射频微带阵列天线设计大学学位论文.docx

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射频微带阵列天线设计大学学位论文

射频微带阵列天线设计

摘要

微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。

同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。

通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。

本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。

最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。

但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。

关键词：

微带天线微带阵列天线方向性增益HFSS仿真

Designof Radio-Frequency MicrostripArrayAntenna

ABSTRACT

Microstripantennaisakindofantennaformwithmanyadvantageslike,smallsize,lightweight,lowprofile,easy-to-carrierconformal,easyintegrationwithmanyotherofmicrowaveintegratedcircuitsandsoon.Nowmicrostriparrayhavebeenwildlyappliedinthefiledofwireless

communications,remotesensingandradar,andmanyotherfiled.Whilesomestudyalsofoundthatbecauseofthemicrostripantenna’sstructuralcharacteristics,therearesomedisadvantages,suchasnarrow-band,lowgain,poordirectivity.Typicallyweusemicrostripantennaelementsarrangedinaccordancewithcertainlawstogethertoformamicrostriparrayantennatoenhancethedirectivityandimprovethegainoftheantenna.

Inthispaper,afterlearningthebasictheoryandprinciplesaboutmicrostripantennaandantennaarray,Idesignedtwokindofantennamodelswith10GHzofcenterfrequency,oneisthesingleantenna,theotheroneisanantennaarraywith4singleantenna.ThenusingAnsoft'shighfrequencyelectromagneticsimulationsoftwareHFSS,optimizeandadjusttherelevantparameters.Afterthat,weusedtheHFSStosimulatethesinglearrayelementandanantennaarrayseparately.Thenanalyzedthesimulationresults,comparedtothedifferenceintherelevantparameters.Theresultingsuggestedthatbecauseofthepresenceofmutualcouplingeffectsandtheimpactofthepresenceofthefeednetworkbetweenthepickets,thereturnlossofmicrostripantennaarrayisgreaterthanthesinglemicrostripantennaarray,butantennagainissignificantlylargerthanasinglearrayantenna,andtheantennaarrayhasabetterdirectivitythanthesinglemicrostripantenna.

Keywords:

MicrostripArrayMicrostripArrayAntennaDirectivityGainHFSSSimulation

第一章绪论

1.1微带天线

天线是无线通信系统中重要的组成部分之一，而天线的微型化、集成化是无线通信领域中一项关键技术，也是现代科技对天线技术的不断需求和走向，在此条件下人们提出了微带天线的概念。

最早于1953年提出，当时德尚（G.A.Deschamps）教授提出的利用微带线的辐射来制成微波天线的想法。

但是由于缺乏更进一步的理论研究和当时制造工艺水平的限制，微带天线在那时并未引起工程界的重视，没有取得实质性的发展。

微带天线真正发展、研究和应用开始于70年代。

由于微波集成技术发展需要，加上制造工艺技术（介质基片的光刻等技术）发展，使得微带天线的研究不断深入。

最终芒森（R.E.Munson）和豪威尔（J.Q.Howell）等研究人员在1972年研制出了第一批真正意义上用于实际的微带天线，微带天线的诸多优点也被人们所认知。

在近三四十年对微带天线的探究不断发展，许多科学家对微带天线展开了广泛的研究，将其研究成果应用在许多方面。

现如今微带天线已成为科学家们争相研究的热门领域，并较之前的研究取得了相当多的成果，理论及应用都有了长足发展。

相较于常用的微波天线，微带天线主要体现了如下优点：

（1）体积小、重量轻、成本低，能够与集成电路很好地兼容；

（2）微带天线及其阵列天线剖面低，易于与载体共形；

（3）微带天线具有平面结构，可以设计成需要的形式和形状；

（4）便于获得圆极化，实现双频段，双极化等多功能工作需要；

（5）能和有源器件、电路集成为统一的组件；易于大量生产等。

正是由于具有上述优点，使得微带天线的应用层面非常广泛，例如：

雷达精确识别与探测、地质地矿勘测、无线通信、卫星通信、便携式移动设备通信、军事电子干扰对抗等诸多军用和民用领域。

同时，由于微带天线的结构特性，存在频带窄、增益低、功率容量小、方向性差等缺点。

因此，在克服和改善这些缺点的基础上，充分发挥其优点，使其能很好地应用在实际中，是微带天线的主要研究方向。

1.2微带天线阵

将若干个相同的单个微带天线按照一定规律排列组成的天线系统，称为微带阵列天线。

相较于单个微带天线，微带天线阵具有强方向性、高增益、方向图易控制等优点。

在设计和研究阵列天线时，需要考虑天线阵阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距、阵元上激励电流的振幅和相位以及连接阵元的馈电网络等，这些都决定着阵列天线的辐射特性。

选择合理的设计方案，可以得到满足设计需要的天线性能。

天线阵按照不同的分类条件有多种，可以按照以下几种类型分类：

1、按阵元单元排列形式可分为线阵和面阵。

线阵是最常用的一种排列方式，它是指各阵元单元的中心依次等距排列在一条直线上的直线阵，也叫均匀直线阵。

也可以各单元的中心等间距地排列在一条曲线上，比如均匀地排列在圆周上，也是线阵。

若干个线阵按照一定间隔排列在某个平面上，就构成了平面阵。

阵元排列方式也可以是三维平面，例如各单元中心排列在某个球面上，则构成了球面阵。

2、按最大辐射方向图形指向可分为侧射阵列天线、端射阵列天线、和非侧射非端射阵列天线。

侧射（也称边射）天线阵是指最大辐射方向为与阵元排列面垂直的方向的天线阵。

端射阵列天线是指最大辐射方向指向与阵元排列平面平行方向的天线阵。

非端射非侧射天线的最大辐射方向则指向与上述两方向不同的其他方向。

3、按照天线阵的在使用功能上的区别，可以将天线阵划分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。

由于天线阵的辐射电磁场是组成该阵列天线各个阵元单元辐射电磁场的矢量和，且各阵元单元的位置、馈电电流振幅和相位等可以独立调整，我们可以调整阵元的距离和相位，使其方向图在同一个方向有最大辐射，那么阵元的矢量叠加使得天线阵具有单向辐射的功能。

由于单个微带天线的增益通常都比较低，而且波束比较宽，方向性差，所以单个使用的效果不好。

将若干微带天线组成微带阵列天线，可以很好解决这些缺点，从而应用在对性能要求更高的实际中。

在本文的天线设计中，主要运用了HFSS软件对天线进行建模和对相关参数进行优化，并仿真得到天线的性能参数和结果。

借助该软件，使我加深了对天线理论知识的理解，也使我学会运用软件去分析天线的各个性能指标，从而对天线和天线阵的设计有了更深层次的理解。

1.3设计目标和内容安排

本文在学习天线的相关理论基础上，研究和设计了一个工作的中心频率在10GHz的1×4均匀直线微带阵列天线。

在设计过程中，需要根据相关理论计算、优化、确定单个阵元的相关参数设计出单个阵元，然后再选取合适的馈电网络将单个阵元组成天线阵，最后分别对单个阵元和整个天线阵用HFSS进行仿真，运行得出结果，通过对比两者结果和性能参数，分析两者的性能差异，从而得出结论。

在本文内容安排上，第一章作为绪论首先简单概述了微带天线的发展历程、性能优缺点以及微带天线在实际中的应用领域；然后简单介绍了微带阵列天线的定义、分类和特点；最后提到了此次设计用到的HFSS仿真软件和所做的主要工作。

第二章主要介绍了微带天线和微带阵列天线的基本原理、分析方法和设计中需要得出的相关特性参数。

第三章主要介绍了此次微带阵列天线阵元的设计，包括选取材料，确定馈电方式，计算参数这几个前期准备步骤；然后介绍了此次仿真设计采用的软件HFSS并对所设计的阵元的相关参数进行优化，并对优化后的阵元进行仿真，得出结果并进行分析。

第四章是对阵列天线的设计和仿真，包括阵元间距的确定和馈电网络的设计、对仿真结果进行分析。

第五章是对此次设计的总结，包括设计结论以及对所做工作内容的简述。

第二章微带天线和微带阵列天线的基本原理

2.1微带天线的基本原理

图2.1微带天线的示意图

微带天线的示意图如上图所示，是在一块在厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷上金属辐射贴片、另一面敷上金属层作接地板而成，通过微带线馈电或者同轴线馈电的方式，在辐射贴片与介质基片的金属接地层之间激励起电磁场并向外辐射。

由于微带天线的辐射是场是由贴片和基片的接地板之间的缝隙产生的，因此从理论上说微带天线也常常被视作一种缝隙天线。

微带贴片可以是矩形，圆形或者圆环形等规则面积单元，成为微带贴片天线。

2.1.1微带天线的辐射机理

微带天线的辐射机理可以用微带天线的最普遍一种形式：

以微带贴片天线为例来进行解释说明。

如图2.1所示，微带天线的辐射电场是由微带贴片边缘和介质基片的接地层之间的边缘场产生的。

设辐射贴片的宽为w，长为半波长λ/2，介质基片的厚度为h，这样，辐射贴片和介质基片和接地板可以被看作一段长为半波长的低阻抗微带传输线。

前面已知介质基片厚度h远小于工作波长λ，故可假定辐射电场沿微带结构的宽度和介质基片厚度的方向没有变化，而是仅沿着长度为λ/2的贴片长度方向变化。

由于微带天线的辐射基本上是由贴片边沿的边缘场引起的，那么就可以将辐射电场分解为垂直于接地板平面和平行于接地板平面的两个分量。

由于已知微带贴片的长为λ/2，即半波长，故两个垂直于接地板平面的分量反相，而他们在远区场在正面方向上相互抵消；两平行于接地板平面的分量则同相，故他们的合场强叠加增强。

因此垂直于接地板平面方向的辐射场是最强的。

所以微带天线可以看作相距λ/2、长度为w、缝隙宽度为介质基片厚度h的缝隙天线。

2.1.2微带天线的馈电

微带天线有多种馈电方式，如微带线馈电、耦合馈电、同轴线馈电和缝隙馈电，其中微带线馈电和同轴线馈电是最常用的两种馈电方式。

1、微带线馈电

微带线馈电又称侧馈。

所采用的是利用微带线与辐射贴片相连作为传输线进行馈电的。

由于微带馈线与微带贴片是处在同一平面，制造时只需要将馈线和贴片一起光刻，操作简单容易大量生产。

微带线馈电的缺点是馈线自身也有辐射会干扰天线方向图，产生旁瓣电平，而且在一定程度上降低天线增益，使得天线性能降低。

因在设计时要求微带线线宽尽量窄且远小于工作波长。

 微带线馈电需要考虑天线输入阻抗与特性阻抗的匹配。

常见方法有三种：

1）可以通过选择适当的馈电点的位置来实现；2）通过改变微带贴片的宽度实现；3）通过设计阻抗匹配器来实现。

为达到最佳匹配效果通常会采用两种或者三种方式来进行阻抗匹配。

研究发现馈线与贴片在贴片宽上的连接位置（即馈电点位置）变化，则贴片的输入阻抗随之变化。

由于馈线与微带贴片之间的耦合效应，使得天线谐振频率与工作的中心频率之间有一个小的移位，可以通过稍加改变贴片尺寸，借助计算机软件找到最合适的尺寸使得天线谐振频率回到中心频率上。

根据馈电点的位置，可分为中心馈电（馈电点在贴片边沿的中点）和偏心馈电（馈电点不在贴片边沿中心）两种。

示意图如下：

图2.1.2.1微带线馈电

2、同轴线馈电

同轴线馈电的示意图如下：

图2.1.2.2同轴线馈电

同轴线馈电方式又称为背馈，它是将同轴插座安装在介质基片的接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片的中间层连接到辐射贴片上。

同轴线馈电也需要考虑阻抗匹配。

由于天线的输入阻抗与馈电点位置有关，所以选择合适的馈电点位置达到阻抗匹配的最佳效果。

相较于微带线馈电，同轴线馈电由于馈电点位置可以在贴片上任何位置，且由于没有微带线从而避免了对天线辐射的影响。

但是在获得阻抗匹配时对馈电点位置的确定比较复杂，且制作加工起来比较复杂。

2.1.3微带天线的分析方法

为了得到天线的一些特性参数，比如天线的增益、输入阻抗、回波损耗和方向图等，需要对天线周围空间的电磁场进行理论分析。

目前对天线的分析方法有：

传输线法、腔模理论、多端口网络模型、数值分析法等，选择合适的分析方法可以对天线的一些性能参数进行预先的估算处理，从而方便天线的设计的效率。

下面将对此次设计用到的几种分析方法进行解释说明。

（1）传输线法

传输线法是一种简单又比较常用的分析方法。

前面在说明微带天线的辐射机理时我们已经知道天线的辐射场主要由开路端处的边缘场产生，且沿垂直天线平面的驻波变化，在此基础上将微带贴片天线作为一种辐射场在平行天线平面方向没有变化的谐振器进行分析。

传输线法分析时需要基于以下几两个假设：

1）微带贴片跟介质基片的接地层构成微带传输线，在介质基片的中间传输TEM波，且波传输方向由馈电点的位置。

微带天线的辐射场是向上的驻波分布，在垂直方向是常数。

2）传输线的两个开口端等效为两个辐射缝，缝口径场即为传输线开口端场强。

缝平面看作位于微带片两端的延伸面上，即是将开口面向上折转90度，而开口场强也随之折转。

传输线模型理论分析方法计算量少，方法简单，可以直观地由其物理模型进行理解。

但是也有其局限性。

比如：

传输线法只能用于矩形微带天线和微带阵子天线，对其他形状和形式的天线不适用，而且由于传输线法是一维上的分析模型，所以在考虑馈电点沿传输线宽度变化时的输出阻抗时不准确（分析时改变馈电点位置输出阻抗不变，但是在实际实验中发现，馈电输出阻抗与馈电点在微带贴片便于的位置有关）。

2.数值分析法

与传输线法的基于假设条件不同，数值分析法是对工作波段中的具体数值进行理论计算分析。

由给所设计天线给出的边界条件列出场源特性分布的积分方程，再解方程得到源分布特性，再由一系列的积分方程的解来确定总场。

需要说明的是，与传输线法的简单模型分析相较，数值分析法是一种精确求解的分析方法。

在数值分析过程中积分方程的求解和计算相当复杂，一般需要借助相关的计算机工具来完成，现在用来计算求解这些场分布特性的计算机辅助软件有多种，使用这些软件大大提高了分析的效率和精确度。

数值分析法主要可以分为矩量法（MOM）、时域差分法（FDTD）和有限元法（MEW）。

此次设计用到的HFSS软件所采用的就是上述数值分析方法中的一种：

有限元法，因此下面对该方法进行解释说明。

有限元法（FiniteElementMethod）是将需要求解的区域（由边界条件确定）划分为一个个的单元网格，给每个单元网格规定一个在各自单元区域内解析、其他单元内为零的基函数，这样使得在分析每个单元时相互独立，这样在全区域的求解分析就被离散为了对每个单元的求解分析，将得到的各个单元网格的求解整合就得到了整个区域内的求解。

划分单元网格时，根据求解需要可以将其划分为矩形、三角形等平面形状。

如果是求解区域为三维结构，则网格单元相应地可以是六面体、四面体等立体形状。

相关研究已经证明，采用正三角形或正四面体划分网格时，得到的求解结果最为精确。

为了使求解过程尽量简化，通常采用多项式来作为单元网格的基函数进行求解分析。

比如设计用到的HFSS仿真软件采用的是三角形的单元网格划分时，基函数为一次多项式。

利用有限元法分析问题时可分为以下几个步骤：

1）将求解区域进行网格划分，确定网格单元的基函数；2）根据网格单元区域的边界条件列出各个单元求解方程；3）将得到的网格单元方程整合，组成整个区域内的方程组；4）求解所列方程组，根据求解结果得出辐射场的特性分布。

需要指出，为了减少计算机的计算量，并且使得出的结果更加精确，在设计时应使得辐射边界不能过大，在满足所需要的辐射区域的基础上尽量减小辐射边界尺寸。

2.2微带阵列天线原理分析

由若干个相同的微带天线按照一定方式排列成直线或者平面结构的天线系统称为微带阵列天线，要求组成天线阵的阵元结构和排列取向相同。

本文采用的是4阵元的均匀直线阵，所以将重点说明均匀直线阵的原理分析。

图2.2均匀直线阵天线的原理图

均匀直线阵是指阵元按照相同的形式排列成一条直线，且其相位沿直线均匀递减和或者递增的电流馈电。

上图表示的就是一个N阵元均匀直线阵，图中0—N-1表示Ｎ个阵元，延ｘ轴排成一条直线。

这里要求每个阵元在结构形式与排列方式相同，天线阵方向图函数为元因子与阵因子的乘积。

于是需要考虑的是阵因子与因子关系式

和相邻元之间相位差ξ如何建立联系，由原理图分析得到阵列在H面（xoy）内的归一化阵因子关系式为：

（式2.2.1）

式中

（式2.2.2）

上式为一几何级数的多项式，可以得到其和为：

（式2.2.3）

这样上式就构成了均匀直线阵列天线的归一化因子表达式。

根据想要得到的最大电场辐射与天线平面方向的关系，可以将均匀直线阵分为两大类。

1.边射阵

边射阵得到的辐射电场的最大值方向在垂直于天线平面的方向，即各阵元的辐射场在垂直天线平面方向同相叠加。

此时的阵元的电流同相。

即β=0.此时有：

（式2.2.4）

由上式可知，当

时，

，阵元在该方向上产生场的同相叠加。

如果阵元的最大辐射方向也在该方向叠加，那么直线阵的最大辐射方向必然也是在此方向上。

故构成了边射式均匀直线阵。

2.端射阵

端射阵跟边射阵正好相反，端射阵的辐射电场最大方向在阵元排列的直线方向，此时α=0度，且

，则由式2.2.4可知，此时

（式2.2.5）

对于上式进行物理意义的分析：

在此端射阵中，各个阵元的电流相位存在一个角度的滞后，此时我们已经知道滞后的这个角度在数值上等于阵元间距在

方向上的相位差kd。

当使得

时，此时两相邻阵元产生的辐射场在α=0方向上引起的相位差为

，即与阵元自身的电流相位

相互抵消，这样就使得所有阵元在

方向上产生的辐射场同相叠加达到最大值。

此次设计的均匀直线阵就是采用的边射式直线阵。

2.3天线的性能参数分析

（1）增益系数

天线的增益系数是指在相同的输入功率下，在某一距离和角度天线在最大辐射方向上某处辐射功率密度与无方向性天线在同一处辐射功率密度之比，也可以用天线的方向系数和其效率的乘积来表示。

天线的增益系数表明了天线在最大辐射方向上比理想的无方向性天线把输入功率增大的倍数，因此，天线的增益系数可以很好地表征天线对功率集中辐射的能力。

所以天线增益是一个衡量天线性能的重要参数，增益越大，代表天线在特定方向上的辐射效果好。

因此我们需要尽量得到增益高的天线。

（2）天线的方向图

天线方向图又叫辐射方向图和远场方向图。

是指在距离天线一定距离的辐射场的相对场强随方向变化的图形，通常采用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。

辐射方向图主要包括主瓣宽度、旁瓣电平和前后比等。

由天线的方向图可以直观看出天线在某一特定方向的增益和辐射强度。

因此，天线的方向图也是衡量天线性能的一个重要指标。

（3）回波损耗参数（S11参数）

回波损耗表示的是传输线端口的反射功率与入射功率的比值。

用对数表示时单位是dB。

S11参数可以看出天线工作时能量经传输线后有多少被反射回了入射源，因此S11参数也是表明天线性能的重要指标，S11如果比较大，就表示反射回来的能量比较大，相应的发射出的功率就比较小，从而使天线的效率就比较低了。

因此，在设计天线时应尽可能使S11参数比较低，从而保证天线在工作时尽可能地把能量发射出去，使天线有比较高的效率，这是保障天线性能的一种方式。

（4）天线的输入阻抗

阻抗匹配是衡量输入电路与输出电路之间功率的差异的一项指标。

换言之就是反映天线在工作时输入端经过传输线到达输出端消耗了多少功率，表示的是传输线的损耗。

达到理想的输入阻抗匹配时，没有发生传输线损耗，则输入端输出的能量没有损耗全部输送到终端负载，表明在这一过程天线的能量被完全地利用到了，效率是百分之百，当然这是理想情况，在实际中都会发生损耗。

在失配情况下，由于此时传输线上存在反射波，使得传输线输送的功率的过程中发生损耗使得能量不能全部被负载吸收，因此会降低天线的效率。

在天线的设计中，应尽量使辐射贴片的输入阻抗与50Ω微带线或者馈电网络进行匹配，从而提高天线的效率。

第三章　微带阵列天线设计

　　此次设计的目标是设计一个工作中心频率为10GHz的1×4均匀直线阵。

分两个方面实现：

一是设计阵元，二是将阵元组成阵列。

在设计阵元过程中需要选取贴片和介质基片材料、计算相关尺寸、选择馈电方式，然后通过仿真优化参数，最终确定参数进行仿真，得出结果进行分析。

组成阵列设计时，需要设计连接阵元的馈电网络，再设计出整个阵列，进行仿真，得出结果并进行分析。

3.1阵元设计

我们选取的是最为常见的矩形微带贴片，采用微带线馈电的方式的偏心馈电，将微带馈线与导体贴片的左边缘相连。

这样的阵元结构比较简单，选取的馈电方式也方便了后来阵列天线中的馈电网络设计。

为了得到很好地天线性能，我们需要通过分析和计算来确定微带天线阵元中的相关参数。

3.1.1