基于HFSS微带天线设计毕业论文设计

| 浏览次数:| 关键词: 微带 设计 天线

 烟 台 大 学 毕 业 论 文(设 计)

  基于 HFSS 的微带天线设计 Microstrip antenna design based on HFSS

  申请学位:

 工学学士学位

 院 系:

 光电科学技术与信息学院

  烟台大学毕业论文(设计)任务书 院(系):光电信息科学技术学院 姓名

 学号

 毕业 届别 2012 专业 通信工程 毕业论文(设计)题目 基于 HFSS 的微带天线设计 指导教师

 学历 本科 职称 副教授 所学专业 通信工程 主要内容:

 论文介绍了天线的基本概念,大致介绍了天线的几个基本参数及接受、发射信号的原理。通过性能、形状、分类及其发展方向简单介绍了微带天线,并对其结构和辐射原理进行了简单的分析。使用HFSS仿真软件,对微带天线进行了仿真分析。

 基本要求:

 着重培养解决实际问题的能力及初步的理论研究能力,查阅文献资料、调查收集信息的能力,进行综合概括的能力实验结果分析与比较处理的能力,外文阅读、计算机应用能力,撰写毕业设计论文的能力。

 主要参考资料:

 [1] 宋铮,张建华等.天线与电波传播[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003 [2] 吴沅.微带天线的崛起,知识就是力量[D],2002 [3] 阮志彬,赵建军,刘景顺.矩形微带天线的设计及分析.无线电工程[J],2000 [4] 夏达.微带帖片天线的仿真分析和优化[D],2007

 进度安排 第一阶段:1-3 周向导师请教确定课题并查询资料。

 第二阶段:4-9 周在导师的指导下确定设计方案和实现方法。

 第三阶段:10-13 周根据方案完成软件仿真,并撰写毕业论文。

 第四阶段:14 周定稿,打印论文并参加答辩。

 指导教师(签字):

  2012 年

 5 月 20

  日 院(系)意见:

 教学院长(主任)(签字):

  年

 月

 日 备注:

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  [摘要]天线作为无线收发系统的一部分,其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。近年来内置天线在移动终端数量日益庞大的同时功能也日益强大,对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求。由于不同的通信网络间的频段差异较大,所以怎样使天线能够覆盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计内置天线的主要问题。微带天线具有体积小,重量轻,剖面薄,易于加工等诸多优点,得到广泛的研究与应用。微带天线的带宽通常小于3%,在无线通信技术中,对天线的带宽有了更高的要求;而电路集成度提高,系统对天线的体积有了更高的要求。

 随着技术的进步,在不同领域对于天线的各个要求越来越高,所以对微带天线的尺寸与性能的分析有着重要的作用。对此,本文使用 HFSS 软件研究了微带天线的设计方法,论文介绍及分析了天线的基本概念和相关性能参数,重点对微带天线进行了研究。

 本文介绍了微带天线的分析方法,并使用 HFSS 软件的天线仿真功能,对简单的微带天线进行了仿真和分析。

 [关键词] 微带天线

 设计

 分析

 HFSS

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  [Abstract]Antenna as part of the wireless transceiver system, its performance has an important impact on the overall performance of a system. Internal antenna in recent years an increasingly large number of mobile terminals while also increasingly powerful, and also have higher requirements on network coverage and miniaturization of the antenna Band differences between the different communication networks, how to make the antennas can cover band and also has a small enough size is the main problem of the design built-in antenna. Microstrip antenna with small size, light weight, thin profile, easy to process many advantages, extensive research and application. Microstrip antenna bandwidth is typically less than 3% have higher requirements on the bandwidth of the antenna in wireless communication technology; improve the integration of the circuit have higher requirements on the size of the antenna. As technology advances in different areas for various requirements of the antenna higher and higher, so the analysis of microstrip antenna size and performance plays an important role. Article uses HFSS microstrip antenna design, the paper introduces and analyzes the basic concepts and performance parameters of the antenna, with emphasis on the microstrip antenna. This article describes the analysis of the microstrip antenna and antenna simulation in HFSS simulation and analysis functions, simple microstrip antenna.

 [Key Words]Microstrip antenna

 design

 analysis

 HFSS

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  目 目

 录 1

 绪 论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景 ................................................................................................................... 1 1.2

 微带天线的发展 .................................................................................................................. 1 2 天线的基本概念及原理 ....................................................................................................... 3 2.1

 天线的基本概念 .................................................................................................................. 3 2.2

 天线辐射原理 ...................................................................................................................... 3 2.3

 天线的基本参数 .................................................................................................................. 4 2.3.1 天线的极化 .................................................................................................................. 4 2.3.2 天线方向图的概念 ...................................................................................................... 5 2.3.3 天线输入阻抗的计算方法 .......................................................................................... 6 2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽度 .............................................................................. 6 2.3.5 天线的驻波比 .............................................................................................................. 7 3 微带天线概述 ............................................................................................................................. 9 3.1

  微带天线的简介 ................................................................................................................ 9 3.1.1 微带天线结构与分类 ............................................................................................ 9 3.1.2

 微带天线的性能 .................................................................................................... 9 3.1.3

 微带天线的形状 .................................................................................................. 10 3.2 微带天线的分析方法 .................................................................................................. 10 3.2.1

 物理模型 .................................................................................................................. 10 3.2.2

 辐射原理 ............................................................................................................... 10 3.2.3 微带天线的结构 ........................................................................................................ 10 4 微带天线的相关理论及实例仿真 ..................................................................................... 14 4.1

 微带天线的基本理论 ........................................................................................................ 14 4.2

 微带天线的仿真 ................................................................................................................ 14 4.3

 HFSS

 对具体实例的仿真 ................................................................................................. 14 4.3.1 选取微带天线模型 .................................................................................................... 14 4.3.2 HFSS 的仿真过程 ..................................................................................................... 16 4.3.3 仿真结果 .................................................................................................................... 17 4.3.4 结论分析 .................................................................................................................... 19 结 结

 语 ....................................................................................................................................... 20 致 致

 谢 ....................................................................................................................................... 20 参考文献 ....................................................................................................................................... 22

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 绪 论 1.1 课题研究背景

  天线作为无线收发系统的一部分,其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。近年来内置天线在移动终端数量日益庞大的同时功能也日益强大,对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求。由于不同的通信网络间的频段差异较大,所以怎样使天线能够覆盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计内置天线的主要问题。微带天线具有体积小,重量轻,剖面薄,易于加工等诸多优点,得到广泛的研究与应用。微带天线的带宽通常小于 3%,在无线通信技术中,对天线的带宽有了更高的要求;而电路集成度提高,系统对天线的体积有了更高的要求。

 微带天线(Microstrip antenna)是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线,随着科技的进步、空间技术的发展和低剖面天线的需求,使微带天线进一步发展。

 和普通的天线相比,微带天线有这些优点:体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形;易于实现线极化和圆极化,容易实现双频段、双极化等多功能工作 [1] ;微带天线散射截面较小;易于集成微带线路,成本低,易于大规模生产。微带天线已得到越来越多的关注,已用于约100MHz~100GHz的宽广频域,包括卫星通信,雷达,制导武器以及便携无线电设备等的使用。为了实现更优秀的带宽及增益,可以使用相同结构的微带天线组成微带天线阵列。然而,微带天线的主要缺点是 [2] :频带窄;有导体和电介质损耗,会激励表面波,导致辐射效率较低;方向系数较低;单个的微带天线的功率容量小;性能受基片材料的影响大。

 1.2 微带天线的发展 微带天线问世时间不长,在 20 世纪 70 年代初研制成功最早具有实用价值的微带天线。微带天线具有很多突出的优点,使微带天线在短短几十年中快速发展。在卫星通信,指挥和控制系统,多普勒雷达,卫星导航接收机,遥测导弹,武器信管等许多领域,微带天线占领着举足轻重的地位 [3] 。

 微带天线正在逐步应用于较低的频段中,如 VHF/ VHF 波段,使它不止在厘米波和毫米波波段有所作为。这些频段正是目前迅速发展的移动通信,无线调制解调器等常用的频段。

 微带天线的小型化是微带天线的方向发展之一 [4] 。有三种方法可以减小微带天线的尺寸:

 一是采用高介电常数介质。天线的谐振频率一定,介电常数与天线的尺寸成反比,但是由于微带天线的增益和带宽也随Σ的增大而减小,限制了这种方法的应用;二是采用短路探针,附加额外的短路探针并把它靠近馈电探针时,可以显著减小贴片的大小;这是减小尺寸最明显的方式,其原理是利用短路探针和同轴探针之间形成强耦合,等效于一个电容负载,进行阻抗补偿,但短路探针和馈电探针之间距离很近,对输入阻抗的特性影响非

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 常敏感,难以处理和调试,另外,这种天线的频带窄,增益低,也限制了其应用; 三是在微带贴片上开槽以延长贴片的表面电流路径,从而降低了天线的谐振频率,这是目前小型化技术的主要方法,开槽不仅降低了天线的谐振频率,而且还保证了一定的增益和带宽,对天线性能没有大的影响,容易实现圆极化和双频双极化特性。

  近年来,许多研究已发表许多小型圆极化的微带天线。这些天线实现了圆极化辐射而且尽可能的减小了天线的尺寸,尺寸减小最大可以达到大约50%,但这样导致天线的增益很低。所以在保证高增益的基础上尽可能的减小天线尺寸是研究的方向。近年来出现的“光电子带隙的PGB(Photonic Band-Gap)”基片材料可有效地抑制表面波,解除了用较厚基片的限制,提高天线的增益,削弱了阵元之间的相互耦合。

 微带线馈线网络是另一个方向的研究 [5] 。优先的结构方案是采用探针的背馈方式将辐射部分借接地板隔开。介质波导馈电的方案,为了减少馈线的长度将各辐射单元直接连接在传输/接收组件上,接收通道放大器还可以补偿传输损耗,将成为大规模阵列系统发展的主流。

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 天线的基本概念及原理 天线是一个用于发送和接收电磁波的重要的无线电设备,没有天线就没有无线电通信。不同种类的天线适用于不同用途,不同场合,不同频率,不同要求等不同情况;天线种类繁多,可按照一定特征进行分类:根据用途分类,可分为通信天线,雷达天线等;根据工作频段分类,可分为短波天线,超短波天线,微波天线等。

 2.1 天线的基本概念 天线无处不在。所有的无线电设备都需要使用无线电波来开展的工作,天线在作发射时,它将电路中的高频电流转换为极化的电磁波,发射向规定的方向;作接收时,则将来自特定方向的极化的电磁波转换为电路中的高频电流。

 所以天线的功能主要有 [6] :

 (1) 能量转换 对于发射天线,天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。对于接收天线,传输到接收机上的由天线接收的电磁能量应尽可能转换为电路中的高频电流能量;天线和发射机或接收机应该尽可能良好的匹配。

 (2) 定向辐射或接收 发射及接受天线的辐射电磁能量应集中在指定的方向,尽可能的不接收来自其它方向的电磁波,不要将能量损失在别的方向上,否则接收所需信号的同时,还有可能接收到不同方向的其它信号,造成不必要的干扰。所以好的天线一定需要具有良好的方向性。在接收距离过远的信号时,必须采用定向性好、增益高的天线。

 (3) 应有适当的极化 天线发送或接收的电磁波一定是规定极化的,不同极化的电磁波无法互相接收或接收会损失大部分能量。

 (4) 天线应有一定的工作频段 任何天线都有一定的工作频段。天线的接收和发送是相互的。由互易原理,天线和馈电网络中如果没有非线性器件,那么用同一天线来发射和接收电磁波时,基本特征保持不变,所以可以使用分析发射天线的方法分析接收天线特性。

 2.2 天线辐射原理 天线是用于发射或接收无线电波的装置,在很久以前科学家们就证实了只有天线才能将带有信息的无线电波传送出去,也只有天线才能将外界的无线电波接收进来,所以在无线电波的传播过程中天线的作用显而易见。作为辐射体,天线在辐射电磁波时,须要具备以下条件 [7] :

 (1)电流源输入到天线上,其频率必须很高。高频电流才可以产生高速变化的电场,在周围建立强大的位移电流,并在附近产生出时间推移而变化的强磁场,这个强磁场又会在附近产生变化的磁场,在空间中互相推进。场强一定,波源频率与位移电流成正比,与

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 能量辐射也成正比,而静态电场或磁场不会变化,它的频率为零,不产生辐射。低频场变化缓慢,低频电磁辐射也较弱。所以必须使用高频以产生有效辐射。

 (2)天线的结构:并不是任意带电物体都会产生电磁波并且辐射电磁波。要使波源从辐射体辐射出有效的能量,使能量脱离辐射体,必须它的结构是一个带电的开放系统。就是说这个辐射体若要辐射能量,必须将它做成偶合形、开放形传导结构,否则产生的辐射会非常微弱甚至无法辐射。

 电磁波辐射是导线带有交变电流而形成的,导线的长度、形状决定了辐射能力。如果两根导线的位置非常接近,则两导线相互抵消了感应电动势,从而产生的辐射非常微弱。如果将两导线分开,由于电流方向相同,在同一方向产生感应电动势,从而产生较强的辐射。当波长远大于导线长度L时,电流减小,辐射极弱。

 导线上的电流随导线的长度增大而增大,当导线长度增大到可与波长相比时,则能够形成强大的辐射,称为振子。如图2.1:

 图2.1

 振子辐射图

 对于不同种类的天线,他们的发射能力和特性指标各不相同。但每一种天线都既可以做发射天线也可以做接收天线,这是它们的主要特点之一,这就是天线的互易原理。

 2.3 天线的基本参数 要了解天线知识,就需要了解天线的基本参数。

 对于衡量天线性能的一些指标,就需要运用天线的参数来描述。设计与仿真微带天线时,往往需要一些指标来指导设计者进行天线设计,例如天线的极化、方向图形状、输入阻抗、工作频率和频带宽度、驻波比等。

 通过定义天线的各个参数可以描述天线的性能。接下来介绍天线设计中的一些重要参数 [8] 。

 2.3.1 天线的极化 电磁波电场矢量的空间指向就是电磁波的极化方向。

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 电磁波的极化是指在空间的一点上,顺着电磁波的传播方向,它的电场矢量在空间的方向随时间变化而形成的轨迹。根据形成的轨迹是直线、圆或椭圆分为线极化、圆极化和椭圆极化。

 图 2-2 为电磁波电场矢量在空间的方向随时间变化而形成的轨迹曲线。

  (a) 线极化

 (b) 圆极化或椭圆极化

 (c) 极化椭圆

 图2.2

  电磁波的极化可以确定天线的极化。天线的极化定义为:最大增益方向发射的电磁波的极化,或能使天线终端在接收电磁波时得到可用范围内最大功率的方向入射电磁波的极化。天线可根据不同形式的极化分为线性极化天线和圆极化天线。椭圆极化波就是在传播过程中的方向是旋转的电波。若旋转过程中电场的大小不变,则称之为圆极化波。按传播方向为顺时针或逆时针旋转又分为右旋圆极化波和左旋圆极化波。不同的极化波作接收时,天线需要具有相应的极化特性。用垂直极化波作接收时,天线需要具有垂直极化特性;用水平极化波作接收时,天线需要具有水平极化特性;用右旋极化波作接收时,天线需要具有右旋极化特性;用左旋极化波作接收时,天线需要具有左旋极化特性。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致就会在接收过程中会产生相应的极化损失,接收天线的极化方向和传入波的极化方向正交时,接收天线将无法收到来波的任何能量,这种情况就被称为来波和接收天线极化是相隔离的。

 2.3.2 天线方向图的概念 天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形被称为天线方向图,由天线方向图便可了解天线的辐射特性。天线方向图普遍是在远场区域确定的,所以天线方向图又称为远场方向图。辐射特性有功率,场强,极化和相位。因此,天线方向图被分为功率,场强,极化和相位四种方向图。这里主要涉及场强和功率方向图。通过两个途径可绘制出天线方向图:第一,分析天线远区辐射场得到方向图的函数,从而计算和绘制方向图;第二,实验测量得到天线方向图的数据,根据数据绘制出方向图。

 远区辐射电磁场大都可以表示为:

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 0e( , )j rE E fr 

 ( 2. 1)

 0EH

 (2. 2) 式中,E θ 是电场强度的θ分量,它与坐标无关,与激励有关; H φ

 是磁场强度φ的分量,; f (θ,φ) 为天线的方向图函数;r 为以天线上一点到某点间的距离;η 0

 = 0 0 /  = 120  为自由空间波阻抗;β= 2  /λ 为相位常数。

 归一化方向图函数表示为:

 ( , )( , )( , )m mfFf   

 (2. 3) 式中, ( θm ,φm ) 为天线最大辐射方向, f (θm ,φm ) 为方向图函数的最大值。由式(2. 1)和(2. 2)得出两个值相等,由此得出天线的辐射场方向图由 f (θ,φ) 和F (θ,φ) 构成。

 天线方向图为一个三维空间的曲面图形,它描述了电场强度在空间的分布情况。通常是通过描述最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图的方法来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面在线极化天线中取为E面和H面。

 E面:是指通过天线最大辐射方向并与电场矢量平行的平面。

 H面:是指通过天线最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面。

 E面和H面互相正交。

 2.3.3 天线输入阻抗的计算方法 天线和馈线的连接端,称为天线的输入阻抗。为了使天线的输入阻抗尽可能是纯电阻,应使电抗分量趋近于零,否则从天线到馈线的有效信号功率会受到输入阻抗的电抗分量的影响而减少。

 天线的输入阻抗可由公式计算:

 UIAZ (射频电压)(射频电流)

  (2. 4) 天线的输入阻抗讨论的目的是对天线和馈线实行匹配,天线与馈线连接的最有利的情况是天线的输入阻抗是纯电阻,电阻应该等于传输线的特性阻抗,当天线输入阻抗存在电抗成分,电阻部分是不等于传输线的特性阻抗,必须匹配网络,以得到天线与馈线的良好匹配 [9] 。

 天线的输入阻抗受到诸多因素的影响,比如天线的结构,馈电点的位置,其工作频率,几何尺寸,天气条件以及周围的环境等。天线的输入阻抗在天线的设计和应用里是被关注的一个参数。

 2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽度

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 天线的共振频率是使天线的输入阻抗为零频率的电抗分量,称为天线的谐振频率。

 天线在移动通信系统的应用中,频带宽度通常根据驻波比SWR

 S 11 ≤-10dB )来定义天线的工作频带宽度。假设天线的最高工作频率为 f max ,最低工作频率为 f min ,对于窄频带天线,采用相对带宽 [(f max-f min)/f 0 ]ⅹ100% 来表示其频带宽度。

 一般的,天线在其工作频带宽度内,它的性能在各个频率点上会产生不同,造成在可接受范围内的性能下降。

 2.3.5 天线的驻波比 驻波比是天线系统的重要特性参数,它表达了对天线与馈线之间的匹配程度状态。由于入射波能量传输到天线的输入末端没有被吸收,产生的反射波,叠加形成了驻波比。驻波比与反射成正比,当它们的值越小,它们的匹配越好。

 馈线上的电流或电压的最大值与电流或电压的最小值之比,称为驻波比。公式表示为:

 max maxmin minII USU 

 (2. 5) 图2.3反映出了驻波比的定义:

  天线 B 馈线 A N Z m

 Z C A B U min U max Z AZ l T U

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  图2.3 驻波比

 显然驻波比越小越好。若S=1,则天线与馈线完全匹配,不存在能量反射。在实际的工作中,这一指标几乎不可能达到。S=1 只是理想数值。在实际工作中测量这两个参数时一般都是S>1。

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 微带天线概述 3.1

 微带天线的简介 3.1.1 微带天线结构与分类

  微带天线是近 30 年来逐渐发展起来的一类新型天线。常用的一类微带天线是在一个薄介质基上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片,利用微带线和轴线探针对贴片馈电,这就构成了微带天线。

 如下图 3.1,矩形微带天线元的长为 L,宽为 W2,可看作由一般低阻传输线连接两个辐射缝组合而成。L 为 λg/2 时,在低阻传输线两端形成两个缝隙,向外辐射。

 还有一类微带天线叫做微带缝隙天线。它将上述接地板刻出缝隙,而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。

 微带天线可以按结构特征分为微带缝隙天线和微带贴片天线;按形状分为圆形、矩形、环形微带天线等。按工作原理可分成驻波型和行波型微带天线。驻波型天线只工作在谐振频率附近,有特定的谐振尺寸;行波型天线末端加匹配负载来保证传输行波,它没有谐振尺寸的限制 [10] 。如图3.1

  图3.1 微带贴片天线

 3.1.2

 微带天线的性能

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 微带天线一般情况下应用于1~50GHz的频率范围内,也有用于几十GHz的特殊天线。相比于普通的天线,微带天线有如下优点 [11] :

 (1) 重量轻,体积小,低剖面,能与载体共形。

 (2)电性能多样化。微带元的最大辐射方向根据设计的不同,可以从边射到端射范围内任意调整;容易得到各种极化。

 (3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。

 3.1.3

 微带天线的形状 贴片的形状多种多样,在实际应用中根据不同的性能要求和不同的安装条件,要使用的微带贴片天线形状也各不相同。因此,对各种形状的微带贴片天线进行分析,就是为了能使微带天线适用于各种特殊的用途。

 3.2 微带天线的分析方法

 在对天线的性能参数进行预先估算之后才可以进行微带天线的设计,这样做有助于提高高天线研制的质量和效率。有许多种分析微带天线进行估算的方法。以下将介绍一般的微带天线的分析方法。

 3.2.1

 物理模型 传输线方法的基本假设:(1)一般微带传输线由微带片和接地板构成,传输准TEM波。波的传输方向决定于馈电点。线段长度为1≈λg/2,准TEM波的波长为λg。传输方向是驻波分布,其垂直方向为常数。(2)传输线的两个开口端可以看做两个辐射缝,长为W,宽为h,传输线的开口端场强为缝的径场。缝平面可看做是在位于微带片两端所延伸的面。

 3.2.2

 辐射原理 微带天线中的尺寸远远小于波长,所以天线的剖面低,这样有利于共形设计,并且可以保证优良的空气动力特性。图 3.1 所示的微带天线元可以看作是由传输线连接两个辐射缝组合而成。微带馈线扩展其宽度 W1 为 W2 而成为低特性阻抗的传输线,其长度 L 为半个微带波长,即 λg/2。两个低阻抗传输线的两端,形成了两个缝隙,电场被分解为两个分量,En 垂直于接地板,E1 平行与接地板,因为 L=λG/2,所以辐射源的垂直方向上,水平分量可以得到最大辐射,垂直分量相互抵消而为零。

 接地面平行于裂缝平面,水平电场 Ey 激励裂缝。

 EY 沿着裂缝均匀分布。Ey 与 x 方向的磁流等效。沿 z 方向裂缝面的法向单位矢量为磁流密度。考虑地平面反射的影响,裂纹宽度 h<λ 且沿 y 方向的 y 同样是常数,所以裂缝辐射与磁流强度 Im 等效。

 3.2.3

 微带天线的结构

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  图3.1

 矩形微带天线结构及传输模式等效电路 [12]

 矩形微带天线的结构及传输模式等效电路如图3.1所示。图中,L×W为辐射体的尺寸; L 1

 馈电点到近边的距离; h为介质基片的厚度; tanδ为基板损耗角; Zc 为传输线特征阻抗; Ys 为等效终端导纳。

 (1)特征阻抗 Z C

 及等效介电常数ε re

 应用Atwater归纳的公式:设 W r

 =W/h,则:

 21 1 10.508(1 ) exp( 0.2346 )2 2 1 12.166/r rre r r rrW WW            (3. 1)    0.989 1.796 0.994 5.8 60ln1.269r rCr rreW WZW W         

  (3. 2)

 在Wr=0.01-10,ε r

 =2-13 时误差<1%。实际应用中Wr 将超出此范围,但通过实验证明,用此公式计算造成的误差很小。同时这里给出的re 是直流相对介电常数。

 (2)边缘辐射槽的等效延伸长度△l 计算边缘辐射槽的等效延伸长度应用了关于开路微带线等效长度公式;计算边缘终端导纳时将应用计算边缘辐射槽的等效延伸长度。

 1 2 3 4 5lh    

  (3. 3)     0.81 0.854410.81 0.85440.26 0.2360.4349070.189 0.87re rre rWW  

  (3. 4)

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 0.371212.358 1rrW 

 (3. 5)

  21.9413/ 130.92360.5274tan 0.0841rreW 

  (3. 6)      1 1.45641 0.0373tan 0.067 6 5exp 0.036 1r reW        

  (3. 7)

  51 0.218exp 7.5rW    

  (3. 8)

 (3) 终端导纳 通过终端导纳描述了边缘辐射槽特性,可表示成y s =G s +jB s

 , 其中

 B s

 为槽的边缘场产生的等效容性电纳; G s

 为单一辐射槽辐射能量的等效电导。

 对于 G s

 ,可应用公式:

 2 20 0 01 91 1.32 0.68cos 4.8590 16csL W WG                              

 (3. 9)

 上式 L C =L+ △ l 微带天线尺寸的关系公式 [13] :

 121 1 1212 2r rehW      

  (3. 10)       0.3 0.2640.4120.258 0.8eeWlhW hh  

  (3. 11)

 上式 W 和 h为图3.1中已知的微带天线尺寸参数,△l为边缘辐射槽的等效延伸长度,ε r 为材料的介电常数。

 微带天线尺寸的理论公式 [14] :

 1212 2rrcWf    

 (3. 12)

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 13

 22r ecL lf   

 (3. 13) 上式 f r

 是天线的工作频率,c 为光速。

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 4 微带天线的相关理论及实例仿真 4.1 微带天线的基本理论 分析微带天线的方法可分为两类 [15] :一模型简单但精确性不足的简化分析模型,适用于简单的天线结构;二是计算复杂但精确的全波分析模型,它适用于各种微带天线的分析。

 (1) 简化分析模型

 简化的分析模型包括传输线模型,空腔模型,多端口网络模型;其中多端口网络模型是由空腔模型发展而来的。这些模型是由一些合理的解释,以简化对问题的分析。由于简化分析模型的分析简单,虽然精确性略有不足,但在天线设计的实际应用中已被广泛使用。

 (2) 全波分析模型 任何结构、任何厚度的微带天线都可以通过全波分析方法,即通常所说的积分方程法来处理。根据积分变量处理方法的不同,积分方程又可分为谱域矩量法和空间域矩量法。近年来,全波分析依靠它的通用性和精确性,逐步占据了微带天线分析领域的主导地位,已被用于分析各种结构天线的问题。

 4.2 微带天线的仿真 微波系统的设计越来越复杂,电路的尺寸越来越小,电路指标要求越来越高,电路的功能越来越多,而设计周期越来越短 [16] 。

 麦克斯韦方程组是微波电磁场理论,数值算法的基础和关键,在时域,数值算法有时域有限差分法和有限积分法;在频域,数值算法有有限元法,矩量法,差分法,边界元法和传输线法。

 运用这些分析方法可以有效的将微带结构在频域内求解和转化为标量场求解。

 4.3 HFSS 对具体实例的仿真 使用HFSS仿真软件仿真了一微带天线的模型,并对其进行分析。

 4.3.1 选取微带天线模型 图 3.2 所示为仿真模型的三视图:

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 a 主视图

 b 俯视图

  c

 侧视图 图3.2 微带天线模型

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 此模型分三层分布。Sub1 和 Sub2 是介电质层(Dielectric),最上层是贴片层(Patch),模型中的 Sub1 和 Sub2 的介电质相同,Slot为地面层(有缝隙),最底层是用来进行馈电的层(Feed)。

 Sub1:长(X)、宽(Y)、高(Z)分别为12,9,0.32; Feed:7,0.495,0.0; Ground:12,9,0.16; Slot:0.155,1.4,0.0; Patch:4.0;3.0;0.0; 其中,Rad Box(Air BOX)的尺寸为:12.0;9.0;4.32; 电介质层采用的材料为:Rogers RT/druid 5880(tm),相对介电常数:2.2。

 4.3.2

 HFSS 的仿真过程 (1) 建立模型(Draw) 点击Draw按钮,进入三维建模器(3D Solid Modeler)。三维建模器界面上有显示所建模型之三视图z面、x面和y面和显示立体模型4个窗口。在绘图过程中,用Define Plane菜单命令绘制不同部分不同平面的图形;用Measure进行距离计算;Zoom,Shift进行缩放、平移。可以直接绘制的物体(Object)有:Ellipse,Line, Spiral,Circle,Arc,Rectangle等;还可运用Unite,Copy,Subtract,Move,Mirror,Rotate等命令进行复杂模型的组装。Box,Board,Port都是先画Rectangle;使用Line可画成microstrip,trace。

 (2) 材料定义(Setup Material) 在Properties 菜单下,可定义所设计模型中的 Objects为电阻、金属或介质等。

 在此模型中选择 Sub1 的材料为 Regers RT/druid 5880(tm)。

 (3) 定义端口和边界(Setup Ports/Surfaces) 点击New Boundary进入端口和边界定义菜单(Define Ports/Surfaces Menu)。端口和边界的类型有:阻抗(Impedance)、电阻器(Resistor)、电壁(Perfect E)、磁壁(Perfect H)、辐射边界(Radiation Boundary)、电压源(Voltage Source)、电流源(Current Source)等等。

 在此模型中,选择边界条件为Perfect E。

 (4) 选择激励方式(Excitations) 点击Excitations菜单,选择激励端口设置为Lumped port和Wave port。

 在此模型中,选择激励条件为Lumped port。

 (5) 设置求解参数(Setup Solution Parameters) 进入设置求解参数菜单(Setup Solution Parameters),根据本天线单元的具体情况,将允许迭代误差(AllowableDelta S)设为0.02,自适应频率(Adapt Frequency)设为中心频率2.25GHz,最大迭代次数(Number of Additional Adaptive Passes)设为20。

 若在最大迭代次数内,迭代误差未达到0.02,不再继续计算,当迭代误差达到0.02,仿真过程结束。迭代误差指的是相邻两次迭代得到的S参数的差,两次结果越接近则误差

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 越小,但亦非越小越好,主要看其变化趋势,即其值随迭代次数逐渐减小,则说明解是收敛的。

 为了看到整个频段的电参数,需要进行扫频,设置如下参数:起始频率(StartingFrequency):1GHz;终止频率(Ending Frequency):3.5GHz;步长数(Number of Steps):210,这些工作做好后,即可退出,进行求解。

 (6) 后处理(Post Processing)

 HFSS能给出所仿真期间的散射矩阵、S参数、VSWR、端口特性阻抗、天线方向图等参数。

 4.3.3 仿真结果 HFSS软件功能强大,如下是仿真的S11参数、天线的方向图和驻波比参数曲线。

 (1) 天线的S11参数

  图3.3

 S11参数曲线

 S11表示信号到天线被反射信号的大小 [17] ,它是天线仿真中非常重要的一个参数。通常选择S11参数在-10dB以下的频率范围为天线的有效频率宽度,S11参数衰减最大时的频率为天线的中心频率。如图3.3所示为此天线的S11参数示意图。

 由图可以看出天线的中心频率f 0 大约为2.28GHz,频率范围大约为2.27~2.29GHz,带宽比较窄。

 (2) 天线方向图

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  图3.4 天线方向图

 图 3.4 是天线在工作频率 f0 为 2.28GHz 时的辐射方向图,由图可以看出,在其最大辐射方向上天线的增益大约为 7dB。此天线有不同程度的负瓣,说明其能量辐射不太集中,天线辐射和接收信号会有一定的能量损失。

 (3) 驻波比(VSWR)

 图3.5 驻波比曲线

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 图3.5为此天线的驻波比曲线,一般来说,天线设计中以驻波比<2 为宜 [18] ,但是驻波比并不是表示天线性能的唯一参数。由图可以看出,在此天线中驻波比大约为 4.9,略微偏大,希望可以通过改进方案使驻波比变小,尽量提高天线的性能。

 4.3.4 结论分析 我们通过 HFSS 仿真得出其中心频率约为 2.28GHz。可以看出用 HFSS 仿真微带天线的参数是行之有效的,也是非常方便的。这为我们此后研究天线的尺寸特性提供了很好的方法,并且说明 HFSS 的仿真结果也是非常准确的。在微带天线上采用三维仿真设计进行电磁场分析, 其高精度的仿真分析功能, 使得工程设计人员从繁琐的编程计算、频繁的实验调试中解脱出来, 节省了大量的时间和精力。

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 结语 通过本文让我们大致了解了天线的基本概念和初步的认识,并通过使用 HFSS 软件对微带天线进行了仿真分析,主要完成了以下工作:

 (1)了解了天线的概念,大致介绍了天线的几个基本参数及接受、发射信号的原理。

 (2)通过性能、形状、分类及其发展方向简单介绍了微带天线,并对其结构和辐射原理进行了简单的分析。

 (3)使用HFSS仿真软件,对微带天线进行了仿真分析。

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 致谢 毕业设计即将完成,我的四年大学生涯也即将画上句号。在这四年的大学生活中,老师们和同学们都给了我很多的关心和帮助,在此即将毕业之时,我想对那些曾经帮助过我的老师,同学,朋友说一声谢谢。

 感谢我的指导老师范文强老师。本论文是在范老师的指导下和同学们的帮助下完成的。在此,我要感谢他们对我的帮助和指导,没有他们的帮助,这篇论文就无法顺利的完成。在完成论文的过程中,我学习到了很多的专业知识,也感受到了我的老师们在工作中的兢兢业业和生活中的平易近人。他们身上有很多精神值得我学习。

 非常感谢大家在我的毕业设计中,给予我极大的帮助,使我对整个毕业设计的思路有了总体的把握,并耐心的帮我解决了许多实际问题,使我有了很大的收获。

 感谢多年来传授我知识的老师们,同样感谢那些在我学习过程中给过我支持和帮助的朋友们。感谢所有关心帮助过我的同学、老师。你们的关怀教诲,支持和帮助将伴随我一生。

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 参考文献

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  烟台大学毕业论文( 设计) 评审表 (指导教师用)

 题 目 关于数字电视的研究 学生姓名 韩紫东 学号 200813504107 专业 通信工程 指导教师 姓

 名 范文强 职称 副教授 所学专业 通信工程 是否同意参加答辩:

 得分

  评语:

  指导教师(签字):

  年

  月

  日

 烟台大学毕业论文( 设计) 评审表 (评阅人用)

 题 目 基于 HFSS 的微带天线设计 学生姓名 韩紫东 学号 200813504107 专业 通信工程 指导教师 姓

 名 范文强 职称 副教授 所学专业 通信工程 是否同意参加答辩:

 得分

  评语:

 评阅人(签字):

 年

  月

  日

 烟台大学毕业论文( 设计) 评审表 (答辩小组用)

 题 目 基于 HFSS 的微带天线设计 学生姓名 韩紫东 学号 200813504107 指导教师姓名 范文强 职称 副教授 得分

  评语:

 答辩委员会(小组)(全体成员签字):

  年

  月

  日

 烟台大学毕业论文( 设计) 综合评定成绩表 指导教师评分

 评阅人评分

 答辩评分

 综合评定成绩(按4:2:4)

  答辩委员会负责人(签字):__________________

 年

  月

  日

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