微波 天线课设

1、 课程设计报告实验名称： 微波技术与天线 实验题目： 三角形贴片天线设计 魔T的设计 实验地点： 跨越机房 专业班级： 电信 学 号： 200 学生姓名： 指导教师： 2013年6月20号三角形贴片天线设计一、微带天线相关背景和三角形贴片天线相关机理：1、微带天线的发展：自从 20 世纪 70 年代中期微带天线理论得到大的发展以来，由于微带天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲睐，在移动通信（GSM）、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）等领域得到广泛的应用。 2、微带天线的辐射机理：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

2、线或同轴线等馈线馈电（本课设中用到），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，属于电小天线的一类。如下图（a）（b）：3、本次课设研究内容“三角形微带贴片天线”介绍:在不同形状的微带贴片天线中，矩形和圆形是主要的。三角形微带贴片天线与矩形微带天线具有类似的场结构和谐振频率，可是相对贴片面积则小的多，实际应用中可以满足天线贴片小型化等某些特殊的性能要求。无源等边三角形天线首先由Helszajn and James和Bahl and Bhartia用腔模理论来分析。然后由Keuster and Chang 用几何光学理论

3、来分析。而实验研究则由Dahele and Lee提出 。4、三角形微带贴片天线中使用的馈电技术 同轴线馈电：同轴线馈电就是将同轴插座安装在印刷电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。其简化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。一种更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为 TEM 波的激励源，而把圆柱探针的效应按边界条件来处理。对指定的模，同轴馈电点的位置可由经验去找，以便产生较好的匹配。由工作于主模的矩形微带天线的场结构可知，沿长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，即，式中 为侧馈时的输入电阻，是背馈点离侧馈边的距离，于是通过实验方法可以方便地在

4、某一个处实现与 50馈电线的匹配，无需附加阻抗变换器。用同轴线馈电的优点是：1.馈点可选在贴片内任何所需的位置，便于匹配；2.同轴电缆置于天线接地平面下方，避免了对天线辐射的影响。缺点是结构不便于集成，制作麻烦。下表是各种馈电方式的比较，可见同轴馈电的阻抗匹配容易，带宽也较宽。 5、微带天线分析方法： 目前国际上主流的高频电磁场仿真软件有德国 CST 公司的 MicroWaveStudio（微波工作室）、美国 Ansoft 公司的 HFSS（高频电磁场仿真，也即本次课设所使用的软件）、Agilent 公司的ADS(Advanced DesignSysytem)以及 Zeland 公司的 IE3

5、D 等软件。借助于这些商用软件，理论上任何复杂形状的天线都可以比较准确地分析和模拟，从而大大加快了微带天线技术的发展和应用。二、三角形贴片天线设计过程和各特性的理论值计算公式:下面将基于腔模理论，导出同轴馈电时等边三角形微带天线的输入阻抗 。等边三角形微带贴片的几何形状和坐标系如下图所示其中，三、三角形贴片天线尺寸确定及HFSS仿真:三角形天线设计的各个尺寸参数：接地板GroundPlane：90mm*90mm，介质基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003;贴片天线Patch:半径R为18.3mm;探针Pin半径0.5mm*高5mm,材料Pec，中心

6、点（0,5,0）；空气框Air160mm*160mm*70mm；馈电点距Patch中心9.5mm处。经过反复调整，最终的三角形不是一个等边三角形，而是一个边长分别为39.36mm、39.36mm、34.00mm的等腰三角形。用式2.10(m=1,n=0)计算得到天线的谐振频率约为2.44GHz。根据指导书步骤完成工程如下：四、保存并求解工程，绘制以下各个图形并分析仿真结果：1、反射系数S11曲线（即回波损耗与频率的关系曲线）：分析：图中最低点对应谐振点，此时频率为谐振频率2.46GHZ,也是工作频率，此时回损为-40.48dB ，符合设计要求。图中在回波损耗为-10.00dB处对应曲线频率为2

7、.50GHZ和2.43GHZ，所以带宽近似为2.50-2.43=0.07GHZ=70MHZ。2、阻抗特性曲线分析：如图中所标注，在谐振频率2.45GHZ处天线阻抗实部为61.22，虚部为3.27，近乎纯阻，即实现阻抗匹配。 3、天线归一化输入阻抗（Smith圆图） 分析：频率在2GHZ-3GHZ内变化时，天线的归一化电抗值始终小于2.00，而且在将近一半频率范围内, 天线的归一化电抗值始终小于0.50,所以天线基本实现阻抗匹配。4、2D辐射远场方向图分析：由图可看出天线的最大辐射方向在0°，且辐射角度有点宽，但是不影响正常使用。5、3D图中的增益五、课程设计总结： 刚开始听老师说八木

8、天线比较有挑战性，便决定选它做，不过在宿舍画好之后，运行了五六个小时后出来的反射系数图完全错误，如下图：本来以为只是天线上一些小尺寸的错误，便仔细查找并更改天线上的错误，越改越乱，每次更改都得运行好久，最后还是不对。请同学帮忙查错误也无果，去机房之后边让电脑继续运行，边另外做三角形贴片天线，回到宿舍继续运行八木天线，出来的依然有错误，遂放弃。三角形贴片天线的尺寸同样需要通过观察反射系数图的情况反复修改调整，还好计算机所需计算时间较短，调整起来比较容易。不过在网上查找资料上费了比较多时间，很多文献对这一部分知识都只是“点到则止”，需要自己阅读分析好几份材料才能得出结论，也算是一个很有意思的学习过

9、程。总的来说，这次课设是我大学里做过的最费时间也最有意义的课设。自己查找资料，解决参数问题也是大学生应该掌握的技能，所以这是一次很好的体验。也希望以后其它课设可以有类似要求，而不是做一些“复制、粘贴”的手工活。六、参考文献：微波技术与天线（第二版） 刘学观 郭辉萍微波技术与天线课程设计指导书 第二版 刘建霞 李鸿鹰WCDMA系统小型、宽带微带天线的设计与研制 孙瑜短路针加载三角形微带贴片天线的研究栾秀珍 李永红 李春庚 林斌 王百锁微带天线理论与应用 钟顺时 一种圆极化正三角形微带贴片天线的设计与仿真 周帆魔T的设计一、微波元器件概述：无论在那个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件。微波

10、系统也有各种无源、有源元器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换，是微波系统的重要组成部分。微波元器件按照性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件以及线性元器件三类。其中线性互易元器件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理，主要包括各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等。功率分配元器件可以将一路微波功率按比例分成几路，主要包括：定向耦合器、功率分配器及各种微波分支器。二、波导分支器简介：将微波能量从主波导中分路接出的元件成为波导分支器，它是微波功率分配器件的一种，常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。E-T分支： E面T

11、型分支器是在主波导宽边面上的分支，其轴线平行于主波导的模的电场方向。E-T分支相当于分支波导与主波导串联。H-T分支：是在主波导窄边面上的分支，其轴线平行于主波导模的磁场方向。H-T分支相当于并联于主波导的分支线。匹配双T：将E-T分支和H-T分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反射，则构成匹配双，也称为魔T。三、魔T原理：魔T是波导分支器的一种，是一种功率分配器元件。E面T分支、H-T分支也是波导分支器。E面T分支是在主波导宽面上的分支，其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向。H-T分支是在主波导窄边面上的分支，其轴线平行于主波导的TE10模的磁场方向。将E-T分支和H-T分支合并,并在

12、接头内加匹配以消除各路的反射,则构成匹配双T,如右图所示,它有以下特征:1.四个端口完全匹配.2.端口“、”对称，即有 3.当端口“”输入，端口“、”有等辐同相波输出，端口“”隔离。4.当端口“”输入，端口“、”有等辐反相波输出。端口“”隔离。5.当端口“或”输入时，端口“、”等分输出而对应端口“”或“”隔离。6.当端口“、”同时加入信号时，端口“”输出两信号相量和的1/倍，端口“”输出两信号差的1/倍。 端口“”称为魔T的H臂或和臂，端口“”称为魔T的E臂或差臂。魔T具有对口隔离，邻口3DB摔减及完全匹配的关系。由个散射参数可得魔T的S矩阵为 四、仿真结果与分析：1、在HFSS软件中，建立新

13、的工程。并设置模型单位为mm和模型的默认材料为真空。按照指导书上步骤创建魔T如下图：2、绘制其S参数，如下图：分析：s(p1,p1) 是端口P1的自反射,在10DB以下，由于端口匹配，所以自反射系数应该很小，但并不为零。s(p1,p2)，s(p1,p4)两线重合，这是因为在差支路进入时，p2、p4口输出等幅反向波，又因为存在3DB衰减，所以也不为零。s(p1,p3)口，魔T存在对口隔离的特性，但是和差两路的信号很难消到零，本次设计的魔T在-55到-72之间。3、其场分布图分析：实验过程中由动态图可看出在P4口输入的情况下，P3口处已经看不到有波输出，即实现了对口隔离，而在P1、P2口有等辐反相波输出，与理论一致。 实验过程中，我们也尝试了用从其他端口输入，同样可以得到和理论一样的结果。五、实验总结： 本次课设内容相对天线设计较简单，主要是通过直观的动态图来验证微波器件的工作特性。显然，HF