移動通信_期末作業(yè)_超寬帶微帶單極子天線設(shè)計_20111910119

1、超寬帶微帶單極子天線基于HFSS天線設(shè)計學(xué)院：信 息 學(xué) 院專業(yè)：通 信 工 程姓名：馬 正 智（59）學(xué) 號： 20111910119 2014-07-08更改詳情1、 更改兩塊參考地GND1和GND2與微帶線的距離，使其間距小于1mm；2、 更改激勵端口的長寬，使其長度為微帶線寬度的5倍左右，高為介質(zhì)板高度的6倍左；3、 更改陷波開縫方式，得到理想陷波頻段。摘要天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天

2、文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。超寬帶天線顧名思義就是帶寬非常寬的天線，這種說法其實是在頻域的對天線帶寬的定義是就某個參數(shù)而言，天線的性能符合規(guī)定標準的頻率范圍。 在此范圍內(nèi)天線的特性如輸入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣寬度、副瓣電平、方向系數(shù)、增益、極化等在允許的范圍內(nèi)。也就是，某項給定的技術(shù)指標不超出給定的范圍所對應(yīng)的頻率范圍。其實這正是傳統(tǒng)的窄帶天線性能分析方法。因為以前窄帶天線

3、要發(fā)送的信號基本都是己經(jīng)調(diào)制過的正弦波信號，所以在設(shè)計天線時對帶寬并沒有要求非常苛刻(極寬的帶寬)。只要針對某個載波頻率設(shè)計就可以了，在這個載波頻率附近天線的性能滿足要求，變化不大。 但是，當要發(fā)送的信號不是正弦波調(diào)制信號天線就不能滿足要求了，而是兒百皮秒或者納秒級的窄脈沖信號時，一般的窄帶那么傳統(tǒng)的寬帶天線能否滿足要求呢？UWB天線與常規(guī)意義上的寬帶大線還是有著顯著區(qū)別的。常規(guī)的寬帶天線大都是非頻變天線，是指天線可以根據(jù)無線系統(tǒng)需要工作在不同頻段，而并不是指天線地各個部分同時在整個寬頻段內(nèi)工作。微帶天線由參考地面、介質(zhì)層面、微帶貼片、激勵端口、輻射邊界組成，具有重量輕、質(zhì)量小、剖面

4、薄、質(zhì)量成本低、易于實現(xiàn)頻變工作。關(guān)鍵字：天線 超寬帶 超寬帶天線 微帶單極子天線 AbstractAntenna (can antenna) to be used is a kind of converter, it put the propagation of guided waves on a transmission line, into the unbounded medium (usually free) in the transmission of electromagnetic waves, or on the reverse transform.In the radio eq

5、uipment used to transmit or receive electromagnetic wave components.Radio communications, radio, television, radar, navigation, electronic countermeasures, such as remote sensing, radio astronomy engineering system, all using electromagnetic waves to transmit information, rely on the antenna to work

6、.In addition, in terms of using electromagnetic waves transfer energy, the signal energy radiation also need antenna.General antenna are reversible, namely the same antennas can be used as a transmitting antenna, also can be used as a receiving antenna.The same as the basic characteristic of transmi

7、tting or receiving antenna parameters are the same.Ultra-wideband antenna as the name suggests is the very wide bandwidth, this statement is actually in the frequency domain to the antenna bandwidth is defined in terms of a parameter, the antenna performance conforms to the provisions of the standar

8、d range of frequencies.Within the scope of this antenna features such as input impedance, efficiency, lobe pointing, lobe width coefficient, sidelobe level, direction, gain, polarization and so on in the permitted range.That is, a given of the technical indicators are not beyond the scope of a given

9、 frequency range.In fact this is the traditional narrow band antenna performance analysis method.Because before is based on narrowband antenna to send signals has been modulated sine wave signal, so when designing the antenna bandwidth is not very demanding (very wide bandwidth).Just for a carrier f

10、requency design, near the carrier frequency antenna performance meet the requirements, a little change.But, when to send the signal is not sine wave modulation signal antenna can't meet the requirements, but the son the picosecond or narrow nanosecond pulse signal, the general narrow-band and tr

11、aditional broadband antenna can meet the requirements?UWB antenna and conventional sense of the broadband big line still has significant differences.Conventional broadband antenna is mostly frequency antenna, is refers to the antenna can work according to the requirement of wireless systems in diffe

12、rent frequencies, and does not mean that the antenna parts to work the whole broadband segment at a time.Microstrip antenna by reference to the ground, the medium level, microstrip patch, motivation of port, radiation boundary, with the quality of light weight, small, thin section, the quality of lo

13、w cost, easy to realize frequency change work.Key words: ultra-wideband antenna ultra-wideband antenna monopole antenna目錄引言4一、 超寬帶天線的基本概念51、超寬帶天線的特點52、超寬帶天線的主要參數(shù)62.1天線的輸入阻抗62.2駐波比62.3方向圖7二、 基于有限元法的電磁仿真技術(shù)HFSS7三、超寬帶微帶單極子天線設(shè)計81、設(shè)計要求82、設(shè)計參數(shù)83、設(shè)計結(jié)構(gòu)11四、超寬帶微帶單極子天線設(shè)計結(jié)果121、半橢圓微帶貼片122、橢圓微帶貼片143、一次陷波164、三次陷波18

14、五、設(shè)計總結(jié)21六、參考文獻21引言隨著無線電通信技術(shù)的發(fā)展，天線在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。主要使用場合有:無線通訊技術(shù)，包括手機、藍牙(B1ueTooth)、無線局域網(wǎng)等終端；小型化衛(wèi)星通訊；多普勒及其它制式雷達；指揮和控制系統(tǒng)；導(dǎo)彈遙測；無線電引信；環(huán)境檢測儀表和遙感；復(fù)雜天線中的饋電單元；GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機；生物醫(yī)學(xué)輻射器等。自從 1873 年麥克斯韋(Maxwell)從理論上預(yù)言電磁波存在，并于1879 年由馬可尼(Marconi)首次獲得一個完整的天線電報系統(tǒng)專利以來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，人類對自然界廣泛存在的電磁波這一物質(zhì)形態(tài)的認識在不斷深化，創(chuàng)造了多種多樣的電磁波工程系

15、統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)。從電視、廣播、移動通信、到雷達、導(dǎo)航、氣象、定位、衛(wèi)星，再到軍事領(lǐng)域中的制導(dǎo)武器、電子對抗等領(lǐng)域取得了極為豐碩的研究成果。近半個世紀以來，電磁波與周期性結(jié)構(gòu)間相互作用的研究一直沒有間斷。近幾年隨著材料科學(xué)、特別是左手材料研究取得的新進展，關(guān)于周期性結(jié)構(gòu)介質(zhì)對電磁波影響的研究再度升溫，成為新的熱點。2003年，人們提出了一個方形貼片天線，它有兩個階梯狀的饋線變換，中間還開了個槽。這種天線可以工作在3.2GHz到12GHz，而且具有準全向輻射特性，群延時差值不到0.5 ns。2004年出現(xiàn)了很多微帶超寬帶天線:(1)印制圓盤單極子超寬帶天線，它的地平面和輻射元處在同一平面，因此適

16、于集成在印制電路板上，其匹配阻抗帶寬為2.78-9.78GHZ，并且具有全向輻射特性。(2)共面波導(dǎo)饋電式平面超寬帶天線，它尺寸小，V形槽的長度可以適當調(diào)整，在沒有V形槽的情況下其工作頻帶可從2.8GHz到10.6GHz。(3)LTCC超寬帶開槽式天線，這種天線可以與其它射頻電路共地，輻射元是橢圓狀，它的阻抗帶寬為3-10.6GHz，在低頻處有準全向輻射特性。2005年有人研究了一種帶有分形調(diào)節(jié)柄的微帶槽隙天線，其阻抗帶寬為2.66- 10.76GHz，具有全向輻射特性。接著出現(xiàn)了一種平面小型化漸變環(huán)型槽饋電超寬帶天線，提供的阻抗帶寬可從4.84GHz到10.23GHz，它占有的空間小并且在工

17、作頻段內(nèi)具有幾乎一致的輻射方向特征。2005年出現(xiàn)了一種加載高介電常數(shù)陶瓷的縫隙螺旋天線6，基板介電常數(shù)分別提高到30和90，在使用頻率下降27OMHz-564MHZ的基礎(chǔ)上使其面積減小了18%和36%，采用倒錐形基板結(jié)構(gòu)，用同軸巴倫進行饋線，通過改變基板厚度來實現(xiàn)匹配，缺點是帶寬較窄，制作困難。等角螺旋天線在0.25GHz到6GHz的頻帶內(nèi)實現(xiàn)了大于6dB的圓極化帶寬，但是尺寸太大。超寬帶微帶單極子天線設(shè)計一、 超寬帶天線的基本概念顧名思義，超寬帶天線擁有很高的帶寬。目前，有兩種較為流行的超寬帶天線的定義。第一種由DARPA在1990年定義的，其相對帶寬為25%，第二種是最近由FCC定義的，

18、其相對帶寬是20%。Bw=2 (1-l)其中是天線操作頻帶的上端，是對應(yīng)的下端。另外，F(xiàn)CC又把操作帶寬大于等于50OMHz的天線定義為超寬帶天線。按照FCC的標準，天線的操作頻帶的上端和下端分別定義為天線的輻射功率從峰值下降一10dB對應(yīng)的點。嚴格的講，F(xiàn)CC的定義沒有規(guī)定天線的帶寬，因為天線的輻射功率也依賴于發(fā)射功率的頻譜響應(yīng)。1、超寬帶天線的特點在窄帶通信系統(tǒng)里，傳統(tǒng)的天線參數(shù)，例如輸入阻抗匹配、效率、波瓣指向、波瓣寬度、副瓣電平、方向系數(shù)、增益、極化等等，被用來評估天線的技術(shù)性能，因此天線工程師只要根據(jù)這些參數(shù)的確定就能評估天線。但是在超寬帶應(yīng)用中，由于天線發(fā)射窄脈沖序列，系統(tǒng)要求天線

19、的相對帶寬很寬，情況就變得很復(fù)雜，因此超寬帶天線也就有了不同于傳統(tǒng)窄帶、寬帶天線的一些技術(shù)特點，主要表現(xiàn)如下：在工作帶寬內(nèi)要保證UWB天線具有很好的匹配抗，這要求UWB天線在整個工作頻帶內(nèi)駐波電壓比低而平穩(wěn)。駐波電壓比（VSWR）是衡量天線輸入/輸出之間阻抗匹配額的參數(shù)，要求在工作帶寬內(nèi)，駐波電壓比越小越好，既要求天線的反射波很小。同時，在UWB脈沖源輸出端安裝一個隔離器，以減小天線反射波對脈沖源的影響。要使輻射的極窄脈沖波形盡量不失真，盡量減小頻率色散和空間色散，這就要求UWB天線在整個工作頻帶內(nèi)相位中心不變。相位中心的變化可能會導(dǎo)致發(fā)射脈沖失真和接收機的性能變壞。在工作帶寬內(nèi)天線要保證具有

20、高而穩(wěn)定的輻射效率。尤其是對于移動設(shè)備的UWB通信，由于設(shè)備功率受限，則對功率穩(wěn)定性要求更高。如式(1-2)所定義的UWB天線的效率，其中激勵源功率和回波損耗，而且海域源脈沖的頻譜有關(guān)。為了增加輻射效率，在工作帶寬內(nèi)要求源脈沖電路和UWB天線之間有很好的阻抗匹配。 (12)在工作帶寬內(nèi)天線還要保持具有穩(wěn)定的天線增益、極化，在各個頻點上的功率方向圖要大致相同。2、超寬帶天線的主要參數(shù)2.1天線的輸入阻抗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

21、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，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪一個純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50。2.2駐波比它是行波系數(shù)的倒數(shù)，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。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分

22、貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。2.3方向圖方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強度、場強、相位和極化。通常討論在遠場半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場強隨位置方向坐標的變化規(guī)律，并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠場區(qū)確定的，所以又叫遠場方向圖。方向性函數(shù)繪制出的方向圖稱為歸一化方向圖，采用無量綱的相對值或分貝表示。方向圖有二維和三維方向圖。三維方向圖分為

23、球坐標三維方向圖和直角坐標三維方向圖，二維方向圖分為極坐標方向圖和直角坐標方向圖兩種。二、 基于有限元法的電磁仿真技術(shù)HFSS世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)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(jié)果。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。在HFSS的桌面上，你能找到HFSS的全套功能，這是一個可以完全支持基于三維電磁 場設(shè)計的界面。除了直觀的視窗特性外，圖形項目樹提供了廣為熟知的HFSS設(shè)計流

24、 程的傳統(tǒng)風格。利用Ansoftlinks接口設(shè)計師可將HFSS和現(xiàn)有的EDA和MCAD設(shè)計流結(jié) 合起來。利用與 Cadence、Mentor Graphics，Synopsys以及Zuken的接口，還可鏈 接到外部的設(shè)計流，從而支持Hspice、Pspice及Maxwell SPICE 實現(xiàn)精確的寬帶電 路仿真。自動化 ：HFSS能進行全面的全叁數(shù)化設(shè)計，從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及所有后處 理。該軟體強大的叁數(shù)化三維建模能力，和高性能的圖形能力，大大節(jié)省了工程師 的設(shè)計時間。直觀的分析

25、設(shè)置和高級的分析控制確保在全自動化方式下獲得設(shè)計師 所希望的設(shè)計結(jié)果。利用 Optimetrics可自動實現(xiàn)最優(yōu)化和叁數(shù)化掃瞄設(shè)計，且很 容易在桌面上同一項目樹中直接訪問進入。在優(yōu)化設(shè)計分析技術(shù)中增強了敏感性分 析和統(tǒng)計分析功能，其利用HFSS叁數(shù)化分析能力自動設(shè)計分析制造公差帶來的性能 變化。 用戶化 ：HFSS有多個機制允許工程師們根據(jù)自己的需要去制作用戶特定的設(shè)計流程。視窗、 對話方塊、工具欄、甚至菜單均可被用戶通過配量缺省來支持個性化叁數(shù)定義。 使用者可通過主菜單、工具欄、項目樹和文本欄來靈活操作界面命令。另外，通&

26、#160;過腳本語言VB和JavaScript全面控制HFSS和專用化定制。腳本也能支持強大的宏記 錄，可以用來定義叁數(shù)化幾何結(jié)構(gòu)，執(zhí)行用戶分析流程或控制從開始到結(jié)束的整個 設(shè)計流程。 HFSS軟件擁有強大的天線設(shè)計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。Ansoft HFSS提供了一個直觀、易于使用、用于建立任意三維無源器件模型的界面。創(chuàng)建一個設(shè)計包括步驟如下：1、File>New，然后點擊Project>Insert HFSS D

27、esign，新建一個Project。2、HFSS>Solution Type，設(shè)置解算類型，確定如何激勵和收斂。HFSS有三種解算類型，第一種是模式驅(qū)動，根據(jù)波導(dǎo)模式的入射和反射功率表示S參數(shù)矩陣的解；第二種是終端驅(qū)動，根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流表示S參數(shù)矩陣的解；第三種是本征模，求解物理結(jié)構(gòu)的諧振頻率以及這些諧振頻率下的場模式。3、創(chuàng)建互連結(jié)構(gòu)模型。HFSS擁有強大的全參數(shù)三維模型創(chuàng)建功能，簡單的實體建模中，直接使用HFSS中提供的基本圖形即可。4、在創(chuàng)建每一個基本結(jié)構(gòu)單元時，HFSS都會提示確定其屬性，默認的材料特性是真空。5、指定平面設(shè)置邊界條件（HFSS>Boundarie

28、s>Assign）。HFSS有多種邊界條件，在高速設(shè)計中最常用的有，理想電邊界表示電場垂直于表面。理想磁邊界是指電場方向與表面相切；完美匹配層邊界用一種非實際的、阻抗與自由空間相匹配吸收層來模擬開放空間。6、指定端口設(shè)置激勵（HFSS>Excitations>Assign）。HFSS主要有波端口和集中端口，而在高速設(shè)計中，使用波端口的情況比較多。HFSS假定你定義的波端口連接到一個半無限長的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料，每個端口都是獨立地激勵并且在端口中每一個入射模式的平均功率為1W，使用波端口可以計算特性阻抗、復(fù)傳播常數(shù)和S參數(shù)。7、分析設(shè)置。通過HFSS>

29、Analysis Setup>Add Solution Setup可以進行自適應(yīng)頻率和收斂標準的設(shè)置，通過HFSS>Analysis Setup>Add Sweep可以得到互連結(jié)構(gòu)的掃頻響應(yīng)，通常選擇插值掃頻。8、數(shù)據(jù)處理（HFSS>Results）。HFSS具有功能強大又很靈活的數(shù)據(jù)管理和繪圖能力，可以輸出適合于Matlab編程，后綴為.m的S/Y/Z矩陣參數(shù)文件。三、超寬帶微帶單極子天線設(shè)計1、設(shè)計要求1、介質(zhì)厚度1.6mm；2、介質(zhì)常數(shù)4.4；3、微帶饋電；4、貼片輻射；5、離線邊界；6、Wave Port激勵；7、3.1G10.6G帶寬；8、陷波調(diào)頻。2、設(shè)計參數(shù)微帶貼片：圖3-1參考地面：圖3-2圖3-3介質(zhì)層面：圖3-4激勵端口：圖3-5輻射邊界：圖3-63、設(shè)計結(jié)構(gòu)微帶貼片：圖3-7 更改后截圖圖3-8 更改前截圖參考地面：圖3-9 更改后截圖圖3-10 更改前截圖介質(zhì)層