一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析

1、泉州师范学院毕业论文（设计）题 目一种用于可|的双频微带天线的设计与分析物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级学生姓名刘文杰学号指导教师余燕忠职称 副教授完成日期2011年4月教务处制一种用于WLAN的双频带微带天线的设计与分析物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业070303048刘文杰指导教师余燕忠副教授【摘要】对于频谱的资源日益紧张的现在通讯领域，迫切要求天线具有双极化的功能。利用Ansoft HFSS 设计一个微带天线结构，使其具有双频带特性，微带天线的两个工作中心频率分别为2.4GHZ和5.8GHZ。 本文提出并设计一款双频微带天线的结构，借助HFSS软件对该结构进行仿真。

2、经过仿真分析，该天线的 谐振频率分别为：2.53GHZ和6.05GHZ的相对带宽分别达到632%和10.8%，满足无线局域网的标准的要求。【关键词】Ansoft HFSS;微带天线；双频带；无线通讯。目录弓|言.5 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 第一章微带天线的简介6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.1当今天线的发展趋势6 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 1.2微带天线研究的背景6 HYPERLINK l

3、bookmark26 o Current Document 1.3双频微带天线的研究意义6第二章双频微带天线设计7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1双频微带设计的任务7 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 2.2双频微带天线设计的基本要求7 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.3双频微带天线设计方案论证7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document AnsoftHFSS软件的介绍7AnsoftHFS

4、S 设计的流程 9 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document AnsoftHFSS可显示的参数9 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 2.7双频微带天线的设计过程10 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 第三章双频微带天线的仿真及分析123.1天线的仿真图形12 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 3.2改变天线的双缝宽度对天线的影响144 HYPERLINK l bookmark85 o Current Do

5、cument 3.3改变天线的双缝位置对天线的影响17 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 3.4天线的改进方向19 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 第四章微带天线的优化设计20 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 4.1优化设计的定义20 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 4.2优化设计的步骤20 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 4.3对微带天

6、线的优化设计20 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 4.4优化后微带天线的性能21第五章结束语错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。英文摘要26引言随着微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线要求的提高，和无线通信技术对收发 设备要求可以同时在两个或者多个频段工作。在这种背景下，微带双频带天线得到了迅速的 发展。无线局域网(WLAN)是计算机网络与无线通信相结合的技术。随着无线通信技术的飞 速发展，无线局域网(WLAN)的应用范围越来越广。伴随着无线局域网(WLAN)中各项标准的 出台，研制出适用于各种标准的WLA

7、N天线是非常有意义的。根据WLAN标准的要求,WLAN 天线应具有小型、频带宽、双频带的特点。而微带天线具有体积小、重量轻、成本低，易与 微波集成电路集成的优点，且可以方便地实现天线的双频段、小型化和宽频带非常适合用于 实现WLAN天线1。近年来随着无线通信技术的发展，移动终端设备使用越来越广泛无限局 域网(WLAN)技术也广泛应用在笔记本电脑中。随着IEEE802.11a(5.155.35GHz,5.725 5.825GHz)和802.11b/g(2.42.4835GHz)标准的提出,WLAN得到了迅猛发展，对天线的要求 也越来越严格。所设计双频微带天线需要满足IEEE802.11a(5.1

8、55.35GHz,5.7255.825GHz) 和802.11b/g(2.42.4835GHz)的标准。节约了材料，而且还易于集成2。随着微带天线的应用的增多，采用有效的仿真软件对其研究工作进行仿真计算，或者对 实验结果进行验证显得越来越重要Ansoft HFSS就是一个界面非常好，计算准确的仿真软 件。通过这种软件对微带天线进行仿真计算，得到了与理论比较吻合的仿真结果。本文提出并研究了一种应用于WLAN的双缝微带天线设计方法，该天线利用Rogers RT/duroid 5880 (tm)材料的介质板，并采用同轴馈电。将地板置于介质板的一面，而将微 带贴片置于介质板的另一面，这样通过微带馈线对

9、缝隙进行耦合，实现微带天线的宽频特性。第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。虽然在1953年就提出 了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。从20世纪50年代到60年代也只是做 一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片 的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来3。为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、 宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得 越来越小，这时天线尺寸就需要

10、越来越小了。然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响 天线的增益和效率是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频 率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。微带天线由 于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得 到广泛的应用和重视。1.2微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线通过微 带线或者同轴线等馈线馈电，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。微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计 的带宽只有2%

11、到5%。随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。在这样的背景下，研 究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工 业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。1.3双频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必 需品4。对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极 化可使它的通讯容量增加1倍。对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化 又不同。微带天线的工作的频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计的灵活也使得 微带天线在这些领域中得到广泛的应用。同时，

12、通讯系统也需要宽频带来实现多媒体信息无 线传输和接收的高速率。因此，研究双频带天线具有重要意义。第二章双频带微带天线的设计及方案论证2.1双频带微带天线设计任务利用Ansoft HFSS设计一个微带贴片天线结构，使其分别工作在2.4GHZ和5.8GHZ这两 个频段，并利用Ansoft HFSS软件对所设计的天线进行仿真和优化设计。2.2微带双频带微带设计的基本要求要求：所设计的天线结构具有双频带特性，其工作的中心频率分别是2.4GHZ和5.8 GHZ 这两个频段，相对带宽能够大于5%，且天线可以实现宽带工作的特性。2.3双频带微带天线设计方案论证通常，微带天线的设计的主要目标是在指定的工作频率

13、上得到要求的工作特性。为了使 微带天线达到这个目标。首先是选择贴片合适的几何形状，在没有特别要求的情况下，我们 一般选择矩形贴片，这是因为矩形微带天线不仅容易设计，制作也比较简单，并且还有一系 列比较成熟的理论作为研究依据，如分析矩形贴片天线的传输线法，空腔模型法等等。 其次，确定天线介质基板的材料和厚度h，这是因为介质板的介电常数，厚度等会直接影响 着天线的性能和尺寸。当确定介质基板后，就需要设计的参量为:矩形贴片的长度L和宽带 W，双缝的位置和长度1，双缝的宽度w。最后根据所要求的带宽和增益来确定介质板的材 料及厚度。实现双频带工作，对于矩形贴片较多的是利用激励多模来获得双频，如图2-1所

14、示，在 矩形贴片非辐射边开两条长度不相等、宽带一样的平行缝隙，该平行双缝分割了矩形贴片上 的电流，从而改变了其电流的分布，使这个贴片具有双频效应。由于这个模型采用对角线同 轴结构馈电，馈电点到四个辐射边的电流路径由于双缝隙的存在而被延长，从而降低理论天 线贴片的谐振频率。从同轴线馈送到辐射片的电流因为受到双缝的阻挡，则由这个平行的双 缝所围成的区域产生了一个假想的辐射贴片，所以可以通过改变辐射贴片的尺寸大小来改变 天线的双频特性5。2.4 Ansoft HFSS软件的介绍因为微波工程在分析计算和实际设计中具有很大的难度，传统的分析方法只能用来解决 少数的简单问题，所以对于高复杂的当代电磁系统微

15、波工程问题，往往是采用近似分析和实 验验证，这使得设计的过程通常需要经过反复的设计、计算和调试过程，才能得到比较满意 的结果，但却需要一个时间非常长的设计周期。众所周知，当今科技发展的速度如此迅猛， 漫长的设计周期显然不能满足工程设计的要求。20世纪六十年代微波分析数值方法的出现，美国Ansoft公司利用该方法，设计了第一 款微波电子设计自动化软件HFSS (High Frequency Simulator Structure)。该软件利用 电磁场的有限元法来分析微波工程问题，具有精度高、仿真速度快、可靠性强、稳定性好等 优点，由于其自适用网络剖分技术，使HFSS软件成为天线结构设计的首选工具

16、。广泛的应 用于航空、航天、电子、半导体和通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种微波结构6HFSS采用Windows图形用户界面简洁直观；HFSS的使用简单，首先用户只需创建或导 入设计模型，其次指定模型的材料属性，然后正确分配模型的边界条件和激励，最后准确定 义求解设置，仿真软件就可以根据模型参数计算出输出用户需要的设计结果。用户还可以根 据设计的需要对模型进行优化设计、灵敏度分析、参数扫描分析和统计分析等操作。FM idzi-bi.iBEJiUM 5IE IbfiLaiCeaJ.图2-1 Ansoft HFSS的用户界面2.5 HFSS设计流程7启动HFSS软件，新建一个设计工程，保存

17、路径必须全英文；选择求解类型，包括模式驱动求解(DrivenModal)、终端驱动求解(DrivenTerminal)、 本征模求解(Eigenmode)；创建设计模型，构造准确的结构模型、设定好模型的材料属性；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；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，查看计算结果，包括S参数、增益大小、场分布、辐射方向图;（8）进行优化设计得到最优解；自适应网格剖分和求解过程图2-2 HFSS设计的流程2.6 Ansof

18、t HFSS可显示的参数：（1）S、Y、Z等参数矩阵；（2）电压驻波比（VSWR）；（3）端口阻抗和传播常数；（4）电磁场分布和电流分布；（5）谐振频率和品质因素Q；（6）天线辐射方向图和各种天线的参数：增益、方向性、回波损耗、波束宽度;（7）比吸收率（SAR）；2.7双频带微带天线的设计过程（1）选择介质板该天线介质板材料为Rogers RT/duroid 5880,相对介电常数为2.2,从理论上分析， 接地板可以看做无限大，但是在实际设计中，考虑到天线的重量、尺寸及其制作成本等诸多 因素，接地板的尺寸应该尽可能小，所以介质尺寸为60mm*50mm*3mm。（2）尺寸的计算在普通的矩形微带天

19、线的设计中，一般可以根据所要求的带宽和增益来确定介质板的材 料和厚度。根据天线所工作的中心频率，由以下公式可以求出辐射片的尺寸：L = 二一2AL2无- 5(2)w 一(e r+ 0.3)(- + 0.264)AL = 0.421h hwh(e- 0.258)(+ 0.8)h式子（1）一式子（3）中：W和L分别是辐射单元的宽度和长度；AL为线伸长度；e r是介质的等效介电常数。当VSWRW2.0的时候，微带天线的带宽的一般公式为：BW（MHZ）= 5.04 f .（GHZ）h（mm）（关式子（4）： f 0为天线的中心频率；h为介质基板的厚度。（3）天线的尺寸安排天线介质板材料为Rogers

20、RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，从理论上分析，接 地板可以看做无限大，但是在实际设计中，考虑到天线的重量、尺寸及其制作成本等诸多因 素，接地板的尺寸应该尽可能小，所以：介质尺寸为60mm*50mm*3mm；贴片的尺寸为50mm*60mm；平行双缝的尺寸分别为：长X 宽=25mm*2mm 及长X 宽=37.5mm*2mm。天线的结构图如图2-3所示:70图2-3同轴线缝隙负载贴片天线结构的俯视图和侧视图XY Pict 1HRSSDe-E-igniGurve- In1o dBOtWwveFortl ,Wnve-Parti I : Eweepi-10 00-15 00-20 00

21、-25.00第三章双频带微带天线的仿真及分析3.1双频带微带天线的仿真图形利用Ansoft HFSS 11对上述的双频带微带天线进行仿真，我们可以得到天线的回波损 耗图形、电压驻波比（VSWR）图形、三维场强分布图形、天线的平面方向图形及微带天线 的模型图分别如图3-1，图3-2，图3-3，图3-4，图3-5所示。Anaon Corporatiori 0 00-5.00部.,血.gg.戒.f图3-1微带天线的回波损耗图3-2微带天线的电压驻波比_|410/喜黑rETnti523rc-r3QS 5fl5*c-63 9蛇”皿普 HB7*e-H303 ?TEc-hZB3 W港：心$ 95E 做 3

22、45i5e-KS 9植5皂心5 4 3S5e-HZ03 9ZH5e-H303 m.55：4tS3 M65：4tS3 3975e-H3B3 eB51e-K30Z 7Elc-2/PK1图3-3微带天线三维场强图Anwti Corpo任 15Radiation Perttem 1HFSSI：g 印 1Cu-pe nofEToiil adWi UHPMdprparatianXY Plot3HFSSgi 列TODDn)0-50 OO-Gunrfl.lnl&- dbip1 vWIio an图3-13改变双缝位置后的电压驻波比rETotaUraVJ5 30616+903 4.9白9：可甫03. 57 3De

23、-00 3 4.旺引己如日m 4 03556+905 5.72364003 m. *日&哭hs日m m.w如&境日m .77346+303i+56651003aHBEe-H3B3 1 . B23E-h3B3 1.507051009 1.1904-e-G03 B. 73a0e-H3BE . 57ZBe-H3B 芝.4臼68可甫0艺图3-14改变双缝位置后的三维场强分布图Ansorft CflrpCTiriionRadiation Paltern 2CunlnftCTplaisetwi mMasttu图3-15 (1) f=2.40GHZ改变双缝位置后的平面方向图Cwa Inh图3-15 (2)

24、f=5.80GHZ改变双缝位置后的平面方向图由图3-12和图3-13中可以看出，改变双缝的宽度使天线在2.40GHZ处的带宽有所减小， 中心频率向右偏移；在5.80GHZ处的中心频率没多大改变，但带宽急剧减小。从图3-10(1)和图3-10(2)中可以看出：当频率为2.4GHZ的时候，天线的主辐射方向为 15，此时天线的增益为5.8dB，增益有所下降；当频率5.8GHZ的时候，天线的主辐射方 向为30，此时天线的增益为20dB，增益有所增加。3.4天线的改进方向从上文的探索分析可以得知，因为平行双缝的延伸方向和电流的方向是平行的，所以对 该模型的形状进行调整对微带天线的频率影响不是非常显著。但

25、该模型可以对双缝的位置和 宽带进行调整来获得比较好的激化特性和辐射性能。第四章微带天线的优化设计4.1优化设计的定义优化设计是指Ansoft HFSS软件结合Optimetrics模块在一定的约束条件下，根据某一个特定的优化算法对所设计模型的某些参数进行调整，从所有可能的设计变化中寻找出一个可以满足设计要求的数值。94.2优化设计的步骤1）需要明确设计的要求或者设计的目标；2）根据设计的要求创建初始结构模型、定义设计变量，构造目标函数;3）指定优化算法进行优化。4.3对微带天线的优化设计设计的三个变量a，b对微带天线频带抑制范围和回拨损耗大小的影响都比较明显，接 下来对2个变量进行逐一优化。4

26、.31对决定左边缝隙位置的变量a的优化设置变量。a的优化范围为18mm20mm，优化算法选择SNP，迭代计算次数为15，目标函数取S11的最大值。优化分析结束后，查看优化结果如图所示：图4-1 a优化设计结果的示意图从显示的优化结果可以看出除了第15次迭代计算的目标函数S11绝对值最大，此时 a=18.83mm.4.32对决定右边缝隙位置的变量b的优化设置变量b的优化范围为47.5mm48.5mm，优化算法选择SNP，迭代计算次数为15, 目标函数取S11的最大值。优化分析结束后，查看优化结果如图所示：图4-2 b优化设计结果示意图从显示的优化结果可以看出第7次迭代计算的目标函数S11绝对值最

27、大，对应的优化变 量 b=48.05mm.4.4优化后的微带天线的性能由上述的优化设计结果可知，当a=18.83mm，b=48.05mm时，天线在2.4GHZ5.80GHZ的频 带抑制功能最好。接下来将变量设定为上述优化值，查看天线的各项性能。:=巳小宾5至策_暑图4-4优化后天线的电压驻波比图4-3和图4-4中可以看出了该天线的回波损耗（S11）随频率的变化曲线，可以看出 天线在2.4GHz2.6GHz，5.6GHz6.0GHz具有良好的阻抗匹配，符合微带无线通信的应用 频段。第五章结束语本文所设计的微带天线采用平行非对称双缝结构，来实现天线的双频工作特性，并考察 分析了双缝的位置和宽度对天

28、线的整体性能的影响。通过利用Ansoft HFSS软件对天线进行 仿真分析可以得出，在天线的相对带宽满足了宽度天线的工作指标要求，改变天线双缝的宽 度对天线的整体性能具有一定的影响，但是双缝的宽带为2mm的时候，天线已经具有较好 的性能了，但是改变双缝位置对天线的整体性能具有较大的影响。因此选择通过改变天线双 缝的位置，使天线能够更好的满足天线设计指标的要求。经过优化天线的整体性能有较大的 提高，更好的满足天线的设计要求。本文所设计的天线结构简单，易于工业生产，且天线的工作性能良好，在天线工程中具 有一定的使用价值。致谢大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我

29、的 同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。该设计是在余燕忠老师的细心指导下顺利完成的，余老师工作严谨细致、循循善诱的 教导，在整个设计的过程中为我们提供了巨大的帮助，让本人少走了许多弯路，使整个设计 过程顺利了许多。还要感谢同组的其他同学在天线设计方面对我的帮助和支持。正是有了他 们的帮助让我毕业设计做得更加完美。在此谨向他们表示衷心的感谢！最后向所有关心和帮助过我的人表示真心的感谢。参考文献马小玲，丁丁.宽频带微带天线技术及其应用M.北京：人民邮电出版社，2006.5-6张磊.应用于WLAN的宽带介质谐振天线和双频微带天线的设计D.大连海事大学.2008.张林中，周东方，牛忠霞.特高频微带天线的尺寸优化N.信息工程学报，2005-6-3(11).21世纪电子网.小型宽度开口缝隙天线设计DB/OL.2010.汪仲清，刘湘梅，邵建兴.一种双频微带天线的设计与分析J.重庆邮电大学学报，2009,21(3):2-3。曹善勇.磁场分析与应用实例M.北京：中国水利水电出版社，2009.21-23.李明洋.HFSS电磁仿真设计详解M.北京：人民邮电出版社，2010.1-2.林昌禄.天线工程手册M.北京：电子工业出版社，2002Anso