圆极化矩形微带天线的仿真设计
圆极化矩形微带天线的仿真设计[20200406135811]
摘 要
近30年微带天线得到了飞速发展,随着时代的发展微带天线体积越来越小，重量越来越轻，且制造成本不高，批量生产技术完备，集成也方便，所以在卫星通信、雷达、制导武器以及无线电设备上应用广泛，成为了天线家族中最有活力的一个分支，技术已经日渐成熟，将来必定是一颗耀眼的明星。
微带天线多样化的类型决定了它功能的多样性，按结构它可分为微带贴片天线和缝隙天线，按形状它又有矩形等不同形状的微带天线，不同的类型有不同的作用。而前者天线有特定的谐振尺寸，限制了其局限性；后者无谐振尺寸的限制应用相对广泛。
圆极化矩形微带天线由于其结构简单、设计空间大、且成本不高等很多优点，现阶段得到长足发展。特别是在研究自主知识产权的导航系统中圆极化矩形微带天线占有举足轻重的地位。
本论文先介绍微带天线的发展，然后列举它的优缺点与其工作方式。然后利用HFSS对工作频率在2.45GHz的一款圆极化矩形微带天线进行仿真设计，得到S参数对其分析，得到其增益方向图，再根据得到的S参数分析本次的仿真设计结果。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:HFSS圆极化天线矩形微带天线
目 录
第一章 绪论 2
1.1 微带天线的发展 2
1.2 微带天线的定义和结构 2
1.3 微带天线的优缺点 2
1.4 微带天线的应用 3
1.5 论文章节 4
第二章 微带天线的原理技术 5
2.1 微带天线的辐射原理 5
2.2 微带天线的分析方法 5
2.2.1 传输线模型法 6
2.3 微带天线的馈电方法 7
2.3.1微带线馈电 7
2.3.2同轴线馈电 8
2.3.3电磁耦合型馈电 8
2.4 微带天线圆极化技术 9
2.4.1 圆极化天线的原理 9
2.4.2 圆极化实现技术 10
第三章 圆极化矩形微带天线的软件模型建立 12
3.1 Ansoft HFSS仿真软件的介绍 12
3.2 圆极化矩形微带天线的仿真优化 12
3.2.1 建立微带天线模型 12
3.2.2 设置边界条件和端口激励 14
3.2.3 求解设置 、设置求解频率 14
第四章 圆极化矩形微带天线的仿真结果分析 16
4.1仿真结果的分析 16
4.2矩形微带天线S11图 16
4.2.1 Lc对矩形微带天线的影响 17
4.2.2 W1对矩形微带天线的影响 18
4.2.3 轴比优化结果 19
4.2.4 Smith圆图和增益方向图 20
4.3本章小结 22
参考文献 23
致 谢 24
第一章 绪论
1.1 微带天线的发展
微带天线的概念最初由Deschamps教授首先提出，但没有得到重视。1972年微波集成技术的成熟和低剖面的需求促成了第一批微带天线的诞生。大量的学术论文和研究报告，和专题会议和出版专集奠定了微带天线的理论基础。现在，全球的研究天线方面的科研人员对微带天线的形状、阵列排布等做了大量研究，其理论和应用都有了巨大的飞跃。IEEE在2005年初成立了一个科研项目组，802.15.3c这个项目组的成立是为了规定一个使用60GHz频段的微带天线得到一个标准。而由于其适应时代发展的结构和多样化的性能，微带天线成为了天线家族中最有活力的一支，它的应用比将占据今后天线应用的半壁江山。
1.2 微带天线的定义和结构
天线，总所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分[3]。而由于其微带天线的类型和结构决定了它的介质基片的厚度与波长相比要较小。正是由于它的小型化使得它得到广泛应用。
基于单位面积的微带天线，形状像矩形，圆形的导体片等称之为微带贴片天线，像薄长条形的单偶极子称为微带振子天线。微带天线的辐射是由于它的某种形变引起的比如：弯折、角度弯曲，这种微带天线称之为线形天线；而传输方式沿线传输，这种微带天线称为微带行波天线；而运用接地板上的缝隙通过基片对其不同侧的微带线或槽线对其馈电的方式，称之为微带缝隙天线。
1.3 微带天线的优缺点
与普通天线相比微带天线的形状和型号都不受限制，正是由于外在因素对微带天线的影响不大，所以它有许多优点：
一、体积较小，重量较轻，与载体共形较方便，且它的剖面低特别适用于高速飞行器。
二、多种多样的电性能。根据不同设计的微带元，可以对它的辐射方向进行最大方向的调整；获得各种极化相对而言较容易；为了满足各种需求微带元还可以在双频或多频工作。
三、集成方便，所以为大规模生产提供了便利，简化了整机的建造和调试，大大降低了成本。
四、适合于组合式设计，不需要背腔。
五、易于得到极化，只需改变其馈电位置；
六、便于装在导弹、火箭和卫星上。
微带天线也存在一些缺点：
一、谐振式微带天线相对带宽较窄，已经有了一些改进办法。
二、和微带电路一样微带天线也存在损耗较大导致效率较低。
三、微带天线单个功率容量较小，一般只适用于中、小功率场合；
四、基片材料对性能的影响大。
五、多数微带天线只能向半空间辐射局限了它向低空的发展。
不过随着时代的发展专门针对上述缺点的新技术应运而生，已经克服或消减了上述缺点。而成熟的微带天线的试验方法和计算方式，为微带天线的进一步发展保驾护航。在一般的相对带宽频率为（2-7）%，要想得到比较大的总辐射功率时，必须利用有源微带阵。
1.4 微带天线的应用
原来的微带天线主要应用于机载火箭雷达和导弹导引头上的共形全向天线主要由微带天线构成。其中应用微带天线的系统如雨后春笋般，涉及的设备非常广泛：医用微波辐射计、飞行器携带的设备比如飞机高度表、雷达设备、遥控器、导弹遥测遥控、现代化战争的电子对抗、炸弹的引线、环境检测仪表等。
步入二十一世纪高性能的圆极化微带天线已经成为微带天线中的翘楚，涉及的范围非常广，正是由于圆极化微带天线的意义而决定了它的广泛应用:1. 圆极化微带天线的频带很宽，可以接受任何波段的波，如难以接受的辐射波，圆极化微带天线可以非常容易接受，所以在许多需要接受辐射波场，它的使用率非常高;2. 圆极化天线可变性强，通过改变馈电位置可得到不同的极化，比如向左旋可得到线极化，向右旋可得到圆极化，所以在一些电子对抗中得到非常普遍的采用;3. 圆极化波传播能力强，圆极化波的传播性质决定了它在雨天雾天可不受外界环境影响正常传播，所以在移动设备和卫星设备上应用广泛。
1.5 论文章节
圆极化矩形微带天线具有体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大等优点，因此它的应用前景非常广泛，尤其适用于无线电引信。圆极化矩形微带天线的研究是本文的主要研究内容，具体章节如下：
一、绪论，简要的阐述圆极化微带天线的发展和定义，分析其特点，未来的发展。
二、主要介绍天线的原理和分析方法，对各个性能参数和定义各个指标参数的原理公式进行陈述，介绍其圆极化微带天线技术。
三、运用HFSS对圆极化矩形微带天线建立软件模型，工作频率在7.55GHz。
四、分析其仿真结果。
第二章 微带天线的原理技术
2.1 微带天线的辐射原理
微带天线有两部分，由导体和地板组成，辐射由它们的边沿和边缘场产生。最初对微带天线的辐射的研究的是Lewin，他从导体中流动的电流着手研究该辐射。一开始Lewin的方法就比较正确，所以为他今后研究微带谐振器品质因数奠定了基础。研究表明辐射对于品质因数具有重大影响。比如，在高频时，导体和介质的损耗远远小于辐射损耗。
微带天线的结构特征多种多样其中的分析方法也比较多，本论文主要研究矩形微带天线采运的是传输线模型分析方法。
首先先假设有一个辐射单元长L，宽W，高h。如图2.1(a)可知，辐射场是由沿长度方向的开路端边缘产生的。如图2.1(b)可知贴片长度 导致垂直电场分量的逆转，从而使得一个非常弱的场产生于两开路端之间。如图2 .1（c）可知等效辐射缝隙之间组成了一个二元阵，所以可以把它看成是一个很大的平面上同相激励的两个缝隙。
摘 要
近30年微带天线得到了飞速发展,随着时代的发展微带天线体积越来越小，重量越来越轻，且制造成本不高，批量生产技术完备，集成也方便，所以在卫星通信、雷达、制导武器以及无线电设备上应用广泛，成为了天线家族中最有活力的一个分支，技术已经日渐成熟，将来必定是一颗耀眼的明星。
微带天线多样化的类型决定了它功能的多样性，按结构它可分为微带贴片天线和缝隙天线，按形状它又有矩形等不同形状的微带天线，不同的类型有不同的作用。而前者天线有特定的谐振尺寸，限制了其局限性；后者无谐振尺寸的限制应用相对广泛。
圆极化矩形微带天线由于其结构简单、设计空间大、且成本不高等很多优点，现阶段得到长足发展。特别是在研究自主知识产权的导航系统中圆极化矩形微带天线占有举足轻重的地位。
本论文先介绍微带天线的发展，然后列举它的优缺点与其工作方式。然后利用HFSS对工作频率在2.45GHz的一款圆极化矩形微带天线进行仿真设计，得到S参数对其分析，得到其增益方向图，再根据得到的S参数分析本次的仿真设计结果。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:HFSS圆极化天线矩形微带天线
目 录
第一章 绪论 2
1.1 微带天线的发展 2
1.2 微带天线的定义和结构 2
1.3 微带天线的优缺点 2
1.4 微带天线的应用 3
1.5 论文章节 4
第二章 微带天线的原理技术 5
2.1 微带天线的辐射原理 5
2.2 微带天线的分析方法 5
2.2.1 传输线模型法 6
2.3 微带天线的馈电方法 7
2.3.1微带线馈电 7
2.3.2同轴线馈电 8
2.3.3电磁耦合型馈电 8
2.4 微带天线圆极化技术 9
2.4.1 圆极化天线的原理 9
2.4.2 圆极化实现技术 10
第三章 圆极化矩形微带天线的软件模型建立 12
3.1 Ansoft HFSS仿真软件的介绍 12
3.2 圆极化矩形微带天线的仿真优化 12
3.2.1 建立微带天线模型 12
3.2.2 设置边界条件和端口激励 14
3.2.3 求解设置 、设置求解频率 14
第四章 圆极化矩形微带天线的仿真结果分析 16
4.1仿真结果的分析 16
4.2矩形微带天线S11图 16
4.2.1 Lc对矩形微带天线的影响 17
4.2.2 W1对矩形微带天线的影响 18
4.2.3 轴比优化结果 19
4.2.4 Smith圆图和增益方向图 20
4.3本章小结 22
参考文献 23
致 谢 24
第一章 绪论
1.1 微带天线的发展
微带天线的概念最初由Deschamps教授首先提出，但没有得到重视。1972年微波集成技术的成熟和低剖面的需求促成了第一批微带天线的诞生。大量的学术论文和研究报告，和专题会议和出版专集奠定了微带天线的理论基础。现在，全球的研究天线方面的科研人员对微带天线的形状、阵列排布等做了大量研究，其理论和应用都有了巨大的飞跃。IEEE在2005年初成立了一个科研项目组，802.15.3c这个项目组的成立是为了规定一个使用60GHz频段的微带天线得到一个标准。而由于其适应时代发展的结构和多样化的性能，微带天线成为了天线家族中最有活力的一支，它的应用比将占据今后天线应用的半壁江山。
1.2 微带天线的定义和结构
天线，总所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分[3]。而由于其微带天线的类型和结构决定了它的介质基片的厚度与波长相比要较小。正是由于它的小型化使得它得到广泛应用。
基于单位面积的微带天线，形状像矩形，圆形的导体片等称之为微带贴片天线，像薄长条形的单偶极子称为微带振子天线。微带天线的辐射是由于它的某种形变引起的比如：弯折、角度弯曲，这种微带天线称之为线形天线；而传输方式沿线传输，这种微带天线称为微带行波天线；而运用接地板上的缝隙通过基片对其不同侧的微带线或槽线对其馈电的方式，称之为微带缝隙天线。
1.3 微带天线的优缺点
与普通天线相比微带天线的形状和型号都不受限制，正是由于外在因素对微带天线的影响不大，所以它有许多优点：
一、体积较小，重量较轻，与载体共形较方便，且它的剖面低特别适用于高速飞行器。
二、多种多样的电性能。根据不同设计的微带元，可以对它的辐射方向进行最大方向的调整；获得各种极化相对而言较容易；为了满足各种需求微带元还可以在双频或多频工作。
三、集成方便，所以为大规模生产提供了便利，简化了整机的建造和调试，大大降低了成本。
四、适合于组合式设计，不需要背腔。
五、易于得到极化，只需改变其馈电位置；
六、便于装在导弹、火箭和卫星上。
微带天线也存在一些缺点：
一、谐振式微带天线相对带宽较窄，已经有了一些改进办法。
二、和微带电路一样微带天线也存在损耗较大导致效率较低。
三、微带天线单个功率容量较小，一般只适用于中、小功率场合；
四、基片材料对性能的影响大。
五、多数微带天线只能向半空间辐射局限了它向低空的发展。
不过随着时代的发展专门针对上述缺点的新技术应运而生，已经克服或消减了上述缺点。而成熟的微带天线的试验方法和计算方式，为微带天线的进一步发展保驾护航。在一般的相对带宽频率为（2-7）%，要想得到比较大的总辐射功率时，必须利用有源微带阵。
1.4 微带天线的应用
原来的微带天线主要应用于机载火箭雷达和导弹导引头上的共形全向天线主要由微带天线构成。其中应用微带天线的系统如雨后春笋般，涉及的设备非常广泛：医用微波辐射计、飞行器携带的设备比如飞机高度表、雷达设备、遥控器、导弹遥测遥控、现代化战争的电子对抗、炸弹的引线、环境检测仪表等。
步入二十一世纪高性能的圆极化微带天线已经成为微带天线中的翘楚，涉及的范围非常广，正是由于圆极化微带天线的意义而决定了它的广泛应用:1. 圆极化微带天线的频带很宽，可以接受任何波段的波，如难以接受的辐射波，圆极化微带天线可以非常容易接受，所以在许多需要接受辐射波场，它的使用率非常高;2. 圆极化天线可变性强，通过改变馈电位置可得到不同的极化，比如向左旋可得到线极化，向右旋可得到圆极化，所以在一些电子对抗中得到非常普遍的采用;3. 圆极化波传播能力强，圆极化波的传播性质决定了它在雨天雾天可不受外界环境影响正常传播，所以在移动设备和卫星设备上应用广泛。
1.5 论文章节
圆极化矩形微带天线具有体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大等优点，因此它的应用前景非常广泛，尤其适用于无线电引信。圆极化矩形微带天线的研究是本文的主要研究内容，具体章节如下：
一、绪论，简要的阐述圆极化微带天线的发展和定义，分析其特点，未来的发展。
二、主要介绍天线的原理和分析方法，对各个性能参数和定义各个指标参数的原理公式进行陈述，介绍其圆极化微带天线技术。
三、运用HFSS对圆极化矩形微带天线建立软件模型，工作频率在7.55GHz。
四、分析其仿真结果。
第二章 微带天线的原理技术
2.1 微带天线的辐射原理
微带天线有两部分，由导体和地板组成，辐射由它们的边沿和边缘场产生。最初对微带天线的辐射的研究的是Lewin，他从导体中流动的电流着手研究该辐射。一开始Lewin的方法就比较正确，所以为他今后研究微带谐振器品质因数奠定了基础。研究表明辐射对于品质因数具有重大影响。比如，在高频时，导体和介质的损耗远远小于辐射损耗。
微带天线的结构特征多种多样其中的分析方法也比较多，本论文主要研究矩形微带天线采运的是传输线模型分析方法。
首先先假设有一个辐射单元长L，宽W，高h。如图2.1(a)可知，辐射场是由沿长度方向的开路端边缘产生的。如图2.1(b)可知贴片长度 导致垂直电场分量的逆转，从而使得一个非常弱的场产生于两开路端之间。如图2 .1（c）可知等效辐射缝隙之间组成了一个二元阵，所以可以把它看成是一个很大的平面上同相激励的两个缝隙。
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