圆形微带天线设计与全波分析
随着市场需求的扩大以及天线技术领域的快速发展，微带天线在越来越多的地方得到了广泛的应用。特别是在飞机、卫星和导弹的制作中，由于它们的尺寸、重量、性能、安装难易等方面都受到了严格的限制，这时微带天线就起到了举足轻重的作用。
近年来，短距离无线网络通信技术的蓬勃发展使得2.4GHz频段的无线通信设备得到了很多应用。本论文就是针对在蓝牙通信、无线网络通信等领域都应用广泛的2.4GHz通信频段进行研究圆形微带天线。通过HFSS仿真软件对圆形微带贴片天线进行设计与仿真,并对它进行全波分析。在此基础上能够对现有的圆形结构微带天线作一些必要的改进，以提高其在特定领域的应用性能。
关键词：微带天线 通信技术 HFSS 2.4GHZ圆形微带天线 F000226
With the expansion of market demand and the rapid development of technology in the field of antenna, microstrip antenna has been used in many fields. Especially in the production of high performance aircraft, spacecraft, satellites and missiles, because the size, weight, cost, performance, ease of installation, the aerodynamic shape are strictly restricted, the microstrip antenna has been playing an important role.
In recent years, with the prosperous development of short distance wireless network communication technology, the wireless communication devices operated 2.4GHz band has been widely applied. This paper is aimed at researching circular microstrip antenna operated at 2.4GHz frequency band, which is applied in the Bluetooth, wireless network communication and many other fields. Designing and simulating the circular microstrip patch antenna via HFSS simulation software, also making a full-wave analysis of it. On the basis, we can make some necessary improvements of the existing circular microstrip patch antenna, so that enhance its application performance in specific areas. So the research of 2.4GHZ circular microstrip antenna not only has academic value but it is of great practical significance.
Key Words: Communication technology; Microstrip antenna; HFSS; Circular microstrip antenna operated at 2.4GHz band
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1.绪论 8
1.1背景概述 8
1.2课题研究的主要内容 8
1.3课题研究的目的和意义 9
1.4国内外研究动态 9
1.4.1 小型化研究 9
1.4.2 多频段研究 10
1.4.3 阵列和智能天线研究 10
1.5论文结构安排 11
2.微带贴片天线基本理论 12
2.1微带天线概念 12
2.1.1 微带天线的分类 12
2.1.2微带天线的分析方法 13
2.1.3微带天线的馈电方法 13
2.2微带天线的制作工艺 15
2.3 微带天线的扩频方法 15
2.4本章小结 16
3. 2.4GHZ圆形贴片天线模型设计 17
3.1 Ansoft HFSS简介 17
3.1.1 有限元法概述 17
3.1.2 HFSS功能 17
3.1.3 HFSS设计流程 18
3.2仿真设计及模型构建 18
3.2.1 理论分析 18
3.2.2 设计概述 19
3.2.3 设计具体步骤及模型建立 19
3.3 查看、结果分析与优化 24
3.3.1查看天线的谐振频率 24
3.3.2 分析各个变量和谐振频率的关系 25
3.3.3 分析谐振点处输入阻抗与馈电点位置变化的关系 26
3.3.4 优化到最佳阻抗匹配点 26
3.4查看优化后天线性能 26
3.4.1查看分析结果 26
3.4.2查看的Smith图 26
3.4.3 Z参数图 26
3.4.4 电压驻波比图 26
3.4.5增益方向图 26
3.5 本章小结 26
4. 研究扩展：双频圆形微带天线的设计 26
4.1设计概述 26
4.2设计简要步骤 26
4.3结果分析与优化 29
4.3.1查看分析结果 29
4.3.2查看的Smith图 29
4.3.3 Z参数图 29
4.3.4 电压驻波比图 29
4.4.5增益方向图 29
4.4本章小结 29
5.设计应用 29
结语 29
参考文献 30
致谢 30
2.4GHz圆形微带天线设计与全波分析
1.绪论
1.1背景概述
微带贴片天线是在介质基片上贴加薄的导体片而形成的，它有很多优点，如：
(1) 体积小、重量轻、剖面薄；
(2) 便于获得双频段和双极化；
(3) 电性能多样化；
(4) 适用于大批量生产，简化了制造和调试过程，大大降低了成本。
当然它也有一些缺点，比如：频带较窄、功率容量较小等。不过，已经发展了很多技术来减小甚至消除掉这些缺点，而且微带天线的优点明显，远远超过了它个别的缺点，再加上其实验、研究方法的不断更新，天线的计算方法已日趋成熟、简单，这也为改善微带天线的这些缺点奠定了良好的基础。
本课题我使用的是HFSS仿真软件（具体下文介绍），它是一款三维全波电磁仿真软件，这个软件的理论基础是计算电磁学中的有限元分析方法。本文就是用此软件设计仿真出2.4GHz圆形微带天线，并进行全波分析。
1.2课题研究的主要内容
本课题先简要介绍了天线的一些基本理论，然后以Ansoft公司的HFSS仿真软件为载体，具体设计建模了2.4GHz圆形微带天线，并进行了优化与结果分析。此天线设计采用的是在同轴探针的顶部加载金属电容片的方法进行耦合馈电，以此来减小探针引起的电感影响。论文后面进行了研究扩展：使用另一种馈电方式——同轴馈电，设计出一个双频圆形微带天线，使它能在2.4GHz和5.4GHz这两个频带工作。最后对现有的圆形结构微带天线提出一些必要的改进。
1.3课题研究的目的和意义
随着电子器件在尺寸上的不断缩小，这也推动着天线设计师们不断地减小天线的尺寸。此时微带天线的出现，可以说是解决了燃眉之急。微带天线加工简便、价格又低廉，并且可以制做成功能多、可共形的天线，它的规模也可大可小，优势十分明显！
本文先是设计了一种2.4GHz的圆形微带贴片天线，采用电容耦合馈电的方法进行馈电，此种方法优点是：可以适当地拓宽频带，也是对原先圆形微带天线结构的一些改进。同时研究的扩展设计也实现了圆形微带天线能在特定双频段工作的特点，实用价值很大。
1.4国内外研究动态
由于微带天线诸多不可超越的优点，在未来的通信领域中，它的地位将无法比拟。如今的市场上，无线产品种类颇多，因此也给了用户很多的选择空间。在同样性能的产品中，用户更趋向于购买体积较小、便于携带的商品。小型化是国内外天线设计师们一直研究的内容，除此之外，宽频带、多频段、阵列天线与智能天线也是天线发展的重要趋势。这几个方面也是天线设计过程中需要着重考虑的地方。
1.4.1 小型化研究
微带天线介质基片的厚度相比于波长是很小的（一般情况下可以忽略），是以它本身就成功地实现了一维小型化；进一步缩小天线尺寸的手段还有：运用短路针加载技术、采用特殊材料的基板、采用曲流技术等。下面我们分别进行介绍：
（1）短路针加载技术：通过在天线上加载短路的小探针使得谐振空腔中引入了藕合电容，从而实现了小型化。如果用切片电阻（阻抗较低）替换掉短路探针，那么不仅可以降低谐振频率，还可以增加带宽，一举两得。短路针加载技术具体又包括三种方法：加载短路面、加载短路片以及加载短路销钉。
（2）采用特殊材料的基板：天线的谐振频率与它的介质参数是成反比的，因此选用介电常数或磁导率较高的基质片可以很好地降低谐振频率，从而可以在很大程度上减小天线尺寸。
（3）曲流技术具体有两种方案：贴片表面曲流技术和接地面曲流技术。通过在贴片表面开槽的方法，可以使微带天线在某些工作模式下的电流路径加长，达到降低尺寸的目的；而通过在接地面上开一条或几条槽的方法，会影响贴片电流分布情况，因此也可以达到降频的效果。
还有一些方法可以实现小型化，如附加有源网络、采用特殊形式的天线（如蝶形、L形）等。
1.4.2 多频段研究
对于天线宽频带技术的研究将在下章讨论，现在讲讲多频带天线。多频带天线能够在两个及以上窄频带上提供良好的匹配性能。由于理想的3G通信系统尚未在全国普遍建立，天线就需要有能在2G和3G网络之间不断切换的能力；因此近年来对多频段天线的研究在不断加深。微带天线多频段技术的研究主要集中在双频技术上，下面讲述几种常用的双频技术。
（1）采用电抗加载的方法
电抗加载的方式十分多样化，可以采用将同轴短路或微带短路的方法；也可以在贴片辐射的边沿上接入延伸片或者在贴片上开一条（几条）槽来实现双频；此外，采用多层重叠的结构也能实现双频带工作。
（2）采用正交模式的方法
只要贴片天线提供两个正交极化的谐振模式，那么我们就可以利用这种性质实现双频段工作。这类天线虽然只有一个馈电结构，但是它能够与两个约定谐振频率下的输入阻抗同时匹配。为能在贴片天线上产生正交模式，一般在微带天线的馈电结构上作些调整。常用有以下三种方法：偏置同轴馈电、缝隙耦合馈电和双馈电。
1.4.3 阵列和智能天线研究
从当今天线的发展趋势来看，未来的无线电通信将更加普遍和广泛的使用阵列天线，其中智能天线也属于阵列天线的范畴。阵列天线就是用多个天线单元来提高天线的一些性能，它可以与空间或者空—时自适应处理技术结合起来，这样我们就可以通过控制天线的方向图来优化接收信号。在移动通信中，智能天线的应用有两类：基站和移动台；其关键技术主要有三项：智能化发射技术、接收技术和动态信道分配技术。
为满足用户不断提高的要求，天线的研究仍在进行，并将不断发展下去。
1.5论文结构安排
本论文完成了概念介绍、具体设计、研究扩展和设计应用四方面的任务。
论文的结构具体安排如下：
第一章：绪论。对本设计的背景和内容进行整体描述，并论述了研究本课题的目的、意义与其发展动态。
第二章：介绍微带贴片天线的一些理论知识，包括它的制作工艺、分析和馈电方法等。
第三章：具体描述2.4GHZ圆形贴片天线模型设计过程和结果的查看、分析。
第四章：对本论文的研究进行了扩展——改变馈电方式，设计出双频圆形微带天线。
第五章：将本论文的设计推广到应用中，并对现有的天线结构作出改进。
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近年来，短距离无线网络通信技术的蓬勃发展使得2.4GHz频段的无线通信设备得到了很多应用。本论文就是针对在蓝牙通信、无线网络通信等领域都应用广泛的2.4GHz通信频段进行研究圆形微带天线。通过HFSS仿真软件对圆形微带贴片天线进行设计与仿真,并对它进行全波分析。在此基础上能够对现有的圆形结构微带天线作一些必要的改进，以提高其在特定领域的应用性能。
关键词：微带天线 通信技术 HFSS 2.4GHZ圆形微带天线 F000226
With the expansion of market demand and the rapid development of technology in the field of antenna, microstrip antenna has been used in many fields. Especially in the production of high performance aircraft, spacecraft, satellites and missiles, because the size, weight, cost, performance, ease of installation, the aerodynamic shape are strictly restricted, the microstrip antenna has been playing an important role.
In recent years, with the prosperous development of short distance wireless network communication technology, the wireless communication devices operated 2.4GHz band has been widely applied. This paper is aimed at researching circular microstrip antenna operated at 2.4GHz frequency band, which is applied in the Bluetooth, wireless network communication and many other fields. Designing and simulating the circular microstrip patch antenna via HFSS simulation software, also making a full-wave analysis of it. On the basis, we can make some necessary improvements of the existing circular microstrip patch antenna, so that enhance its application performance in specific areas. So the research of 2.4GHZ circular microstrip antenna not only has academic value but it is of great practical significance.
Key Words: Communication technology; Microstrip antenna; HFSS; Circular microstrip antenna operated at 2.4GHz band
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1.绪论 8
1.1背景概述 8
1.2课题研究的主要内容 8
1.3课题研究的目的和意义 9
1.4国内外研究动态 9
1.4.1 小型化研究 9
1.4.2 多频段研究 10
1.4.3 阵列和智能天线研究 10
1.5论文结构安排 11
2.微带贴片天线基本理论 12
2.1微带天线概念 12
2.1.1 微带天线的分类 12
2.1.2微带天线的分析方法 13
2.1.3微带天线的馈电方法 13
2.2微带天线的制作工艺 15
2.3 微带天线的扩频方法 15
2.4本章小结 16
3. 2.4GHZ圆形贴片天线模型设计 17
3.1 Ansoft HFSS简介 17
3.1.1 有限元法概述 17
3.1.2 HFSS功能 17
3.1.3 HFSS设计流程 18
3.2仿真设计及模型构建 18
3.2.1 理论分析 18
3.2.2 设计概述 19
3.2.3 设计具体步骤及模型建立 19
3.3 查看、结果分析与优化 24
3.3.1查看天线的谐振频率 24
3.3.2 分析各个变量和谐振频率的关系 25
3.3.3 分析谐振点处输入阻抗与馈电点位置变化的关系 26
3.3.4 优化到最佳阻抗匹配点 26
3.4查看优化后天线性能 26
3.4.1查看分析结果 26
3.4.2查看的Smith图 26
3.4.3 Z参数图 26
3.4.4 电压驻波比图 26
3.4.5增益方向图 26
3.5 本章小结 26
4. 研究扩展：双频圆形微带天线的设计 26
4.1设计概述 26
4.2设计简要步骤 26
4.3结果分析与优化 29
4.3.1查看分析结果 29
4.3.2查看的Smith图 29
4.3.3 Z参数图 29
4.3.4 电压驻波比图 29
4.4.5增益方向图 29
4.4本章小结 29
5.设计应用 29
结语 29
参考文献 30
致谢 30
2.4GHz圆形微带天线设计与全波分析
1.绪论
1.1背景概述
微带贴片天线是在介质基片上贴加薄的导体片而形成的，它有很多优点，如：
(1) 体积小、重量轻、剖面薄；
(2) 便于获得双频段和双极化；
(3) 电性能多样化；
(4) 适用于大批量生产，简化了制造和调试过程，大大降低了成本。
当然它也有一些缺点，比如：频带较窄、功率容量较小等。不过，已经发展了很多技术来减小甚至消除掉这些缺点，而且微带天线的优点明显，远远超过了它个别的缺点，再加上其实验、研究方法的不断更新，天线的计算方法已日趋成熟、简单，这也为改善微带天线的这些缺点奠定了良好的基础。
本课题我使用的是HFSS仿真软件（具体下文介绍），它是一款三维全波电磁仿真软件，这个软件的理论基础是计算电磁学中的有限元分析方法。本文就是用此软件设计仿真出2.4GHz圆形微带天线，并进行全波分析。
1.2课题研究的主要内容
本课题先简要介绍了天线的一些基本理论，然后以Ansoft公司的HFSS仿真软件为载体，具体设计建模了2.4GHz圆形微带天线，并进行了优化与结果分析。此天线设计采用的是在同轴探针的顶部加载金属电容片的方法进行耦合馈电，以此来减小探针引起的电感影响。论文后面进行了研究扩展：使用另一种馈电方式——同轴馈电，设计出一个双频圆形微带天线，使它能在2.4GHz和5.4GHz这两个频带工作。最后对现有的圆形结构微带天线提出一些必要的改进。
1.3课题研究的目的和意义
随着电子器件在尺寸上的不断缩小，这也推动着天线设计师们不断地减小天线的尺寸。此时微带天线的出现，可以说是解决了燃眉之急。微带天线加工简便、价格又低廉，并且可以制做成功能多、可共形的天线，它的规模也可大可小，优势十分明显！
本文先是设计了一种2.4GHz的圆形微带贴片天线，采用电容耦合馈电的方法进行馈电，此种方法优点是：可以适当地拓宽频带，也是对原先圆形微带天线结构的一些改进。同时研究的扩展设计也实现了圆形微带天线能在特定双频段工作的特点，实用价值很大。
1.4国内外研究动态
由于微带天线诸多不可超越的优点，在未来的通信领域中，它的地位将无法比拟。如今的市场上，无线产品种类颇多，因此也给了用户很多的选择空间。在同样性能的产品中，用户更趋向于购买体积较小、便于携带的商品。小型化是国内外天线设计师们一直研究的内容，除此之外，宽频带、多频段、阵列天线与智能天线也是天线发展的重要趋势。这几个方面也是天线设计过程中需要着重考虑的地方。
1.4.1 小型化研究
微带天线介质基片的厚度相比于波长是很小的（一般情况下可以忽略），是以它本身就成功地实现了一维小型化；进一步缩小天线尺寸的手段还有：运用短路针加载技术、采用特殊材料的基板、采用曲流技术等。下面我们分别进行介绍：
（1）短路针加载技术：通过在天线上加载短路的小探针使得谐振空腔中引入了藕合电容，从而实现了小型化。如果用切片电阻（阻抗较低）替换掉短路探针，那么不仅可以降低谐振频率，还可以增加带宽，一举两得。短路针加载技术具体又包括三种方法：加载短路面、加载短路片以及加载短路销钉。
（2）采用特殊材料的基板：天线的谐振频率与它的介质参数是成反比的，因此选用介电常数或磁导率较高的基质片可以很好地降低谐振频率，从而可以在很大程度上减小天线尺寸。
（3）曲流技术具体有两种方案：贴片表面曲流技术和接地面曲流技术。通过在贴片表面开槽的方法，可以使微带天线在某些工作模式下的电流路径加长，达到降低尺寸的目的；而通过在接地面上开一条或几条槽的方法，会影响贴片电流分布情况，因此也可以达到降频的效果。
还有一些方法可以实现小型化，如附加有源网络、采用特殊形式的天线（如蝶形、L形）等。
1.4.2 多频段研究
对于天线宽频带技术的研究将在下章讨论，现在讲讲多频带天线。多频带天线能够在两个及以上窄频带上提供良好的匹配性能。由于理想的3G通信系统尚未在全国普遍建立，天线就需要有能在2G和3G网络之间不断切换的能力；因此近年来对多频段天线的研究在不断加深。微带天线多频段技术的研究主要集中在双频技术上，下面讲述几种常用的双频技术。
（1）采用电抗加载的方法
电抗加载的方式十分多样化，可以采用将同轴短路或微带短路的方法；也可以在贴片辐射的边沿上接入延伸片或者在贴片上开一条（几条）槽来实现双频；此外，采用多层重叠的结构也能实现双频带工作。
（2）采用正交模式的方法
只要贴片天线提供两个正交极化的谐振模式，那么我们就可以利用这种性质实现双频段工作。这类天线虽然只有一个馈电结构，但是它能够与两个约定谐振频率下的输入阻抗同时匹配。为能在贴片天线上产生正交模式，一般在微带天线的馈电结构上作些调整。常用有以下三种方法：偏置同轴馈电、缝隙耦合馈电和双馈电。
1.4.3 阵列和智能天线研究
从当今天线的发展趋势来看，未来的无线电通信将更加普遍和广泛的使用阵列天线，其中智能天线也属于阵列天线的范畴。阵列天线就是用多个天线单元来提高天线的一些性能，它可以与空间或者空—时自适应处理技术结合起来，这样我们就可以通过控制天线的方向图来优化接收信号。在移动通信中，智能天线的应用有两类：基站和移动台；其关键技术主要有三项：智能化发射技术、接收技术和动态信道分配技术。
为满足用户不断提高的要求，天线的研究仍在进行，并将不断发展下去。
1.5论文结构安排
本论文完成了概念介绍、具体设计、研究扩展和设计应用四方面的任务。
论文的结构具体安排如下：
第一章：绪论。对本设计的背景和内容进行整体描述，并论述了研究本课题的目的、意义与其发展动态。
第二章：介绍微带贴片天线的一些理论知识，包括它的制作工艺、分析和馈电方法等。
第三章：具体描述2.4GHZ圆形贴片天线模型设计过程和结果的查看、分析。
第四章：对本论文的研究进行了扩展——改变馈电方式，设计出双频圆形微带天线。
第五章：将本论文的设计推广到应用中，并对现有的天线结构作出改进。
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