一种矩形微带天线设计

毕 业 论 文学生姓名学 号院 (系)专 业电子信息工程题 目一种矩形微带天线设计指导教师 2012年5月摘 要:微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视，已经被广泛应用在1OOMHz1OOGHz的宽广频域上的大量的无线电设备中。微带贴片天线是微带天线的一种基本类型，是一种谐振型天线，通常只在谐振频率附近工作。设计这种天线首先要保证它的谐振频率不能发生偏离。贴片的形状可以是任意的，但是能计算出辐射特性的几何形状是很有限的，本文选用矩形贴片来研究微带天线。本文首先介绍了微带天线比较常用的几种分析方法以及辐射原理，然后根据已有的经验公式，再结合高频结构仿真器(High Frequency StructureSimulator)HFSS设计了一款中心频率为2.44GHz的无线局域网矩形微带天线。本论文给出了详细的设计流程：根据理论经验公式初步计算出矩形微带天线的尺寸，然后在HFSS里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离2.44GHz为止。微带天线固有的缺陷是窄带性，它的窄带性主要是受尺寸的影响，本文在不改变天线中心频率的前提下，通过理论经验公式与仿真软件的结合，给出了微带天线比较合理的尺寸。由驻波比仿真结果，可以看出在2.42GHz-2.46GHz频率范围内，驻波比VSWR2，符合设计要求；由天线的增益仿真结果，可以看出天线在工作频率处的增益略小于8dB，基本符合设计要求。关键词:微带贴片天线,HFSS,矩形微带天线,驻波比,增益Abstract：Microstrip antennas with its small volume, light weight, low profile, and other unique advantages caused wide related field The attention, has been 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 from 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 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 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 antenna 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 Dont change the antenna center frequency, under the premise of through the theory and simulation software of empirical 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 seen 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 录1 绪论41.1 课题研究背景及意义41.2 微带天线的特点41.3 微带天线的分类52 微带天线理论52.1 微带天线的分析方法52.2 微带天线设计的方法92.3 展宽微带天线频带和提高增益的主要方法123 矩形微带贴片天线133.1 结构和设计要求143.2 矩形微带贴片天线的辐射原理143.3 矩形微带天线尺寸的确定153.4 天线设计软件HFSS的简单介绍184 基于HFSS的无线局域网矩形微带天线设计184.1 设计要求184.2 设计步骤184.4 设计结论26总结27参考文献28致 谢291 绪论1.1 课题研究背景及意义微带天线是20世纪70年代出现的一种新型天线形式。早在1953年,美国的Deschamp s教授已提出微带辐射器的设想,但当时的集成技术和介质基片材料尚未趋于完善,因此未能取得较大的进步。直到20世纪70年代初期,当微带传输线的理论模型和光刻敷铜的介质基片技术发展成熟之后,实际的微带天线才制作出来。微带天线由于其重量轻、制作简单、成本低， 可贴合于物体表面及适合组阵等的特点， 自70年代开始发展以来受到广泛欢迎。它特别适用于各种移动地面设备如移动通信、无线电话、接收机等及飞行体设备如卫星、火箭、无人机等。微带天线可有各种形状, 本文介绍一种基本矩形微带天线的设计及分析, 其中“ 基本”是指形状为正规矩形, 且只工作于最低振荡模式的天线。我国也高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，中国“北斗”导航系统建成运行，成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用在测绘、电信、水利、交通运输、减灾救灾和国家安全等诸多领域，经济效益和社会效益显著，特别是在2008年我国南方冰冻灾害、汶川特大地震抗震救灾和北京奥运会中发挥出非常重要的作用。预计我国的“北斗在2012年覆盖我国及周边地区区域的导航服务，2020年完成全球的部署。在卫星导航系统中，天线作为接收和发射电磁波的设备，是无线通信的一个关键部件，国内很多研究院和高校都在进行卫星定位天线的研究。一般的用在卫星导航系统上的天线，对其大小和形状都有比较严格的规定，一般选用体积小且重量较轻的天线，另外，在卫星导航系统中，为了能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星信号，人们希望所用的天线是全向天线。微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、全向性、能与载体共性等独特的优点，在卫星导航系统中有很多应用。1.2 微带天线的特点与常用的微波天线相比,微带天线具有如下优点:重量轻、体积小、剖面薄的平面结构,可以做成共形天线；制造成本低,易于大量生产；可以做得很薄,因此,不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动,天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；天线的散射截面较小；稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋) ；比较容易制成双频率工作的天线；不需要背腔；微带天线适合于组合式设计(固体器件,如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上) ；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。微带天线也有一些缺点:频带窄；有损耗,因而增益较低;大多数微带天线只向半空间辐射;最大增益实际上受限制(约为20dB ) ;馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。目前,采用一些办法可以克服某些缺点。例如,只要在设计过程中注意截止频率远高于使用频率就可抑制或消除表面波。1.3 微带天线的分类如前面所述，微带天线从不同角度可以分成很多种类。一般说来，微带天线的基本类型分为四大类：微带振子天线、微带缝隙天线、微带行波天线以及微带贴片天线。其中微带振子天线、微带缝隙天线以及微带贴片天线是谐振型天线，有特定的谐振尺寸，通常只能在谐振频率附近工作；微带行波天线是非谐振型天线，它的末端需要加匹配负载来保证传输行波。微带振子天线主要分为两种类型：一种是细线振子天线，是把细线振子镶嵌在一个介质基片上，这个介质基片比较薄，然后把介质基片接地。细线振子的直径远小于波长，横截面是圆形的，其长度与波长可以比拟。另一种是矩形微带振子天线，它的结构与矩形微带贴片天线很相似，可看成是由矩形窄条构成的。微带行波天线一般为传输特殊模式的结构或为周期结构。它在传输电波的同时不断的向空中辐射。微带行波天线有很多类型：TE模微带行波天线，壁垒形天线，链形微带行波天线、周期切割微带行波天线等。微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。2 微带天线理论2.1 微带天线的分析方法微带天线在进行工程设计时，与其他天线一样需要对天线的一系列性能参数进行预算，这种做法可以使天线的制作质量和效率大大提高，并且可以使研制成本大大的降低。近年来许多作者致力于这种理论工作的研究，获得了显著的成就。如今比较成熟的分析微带天线的方法有很多，比如格林函数法、积分法、传输线法、腔模理论和矩量法等，这些方法各有长短互相补充。每种方法并不是千篇一律的，每种方法可能只适合一种或几种微带天线。通常使用的微带天线的带宽都比较窄，主要是因为其输入阻抗对频率的变化比较敏感，又因为微带贴片天线是通常只工作在谐振频率附近，所以研究微带天线的阻抗特性和谐振频率就显得十分关键，它也是评价分析方法好坏的一个重要依据。用以上各种方法分析微带天线的方向图，除特殊情况外，得到的结果最后都差不多是一致的，尤其是主波束，所以以下我们主要介绍微带天线输入阻抗的分析方法。2.1.1 传输线模型法传输线模型法是出现比较早的分析微带天线的方法，也是众多方法中最简单的方法。这种方法的前提是采用了两条基本假设，这里将根据图2-1这种方法的物理模型来介绍两条基本假设：(1)假设在由接地板和微带片构成的微带传输线上传输的是准TEM波，而波的传输方向由馈电点决定，把准TEM波的波长用A。来表示，线段长度L的值大约为半个波长，即L=A2。场的分布在垂直方向(图中对应的是宽度方向)上是常数，而在传输方向上为驻波分布的。(2)把传输线的始端和末端看作是两个辐射缝隙，长度是图中的h，宽度是图中的W，传输线的开口端的场强即为缝隙的口径场。如果把缝的平面看成与微带片的平面共面，那么开口面就从原来的方向向上翻转了90。图2-1 传输线法物理模型根据两条基本假设，当时，两个缝隙的切向电场都为图中的x方向，并且它们的幅度是相同的。把它们等效看作是磁流，这里有接地板的作用，根据镜像原理，可将缝隙上等效的磁流密度用下面的表达式表示出来： (21)这种方法的方便之处就是，因为缝隙已经平放，所以在计算上半空间的辐射场时，可以按照自由空间来处理。传输线法在各种方法中是最直观最简单的方法，它是利用端缝辐射的概念简单明了的说明了辐射机理，但是这种方法也有它的局限所在，由于传输线模式的限制，只适合应用矩形微带天线贴片天线和微带振子天线。对于矩形微带贴片天线，传输线模式其实就相当于腔莫理论中的基膜，在谐振频率处，场的分布情况与实际情况很靠近，计算参量在工程精度要求之内，但是当失谐大时，计算的场分布与实际情况相差就比较大了，这时计算结果就不准确了。现在已经针对基本的传输线法对谐振频率预测不够准确这一问题提出了一些修正方法，比如等效伸长微带片的长度，这种方法可以有效的将误差减小到1以内。除此以外，传输线法还有一个主要缺点，输入阻抗随着频率变化的曲线除了在谐振点准确以外，在其他频率上都不准确。这主要是因为传输线的模型是一维的，所以当馈电点的位置在图中的宽度方向也就是与波的垂直方向上变化时，它的阻抗值并不会跟着发生改变；另外由于传输线模型可看成是单震荡回路，所以阻抗特性在谐振频点附近是关于谐振频点对称的，阻抗曲线用圆图表示出来是关于实轴对称的，以上这两点都是与实验很不相吻合的。实验验证表明，馈电点的二维位置决定着阻抗曲线的变化，实验表明，当馈电点在边缘时，阻抗陆线是对称分布的，当馈电点的位置移向中心时，不对称现象就会变得明显，这种实测与计算的偏差是因为微带天线除了最低阶的传输线模式以外，还存在着其他高次模式场，一旦失谐，这些高次模式就会凸显出来。一般说来，传输线法比较适合用于在辐射边附近馈电，而且要求馈电点位于该边的对称轴上，在这种情况下计算出来的阻抗曲线才有较大的参考价值。2.1.2 矩量法(MOM)应用矩量法来分析微带天线是常用的方法。矩量法(method of moment)在电磁场分析中有着广泛的应用，其概念很简单，基本上是用未知场的积分方法去计算给定煤质中场的分布。在微带天线用矩量法计算时，有谱域矩量法和空间域矩量法两个相对的概念。也就是在我们在用矩量法求解时，所进行的计算是在谱域进行的还是在空间域进行的。因为应用在微带天线上的积分方程实际上是一个空间域的积分方程，用矩量法在空间域计算好像是直截了当的，所以应该称之为空间域矩量法更为准确。但不要忘记了在积分方程中还有格林函数的存在，格林函数的最严格的表示方式为无限谱，所以运算也有可能是在谱域进行的。只有在格林函数没有涉及到谱域表达方式的情况下，才可以看作是纯粹意义上的空间域矩量法n副。由于接地板与微带片之间存在基片，不通过谱域变换就直接建立空间，格林函数是难以实现的。所以在运用空间域矩量法时常常采用一些近似的步骤，比如介质板的修正、空气介质微带的近场等。这种方法一般是和积分方程法结合起来分析微带天线的，而由于积分方程法发展的比较晚，但是又由于它的使用灵活性和严格性，目前正受到国内外许多作者的关注。从矩量法的原理上看，运用矩量法的关键在于基函数和权函数的选取上。基函数和权函数的选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函数。选取基函数时，应尽量应用有关未知函数的先验知识，使所选择的基函数尽可能接近未知量的真实解，并且满足边界条件，这样方程的收敛较快，广义阻抗矩阵也不容易出现病态情况。跟有限元等方法相比，矩量法对计算机内存和计算能力的要求要小的多。基函数的选择一般分为全域基函数和分域基函数。全域基函数是指基函数系列fn(x)和未知函数f的定义域相同。一般来说，若在自变量的定义域上，未知函数能分解为一组线性无关的解析函数，其中每一个都能满足规定的边界条件时，就可以选择全域基函数。显然，它的限制比较严格。而分域基函数则是把f 的定义域分为若干个子域，在每个子域上定义一个基函数fn(x)，典型的分域基函数有脉冲函数，三角函数和分段正弦函数等。这种基函数选取方法的优点在于，它只有在边缘区域才需要满足边界条件，因而这种方法就更为灵活。2.1.3 有限元法有限元法的数学处理是在1943年由Courant 所提出来的，直到1968年才用于电磁场的数值计算问题。有限元法是建立在变分基础上的，其基本构想是将由偏微分方程表征的整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。这些基函数在各自的单元内解析，在其他区域内为零，这样可以用分片解析函数代替全域解析函数。对于二维问题，单元的划分可以取三角形、矩形等，其中三角形单元适应性最广；对于三维问题，单元可取作为四面体、六面体等等，其中四面体应用更加灵活。Ansoft 公司的HFSS 软件就是选取四面体作为空间单元。有限元法在每个单元中规定合适的基函数，由于相邻单元有公共结点，在该结点上有唯一的函数值，因此分片解析函数通过这些单元间的公共顶点联系起来，拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价便可化为代数方程求解。有限元法的优点在于：有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、激励的广泛适应性；有限元法基于变分原理，将数理方程求解变成代数方程组的求解，因此非常简易；有限元法采用矩阵形式和单元组装方法，其各环节易于标准化，程序通用性强，且有较高的计算精度，便于编制程序和维护，适宜于制作商业软件。当前，使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件主要是：Ansoft HFSS。有限元法是从里兹变分法发展起来的，它的基本原理是：把连续的区域分成有限个不重叠的单元，在每个单元内提出一个基函数，每个单元内的基函数只在本单元内解析，最后把所有单元组合起来，这种组合区域是原有区域的近似。有限元法可以采用不同形状来划分区域，对于二维的问题，可以用矩形域、三角形等形状来划分区域，其中应用最广的是采用三角形域。对三维问题而言，单元可以用六面体、四面体等来取得。每个单元的具体形状没有一定的要求，可以根据具体的问题来灵活的处理。下图表示二维问题单元采用三角形划分。图2-2 有限元法单元的划分2.2 微带天线设计的方法 2.2.1 天线加载 在微带天线上加载短路探针（shorting post）如图2-3所示： 图2-3 加载短路探针的微带天线通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，这时天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置，此外天线的尺寸可缩减50%以上。其缺点主要是：阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及与馈电点的距离；还有带宽变窄，H面的交叉极化电平相对较高。 如果将短路探针替换为低阻抗的切片电阻（chip resistor），可以在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。当加载电阻变大，天线的品质因数降低，带宽拓宽，但这些性能的提高是以牺牲增益为代价。此外加载切片电容（chip capacitor）也可以有效降低谐振频率，减小天线尺寸，但带宽有所减小。 2.2.2 采用特殊材料基片一般矩形微带天线的谐振频率关系式用下式表示： （2.2）式（2.2）中c为光速，a为贴片的等效长度，为有效介电常数。天线的谐振频率固定时，尺寸与成反比，介电常数变大，天线的尺寸将减小。由于微带天线的增益也随相对介电常数的增大而减小，这样就限制了高介电常数材料的应用范围。可以通过覆盖适当厚度的更高介电常数材料或采用寄生贴片可提高天线增益，但这又会增大体积和造价。 采用铁氧体材料制成的微带天线在实现了天线小型化的同时，还能够使频带在较宽的范围内可调（可高达40%），但铁氧体在微波频段损耗很大。高温超导材料HTS（high temperature superconductor）基片以及光电子带阵PGB（photonic band-gap）基片有极低的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，兼提高天线增益，减弱阵元间互耦的效果。 2.2.3 曲流技术 图2给出了一种开槽天线，图3为开槽前后贴片表面电流分布。当在贴片表面开不同形式的的槽或细缝时，切断了表面电流的路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。这类天线其特点是：随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会影响性能的劣化，其中带宽和增益尤为明显。如何解除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。 图2-4 开槽微带贴片天线 图2-5 开槽前后贴片表面电流分布示意图 2.2.4 附加有源网络 缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低，可以利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸减小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性：工作频带宽、增益高、方向性好、便于实现阻抗匹配、易实施天线方向图、具有单元间弱互耦的潜能。图2-6给出一种有源加载微带天线。有源电路置于接地板一侧通过探针对贴片进行馈电，这样可以减小电路的寄生辐射。 图2-6 有源加载微带贴片天线2.2.5 采用特殊形式 这种方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的，近年来由于无线通信的需求，有大量方案的提出，如蝶形、倒F形、L形、E形、Y形、双C形、层叠短路贴片等。 2.3 展宽微带天线频带和提高增益的主要方法 2.3.1 微带天线发展近况及频带展宽的基本方法频带特性：近年来所开发并经优化设计的双层贴片和U型槽贴片, 无论在探针或槽孔藕合的馈电方式下都获得高达40%的阻抗匹配微带, 使制约贴片频带的因素转化为辐射方向性和极化特性仅达20%以上。此外, 微带贴片结构可实现较窄频带的双频或多频工作, 其下一目标是获得大频率比和可控频率比的双宽频带特性。极化特性：各种利用贴片形状微扰、切槽加载和多馈点组合等技术实现的圆极化天线在固定波束的角域内可提供宽频带、高极化纯度的性能。困难的是在宽频带、宽角域内保持高极化纯度, 以适应固态有源相控阵辐射单元的要求。此外, 为了用于极化分集或收发极化隔离的系统, 已制成多种型式的双馈双正交极化微带贴片单元, 但性能受制于阵列环境和馈线布局、其极化隔离度还有待改进。小型化：在较低频采用加短路片或销、切曲折槽和介质谐振加载等技术措施, 可做到1：4的缩尺率, 但频带较窄, 辐射性能有所降低。在微波毫米波单片集成系统中, 高介电常数的基片使贴片的几何尺寸进一步缩小, 困难转化为如何抑制相对电厚的基片中存在的表面波效应。近年来出现的“ 光电子带隙”基片材料可以有效地抑制表面波, 解除了用较厚基片的限制, 并可提高天线的增益、减弱阵元之间的互耦。馈线网络：采用探针或槽孔藕合的背馈方式将辐射部分域馈线部分借接地板隔开, 是优先考虑的结构方案。微带线馈电网络会引人明显的导电损耗和色散性非色散的带状线不便与电路集成一体介质波导馈电的方案则另辟蹊径而受到重视。空间功率合成的有源阵将各辐射单元直接与传输接收组件连接, 减少了馈线长度, 接收通道的放大器还可补偿其传输损耗, 将成为大规模阵列系统的发展主流。从目前的情况来看, 展宽微带天线的带宽方法主要有以下几种：（1）修改等效谐振电路微带天线之所以频带窄、效率低, 因为微带天线实质上接近于封闭的谐振系统, 当谐振时可实现匹配, 而当频率偏离谐振时, 会由于电抗分量急剧变动而出现失配。（2）在同轴探针的顶部附加小的平板电容对微带贴片天线进行馈电。2.3.2 其它展宽微带天线频带的方法 （一） 改变贴片结构 这种方法包括：采用多贴片结构，电磁耦合馈电；在贴片或接地板上开槽；在电路中采用非线性调制元件，如变容二极管。 采用多贴片结构，它是通过寄生耦合，利用每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各个谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。根据类似的原理已研制成了多层贴片构成的微带天线。但这样会增加微带天线的厚度。 在微带贴片天线的不同位置开不同形状的槽或缝隙，可等效成引人阻抗匹配元件，使微带天线的馈电端形成多级的等效谐振电路，从而实现频带的展宽。使用这一方法的一个成功的例子是微带U型槽天线，U型槽微带天线中心频率1815MHz，相对带宽达到27.5%。 （二） 采用特殊基片 这种方法包括：采用楔形或阶梯形基板；采用非线性基板材料。 用非线性基板材料也可以拓宽微带天线的频带，如采用铁氧体材料作为基板材料，其电磁特性可显著缩小天线尺寸，还有铁氧体具有非线性的色散特性，其有效磁导率随频率的升高而减低，由实验知铁氧体基板的微带天线具有多谐特性，可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，从而实现展宽微带天线的带宽。但采用铁氧体其损耗较大，效率较低。 （三） 运用加载技术 加载微带天线是通过加载电阻的方法引入欧姆损耗，降低天线的品质因数，从而有效增加天线带宽。通常的加载微带天线是由加载短路销钉的微带天线演化而来的，将加载的短路销钉换成一个低阻抗（如1 ）的贴片电阻，这时天线的谐振频率和加载销钉的微带天线相比几乎不变，而天线的带宽会有显著的提高。但这种加载方法的主要缺点是天线的效率较低，增益比不加的常规微带天线低10dB以上。 2.3.3 提高增益技术 微带天线的另一个主要缺点是低增益特性。近年来人们对关于如何提高微带天线增益的问题展开了大量研究工作。主要方法有：（1）在贴片上面加盖介质层。这种方法是通过调整介质基片和加盖介质层的厚度值，可以在任意期望角度上获得较高的增益。（2）采用与辐射单元一体化设计技术制称的有源微带天线。这种方法把微波固态放大器引入微带天线中，集天线和有源器件于一体，使微带天线获得额外的增益。此外，低次模可得带宽，高次模可以有高增益。因此带宽的增加是以增益的牺牲为代价的，反之也一样。 3 矩形微带贴片天线3.1 结构和设计要求矩形微带贴片天线的结构图如图3-1所示：设计时要考虑的参数包括：介质板厚度h，辐射元宽度W，辐射元长度L，基板宽度WG，基板板长度LG，基板相对介电常数f，和损耗正切tan6。图中的馈线是侧馈的微带线，矩形微带贴片天线除了这种馈电方式外，还有后面将要介绍到的用同轴接头的芯线穿过接地面和介质板的背馈来激励。每个使用部门或使用者，在设计之前都会根据需要提出一系列的技术指标，这些技术指标主要包括以下几点：(1)驻波比，通常规定驻波比小于2，通过驻波比进而考察阻抗特性。(2)方向特性，也就是增益G，波束宽度以及方向性系数D。(3)频带宽度以及中心工作频率。(4)外部调整的手段一般指的是输入阻抗和中心工作频率的可调性。(5)极化特性，线极化时通常给定允许的交叉极化电平。(6)环境条件下的工作特性，一般包括在给定的高低温、低气压、湿度、冲击、振动等条件下必须满足的各项机械和电气的性能指标。图3-1 矩形微带贴片天线示意图为了更好了满足提出的设计要求，也为了提高研究效率，降低研制成本，常常需要用实验和理论结合的方法。3.2 矩形微带贴片天线的辐射原理采用的分析微带天线的方法不同，辐射原理也不同。这里将用传输线模型法来介绍矩形微带贴片天线的辐射原理盼幻。这可以从图2-3简单说明，根据传输线理论，场在宽度和厚度方向上是常数，仅在长度方向上有变化，其场分布图如图3-2所示。在两端的电场相对于接地板可分为的法向分量和切向分量，根据传输线理论的两条基本假设，法向分量方向相反，所产生的远区场相消；水平分量方向相同，所产生的远区场相叠加。根据以上分析，贴片可以等效为两个相距A2、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙，如图3-3所示。 图3-2 辐射场分布图 图3-3 等效辐射场图3.3 矩形微带天线尺寸的确定3.3.1 确定介质板设计微带天线，首先应该从介质板的选取着手，选定以后接下来应该确定介质板的厚度。这是因为基板材料的相对介电常数s，和损耗正切tans值以及介质板的厚度h还会直接影响微带天线的一系列性能指标：(1)基板厚度h对频带的影响在第一章绪论中，我们提到了频带窄是微带天线的固有的缺陷，具体到矩形微带贴片天线，这种缺陷的形成可以理解成是它的两个辐射缝隙之间的传输阻抗值太小，一般只有1D 10Q。随着h的增大，传输线的特性阻抗也会增大，频带也会随着变宽。当厚度h与波长满足h16关系时，VSWR2的频带宽度的经验公式为：上式中介质板厚度h是以英寸为单位的频率h是以GHz为单位的。一般我们习惯把介质板厚度h的单位用毫米来表示，这样上面的式子就可以改写成：(2)基板厚度h对体积和重量的影响在前面腔模理论中介绍了矩形微带贴片天线主要工作于主模。，贴片长度L近似为2，其中L表示的是介质内的波长，它与自由空间波长的关系为。表示的是有效介电常数，它可以用下面的式子表示出来：，是相对介电常数，由此可以看出介质的相对介电常数决定了贴片长度的值。当贴片的长度和宽度的值确定以后，基板的厚度直接决定着天线的重量和体积。一般说来，如果使天线在较低的频段工作时，而且限制了安装的天线的面积和体积，应该选用，比较大的基板为好。(3)基板厚度h对效率的影响增加基板厚度的同时也会增加辐射效率，当采用=25的基板，工作于400MH的天线，若h=O.079 ，效率为65%；当=0.38 时，效率为85%,证明了这一结论。上面提到的几个因素并不是独立的，都是互相制约的，比如增加基板的厚度可以提高效率和使频带展宽，但是另一方面基板厚度的增加不仅会破坏微带天线低剖面的特性还会增加天线的体积和重量，这对于飞行器天线的应用是行不通的。其实并不存在方方面面都理想的基板材料，设计者应用时就要根据自己的具体要求来取舍，目前，国内外可供使用的微带天线基板的材料如下表2-1给出：表3-1 微带天线的基板材料3.3.2 确定辐射片宽度形在介质基板厚度和材料选定以后，接下来应该确定的是辐射单元宽度W的尺寸，从上文公式可以知道当h和，为已知数时，缈的值决定了有效介电常数s的值。一方面宽度的尺寸影响着微带天线的辐射电阻、输入阻抗以及方向性函数，从而就会影响辐射效率和频带的宽度；另一方面，它的尺寸还直接与微带天线总的尺寸有关系。如果在允许的安装尺寸下，可以把宽度取的适当大一些，因为大尺寸的宽度对阻抗匹配、效率以及频带都是很有利的，但是也不能一味的增大宽度的尺寸，因为当宽度的尺寸大于下式给出的尺寸时就会产生高次模，从而导致场的畸变性。上式中，是谐振频率，C是光速。由上式可知W总是取小于2的值。3.3.3 确定辐射片长度L按照传输线理论，辐射片的长度应该取2，但是考虑到边缘场的影响，L的尺寸还应该从2中减去2L，即L的表达式为:3.3.4 确定基板尺寸矩形微带贴片天线有两种馈电方式：背馈和侧馈，后面将会介绍到。这里的基板尺寸指的是图中的WG和LG。前人已经有相关实验表明，贴片辐射场主要集中在辐射边附近比较小的区域内，介质板向外延伸过多也不会对辐射场的场分布造成很大的影响考虑到安装面积和成本，LG和WG的尺寸应尽可能的小一些。通过实验验证，辐射元两边分别向外延伸10就可以了。所以，对于背馈可取: LG=L+0.2；对于侧馈，WG=W+0.2；而LG则要根据馈线及阻抗变换器的配置来确定。3.4 天线设计软件HFSS的简单介绍Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件， 可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场， 可直接得到特征阻抗、传播常数、S 参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域， 以帮助客户设计世界一流的产品。仿真设计过程： （1） 设定HFSS 软件运行参数， 如设定解算类型、模型规模单位等； （2） 根据天线设计指标及计算所得的天线参数获得天线的仿真模型； （3） 设置天线仿真模型的分析参数， 如解算频率、扫描模式、扫描次数、起始频率、终止频率等； （4） 根据仿真模型获得天线的特性参数， 并对结果进行分析。4 基于HFSS的无线局域网矩形微带天线设计本文设计的矩形微带贴片天线的中心频率为2.44GHz，在实际应用中，为了使天线的发射功率损耗达到最低的要求，一般就要求天线的输入阻抗与天线的馈线有较好的匹配。微带天线的结构虽然简单，但是为了达到预定的要求，一般而言，在实际制作天线的过程中，我们需要对天线的各种参数进行调整，修改。一方面为了提高天线制作的效率，减少调整、修改的时间，另一方面也为了节省天线制作的成本。目前，应用于天线的仿真软件已有多种，本文应用HFSS软件进行仿真。4.1 设计要求天线的工作频率=2.44GHz在工作频率处S11=40MHz带宽内驻波比VSWR8dB4.2 设计步骤a）对于介质基板厚度h、相对介电常数，天线的中心工作频率，矩形贴片的实用宽度W为：其中，c为真空中的光速。当然，也可以选择其它的宽度。但是，当选用大于上式的宽度时，虽然天线的辐射效率会提高，但天线将可能产生高次模，从而引起场的畸变，恶化辐射方向图，如果选用小于上式的宽度，则会引起天线辐射效率的降低，故一般情况下矩形贴片单元的宽度最好选取上式确定的值。b）确定了矩形微带贴片的宽度W后，则介质基板的相对有效介电常数为：c）确定微带贴片天线边缘场引起的等效伸长长度，此长度可以由下式确定：d）微带天线长度的确定矩形贴片天线单元的长度在理论上选取有效波长的一半，但由于天线边缘场的影响，单元长度的经验值应从中减去2倍等效伸长长度，即e）馈电方式的确定及阻抗匹配对微带天线的直接馈电方式基本上分成如下图一所示的背馈和侧馈两种。一般情况下，当工作于相同的频率时，侧馈所需的面积大于背馈。这是因为侧馈时，微带单元的谐振输入阻抗Rin至少都在100以上，为使和特性阻抗为50欧姆的馈线系统相匹配，阻抗变换器是不可缺少的，这样一来就增加了天线的面积。因此，当天线单元的面积受到限制时以选背馈为宜。a 背馈 b 侧馈当选定了馈电方式后，我们就要着手实现馈源与天线间的阻抗匹配。这对于背馈来说就是选择馈电点的位置。由下式可以知道矩形微带天线沿长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，式中Rin为侧馈时的输入电阻，是背馈点距离侧边的距离。由传输线法可知在侧边牙已知情况下，谐振输入电阻为:结合上面两式可以估算出背馈点的位置Y0：f）介质板尺寸的确定微带贴片天线辐射的口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质板的过多向外延伸对场的分布没有明显的影响，因此介质板的尺寸不必取的过大，实验表明沿辐射元各边向外延伸0/10即可，所以介质板的宽度为：对于利用同轴线底馈的情况，介质板的长度为：这里我们选择聚四氟乙烯类材料，因为聚四氟乙烯类材料是目前比较常用的基片材料，这种基片材料的特点是价格比较便宜且性能比较稳定。本设计用到的介质基片特性参数是r=2.2; h=3.2mm; tan=0.0005。根据以上设计步骤可以粗略计算出微带天线的长度L，宽度W，馈电位置。按计算的结果用HFSS建模，并进行优化后的微带天线的尺寸为：L=38.6mm; W=29mm; =5mm; Lg=50mm; Wg=40mm。 微带天线的模型如下图所示：天线的各项性能参数的仿真结果如下：天线的S11仿真结果天线的驻波比VSWR仿真结果2.44GHz处天线的总辐射2.44GHz处天线的E面辐射方向图2.44GHz处天线的H面辐射方向图2.44GHz处天线的总的3D辐射方向图2.44GHz处天线的E面3D辐射方向图2.44GHz处天线的H面3D辐射方向图4.4 设计结论由S11仿真结果可以看到，天线的工作频率=2.44GHz，工作频率处反射系数S11=-27.78 dB，S1110dB的带宽为45MHz,符合设计要求；由驻波比仿真结果，可以看出在2.42GHz-2.46GHz频率范围内，驻波比VSWR2，符合设计要求；由天线的增益仿真结果，可以看出天线在工作频率处的增益略小于8dB，基本符合设计要求。总结本文主要工作是在理论知识的基础上，结合当今流行的三维电磁场仿真软件HFSS，设计了一款用于无线局域网频率为2.44GHz的矩形微带贴片天线，利用HFSS仿真软件完成了模型的建立，并在仿真的基础上对这款矩形微带贴片天线的辐射方向图，驻波比，输入阻抗等电参数进行了分析。本文还是存在很多不足，首先本文设计的微带天线的相对频带宽度只有为3.44，虽然微带天线是窄带器件，带宽通常只有0.6至3，但是已经有很多人着手了展宽天线带宽方法的研究，并取得了一定的成绩。其次，由于实验条件有限，并没有对所设计的天线进行加工制作测量，这是本文最大的不足。未来主要的工作主要是针对本文的不足之处做出努力，争取使设计的天线各个方面的性能达到最佳。参考文献1王新新，微带天线频带展宽方法的研究：【J】山东：山东大学，200732张钧等编著微带天线理论与工程【M】.北京国防工业出版社，1988：42433秦文奕，卫星导航系统接收机天线小型化研究：【J】哈尔滨：哈尔滨工业大学，20054王增和，卢春兰，钱祖平等天线与电波传播【M】北京：机械工业出版社，20037 2145金颖，宽波束微带天线的研究：【J】西安：西安电子科技大学，20056 KChang，RF and microwave wireless systems，New Y0rk：Wney7 Hiroyuki Ohmine，Yonehiko Sunahara，Makoto MatsunagaAn Annular-Ring Microstrip Antenna Fed by a Co-Planar Feed Circuit for mobile satellite communication useIEEE transactions on antennas and propagation,v0145，no6,June 1997，ppl001-10088尹金锒微带天线的多频化与宽频化研究：【J】浙江：浙江大学，200659范琪凯超宽带天线的研究和仿真：【J】哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006210钟顺时微带大线理论与应用【M】西安：西安电子科技人学出版，199111张剑矩形微带贴片天线(MPA)原理介绍及EDA设计【J】集成电路通讯，2008，26(3)31-37致 谢在我大学最后一个阶段，在这个终于顺利撰写完成我的毕业论文的时候，在这里，首先我要感谢的是我的母校对我的栽培，衷心地祝愿我所留恋的母校，在建设和谐校园、平安校园的过程中，取得丰硕的成果，在今后取得更好的成绩；其次我要感谢所有帮助过我的老师，而我特别要感谢的是我的指导老师待人非常和蔼可亲老师，在我做毕业设计过程中，对我的积极鼓励和十分耐心、细致的指导，给我许多非常有益的帮助，使我的论文由十分粗糙，结构和思路相当混乱的状态(老师给了我许多积极的鼓励，并提供给了我许多有益的指导和热心帮助大的在思路框架的建构的指导，小的在语言组织的表达完善，细到一个标点的修改。多次修改的情况下)逐渐转变成为论点比较明确、思路比较清晰、材料能有序排列的比较完善的论文。因而我要特别感谢老师对我的指导。可以这么说，没有我的指导老师，我的毕业论文不会那么顺利地完成。真心地祝愿徐老师以后在事业上取得更为辉煌的成就，为我等晚辈做出更好的引航作用；在这里我还要感谢所有帮助过我的同学，特别是要对我三个可爱的室友表示我最真诚的感谢，在我完成大学最后的也是最重要的作业毕业设计时，他们给了我很大的鼓励和帮助，我的毕业设计，也在你们的帮助下更加完善，更加规范。特别是在写论文的时候，是你们的检查才让我发现自己论文的错误与不足，并加以修改。再一次对你们表示感谢！30