射频圆极化微带天线设计毕业论文

1、天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）射频圆极化微带天线设计摘要天线作为无线通信最为重要的部分长久以来都受到科研人员的重视以及迅 速改造发展。如今，微带天线因其自身的质量小，形状易改变而与设备共形等 优势在通信领域应用极为广泛。天线的种类多样，极化方式大致分为线极化与 圆极化两种，在天线出现的初期，由于技术层面的限制，线极化天线的应用极 为广泛。但由于科技的发展和人们对信号的愈来愈严苛的要求导致线极化天线 与应用层面的矛盾越发凸显。由于圆极化天线的方向性，旋向相同接收性和抗 干扰性较强，因此现代圆极化天线的应用成为当今天线的主流。本文介绍圆极 化天线的性质和缺点以及对未来的展

2、望和改进。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。关键词：圆极化天线，抗干扰，性质Designing of Rf circular polarizationmicrostrip antenna 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。ABSTRACTAs the most important part of the wireless communication antennas has long been brought to the attention of the researchers and rapid development. Today, the quality of the microstrip antenna

3、with its small, easy to change shape and advantages, such as equipment conformal is widely applied in the field of communications. Diversity of antenna, polarized way is roughly divided into two kinds of linear polarization and circular polarization, at the beginning of the antenna to appear, as a r

4、esult of the limitation of technological level, the application of linear polarization antenna is very extensive. But as a result of the development of science and technology and peoples more and more stringent requirements天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）of the signal lead to linear polarization antenna

5、 and the application layer of the contradictions increasingly prominent. As a result of the circular polarization antenna directivity, rotate to receive same sex and anti-interference performance is stronger, so the application of modern circular polarized antenna become the mainstream of todays ant

6、enna. In this paper, the properties of circular polarization antenna and disadvantages as well as the vision of the future and improve.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Keywords: Circular Polarization Antenna, Anti-interference, Properties 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）目录第一章 本论文的研究背景及研究意义 1 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。1.1 天线发展历史

7、1 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.2微带微带圆极化天线应用的意义 2 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.3 国内外使用背景及其发展趋势 2 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.4 本文内容安排 3 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。第二章 理论及技术 4 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。2.1 电基本振子 4 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2.2 磁基本振子 5 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.3天线基本原理及其分类 6 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.3.1 天线辐射电磁波的原理 7 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.3.2 天线的用途分类及各项参数 7 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.4 本章小结 10 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。第三章 微带天线基本知识 10 蜡變黲癟

8、報伥铉锚鈰赘。3.1 微带线天线简介 10 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3.1.1 微带天线的工作方式 11 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.1.2 双频微带天线 12 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.2微带天线的分析方法 12 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.2.1 传输线模型 12 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.2.2 空腔模型 13 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.3侧馈矩形微带天线设计和同轴馈电矩形微带天线设计 13輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.4HFSS 简介 14 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。第四章 圆极化微带天线 15 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。4.1 圆极化波的性质 15 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。4.2 圆极化矩形微带天线的多

9、种产生方式 16 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。4.3 圆极化波的参数 16 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。4.4 影响天线带宽的因素 16 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。4.5 圆极化微带天线设计 18 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.5.2 微带圆极化天线带宽的展宽途径 19 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4.5.3 圆极化天线的测量 20 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。4.6传统微带圆极化天线的性能分析及其缺点改进 22怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。4.6.1 单点馈电圆极化微带天线的性能展示及评价 22 谚辞調担鈧谄动禪泻類。4.6.2 新型圆极化微带天线带宽展宽方式 25 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4.7 第四章总结 26 熒绐譏钲鏌觶鷹緇

10、機库。致 谢 27 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.本论文的研究背景及研究意义1.1 天线发展历史作为无线电传输和侦查检测系统中不能或缺的重要组成部分， 天线是电磁波发射与接收 的最常见设备。当其作为发射端时，它将馈线中传导的高频电流转换为其激发出的电磁波并 按照特定方向发射出去；而当其为接收端时，它与发射端原理相反，从而在两点之间实现了 无线电信息的传递。 从最初简单的单一点对点通信到现代的全球卫星覆盖式传送的通信规模， 天线技术的发展担任了最基本而又最前端的身份角色，其在社会生活中的重要性愈显突出， 现今已然成为现代科技中不可或

11、缺的重要组成部分。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。十九世纪末期： H.R.赫兹在 1887 年在对 J.C.麦克斯韦根据理论推导进行验证性实验作关 于存在电磁波的预言而构想创造了第一条发射作用天线。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。线天线时期：在无线电处于应用的初始时期，那时还没出现真空管振荡器，人们普遍持 有的观点是波长越长，传播中信号的衰减愈少。这一时期应用的是各种不对阵天线。 濫驂膽閉驟 羥闈詔寢賻。面天线时期： 1930 年左右由于微波电子管的问世继而发明创造出各种面天线。这时已有 与声学原理方法极为类似的喇叭天线，还有与光学方法原理相类似的抛物反射面天线和透镜 天线。在该年代雷达的出现，很大程度上对微

12、波技术的应用的发展产生了很大的促进作用 。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。1930-1959：大型反射面天线随后出现，此时通过人们的不懈努力推导出了分析天线公差 统计理论，将天线阵列的综合理论分析成为可能。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。五十年代之后：洲际导弹和人造地球卫星的成功研制为天线的发展提供了一条全新的研 究方向，要求天线有圆 极化，高分 辨率，高增 益，宽频带，快速扫描和精确锁定跟踪等性能。 天线发展空前迅速。由于新型移向器和电子计算机的发明，加上多用户同时搜寻与锁定等需 求，相控阵天线得到了广泛的发展应用。 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。七十年代：无线电频率信道的匮乏和全球覆盖式通信卫星的发展，反射面天线

13、的频率交天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）叉使用，正交极化问题和非单波束天线开始进入人们的视线；从毫米波，亚毫米波，光波的 发展方向可以看出无线电技术涉及的波长越来越缩短 ， 新型毫米波天线如介质波导，表面波 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）和漏波天线等得以问世。现代城市化规模的扩大导致高层建筑物与日俱增，复杂的电磁环境对天线的要求日益严 格，在通信系统中对移动通信的信号质量提高的要求最为严峻。当下，对天线功率增益的重 视使得高增益天线设计备受关注。现今，全向天线的地位与作用日渐凸显。它可以在单点与 多点通讯，组建无线扩频网，广

14、播与信息传输领域广泛应用。 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。圆极化天线作为最为广泛应用的全向天线发展至今已成为主流天线。微带天线迅速发展 让微带圆极化波天线更加有利于其发展。如今的科学技术迅猛发展，现代文明已经迈入信息 大爆炸时代，其最为重要的特点即是信息从速度到广度的采集与传递。无线通讯技术的发展 和无线通讯产品的大众化，尤其是近些年来个人终端通讯设备的普及和各种无线通讯技术的 发展，通讯设备的功能愈来愈不能小觑，信号带宽也在不断展宽。天线性能作为无线通讯中 最为不可或缺的角色受到了人们对其更高的要求规范。天线的地位愈发凸显，天线的形成及 其发展经历了线天线时期，面天线时期，大型反射面天线出现，相控阵

15、天线问世。从线阵发 展到圆阵，从平面阵发展到共形阵，到如今的圆极化微带天线阵。一切都显示着天线设计科 技的强劲发展势头。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。1.2 微带微带圆极化天线应用的意义在无线电领域中，圆极化天线有其极为重要的地位和作用。尤其在航天飞行器中，其位 置相对固定要求它的通讯测控部分为与其共形，同时要求该设备质量较轻体积较小且成本低 的圆极化天线。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。航天航空和卫星领域以及在导弹的应用中，天线设备的尺寸。现在许多政府部门和商业 公司（如移动通讯公司）也有这方面的需求。为满足这些要求，可选用微带天线。这种天线 有薄的平面结构，便于共形，制造简单，成本低。而在馈电方式与贴片

16、形状已知的情况下可 以得到目标谐振，输入阻抗，极化及模式等各个参量。圆极化微带天线还具备可以接收任意 方向与极化方式的信号。所以，圆极化微带天线是符合各类要求的相对理想又高性能天线。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。1.3 国内外使用背景及其发展趋势随着现代科技的发展，对圆极化天线的要求越来越高，将圆极化天线应用于电子信息技天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）术对战可以在侦查与反侦察中测控各类极化方式的电磁波：将圆极化天线安装在剧烈摆动翻滚的飞行器上可以减少信号漏失同时可以消除畸变影响。在广播电视中的重影问题可望被消除。而对带宽的要求越来越高以及对天线的极化方式有要求是多点通讯技术发

17、展的必然基本 要求。阻抗带宽和圆极化带宽是最主要的带宽要求。现今国际上很多天线工作人员都在新型 宽带圆极化微带天线领域努力。 其主要手段有辐射元结构， 天线阵列结构和多点馈电结构等。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1.4 本文内容安排本文将从天线的基本理论为开始，对天线，天线参数及其分类进行介绍。进而引出各类微带 天线和它们的分析方法。 本文重点是对微带天线的分析方法和馈电方式进行阐述。 在对 HFSS 软件进行介绍之后会展示圆极化微带天线的原理和分析它的不足，并以图片的形式呈现各类 新型的圆极化微带天线和对其未来发展的预测。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论

18、文）第二章 理论及技术2.1 电基本振子电基本振子的基本特性分析是对更复杂天线进行分析的基础。电基本振子又叫电流元， 一个时变电流元产生的电磁波辐射从辐射元出发向空间传播同时将功率也携带出去是天线的 基本原理，天线则是起到了电荷振荡的作用。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。电流元的本质是一段理想的高频电流直导线，其长度和其导线直径远远小于波长。将电 基本振子放置在坐标原点，在自由空间产生的场为 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。Er Il 2 cos ( 3j k2 )e jkr4 w 0 r r2.1)E Il 1 sin ( r3j rk2 jk rr2)e jkr rH4Il sin(r12 jrk)e jk

19、rE H H 02.2)(2.3)2.4)K 为空气中电磁波的波数， k w 0 0天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）进区场场为Il 24 r 3 w 0cos2.5)Il 14 r 3 w 0sin2.6)2.7）（2.8）减越迅速。所以近区场通常不做讨论。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。H 2 sin4 r 2E H Hr 0可以看到，近区场是一个准静态场，并无向外辐射的能量。距离电流元越远时，场的衰远区场场为：k Il jkr E j sin e4wH j k Il sin e jkr4rEr E H H r 0（2.9）（2.10）2.11）将相关关系式带入可得E j60

20、Il sin e jkrIl sin e jkr2r120通过上式可看出远区场为辐射场， 传播 TEM 波，向外辐射球面波形式的能量， 具有方向 性。2.2 磁基本振子磁基本振子即磁流元或磁偶极子， 其本质为载有高频电流小圆环， 环的半径和周长都远 小于波长，可认为电流均匀分布。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。忽略时间因子 ejwt ，由理论式及计算可将磁流表示为：2.12)j w 0sI天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）S表示磁流环的面积大小， 0 表示磁介质的介电常数， 再由电磁场理论中由麦克斯韦方 程导出的对偶关系：Ee H mHeEm（2.13）I Im00与点基本振子远

21、区场比较，可得：电磁基本振子在空间中正交可以产生从传播方向看去为椭 圆或者圆形极化的天线。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。2.3 天线基本原理及其分类在正式介绍微带天线之前，本文要先对天线进行简介并阐述其原理。无线通信中，天线 有着至关重要的作用。其作用简单来讲就是将导线中波导转化成电磁波辐射到自由空间或接 收空间中的电磁波转化成波导进入馈线传播。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图 2-1 天线发射与接收示意图Fig.2.1 The emitting and receiving antenna所有的馈线皆可以发射与接收天线的部分存在与电路中。当电子设备达到高频段后，任 意一段导线都可以激发出电磁波对外辐射，而

22、当接收机足够灵敏时，导线则有对空中电磁波 进行反应的能力。因此要求采取屏蔽措施来避免天线受到外界的辐射干扰。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。天线的尺寸，形状的差异对其性质的影响很大。在同一频段的电信号进行收发时，其工作效率不尽相同，当采用合适的天线对其进行工作时则可以去的最符合要求的通讯效果。 稟虛天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）嬪赈维哜妝扩踴粜。2.3.1 天线辐射电磁波的原理电磁波是通过馈线传导的交变电流而激发出的辐射， 其能力与天线的形状尺寸有关。 可 以通过半波振子的辐射来阐述天线的工作原理： 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。若馈线中正负电流电荷的震荡频率为 f ，其周期用 T

23、表示。在到达天线时，电流会醉着 天线的上下部分分开而产生上正下负的电荷分布，进而产生电压，于是产生电场。电场的电 力线是从正电荷为中心向外辐射通过空中到达负电荷。可知在T 4时是电流达到最大的时刻，而电力线仍旧存在。在正负电荷互相向其相反方向运动时，则产生正负极的对调从而使电场 方向倒换而将电力线成为一个回路而闭合。之后在时间的推移中电力线可以摆脱天线释放到 外界空间中。这一过程不间断产生，对横向的电场分量为其半径矢量辐射并向远方传播。 沩氣 嘮戇苌鑿鑿槠谔應。2.3.2 天线的用途分类及各项参数天线大致可以两类， 一为口径天线一为线天线。 移动通信的天线大多是对称振子为基础 演化来的各式线天

24、线，卫星地面站大多用口径天线即抛物面天线。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。天线种类众多，其分类依据如下：1）以其用途为分类依据可分为电视天线，广播天线，导航天线，通信与雷达天线。2）工作频段也可以作为其分类依据分为微波天线，短波及超短波天线，长波天线，中波 天线。3）按辐射元种类分为线天线与面天线。4）在馈电分类上有对称与非对称天线。5）以电流类型可分为行波与驻波天线。6）按形状可分为喇叭天线，反射面天线，螺旋天线， V 形，菱形，环形天线。7）按其方向性及其强弱分类可分为定向天线，全向天线，强，弱方向性天线。 此外，现在已发明出更加新型性能更加完善多变的天线如智能天线，自适应天线， 微带天线，有源天

25、线等。但天线通常还是细化为两大类别，线天线与面天线。线天线的 基本构成是金属馈线，如行波天线，偶极子天线等。面天线通常由一个平面或由曲面口 径构成，包括微带天线，反射面天线，缝隙天线。本文重点将要介绍微带天线的一种。 懨天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。天线部分与发射或接收网络部分的连接形成一个整体系统称之为馈线网络系统。馈线可细分为双导线和同轴线传输线，波导与微带线等。馈线系统和天线系统通常可以组成一个整体，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。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。介绍完天线的分类，线面介绍天线

26、的基本参数，参数的详细应用会在后文具体体现。1. 天线的方向图 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。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。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。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。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

27、瓣， 依次称为第一副瓣，第二副瓣等等。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。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。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。2. 方向系数定义式： D Smax /S0 Emax2 /E02（2.14）風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。在以与天线同一长度为距离面上， Smax 为最大辐射方向上的功率密度， Emax为在该距离 面上的电场强度， S0同一功率的非方向性天线功率密度 E0 为该距离面上的电场强度。 灭嗳骇諗 鋅猎輛觏馊藹。3. 天线效率定义：天线辐射与输入功率之比。定义式： APrRrRrP

28、in Rin Rr Ri2.15)铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。Pr ：天线的辐射功率。天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）Pin ：天线的输入功率。Rr ：辐射电阻。Ri ：损坏电阻。Rin ：输入电阻。4. 增益系数 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。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。方向图中对比观察可得出主瓣愈窄，其余瓣愈小，增益愈大。5. 天线的极化 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。6. 频带宽度 实际天线工作在一个频率范围之内，而不

29、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。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。7. 输入阻抗 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。 夹覡闾辁駁档驀迁锬 減。8. 有效长度 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。 视

30、絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。9. 副瓣电平定义为 10*lg （副瓣极大功率值与主瓣极大值功率值之商），单位 dB10. 天线噪声温度 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。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。11. 电压驻波比天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）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。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。12. 回波损耗 入射功率与反射功率之比。2.4 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

31、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。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼第三章 微带天线基本知识3.1 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

32、文将从它的基本性能和研究发展对 其阐述。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。10天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）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。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。3.1.1 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

33、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。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。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。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲 赛。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

34、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。 邁茑赚 陉宾呗擷鹪讼凑。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。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。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，11天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书(毕业论文)所以可以将基片内的场等效为其

35、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。 该栎谖碼戆 沖巋鳧薩锭。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， 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。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。3

36、.1.2 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( Multi-player Stacked Patches)，具短路负载的 金属片( Patches Loaded With Shorting Post)s ，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片( Rectangular Patches Fed By An Inclined Slo)t 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

37、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。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。3.2 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。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。3.2.1 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

38、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12天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）观。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。3.2.2 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。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。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。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。3.3 侧馈矩形微带天线设计和同轴馈电矩形微带

39、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2.45GHz。将介质基板厚度设置为 1.6mm 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。 鈀燭罚櫝箋礱颼畢 韫粝。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 ，即惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。c2f1( 21)3.1)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 ：2L3.2)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：1 1 h3.3)3.4)r 1 r 1(

40、1 12 h) 22 2 w( e 0.3)(w 0.264)L 0.412h e h( e 0.258)(wh 0.8)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：13天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书(毕业论文)rer12r 1(1 12h) 122L3.5)(3.6)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 ZL表示，微带线特

41、性阻抗值用 Z0来表示， 1 4波长长度的阻抗转化器的特征阻抗值用 Z1 表示。阻抗匹配的条件为： 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。Z1 Z0ZL(3.7)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 1 4 波长对应长度即可设计出微带线的大小尺寸。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。3.4HFSS 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

42、得到快速而准确的求解。 薊镔竖牍熒浹醬籬 铃騫。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：1. 参数模型( Parametric Model Generation) :构建天线图形，边界条件及激励方式2. 分析( Analysis Setup) :设定求解器和频率扫描3. 结果(Results):构造 2D 报告和扫描场4. 求解流程( Solve Loop):求解是在软件中自动进行的14天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）第四章 圆极化微带天线4.1 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

43、，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。 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。（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一个圆极化波。因此，想要 是圆极化天线实现的基础理论为：同时辐射出两组在空间中正交等幅的线性极化场分量，并 使两者相位偏差为 90 。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。（3）通过不同的组合方式可以将两个反相圆极化波合成任一极化波。线极化波可以作为一个 特例，其可以表示为一对反相旋向等幅圆极化波。所以，所有的来波皆可用圆极化天线进行 接收；相反，圆极化来波

44、亦可用所有的极化方式的天线进行接收。电子侦查方面和追踪以及 干扰等领域由此通常采取圆极化波。 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。（4）对于圆极化波来说，其接收时只能采用相同旋向进行接收。这就是圆极化天线的一个重15天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）要特性成为旋向的正交性。电子对抗与通信领域这个性质被广泛应用。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。（5）当圆极化波入射到形状对称的目标时，其反射波会进行反相辐射。由此性质可得，圆极 化波的工作在雷达方面的应用不收过多的雨雾干扰。因为水点可以近似为球体形状为对称目 标，可以使反射的圆极化波反旋；而雷达目标如飞机导弹等飞行物通常为不对称的形状，它 相对于圆

45、极化波呈椭圆形式的极化波，所有有通向的圆极化电磁波成分。 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。4.2 圆极化矩形微带天线的多种产生方式通过微带线生成圆极化波的基础成分是生成相位差为 90 且等幅的一对儿线性极化波。 因此，可以利用微带天线产生圆极化波的最基础的方式有以下几种： 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。1. 在单片圆极化微带线对角进行单点或多点的馈电；2. 利用曲线微带线来组合为宽频的微带圆极化天线 ;3. 在馈电点处使其正交造成圆极化 ;4. 通过天线阵的叠加构成的圆极化微带天线。 金属贴片的形状及其激励可以决定在微带线中的模式，将馈电点置于对角线时，微带线 中可以同时激励出 TM01 以及 TM10 两种主

46、模，两模方向同相且其极化为正交，可以引起极 化方向平行于设置馈电点对角线。 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。4.3 圆极化波的参数圆极化天线的基础参量为其最大增益矢量方向的轴比值。轴比值小于等于 3dB 的带宽，称作为圆极化形式的天线带宽。 轴比决定天线极化效率。左旋圆极化波轴比符号为正反之符号为负。4.4 影响天线带宽的因素通过前文可知，微带天线的最主要缺点一个是增益小方向性弱，另一个就是带宽相对较 窄，本文中要解决则是带宽窄的问题，并会在传统解决方案之后给出当前最新的解决方案以16天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）供参考。 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。天线的各个性能参量由其频率，细化

47、为其输入阻抗，天线增益，极化性能，主副瓣电平 和宽度，方向图等，所以其各个参量的定义带宽决定其各个参量的具体性质。主要有： 譽諶掺 铒锭试监鄺儕泻。1输入阻抗 天线的输入阻抗定义为端口的馈电电压与其电流之比，天线与馈线连接点记为天线输入 端，其在馈电时产生的类似于阻抗的性质叫做输入阻抗。它通常为一个复数，实数部分表示 电阻虚数部分表示电抗分量，其大小与频率有关。 俦聹执償閏号燴鈿膽賾。2 极化带宽 天线最大辐射矢量上电场的统一大致取向为天线的极化。 当取向不发生改变时， 天线就 为线极化，当其改变时，其端点形成的矢量轨迹图则可以用来命名其极化方式如椭圆极化和 特殊的圆极化。天线的极化特性不固定

48、，其随着频率的变化而改变，其恶化的极限值带宽称 作极化带宽。 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。3增益骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。以天线输入功率为基点， 定义为在相同输入功率及距离条件下， 天线在最大辐射矢量功 率密度和其无方向的功率密度之比。它往往限制了下限频率4.1 天线增益图示意图Fig 4.1 Antenna gain figure sketch4方向图所谓天线方向图， 是指在离天线一定距离点， 辐射场的相对场强随方向变化的三维图形， 长用通过天线最大辐射矢量方向上的两个互相垂直的平面方向图表示。副瓣电平增大；前后 辐射比下降等。 癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。17天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（

49、毕业论文）4.2 天线的三维方向示意图鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。Fig 4.2 Three-dimensional direction of the antenna diagram4.5 圆极化微带天线设计4.5.1 单贴片圆极化微带天线圆极化辐射最为广泛的产生方式是利用单个微带贴片，其实现圆极化辐射通常有两种方 法即单点馈电和多点馈电。此外也可用其它微带天线元或者多个线极化微带贴片天线来辐射 圆极化波。不同形状的微带天线同样可以产生圆极化辐射波。包括正方形，圆环，正五边形， 圆形，三角形，椭圆形等。而在实际中正方形与圆形贴片使用相对较广。 榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴18天津理工大学 XXXX 届本科毕

50、业设计说明书（毕业论文）4.3 多种形状的微带天线Fig 4.3 A variety of shapes of the microstrip antenna 逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。第一种是单点馈电，通常是在规则贴片上附加简并模进行分离产生等幅正交双简模，激 励产生圆极化波：第二种叫做双馈电正交产生法，它需要双馈电对其额外分配馈电能量，分 别激励出的两个等幅正交模，即使尺寸大，它由于综合两个频段所以其带宽比单点馈电的圆 极化天线带宽大大展宽。为了改善带宽以及天线的其他性能，通常要用到表面开槽技术，加 载切片电阻等技术。 幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。微带圆极化波天线的左旋与右旋原理较为简单，因为同轴线的

51、馈电点位于辐射贴片的对 角线位置时，可以激发 TM 01和TM 10 两个模式，且两模式互相垂直正交。当长于宽相等时激 发出的两个模式频率强度相等，且两模式电场相位差为零。我们微调谐振长度略偏离谐振， 使得每一组电抗部分等于阻抗的实数部分。这时构成了圆极化微带天线，其极化旋向取决于 馈电点的接入位置，在不同对角上时其激励产生的模式相位差可以产生右旋圆极化和左旋圆 极化微带天线。 誦终决懷区馱倆侧澩赜。4.5.2 微带圆极化天线带宽的展宽途径微带天线的圆极化带宽参数常用小于 2 的电压驻波比数 （VSWR ）和小于 3dB 的轴比数（Axial Ratio ），有时也以小于 -10dB 的回波损

52、耗数来描述。常见的单贴片圆极化微带线其结19天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）构不复杂，不需要额外添加馈电网络，其实现圆极化也满足了小型化，但其缺点容易发现， 其带宽很窄，而通常 3dB 圆极化带宽会小于 1%，用电压驻波比数小于 2 表示的阻抗带宽在 10%之内，根本无法再应用于现代通讯电子设备，由此很多科研人员在微带线圆极化带宽的 展宽方面采取了大量实验。虽然对贴片加载积分电路，电阻，电容等技术，人工合成材料， 高温吵到等新材料，有机磁性材料的出现并用作介质基片，但这些伴随着高耗损和高成本为 代价。维持恰当圆极化激励纯度的困难是圆极化轴比带宽窄的根本原因。于是又衍生出

53、许多 针对结构上改进的技术，像使用特殊形状的辐射元和更好的馈电结构，采用堆叠结构增加寄 生单元，缝隙法等。于是便产生大致三类延展带宽方法：增加寄生单元，降低天线的品质因 数并且加大其耦合度。 医涤侣綃噲睞齒办銩凛。（1）寄生单元的增多是展宽微带天线带宽的一种简单方法，其操作为在微带线外表面附加单 个或多个金属贴片。该金属贴片不和原馈电单元相连，由此可激励两个及多个模式，调整寄 生片的参变量可以使这些模式相近，从而增大带宽。很明显，在双层或多层贴片使用使用与 微带天线上可以成倍扩大带宽，但天线体积过大，贴片之间可能存在不希望的耦合以及加工 困难并且丧失了很多微带天线独有的优点。在现实应用中，实际

54、结果并不理想并且空间结构 复杂。 舻当为遙头韪鳍哕晕糞。（2）天线的固有品质因子减小。这点通过增厚基片来有效的获得，也可以降低介电常数来改 进。因为介电常数与品质因数往往与基板厚度相关，减小基板的介电因数或增大厚度可导致 品质因数的减小，进而展宽天线的带宽。使用低介电常数的厚衬板是一种最简单的方法，但 大大增加了天线的耦合难度，不易实现馈电网络。 鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。（3）耦合度提高。对馈电结构进行更好的设计是提高耦合度的主要方法。使用阻抗匹配网络， 如短截线，四分之一波长变换器和多节匹配变换器等，可以对天线输入阻抗进行变换来对耦 合电路的输入阻抗继续宁更好的匹配，从而增加带宽。但以上匹配都

55、会在一定程度上增加插 入损耗导致天线辐射效率降低，因此寻求损耗较小，结构简单，匹配带宽较宽的匹配网络是 提高天线带宽的重要途径。 筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。4.5.3 圆极化天线的测量由圆极化天线基本参数我们可知，圆极化天线的测量主要需要测量的有增益，驻波比，辐射 波瓣图，轴比和极化方向。 韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。1. 与普通微带天线的测量方法相同，圆极化天线的驻波比的测量通常也是用网络分析仪测量 得到。20天津理工大学 XXXX 届本科毕业设计说明书（毕业论文）2. 与无方向性天线总增益相对的是天线增益，其实质为正交功率的综合增益，增益的公式表 达为：G 10 log（ Ga Gb）式中Ga和Gb

56、 分别表示正交极化的两个分量功率的部分增益。测量计算的基本方法分为圆极 化与线极化的分解法。在线极化分解法中， Ga和Gb 分别代表着长短轴的增益大小：而在圆 极化分解法中， Ga和 Gb则分别可以代表着振幅较大与较小的圆极化部分增益和振幅。在实 际测量中常用线极化分解法，因为圆极化天线的增益通常是通过标准增益天线测得，而标准 增益天线为线极化。 涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。3. 圆极化天线的波瓣图一般采用线极化天线用作发射天线进行测量，分别在待测天线YZ 和XZ 方向上进行 90 和0 的正交扫描进行旋转得到。 在本文中可以用 HFSS 软件可以得到波瓣 图。 钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。4. 圆极化天线极化方向的确定方法：1）通过性质， 可知天线在接收同一旋向波时会顺利接收而在接收相反旋向波时会反射。因此，可以用已知旋向天线发射测量信号，待测天线接