圆形微带天线毕设论文讲解.docx
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圆形微带天线毕设论文讲解
大连海事大学
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毕业论文
二○一三年六月
圆形微带天线的仿真设计
专业班级：
通信工程1班
姓名：
徐睿
指导教师：
王钟葆
信息科学技术学院
摘要
微带天线以其体积小、重量轻且容易实现多频段的特点，越来越得到广泛应用，但其带宽较窄，限制了其发展，因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。
为了拓宽阻抗带宽，本文通过HFSS仿真软件，对圆形微带天线进行建模研究。
天线采用聚四氟乙烯和空气两层介质，通过同轴探针顶部加载圆形金属电容片来对辐射贴片进行耦合馈电，由此补偿探针引起的电感，调整圆形贴片尺寸、金属电容片尺寸和馈电点位置，来达到谐振点。
并且分析了不同厚度空气层介质对微带天线带宽的影响，分析其规律，最终使天线带宽达到最大。
本文中建模仿真的工作频率为2.45GHz，分析结果表明最终得到带宽达到24%，远超过一般微带天线的2%-5%。
关键字：
宽频带；圆形微带天线；电容馈电
ABSTRACT
Microstripantennaisgettingwidelyusedbecauseofthecharacteristicsofsmallvolume,lightweight,andeasilyachievingmulti-bandoperation.Butthenarrowbandwidthtotallylimiteditsdevelopment,improvingthebandwidthofthemicrostripantennahasmuchvitalsignificance.
Inordertobroadentheimpedancebandwidth,astudyonthecircularmicrostripantennabasedontheHFSSsimulationsoftwareisperformedinthispaper.Theantennaconsistsoftwolayermedium,whicharethePTFEandtheair,feedingtheradiationpatchbyaddingacircularmetalcapactivepatchtothetopofcoaxialprobe,sothiscouldcancelouttheinductancecausedbyprobe.Byadjustingthesizeoftheradiationpatchandcapacitivepatch,andthepositionofthefeedpoint,theresonancepointcanbeachieved.Theanalysisoftheeffectofdifferentthicknessoftheairlayeronthebandwidthofmicrostripantennaisperformedtofindthemaximumbandwidth.
Theoperationfrequencyofthedesignedantennainthispaperis2.45GHz,theresultsshowthatthebandwidthof24%,farmorethan5%ofthetraditionalmicrostripantenna.
Keywords：
Broadband;Circularmicrostripantenna;Capactivefed
目录
第1章绪论1
1.1概述1
1.1.1国内外研究动态2
1.1.2.研究目的和意义2
1.2本章小结2
第2章微带天线的基本理论3
2.1概述3
2.2微带天线的分析方法3
2.2.1传输线法4
2.2.2空腔模型5
2.2.3其它方法6
2.3微带天线的馈电方法6
2.3.1微带线馈电6
2.3.2同轴线馈电6
2.3.3电磁耦合馈电7
2.4微带天线频带展宽的方法7
2.4.1采用厚基板7
2.4.2采用相对介电常数较小或损耗角正切较大的基板7
2.4.3附加阻抗匹配网络8
2.4.4采用楔形或阶梯形签板8
2.4.5采用非线性基板材料8
2.4.6采用非线性调整元件8
2.4.7采用在贴片或接地板“开窗”的办法9
2.5空气介质对天线影响9
2.6本章小结9
第3章软件模型构建11
3.1HFSS简介11
3.2模型建立11
3.2.1分步建模11
3.2.2模型效果图13
3.3分析设置14
3.4本章小结15
第4章16
4.1微带天线的理论分析16
4.2仿真分析16
4.2.1.S参数图16
4.2.2Z参数图18
4.2.3电压驻波比和方向图19
4.3比较不同空气层厚度21
4.3.1空气层厚度8mm21
4.3.2空气层厚度10mm23
4.3.3空气层厚度12mm25
4.3.4比较分析27
4.4本章小结28
结论29
参考文献30
致谢32
圆形微带天线的仿真设计
第1章绪论
1.1概述
微带天线是20世纪70年代出现的一种新型天线形式。
早在1953年美国Deschamps教授就己提出微带辐射器的设想[1]，但由于当时的集成技术和介质基片材料尚未趋于完善，因此未能取得较大的进步。
直到20世纪70年代初期，当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，实际的微带天线才制作出来[2][3]。
微带天线最初作为火箭和导弹上的共形全向天线获得了应用，随着材料科学技术的发展，实用的微带天线才得到了长足的发展。
现己大量应用于100MHz-1000Hz宽频域的无线电设备中，特别是在飞行器上和地面便携式设备中。
微带天线的出现是现代微波集成电路技术在理论和实践上应用于天线理论的一个重要成就。
微带天线的特征是比通常的微波天线有更多的物理参数，它们可以有任意的几何形状和尺寸。
和常用的微波天线相比，它有如下一些优点:
（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形，且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。
（2）电性能多样化.不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，易于得到各种极化，特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。
（3）能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整体的制作和调试，大大降低了成本。
和其它天线相比，它也有一些缺点:
（1）相对带宽较窄，主要是谐振型微带天线。
现在已经有一些改进方法。
（2）损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。
特别是行波型微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。
（3）单个微带天线的功率容量较小。
（4）介质基片对性能影响大。
由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。
微带天线的优点远远超过了它的缺点，再加上微带天线的实验方法和计算方法都己非常成熟，这就为克服微带天线的缺点奠定了基础。
本文就是应用己有的理论来设计一个宽带微带天线
1.1.1国内外研究动态
由于微带天线有其独特的优点，它的一些缺点正在研究克服，其中最主要的缺点是工作频带宽度太窄，一般典型微带天线的相对工作频带宽度只在2%-4%左右[4]。
微带天线的窄频带限制了它在很多方面的应用。
在如何展宽微带天线的工作频带宽度方面，国内外天线工作者己做了大量的工作。
例如，Chang,Long和Richards[5]通过实验用增加基片厚度的方法，可以得到20%的天线工作频带宽度。
Purchine,Aberie和Birtcher[6]把微带天线看成是一个谐振电路，在微带天线和接地板之间并接一个变容二极管，用微处理器控制改变加到变容二极管上的反向偏压;在保持微带天线本身不大于4%的频带宽度条件下，应用调谐方法可以在1.55GHz-1.93GHz（相当于22%）频带宽度上连续工作。
Yan和Hessel[7]，在探针耦合的微带天线上加一个尺寸稍小的寄生单元，可以得到20%-30%的频带宽度。
Lee和Nalbandian[8]，利用微带天线中最低模与一个高次模的谐振频率，用改变空气隙的方法对这两个频率同时进行阻抗匹配，这两个频率可以相隔很远，相当于可得到大于20%的不连续的频带宽度。
An,Nauwelaers和Capel1e[9]在微带天线输入端与微带馈线之间加一个电抗匹配网络，可以得到16.82%的天线工作频带宽度。
FanYang和XueXiaZhang[10]等人采用E型贴片在无线通信频率范围之内的带宽可达到30.3%。
由此可见，展宽微带天线的带宽，己经取得了很大的进展。
1.1.2.研究目的和意义
在无线电技术领域，对于信息的传输，天线的作用是不可缺少的。
随着社会的发展和进步，对信息传输的要求也越来越高。
因此，天线的发展方兴未艾。
微带天线由于其低剖面、价钱便宜，并可制成多功能、可共形的天线，其尺寸可大可小，大的微带天线其长宽可到十几米，小的只有几毫米。
显然，其优势是明显的。
在电视技术领域，随着电视在农村的普及以及高清晰度电视的出现，微带天线的发展和应用有着广阔的市场和光明的前景[11]
本文设计了一种天线，采用较薄的聚四氟乙烯与较厚的空气层双层介质，同时又利用金属电容片补偿同轴探针馈电时所引入的电感。
对微带天线进行仿真，可以使单个圆形贴片的阻抗带宽在S波段内达到25％左右，满足了现代通信对天线带宽的要求。
1.2本章小结
本章主要通过介绍微带天线的发展和其特点，国内外已知的微带频宽拓展方法，提出一可行的天线模型，并通过仿真来得到其参数，可以看出有很好的宽带特性。
第2章微带天线的基本理论
2.1概述
天线是各种无线电设备中不可缺少的组成部分，它能有效地、定向地辐射或接收无线电波并由馈线同收发系统联系起来，起着能量转换作用。
微波传输线（是用来传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称），从本质上讲是一个封闭系统。
它的基本功能是传输电磁能量，其电磁场被束缚在传输线附近而不会传到遥远的空间。
它自身的不连续性可以用来构成各种形式的微波组件。
而天线是由传输线演变成的，但它的基本功能恰好与传输线相反，是向空间辐射或接收电磁能量，是一个开放系统。
不管是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流元，这是共性。
因此，讨论电流元的辐射场是讨论天线问题的出发点。
讨论天线要解决的两个最重要的问题是阻抗特性和方向特性。
前者要解决天线与馈线的匹配问题;后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。
而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布。
为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。
对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。
因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场.这样，即避开了严格的电磁理论的计算又有一定的精确度。
2.2微带天线的分析方法
天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。
微带天线的分析方法主要分为两大类:
基于简化假设的近似方法和全波分析方法。
全波分析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。
第一种方法包括传输线模型、空腔模型和分段（segmentation）模型。
这种方法将贴片单元当作一段传输线或是空腔谐振器，简化了分析和计算，提高了速度，并且物理概念清晰，可以提供设计的初始数据。
分析微带天线的基本理论大致可分三类。
最早出现的也最简单的是传输线模型（TLM-TransmissionLineModel）理论，主要用于矩形贴片。
更严格更有用的是空腔模型（CM-CavityModel）理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。
最严格而计算最复杂的是积分（IEM-IntegralEquationMethod）即全波（FW-FullWave）理论。
从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。
从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题;第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解;第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。
自然，这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。
基于对积分方程的简化，产生了格林函数（GFA-Green'sFunctionApproach）;而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法（MNA-MultiportNetworkApproach）等。
2.2.1传输线法
利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。
图2.1是此种方法的物理模型。
方法的基本假设是:
（1）微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，波的传输方向决定于馈电点。
线段长度L=λg/2,振为准TEM波的波长。
场在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向（图中的宽度方向）是常数.
（2）传输线的两个开口端（始端和末端）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，而开口场强随之由以上两条基本假设可以看出，当L=λg/2时，二缝上切向电场均为x，且等幅同相。
它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射。
图2.1传输线法物理模型
在各种方法中，传输线法最为简单，也最为直观。
利用端缝辐射的概念清楚地说明了辐射的机理。
可惜由于传输线模式的限制，它难于应用在矩形片以外的情况。
对于矩形片，传输线模式相当于腔模理论中的基模。
在谐振频率上，计算的场分布与实际很接近，参量计算合乎工程精度，但失谐大时，场分布与实际相差较大，计算就不可靠了。
基本的传输线法对谐振频率预测是不够准确的，利用一些修正方法（如等效伸长）可将误差减小到1%以内。
如果通过样品实测谐振频率，然后再行调整，效果应当更好
2.2.2空腔模型
罗远芷（Y.T.Lo）等在1979年提出了空腔模型理论。
该理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的。
实际上，谐振型微带天线的形状与微带谐振腔并无显着区别。
因此借助于谐振腔理论是很自然的，分析微带谐振腔的一般方法是，规定腔的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频率、品质因数和输入阻抗等。
把这种方法移植到微带天线中来，称为单模理论。
这种简单的方法正如传输线法一样，计算也不很复杂，因而为工程界广泛采用。
该理论基于薄微带天线的假设，而将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔（或确切的说是漏波空腔）。
天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。
在分析腔内场时，基本的腔模理论作如下假设:
（1）由于腔高度h<λg，可认为腔内场仅有Ez分量，并且Ez不随z而变。
还假设Hz=0，因此腔内场是与z无关的二维场，对z轴而言，腔内仅存在TM波。
（2）在微带片的周界上，片电流没有垂直于周界的分量，这意味着沿侧壁x的切向分量为零，故腔的侧壁可假设为磁壁，即谐振腔可视为上、下为电壁，周围为磁壁的腔体。
在理论上，封闭的磁壁和电壁一样都能将区域内外的场互相隔离。
但在这里，腔的侧壁虽然等效为磁壁，它实际是连续空间的一部分，对计算外部
空间场而言，侧壁上的E,可等效为磁流
M=EzZ×n（2.1）
上述基本假设若用更严密的理论来检验，不难发现其近似之处。
此处二维场假设及仅有TM波假设都是近似的。
同样，侧壁上切向磁场为零也是近似的。
因为在周界处内壁面法向电流严格说不是零（尽管总法向电流即内壁和外壁法向电流之和为零），只是在h<λg,条件下接近零。
由上述讨论不难看出基本的腔模理论应用上的限制，h<λg的条件是很重要的，当不满足此条件时，上述基本假设需要作适当修改。
基本的腔模理论中由于边界导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题，理论上是严格的，只是边界导纳确定比较困难，使计算只能是近似的。
在腔模理论中，认为腔内场是二维函数，这在薄基片时是合理的，对于厚基片将引入误差。
由于应用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在大多数情况下这不成问题。
而在毫米波段就需要另行考虑了。
2.2.3其它方法
另外，有限元法作为一种数值方法也越来越引人注目，它和分域基函数矩量法一样，不受天线形状的限制。
它和矩量法一样，也应用了变分原理，并且形式更为直接。
但是有限元所涉及的场量、单元和基函数的选择乃至表达式都和矩量法不同。
由于它的特殊选择，得到的代数方程矩阵是稀疏矩阵，并且矩阵元素易于计算，这是有限元法的突出优点，但是它只能得到纯数值解，这可以说是一个主要的缺点.近年来，快速多极子算法，遗传算法和神经网络的引入加速了天线的优化。
由于对大多数工程应用来说，简单的传输线模型和空腔模型给出的结果己足够满意。
2.3微带天线的馈电方法
天线是一种能量变换器。
发射天线把发射机输出回路的高频交流能变为辐射电磁能，即变为空间电磁波。
相反，接收天线把到达的空间电磁波变为高频交流能，传送到接收机的输入回路。
从发射机到天线以及从天线到接收机之间的连接是依靠馈线来实现的。
对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电。
下面只讨论对单元天线的馈电方法。
对微带单元天线进行馈电的两种基本方式是:
（1）微带线馈电;
（2）同轴线馈电。
2.3.1微带线馈电
用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便地光刻，制作简便。
但这时馈线本身也要引起辐射，从而干扰夭线方向图，降低增益.为此一般要求微带线宽度W不能宽，希望W≤λg。
这要求微带线特性阻抗Zo要高些或基片厚度h小，介电常数εr，大。
天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配可由适当选择馈电点位置来实现。
当馈点沿矩形贴片的两边移动时，天线谐振电阻变化.对于TM10模，馈点沿馈电边（正轴）移动时阻抗调节范围很大。
微带线也可通过间隔伸入贴片内部，以获得所需阻抗。
馈点位置的改变将使馈线与天线间的耦合改变，因而使谐振频率有一小漂移，但方向图一般不会受影响（只要仍保证主模工作）。
频率的小漂移可通过稍稍修改贴片尺寸来补偿。
2.3.2同轴线馈电
用同轴线馈电的优点是:
（1）馈点可选在贴片内任何所需位置，便于匹配;
（2）同轴电缆置于接地板下方，避免了对天线辐射的影响。
缺点是结构不便于集成，制作麻烦。
这种馈源的理论模型，可表示为Z向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环。
其简化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。
一种更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为传TEM波的激励源，而把圆柱探针的效应按边界条件来处理。
天线设备作为一个单口组件，在输入端面上常体现为一个阻抗组件或等效阻抗组件，与相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题。
微带辐射器的输入阻抗或输入导纳是一个基本参数。
因此应精确地知道输入导纳，以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。
2.3.3电磁耦合馈电
80年代以来出现了多种电磁耦合型馈电方式。
其结构上的共同特点是贴近（无接触）馈电，这种馈电方式通常要求微带天线的结构为双层（或多层）结构。
邻近耦合馈电是将馈电用的微带线制作在底层基片上，将端接开路短线的贴片制作在上层基片上。
口径耦合馈电是用一块接地板隔开二块平行的基片，底层基片上的微带线通过接地板上的小口径耦合到上层基片的贴片上。
由于耦合馈电方式允许在一块介电常数高的薄基片上进行馈电，而在另外一块介电常数低的厚基片上安装天线。
因此，采用双层结构，耦合馈电，可以分别对微带天线的馈电性能和辐射性能进行优化。
这种结构能够减小甚至消除馈源的寄生辐射对天线方向图和极化纯度的影响。
尽管这种结构没有焊点，可以提高微带天线的可靠性，但由于双层基片需要精确对准，所以，双层基片的制作还是有一定难度的.
电磁耦合馈电对于多层阵中的层间连接问题，是一种有效的解决方法，并且大多能获得宽频带的驻波比特性【11】
2.4微带天线频带展宽的方法
常用的方法有采用厚基板，采用相对介电常数较小或tanδ较大（有耗）的基板，附加阻抗匹配网络，采用楔形或阶梯形基板，采用非线性基板材料，非线性调整元件，采用多层结构，在贴片或接地板“开窗”等。
其中，附加阻抗以展宽频带及在贴片切缝以展宽频带等方面已应用到圆极化微带天线上。
2.4.1采用厚基板
从物理意义上讲，增大基板厚度之所以能使频带加宽是由于厚度增加辐射电导也随之增大，辐射对应的品质因素Qr，及总的品质因素值下降。
在一些空气动力性能及重量不慎苛刻的场合，这种方法还是行之有效的[12]
2.4.2采用相对介电常数较小或损耗角正切较大的基板
当εr减小时，介质对场的“束缚”减小，易于辐射;且天线的贮能也因εr的减小而变小，这样将使辐射对应的Qr下降，从而使频带变宽。
tanδ的增加使介质损耗加大，使频带展宽。
但εr的变小将使所需的基板尺寸加大，tanδ增加必然使天线的效率降低。
2.4.3附加阻抗匹配网络
工作于主模的矩形或圆形等微带贴片天线，其等效电路可以用一个RLC并联谐振回路来描述。
在背馈的情况下，馈电探针的电抗作用应予考虑。
尤其当基板厚度h≥0.1λg时，馈电探针的作用更为显著。
若h<λg/4，其作用等效于一个电感，这个电感与上述并联谐振回路相串联，形成天线的输人阻抗。
为了使这个阻抗与50Ω的馈线在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合，可以用计算机辅助设计方法实施最优设计。
当匹配网络设计合理时，带宽可达到25%[13]。
对于圆形微带贴片天线，发现上述最优设计结果的主要匹配元件是一个串联电容。
在天线工作频率上这个电容与馈电探针等效电感大致构成串联谐振。
串联谐振回路在谐振频率附近收电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化而展宽了频带。
2.4.4采用楔形或阶梯形签板
采用楔形或阶梯形基板是展宽微带天线频带简单而有效的方法。
这两种基板形状的变化导致频带展宽的物理意义可解释为是由于两辐射端口处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容藕合产生双回路现象造成的。
采用阶梯形基板的谐振器，VSWR<2时的频带可达25%;采用楔形基板谐振器，VSWR<2时的频带可达28%。
而一个厚度相当的一般矩形微带天线的频带为13%。
2.4.5采用非线性基板材料
在各种典型的微带贴片天线中，其贴片的线性尺寸比例于工作波长。
频率低时对应的尺寸大，这就使UHF波段的低端以下采用微带天线较为困难。
对于一定的贴片尺寸及介质性能，这些天线都呈现窄频特性。
于是有人提出采用铁氧体作为基板材料。
它的电磁特性可以显著地缩小天线尺寸。
同时，铁氧体具有非线性的色散特性，其有效磁导率是随频率的升高而降低的。
由实验知，铁氧体微带天线具有多谐特性，故若能得到接近理想的色散特性就有可能在几个倍频程内用一个铁氧体天线，即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，这当然是较理想的。
2.4.6采用非线性调整元件
在用传输线法分析矩形微带天线时曾有这样的概念，即其两个辐射端的边缘效应可以看成是各并联一个电容，这个电容可看作是传输线的等效伸长，从而使实际的谐振频率低于以谐振长度算得的理论值。
因此。
如果在上述辐射端各并联一个变容管，控制加到变容管的电压就可以控制天线的工作频率
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