基于hfss的微带天线设计毕业论文设计(编辑修改稿)

基于hfss的微带天线设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

天线是用于发射或接 收无线电波的装置，在很久以前科学家们就证实了只有天线才能将带有信息的无线电波传送出去，也只有天线才能将 外界的 无线电波接收进来，所以 在无线电波的传播过程中 天线的作用 显而易见。 作为辐射体， 天线 在辐射电磁波时， 须要 具备以下 条件 [7]： （ 1）电流源输入到天线上，其频率必须很高。 高频电流才可以产生高速变化的电场，在周围建立强大的位移电流，并在附近产生出时间推移而变化的强磁场，这个强磁场又会在附近产生变化的磁场，在空间中互相推进。 场强一定 ，波源频率 与位移电流成正比 ， 与烟台大学毕业论文（设计） 4 能量 辐射也 成正比 ，而静态电场或磁场不会变化，它的频 率为零，不产生辐射。 低频场变化缓慢，低频电磁辐射也较弱。 所以 必须使用高频以产生有效辐射。 （ 2）天线的结构： 并 不是 任意 带电物体都 会产生电磁波并且辐射 电磁波。 要使波源从辐射体辐射出有效的能量，使能量脱离辐射体 ， 必须 它的结构是 一个带电的开放系统。 就是说这个辐射体若要辐射能量，必须 将 它 做成偶合形、开放形传导结构 ， 否则 产生的 辐射会 非常微弱甚至无法辐射。 电磁波辐射是 导线带有交变电流 而形成的 ， 导线的长度、形状决定了 辐射能力。 如果两根 导线的位置非常接近，则两导线 相互 抵消 了感应电动势，从而产生的 辐射非常微弱。 如果将两导线 分开，由于电流方向相同，在同一方向产生感应电动势，从而产生较强 的 辐射。 当波长 远大于导线长度 L时， 电流减小，辐射极弱。 导线上的电流随导线的长度增大而增大，当导线长度增大到可与波长相比时，则能够形成强大的辐射 ， 称为振子。 如图 ： 图 振子辐射 图 对于不同种类的天线，他们的发射能力和特性指标各不相同。 但 每一种天线 都既可以做发射天线也可以做接收天线，这是它们的主要特点之一，这就是天线的互易原理。 天线的基本参数 要了解天线知识， 就需要了解 天线的基本参数。 对于衡量 天线性能的 一些 指标， 就需要运用 天线的参数来描述。 设计与仿真微带天线时 ，往往需要一些指标来指导设计者进行天线设计 ，例如天线的极化、方向图形状、输入阻抗、工作频率和频带宽度、驻波比等。 通过定义天线的各个参数可以描述天线的性能。 接下来 介绍天线设计中的一些重要参数 [8]。 天线的极化 电磁波 电场矢量的空间指向 就是电磁波的极化方向。 烟台大学毕业论文（设计） 5 电磁波的极化是指在空间的 一点上，顺着 电磁波的传 播方向，它的 电场矢量在空间的方向随时间变化而形成的轨迹。 根据形成的轨迹是直线、圆或椭圆分为线极化、圆极化和椭圆极化。 图 22 为电磁波 电场矢量在空 间的方向随时间变化而形成的 轨迹曲线。 (a) 线极化 (b) 圆极化或椭圆极化 (c) 极化椭圆 图 电磁波的极化 可以 确定 天线的极化。 天线的极化定义为：最大增益方向发射的电磁波的极化，或能使天线终端 在接收电磁波时得到可用范围内最大 功率的方向入射电磁波的极化。 天线可 根据不同形式的极化 分为线性极化天线和圆极化天线。 椭圆极化波就是在传播过程中的方向是旋转的电波。 若 旋转过程中电场的大小不变，则称之为圆极化波。 按传播方向为顺时针或逆时针旋转又分 为右旋圆极化波和左旋圆极化波。 不同的极化波作接收时，天线需要具有相应的极化特性。 用垂直极化波作接收时，天线需要具有垂直极化特性；用水平极化波作接收时，天线需要具有水平极化特性；用右旋极化波作接收时，天线需要具有右旋极化特性；用左旋极化波作接收时，天线需要具有左旋极化特性。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致 就会 在接收过程中会产生 相应的 极化损失，接收天线的极化方向和传入波的极化方向正交时，接收天线 将 无法收到来波的 任何 能量， 这种情况 就被 称为来波和接收天线极化是相隔离的。 天线 方向图 的概念 天线 辐射特性与空间坐标之间的函数图形被称为天线方向图 ，由 天线方向图便可 了解天线的辐射特性。 天线方向图 普遍 是在远场区域确定的，所以天线方向图又称为远场方向图。 辐射特性有 功率，场强，极化和 相位。 因此，天线方向图被分为 功率 ， 场强 ， 极化 和相位四种 方向图。 这里 主要涉及场强和功率方向图。 通过两个途径可绘制出天线方向图：第一， 分析 天线远区辐射场得到方向图的函数，从而计算和绘制方向图；第二，实验测量得到天线方向图的数据，根据数据绘制出方向图。 远区辐射电磁场 大都 可 以 表示 为 ： 烟台大学毕业论文（设计） 6 0 e ( , )jrE E fr  (2. 1) 0EH   (2. 2) 式中 ， Eθ 是电场强度的 θ分量 ，它与坐标无关，与激励有关 ； Hφ 是磁场强度 φ的分量，； f (θ， φ) 为天线的方向图函数； r 为以天线上 一点 到某点 间 的距离； η0 = 00 / = 120 为自由空间波阻抗； β= 2 /λ 为相位常数。 归一化方向图函数表示 为 ： ( , )( , ) ( , )mmfF f   (2. 3) 式中， ( θm ,φm ) 为天线最大辐射方向， f (θm ,φm ) 为方向图函数的最大值。 由式 (2. 1)和 (2. 2)得出两个值相等 ， 由此得出天线的辐射场方向图由 f (θ,φ) 和 F (θ,φ) 构成。 天线方向图 为一个三维空间的曲面图形，它描述了电场强度在空间的分布情况。 通常是通过描述最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图的方法来描述天线的方向图。 这两个相互正交的平面 在 线极化天线 中 取为 E面和 H面。 E面：是指通过天线最大辐射方向并与电场矢量平行的平面。 H面：是指通过天线最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面。 E面和 H面 互相正交。 天线 输入阻抗 的计算方法 天线和馈线的连接端，称为天线的输入阻抗。 为了使天线的输入阻抗尽可能是纯电阻，应使电抗分量趋近于零，否则 从天 线到馈线的有效信号功率 会受到输入阻抗的电抗分量的影响而减少。 天线的输入阻抗 可由公式计算 ： UIAZ  （ 射 频 电 压 ）（ 射 频 电 流 ） (2. 4) 天线的输入阻抗讨论的目的是对天线和馈线实行匹配，天线与馈线连接的最有利的情况是天线的输入阻抗是纯电阻，电阻应该等于传输线的特性阻抗，当天线输入阻抗存在电抗成分，电阻部分是不等于传输线的特性阻抗，必须匹配网络，以得到天线与馈线的 良好匹配 [9]。 天线的输 入阻抗 受到 诸多因素的影响 ，比如天线的结构，馈电点的位置，其工作频率，几何尺寸，天气条件以及周围的环境等。 天线的输入阻抗 在 天线的设计和应用里 是被 关注的 一个 参数。 天线的谐振频率与工作频带宽度 烟台大学毕业论文（设计） 7 天线的共振频率是使天线的输入阻抗为零频率的电抗分量，称为天线的谐振频率。 天线在移动通信系统的应用中，频带宽度通常根据驻波比 SWR S11 ≤10dB )来定义天线的工作频带宽度。 假设 天线的最高工作频率为 f max ，最低工作频率为 f min ，对于窄频带天线，采用相对带宽 [(f maxf min)/f0]ⅹ 100% 来表示其频带宽度。 一般的 ， 天线在其工作频带宽度内，它的性能在各个频率点上会产生不同，造成 在可接受范围内的 性能下降。 天线的驻波比 驻波比是天线系统的重要特性参数， 它 表达 了 对天线与馈线之间的匹配程度 状态。 由于入射波能量传输到天线的输入末端没有被吸收，产生的反射波，叠加形成 了驻波比。 驻波比 与反射成正比，当它们的值越小，它们的 匹配越好。 馈线上的电流 或电压的最大值 与电流 或电压的最小值 之比 ，称为驻波比。 公式表示为： m ax m axm in m inIIUS U (2. 5) 图 驻波比的定义 ： 天线 B 馈线 A N Zm ZC A B Umin Umax ZAAA Zl T U 烟台大学毕业论文（设计） 8 图 驻波比 显然驻波比越小越好。 若 S=1，则天线与馈线完全匹配，不存在 能量反射。 在实际的工作中 ，这一指标 几乎不可能达到。 S=1 只是 理想数值。 在 实际工作中 测量 这两个参数时一般都是 S1。 烟台大学毕业论文（设计） 9 3 微带天线 概述 微带天线的简介 微带天线结构与分类 微带天线是近 30 年来逐渐发展起来的一类新型天线。 常用的一类微带天线是在一个薄介质基上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。 如下图 ， 矩形微带天线元 的长为 L，宽为 W2， 可看作 由 一般低阻传输线连接两个辐射缝组 合而成。 L 为 λg/2 时，在低阻传输线两端形成两个缝隙，向外辐射。 还有一类微带天线叫做 微带缝隙天线。 它将 上述接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印刷 出微带线对缝隙馈电。 微带天线可以 按结构特征 分为微带缝隙天线和微带贴片天线； 按形状分为 圆形、矩形、环形微带天线等。 按工作原理可分成驻波型和行波型 微带 天线。 驻波型 天线 只工作在谐振频率附近 ，有特定的谐振尺寸；行波型 天线 末端 加匹配负载 来 保证传输行波 ，它没有谐振尺寸的限制 [10]。 如图 图 微带贴片天线 微带天线的性能 烟台大学毕业论文（设计） 10 微带天线一般 情况下 应用 于 1～ 50GHz的 频率范围 内 ， 也有 用于几十 GHz的特殊天线。 相比于普通的天线，微带天线 有如下优点 [11]： (1) 重量轻， 体积小，低剖 面，能与载体共形。 (2)电性能多样化。 微带元 的 最大辐射方向 根据设计的不同， 可以从边射到端射范围内 任意 调整； 容易 得到各种极化。 (3)易集成。 能和有源器件、电路集成为统一的组件。 微带天线 的 形状。