射频圆极化微带天线设计毕业论文(编辑修改稿)

射频圆极化微带天线设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

带线等。 馈线系统和天线系统通常可以组天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 8 成一个整体，关系十分密切，所以往往可将天线与馈线系统看作一整体，总称为天线馈线系统， 简记为天馈系统。 介绍完天线的分类，线面介绍天线的基本参数，参数的详细应用会在后文具体体现。 通过垂直的平面和水平的平面分别对空间中的辐射进行剖析来表示在不同方向上的电磁波功率大小及其方向性，叫做天线辐射的方向图。 天线的辐射是具有方向性的，其发射的能量是以电磁波形式传播所以其电磁波能量也是有方向性的，接收天线有其接收来自不同方向电磁波的能力。 方向图可以以图片的形式形象表示出天线在空间中各个方向发射与接收电磁波的能力。 以定向的天线为例，可以从方向图中提取出天线从主瓣方向接收信号是最为有效 的信息。 对于方向性很强的天线，最强的辐射区叫做波束的主瓣。 方向图中主瓣旁边仍有许多波瓣，依次称为第一副瓣，第二副瓣等等。 与主瓣相反相的称之为后瓣，通常要求其愈小愈好。 旁瓣区同样也是无需辐射的区域，其电平应在允许范围内尽量降低，主瓣宽度越小，代表天线方向性越好。 定义式： 202m a x0m a x // EESSD  （ ） 在以与天线同一长度为距离面上， maxS 为最大辐射方向上的功率密度， maxE 为在该距离面上的电场强度， 0S 同一功率的非方向性天线功率密度 0E 为该距离面上的电场强度。 定义：天线辐射与输入功率之比。 定义式：irrinrinrA RR RRRPP  （ ） rP ：天线的辐射功率。 inP ：天线的输入功率。 rR ：辐射电阻。 iR ：损坏电阻。 inR ：输入电阻。 天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 9 当具有一样的输入功率时，天线在其极大辐射矢量上一处辐射的功率强度与全方向性天线理论上在该处辐射功率强度之比。 可以表达为方向系数与天线在其理论值上的效率的乘积。 方向图中对比观察可得出主瓣愈窄，其余瓣愈小，增益愈大。 电场矢量在空间的取向，即天线最大辐射方向的电场空间取向。 实际天线工作在一个频率范围之内，而不是一个频点，这个频段叫做天 线的频带宽度。 这也是微带天线最应改进的领域之一。 通过测定可以得到的输入端电压值与输入端电流值，两者之比表示为天线的输入阻抗。 输入阻抗往往有两部分包括电阻与电抗分量。 电抗会降低天线对电信号的占用。 实际中应尽量降低其电抗分量至其值可忽略。 输入阻抗和天线的诸多性质参数往往有关。 有效长度是一个假设天线长度，在假定天线中电流的分布平均，幅值为天线的波腹电流大小，并确保极大辐射方向功率和实际天线极大辐射方向场强一样。 将极大天线辐射方向的场强和其电流大小二者联系在一起的媒介是天线的 有效长度。 定义为 10*lg（副瓣极大功率值与主瓣极大值功率值之商），单位 dB 被天线吸收的噪声宇宙噪声以及热噪声占主要成分。 天线口径，频段，仰角与环境都可以称为影响天线噪声的变量。 定义式： VSWR=（ 1+|r|） /(1|r|),其中 r 为发射系数。 其值为表示天线端口的系统匹配能力。 入射功率与反射功率之比。 天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 10 本章小结 在详细介绍天线各个参数后，通过 HFSS 仿真可以通过观察得到各种图形并分析天线性能。 这关系到天线的结构大小，馈电点 的设置等细节问题，是记为重要的。 第三章 微带天线基本知识 微带线天线简介 微带天线首先是有德尚于 1953 年提出的概念，其结构是由导体薄片粘贴在背面有接地板导体的介质基片形成的。 由于微波技术的限制并未引起重视。 二十世纪七十年代初，微波方向在集成技术中的快速发展以及在空间中对低剖面的热切要求忙森等人研制出第一代具有使用价值的微带天线。 之后在国际上对微带天线的重视程度日渐升温。 如今，微带天线的研究早已在天线研究领域占有其重要的地位，其发展速度不容小觑，新型微带天线不断涌出。 带来的研究价值 和实用价值已让它成为当下的热门话题，下文将从它的基本性能和研究发展对其阐述。 微带天线的主要有点： 1） 剖面薄，形状小，质量轻。 2） 其结构与形状易于与载体共形。 3） 便于印刷电路技术批量生产。 天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 11 4） 可以和有源器件或电路集成一体。 5） 易实现圆极化波，使双频段双极化得以实现。 6） 适合叠加系统式设计，便于制成印刷式电路，反馈线路和匹配电路网络。 微带天线的主要缺点： 1） 频带窄。 2） 在介质和导体中有损耗，若介电常数过大还会形成表面波使其辐射效率降低。 3） 功率不会太大，通常适用于中小功率场合。 微带天线的工作方式 由一厚度远远不及 波长的介质基片与一片和它紧贴的金属片所组成的天线是微带天线的最为基础的结构。 介质基片两侧皆贴有金属片而其中满覆盖一面称作接地板而另一端的金属片大小达到波长尺寸级别称作辐射元。 辐射元的形状众多，通常为圆形，方形，矩形和椭圆形等等。 由于基片厚度远远小于波长，当波从基片一端入射从另一端射出时，垂直方向相反，水平方向相同。 因此产生片边缘辐射同相的效果，这也是微带天线的工作方式。 天线的带宽通常指的是一个宽范围，往往包括其重要天线性能参数像主副瓣宽度，极化性能，输入阻抗，方向图与最大增益分布，它们在满足要求时 共同满足的频率带范围。 通常状况下，频率可以大大影响天线的各项参数，因此各天线性能参数的频率性能直接决定着天线的带宽。 在众多性能参数指标中应选取其中最为严苛的参数作为天线带宽的确定凭据。 微带天线有侧面馈电和底馈两种。 侧馈指的是馈电单元网络和辐射单元处于同一层面上；底馈指的是降接地板与通州馈电线相接，馈电线内导体透过接地板以及介质基片和辐射单元连接。 通过传输线模分析方式可以简化对微带天线的辐射机理的认知。 若使辐射单元，介质基板以及接地基板看成一微带传输线，传输线的端点进行开路处理。 基片的厚度远远不及波长，所 以可以将基片内的场等效为其内的均匀分布场。 场在宽度矢量上的分量并无变化，仅仅是在长度矢量上有改变。 在等效的微带传输线两侧的电场分布可以分为一个组互相垂直的竖直分量与横向分量，竖直分量相互反相而横向分量同相，所以在竖直方向分量互相抵消而在横向为两分量电场进行同相叠加。 这就将微带天线等价为双缝隙辐射而成的二元阵列。 但微带天线也有许多明显缺点，如微带天线波瓣较宽，方向系数较低，同时还有频带窄，损耗大，交叉极化大，单个微带天线的功率容量小等。 但由于其为单元是的一致性非常好，天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 12 在集成电路中能够较好应用，所以常将微带天 线制成天线阵的形式来增加方向性，因此其使用非常广泛。 双频微带天线 双频工作在微带天线设计中显出尤为重要的角色，具槽孔负载之矩形金属片（ Slotted Rectangular Patches），包括使用多层金属片（ Multiplayer Stacked Patches），具短路负载的金属片（ Patches Loaded With Shorting Posts），倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片（ Rectangular Patches Fed By An Inclined Slot）具矩形 缺口的正方形金属片（ Square Patches With Rectangular Notches）等。 其中，欲得到双频段工作的最为直接简单的方式是贴片的长宽分别各自对应一个频率进行谐振，使馈电点处于该贴片的一角，从而将一个贴片同时在两个频率上工作。 ` 微带天线的分析方法 与传统的天线的分析模式不同，微带天线的分析法大致分为传输线模型法和空腔模型法两种。 对于矩形微带贴片天线，采用一维空间的传输线模型法即可，其优点是便于分析结构简单。 当基板厚度较小时，采用二维空间的空腔模型法是最适用的 方法。 传输线模型 该方法将矩形微带线的端口等效为两端开路的传输线，由于基片很薄，线内传播电磁波可以等效为准 TEM 波，场在传输方向上呈驻波，在带宽方向为常数。 此时的两个开路口就与两个辐射缝隙等价。 上方空间进行辐射值计算可以看作为自由空间。 所以传输线发最为简单和直观。 空腔模型 该方法将贴片与接地板之间的空腔看作是上下为电壁四周为磁壁的有损耗谐振腔，腔内只传播 TM 模式的波。 天线的辐射可看作四周磁流产生，其损耗主要为边缘泄漏的辐射损耗。 分析的主要依据是在规定腔内找到一个 主模从而计算出各类如品质因数等性能参数。 所以除了以上两种分析模型意外还有如多端口网络模型等多种分析模型。 天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 13 侧馈矩形微带天线设计和同轴馈电矩形微带天线设计 该种微带天线区别为馈电方式的不同，在设计中心频率常为。 将介质基板厚度设置为 其材料使用 FR4 环氧树脂，用微带线馈电的方式对其进行馈电。 选取适合的介质基板是设计微带天线的第一任务 ， 若介质基板的介电数是  ，在其工作频点 f 的矩形微带线，可利用公式推导出较高效率贴片的贴片宽度 w ，即 21)2 1(2  fcw （ ） 由其本身性质而产生的边缘缩短效应原理，则可以计算出其单元长度实际应为 L ： Lf cLe 22  （ ） 上式里， e 表示有效介电数， L 表示等价辐射长度。 它们可以分别用下式计算： 21)121(2 12 1  whrre  （ ） ))(2 5 ()2 6 )((4 1 hwhwhLee （ ） 通过上式得以算出天线贴片的长宽，有效的介电数以及等效缝隙的宽度。 侧馈时，在设计中微带馈电点的位置选在辐射贴片的中点。 而同轴馈电时，要根据下式： )11(21reLL  （ ） 21)121(2 12 1  Lhrrre  （ ） 计算出匹配点的近似位置。 侧馈阻抗匹配时往往因为微带天线的边缘阻抗不符合微波器件通用的 50 系统，因此在对天线馈电时的设计时为了使其符合阻抗要附加一段四分之一波长长度的阻抗转换器。 微带的边缘阻抗值用 LZ 表示，微带线特性阻抗值用 0Z 来表示， 41 波长长度的阻抗转化器的特征阻抗值用 1Z 表示。 阻抗匹配的条件为： LZZZ 01  （ ） 天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 14 对于对应的介质基片厚度可以计算出特性阻抗为 50 时对应的微带线宽度并可以得出微带线在设定的频率下 41 波长对应长度即可设计出微带线的大小尺寸。 简介 HFSS 是高频结构仿真器（ High Frequency Structure Simulator）的缩写，是一款全波电磁场段任意 3D 无源器件的高性能模拟仿真软件。 它将可简易操作化，可视化，立体建模功能，仿真，自动控制等功能结合在一起，可以使各类天线问题得到快速而准确的求解。 HFSS 用来操作无源器件。 用 HFSS 构造一个设计流程包含如下几方面： （ Parametric Model Generation） :构建天线图 形，边界条件及激励方式 （ Analysis Setup） :设定求解器和频率扫描 （ Results） :构造 2D 报告和扫描场 （ Solve Loop） :求解是在软件中自动进行的 天津理 工大学 XXXX 届本科 毕业设计说明书（毕业论文） 15 第四章 圆极化微带天线 圆极化波的性质 根据理论分析与查阅，我们可以得到圆极化波具有下列性质： （ 1） 顺着传播的方向观察，电磁波的电场矢量端留下的轨迹形成一圆形。 所以它为一个电磁幅度相等的时变旋转矢量场。 当时变电场矢量端沿着传播方向看去要以左手握手式旋转即为左旋圆极化波反之为右旋圆极化波。 （ 2） 两组空间与时间均为正交的幅值相等的线性极化波可以组成。