应用于wlan_wimax的双频带印刷天线设计—毕业设计

应用于wlan_wimax的双频带印刷天线设计—毕业设计内容摘要：

方向一半时的两个发射方向之间的夹角。 五、前后比 前后比是指最大辐射方向电平与其相反方向电平之比，通常以分贝为单位。 六、方向系数 上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态，但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果，因此都不能单独体现天线集束能量的能力。 因此，需要另一个电参数来表示天线集束能量的能力，这就是方向系数。 它的定义为：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度 SMAX与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度 S0之比，记为 D，即 （ ） 需要说明的是，一般方向系数用分贝来表示，这需要一个参考源，常用的参考源是各向同性辐射源，分贝表示为 dBi，通常情况下，若不加说明， dB 指的就是 dBi。 七、增益系数（ Gain） 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积，记为 G ，即 （ ） 天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。 八、极化 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。 具体地 说，就是在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间按变化所描绘的图形。 如此按照电场的极化形式可分为线极化、圆极化和椭圆极化。 在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，如果它的端点始终在一个直线上振动，则是线极化；如果它的端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是圆，则是圆极化，如果某一时刻沿着传播方向把各处的电场矢量画出来，则圆极化波中的电场矢量端点的轨迹为螺旋线，矢量端点旋转方向与波传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化，成左手螺旋关系的叫左旋圆极化；同样的，如果电场矢量的端点随着时间变化所画出的轨 迹是椭圆，则是椭圆极化。 需要指出的是，当圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋向的。 在同一系统中，收、发天线的极化必须相同，若接收天线的极化与入射平面波的极化一致，则称极化匹配。 九、频带宽度 天线频带宽度是指天线的主要指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频带范围。 通常用到的带宽概念又分为绝对带宽和相对带宽，绝对带宽是： （ ） 其中 f1,fh分别指天线满足其电气技术指标的下限和上限频率。 相对带宽是指天线的绝对带宽 Δf 与工作频带内的中心频率 f0 之比，即： () 其中 f0为中心频率： ，是上下限频率的算术中值。 我们通常说的窄带天线是指相对带宽小于 1%的天线；宽带天线是指相对带宽在 1%到 25%之间的天线；而超宽带天线是指相对带宽高大于 25%的天线。 工程研制中要求天线在规定的频率范围内，它的主要电性能如电压驻波比、增益、主 瓣宽度、副瓣电平、极化特性等必须满足技术指标。 通常情况下天线的有些指标是相互矛盾的。 比如，对于一定尺寸的天线，它的带宽和增益就是一对相互矛盾的指标，要拓宽天线的带宽就需要牺牲一定的增益；而要提高天线的增益，天线的带宽就会变窄。 换句话说，对于同一天线来说，既要宽频带，又要增益高，就只有牺牲天线的尺寸。 总之，天线的性能是一项综合性的技术指标。 为了系统使用的需要，有时要顾及到多项指标，需要采取折中的办法。 第二节 微带天线的基本理论 一、微带天线定义 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。 它利用微带线或同轴线进行馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。 通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因此它实现了一维小型化，属于小天线的一种。 结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片所构成的。 贴片导体通常是铜和金，它可以是任意形状，常见的有矩形、圆形和三角形等等。 二、微带天线的优缺点及展宽频带的方法 和常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点如体积小、重量轻、剖面薄、易与 载体表面共性制造成本低，易大量生产易实现多功能，易集成天线的散射截面较小容易制成双频率工作的天线馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。 微带天线由于其特有的优点而被广泛使用，但是微带天线本身固有的缺点限制了它在某些领域的应用，其最显著的缺点就是窄频带和低效率。 70 年代以来，人们就不断探索拓展天线带宽和提高增益的方式。 近些年来有一些新的方法被人们所研究，克服了微带天线频带窄的缺点，满足了各个领域对天线的要求。 下面介绍几种近年来倍受关注的展宽微带天线频带的方法。 间隙耦合方式的特点是直接馈电 的贴片只有一块，而其他一块或多块辐射单元是通过耦合方式来馈电的。 如图 所示的三种天线，都是其中一块贴片直接馈电，另一块贴片则是通过直接馈电贴片耦合馈电的。 不同形状的天线适用于不同的场合，使用间隙耦合的方式比使用厚介质板增加天线带宽的方式更加有效。 采用缝隙耦合馈电方式，往往能大大拓展带宽，一般采用微带馈线缝隙耦合方式，或 CPW（共面波导）缝隙耦合馈电方式。 图 所示即为微带馈线缝隙耦合方式，这种方式通常会由两层或多层基板构成，在图中所示结构之外还有一块基板用来放置辐射贴片。 缝隙耦合可大大拓展微带天线的带宽，但是由于缝隙本身往往会产生谐振，会导致后向辐射较大，因此，可在馈线的底部多增加一层反射面，或一个谐振腔，用于减小后向辐射，增加天线的前后比。 改变微带贴片的形状，有可能激发多频率谐振，当这些谐振频率非常接近时就组成了一个频带，即拓宽了频带。 如文献所示的 E 型贴片微带天线，该天线会在 3个频率产生谐振，且彼此靠近，故可以达到拓展带宽的目的。 一般来说，所有的谐振天线的带宽都会比较窄，这是由它们的谐振特性所决定的。 拓展带宽的诸多方法中，从本质上来说可以分为三类：通过降低谐振器的品质因素 Q来增加带宽；使用附加的匹配网络；以及使用多谐振器的方式。 下面主要介绍一下第一类方法。 降低谐振天线品质因素的方法也很多，比如，对于微带天线来说，最简单的方法就是降低 介质板的介电常数。 Q值与介电常数有关，介电常数的降低也会引起 Q值的降低，从而可以增加带宽。 对于一个给定的频率，介电常数的降低必然导致天线尺寸的增加，对于需要设计紧凑的小型天线的设计者来说，这是不愿出现的；而且这也会使天线的耦合存在困难，在使用缝隙耦合馈电时，较大尺寸的天线就需要使用相对较宽的缝隙，这会导致后向漏射的增加；如果使用的是探针耦合馈电方式，探针的长度将会增长，从而产生杂波，干扰方向图。 加载也可以降低 Q值。 比如，在贴片天线上加一些过孔或者挖一些缝隙就可以影响天线的谐振频率和 Q值大小，这样做的好处是不 会导致天线尺寸的增加。 然而，不管使用什么方式来拓展阻抗带宽，都有可能会使方向图变差，因此在设计天线时，应当兼顾方向图。 三、天线单元的馈电方法 天线单元的馈电方法主要分为侧馈、底馈和共面波导馈电三种方式，如图 所示。 但是因为天线输入阻抗通常不等于传输线阻抗，所以需要进行匹配。 匹配需要恰当选择馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。 1. 侧馈 侧馈也被称为微带线馈电，分为中心微带馈电和偏心微带馈电。 馈电点的位置将决定激励出哪种模式。 如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹 配。 如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之改变，进而使馈线和天线之间的耦合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变，可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。 侧馈的优点是微带馈线单元可方便地和天线贴片单元一起光刻，制作简便。 缺点是通常需要阻抗匹配电路，这样就会造成贴片面积变大；微带馈线与辐射单元处于同一个平面，微带馈线本身也会辐射，从而干扰方向图，减少增益。 2. 底馈 这种馈电方式又称为同轴线馈电，是一种用得较多的馈电方式。 这种方式的优点是馈电点可以选在贴片的任意位置，有利于天线匹配，也同时避免了附加匹配电路，在一定程度上能够减少天线的尺寸；同轴电缆位于接地板面，与辐射贴片不在同一面，从而能够减少对方向图的干扰。 当然同轴馈电也有相应的缺点：结构不便于集成，制作较为麻烦，焊接重复性较差，且在贴片单元和探针之间会由于焊接的不均匀性产生反射。 这种馈电方式是辐射贴片和接地板在介质板的同一侧，中间是辐射单元，两边是地板，辐射单元与地板间留有间隙。 第三节 印刷单极子天线 一、印刷单极子天线与微带天线的联系和区别 印刷单极子天线一般由覆在介质基片同侧或两侧的单极贴片和导体地板构成 ,通过位于地板中央的微带线或共面波导进行馈电。 这种印刷单极天线与平板单极天线不同 ,它不需要与之垂直的导体地板 ,因此可以很方便地与其它电路集成。 由于印刷天线剖面薄，体积小，重量轻，造价低，最重要的是具有全向辐射性能，并且能与线路板有机结合，且具有很好的共形设计潜质。 特别是它可方便地与馈电网络和器件集成成块，与微电子技术紧密结合，功能强，已显示出作为新一代天线形式的巨大活力。 印刷天线与微带天线之间既有区别又有联系，如图 所示，黑色部分为地，阴影部分为馈线和辐射贴片。 印刷天线和微带天线都是目前最常使用的两种类型的天线。 它们的结构基本一致，都是有一个辐射贴片和一个接地板构成，区别在于微带天线的接地板的尺寸与介质板大小一致，也就是接地板也在辐射贴 片下方，因此微带天线通常都是定向天线。 而印刷天线的的辐射贴片下方是没有地板的，地板仅位于馈线的下方，所以印刷天线都是全向天线，这也是它的最大优点。 二、印刷单极子天线原理 一般平面单极子天线结构模型是由金属辐射体、馈电网络、接地板和厚度较小的质衬底组成，金属辐射体可以是圆形、椭圆形、矩形、三角形等形状。 在图 结构模型中，金属辐射体的长度 L、 W 和接地板与金属贴片的间距 G 决定了天线的最低点谐振频率 f1。 而 W、 L、 G 与 f1的关系式可由圆柱体近似法给出。 （ ） 下面通过数值计算的方法来验证。 我们在数值仿真软件中建立起一个类似图 ，如图。 对长度 L 分别取 32mm、 34mm 和 36mm 进行计算，结果如图 所示。 我们可以看到随着辐射贴片长度 L 的增加，天线的谐振频率 f1。 向低频偏移，这是因为随着长度 L 的增加导致电流路径的增加，从而降低了天线的谐振频率。 对间距 G 分别取 9mm、 10mm 和 11mm 进行计算，结果如图 所示。 我们同样可以看到随着接地板与辐射贴片的间距的增加，天线的谐振频率 f1也向低频偏移，这与式（ 27）也是一致的。 综上，对于一般的平面单极子天线，天线的最低点谐振频率 f1与辐射体的长度 L、宽度 W 和接地板与辐射体的间距 G 有着密切的联系，其中长度 L 和接地板与辐射体的间距 G 起主要作用。 第四节 本章小结 在这一章主要介绍了关于天线的一些基本电参数，以及微带天线的基本理论，最后介绍了印刷单极在天线。 通过这一章的介绍让我们对天线有了大概的了解，为我们接下来设计双频带天线打下基础。 第三章 应用于 WLAN/WiMAX双频带印刷天线的特点与 HFSS软件介绍 第一节 WLAN/MiMAX双频带印刷天线特点 应用于，利用改进的叉子形的辐射贴片和寄生辐射贴片，使得天线形成两个谐振频带，即 5GHz。 在后面的实际测量结果表明，天线满足 ，并且具有良好的全向辐射特性和可观的增益。 因此，该天线在无线多频带通信系统中有广泛的应用前景。 第二节 WLAN/WiMAX天线的设计 WLAN/WiMAX天线的结构设计规则 为设计一款性能良好的天线，为满足现代无线通信的要求，设计者往往需要按一定的设计规则去对天线进行研究设计，以尽量缩小天线的设计周期。 预留空间 天线的设计，务求尽可能大的利用设计空间。 对于性能良好的天线来说，尺寸自然偏大。 但是天线设置过程中，一般要求预留空间中的长，宽，高值在以下范围：长 (3545毫米 )、宽 (1525毫米 )、高 (68毫米 )。 其中天线谐振频率的带宽和天线的高度 H密切相关 [9]。 其中，最低频率是由天线辐射单元的参数 W和 L决定。 所以，一般而言天线面积按如下尺寸去调整设计： 双频 (GSM／ DCS)： 600x6～ 8mm 当以上要求得到满足时，工作于 GSM频段的天线一般可能达到 1～ 0dBi，而工作于 DCS/PCS频段时可达 0～ ldBi。 对于天线高度而言，当然是越高的天线其性能越好。 此外，对 PIFA天线的性能影响非常大的还有手机 PCB的长度，目前直板机 PCB的长度尚处于 75105mm之间这个水平。 为达到双频，要求 PCB长度不要小于 80mm，若当 PCB版的长度小于 80mm时，增益 显著恶化，这是天线设计所需注意的，所以如果要实现多频工作，那么就应当适当地加长 PCB版的长度。 内置天线在设计的时候应使其与周围较大金属物体之间的距离保持在 6mm以上，并要求其与 LCD、液晶屏、按键等的弯曲电缆、连接振荡器或扬声器的导线等有良。