基于HFSS的蓝牙阵列天线的设计.docx
《基于HFSS的蓝牙阵列天线的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于HFSS的蓝牙阵列天线的设计.docx（45页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于HFSS的蓝牙阵列天线的设计
吉林农业大学
本科毕业设计
题目名称：
基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计
学生姓名：
杨桦
院系：
信息技术学院
专业年级：
电子信息科学与技术2班
指导教师：
顾洪军职称：
讲师
2015年5月20日
基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计
姓名：
杨桦
专业：
电子信息科学与技术
指导教师：
顾洪军
摘要：
随着科技和经济的快速发展，大量的天线被应用到太空科技、航海和移动通讯等领域，例如：
小型化天线、多功能天线和多种实用性天线。
蓝牙是信息时代最具代表性的技术之一，主要应用于短距离无线通信。
蓝牙技术已经被广泛应用于多种通信领域。
蓝牙技术拥有较多的优点，例如：
数据的快速传输和较好的信息安全性。
微带贴片天线具有尺寸小、重量轻和易于制造等优点。
因此，本文就利用微带贴片天线设计出一种1x4单元的微带贴片蓝牙阵列天线。
关键词：
微带天线；阵列天线；蓝牙
TheDesignofPatchArrayAntennaApplyingforBluetoothwithHFSS
Name：
YangHua
Major:
Electronicinformationofscienceandtechnology
Tutor：
GuHongjun
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofeconomyandscience,plentyofdemandsofantenna,forexample,miniaturization,multipleservicesandpracticabilityhavebeentakenintoconsiderinspacetechnology,navigationandmobilecommunication.Bluetoothisatechnologyofshortdistanceandwirelesscommunicationanditisoneofthemostrepresentationaltechnologyofinformationage.Bluetoothhasbeenappliedtovariousindustriesofcommunicationwidelyanditiscapableofnumerousadvantages,forexample,fastdatatransmissionandfavorableinformationsafety.Themicrostrippatchantennaiscapableofsmallsize,lightweightanditcanbefabricatedconveniently.Hence,thedesignofthispapertakeadvantageofmicrostrippatchantennatodesigninga1x4elementsBluetootharrayantenna.
Keywords:
microstripantenna;arrayantenna;Bluetooth
1前言
现代社会是一个全球通信业务高速发展的社会，其中的无线移动通信系统尤其受到世界各国的格外关注。
无线通信系统不仅在军事上的应用非常广泛，而且其在民用上的应用也是非常的普遍。
例如，手机通讯，无线网络，蓝牙传输等领域。
天线，作为射频信号到无线信号转化的器件，在无线通信系统中占有至关重要的地位，可以说天线就是各种无线网络沟通交流的信号灯。
天线的种类琳琅满目，从简单的偶极子天线，环形天线到缝隙天线，喇叭天线，抛物面天线，阵列天线，每一类天线都有擅于发挥其自身性能的应用场合。
微带天线作为一种小型化，多功能化的现代天线越来越受到业界的重视，从20世纪60年代至今，微带天线已经有了大幅度的发展和改进。
蓝牙在无线通信系统中的应用非常广泛，作为一种现代科技的技术产物，它令我们的和世界的交流更加方便。
本文基于当今世界的发展趋势提出一种应用于蓝牙技术的微带贴片阵列天线，并且通过仿真软件得到基本的设计方法。
1.1蓝牙的定义
蓝牙是新的信息时代下的一种跨时代的高科技技术，它是一种可以作为短距离信息无线传输的一种科技手段，蓝牙广泛的应用于无线通信的各个行业，例如：
手机终端、航海通信、具有短距离的信息传输要求的场合等等。
蓝牙是近年来具有跨时代的一种科学技术，因为是应用于无线传输，所以蓝牙本身工作在微波频段，从微波频段的划分上来看，它工作在UHF频段。
具体来说，2.4G频段即为蓝牙工作频段。
2.4G频段在全球上来说是被各大无线通信组织和企业承认的可以自由使用的没有政府限制的自由频段，所以从这点上看，蓝牙波段选在此频段对于推广范围的使用是有非常大的益处的。
如今蓝牙由蓝牙技术联盟（BluetoothSpecialInterestGroup，简称SIG）管理。
蓝牙技术联盟在全球拥有超过25,000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。
IEEE将蓝牙技术列为IEEE802.15.1，但如今已不再维持该标准。
蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，维护商标权益。
制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以“蓝牙设备”的名义进入市场。
蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。
[
蓝牙的波段为2400–2483.5MHz（包括防护频带）。
这是全球范围内无需取得执照（但并非无管制的）的工业、科学和医疗用（ISM）波段的2.4GHz短距离无线电频段。
蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。
每个频道的频宽为1MHz。
蓝牙4.0使用2MHz间距，可容纳40个频道。
第一个频道始于2402MHz，每1MHz一个频道，至2480MHz。
有了适配跳频（AdaptiveFrequency-Hopping，简称AFH）功能，通常每秒跳1600次。
最初，高斯频移键控（Gaussianfrequency-shiftkeying，简称GFSK）调制是唯一可用的调制方案。
然而蓝牙2.0+EDR使得π/4-DQPSK和8DPSK调制在兼容设备中的使用变为可能。
运行GFSK的设备据说可以以基础速率（BasicRate，简称BR）运行，瞬时速率可达1Mbit/s。
增强数据率（EnhancedDataRate，简称EDR）一词用于描述π/4-DPSK和8DPSK方案,分别可达2和3Mbit/s。
在蓝牙无线电技术中，两种模式（BR和EDR）的结合统称为“BR/EDR射频”
蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。
一个主设备至多可和同一微微网中的七个从设备通讯。
所有设备共享主设备的时钟。
分组交换基于主设备定义的、以312.5µs为间隔运行的基础时钟。
HFSS这款软件在世界范围来说都是比较好用和实用的，在各种电磁场的新领域，如果设计者想要开发一些电磁方面的东西，比如说各种微波器件，天线等都可以利用这款软件进行辅助设计。
因为在理论上来说，一些电磁理论如果用手算的话是非常吃力的，而且有些结果的计算是人力难以完成的，所以当今社会开发了非常多的辅助设计软件，人们在设计相关前沿的东西的话，利用这些软件就可以简单方便的多了。
说回天线领域，不仅有HFSS这款知名软件，还有其他非常好用的一些软件，例如FEKO这款软件，这是专门仿真大型天线使用的。
还有一款被叫做CST的软件，它在仿真微波器件和小型天线的领域也是非常出色的。
还有很多类似的软件，它们都是各有侧重，因此，当今各行各业的应用里面这些软件都发挥了巨大的作用，这如果是放在几十年以前，设计一部天线可以说是需要用几十天，几个月甚至几年，而现在，同样的设计可能也只需要几天吧。
两个敏感度和发射功率都较高的1类设备相连接，射程可远高于一般水平的100m，取决于应用所需要的吞吐量。
有些设备在开放的环境中的射程能够高达1km甚至更高。
蓝牙核心规范规定了最小射程，但是技术上的射程是由应用决定、且是无限的。
制造商可根据实际的用例调整射程。
[
蓝牙主设备最多可与一个微微网（一个采用蓝牙技术的临时计算机网络）中的七个设备通讯,当然并不是所有设备都能够达到这一最大量。
设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备（比如，一个头戴式耳机如果向手机发起连接请求，它作为连接的发起者，自然就是主设备，但是随后也许会作为从设备运行。
）
蓝牙核心规格提供两个或以上的微微网连接以形成分布式网络，让特定的设备在这些微微网中自动同时地分别扮演主和从的角色。
数据传输可随时在主设备和其他设备之间进行（应用极少的广播模式除外）。
主设备可选择要访问的从设备；典型的情况是，它可以在设备之间以轮替的方式快速转换。
因为是主设备来选择要访问的从设备，理论上从设备就要在接收槽内待命，主设备的负担要比从设备少一些。
主设备可以与七个从设备相连接，但是从设备却很难与一个以上的主设备相连。
规格对于散射网中的行为要求是模糊的。
1.2微带天线的定义
微带天线的提出比较早，但是获得快速发展还是近30多年的事情。
早在50年代就有相关专业人士提出了微带天线的概念，但是受当时科技水平和理论知识的限制，没有得到业界的太多重视，只有简单的零星的一些研究。
随着科技水平的不断进步，而且工程上对天线性能的要求不断提高，逐渐引起了人们对微带天线的研究兴趣。
微带天线的制作较为容易，这是和它自身的一些特点是有关系的，微带天线一般的体积都非常小，因此可以利用这个特点形成相对于性能多样化的，用途多种类的阵列天线，在民用的相关行业，特别是某些军用上的特殊行业，微带阵列天线受到重视，尤其是军事上一些高科技的雷达天线，各种电子战设备的天线都可以利用微带天线来完成设计。
微带天线的制作一般选用一种厚度比较小的介质基片，这种介质基片的材料属性可以有很多种，比较常见的就是一种被称为环氧树脂的材料，介质基片的上下两侧安装有金属贴片，把装在上层的金属贴片叫做微带贴片，这就是文章所提出的微带天线的天线面，而把介质基片下层的金属片叫做此天线的接地板，这样设计来看，接地板与天线面共同组成微带贴片天线。
天线的工作需要有电能的供给，把这种电能供给叫做馈电，对于微带天线来说，其馈电的形式可以是微带传输线馈电，也可以是同轴线馈电，这两种方式比较常见。
根据介质基片的上层金属贴片的形状和形式，可以把微带天线划分为两种形式。
贴片形状与线条相似的天线被称为微带振子天线，贴片形状是有一定形状的单元时被称为微带贴片天线。
1.3微带天线的发展
随着现代科技的进步和工程上对天线性能要求的提高，微带天线逐渐进入相关领域。
尤其是微带天线具备一系列的有点可以满足现代科技和无线通讯系统的要求。
微带天线一般具有体积小，轻便，易共形等特点。
正是有了这些特点，决定了微带天线更适用于一些特殊的无线通信场合，例如相关的军用通信设备、无线通信、相控阵天线、各种移动通信设备和星载天线。
特别的是随着全球信息科技化的快速发展，尤其是近30年的无线通信技术的不断革新，对天线性能的要求不断提高，微带天线的研究也从原始走向成熟。
为了适应现代科技的一些要求，天线在诸多方面进行了主要的研究，即减小尺寸，增加带宽，提高增益，增强方向性，智能方向图控制。
而未来的无线通信系统将更广泛的使用阵列天线。
在军事领域中。
阵列天线的使用更加广泛。
微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数（例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等）预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。
这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。
用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。
本部分将对一般的矩形微带天线进行分析讨论，为特殊形状要求的微带天线做好理论分析基础。
利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也较简单，其精确度可以满足一般工程设计要求。
矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。
1.4阵列天线的定义和优点
微阵列天线就是利用多个天线单元按照一定的规则排列，并按照理论分析组建阵列天线的馈电网络对整体的阵列天线进行馈电达到阵列天线的作用。
阵列天线在提高天线增益，增强天线方向性上面有很显著的作用。
可以说阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。
就目前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生。
阵列天线就是研究的一种方向,所谓阵列天线不是简单的将天线排成我们所熟悉的阵列的样子,而是它的构成是阵列形式的.就发射天线来说,简单的辐射源比如点源,对称振子源是常见的构成阵列天线的辐射源.它们按照直线或者更复杂的形式,根据天线馈电电流,间距,电长度等不同参数来构成阵列,以获取最好的辐射方向性.这就是阵列天线的魅力所在,它可以根据需要来调节辐射的方向性能.由此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线等.
随着现代科技的进步和工程上对天线性能要求的提高，微带天线逐渐进入相关领域。
尤其是微带天线具备一系列的有点可以满足现代科技和无线通讯系统的要求。
微带天线一般具有体积小，轻便，易共形等特点。
特别的是随着全球信息科技化的快速发展，尤其是近30年的无线通信技术的不断革新，对天线性能的要求不断提高，微带天线的研究也从原始走向成熟。
为了适应现代科技的一些要求，天线在诸多方面进行了主要的研究，即减小尺寸，增加带宽，提高增益，增强方向性，智能方向图控制。
而阵列天线可以满足上述要求。
因此在当今无线领域的各个行业都把阵列天线看成重中之重。
阵列天线的历史悠久，从第二次世界大战上就可以看到阵列天线的初步应用，战争在科技方面有时会带来进步，从那时起，阵列天线越来越受到重视。
它是一种利用单一阵元按照一定的排列方式构成的一种可以说是一种集合型天线。
一般较为简单的阵列天线有点源阵和线阵。
后续的很多种阵列天线都是在此基础上演变而来。
本文提出的就是一种直线排列形式的微带阵列天线。
1.5HFSS仿真软件的介绍
HFSS是一款国际上知名的电磁仿真辅助设计软件。
由著名的Ansoft公司研发制作。
经过二十多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：
射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。
本文利用此款仿真软件对所设计的阵列天线进行了仿真辅助设计，并且得到了有效的数据结果。
HFSS能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：
波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配/合成器，铁氧体环
行器和隔离器、腔体等。
AnsoftHFSSv10最重要的新功能就是在PC机（Windows系统）上能够利用3GB的内存空间，这极有效地拓展了HFSS的仿真计算能力，此外运用HFSSv9.2的用户自定义编程模块（UDP）能方便建立各种模型及元件库。
同时，具备与AnsoftDesigner、Nexxim动态链接的特性：
通过动态参数化链接，在RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。
Ansoft表示，重复使用第三方CAD模型和EDA版图的功能，将节省HFSS用户的工程设计时间，使他们能将更多时间用于优化性能。
HFSS能进行全面的全叁数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。
该软体强大的叁数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节省了工程师的设计时间。
直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。
利用Optimetrics可自动实现最优化和叁数化扫瞄设计，且很容易在桌面上同一项目树中直接访问进入。
在优化设计分析技术中增强了敏感性分析和统计分析功能，其利用HFSS叁数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能变化。
HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。
视窗、对话方块、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量缺省来支持个性化叁数定义。
使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。
另外，通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。
脚本也能支持强大的宏记录，可以用来定义叁数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个设计流程。
1.6微波的定义
微波是指频范围为300MHz-3000GHz的电磁波，即波长为1m-0.1mm的电磁波称为微波。
微波的低频段接近于超短波，高频靠近红外线，微波根据频段的不同有多种划分方式，二战时期为了工程上应用的方便和保密的需要，将微波波段的划分用英文字母表示，这种划分方式一直被沿用至今，如表1-1所示，即为微波的一种划分方式：
表1-1微波频段的划
Table1thedivisionofmicrowaveband
波段
频率/GHz
波段
频率/GHz
UHF
0.3-1.12
Ka
26.5-40.0
L
1.12-1.7
Q
33.0-50.0
LS
1.7-2.6
U
40.0-60.0
S
2.6-3.95
M
50.0-75.0
C
3.95-5.85
E
60.0-90.0
XC
5.85-8.2
F
90.0-140.0
X
8.5-12.4
G
140.0-220.0
Ku
12.4-18
R
220.0-325.0
K
18-26.5
2天线的基本理论
一般来说，要进入天线的设计领域，首先必须了解能够表征天线的基本性能的参数的一些参数。
例如，天线的方向图、天线的辐射强度，天线的方向性系数、天线的效率、天线的输入阻抗和天线的极化等等。
在这里就从天线的基本理论入手讲解我所设计的微带阵列天线。
2.1天线的方向图
完整的天线方向图应该用如图2-1所示的球坐标系下的三维立体方向图来表示，但是在计算机辅助设计之前，三维空间的立体方向图绘制复杂，工程上常用到包含主瓣轴的剖面图来表示，此时方向图需要用到两个相互垂直的剖面，我们将其称为主平面方向图，如图2-1的xz面和yz面。
图2-2和图2-3所示就为极坐标系中的电场和功率的主平面方向图。
按照半功率电平夹角定义的波速宽度成为半功率波束宽度或者-3dB波束宽度；
图2-1（a）三维立体方向图
Figure1Three-dimensionalpattern
图2-1（b）电场主平面方向图图2-1（c）功率主平面方向
Figure2TheelectricfieldpatternofmainplaneFigure3Thepowerfieldpatternofmainplane
2.2天线的辐射强度
每单位立体角内由天线辐射出的功率被称为辐射强度U，单位是瓦立方弧度，辐射
强度可以有下式定义：
（2.1）
式中U---天线的辐射强度；
S---坡印廷幅值。
可以看见，与坡印廷的幅值S反比与距离的平方不同，辐射强度U与距离无关。
2.3天线的方向性系数
天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度
之比，即：
（2.2）
式中D---天线的方向性系数；
U---天线的辐射强度；
Uo---天线的平均辐射强度。
平均辐射强度U实际上是辐射功率除以球面积，即：
22
式中U0---天线的平均辐射强度。
通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向性系数，即;
式中D---天线的方向性系数；
U---天线的最大辐射强度；
U0---天线的平均辐射强度。
2.4天线的效率
由于天线系统中存在导体损耗、介质损耗等损耗，因此实际辐射到空间内的电磁波功率要比发射机送到天线的功率小。
天线效率就是表征天线将输入的高频能量转化为无线电波能量的有效程度，定义天线辐射功率和输入功率的比值，假设分别用P1和P2表示天线的输入功率和辐射功率，那么天线的效率定义为：
式中
---天线的辐射效率；
Prad---天线的辐射功率；
Pin---天线的输入功率。
2.5天线的增益
方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线将输入功率转化为天线辐射功率的效率，为了更完整的描述天线特性，特以天线的输入功率为基点定义了一个增益。
天线增益是表征将输入给它的功率按照特定方向辐射的能力，定义为在相同输入功率下、相同距离的条件下、天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度的比值。
设该天线和无方向性天线的输入功率分别为P1和P2，且二者相等，则该天线的增益G可以由下式计算得出：
（2.6）
式中G---天线的增益；
Smax---天线的最大辐射方向上的功率密度；
So---无方向性天线在该方向上的功率密度。
对比上述几个基本公式，可以得到：
（2.7）
式中G---天线的增益；
D---天线的方向性系数；
---天线的效率。
2.6天线的输入阻抗
天线一般都是通过馈线和发射机相连的，天线和馈线的连接处被称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗。
天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间。
这就有一个天线与馈线阻抗匹配的问题，阻抗匹配的程度将直接影响功率传输的效率。
在射频微波频段，馈线通常是使用50欧姆的标准阻抗。
所以在设计天线时需要尽可能的把天线的输入阻抗设计在50欧姆，在工作频带内就可以保证尽可能小的驻波比。
天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围外部环境的影响，仅仅是在少数情况下的时候可以用理论进行严格的计算，所以在工程中通常采取近似的计算方法或者用实验的方法测量。
2.7天线的极化
天线的极化通常是指天线辐射电磁波的电场的方向，即时变电场矢量端点的运动轨迹的形状、取向和旋转方向。
根据电场矢量端点轨迹呈直线、椭圆和圆形等不同形状，天线极化可以分为线极化、椭圆极化和圆极化，如图2-5所示；对于椭圆极化和圆极化而言，根据其旋转的方向的不同，又可以将极化分为左旋极化和右旋极化两种类型。
考察由沿z轴正方向行进的平面波，一般而言，电场同时有x分量和y分量，在确定的z点处电场矢量E作为时间的函数而旋转，若其端点轨迹为椭圆，则称为椭圆圆极化波；椭圆圆极化有两种极端情况，一种是电场只有x分量或者只有y分量，此时电场始终沿着x轴方向或者y方向，我们将其称为线性化。
二是电场x分量和y分量相等，此时称为圆极化。
对于任意方向的椭圆极化波，可以分别用沿着x轴方向和y轴方向的两项线极化分量来描述，如图2-6所示。
如果波沿着z轴方向行进，则x轴方向和y轴方向的电场分量分别为：
.
（2.8）
式中E1-
升级会员 