毕业设计论文应用于WLANWiMAX的双频带印刷天线设计.docx
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毕业设计论文应用于WLANWiMAX的双频带印刷天线设计
编号：
审定成绩：
重庆邮电大学
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
应用于WLAN/WiMAX的双频带印刷天线设计
学院名称：
学生姓名：
专业：
班级：
0231002
学号：
指导教师：
答辩组负责人：
填表时间：
年月
重庆邮电大学教务处制
摘要
在现在无线通信产业的飞速发展下，无线通信行业正遍布我国的各个领域，并且竞争也越来越激烈，而作为移动通信系统中通信终端的天线要求也就越来越高。
伴随着无线局域网中各项标准的出台，因此，研制可同时适用于多个频带内的天线成为天线的设计的要求。
本文提出了一种应用WLAN/WiMAX通信系统的新型双频带印刷天线。
通过在微带板蚀刻对称的叉子形辐射贴片和寄生贴片，仿真设计了一款双频带印刷天线结构，借助于仿真软件对天线进行优化设计，使天线能覆盖2.4/5.2/5.8GHzWLAN和5.5GHz频带，并对其进行了测试。
结果表明，测试结果和仿真的结果一样，并且在带内拥有良好的全向辐射特性。
论文共分为五个部分。
首先,论文简单介绍了无线局域网的基本概念,在了解了无线局域网的的基本知识后讨论了印刷天线发展情况,最后简单叙述了本次用的三维仿真软件。
其次,详细地回顾了天线的基本理论,包括天线的基本电参数,天线单元的馈电方法等等。
接着，介绍了WLAN/WiMAX双频带印刷天线的特点和设计特点以及设计要求。
然后介绍了应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线仿真的流程的具体步骤。
最后,论文总结了全部工作,并对未来相关研究工作做了适当展望。
【关键词】WLAN/WiMAXHFSS双频对称叉子型
ABSTRACT
Inthecurrentrapiddevelopmentofwirelesscommunicationindustry，wirelesscommunicationsindustryisalloverthecountryinvariousfields,andmoreintensecompetition,asamobilecommunicationterminalinacommunicationsystem,itrequiresmoreandmoreantennas.WiththeintroductionofwirelessLANstandards,therefore,developmentofanantennacanbesimultaneouslyappliedtothepluralityofbandantennadesignrequirementsbecome.ThispaperproposesaWLAN/WiMAXapplicationsofnewcommunicationssystemdual-bandprintedantenna.Microstripplateetchingbyfork-shapedsymmetricalradiationpatchandparasiticpatch,simulationdesignedadual-bandprintedantennastructure,bymeansofsimulationsoftwaretooptimizethedesignoftheantenna,theantennacancover2.4/5.2/5.8GHzWLANand5.5GHzfrequencybands,andtestedit.Theresultsshowedthatthetestresultsandsimulationresultsofthesame,andhaveagoodomnidirectionalradiationcharacteristicsintheband.
Thethesisisdividedintofiveparts.First,thepaperintroducesthebasicconceptsofwirelessLANs,intheunderstandingofthebasicsofwirelessLANantennadiscussedthedevelopmentofprinting,andfinallyabriefdescriptionofthethree-dimensionalsimulationsoftwareusedforthis.Secondly,adetailedreviewofthebasictheoryoftheantenna,thebasicelectricalparametersoftheantennaelementscomprisingtheantennafeedandthelike.Then,introducedtheWLAN/WiMAXfeaturesanddesignfeaturesanddesignrequirementsdual-bandprintedantenna.ThenintroducesthespecificstepsusedinWLAN/WiMAXdual-bandprintedantennasimulationprocess.Finally,thepapersummarizesallthework,andthefutureresearchworkdoneproperlydiscussed.
【Keywords】WLAN/WiMAXHFSSdual-frequencySymmetricforktype
前言
中国的天线产业从无到有，从购买成熟方案到自主设计，在短短的几十年的时间里，发展迅速并运用在各个领域，可以说目前中国天线研究设计行业已经发展到了非常兴盛的状态。
当然，天线作为收发信息设备的必不可少的组成部分，经过几十年的发展已经取得一定的进步，并在很宽的频带上得到广泛应用。
随着科技的进步，天线的性能不断提高，从而为信息的传输提供了更好的有效性和可靠性保证，天线发展演化出来了不同的发展方向，一类是大规模阵列天线，主要用于空间技术上，大型的雷达基站等方面；另一类则是微带天线，微带天线又可以细分好多种，而应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线只是其中之一。
当今，随着无线通信技术的迅速发展，为扩大系统容量或者实现双模、多模通信，实际通信系统往往需要实现多频段工作。
多年来，微带天线因其尺寸小、重量轻、成本低和加工设计简单等优点而备受国内天线生产厂商的重视。
但是，近年来的研究热点大多放在小型化多频微带天线的研究设计。
因为其高的系统集成度正是我们目前实现天线小型化的优势所在。
应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线是一种具有水平和垂直两种极化特性的天线。
它具有小型化、结构紧凑、便于内置、制作简单、低成本、全向辐射、可同时工作在多个频带内等特性，因而目前被广泛应用于移动通信系统，尤其是移动终端。
第一章绪论
本章首先阐述了无线局域网；然后介绍了印刷单极子天线和双频天线；接着简要介绍用于天线仿真的软件；最后给出了本文所做的研究工作以及论文的组成与结构。
第一节无线局域网
无线局域网络英文全名：
WirelessLocalAreaNetworks；简写为：
WLAN。
简写中文翻译名称：
微览。
它是是相当便利的数据传输系统，它利用射频（RadioFrequency；RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。
无线局域网拥有良好的灵活性和移动性，并且安装便捷易于进行网络规划和调整，易于扩展，故障定位容易的优点。
因此，在餐饮及零食、医疗和企业应用越来越广泛，渐渐的替代专线。
无线局域网需要支持高速、突发的数据业务，并且在室内使用还需要解决多径衰落以及各子网间串扰等问题。
因此，无线局域网络（WLAN）就必须实现以下技术要求：
1．可靠性：
无线局域网的系统分组丢失率应该低于10-5，误码率应该低于10-8。
2．兼容性：
对于室内使用的无线局域网，应尽可能使其跟现有的有线局域网在网络操作系统和网络软件上相互兼容。
3．数据速率：
为了满足局域网业务量的需要，无线局域网的数据传输速率应该在54Mbps以上。
4．通信保密：
由于数据通过无线介质在空中传播，无线局域网必须在不同层次采取有效的措施以提高通信保密和数据安全性能。
5．移动性：
支持全移动网络或半移动网络。
6．节能管理：
当无数据收发时使站点机处于休眠状态，当有数据收发时再激活，从而达到节省电力消耗的目的。
7．小型化、低价格：
这是无线局域网得以普及的关键。
8．电磁环境：
无线局域网应考虑电磁对人体和周边环境的影响问题。
WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrwaveAccess）,即全球微波互联接入。
WiMAX的另一个名字是802.16。
WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。
WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。
WiMAX的技术起点较高，采用代表未来通信技术发展方向的OFDMOFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。
第二节印刷单极子天线
印刷天线简单的说，就是可以印刷出来的天线。
分为抽象解释和形象解释。
抽象解释。
印刷天线，设置于基板上，其包括信号馈入部与辐射体。
信号馈入部用于馈入电磁波信号。
辐射体用于收发电磁波信号，包括第一辐射部、第二辐射部及导引段。
第一辐射部电性连接于信号馈入部，其包括弧形辐射段。
第二辐射部电性连接于信号馈入部及第一辐射部。
导引段呈弧形，与第二辐射部分别位于第一辐射部的两侧，且导引段与第一辐射部的弧形辐射段之间形成第一间隙。
印刷天线体积小，且辐射性能强。
形象解释。
天线是收音机必备装置，接收所有微弱电磁信号之用，是暴露在最外面独立的金属件。
从外形分，台式收音机是拖线天线，便携式的是拉杆天线，从接收频率分，调幅收音机是磁性天线，调频的是拉杆天线，频率越高天线越短，老式砖头手机频率不高，用拉杆天线，现在手机频率非常高，其内置天线很短，可以制成印刷天线，即和集成电路版印刷在一起的天线，一般呈“回”字形。
印刷天线的优点是体积小，重量轻，造价低，最重要的是具有全向辐射性能，并能与线路板有机结合，且具有很好的设计潜质。
特别是它可方便地与馈电网络和器件集成成块，与微电子技术紧密结合，功能强大，已显示出新一代天线形式的巨大活力。
第三节双频及多频天线
无线通信技术发展速度飞快，每个领域包括蜂窝电话、全球定位系统（GPS）、合成孔径雷达（SAR）、卫星通信等都需要重量轻、剖面低、制造简单、易共形的宽频带或双频段天线。
所谓双频天线是指具有两个谐振频率的天线，天线实现双频或多频有多种方法。
一种是双频微带贴片天线，其双频及多频的实现方法，一般来说，大体分成三类:
（1）多贴片，
（2）槽加载，（3）集总元件加载。
多贴片和集总加载都会使天线的结构变得复杂，而槽加载作为一种简单的加载方式，可以在单层微带天线上实现双频，制作生产相对简单，且容易与微波电路集成。
常见的槽有U型槽，L型槽等。
一种是印刷单极子天线，这种天线通过两个不同的分支实现多频，本文设计的应用WLAN系统的双频天线就是采用这种结构制作而成的。
第四节天线设计的仿真软件
用于计算仿真高频电磁场的软件有很多，用于本次设计的软件主要是HFSS。
关于HFSS的运用在后面将会提及，在这就不再阐述。
第五节本章小结
本章阐明无线局域网的定义，然后分别介绍了印刷单极子天线和双频天线的一些基本特点，最后提及了本次仿真所用软件。
论文共分为四个章节，论文各章节的名称和具体内容如下：
第一章：
绪论。
简单介绍天线。
第二章:
天线的基本理论。
包括天线的基本电参数,天线单元的馈电方法等等。
为以下章节的方案的设计做了技术铺垫。
第三章：
应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线的设计与特点。
介绍所设计天线的特点以及如何实现本次的设计的天线。
第四章：
WLAN/WiMAX双频带印刷天线具体流程和仿真结果。
第五章：
总结和展望；对整个论文进行了总结，并提出作者认为下一步手机天线设计有待解决的问题和发展前景。
第二章天线的基本理论
第一节天线的电参数
天线参数是反映天线性能的物理量。
就发射天线来说，它是一个能量转换器。
为了确定一个天线会将多大的功率辐射出去，就要有反映这种能力的参数，这就是由辐射功率导出的辐射电阻。
天线作为传输线的负载，需要和传输线匹配，为此必须确定它的输入阻抗。
为了便于比较不同天线的定向辐射能力，需要引入方向系数。
在计入天线损耗时要采用效率这一参数。
计入效率的定向性能可用增益表示。
天线的宽频带工作能力可以用各参数与波长的关系曲线来表示。
下面分别说明：
一、辐射功率和辐射电阻
天线的辐射功率是离开波源而不再返回的能量。
从这一意义来说，可以把它比做电路上电阻的功率损耗。
因为电阻的功率损耗也是一种无法收回的能量。
因此，天线的发射能力可用辐射电阻来表示。
二、输入阻抗与驻波比
一个天线在工作时，除脱离波源而辐射的电磁场外还有依附于天线而振荡的电磁波。
前者可以等效为电阻，后者可以等效为电抗。
因此，从电路的观点看，天线可以等效为一个阻抗。
从天线与传输线匹配的观点来看，需要具体地确定天线的阻抗大小，以便于采取措施使天线和传输线匹配良好。
所以对于每一种天线，确定它的阻抗大小是很重要的工作。
要使天线辐射效率高，就必须使天线与馈线良好地匹配，也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。
设天线输入端的反射系数为Γ（或散射参数为S11），则天线的电压驻波比为
（2.1）
回波损耗为
（2.2）
输入阻抗为
（2.3）
其中Z0为馈线的特性阻抗。
一般将VSWR≤2的带宽称为输入阻抗带宽。
三、效率
天线的效率ηA用以度量天线转换能量的有效性，它也是天线的重要指标之一。
它的定义是：
天线辐射功率和输入功率的比值，即
（2.4）
天线的效率ηA的取值范围通常在0%~100%之间。
天线输入功率一部分转化为辐射功率，另一部分转化为损耗功率。
一般来说，对于加载天线或电小天线，天线的效率比较低。
四、方向图和主瓣宽度
所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。
通常天线的方向性用两个特定的互相垂直的平面上的方向图来表示，即E面和H面。
所谓E面，就是电场矢量所在的平面。
对于沿z轴放置的电基本振子而言，子午平面是E面。
所谓H面，就是磁场矢量所在的平面。
对于沿z轴放置的电基本振子而言，赤道平面是H面。
根据方向图可以确定主瓣宽度。
所谓主瓣宽度，即是辐射功率密度降至最大辐射方向一半时的两个发射方向之间的夹角。
五、前后比
前后比是指最大辐射方向电平与其相反方向电平之比，通常以分贝为单位。
六、方向系数
上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态，但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果，因此都不能单独体现天线集束能量的能力。
因此，需要另一个电参数来表示天线集束能量的能力，这就是方向系数。
它的定义为：
在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度SMAX与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比，记为D，即
（2.5）
需要说明的是，一般方向系数用分贝来表示，这需要一个参考源，常用的参考源是各向同性辐射源，分贝表示为dBi，通常情况下，若不加说明，dB指的就是dBi。
七、增益系数（Gain）
增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积，记为G，即
（2.6）
天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。
八、极化
极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。
具体地说，就是在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间按变化所描绘的图形。
如此按照电场的极化形式可分为线极化、圆极化和椭圆极化。
在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，如果它的端点始终在一个直线上振动，则是线极化；如果它的端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是圆，则是圆极化，如果某一时刻沿着传播方向把各处的电场矢量画出来，则圆极化波中的电场矢量端点的轨迹为螺旋线，矢量端点旋转方向与波传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化，成左手螺旋关系的叫左旋圆极化；同样的，如果电场矢量的端点随着时间变化所画出的轨迹是椭圆，则是椭圆极化。
需要指出的是，当圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋向的。
在同一系统中，收、发天线的极化必须相同，若接收天线的极化与入射平面波的极化一致，则称极化匹配。
九、频带宽度
天线频带宽度是指天线的主要指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频带范围。
通常用到的带宽概念又分为绝对带宽和相对带宽，绝对带宽是：
（2.7）
其中f1,fh分别指天线满足其电气技术指标的下限和上限频率。
相对带宽是指天线的绝对带宽Δf与工作频带内的中心频率f0之比，即：
（2.8）
其中f0为中心频率：
，是上下限频率的算术中值。
我们通常说的窄带天线是指相对带宽小于1%的天线；宽带天线是指相对带宽在1%到25%之间的天线；而超宽带天线是指相对带宽高大于25%的天线。
工程研制中要求天线在规定的频率范围内，它的主要电性能如电压驻波比、增益、主瓣宽度、副瓣电平、极化特性等必须满足技术指标。
通常情况下天线的有些指标是相互矛盾的。
比如，对于一定尺寸的天线，它的带宽和增益就是一对相互矛盾的指标，要拓宽天线的带宽就需要牺牲一定的增益；而要提高天线的增益，天线的带宽就会变窄。
换句话说，对于同一天线来说，既要宽频带，又要增益高，就只有牺牲天线的尺寸。
总之，天线的性能是一项综合性的技术指标。
为了系统使用的需要，有时要顾及到多项指标，需要采取折中的办法。
第二节微带天线的基本理论
一、微带天线定义
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。
它利用微带线或同轴线进行馈电，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。
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因此它实现了一维小型化，属于小天线的一种。
结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片所构成的。
贴片导体通常是铜和金，它可以是任意形状，常见的有矩形、圆形和三角形等等。
二、微带天线的优缺点及展宽频带的方法
和常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点如体积小、重量轻、剖面薄、易与载体表面共性制造成本低，易大量生产易实现多功能，易集成天线的散射截面较小容易制成双频率工作的天线馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。
微带天线由于其特有的优点而被广泛使用，但是微带天线本身固有的缺点限制了它在某些领域的应用，其最显著的缺点就是窄频带和低效率。
70年代以来，人们就不断探索拓展天线带宽和提高增益的方式。
近些年来有一些新的方法被人们所研究，克服了微带天线频带窄的缺点，满足了各个领域对天线的要求。
下面介绍几种近年来倍受关注的展宽微带天线频带的方法。
1.间隙耦合方式
间隙耦合方式的特点是直接馈电的贴片只有一块，而其他一块或多块辐射单元是通过耦合方式来馈电的。
如图2.1所示的三种天线，都是其中一块贴片直接馈电，另一块贴片则是通过直接馈电贴片耦合馈电的。
不同形状的天线适用于不同的场合，使用间隙耦合的方式比使用厚介质板增加天线带宽的方式更加有效。
2.缝隙耦合馈电
采用缝隙耦合馈电方式，往往能大大拓展带宽，一般采用微带馈线缝隙耦合方式，或CPW（共面波导）缝隙耦合馈电方式。
图2.2所示即为微带馈线缝隙耦合方式，这种方式通常会由两层或多层基板构成，在图中所示结构之外还有一块基板用来放置辐射贴片。
缝隙耦合可大大拓展微带天线的带宽，但是由于缝隙本身往往会产生谐振，会导致后向辐射较大，因此，可在馈线的底部多增加一层反射面，或一个谐振腔，用于减小后向辐射，增加天线的前后比。
3.特殊形状的贴片
改变微带贴片的形状，有可能激发多频率谐振，当这些谐振频率非常接近时就组成了一个频带，即拓宽了频带。
如文献所示的E型贴片微带天线，该天线会在3个频率产生谐振，且彼此靠近，故可以达到拓展带宽的目的。
一般来说，所有的谐振天线的带宽都会比较窄，这是由它们的谐振特性所决定的。
拓展带宽的诸多方法中，从本质上来说可以分为三类：
通过降低谐振器的品质因素Q来增加带宽；使用附加的匹配网络；以及使用多谐振器的方式。
下面主要介绍一下第一类方法。
降低谐振天线品质因素的方法也很多，比如，对于微带天线来说，最简单的方法就是降低介质板的介电常数。
Q值与介电常数有关，介电常数的降低也会引起Q值的降低，从而可以增加带宽。
对于一个给定的频率，介电常数的降低必然导致天线尺寸的增加，对于需要设计紧凑的小型天线的设计者来说，这是不愿出现的；而且这也会使天线的耦合存在困难，在使用缝隙耦合馈电时，较大尺寸的天线就需要使用相对较宽的缝隙，这会导致后向漏射的增加；如果使用的是探针耦合馈电方式，探针的长度将会增长，从而产生杂波，干扰方向图。
加载也可以降低Q值。
比如，在贴片天线上加一些过孔或者挖一些缝隙就可以影响天线的谐振频率和Q值大小，这样做的好处是不会导致天线尺寸的增加。
然而，不管使用什么方式来拓展阻抗带宽，都有可能会使方向图变差，因此在设计天线时，应当兼顾方向图。
三、天线单元的馈电方法
天线单元的馈电方法主要分为侧馈、底馈和共面波导馈电三种方式，如图2.3所示。
但是因为天线输入阻抗通常不等于传输线阻抗，所以需要进行匹配。
匹配需要恰当选择馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。
1.侧馈
侧馈也被称为微带线馈电，分为中心微带馈电和偏心微带馈电。
馈电点的位置将决定激励出哪种模式。
如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹配。
如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之改变，进而使馈线和天线之间的耦合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变，可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。
侧馈的优点是微带馈线单元可方便地和天线贴片单元一起光刻，制作简便。
缺点是通常需要阻抗匹配电路，这样就会造成贴片面积变大；微带馈线与辐射单元处于同一个平面，微带馈线本身也会辐射，从而干扰方向图，减少增益。
2.底馈
这种馈电方式又称为同轴线馈电，是一种用得较多的馈电方式。
这种方式的优点是馈电点可以选在贴片的任意位置，有利于天线匹配，也同时避免了附加匹配电路，在一定程度上能够减少天线的尺寸；同轴电缆位于接地板面，与辐射贴片不在
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