shù)或溫度系數(shù)；e加工的穩(wěn)定性、可加工性及抗沖擊能力；f結(jié)構(gòu)強度；&可粘性，即導電貼片與基片的粘接強度，以及電鍍對基片性能的影響；h. 功率容量；i. 表面波激勵的可能性。2. 6微帶天線的主要技術(shù)2. 6. 1寬頻帶技術(shù)微帶天線方向圖帶寬是寬的，主要限制于阻抗帶寬。對于給定的貼片形式， 展寬其阻抗頻帶有三條途徑：a. 降低qs,主要是增大基片厚度和降低基片相對介電常數(shù)。這些都是常用 的基本手段。但增加基片厚度會加大表面波輻射損耗，從而導致空間波發(fā)射效率 的下降；b.

38、 修改諧振電路如形成雙峰諧振電路等）。具體實施方式如設(shè)置耦合貼片 寄生元），采用多層結(jié)構(gòu)等；g加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。有的將0辱1粥寬展寬到35%2. 6. 2多頻段工作多頻段的基本實現(xiàn)方式可分兩類:單片與雙片。雙片法利用諧振頻率不同的 兩個貼片來工作。通常將較小的貼片疊在較大貼片上，稱為背馱式微帶天線。對 矩形貼片，選用的是模和1m模，二者諧振頻率比約為1：玄可插入短路針來 提高tm模諧振頻率，或在貼片上開縫來降低tm模頻率，從而控制二頻比。2. 6. 3饋電方式現(xiàn)在有微帶線邊饋、同軸線底饋、電磁耦合、口徑耦合四種方式。若基片較 厚，采用微帶線邊饋時微帶饋線尺寸大。一種解決辦法是將微帶饋線及饋電網(wǎng)絡(luò)

39、 刻蝕在另一薄片上，反貼于背面。上述饋線與貼片通過一短針相連，但也可改為 在中間接地板上開孔來耦合，即口徑耦合方式s厚基片時同軸線的引線電感次。2. 6. 4抑制表面波效應(yīng)的技術(shù)空氣貼片微帶天線的研究很深刻地體現(xiàn)了矛盾原理，即在我們提高微帶天線 某一個性能的同時，往往會減弱另一個性能，比如拓展天線帶寬和提高輻射效率 就是一對矛盾。在通過加厚介質(zhì)基片、疊加貼片技術(shù)使微帶天線帶寬展寬的同時, 天線的損耗加重了，效率降低了，于是人們又將目光轉(zhuǎn)向了天線效率的提高上。 影響天線效率的主要原因是導體損耗、介質(zhì)損耗、表面波損耗、反射損耗等。其 屮當介質(zhì)基片厚度增大吋其表面波損耗占主導地位。所以要想提高天線的

40、輻射效 率，加強抑制表面波損耗的研究至關(guān)重要。2 7矩形微帶天線及其分析方法最簡單的微帶貼片結(jié)構(gòu)是矩形微帶天線，如圖2. 2所示。其基本天線元是薄 介質(zhì)基片丄的帶狀導體，介質(zhì)基片的背面是地板。由于這種天線結(jié)構(gòu)簡單，因而 成為大量研究論文的課題，并且作了許多努力來預(yù)計和計算矩形微帶天線的輻射 特性。它們從復(fù)雜的數(shù)學表達式到簡單的模型，現(xiàn)已證明，這些數(shù)學表示式和模 型已經(jīng)足夠了，但還不能得到精確解。圖2. 2矩形微帶貼片天線微帶貼片輻射器的特性可由輻射方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬、波瓣寬度 效率損耗和q因數(shù)來表征。因而，雖然方法很多，但是，就設(shè)計成本和性能推算 而論，有一個最佳方法，既可以用簡單的

41、表示式推算天線參數(shù)并與實驗得到的結(jié) 果相一致，下面將介紹腔體模型。饋電點的位置也決定激勵哪種模式。當天線元 的尺寸確定后可按下法進行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50q的饋線一起 光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計出匹配變阻器；再在天線元與饋線之問接入該匹配變 阻器，重新作成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏 向一邊以得到良好的匹配。因為天線輸入阻抗不等于通常的50q傳輸線阻抗， 所以需要匹配。匹配可由適當?shù)剡x取饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影 響輻射特性。因此，可用格林函數(shù)法來確走微帶線饋電和同軸饋電位置的影響。2. 7. 1腔體模型理論如圖2. 3所示，微帶貼片天線微帶片

42、和接地板之間的盒形區(qū)域可看作諧振腔它的上下壁為微帶片和面積相同的接地板周圍的柱形面為側(cè)璧。這個模型的提出 是基于觀察到：在以微帶和地板為邊界的區(qū)域內(nèi)，電場e只有z分量，而磁場戸 只有x和y分量；在此區(qū)域中，對于所有有意義的頻率，場都和z坐標無關(guān)；在 邊緣的任何點上，微帶屮的電流都沒有正交于邊緣的分量，這意味著戸沿邊緣 的切向分量可以忽略。圖2 3空腔模型幾何關(guān)系微帶貼片天線微帶片和接地板之問的盒形區(qū)域可看作諧振腔它的上下壁為 微帶片和面積相同的接地板周圍的柱形面為側(cè)璧。因而，微帶和地板之間的區(qū)域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下兩面的電 壁圍成的腔體網(wǎng)。天線中的場可以假定為腔體的場，從而可求出輻

43、射方向圖、輻 射功率和饋電點在任何位置的輸入導納。用下面的關(guān)系式可求得腔體模型的電場和磁場(2. ®(2 7)（刃+皈）=0(2 8込=03/2(2 9式中，勺是相對于z軸的橫向算子，必”是矩形微帶貼片輻射器場的解，對于 模，其諧振波數(shù)爲為：(2 10當微帶天線用微帶線或同軸線饋電時，將激勵起許多模，如在解中考慮的不夠，就產(chǎn)生錯誤的結(jié)論。假定微帶天線的周界可用理想導磁體圍起來而不擾動場分布，則場可用模函 數(shù)血”展開。對此，結(jié)構(gòu)中的e分量可寫成：幀££警呼4sin c野 川=0 n=0k - kmn ）（211）式子中,k2 =er（-j tankq =; tan

44、3是介質(zhì)的損耗角正切；久=120於2。血”（3）=(2 12)6”和”是黎曼（neuman®數(shù)，定義為:n, m = qn,(2 13)d是沿z方向一安培均勻饋電電流帶的有效寬度。當知道了場分布時，可將惠更斯原理用于腔體磁壁以確定在周界上的磁流 源，定義式為：m (x, y) = 2nx zez于是，方向圖、輻射功率、輸入阻抗等均可很容易的求出。由上述討論不難 看出基本的腔模理論應(yīng)用上的限制 際 的條件是很重要。2 7.2矩形微帶天線的性能分析a方向圖對于大多數(shù)工程應(yīng)用來說，簡單的傳輸線模型給出的結(jié)果已足夠滿意。這個 模型的提出是基于觀察到:在以微帶和地板為邊界的區(qū)域內(nèi)，電場e只有z

45、分量, 而磁場戸只有x和y分量；在此區(qū)域中，對于所有有意義的頻率，場都和z坐 標無關(guān)；在邊緣的任何點上，微帶中的電流都沒有正交于邊緣的分量，這意味著 歹沿邊緣的切向分量可以忽略，輻射方向圖畫出，如圖2. 4所示。radm<lofi p«tte««« 1圖2 4矩形微帶天線理論方向圖e面方向圖計算公式:fe () = cos k() sin 0h面方向圖計算公式:/h (&)=wasin kq一sin& cos012丿wk()sin&0 2(2 15)(2 1®b帶寬饋線的電壓駐波比（0詆）小于s吋，微帶天線帶寬為:

46、(2 17)式中q為品質(zhì)因數(shù)。計算證明，當頻率一定時，選用較大的h和較低&值可得到較寬的帶寬。通 常微帶天線的帶寬約為百分之幾的量級。為了增加帶寬，可增加輻射單元的電感、 在微帶天線上挖孔或開槽、或者附加電感分量以及改善輻射單元同饋線的匹配等 方法。c波瓣寬度微帶天線主瓣的半功率角寬度可近似由下式計算2 &()5 = 2 cos2(1 +(2 16)2&0.5e = 2 cos7.03%(2. 19由式可見，選較小的輻射單元尺寸可加寬微帶天線的主瓣寬度。d方向性系數(shù)及增益將矩形微帶天線看成一段傳輸線分開的兩個縫隙所構(gòu)成，其中一個縫隙的方 向性系數(shù)可表示成1 "

47、p,./(t人盂(z 20)則整個矩形微帶天線的方向性系數(shù)可表示為:2d,(2 21)1+812其中幻2為歸一化互導，可由下式求出sin2胡一(71wcos 3 tan'&sinosin&10(2 22)其屮g為單縫的輻射電導，人（q為以x為自變量的零階貝塞爾函數(shù)。要求 出天線的增益，就必須知道矩形微帶天線的效率。效率公式可表示為：乞x 100 % =x100%(2 23)匕+鬥+匕s+g( +g為輻射電導，為導體電導，為介質(zhì)電導，p為它們相應(yīng)的功率, 增益可表示為：(2 24)g = r/d3 ansoft軟件3. 1 ansoft軟件功能ansoft軟件提供一系列的

48、工具方便于設(shè)計。通過ansoftlinks把layout 工具 cadence al legro,lvfentor graphics boardstation, synopsys encore 和 zuken cr-5000 board designer導入電路板設(shè)計，然后通過siwave提取全波參 數(shù)，隨后動態(tài)鏈接到ansoft designer進行電路仿真。利用hfss對各部分建立 參數(shù)化的模型o ansoft etesigner是ansoft高頻/髙速設(shè)計的通用仿真設(shè)計平臺， 實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真、電路設(shè)計和優(yōu)化、版圖生成和多層平面電磁場仿真完全無縫集 成，能夠動態(tài)鏈接三維電磁場仿真工具，為射

49、頻、微波、告訴系統(tǒng)、通信及雷達 系統(tǒng)的設(shè)計提供全集成化的設(shè)計環(huán)境和設(shè)計平臺。ansoft sixvave是高性能 叭 封裝設(shè)計仿真工具，采用了全波電磁場求解技術(shù)，精確地計算包括 dc狀況下的j *蓉數(shù)，精確地進行全波參數(shù)提取。3. 2 ansoft hfss軟件仿真流程下面講述ansoft hfss的具體仿真過程。3. 2. 1 建模（drav）點擊draw按鈕，進入三維建模器（3dsolidmxfelw。三維建模器界面上 有4個窗口，其1. 2 4窗分別顯示所建模型之三視圖z面、x面、y面，窗 口 3顯示立體模型。窗口 2用于畫圖。在繪圖過程中，用define plane菜單命 令來改變繪圖

50、平面，以繪制不同部分的圖形；用zoan shift進行放縮、平移； ffl insure進行距離計算。用f9可對圖像進行適合屏幕大小的顯示?？梢灾苯?繪制的物體（object）有：line, arc, circle, el 1 ipse, rectangle, spira等。模型建好后，存盤退出。3. 2. 2 材料定義（setup nfeterial）點擊setup material按鈕進入材料定義菜單（define material mfenq）o3. 2. 3 定義端口和邊界（setup port§/surface點擊setup port/surfaces按鈕進入端口和邊界定義

51、菜單（define port/surfacesnbnq） o 端口和邊界的類型有：電壁（perfect e、磁壁（perfect h、阻抗（tope danced n 電阻器（res is to。、輻射邊界（radiation boundary、 電壓(3-oint plan©、立體盒(volume eo力、物體名(object nam。點擊new ports,因為天線單元是單端口元件，故在number of ports中輸 入“1”。點擊new boundary,輸入邊界名，定義邊界。邊界和端口定義好后， 再點擊boundary display,這一步必不可少，因為它不僅僅是對邊界

52、進行顯示， 而是要進行初始化工作，為下面的仿真做準備。在邊界顯示菜單(boundary displaymm®里，提供了將各邊界在立體模型丄用不同顏色做標記的功能，便 于深入檢查。3. 2. 4 設(shè)求解參數(shù)(setup solution parameter)進入設(shè)置求解參數(shù)菜單(setup solution parameters)，設(shè)置允許迭代誤差 (al lowableetelta 9 ;自適應(yīng)頻率(adapt frequency；最大迭代次數(shù)(number of additional .adaptive passes)o這些值是根據(jù)天線單元具體情況選定。這些 工作做好后，即可退出，

53、進行求解。3. 2. 5 后處理(post processingansoft hfss提供了強大的后處理功能，它能給出所仿真器件的散射矩陣、 端口特性阻抗、波束立體角、方向系數(shù)、輻射效率和最大輻射方向的功率密度。 能對散射矩陣的掃頻曲線(scattering nhtrix vs. frequency) 天線方向圖 (antenna gain pattern) > 天線的雷達截面積(radai* cioss sect iorj)和電磁 場分布(magnitude melcd等進行圖示，并能對天線單元工作時能量的傳輸 與輻射過程進行三維動畫模擬顯示。3. 2. 6計算機上的調(diào)試根據(jù)初次仿真結(jié)

54、果，對照設(shè)計要求，修改相應(yīng)尺寸，繼續(xù)進行計算。在調(diào)試 過程中，一方面是對模型進行整體調(diào)試。3. 2. 7仿真結(jié)果及實驗驗證a. 掃頻結(jié)果經(jīng)過掃頻，得到軸比的曲線圖。b. 方向圖運用軟件的場計算功能，可得到在中心頻率時e面和hltf方向圖。4設(shè)計方案木設(shè)計采用一點饋電的單片圓極化方案，采用切角的方式實現(xiàn)圓極化。其原 理是基于空腔模型理論，利用簡并模分離元產(chǎn)生兩個輻射止交極化的簡并模工 作。其優(yōu)點是無需外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適合小型 化，缺點是帶寬窄。空腔模型理論基于薄微帶天線的假設(shè)，將導電貼片與導電接地板間的空間看 成四周為磁壁、上下為電壁的諧振腔。此方法把天線問題分成兩

55、部分:求天線 的場源分布，即空腔封閉面內(nèi)的場；求天線外場。空腔模型能對微帶天線的工 作特性有更深入的物理理解，而矩形微帶天線的傳輸線模型是空腔內(nèi)只有主模時 的特例。空腔模型法對薄微帶天線 妙百分之幾的波長)具有很好的精度?？涨荒Ｐ头ㄑ芯坑少N片與接地面之間組成的兩個導電面間區(qū)域內(nèi)的場，它是 基于以下條件：a.空腔內(nèi)只存在電場甘ri磁場hl勺橫向分量；b在腔體內(nèi)，場不隨凌化；c. 沿腔體邊緣磁場h勺切向分量為零；d邊緣效應(yīng)可由延伸周邊來等效。矩形貼片的諧振頻率為"金嶺2吩2(41)e c為等效介電常數(shù)，i和“分別為矩形的長和寬，c為光速。4 1介質(zhì)基板材料、厚度選用較小介電常數(shù)&

56、的基板時，天線頻帶較寬；對于選定的£，基板厚度h 增加基片厚度、減小基片的介電常數(shù)是微帶天線帶寬拓展的基本方法。其主要通過降低微帶天線等效諧振電路的q6來拓展帶寬。此外，介質(zhì)厚度增大，輻射效率也增大。由微帶天線理論，增益隨厚度的增 大而增大，而隨介電常數(shù)的降低而增大。根據(jù)本設(shè)計要求頻率，我們選用介電常數(shù)為2 65的polyflon_ndrclwr質(zhì) 板。損耗角正切值為0. 001l4 2空氣層本設(shè)計引入空氣層，如圖4. 1所示，增加介質(zhì)層厚度，降低等效介電常數(shù),使得天線的帶寬顯著增加 > 克服了微帶貼片天線帶寬窄的缺點o空氣介質(zhì)貼片wlj1©a xz圖4. 1有空氣隙的微帶天線結(jié)構(gòu)對于多層介電常數(shù)介質(zhì)的基板，其等效介電常數(shù)計算公式如下:ri(4. 2)其屮：h為各介質(zhì)層厚度，£珀為各層相對介電常數(shù)，£ “則是等效為一層介質(zhì) 的介電常數(shù)?？諝鈱雍穸冗x2飾4 3微帶貼片天線尺寸此方形微帶天線（如圖4. 2）獲得圓極化波的條件是：2as/s = ax/a = 1/2q（43）其屮，q為介質(zhì)材料的品質(zhì)因素。但由于天線輻射能量，實際上q值要小于理論 值。 r!a1vj饋電點&#