口径耦合馈电结构的共形阵列天线设计研究与分析【字数：9757】
耦合馈电方式是从1980年左右开始流行的一种非直接接触型馈电方式，其主要含有两种馈电方式口径耦合馈电和临近耦合馈电。耦合馈电没有直接接触，而是利用电磁耦合进行馈电的一种馈电方式，它可以有效改变阻抗，还可以扩展带宽。所以随着时代的发展，尤其是天线的制作朝着宽带宽发展的大趋势下，耦合馈电已经是越来越受到欢迎的一种馈电方式了。本文主要介绍了微带天线的一些特点、结构、馈电方式等。利用HFSS软件设计一个简易的口径耦合馈电结构的天线的设计，分析了辐射贴片的长和宽，馈电线的长与宽是否对谐振频率产生影响。以及最终通过改变辐射贴片的宽度来影响天线的谐振频率，从而对天线进行优化的一个设计。最终，在优化之后，扫频分析结果显示回波损耗有些许增加，谐振频率准确定位在求解频率；而且还发现微带贴片的最大辐射方向即为微带贴片的法线方向。口径耦合馈电结构的天线极化纯度很好，可靠性很高，带宽占比也比较高。现在被广泛应用于无线通信中，其未来的前景非常好！
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 天线的简介 2
1.2.1 方向图及其有关参数 3
1.2.2 天线效率 3
1.2.3 增益系数 4
1.2.4 极化和交叉极化电平 4
1.2.5 频带宽度 4
1.2.6 输入阻抗与驻波比 4
1.2.7 有效长度 4
2. 微带天线结构 5
2.1 微带天线辐射机理： 5
3. 微带天线的馈电 6
4．天线几何结构参数计算公式 8
4.1 耦合馈电天线的结构 8
4.2 耦合天线的参数计算公式 8
4.2.1 辐射贴片的宽度 9
4.2.2 有效介电常数 9
4.2.3 等效辐射缝隙长度 9
4.2.4 介质内的导波波长 9
4.2.5 实际上的辐射单元长度 9
4.2.6 微带特性阻抗 9
5. 天线的设计 10
5.1 模型的设计 10
5.2 设置边界条件 14
5.3 设置激励端口 17
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.4 求解设置 19
5.5 设计检查以及运行仿真分析 21
5.6 查看天线回波损耗 22
5.7 参数扫描分析 23
5.8 优化设计 27
5.9 优化结束后查看天线性能 30
5.9.1 查看S11扫频分析的结果 30
5.9.2 查看S11的Smith圆图结果和输入阻抗 30
5.9.3 查看天线的三维增益方向图 31
5.9.4 查看天线的E面增益方向图 34
5.9.5 天线参数 35
6. 总结 37
7. 参考文献 39
8. 致谢 40
1.绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着时代的发展，对于微带天线的利用已经越来越大了，不再像以前一样仅仅局限于电视，手机等方面，就拿手机而言，随着2G，3G，4G，甚至现在的5G，天线在每一个时代的运用和作用也都大不相同。而且天线现在还用于其他领域，如：雷达，卫星等方面。由于对微带天线的发掘也就直接促使对其馈电方式进行探索，随着人们发展的脚步一步一步向前迈进，天线领域也已经有了很大程度的发展。
直接接触法和非直接接触法是微带天线的两大馈电方法，其中直接接触法可以分为边沿馈电和探针馈电。非直接接触法可以分为口径耦合馈电和临近馈电[9].
微带馈电技术是微带天线中最早出现的馈电方式。微带馈电能够很容易实现的一个重要原因就是：馈电单元和贴片可以直接接触在一起，也就是能刻蚀在同一块基板上，因此制作起来也就相对容易一些。使用这种馈电方式的有：大部分的平面阵，输入阻抗在这种馈电方式中可以很容易的被控制了。当馈电线与辐射贴片直接接触在贴片的四周边缘时，其谐振频率可以达到很高。但是当它俩的接触的地方位于辐射贴片的中心位置附近时，其谐振频率会下降的非常明显。但是也正因为馈电网络与辐射贴片连在一起，也直接导致了微带馈电微带天线的几个缺点：1.带宽比较窄.2.寄生馈电辐射会相对较高.3.当基板的介电常数较高的时候，天线表面波的效率会很低[9]。
上世纪七十年代中叶出现了一种新型馈电方式即探针馈电。对于同轴馈电这一馈电方式来说，同轴线的探针与辐射贴片接触在一起，其外导体直接接地。使用探针馈电方式的优点如下：1.因为馈电网络与地直接接触在一起，因此可以与辐射部分分开，也就是说其每一层都互不牵连，因此可以分别对每层都进行优化；2.金属探针由于与辐射贴片直接接触，而馈电网络的很多器件与辐射贴片不接触，因此辐射很小。但由于探针馈电的连接比较麻烦，其带宽也比较窄，所以由金属探针而出现的交叉极化场也相对较高，其制造起来也是相当的复杂。
由上面的描述可以知道，直接接触式的馈电方法缺点如下：1.内部的带宽很窄.2.会产生表面波效应。有鉴于此，也就出现了耦合馈电这种非接触馈电方式。耦合馈电是于1980年左右提出来的，在这种馈电方式中，地面在其两个叠层之间，馈电线和辐射贴片通过地面上的孔来进行耦合，故也称之为耦合孔。口径耦合馈电天线的每层含有每层的器件，每个部分都是相对独立的，因此可以对每个部分进行独立的优化，其制作起来也比较简单；口径耦合贴片的参数较多，设计方便；使用此种馈电方式造成的天线，基本上它上面的电流连续且均匀，建模分析起来也就容易不少；不仅如此，还可以很容易调节口径耦合天线的阻抗匹配情况，故常拥有高带宽。
此外，临近耦合馈电也是一种非接触式的馈电方式。它的馈电线是在辐射贴片与地之间，其馈电网络与辐射贴片之间是利用电磁作用而不是直接接触的方式进行功率耦合。当然，临近耦合馈电的最重要的特性是它的耦合机制，也就是它的显容性的机制，而这也是与直接接触法所不同之处，因为大多直接接触法的都是感性的。临近耦合馈电之所以能拥有宽带宽，就是因为耦合机制的差异。它与口径耦合馈电一致，它上面的电流连续且均匀，故分析起来很简单。其缺点就是会产生高辐射。
由上述，故此次研究选择的是耦合馈电方式，因为口径耦合馈电方式相较于其他馈电方式的优点如下：1.拥有宽带宽.2.辐射较低。基于耦合馈电的这些优点，我选择了耦合馈电作为本次研究的馈电方式。
1.2天线的简介
天线是一种利用电磁波发射和接收的金属装置。在无线电设备中，其是用来发射和接收电磁波的器件。天线被广泛用于无线电通信中。不仅如此，非信号的能量辐射也会用到天线。天线通常是既可以用来发射，也可以用来接收，此即天线的可逆性。其工作原理就是：天线的互易定理，即同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 天线的简介 2
1.2.1 方向图及其有关参数 3
1.2.2 天线效率 3
1.2.3 增益系数 4
1.2.4 极化和交叉极化电平 4
1.2.5 频带宽度 4
1.2.6 输入阻抗与驻波比 4
1.2.7 有效长度 4
2. 微带天线结构 5
2.1 微带天线辐射机理： 5
3. 微带天线的馈电 6
4．天线几何结构参数计算公式 8
4.1 耦合馈电天线的结构 8
4.2 耦合天线的参数计算公式 8
4.2.1 辐射贴片的宽度 9
4.2.2 有效介电常数 9
4.2.3 等效辐射缝隙长度 9
4.2.4 介质内的导波波长 9
4.2.5 实际上的辐射单元长度 9
4.2.6 微带特性阻抗 9
5. 天线的设计 10
5.1 模型的设计 10
5.2 设置边界条件 14
5.3 设置激励端口 17
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.4 求解设置 19
5.5 设计检查以及运行仿真分析 21
5.6 查看天线回波损耗 22
5.7 参数扫描分析 23
5.8 优化设计 27
5.9 优化结束后查看天线性能 30
5.9.1 查看S11扫频分析的结果 30
5.9.2 查看S11的Smith圆图结果和输入阻抗 30
5.9.3 查看天线的三维增益方向图 31
5.9.4 查看天线的E面增益方向图 34
5.9.5 天线参数 35
6. 总结 37
7. 参考文献 39
8. 致谢 40
1.绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着时代的发展，对于微带天线的利用已经越来越大了，不再像以前一样仅仅局限于电视，手机等方面，就拿手机而言，随着2G，3G，4G，甚至现在的5G，天线在每一个时代的运用和作用也都大不相同。而且天线现在还用于其他领域，如：雷达，卫星等方面。由于对微带天线的发掘也就直接促使对其馈电方式进行探索，随着人们发展的脚步一步一步向前迈进，天线领域也已经有了很大程度的发展。
直接接触法和非直接接触法是微带天线的两大馈电方法，其中直接接触法可以分为边沿馈电和探针馈电。非直接接触法可以分为口径耦合馈电和临近馈电[9].
微带馈电技术是微带天线中最早出现的馈电方式。微带馈电能够很容易实现的一个重要原因就是：馈电单元和贴片可以直接接触在一起，也就是能刻蚀在同一块基板上，因此制作起来也就相对容易一些。使用这种馈电方式的有：大部分的平面阵，输入阻抗在这种馈电方式中可以很容易的被控制了。当馈电线与辐射贴片直接接触在贴片的四周边缘时，其谐振频率可以达到很高。但是当它俩的接触的地方位于辐射贴片的中心位置附近时，其谐振频率会下降的非常明显。但是也正因为馈电网络与辐射贴片连在一起，也直接导致了微带馈电微带天线的几个缺点：1.带宽比较窄.2.寄生馈电辐射会相对较高.3.当基板的介电常数较高的时候，天线表面波的效率会很低[9]。
上世纪七十年代中叶出现了一种新型馈电方式即探针馈电。对于同轴馈电这一馈电方式来说，同轴线的探针与辐射贴片接触在一起，其外导体直接接地。使用探针馈电方式的优点如下：1.因为馈电网络与地直接接触在一起，因此可以与辐射部分分开，也就是说其每一层都互不牵连，因此可以分别对每层都进行优化；2.金属探针由于与辐射贴片直接接触，而馈电网络的很多器件与辐射贴片不接触，因此辐射很小。但由于探针馈电的连接比较麻烦，其带宽也比较窄，所以由金属探针而出现的交叉极化场也相对较高，其制造起来也是相当的复杂。
由上面的描述可以知道，直接接触式的馈电方法缺点如下：1.内部的带宽很窄.2.会产生表面波效应。有鉴于此，也就出现了耦合馈电这种非接触馈电方式。耦合馈电是于1980年左右提出来的，在这种馈电方式中，地面在其两个叠层之间，馈电线和辐射贴片通过地面上的孔来进行耦合，故也称之为耦合孔。口径耦合馈电天线的每层含有每层的器件，每个部分都是相对独立的，因此可以对每个部分进行独立的优化，其制作起来也比较简单；口径耦合贴片的参数较多，设计方便；使用此种馈电方式造成的天线，基本上它上面的电流连续且均匀，建模分析起来也就容易不少；不仅如此，还可以很容易调节口径耦合天线的阻抗匹配情况，故常拥有高带宽。
此外，临近耦合馈电也是一种非接触式的馈电方式。它的馈电线是在辐射贴片与地之间，其馈电网络与辐射贴片之间是利用电磁作用而不是直接接触的方式进行功率耦合。当然，临近耦合馈电的最重要的特性是它的耦合机制，也就是它的显容性的机制，而这也是与直接接触法所不同之处，因为大多直接接触法的都是感性的。临近耦合馈电之所以能拥有宽带宽，就是因为耦合机制的差异。它与口径耦合馈电一致，它上面的电流连续且均匀，故分析起来很简单。其缺点就是会产生高辐射。
由上述，故此次研究选择的是耦合馈电方式，因为口径耦合馈电方式相较于其他馈电方式的优点如下：1.拥有宽带宽.2.辐射较低。基于耦合馈电的这些优点，我选择了耦合馈电作为本次研究的馈电方式。
1.2天线的简介
天线是一种利用电磁波发射和接收的金属装置。在无线电设备中，其是用来发射和接收电磁波的器件。天线被广泛用于无线电通信中。不仅如此，非信号的能量辐射也会用到天线。天线通常是既可以用来发射，也可以用来接收，此即天线的可逆性。其工作原理就是：天线的互易定理，即同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
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