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。徽帶天線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)容易制作和調制，制作成本較低，適合大批量生產。(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,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提取；支持各類二維和三維格式的導入甚至HFSS格式；支持PBA六面體網格、四面體網格和表面三角網格；內嵌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是一套完備的數學理論，是麥克斯韋積分方程在網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進行預算，這種做法可以

9、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場的，這樣能更準確代表腔內場。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，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外導體直徑D，d以及填充介質決定。計算公式如下：假設填充介質，據此可計算當內導體直徑半徑d=1mm，外導體內徑=3.56mm時，同軸線阻抗為50歐姆。 仿真時，可通過調整饋點位置，實現天線的阻抗匹配。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）同軸線內導體PEC0.56同軸線外導體PEC1.72（內徑）1.80(外徑)5同軸線填充介質Rogers RT5880(lossy)0.5(內徑)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，當倒直角寬b=3時，效果最

14、好第二步，通過調整同軸線的位置，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的頻帶足夠寬，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（°）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