新型电磁基板微带贴片天线的设计与仿真

1、天津理工大学2015届本科毕业设计说明新型电磁基板微带贴片天线的设计与仿真摘要随着微带天线的发展，人们对小型的微带天线提出更高的要求。新型电磁基板微带贴片天线具有剖面低、体积小、质量轻易于加工，易集成等优点，改变新型电磁基板尺寸以及天线的形状对天线的辐射范围和天线的性能都会有一定的影响。电磁基板微带贴片天线目前已在遥感遥测，卫星通讯，医用微波和移动通讯等领域获得了广泛应用。本文论述了基于人工电磁材料的微带贴片天线的发展意义以及影响因素。通过改变人工电磁材料的介电常数以及其尺寸来观察天线发射信号的性能。通过改变天线的形状来分析贴片天线的输入阻抗和谐振频率等一系列问题。基于辐射性能的需求，设计了在

2、1.9GHZ的微带贴片天线。利用HFSS13.0电磁仿真软件进行天线的结构设计，进一步利用仿真软件对设计的天线进行仿真，分析天线和标签的阻抗匹配特性及其辐射特性。根据性能仿真的结果，详细的分析了微带贴片天线的阻抗匹配，增益的情况。同时的到天线尺寸以及形状对微带天线的影响等等。进而得到我们需要的发射频率在1.9GHZ且辐射性能良好的微带贴片天线。关键词：人工电磁材料; 微带贴片天线； 辐射性能； 电磁基板； 阻抗匹配Microstrip patch antenna based on the artificial electromagnetic material ABSTRACTWith the

3、development of the microstrip antenna, the people put forward higher request to small microstrip antenna. New type of magnetic substrate microstrip patch antenna with a low profile, small volume, easy quality in processing, the advantages of easy integration, change new electromagnetic base board si

4、ze and the shape of the antenna on the performance of the antenna radiation range and will have a certain influence. Electromagnetic substrate microstrip patch antenna is currently in remote sensing remote sensing, satellite communications, microwave and mobile communications in areas such as medica

5、l won a wide application. This paper discusses the microstrip patch antenna based on artificial electromagnetic material development and influencing factors. By changing the dielectric constant of artificial electromagnetic material and its size to observe the performance of the transmitting antenna

6、. By changing the shape of the antenna to the analysis of patch antenna input impedance and resonance frequency, and a series of problems.Based on the requirement of radiation performance, in 1.9 GHZ microstrip patch antenna is designed. Using HFSS13.0 electromagnetic simulation software to design t

7、he structure of the antenna, to increase the use of simulation software for the design of antenna simulation, analyses the impedance matching characteristic of the antenna and the tag and its radiation characteristics. According to the result of performance simulation, a detailed analysis of the mic

8、rostrip patch antenna impedance matching, gain. At the same time to the antenna size and shape of the impact of a microstrip antenna and so on. Then we need to launch in the 1.9 GHZ frequency and microstrip patch antenna radiation performance is good.Key Words: Artificial magnetic materials; Microst

9、rip patch antenna; Radiation performance; Electromagnetic substrate; Impedance matching目 录第一章 绪论1.1微带天线的介绍 1 1.1.1微带贴片天线的发展 1 1.1.2微带贴片天线的应用领域以及优势 2 1.2基于电磁介质的微带贴片天线 3 1.2.1微带贴片天线的基本结构 3 1.2.2人工电磁材料微带天线的研究现状 4 1.3 1.9GHZ微带贴片天线的研究现状 5 1.4本文研究内容及研究意义 6 1.4.1课题研究内容 6 1.4.2论文基本的结构 6 第二章 微带贴片天线的基本理论2.1微带

10、贴片天线基本理论 7 2.2微带贴片天线的性能参数 8 2.2.1阻抗匹配 8 2.2.2微带贴片天线的增益和方向性 8 2.2.3谐振频率及带宽 9 2.2.4天线的极化 9 2.2.5微带贴片天线尺寸的估算 102.3设计流程及软件使用 112.3.1设计流程 112.3.2软件的基本使用方法 11第三章 课题设计3.1利用HFSS软件设计微带贴片天线 143.2 1.9GHZ时单层和双层微带贴片天线 173.2.1 1.9GHz微带贴片天线的设计及建模 173.2.2 1.9GHz单层介质基板的微带贴片天线 173.2.3 1.9GHz双层电磁介质基板的微带贴片天线 213.3小结 25

11、第四章 结论4.1 总结与展望 27参考文献 2932第一章 微带贴片天线的基本介绍1.1 微带天线的介绍1.1.1 微带贴片天线的发展在300MHz.300GHz之间的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,微波的波长范围是从一毫米到一米(不含一米)之间,具体可分为:分米波、厘米波、毫米波 1。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波和其他电磁波一样也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。微带天线所发设的波就是微波。它属于微

12、波器件。有着高效率，高速度的特点，所以被人们广泛应用。微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线2。最早的微带天线概念以及一系列问题是在1953年的时候提出的，但是工程界并未引起太大的重视。所以那时候也就把微带天线的研究放下了，到了50年代和60年代人们又对微带天线有一些零星的研究，70年代的时候人们发现了微带天线的优点，微带天线得到发展和使用。二十世纪八十年代以来 ,微带贴片天线因为具有重量轻、尺寸小、良好的共形特性及较低的性能价格比等优点人们开始使用并对其进行研究，在工程界也引起了重视。伴随着时代的变迁和进步，各方面对各种技术的需求不断增加。微带天线在国内外也在迅速发展着。同时，通信技

13、术也在不断的进步着，尤其是卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）以及无线局域网（WLAN）得到了飞速发展。电子器件小型化、微型化和集成化的发展对通信设备的小型化提出了更高的要求。从而限制了微带天线在无线通信系统中的应用,也限制了无线通信的发展3，所以现在国内外很多研究人员正对微带天线面向小型化和集成化方向进行开发。众所周知,小天线的阻抗带宽大约在波长与天线的体积成正比。这意味着当天线的阻抗带宽遭受被缩减。然而,通信行业的趋势是向更小尺寸的设备,因此,有效的天线小型化是一个明确的必要性。随着微带天线的发展，人们对小型的微带天线提出更高的要求，人们要求它们的辐射范围更大，辐射性能更好，所以研究新型微

14、带贴片天线才能逐渐解决这些问题。新型电磁基板微带贴片天线具有剖面低、体积小、质量轻易于加工，易集成等优点，改变新型电磁基板尺寸以及天线的形状对天线的辐射范围和天线的性能都会有一定的影响。所以人们通过改变它的尺寸以及形状等参数来对微带贴片天线进行优化，从而达到实际应用中所需要的天线，用于满足日常生活中对天线的需求。由于微带贴片天线的应用范围广，以及尺寸小，易于集成等特点，人们对微带贴片天的需求也是日益扩增的。1.1.2 微带贴片天线的应用领域以及优势由于微带天线具有小型化，容易集成等优点。所以微带贴片天线在很多方面多有很多的应用。比如卫星通讯，移动通讯，导航遥测，以及雷达等方面都有着巨大的应用潜

15、力。图1.1 卫星通讯系统上图是微带贴片天线在卫星通讯中的应用。随着卫星通讯的发展，人们对卫星通信方面的需求也越来越高4。由于接受和传送的信号越来越多，以往的较低频段（300MHZ-10GHZ）已经不再适合卫星通讯了，所以人们开始开发更高频段的微带贴片天线。由于卫星通信中所需要的天线需要小型化，甚至微型化。所以，以往的一些天线根本不适合用在卫星通讯的系统当中。而微带贴片天线具有体积小，重量轻，易于集成以及剖面低等优点5。非常适用于卫星通讯中，所以人们将他整合到卫星通讯中，来作为卫星通讯的天线来使用。从而使卫星通讯具有更高的效率。微带贴片天线与传统天线相比，它不仅具有体积小，重量轻，易于集成，剖

16、面低等一系列优点，同时它发射信号的范围以及发射信号的强度也是传统的天线无法比拟的。但普通材料的微带贴片天线因其频带过窄使其应用受到一定限制6。因为其高Q值决定着它的频带的宽窄，所以我们需要改变它的Q值来增加它的频带的宽度。所以人们采用新型的人工电磁材料来作为微带贴片天线的贴片7。由于新型的人工电磁材料具备一些天然材质不具备的物理性质的人工合成材料，同时它也可以来通过降低天线的Q值来使微带贴片的频带变宽。所以人们开始以人工电磁材料作为天线基板上的贴片从而使天线的频带变宽。达到普通材料达不到的频宽效果8。1.2 基于电磁介质的微带贴片天线1.2.1 微带贴片天线的基本结构微带天线的概念在1953年

17、的时候就被提出了，它是在一块远小于工作波长的介质基片上，用一块技术辐射贴片和技术薄膜层做接地板构成的。它具有易于制造的特点，现今，它已经广泛用于个人无线通讯中。图1.2 微带贴片天线的基本结构从上图可以看出微带天线可以有不同的馈电方式，图a采用侧馈电的方式对微带贴片天线进行馈电，图b采用同轴馈电的方式对微带贴片天线进行馈电。通过不同性能的天线我们可以采用不同的馈电方式9。从图a上也可以看出微带天线贴片的尺寸大约等于其发射出微波的波长的一半，也就是说天线发射波的波长越小其贴片小尺寸也就越小。微带贴片天线的尺寸与介质基板的介电常数成反比10。我们可以根据公式：N=*我们可以得到介电常数越好，它的尺

18、寸越小，通过该公式我们可以知道，当我们选择人工电磁材料作为基板时，微带贴片天线的尺寸可以比以往的普通材料的尺寸更小，所以人工电磁微带贴片天线跟容易做到小型化的特点。这也是现在人们选择人工电磁材料作为微带贴片天线介质基板的原因。基于人工电磁介质的微带贴片天线和普通的贴片材料的天线一样具有易于集成，小型化的优势。除此之外，它具有更宽的频带。使其达到了辐射范围更广，接收信号更强的性能。所以人们广泛的研究基于人工电磁材料的微带贴片天线。这是微带天线发展的大势所向。1.2.2 人工电磁材料微带天线的研究现状人工电磁材料的研究背景和当前国内外该领域内的研究是非常广泛的11。自从在1953年人们提出微带贴片

19、天线的概念到至今的基于人工电磁材料的微带天线的发展，都是经过长时间的发展来得到的理论以及成果。在2011年9月，中国西安大学的党晓杰，对于人工电磁材料发表博士论文，其中对于人工电磁材料的对称性及计算方法进行研究。新型人工电磁材料是指一种具有天然媒质所不具有的新型电磁的人工周期特性12，引发了很多人对其进行大量的研究。党晓杰对二维电磁带隙结构基元的点群以及对电磁材料的对称性等一系列问题进行了大量的分析，得出人工电磁材料比普通的天然材料的优点。同时，也说道，人工电磁材料方兴未艾，可以看出人工电磁材料在现今社会已经成为了人类研究的热点。所以，人们在人工电磁材料的各方面运用也是不可小觑的，尤其是微带贴

20、片天线上的应用。近年来在通信及电子对抗等领域中得到广泛应用,微带天线在交通电子收费及气象天文探测技术方面有较大的应用前景13。2010年廖志龙在赵青教授的指导下发表硕士论文，对新型人工电磁材料在天线中的应用加以诠释。他提出，由于传统天线的在通讯方面的局限性，而天线在通讯方面发挥着不可替代的作用。所以需要性能更好，发射信号更强的天线来实现我们所需要的目的。而天线本身的尺寸由其发射信号波的波长所决定，所以选择人工电磁介质的来作为天线的介质贴片。在一定程度上改变天线的Q值，从而使天线的频带更宽，发射信号的性能更强。廖志龙硕士在论文中对人工电磁材料在微带贴片中的运用进行展望。得出人工电磁材料在微带天线

21、中的运用是非常广泛的。同在2010年中国西安工业大学的李靖，丁君等人对基于新型人工电磁材料的展频宽进行研究。他们提出人工电磁材料具备普通电磁材料所不具备的物理特性。通过对人工电磁微带贴片天线的研究，了解它不仅在通讯，侦测等方面的运用，同时也正在研究隐形斗篷，完美透镜等方面进行大量的应用。所以微带贴片天线的频带不能仅仅局限于原有的窄频带，应对目前需求，人们需要研究出更宽频带的天线，以便市场需求。通过李靖等一行人对新型人工电磁材料的展频宽进行研究后得出结论，根据人工电磁材料贴片的大小能够控制其介电常数。从而得到频带更宽的微带贴片天线。在第二届导航学术年会上也得出结论，新型人工电磁材料在微带贴片天线

22、上的应用是广泛的，它具备普通天然材料不具备的电磁特性。为了提高天线以及微波无源器件的性能，人们采用新型的人工电磁材料用于设计天线等等。可以看出新型电磁材料在现实生活中广泛的应用，而基于人工电磁材料的微带贴片天线也是其中的一种。可见，新型人工电磁材料在生活中得到广泛的应用，同时也提高了设计的元器件的性能。基于人工电磁材料的微带贴片天线与传统的微带天线相比，它不仅频带更宽，同时也具有高效率，高性能等特点。可以看出，新型的电磁微带天线有着相当广泛的应用，同时也是人们的需求得到满足，无论是在卫星通讯，还是在侦测，亦或是隐形斗篷上都起着至关重要的作用。它在一定程度上决定着科研的进步，新型的电磁材料的微带

23、贴片天线具有普通的微带贴片天线所不具备的物理性能和电磁特性。这是它在天线的发展中起着无可比你的作用。1.3 1.9GHZ微带贴片天线的研究现状所谓1.9GHZ的微带天线就是使微带贴片天线的工作频率在1.9GHZ，通过设计，仿真，模拟得到真实的微带天线。最近，天线技术的研究热点慢慢变成了1.9GHZ的微带贴片天线，它具有体积小型化、重量轻便化、功能多种多样化、造价变小、功耗变小、效率增加等。而我们使用的普遍是片外独立的天线，它的优势很突出：品质因素相比其他的要高、制造方面相对便捷、造价也就是成本相对少。所以现在很多人热衷于对1.9GHZ的微带贴片天线进行研究。在学术研究中，1.9GHZ的微带贴片

24、天线也得到了广泛的研究，无论在卫星通讯还是在侦测的方面，人们对1.9GHZ的微带贴片天线的研究都从未停止过。随着科技的发展，人们需要的微带贴片的性能越来越高。所以研究微带天线是必不可少的。在2006年的时候，南京航空航天大学的简玲就1.9GHZ的微带贴片天线发表论文进行说明，通过设计，仿真，再到模拟的到1.9GHZ的工作频率以及增益等性能，优化后得到的天线。得出结论，1.9GHZ的微带天线在多方面都可以运用到，由于它比一般的微带天线的频带要宽。而且具有小型化以及易于集成的特点，价格较低的特点，使它在人们的生活中应用广泛。南京邮电大学的杨泓霖在2012年发表论文将微带天线尺寸缩小到了卡片级同时增

25、加了微带天线的增益。同时他也是设置的频段为1.9GHZ，通过研究分析得出，1.9GHZ的工作频率的微带天线要比传统的微带贴片天线的频带要宽，同时也提出了在造价方面也相对于其他的天线要低，因为他的波长短，使其达到小型化的特点，同时，由于微带天线都具有的一个特性，易于集成使它可以广泛应用于各个领域中。可以看出1.9GHZ的应用领域和其他微带贴片天线一样也是非常广泛的。又如西南交通大学的郑曦在论文中论述了天线发展历史和1.9GHZ微带天线的分析方法，详细论述并分析了1.9GHZ微带天线小型化技术的几种手段。通过对降低发射和接收信号波的波长之外，也可以选择介电常数高的贴片来是微带贴片天线达到小型化的特

26、点。1.9GHZ的微带贴片天线除了可以运用在卫星通讯，侦测等方面，它在其他领域的应用也是非常广的。它不仅具有不同天线不具有的频带宽的性能能，同时也具有其他频段的微带贴片天线的不及之处，下面让我们一起跟随文章的脚步，对1.9GHZ的微带贴片天线来进行更深一层的了解吧。1.4 本文研究内容及研究意义1.4.1 课题研究内容本文主要研究内容，通过学习新型电磁基板微带贴片天线的设计，学习HFSS仿真软件的使用，针对实际中的需要，设计一款新型的同时以电磁介质为基板的矩形微带贴片天线，工作频率在1.9GHz，采用介电常数和磁导率相同的电磁介质作为基板，利用基板的介电性能和磁性能实现微带天线的小型化和宽带化

27、, 根据仿真结果，分析新型电磁基板微带贴片天线与普通天线的参数差别，同时分析新型电磁基板尺寸以及形状对微带天线的辐射性能的影响以及天线的形状对其辐射范围的影响，利用HFSS进行结构设计、建模、仿真，比较纯介电基板和电磁基板微带天线的性能，研究电磁介质基板对微带天线的尺寸、天线的谐振频率、输入阻抗和极化性能的影响。通过研究得到改变新型电磁基板尺寸以及形状对微带天线的辐射性能的影响以及天线的形状对其辐射范围的影响，通过改变天线的形状来分析贴片天线的输入阻抗和谐振频率等一系列问题的结果。1.4.2 论文的基本结构本论文主要通过对1.9GHZ的微带贴片天线进行，设计，仿真。通过研究得出优化后的微带天线

28、的仿真图。同时通过最后的图形来表征1.9GHZ的微带贴片天线的性能以及频宽等等。本文摘要部分主要是对本论文的内容进行一下答题的介绍及说明。第一章介绍微波的概念，通过微波的概念引出对微带贴片天线的介绍，了解微带贴片天线在各方面的运用以及各种优势。从而导出基于人工电磁材料的微带贴片天线的介绍，在各个方面的运用以及优势，最后说明1.9GHZ的研究现状，以及应用范围。第二章说明自己的研究内容，以及在之前对微带天线的学习内容，以及对HFSS软件学习的运用方法。第三章说明对软件运用到基本情况，以及对自己课题进行研究时得到的结论。第四章是总结全文与展望。总结本文所用的主要文献，并对未来工作的一些设想和对这一

29、段时间自己工作的总结。第二章 微带贴片天线基本理论2.1 微带贴片天线基本理论当天线上有交变电流通过的时候，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度与形状有关14。如果两条导线距离很近，产生的电场由于导线之间的宽度所限制，导致辐射很微弱。如果两条导线张开，产生的电场不被导线所限制，可以传播到周围的空间内，那么辐射增强。如下图所示：图2.1 天线的辐射微带贴片天线的辐射原理也是如此，微带天线主要由接地板，介质基本，贴片，辐射元等主要结构组成。我们可以根据不同的馈电方式，来选择用侧馈线还是用同轴馈线。 在设计过程中，我们根据不同的需求来选择匹配阻抗的大小。本论文主要的微带贴片的天线基本结构如

30、下图所示：图2.2 a.微带贴片天线俯视图 b.微带贴片天线侧视图本课题设计一款新型以电磁介质为基板的矩形微带贴片天线，微带天线的工作频率为1.9GHz，采用介电常数和磁导率相同的电磁介质作为基板，综合利用基板的介电性能和磁性能实现微带天线的小型化和宽带化, 通过HFSS进行结构设计、建模、仿真，比较纯介电基板和电磁基板微带天线的性能，研究电磁介质基板对微带天线的尺寸、天线的谐振频率、输入阻抗和极化性能的影响。本实验的主要研究方法以及研究步骤如下：（1）根据要求，设计天线结构图，天线类型以及实现方式。（2）利用HFSS仿真软件对已设计好的天线进行仿真运行。（3）寻找影响天线性能的参数，查看天线

31、谐振频率，通过参数扫描分析寻找谐振频率。从而找到1.9GHZ对应的最佳尺寸。（4）调节天线阻抗匹配，进而获得最佳匹配性能，用于指导新型电磁基板微带贴片天线的设计。（5）根据HFSS仿真结果进一步确定天线性能，查看其最终性能，从而获得性能优异的1.9GHZ的新型电磁基板微带贴片天线。通过本课题的研究设计使我们得到了工作频率在1.9GHZ情况下天线的频带宽度较宽，且发射频率性能较好。2.2 微带贴片天线性能表征参数2.2.1 阻抗匹配天线的阻抗通常为频率的函数，也就是天线馈电点处的电压与电流之比来表示。一般而言，微带贴片天线的边缘阻抗为（100-400），并不符合微波器件通用的50的系统，所以我们

32、在设计天线的时候，往往需要加上一段1/4波长的阻抗转换器，使得微带天线的边缘阻抗与50阻抗达成匹配。阻抗匹配条件为：Z1=Z0*Z（L）Z1为1/4波长阻抗匹配转换器的特性阻抗，微带特性阻抗为Z0，Z（L）为天线边缘阻抗。2.1.2 微带贴片天线的增益和方向性天线增益指的是，在输入功率一定的情况下，实际天线和理想的辐射单元在空间任意一点处产生的信号功率密度比15。它确切的表达了一个天线把输出功率集中辐射的程度。增益与天线方向图是不可分割的关系，放线图主瓣的宽度小的时候，副瓣相对变小，增益也就随着其他参数的变化而变大。增益的物理含义也可以理解为：假设为了在某一点产生一定大小的信号，如果用理想的无

33、方向性点源当做发射天线。换句话说，某个天线的增益，在它最大的辐射方向上的辐射效果来所，跟无方向的理想点源对比，把输入功率放大的倍数。方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线将输入功率的效率，为了更完整地描述天线特性，特以天线的输入功率为基点定义了一个增益16。天线增益是表征输出给它的功率按特定方向辐射的能力，定义为在相同功率、相同距离的条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性的天线在该方向上的辐射功率密度的比值17。根据方向性的系数的概念，可以给出微带天线的方向性系数为：D=8I（w）2图2.3 微带贴片天线方向图2.2.3 谐振频率及带宽谐振频率指的对谐振天线来讲是指阻抗虚部为零

34、的点，也就是驻波比最小的那个点，由于带宽是天线的关键性参数，所以单独考虑谐振频率是没有什么实际意义的。天线的每个电性参数都是随频率改变的，所以各个电性参数的频率特性也直接决定带宽。一般情况下方向性控制带宽限度的最大值，增益控制带宽限度的最小值，阻抗控制带宽整体的大小。2.2.4 天线的极化天线的极化指的是天线发射出的地磁波的电场的方向，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状，取向以及旋转方向。根据电场矢量端点运动轨迹，可以将天线分成不同的极化，比如线极化，椭圆极化等等。而椭圆极化和圆极化又可以根据它们旋转方向的不同，可以分为左旋极化和右旋极化两种不同的形式18。图2.4 不同的极化波的方向图2.2.

35、5 微带贴片尺寸的估算在设计微带贴片的时候我们首先需要选择一个合适的贴片19。首先假设天线介质的介电常数为，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以设计出高效率的辐射贴片宽度w，据式：w=c2f（+12）-12 （c代表光速）辐射贴片长度一般设为/2；代表介质内的导波波长：=cf考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为20：L=cf-2L2.3 设计流程及软件使用2.3.1 设计流程确定天线贴片的材质确定微带天线的运行环境做出天线结构设置初步参数将天线的边界条件设为理想边界条件对性能参数进行定向优化通过仿真或者理论得到性能参数继续对天线进行优化设计满足要求NOYES完成设计，结束图2.5

36、HFSS软件流程图2.3.2 软件的基本使用方法首先打开HFSS软件，新建一个project，在HFSS中点击HFSS在Design Properties中设定微带贴片天线的参数，设定完参数后，首先创造一个介质基板，建立一长方体，设置正方体的大小，以及材质，名称等参数。将此长方体做为作为微带贴片天线的介质基板。接下来，建立微带贴片天线的辐射贴片，在HFSS软件中建立一个矩形，将矩形的名字改成Patch，同时，设定贴片的大小，接下来以同样的方式画出1/4的阻抗转换器，设置其大小。最后在创建一个矩形，来创建50的微带传输线。然后，将贴片，1/4转换器以及50微带传输线整合成一个整体的结构。将贴片设

37、置成理想的边界条件，然后为微带贴片天线设置一个空气盒子，通过画出长方体，对其进行材质调整以及大小的参数调整。在其上面设置激励端口，以便天线信号的传输。同样，将空气盒子以及介质基板的底面设置成理想的边界条件。这样微带贴片天线的基本结构就画出来了。如下：图2.6 侧馈电微带贴片天线的基本结构如果是同轴馈电的微带贴片天线，我们将不需要侧馈电的微带贴片天线的1/4阻抗转换器，50侧馈线以及空气盒子上的激励端口。我们只需要在微带贴片天线的基板上建立一个圆柱穿过贴片，同时在基板上将圆柱减去，然后在圆柱下面建立一个同圆心的圆形来作为激励端口即可。同轴馈电的微带贴片天线的基本结构如下：图2.7 同轴馈电微带贴

38、片天线的基本结构设计完天线的结构后，我们需要对天线进行求解设置。首先，对天线的求解频率以及网格剖分进行设置，其次再对天线的扫频进行设置。设置完成后，在菜单栏里选择HFSS里面的Validation Check，来对天线进行检查，检查无误后，对天线进行仿真运算。当仿真运算完成后，我们就可以查看天线的谐振频率了，通过生成的S11的扫频分析结果，我们可以很清楚的得到微带贴片天线的谐振频率的大致范围。再由这个范围，我们可以通过参数扫描分析来寻找微带贴片天线的谐振频率。通过运行参数扫描分析，我们可以得到不同的L0（L0为贴片的长度）对应的S11曲线，从而找到我们需要频率的天线的最优L0值。接下来，我们要

39、对天线匹配的阻抗性能进行调节，从而获得最佳值。通过分析以及得到的结果，我们可以得到不同的1/4阻抗转换器宽度对应的S11曲线，通过观察可以得到，性能最好的时候所对应的1/4阻抗转换器。最后，我们将得到的最好的贴片的长度以及最佳匹配的1/4阻抗转换器的宽度，重新对天线进行仿真设计，我们可以得到最佳性能的天线的S11图。通过最终的分析，我们可以得到S11的Smith圆图的结果，通过对Smith圆图的观察，我们可以观看出天线性能是否良好。下面是smith圆图：图2.8 S11的Smith圆图结果这样我们在HFSS软件进行下一步操作，也就是查看xz，yz截面上的增益方向图。我们需要先确定一下辐射表面，

40、通过对辐射表面的定义，我们可以得到远区场的计算结果。定义完成后，在result上输出截面的增益方向图。然后再输出三维增益方向图，通过三维增益方向图，我们可以得到天线的性能是否良好。最后将我们设计的天线进行保存。以上就是HFSS13.0天线的主要使用方法。第三章 课题设计3.1利用HFSS软件设计微带贴片天线根据HFSS设计内容，进行侧馈电的学习以及同轴馈电的学习，得出天线的仿真结果。侧馈电：通过HFSS软件仿真得到天线的S11参数，以及匹配阻抗，最后得到天线的三维增益图。以下我们看一下得到的结果： 图3.1 S11扫频分析结果S11扫频分析结果为2.30GHZ通过扫描结果，因为我们天线的频率在

41、2.45GHZ，所以我们根据我们的需要来进行下一步观察看L0在什么位置对应的S11。 图3.2 不同贴片长度对应的S11参数通过不同的贴片长度，来得到我我们需要的不同的S11对应的参数曲线，我们可以由上图看出当贴片长度为28.1mm时，天线的频率在24.5GHZ。进一步得到下图我们需要的阻抗匹配值。图3.3 不同的贴片长度对应的S11参数下面我们再对贴片长度进行优化，得到天线性能最好时候的贴片长度W0，我们可以看出当W0为1.1mm时，天线性能达到最佳。 图3.4 三维增益方向图同轴馈电：根据HFSS软件仿真得到天线的S11参数图，以及阻抗匹配图，最后得到天线在XY方向上的增益图。结果如下：

42、图3.5 S11扫频分析结果同样同轴馈电天线也是经过一样的步骤得到S11扫频参数。当天线的频率在24.5GHZ时，可以观察出微带贴片的长度，在28.0mm。 图3.6 2.45GHZ处的回波损耗S11随馈电位置变量L1的变化曲线报告通过S11参数我们可以得到2.45GHZ处的回波损耗与同轴馈电点的位置变化关系，可以看出同轴馈电点在距离中心位置6mm-7mm处，接下来我们对同轴馈电点进行优化。 图3.7 输入阻抗实部与虚部与同轴馈电点位置的变化曲线通过优化我们可以得到输入实部与虚部的曲线，我们可以观察出当输入阻抗接近50的时候的馈电点的位置大致在6mm到7mm之间。 图3.8 xy面和yz截面上

43、的增益方向图以上是同轴馈电方式通过参数优化得到最终的天线设计图，我们完成了对同轴馈电的矩形微带贴片天线进行的分析，最终得到我们想要的的天线。3.2 1.9GHZ时单层和双层微带贴片天线3.2.1 1.9GHZ微带贴片天线的设计及建模该课题主要分析的是双层微带贴片天线在同轴馈电方式下的一个运用，首先，研究单层的微带贴片天线的性能及参数的分析，之后对双层微带贴片天线进行分析，通过对单层微带贴片天线和双层微带贴片天线的对比，得出最终结论，对结果进行分析。得到双层的微带贴片天线的效果更优。对于双层微带贴片天线而言，采用基板厚度分别为1.5mm和3mm的介电和介磁材料，其中介电材料和介磁材料的参数均为1

44、0，天线的长度L0为25mm,宽度W0为11.5mm，天线的工作频率在1.9GHz，因为天线采用同轴馈电的方式，所以我们可以通过经验公式：dp=0.39*w2得到馈电点的位置距离x坐标轴的位置为mm，距离y坐标轴的位置为6mm。而单层采用的参数以及馈电方式是一样的，只是其采用的单层介电材料，其介电参数仍为10。无论是单层还是双层，我们都通过改变其基板尺寸以及基点和馈电点的位置来的到他们的结果进行分析。3.2.2 1.9GHZ单层介质基板的微带贴片天线对于单层基板的微带贴片天线，我们先对其进行HFSS13.0进行大致结构的设计。画出其基本结构后，通过对空气盒子，接地板以及贴片进行理想边界条件的设

45、置。然后进行分析，仿真。我们可以的到其是S11参数以及smith圆图，和增益图。下面是单层基板的微带贴片天线的基本结构图：图3.9 单层介质基板微带贴片天线的基本结构通过上面的结构对单层介质基板的微带贴片天线进行仿真分析，我们可以得到其S11参数，结果如下：图3.2.2 S11扫描的分析结果上图是当L0处于25mm处时候的S11结果通过上图我们可以看出扫面分析结果在1.87GHZ的时候最优，所以我们改变L0（贴片的尺寸）来进行优化，得到的是S11扫面分析结果如下图3.10 S11扫描分析结果可以看出上图微带贴片天线的扫描分析结果在1.9GHZ的时候最优。而此时的微带贴片天线的贴片的尺寸在25.

46、2mm，所以我们将我们天线的L0尺寸又化成25.2mm。因为我们的介质基板是微带贴片的尺寸的二倍，由于我们在贴片和基板中用L0函数来表示的贴片和介质基板，所以当我们改变L0的时候贴片的长度和介质基板的长度都发生了变化。通过对L0的优化我们可以得到在1.9GHZ处的回波损耗S11随馈电点的位置变量L1的变化关系曲线报告：图3.11 1.9GHZ处的回波损耗S11随馈电点位置变量的L1的变化曲线报告我们通过上面报告得出，同轴馈电点的位置，在从离坐标原点的近距离到远距离移动的过程中。我们可以清楚地观察出其输入阻抗的大致范围。进而进行下一步的操作，也就是查看输入阻抗的实部和虚步的位置关系变化曲线，如下

47、图所示：图3.12 输入阻抗实部和虚部与同轴馈电点的位置变化关系曲线最后通过HFSS13.0软件进行下一步操作，将S11参数与同轴馈电的馈电点位置在Smith上显示：图3.13 S11随馈电点位置的变化在Smith圆图上的显示结果可以看出上图是因为阻抗不匹配导致Smith的结果不经过中心，经过改变馈电点的参数来得到阻抗匹配的Smith圆图，如下图所示：图一 图二图3.14 S11随馈电点位置的变化在Smith圆图上的显示结果改变馈电点的位置后，图一是改变后的Smith圆图，再次进行精准的优化的得到图二优化的Smith圆图。最后我们得出xz和yz截面上的增益图。如下：图3.15 xz面和yz面上

48、的增益方向图从而得到我们需要的优化好的天线的增益图。这样我们就可以对天线进行后期的制作等等。我们也可以在上图看出来1.9GHZ的完全是电介质的时候的参数，和发射频率。通过仿真等一系列操作，我们知道了改变介质基板和贴片对天线性能的影响，即使是馈电点的位置也对天线的性能存在着一定的影响。下面让我们看一下双层介质基板的微带贴片天线的性能，从而进行一系列比较。3.2.3 1.9GHZ双层电磁介质基板的微带贴片天线对于双层基板的微带贴片天线，和单层介质基板的微带天线一样，我们先对其进行HFSS13.0进行大致结构的设计。画出其基本结构后，通过对空气盒子，接地板以及贴片进行理想边界条件的设置。然后进行分析

49、，仿真。我们可以的到其是S11参数以及smith圆图，和增益图。唯一不同的是，我们要将两个基板进行整合。整合前的结构图如下：图3.16 两层基板合并前的结构图然后我们通过合并按钮，将两层介质基板机型合并。合并后，我们才可以进行馈电点的选取，以及馈电点从基板上挖出圆柱形的端孔。合并完的结构图如下：图3.17 双层介质基板合并后的结构图通过仿真分析，我们同样可以的到其S11扫描分析的结果图，其结果图如下：图3.18 S11扫描分析结果我们可以看出此时，双层微带贴片天线在1.92GHZ的时候的参数最佳，而我们需要1.9GHZ，所以我们需要对天线的尺寸进行改进。将L0改成25.1mm重新对天线进行仿真

50、分析，得到的结果图的S11参数在1.9GHZ的时候达到了很好地匹配状态。其结果的扫描分析图如下：图3.19 S11扫描分析结果此时我们可以看出天线得到了很好地匹配结果，接下来我们可以得通过对L0的优化我们可以得到在1.9GHZ处的回波损耗S11随馈电点的位置变量L1的变化关系曲线报告：当天线发射频率在1.9GHZ的时候，馈电点的位置在1.5mm到2.5mm之间。接下来，我们对馈电点的位置进行优化。图3.20 1.9GHZ处的回波损耗S11随馈电点位置变量的L1的变化曲线报告我们同样通过上面报告得出，同轴馈电点的位置，在从离坐标原点的近距离到远距离移动的过程中。我们可以清楚地观察出其输入阻抗的大

51、致范围。进而进行下一步的操作，查看输入阻抗的实部和虚步的位置关系变化曲线，如下图所示：图3.21 输入阻抗实部和虚部与同轴馈电点的位置变化关系曲线之后我们进行下一步操作，将馈电点的位置与S11变化的情况在Smith在圆图上进行展示：图3.22 S11随馈电点位置的变化在Smith圆图上的显示结果然后对馈电点的位置进行优化，优化后的结果如下图所示：图3.23 优化后的S11随馈电点位置变化的Smith圆图通过结果查看，我们的得到的阻抗并不理想，理想情况下，Smith会形成圆，且有交点，而上图不是理想的匹配情况，所以我们需要对馈电点的位置重新整理，进行调整，最后我们得到的理想的Smith圆图的结果

52、图下：图3.24 优化后理想的S11随馈电点位置变化的Smith圆图最后我们在HFSS13.0中进行下一步操作，从而得出双层微带贴片天线的xz和yz方向的截面增益图，当天线的在1.9GHZ工作时，此时L1的值为3mm。从图上可以更直观的看出不同面上的增益情况。如下图：图3.25 xz面和yz面的增益方向图由此我们可以得出双层微带贴片天线的性能参数。同时，我们也可以在上图看出来1.9GHZ的完全是电介质的时候的参数，和发射频率。通过仿真等一系列操作，我们知道了不仅改变介质基板和贴片对天线性能的影响，即使是馈电点的位置以及馈电点的直接也对天线的性能存在着一定的影响。3.3 小结通过对单层微带贴片天

53、线和双层微带贴片天线的分析和仿真，我们清楚的得到了，微带贴片天线的性能受贴片的尺寸，介质基板的尺寸，介电基板的介电常数，馈电点的直径大小以及馈电点的位置影响。通过对各个参数的优化，我们的到了单层微带贴片天线和双层微带贴片天线的最佳性能。通过两种天线的对比，得出结论：双层微带贴片天线的辐射范围要比单层微带天线的辐射范围更广，由于双层微带贴片天线采用的介质基板是介电材料与介磁材料的整合性材料，而单层微带贴片天线介质基板采用的是介电材料。在天线的性能上，单层微带贴片天线的性能远远不及双层微带贴片天线的性能。正如前面所论述的，人工电磁材料具备自然材料所不具备的物理性能以及其他方面的性能等等。 首先，本

54、论文介绍了微带贴片天线的节本结构，设计流程，以及介质基板的基本材料的重要性等等。论文采用微带贴片天天线作为研究对象，利用单层微带贴片天线与双层微带贴片天线进行对比，得出天线介质基板对天线性能的影响。研究了天线的馈电环尺寸参数、天线的弯折数、天线的高度参数对天线性能参数如功率反射系数S11参数、阻抗参数的实部和虚部，3D立体方向图的影响规律。结果表明随着天线介质介质基板和贴片尺寸的增大，天线的谐振频率先升高后降低，天线的阻抗实部不断减小，阻抗虚部不断变大，3D增益不断增高。通过综合优化各结构参数，获得了11.5mm*25.1mm的微带贴片天线具有较好的性能，其介电常数和介磁常数分别为10，介磁基

55、板的高度为1.5mm，而介电基板的高度为3mm，得到了天线在这个尺寸同时在距离原点为2.5mm时候进行馈电天线的性能最佳。第四章 结论4.1 总结与展望新型的人工电磁材料具备普通自然材料不具备的物理性质，将它成结合到微带贴片天线中进行使用可以使天线英语更多的领域，微带贴片天线具备质量轻，体积小，易于集成，可控性强等优点已经成为了大众眼中的掌上明珠，也是它逐步活跃在研究界的原因。目前它主要应用在卫星通讯，雷达侦测以及GPS导航等多个领域应用并且起到决定性作用，所以微带贴片天线的前景非常广阔的25。 新型人工电磁材料的微带贴片天线通过把增高其介质基板的介电和介磁常数，来使微带贴片天线达到小型化的特点，所以是微带贴片天线在和各领域都可以有广泛的应用。所以在整个微带贴片天线的系统中微带贴片天