毕业设计论文一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析

泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业 07 级 学生姓名 学 号 070303048 指导教师 职 称 副教授 完成日期 2011年4月 教务处 制一种用于WLAN的双频带微带天线的设计与分析 物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业 指导教师 副教授【摘要】对于频谱的资源日益紧张的现在通讯领域，迫切要求天线具有双极化的功能。 利用Ansoft HFSS设计一个微带天线结构，使其具有双频带特性，微带天线的两个工作中心频率分别为2.4GHZ和5.8GHZ。本文提出并设计一款双频微带天线的结构，借助HFSS软件对该结构进行仿真。经过仿真分析，该天线的谐振频率分别为：2.53GHZ和6.05GHZ的相对带宽分别达到632%和10.8%，满足无线局域网的标准的要求。【关键词】Ansoft HFSS； 微带天线；双频带；无线通讯。目录引言5第一章 微带天线的简介61.1当今天线的发展趋势61.2 微带天线研究的背景61.3双频微带天线的研究意义6第二章 双频微带天线设计72.1双频微带设计的任务72.2双频微带天线设计的基本要求72.3双频微带天线设计方案论证72.4 Ansoft HFSS软件的介绍72.5 Ansoft HFSS设计的流程92.6 Ansoft HFSS可显示的参数92.7 双频微带天线的设计过程 10第三章 双频微带天线的仿真及分析123.1天线的仿真图形123.2改变天线的双缝宽度对天线的影响143.3改变天线的双缝位置对天线的影响173.4天线的改进方向19第四章 微带天线的优化设计204.1 优化设计的定义204.2优化设计的步骤204.3对微带天线的优化设计 204.4优化后微带天线的性能 21第五章 结束语23致谢24参考文献25英文摘要26引言随着微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线要求的提高，和无线通信技术对收发设备要求可以同时在两个或者多个频段工作。在这种背景下，微带双频带天线得到了迅速的发展。无线局域网(WLAN)是计算机网络与无线通信相结合的技术。随着无线通信技术的飞速发展,无线局域网(WLAN)的应用范围越来越广。伴随着无线局域网(WLAN)中各项标准的出台,研制出适用于各种标准的WLAN天线是非常有意义的。根据WLAN标准的要求,WLAN天线应具有小型、频带宽、双频带的特点。而微带天线具有体积小、重量轻、成本低,易与微波集成电路集成的优点,且可以方便地实现天线的双频段、小型化和宽频带非常适合用于实现WLAN天线1。近年来随着无线通信技术的发展,移动终端设备使用越来越广泛无限局域网(WLAN)技术也广泛应用在笔记本电脑中。随着IEEE802.11a(5.155.35GHz,5.7255.825GHz)和802.11b/g(2.42.4835GHz)标准的提出,WLAN得到了迅猛发展，对天线的要求也越来越严格。所设计双频微带天线需要满足IEEE802.11a(5.155.35GHz,5.7255.825GHz)和802.11b/g(2.42.4835GHz)的标准。节约了材料，而且还易于集成2。随着微带天线的应用的增多，采用有效的仿真软件对其研究工作进行仿真计算，或者对实验结果进行验证显得越来越重要。Ansoft HFSS 就是一个界面非常好，计算准确的仿真软件。通过这种软件对微带天线进行仿真计算，得到了与理论比较吻合的仿真结果。本文提出并研究了一种应用于WLAN的双缝微带天线设计方法，该天线利用Rogers RT/duroid 5880（tm）材料的介质板，并采用同轴馈电。将地板置于介质板的一面，而将微带贴片置于介质板的另一面，这样通过微带馈线对缝隙进行耦合，实现微带天线的宽频特性。第一章 微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势 微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来3。为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。1.2 微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。在这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。1.3 双频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必需品4。对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同。微带天线的工作的频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计的灵活也使得微带天线在这些领域中得到广泛的应用。同时，通讯系统也需要宽频带来实现多媒体信息无线传输和接收的高速率。因此，研究双频带天线具有重要意义。第二章 双频带微带天线的设计及方案论证2.1双频带微带天线设计任务利用Ansoft HFSS设计一个微带贴片天线结构，使其分别工作在2.4GHZ和5.8GHZ这两个频段，并利用Ansoft HFSS软件对所设计的天线进行仿真和优化设计。2.2微带双频带微带设计的基本要求要求：所设计的天线结构具有双频带特性，其工作的中心频率分别是2.4GHZ和5.8 GHZ这两个频段，相对带宽能够大于5%，且天线可以实现宽带工作的特性。2.3双频带微带天线设计方案论证 通常，微带天线的设计的主要目标是在指定的工作频率上得到要求的工作特性。为了使微带天线达到这个目标。首先是选择贴片合适的几何形状，在没有特别要求的情况下，我们一般选择矩形贴片，这是因为矩形微带天线不仅容易设计，制作也比较简单，并且还有一系列比较成熟的理论作为研究依据，如分析矩形贴片天线的传输线法，空腔模型法等等。其次，确定天线介质基板的材料和厚度h，这是因为介质板的介电常数，厚度等会直接影响着天线的性能和尺寸。当确定介质基板后，就需要设计的参量为:矩形贴片的长度L和宽带W，双缝的位置和长度l，双缝的宽度w。最后根据所要求的带宽和增益来确定介质板的材料及厚度。实现双频带工作，对于矩形贴片较多的是利用激励多模来获得双频，如图2-1所示，在矩形贴片非辐射边开两条长度不相等、宽带一样的平行缝隙，该平行双缝分割了矩形贴片上的电流，从而改变了其电流的分布，使这个贴片具有双频效应。由于这个模型采用对角线同轴结构馈电，馈电点到四个辐射边的电流路径由于双缝隙的存在而被延长，从而降低理论天线贴片的谐振频率。从同轴线馈送到辐射片的电流因为受到双缝的阻挡，则由这个平行的双缝所围成的区域产生了一个假想的辐射贴片，所以可以通过改变辐射贴片的尺寸大小来改变天线的双频特性5。2.4 Ansoft HFSS 软件的介绍因为微波工程在分析计算和实际设计中具有很大的难度，传统的分析方法只能用来解决少数的简单问题，所以对于高复杂的当代电磁系统微波工程问题，往往是采用近似分析和实验验证，这使得设计的过程通常需要经过反复的设计、计算和调试过程，才能得到比较满意的结果，但却需要一个时间非常长的设计周期。众所周知，当今科技发展的速度如此迅猛，漫长的设计周期显然不能满足工程设计的要求。20世纪六十年代微波分析数值方法的出现，美国Ansoft公司利用该方法，设计了第一款微波电子设计自动化软件HFSS（High Frequency Simulator Structure ）。该软件利用电磁场的有限元法来分析微波工程问题，具有精度高、仿真速度快、可靠性强、稳定性好等优点，由于其自适用网络剖分技术，使HFSS软件成为天线结构设计的首选工具。广泛的应用于航空、航天、电子、半导体和通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种微波结构6。HFSS采用Windows图形用户界面简洁直观；HFSS的使用简单，首先用户只需创建或导入设计模型，其次指定模型的材料属性，然后正确分配模型的边界条件和激励，最后准确定义求解设置，仿真软件就可以根据模型参数计算出输出用户需要的设计结果。用户还可以根据设计的需要对模型进行优化设计、灵敏度分析、参数扫描分析和统计分析等操作。 图2-1 Ansoft HFSS 的用户界面2.5 HFSS设计流程7（1） 启动HFSS软件，新建一个设计工程，保存路径必须全英文；（2） 选择求解类型，包括模式驱动求解（Driven Modal）、终端驱动求解(Driven Terminal)、本征模求解(Eigenmode)；（3） 创建设计模型，构造准确的结构模型、设定好模型的材料属性；（4） 设置边界条件和激励；边界条件主要包括：理想导体边界（Perfect E）、辐射边界条件（Radiation)；激励主要包括波端口激励、集总端口激励；（5） 求解设置包括定义求解频率，扫频范围；（6） 设计检查、运行仿真计算；（7） 数据处理，查看计算结果，包括S参数、增益大小、场分布、辐射方向图；（8） 进行优化设计得到最优解； 自适应网格剖分和求解过程新建HFSS设计工程求解网格剖分细化设置求解类型 否结果是否收敛?扫描分析确定材料属性创建设计模型 设置边界条件设置端口激励 是 是是否需要扫频分析 求解设置定义求解频率，扫频范围 否数据后处理，查看S参数、场分布图等计算结果 图2-2 HFSS 设计的流程2.6 Ansoft HFSS可显示的参数：（1）S、Y、Z等参数矩阵；（2）电压驻波比（VSWR）；（3）端口阻抗和传播常数；（4）电磁场分布和电流分布；（5）谐振频率和品质因素Q；（6）天线辐射方向图和各种天线的参数：增益、方向性、回波损耗、波束宽度；（7）比吸收率（SAR）；2.7 双频带微带天线的设计过程（1） 选择介质板 该天线介质板材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，从理论上分析，接地板可以看做无限大，但是在实际设计中，考虑到天线的重量、尺寸及其制作成本等诸多因素，接地板的尺寸应该尽可能小，所以介质尺寸为60mm*50mm*3mm。（2） 尺寸的计算8 在普通的矩形微带天线的设计中，一般可以根据所要求的带宽和增益来确定介质板的材料和厚度。根据天线所工作的中心频率，由以下公式可以求出辐射片的尺寸： (1) (2) (3)式子（1）式子（3）中：W和L分别是辐射单元的宽度和长度；L为线伸长度；是介质的等效介电常数。当VSWR2.0的时候，微带天线的带宽的一般公式为： （4）式子（4）：为天线的中心频率；h为介质基板的厚度。（3） 天线的尺寸安排天线介质板材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，从理论上分析，接地板可以看做无限大，但是在实际设计中，考虑到天线的重量、尺寸及其制作成本等诸多因素，接地板的尺寸应该尽可能小，所以：介质尺寸为60mm*50mm*3mm；贴片的尺寸为50mm*60mm；平行双缝的尺寸分别为：长宽=25mm*2mm 及长宽=37.5mm*2mm。天线的结构图如图2-3所示:图2-3 同轴线缝隙负载贴片天线结构的俯视图和侧视图第三章 双频带微带天线的仿真及分析3.1 双频带微带天线的仿真图形 利用Ansoft HFSS 11对上述的双频带微带天线进行仿真，我们可以得到天线的回波损耗图形、电压驻波比（VSWR）图形、三维场强分布图形、天线的平面方向图形及微带天线的模型图分别如图3-1，图3-2，图3-3，图3-4，图3-5所示。图3-1 微带天线的回波损耗图3-2 微带天线的电压驻波比图3-3 微带天线三维场强图图3-4（1） f=2.4GHZ 微带天线的平面方向图图3-4（2）f=5.8GHZ 微带天线的平面方向图图3-5 微带天线的模型图从图3-1和图3-2中可以看出，在VSWR3.0时，天线的工作频率分别为2.45GHZ到2.61GHZ和5.75GHZ到6.30GHZ，天线的两个中心频率分别为2.53HZ和6.05GHZ。其相对带宽分别为：6.32%和10.8%，满足了天线的双频工作的要求，且天线可以实现宽带工作的特性。由微带天线的平面方向图3-4（1）和图3-4（2）中可以看出，当频率为2.4GHZ的时候，天线的主辐射方向为15，此时天线的增益为8.5dB；当频率5.8GHZ的时候，天线的主辐射方向为0，此时天线的增益为11.6dB。3.2 双缝的宽度对天线的影响首先，调整天线的双缝的宽带，并对其进行仿真。下面是对天线仿真的结果分析：双缝的宽带（mm）2.4GHZ的回波损耗（db）5.8GHZ的回波损耗（db）2.4GHZ的相对带宽(MHZ)5.8GHZ的相对带宽(MHZ)1-24-11100502-17-231002003-18-17801504-10-2611250取微带天线的双缝宽度为3mm，利用Ansoft HFSS软件进行仿真，并分析改变双缝宽度对双频微带天线的回波损耗、电压驻波比、三维场强图、平面方向图、增益、中心频率、带宽等方面的影响。我们可以得到改变双缝宽度后天线的模型图、回波损耗图形、电压驻波比（VSWR）图形、三维场强分布图形及天线的平面方向图形图分别如图3-6，图3-7，图3-8，图3-9，图3-10所示。图3-6 改变微带天线双缝宽度后的模型图图3-7 改变双缝宽度后的回波损耗图3-8 改变双缝宽度后的电压驻波比图3-9 改变双缝宽度后的三维场强分布图图3-10（1） f=2.40GHZ 改变双缝宽度后的平面方向图图3-10（2）f=5.8GHZ 改变双缝宽度后的平面方向图由图3-7和图3-8中可以看出，改变双缝的宽度使天线的中心频率向右偏移，2.40GHZ的带宽有所减小，但5.8GHZ的带宽却有所增加。从图3-10（1）和图3-10（2）中可以看出：当频率为2.4GHZ的时候，天线的主辐射方向为15，此时天线的增益为7.7dB，增益有所下降；当频率5.8GHZ的时候，天线的主辐射方向为25，此时天线的增益为18dB，增益有所增加。3.3 改变微带天线的双缝位置对天线的影响 将微带天线的双缝位置向中间靠拢，左边的缝隙向右移动5mm，右边的缝隙向左移动5mm，然后利用Ansoft HFSS软件进行仿真，并分析改变双缝位置对双频微带天线的回波损耗、电压驻波比、三维场强图、平面方向图、增益、中心频率、带宽等方面的影响。我们可以得到改变双缝位置后天线的模型图、回波损耗图形、电压驻波比（VSWR）图形、三维场强分布图形及天线的平面方向图分别如图3-11，图3-12，图3-13，图3-14，图3-15所示。图3-11 改变双缝位置后的微带天线模型图图3-12 改变双缝位置后的回波损耗图3-13 改变双缝位置后的电压驻波比图3-14 改变双缝位置后的三维场强分布图图3-15 （1）f=2.40GHZ改变双缝位置后的平面方向图图3-15（2） f=5.80GHZ 改变双缝位置后的平面方向图由图3-12和图3-13中可以看出，改变双缝的宽度使天线在2.40GHZ处的带宽有所减小，中心频率向右偏移；在5.80GHZ处的中心频率没多大改变，但带宽急剧减小。从图3-10（1）和图3-10（2）中可以看出：当频率为2.4GHZ的时候，天线的主辐射方向为15，此时天线的增益为5.8dB，增益有所下降；当频率5.8GHZ的时候，天线的主辐射方向为30，此时天线的增益为20dB，增益有所增加。3.4 天线的改进方向从上文的探索分析可以得知，因为平行双缝的延伸方向和电流的方向是平行的，所以对该模型的形状进行调整对微带天线的频率影响不是非常显著。但该模型可以对双缝的位置和宽带进行调整来获得比较好的激化特性和辐射性能。第四章 微带天线的优化设计4.1 优化设计的定义 优化设计是指Ansoft HFSS软件结合Optimetrics模块在一定的约束条件下，根据某一个特定的优化算法对所设计模型的某些参数进行调整，从所有可能的设计变化中寻找出一个可以满足设计要求的数值。94.2 优化设计的步骤1） 需要明确设计的要求或者设计的目标；2） 根据设计的要求创建初始结构模型、定义设计变量，构造目标函数；3） 指定优化算法进行优化。4.3对微带天线的优化设计设计的三个变量a，b对微带天线频带抑制范围和回拨损耗大小的影响都比较明显，接下来对2个变量进行逐一优化。4.31 对决定左边缝隙位置的变量a的优化 设置变量。a的优化范围为18mm20mm，优化算法选择SNP，迭代计算次数为15，目标函数取S11的最大值。优化分析结束后，查看优化结果如图所示：图4-1 a优化设计结果的示意图 从显示的优化结果可以看出除了第15次迭代计算的目标函数S11绝对值最大，此时a=18.83mm.4.32 对决定右边缝隙位置的变量b的优化设置变量b的优化范围为47.5mm48.5mm，优化算法选择SNP，迭代计算次数为15，目标函数取S11的最大值。优化分析结束后，查看优化结果如图所示：图4-2 b优化设计结果示意图 从显示的优化结果可以看出第7次迭代计算的目标函数S11绝对值最大，对应的优化变量b=48.05mm.4.4 优化后的微带天线的性能由上述的优化设计结果可知，当a=18.83mm，b=48.05mm时，天线在2.4GHZ5.80GHZ的频带抑制功能最好。接下来将变量设定为上述优化值，查看天线的各项性能。 图4-3 优化后天线的回波损耗图4-4 优化后天线的电压驻波比 图4-3和图4-4中可以看出了该天线的回波损耗（S11）随频率的变化曲线，可以看出天线在2.4GHz2.6GHz，5.6GHz6.0GHz具有良好的阻抗匹配，符合微带无线通信的应用频段。第五章 结束语 本文所设计的微带天线采用平行非对称双缝结构，来实现天线的双频工作特性，并考察分析了双缝的位置和宽度对天线的整体性能的影响。通过利用Ansoft HFSS软件对天线进行仿真分析可以得出，在天线的相对带宽满足了宽度天线的工作指标要求，改变天线双缝的宽度对天线的整体性能具有一定的影响，但是双缝的宽带为2mm的时候，天线已经具有较好的性能了，但是改变双缝位置对天线的整体性能具有较大的影响。因此选择通过改变天线双缝的位置，使天线能够更好的满足天线设计指标的要求。经过优化天线的整体性能有较大的提高，更好的满足天线的设计要求。本文所设计的天线结构简单，易于工业生产，且天线的工作性能良好，在天线工程中具有一定的使用价值。致谢 大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。 该设计是在余燕忠老师的细心指导下顺利完成的，余老师工作严谨细致、循循善诱的教导，在整个设计的过程中为我们提供了巨大的帮助，让本人少走了许多弯路，使整个设计过程顺利了许多。还要感谢同组的其他同学在天线设计方面对我的帮助和支持。正是有了他们的帮助让我毕业设计做得更加完美。在此谨向他们表示衷心的感谢！ 最后向所有关心和帮助过我的人表示真心的感谢。 参考文献（） 马小玲，丁丁.宽频带微带天线技术及其应用M.北京：人民邮电出版社，2006.5-6（） 张磊.应用于WLAN的宽带介质谐振天线和双频微带天线的设计D.大连海事大学.2008.（） 张林中，周东方，牛忠霞.特高频微带天线的尺寸优化N.信息工程学报，2005-6-3(11).（） 21世纪电子网.小型宽度开口缝隙天线设计DB/OL.2010.（） 汪仲清，刘湘梅，邵建兴.一种双频微带天线的设计与分析J.重庆邮电大学学报，2009,21(3):2-3。（） 曹善勇.磁场分析与应用实例M.北京：中国水利水电出版社，2009.21-23.（） 李明洋.HFSS电磁仿真设计详解M.北京：人民邮电出版社，2010.1-2.（） 林昌禄.天线工程手册M.北京：电子工业出版社，2002（） Ansoft公司.hfss_v9_overieW_training（hfss9培训教材）Z.2004.英文摘要Design and anlysis of a dual-band microstrip antennna for WLAN appicationSchool of Physics & Information Engineering 07 class electronics information science and technology 070303048 liuwenjiefaculty adviser Yanzhong Yu associate professorAbstract: With the lack of spectrum resource in nowadays communications field,it Urgently requires antenna have dual-polarized function.Using Ansoft HFSS design a microstrip antenna structure , let it have dual-frequency properties , Microstrip antennas two working Central frequency are 2.4 GHZ and 5.8 GHZ. This paper brings up and designs a dual-frequency microstrip antennas structure,using hfss software simulate the structure. Through analyzing the simulation ,the antennas resonant frequency are: 2.53GHZ and 6.05GHZ, Relative bandwidth are 632%and10.8%, Meeting the wireless local area networkS Standard need.Key words: Ansoft HFSS; microstrip antenna; dual-band; wireless communication.26