1、L 型探针馈电的微带天线仿真设计IL 型 探 针 馈 电 的 微 带 天 线 仿 真 设 计中 文 摘 要近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，同时对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。重量轻，剖面低，成本低和易于集成的微带天线，受到大家的广泛的关注。目前微带天线的主要限制还在于天线的狭窄。经过数十年的发展，很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用 L 型探针馈电的方式得到了很多关注。由于 L 型探针垂直部分及水平部分和贴片之间产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，使天线频带拓宽或者呈现多频带。这使得 L 型探针馈电广泛应用于现代移动通信
2、系统中。本文介绍了微带天线的辐射原理及微波射频段电磁波的基本理论及 L 型探针馈电的微带天线。文中依据理论分析以及数值计算相结合的方式设计出满足设计需要的微带天线并借助天线设计软件 HFSS 分析了 L 型探针水平段和竖直端长度对天线带宽的影响，在最后设计了一副进行仿真优化了的信号频段在 3.24.4GHz 的 L 型探针馈电的微带天线。关 键 词 ： 微 带 天 线 ； 容 感 性 ； L 型 探 针 馈 电 ； HFSS 仿 真L 型探针馈电的微带天线仿真设计IIThe design and Simulation of antenna with L-shaped probe feedAbs
3、ractIn recent years,with the increasing number of mobile communication system,communication equipment developed towards miniaturization direction constantly,and the antenna size,high integration and frequency requirements are also becoming more and more important.Light weight, with low profile,low c
4、ost and ease of integration has got widespread attention by all of us.The major limitations of microstrip antenna now is the bandwidth of the antenna. After decades of development,a lot of research scholars proposed method to expand the bandwidth of the microstrip patch antenna,which adopts the L-sh
5、aped probe feed get a lot of attention.Because vertical section and horizontal section of L-shaped probe create inductive reactance and capacitive reactance,and both of them interact to produce resonance, this makes the antenna has wide bandwidth or multiple frequency bands. This makes L-shaped prob
6、e feed is widely used in modern mobile communications system. This paper introduces the radiation principle of microstrip antenna and microwave radio frequency section of the basic theory of electromagnetic wave transmission and the antenna with L-shaped probe feed.Based on the basic theory of micro
7、strip antenna analysis and numerical calculation design a microstrip antenna meet the design need,and analysis the effect of the size horizontal and vertical section of L-shaped probe on the antenna bandwidth with the aid of with simulation software HFSS.In the final,it designs a microstrip antenna
8、with L-shaped probe feed which the transmission signal frequency band in 3.24.4 GHz.KEY WORD： Microstrip antenna； Should the emotion； L-shaped feed； HFSS simulationL 型探针馈电的微带天线仿真设计III目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景及研究意义 .11.2 微波天线的研究现状 .11.3 Ansoft HFSS 软件简介 .21.4 论文的主要工作 .3第二章 微带天线概述 .42.1 微带天线简介 .42.2 微带天线主要
9、特性参量 .42.3 微带天线的辐射机理及馈电方式 .82.3.1 微带天线的辐射机理 .82.3.2 微带天线的馈电方式 .92.4 微带天线的分析方法 .10第三章 L 型探针馈电微带天线理论分析 .123.1 L 型探针馈电微带天线介绍 .123.2 微带天线基本模型 .12第四章 L 型探针馈电微带天线的仿真及结果分析 .154.1 天线的设计指标 .154.2 创建 L 型探针馈电微带天线模型 .154.2.1 创建天线模型的基本步骤 .154.2.2 创建完成的天线模型 .154.3 天线模型仿真结果 .174.4 L 型探针馈电微带天线的优化设计及分析 .184.4.1 L 型探
10、针馈电微带天线的优化分析 .184.4.2 L 型探针反馈微带天线的仿真结果分析 .22第五章 结论 .25参考文献 .26致谢 .28L 型探针馈电的微带天线仿真设计1第 一 章 绪 论1.1 课题背景及研究意义微带天线由于其重量轻、剖面低、成本低廉、设计较灵活，而且易和集成电路等电路相结合等优点得到了越来越广泛的应用，比如无线电通信、电视、广播、导航、雷达、电子对抗、射电天文、遥感等通信系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。天线一般都是具有可逆性的，也就是同一副天线既可用作发射的天线，又可用作接收的天线。根据天线的
11、互易定理同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。微带天线以它的体积小，剖面比较低，便于集成，生产造价低等特性以及良好的性能，受到越来越广泛的关注。在某些通信场合，所用的频段很高，使得传输波长短。为此必须采用一定措施进一步减小微带天线的尺寸。现代移动通信要求天线需要具有宽频带工作的能力。在必须考虑大小，重量，价格，易安装等特性要求，以及应用于符合气体动力外观等因素的飞机、全球定位系统以及卫星的情况下，无线通讯以及移动通讯等诸多高度发展的通信系统中低剖面都是迫切需要的。这是由
12、于低剖面的结构能够适应平贴在任何外观特性的平面或曲面上，易制作，并且具有容易与微波集成电路集成等优点。设计和研究性能优良的频带宽度宽的微带天线是本设计的主要工作。但是微带天线的主要限制是其带宽的狭窄。现在的努力已经集中到适当的提高天线的带宽上。经过数十年的发展,很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用 L 型探针馈电的方式得到了很多关注, 并广泛应用于现代移动通信系统中。基于这种技术, 本文就是从传统的微带贴片天线出发，针对微带天线窄带宽的特点，设计出宽频带特性 L 型探针馈电微带天线，利用 L 型探针馈电技术有效解决阻抗带宽较窄的问题。并利用 Ansoft 公司的 HFSS 软
13、件对天线的结构和性能进行了仿真分析 1,2,3。1.2 微波天 线 的 研 究 现 状早在 1953 年 G. A. D schamps 教授就提出微带贴片天线的概念 4，但是当时并没有得到足够的重视，在 20 世纪中叶到 60 年代只有一些零碎的研究，真正的开始发展和使用是在 70 年代。直到 20 世纪 80 年代后，对敷铜以及敷金的介质基片的光刻技术得到长足的发展，并且研究人员研究出较好的理论模型后引起诸多学者的重视，实际的微带天线L 型探针馈电的微带天线仿真设计2才制造出来。在 20 世纪 80 年代末 90 年代初，国内也有这方面的专著出版。从此以后，微带天线得到了各国天线研究界广泛
14、的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且形成了微波天线中一种独特的天线类型。微带天线一般应用的频率范围是150GHz，对于相对特殊的天线频率也会在几十 MHz。和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能够适应于任何平面或曲面的外观特性低剖面的结构。(2)易集成，能和大量无源器件、有源器件、电路集成。(3)电性能多样化，易于得到各种极化，对于微带元的设计不同，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内变化。目前微带天线的研究主要集中在小型化、宽带化、多频段、多极化、分形技术等几个方面 5。1.3 Ansoft HFSS 软 件 简 介HFSS是由Ansoft 公司推出的三
15、维电磁场仿真软件。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面。场解器实现了精确的自适应；后处理器拥有空前强大的功能，而且电性能的分析能力相比之前的软件得到很大提高，任意形状三维无源结构的电磁场场量和S参数都能得到精确计算 5。使用HFSS，可以用于计算：(1) 远近场辐射问题和基本电磁场数值解的计算；(2)谐振解以及结构的本征模计算；(3) 端口阻抗的归一化S 参数；(4)端口传输常数和特征阻抗。HFSS软件天线设计功能强大，它可以计算天线参量，如3dB带宽、方向性、增益和远场方向图剖面；绘制天线的极化特性。Ansoft HFSS的界面直观、易于使用且可以用于建立任意三维无源器件模型 6。创建一个
16、设计包括步骤如下：1启动HFSS软件，新建一个工程文件，保存路径必须全英文。2设置求解类型，确定如何收敛和激励。HFSS有三种求解类型，终端驱动、模式驱动和本征模。3创建结构模型。HFSS三维模型创建能力强大，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可，在创建每一个基本结构单元时，HFSS 都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。4设置边界条件和激励；边界条件主要包括：理想导体边界（Perfect E） 、辐射边界条件（Radiation)；激励主要包括波端口激励、集总端口激励。5求解设置包括定义求解频率，扫频范围。6设计检查、运行仿真计算。7数据处理，查看运行结果，包括增益大小
17、、S参数、辐射方向图、电磁场场分布。8进行优化设计得到最优解。L 型探针馈电的微带天线仿真设计31.4 论 文 的 主 要 工 作本文根据现代卫星通信下行传输信号频段 3.2GHz 4.4GHz 频段设计出 L 型探针馈电微带天线。具体的内容安排如下：第一章：绪论，简单介绍了 L 型探针馈电微带天线研究背景和现状，仿真软件及全文内容安排。第二章：简单地介绍了微带天线的基本理论，包括:微带天线的工作机理、理论分析方法及理论模型相关的理论。并且介绍了拓宽天线带宽的方法。第三章：对 L 型探针馈电微带天线进行介绍，并将它相对于普通天线的优点进行了分析。第四章：通过 Ansoft HFSS 对微带天线
18、的结构设计和软件仿真，设计优化及分析，设计了要求中的的微带天线，通过得到的反射系数、方向图及驻波比图与设计要求及理论进行比较，验证仿真的正确性。第五章：对本文内容作了总结。L 型探针馈电的微带天线仿真设计4第 二 章 微 带 天 线 概 述2.1 微 带 天 线 简 介微带天线之中最常见的形式是微带贴片天线，是在七十年代初期研究成功的一种新型天线，如图 2.1 所示。微带贴片天线是在一个薄介质基上，其中一面附上金属薄层作为接地板，而另一面贴上一定形状的金属导体贴片。微带天线是一种平面天线 7，微带线或同轴线一类馈线通常被利用来为天线进行馈电，使得激励在接地板与导体贴片之间产生，从而产生了射频电
19、磁场，并且通过接地板与贴片边缘之间的缝隙向外辐射的。它的基片厚度与波长相比相对来说一般很小，因而它能实现平面上的小型化。微带天线与常用的微波天线相比，它有以下一些优点：体积较小，重量轻，低剖面，能与载体共形，它制造简单，成本低；在电器上的特点是可以得到单方向的宽瓣方向图，它的最大辐射方向在平面的法线方向上，易于和微带线路集成起来，易于实现线极化或者圆极化。并且由于不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上，另外微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上） 。在实际应
20、用系统中，微带贴片天线已大量应用于大约 100 MHz- 100 GHz 的宽广频域，包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。相同结构的微带天线能组成微带天线阵，从而获得更高的增益以及更大的带宽。所以微带贴片天线越来越得到广泛的应用与重视 8,9,10。图 2.1 微带贴片天线L 型探针馈电的微带天线仿真设计52.2 微带天 线 主 要 特 性 参 量天线的特性参数主要有输入阻抗，极化特性，频带宽度，方向性等。下面就简单介绍一下天线特性参数 11-14。1.输入阻抗天线阻抗简单地讲就是天线在馈电点电压和电流的比值。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，
21、其中馈电点的阻抗最为重要。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同，设计天线时，一个很重要的工作是使天线输入阻抗和标准馈线的特性阻抗匹配。天线与传输线之间的阻抗匹配的好坏将直接影响信号的传输效率,天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率，即实现阻抗匹配。匹配越好，反射越小，驻波系数(VSWR)就越小。2.极化特性指一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，电场矢量随着时间变化在空间显示出的轨迹称为天线极化。天线辐射的电磁波的极化形式决定了天线的极化形式。天线的极化可分为线极化天线、椭圆极化天线和圆极化天线。当有地面时，线极化又分为垂直极化和水平极化。
22、圆极化又可以分为右旋圆极化和左旋圆极化。3.带宽频率与天线的电参数息息相关，当工作频率偏离设计频率时，天线参数往往会发生变化。天线所规定的电参数在工作频率发生变化时不应超出指定的范围，这里的频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。一般用电压驻波比2或 小于-10dB来定义 15。1S4.方向性天线的方向性函数是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式；天线的方向图是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形。方向图的主瓣通常为最大辐射波束。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。5.增益天线增益是被研究天线在辐射最强方向的辐射强度与
23、各向同性天线（与被研究天线具有同等输入功率）在同一点所产生的最大辐射强度的比值，是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。(2.2.1)4馈 入 天 线 总 功 率 率单 位 立 体 角 最 大 辐 射 功GL 型探针馈电的微带天线仿真设计6天线方向性 与天线增益 定义略有不同。DG(2.2.2)4总 的 辐 射 功 率 率单 位 立 体 角 最 大 辐 射 功D由于天线存在损耗，天线的辐射功率比输入功率要小一些，即在数值上天线增益要比天线方向性小。理想天线能在某一立体角 内把全部馈入天线的功率辐射出去，且满足在 立体BB角内均匀分布。在理想情况下，数值上天线增益与天线方向性大小相等。(2.2
24、.3)BDG4在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度和理想全向天线（此时的效率为 100%）的辐射功率密度之比定义为天线的增益。按公式来即(2.2.4)6.驻波系数和行波系数为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数 16。传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流) 的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为(2.2.5)minaxinaxIU传输线模型如图 2.2 所示，线上每一点的电压为入射波电压与反射波电压的叠加。图 2.2 传输线上的入射波和反射波驻波系数和反射系数的关系可导出如下L 型探针馈电的微带天线仿真设计7(2.2.6)zUzzU1故得(
25、2.2.7)2max1 2min(2.2.8)2inU行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即 (2.2.9)maxinaxinIK显然：(2.2.10)217.效率效率有天线效率与辐射效率。因为存在损耗以及入射波存在反射，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，如介质中的介质损耗、天线导线中的热损耗等使得馈线的输入功率总有一部分要损耗掉。为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下：输入功率 ：指天线从外部设备得到的功率。inP入射功率 ：指天线从发射机等得到的功率。i辐射功率 ：指除去损耗，天线把发射机提供的功率辐射出去的功率。损耗功率 ：指由于介质、导线或者地电流等而损耗的功率。dP反射功率 ：指反射回来的功率。t根据以上定义，可得到：(2.2.11)itindPP8.品质因素微带天线的品质因数包括辐射品质因数 、介质损耗品质因数 、导体损耗品质因rQdQ
