基于HFSS的蓝牙阵列天线的设计

.PAGE..---可修编.吉林农业大学本科毕业设计题目名称：基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计学生：桦院系：信息技术学院专业年级：电子信息科学与技术2班指导教师：顾洪军职称：讲师2015年5月20日..目录基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计I1前言11.1蓝牙的定义11.2微带天线的定义31.3微带天线的开展31.4阵列天线的定义和优点41.5HFSS仿真软件的介绍41.6微波的定义62天线的根本理论62.1天线的方向图62.2天线的辐射强度72.3天线的方向性系数82.4天线的效率92.5天线的增益92.6天线的输入阻抗102.7天线的极化103微波的根本概念124微带天线的根本理论134.1微带天线的辐射机理134.2微带辐射贴片尺寸估算145阵列天线的根本理论155.1阵列天线的开展155.2阵列天线的分类165.3阵列天线的根本原理165.4直线阵列天线的根本原理176微带阵列天线的设计206.1微带阵列天线单元的设计206.1.1辐射贴片单元的尺寸206.1.2辐射贴片单元的阻抗匹配206.1.3微带线的尺寸216.2微带阵列天线的整体设计23..6.2.1阵元间距确实定236.2.2阵列天线馈电网络的设计246.2.3阵列天线的软件建模267微带阵列天线的软件仿真277.1天线的仿真数据277.2天线的仿真结果分析298结论33参考文献33致34..基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计姓名：桦专业：电子信息科学与技术指导教师：顾洪军摘要：随着科技和经济的快速开展，大量的天线被应用到太空科技、航海和移动通讯等领域，例如：小型化天线、多功能天线和多种实用性天线。蓝牙是信息时代最具代表性的技术之一，主要应用于短距离无线通信。蓝牙技术已经被广泛应用于多种通信领域。蓝牙技术拥有较多的优点，例如：数据的快速传输和较好的信息平安性。微带贴片天线具有尺寸小、重量轻和易于制造等优点。因此，本文就利用微带贴片天线设计出一种1x4单元的微带贴片蓝牙阵列天线。关键词：微带天线；阵列天线；蓝牙TheDesignofPatchArrayAntennaApplyingforBluetoothwithHFSSName：YangHuaMajor:ElectronicinformationofscienceandtechnologyTutor：GuHongjunAbstract:Withtherapiddevelopmentofeconomyandscience,plentyofdemandsofantenna,forexample,miniaturization,multipleservicesandpracticabilityhavebeentakenintoconsiderinspacetechnology,navigationandmobilemunication.Bluetoothisatechnologyofshortdistanceandwirelessmunicationanditisoneofthemostrepresentationaltechnologyofinformationage.Bluetoothhasbeenappliedtovariousindustriesofmunicationwidelyanditiscapableofnumerousadvantages,forexample,fastdatatransmissionandfavorableinformationsafety.Themicrostrippatchantennaiscapableofsmallsize,lightweightanditcanbefabricatedconveniently.Hence,thedesignofthispapertakeadvantageofmicrostrippatchantennatodesigninga1x4elementsBluetootharrayantenna.Keywords:microstripantenna;arrayantenna;Bluetooth..1前言现代社会是一个全球通信业务高速开展的社会，其中的无线移动通信系统尤其受到世界各国的格外关注。无线通信系统不仅在军事上的应用非常广泛，而且其在民用上的应用也是非常的普遍。例如，手机通讯，无线网络，蓝牙传输等领域。天线，作为射频信号到无线信号转化的器件，在无线通信系统中占有至关重要的地位，可以说天线就是各种无线网络沟通交流的信号灯。天线的种类琳琅满目，从简单的偶极子天线，环形天线到缝隙天线，喇叭天线，抛物面天线，阵列天线，每一类天线都有擅于发挥其自身性能的应用场合。微带天线作为一种小型化，多功能化的现代天线越来越受到业界的重视，从20世纪60年代至今，微带天线已经有了大幅度的开展和改良。蓝牙在无线通信系统中的应用非常广泛，作为一种现代科技的技术产物，它令我们的和世界的交流更加方便。本文基于当今世界的开展趋势提出一种应用于蓝牙技术的微带贴片阵列天线，并且通过仿真软件得到根本的设计方法。1.1蓝牙的定义蓝牙是新的信息时代下的一种跨时代的高科技技术，它是一种可以作为短距离信息无线传输的一种科技手段，蓝牙广泛的应用于无线通信的各个行业，例如：手机终端、航海通信、具有短距离的信息传输要求的场合等等。蓝牙是近年来具有跨时代的一种科学技术，因为是应用于无线传输，所以蓝牙本身工作在微波频段，从微波频段的划分上来看，它工作在UHF频段。具体来说，2.4G频段即为蓝牙工作频段。2.4G频段在全球上来说是被各大无线通信组织和企业成认的可以自由使用的没有政府限制的自由频段，所以从这点上看，蓝牙波段选在此频段对于推广围的使用是有非常大的益处的。如今蓝牙由蓝牙技术联盟〔BluetoothSpecialInterestGroup，简称SIG〕管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25,000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE802.15.1，但如今已不再维持该标准。蓝牙技术联盟负责监视蓝牙规的开发，管理认证工程，维护商标权益。制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以"蓝牙设备〞的名义进入市场。蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。[蓝牙的波段为2400–2483.5MHz〔包括防护频带〕。这是全球围无需取得执照〔但并非无管制的〕的工业、科学和医疗用〔ISM〕波段的2.4GHz短距离无线电频段。蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1MHz。蓝牙4.0使用2MHz间距，可容纳40个频道。第一个频道始于2402MHz，每1MHz一个频道，至2480MHz。有了适配跳频〔AdaptiveFrequency-Hopping，简称AFH〕功能，通常每秒跳1600次。最初，高斯频移键控〔Gaussianfrequency-shiftkeying，简称GFSK〕调制是唯一可用的调制方案。然而蓝牙2.0+EDR使得π/4-DQPSK和8DPSK调制在兼容设备中的使用变为可能。运行GFSK的设备据说可以以根底速率〔BasicRate，简称BR〕运行，瞬时速率可达1Mbit/s。增强数据率〔EnhancedDataRate，简称EDR〕一词用于描述π/4-DPSK和8DPSK方案,分别可达2和3Mbit/s。在蓝牙无线电技术中，两种模式〔BR和EDR〕的结合统称为"BR/EDR射频〞蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。一个主设备至多可和同一微微网中的七个从设备通讯。所有设备共享主设备的时钟。分组交换基于主设备定义的、以312.5µs为间隔运行的根底时钟。HFSS这款软件在世界围来说都是比拟好用和实用的，在各种电磁场的新领域，如果设计者想要开发一些电磁方面的东西，比方说各种微波器件，天线等都可以利用这款软件进展辅助设计。因为在理论上来说，一些电磁理论如果用手算的话是非常吃力的，而且有些结果的计算是人力难以完成的，所以当今社会开发了非常多的辅助设计软件，人们在设计相关前沿的东西的话，利用这些软件就可以简单方便的多了。说回天线领域，不仅有HFSS这款知名软件，还有其他非常好用的一些软件，例如FEKO这款软件，这是专门仿真大型天线使用的。还有一款被叫做CST的软件，它在仿真微波器件和小型天线的领域也是非常出色的。还有很多类似的软件，它们都是各有侧重，因此，当今各行各业的应用里面这些软件都发挥了巨大的作用，这如果是放在几十年以前，设计一部天线可以说是需要用几十天，几个月甚至几年，而现在，同样的设计可能也只需要几天吧。两个敏感度和发射功率都较高的1类设备相连接，射程可远高于一般水平的100m，取决于应用所需要的吞吐量。有些设备在开放的环境中的射程能够高达1km甚至更高。蓝牙核心规规定了最小射程，但是技术上的射程是由应用决定、且是无限的。制造商可根据实际的用例调整射程。[蓝牙主设备最多可与一个微微网〔一个采用蓝牙技术的临时计算机网络〕中的七个设备通讯,当然并不是所有设备都能够到达这一最大量。设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备〔比方，一个头戴式耳机如果向手机发起连接请求，它作为连接的发起者，自然就是主设备，但是随后也许会作为从设备运行。〕蓝牙核心规格提供两个或以上的微微网连接以形成分布式网络，让特定的设备在这些微微网中自动同时地分别扮演主和从的角色。数据传输可随时在主设备和其他设备之间进展〔应用极少的播送模式除外〕。主设备可选择要访问的从设备；典型的情况是，它可以在设备之间以轮替的方式快速转换。因为是主设备来选择要访问的从设备，理论上从设备就要在接收槽待命，主设备的负担要比从设备少一些。主设备可以与七个从设备相连接，但是从设备却很难与一个以上的主设备相连。规格对于散射网中的行为要模糊的。1.2微带天线的定义微带天线的提出比拟早，但是获得快速开展还是近30多年的事情。早在50年代就有相关专业人士提出了微带天线的概念，但是受当时科技水平和理论知识的限制，没有得到业界的太多重视，只有简单的零星的一些研究。随着科技水平的不断进步，而且工程上对天线性能的要求不断提高，逐渐引起了人们对微带天线的研究兴趣。微带天线的制作较为容易，这是和它自身的一些特点是有关系的，微带天线一般的体积都非常小，因此可以利用这个特点形成相对于性能多样化的，用途多种类的阵列天线，在民用的相关行业，特别是某些军用上的特殊行业，微带阵列天线受到重视，尤其是军事上一些高科技的雷达天线，各种电子战设备的天线都可以利用微带天线来完成设计。微带天线的制作一般选用一种厚度比拟小的介质基片，这种介质基片的材料属性可以有很多种，比拟常见的就是一种被称为环氧树脂的材料，介质基片的上下两侧安装有金属贴片，把装在上层的金属贴片叫做微带贴片，这就是文章所提出的微带天线的天线面，而把介质基片下层的金属片叫做此天线的接地板，这样设计来看，接地板与天线面共同组成微带贴片天线。天线的工作需要有电能的供应，把这种电能供应叫做馈电，对于微带天线来说，其馈电的形式可以是微带传输线馈电，也可以是同轴线馈电，这两种方式比拟常见。根据介质基片的上层金属贴片的形状和形式，可以把微带天线划分为两种形式。贴片形状与线条相似的天线被称为微带振子天线，贴片形状是有一定形状的单元时被称为微带贴片天线。1.3微带天线的开展随着现代科技的进步和工程上对天线性能要求的提高，微带天线逐渐进入相关领域。尤其是微带天线具备一系列的有点可以满足现代科技和无线通讯系统的要求。微带天线一般具有体积小，轻便，易共形等特点。正是有了这些特点，决定了微带天线更适用于一些特殊的无线通信场合，例如相关的军用通信设备、无线通信、相控阵天线、各种移动通信设备和星载天线。特别的是随着全球信息科技化的快速开展，尤其是近30年的无线通信技术的不断革新，对天线性能的要求不断提高，微带天线的研究也从原始走向成熟。为了适应现代科技的一些要求，天线在诸多方面进展了主要的研究，即减小尺寸，增加带宽，提高增益，增强方向性，智能方向图控制。而未来的无线通信系统将更广泛的使用阵列天线。在军事领域中。阵列天线的使用更加广泛。微带天线进展工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的本钱。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。本局部将对一般的矩形微带天线进展分析讨论，为特殊形状要求的微带天线做好理论分析根底。利用传输线模式分析微带天线是比拟早期的方法，也较简单，其准确度可以满足一般工程设计要求。矩形微带天线的馈电方式根本上分成侧馈和背馈两种。1.4阵列天线的定义和优点微阵列天线就是利用多个天线单元按照一定的规那么排列，并按照理论分析组建阵列天线的馈电网络对整体的阵列天线进展馈电到达阵列天线的作用。阵列天线在提高天线增益，增强天线方向性上面有很显著的作用。可以说阵列天线是一类由不少于两个天线单元规那么或随机排列并通过适当鼓励获得预定辐射特性的特殊天线。就目前天线通信知识和技术的迅速开展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生。阵列天线就是研究的一种方向,所谓阵列天线不是简单的将天线排成我们所熟悉的阵列的样子,而是它的构成是阵列形式的.就发射天线来说,简单的辐射源比方点源,对称振子源是常见的构成阵列天线的辐射源.它们按照直线或者更复杂的形式,根据天线馈电电流,间距,电长度等不同参数来构成阵列,以获取最好的辐射方向性.这就是阵列天线的魅力所在,它可以根据需要来调节辐射的方向性能.由此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线等.随着现代科技的进步和工程上对天线性能要求的提高，微带天线逐渐进入相关领域。尤其是微带天线具备一系列的有点可以满足现代科技和无线通讯系统的要求。微带天线一般具有体积小，轻便，易共形等特点。特别的是随着全球信息科技化的快速开展，尤其是近30年的无线通信技术的不断革新，对天线性能的要求不断提高，微带天线的研究也从原始走向成熟。为了适应现代科技的一些要求，天线在诸多方面进展了主要的研究，即减小尺寸，增加带宽，提高增益，增强方向性，智能方向图控制。而阵列天线可以满足上述要求。因此在当今无线领域的各个行业都把阵列天线看成重中之重。阵列天线的历史悠久，从第二次世界大战上就可以看到阵列天线的初步应用，战争在科技方面有时会带来进步，从那时起，阵列天线越来越受到重视。它是一种利用单一阵元按照一定的排列方式构成的一种可以说是一种集合型天线。一般较为简单的阵列天线有点源阵和线阵。后续的很多种阵列天线都是在此根底上演变而来。本文提出的就是一种直线排列形式的微带阵列天线。1.5HFSS仿真软件的介绍HFSS是一款国际上知名的电磁仿真辅助设计软件。由著名的Ansoft公司研发制作。经过二十多年的开展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频构造设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频构造，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连构造、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计本钱，减少设计周期，增强竞争力。本文利用此款仿真软件对所设计的阵列天线进展了仿真辅助设计，并且得到了有效的数据结果。HFSS能够快速准确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进展容差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配/合成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。AnsoftHFSSv10最重要的新功能就是在PC机〔Windows系统〕上能够利用3GB的存空间，这极有效地拓展了HFSS的仿真计算能力，此外运用HFSSv9.2的用户自定义编程模块〔UDP〕能方便建立各种模型及元件库。同时，具备与AnsoftDesigner、Ne**im动态的特性：通过动态参数化，在RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。Ansoft表示，重复使用第三方CAD模型和EDA幅员的功能，将节省HFSS用户的工程设计时间，使他们能将更多时间用于优化性能。HFSS能进展全面的全叁数化设计，从几何构造、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软体强大的叁数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节省了工程师的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。利用Optimetrics可自动实现最优化和叁数化扫瞄设计，且很容易在桌面上同一工程树中直接访问进入。在优化设计分析技术中增强了敏感性分析和统计分析功能，其利用HFSS叁数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能变化。HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、对话方块、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量缺省来支持个性化叁数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、工程树和文本栏来灵活操作界面命令。另外，通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记录，可以用来定义叁数化几何构造，执行用户分析流程或控制从开场到完毕的整个设计流程。1.6微波的定义微波是指频围为300MHz-3000GHz的电磁波，即波长为1m-0.1mm的电磁波称为微波。微波的低频段接近于超短波，高频靠近红外线，微波根据频段的不同有多种划分方式，二战时期为了工程上应用的方便和的需要，将微波波段的划分用英文字母表示，这种划分方式一直被沿用至今，如表1-1所示，即为微波的一种划分方式：表1-1微波频段的划Table1thedivisionofmicrowaveband波段频率/GHz波段频率/GHzUHFKaLQLSUSMCEXCFXGKu12.4-18RK18-26.52天线的根本理论一般来说，要进入天线的设计领域，首先必须了解能够表征天线的根本性能的参数的一些参数。例如，天线的方向图、天线的辐射强度，天线的方向性系数、天线的效率、天线的输入阻抗和天线的极化等等。在这里就从天线的根本理论入手讲解我所设计的微带阵列天线。2.1天线的方向图完整的天线方向图应该用如图2-1所示的球坐标系下的三维立体方向图来表示，但是在计算机辅助设计之前，三维空间的立体方向图绘制复杂，工程上常用到包含主瓣轴的剖面图来表示，此时方向图需要用到两个相互垂直的剖面，我们将其称为主平面方向图，如图2-1的xz面和yz面。图2-2和图2-3所示就为极坐标系中的电场和功率的主平面方向图。按照半功率电平夹角定义的波速宽度成为半功率波束宽度或者-3dB波束宽度；图2-1〔a〕三维立体方向图Figure1Three-dimensionalpattern图2-1〔b〕电场主平面方向图图2-1〔c〕功率主平面方向Figure2TheelectricfieldpatternofmainplaneFigure3Thepowerfieldpatternofmainplane2.2天线的辐射强度每单位立体角由天线辐射出的功率被称为辐射强度U，单位是瓦立方弧度，辐射强度可以有下式定义：(2.1)式中U天线的辐射强度；S坡印廷幅值。可以看见，与坡印廷的幅值S反比与距离的平方不同，辐射强度U与距离无关。2.3天线的方向性系数天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比，即：(2.2)式中D天线的方向性系数；U天线的辐射强度；Uo天线的平均辐射强度。平均辐射强度U实际上是辐射功率除以球面积，即：22式中U0天线的平均辐射强度。通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向性系数，即;式中D天线的方向性系数；U天线的最大辐射强度；U0天线的平均辐射强度。2.4天线的效率由于天线系统中存在导体损耗、介质损耗等损耗，因此实际辐射到空间的电磁波功率要比发射机送到天线的功率小。天线效率就是表征天线将输入的高频能量转化为无线电波能量的有效程度，定义天线辐射功率和输入功率的比值，假设分别用P1和P2表示天线的输入功率和辐射功率，那么天线的效率定义为：式中天线的辐射效率；Prad天线的辐射功率；Pin天线的输入功率。2.5天线的增益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转化为天线辐射功率的效率，为了更完整的描述天线特性，特以天线的输入功率为基点定义了一个增益。天线增益是表征将输入给它的功率按照特定方向辐射的能力，定义为在一样输入功率下、一样距离的条件下、天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度的比值。设该天线和无方向性天线的输入功率分别为P1和P2，且二者相等，那么该天线的增益G可以由下式计算得出：(2.6)式中G天线的增益；Smax天线的最大辐射方向上的功率密度；So无方向性天线在该方向上的功率密度。比照上述几个根本公式，可以得到：(2.7)式中G天线的增益；D天线的方向性系数；天线的效率。2.6天线的输入阻抗天线一般都是通过馈线和发射机相连的，天线和馈线的连接处被称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗。天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间。这就有一个天线与馈线阻抗匹配的问题，阻抗匹配的程度将直接影响功率传输的效率。在射频微波频段，馈线通常是使用50欧姆的标准阻抗。所以在设计天线时需要尽可能的把天线的输入阻抗设计在50欧姆，在工作频带就可以保证尽可能小的驻波比。天线的输入阻抗取决于天线的构造、工作频率和周围外部环境的影响，仅仅是在少数情况下的时候可以用理论进展严格的计算，所以在工程常采取近似的计算方法或者用实验的方法测量。2.7天线的极化天线的极化通常是指天线辐射电磁波的电场的方向，即时变电场矢量端点的运动轨迹的形状、取向和旋转方向。根据电场矢量端点轨迹呈直线、椭圆和圆形等不同形状，天线极化可以分为线极化、椭圆极化和圆极化，如图2-5所示；对于椭圆极化和圆极化而言，根据其旋转的方向的不同，又可以将极化分为左旋极化和右旋极化两种类型。考察由沿z轴正方向行进的平面波，一般而言，电场同时有x分量和y分量，在确定的z点处电场矢量E作为时间的函数而旋转，假设其端点轨迹为椭圆，那么称为椭圆圆极化波；椭圆圆极化有两种极端情况，一种是电场只有x分量或者只有y分量，此时电场始终沿着x轴方向或者y方向，我们将其称为线性化。二是电场x分量和y分量相等，此时称为圆极化。对于任意方向的椭圆极化波，可以分别用沿着x轴方向和y轴方向的两项线极化分量来描述，如图2-6所示。如果波沿着z轴方向行进，那么x轴方向和y轴方向的电场分量分别为：.(2.8)式中E1沿x轴方向的线极化波幅度；E2沿y轴方向的线极化波幅度；E1为沿x轴方向的线极化波幅度，E2为沿y轴方向的线极化波幅度，为Ey滞后于Ex的相位角。从中我们可以知道假设是E1=0，那么波是沿着y轴方向极化的；假设E2=0，那么波是沿着x轴方向极化的。假设相位角为零且E1=E2，那么波是在如下图的OA方向上轴向线极化的。假设E1=E2且相位角为正负90度，那么波是圆极化的；当相位角为+90时，天线是左旋圆极化的，相位角是-90时，天线是右旋圆极化的。图2-7〔a〕线极化图2-7〔b〕椭圆极化图2-7〔c〕圆极化Figure4LinearpolarizationFigure5EllipticallypolarizedFigure6Circularpolarization在这里引出了轴比这个概念，轴比是一个表征天线极化的参数，其定义为极化椭圆的长轴和短轴的比值。对于线极化波，轴比为无穷大；对于圆极化波，轴比此时等1。图2-7〔d〕极化椭圆Figure7Polarizationellipse3微波的根本概念微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米~1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比般的无线电波频率高，通常也称为"超高频电磁波〞。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的根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，那么会反射微波。微波波长约在1m~0.1mm〔相应频率约为300MHz到300GHz〕之间的电磁波。这段电磁频谱包括分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波等波段。在雷达和常规微波技术中，常用拉丁字母代号表示更细的波段划分。以上关于微波的波长或频率围，是一种传统上的约定。从现代微波技术的开展来看,一般认为短于1毫米的电磁波〔即亚毫米波〕属于微波围，而且是现代微波研究的一个重要领域。从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有一些不同于其他波段的特点。微波在电子学方面的特点表现在它的波长比地球上很多物体和实验室中常用器件的尺寸相对要小很多，或在同一量级。这和人们早已熟悉的普通无线电波不同，因为普通无线电波的波长远大于地球上一般物体的尺寸。当波长远小于物体〔如飞机、船只、火箭、建筑物等〕的尺寸时，微波的特点和几何光学的相似。利用这个特点，在微波波段能制成高方向性的系统〔如抛物面反射器〕。当波长和物体〔如实验室中的无线电设备〕的尺寸有一样量级提供了一系列典型的电磁场边值问题。在物理学方面，分子、原子与核系统所表现的许多共振现象都发生在微波的围，因而微波为探索物质的根本特性提供了有效的研究手段。由于这些特点，微波的产生、放大、发射、接收、传输、控制和测量等一系列技术都不同于其他波段〔见微波电子管、微波测量等〕。微波成为一门技术科学，开场于20世纪30年代。微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志。假设干形式的微波电子管(速调管、磁控管、行波管等)的创造，是另一标志。在第二次世界大战中，微波技术得到飞跃开展。因战争需要，微波研究的焦点集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和开展。至今，微波技术已所取代。固态微波源的开展也促进了微波集成电路的研究。频率不断向更高围推进，仍然是微波研究和开展的一个主要趋势。60年代激光的研究和开展，已越过亚毫米波和红外之间的间隙而深入到可见光的电磁频谱。利用常规微波技术和量子电子学方法，已能产生从微波到光的整个电磁频谱的辐射功率。但在毫米波－红外间隙中的某些频率和频段上，还不能获得足够用于实际系统的相干辐射功率。微波的开展还表现在应用围的扩大。微波的最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、测量、工业检测和交通管理等方面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。射电望远镜、微波加速器等对于物理学、天文学等的研究具有重要意义。毫米波微波技术对控制热核反响的等离子体测量提供了有效的方法。微波遥感已成为研究天体、气象和测量资源勘探等的重要手段。微波在工业生产、农业科学等方面的研究，以及微波在生物学、医学等方面的研究和开展已越来越受到重视〔见微波应用、微波能应用、微波医学应用等〕。4微带天线的根本理论4.1微带天线的辐射机理微带天线是一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面以金属辐射贴片，另一面装有金属薄层的接地板共同构成的天线系统。通过图4-1〔a〕可以对微带天线的作用机理进展说明。图4-1所示为一副矩形微带贴片天线，为了简便分析起见，我们采用传输线模型对其进展研究。辐射贴片的长度为L,近似为半个波长，贴片的宽度为w,天线的工作波长为λ，介质基片的厚度为h。在这里，辐射贴片，介质基片和接地板可以被视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，传输线的两端断开形成开路。因为介质基片的厚度远小于工作波长，从而电场沿着厚度h的方向上根本可以被视为没有变化。此时假设电场沿着贴片的宽度w的方向上也没有变化。故在只考虑主模鼓励的状态下，天线的场构造如图4-1〔b〕所示，可以认为辐射是由天线贴片开路边的边缘所鼓励的。在开路端的电场可以被分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。已经假设辐射贴片的长度为半个波长，因此开路端电场的垂直分量方向相反，水平分量方向一样。故根据图4-1〔b〕可以得出结论：两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相鼓励的两个缝隙，缝隙的宽度为ΔL，且ΔL近似可以等于介质基片厚度h，长度为w,两个缝隙的间距为半个波长，缝隙的电场沿着贴片宽度w方向据均匀分布，电场方向垂直于w方向。所以可以认为天线的辐射场是由等效的两个缝隙所鼓励的。图4-1〔a〕矩形微带天线构造图4-1〔b〕微带天线俯视图Figure8RectangularmicrostripantennastructureFigure9Theplanviewofthemicrostripantenna4.2微带辐射贴片尺寸估算微带天线最重要的参数就是辐射贴片的长度和宽度的选择，不同的工作频段会对应着不同的贴片尺寸，本文所设计的阵列天线需要工作在ISM即2.4G频段，根据上述理论分析和参考相关文献，我们可以得到计算贴片宽度的公式，如式〔4.1〕所示：Wo=〔4.1〕式中辐射贴片的宽度；介质基片的相对介电常数；c真空中的光速;f工作频率。根据公式一，可以设计出高效率的辐射贴片的宽度，对于辐射贴片的长度一般取/2；这里的介质中的工作波长，如式〔4.2〕所示：〔4.2〕式中介质导波波长；介质基片的有效介电常数；c真空中的光速;f工作频率。为了设计出高效的贴片天下线，需要考虑边缘缩短效应，所以实际上的辐射单元长度L可以用式〔4.3〕求出:〔4.3〕式中介质导波波长；介质基片的有效介电常数；c真空中的光速;f工作频率；等效辐射缝隙长度；L辐射贴片长度。根据理论分析和参考文献的经历公式，可以得出有效介电常数和等效缝隙长度的求解公式，即式〔4.4〕和式〔4.5〕：〔4.4〕式中介质基片的相对介电常数；介质基片的有效介电常数；H介质基片的厚度;辐射贴片的宽度。〔4.5〕式中H介质基片的厚度;介质基片的有效介电常数；等效辐射缝隙长度；辐射贴片的宽度。通过上述的五个根本公式就可以根据所需要的工作频段计算出辐射贴片的宽度和长度。5阵列天线的根本理论5.1阵列天线的开展随着现代科技的进步和工程上对天线性能要求的提高，微带天线逐渐进入相关领域。尤其是微带天线具备一系列的有点可以满足现代科技和无线通讯系统的要求。微带天线一般具有体积小，轻便，易共形等特点。特别的是随着全球信息科技化的快速开展，尤其是近30年的无线通信技术的不断革新，对天线性能的要求不断提高，微带天线的研究也从原始走向成熟。为了适应现代科技的一些要求，天线在诸多方面进展了主要的研究，即减小尺寸，增加带宽，提高增益，增强方向性，智能方向图控制。而阵列天线可以满足上述要求。因此在当今无线领域的各个行业都把阵列天线看成重中之重。阵列天线的历史悠久，从第二次世界大战上就可以看到阵列天线的初步应用，战争在科技方面有时会带来进步，从那时起，阵列天线越来越受到重视。它是一种利用单一阵元按照一定的排列方式构成的一种可以说是一种集合型天线。一般较为简单的阵列天线有点源阵和线阵。后续的很多种阵列天线都是在此根底上演变而来。本文提出的就是一种直线排列形式的微带阵列天线。5.2阵列天线的分类按单元排列可分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一直线上的直线阵。线阵的各单元也有不等距排列的，各单元中心也可以不排列在一直线上，例如排列在圆周上。多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列就构成平面阵，假设各单元的中心排列在球面上就构成球面阵。按辐射图形的指向可分为侧射天线阵、端射天线阵和既非侧射又非端射的天线阵。侧射天线阵是最大辐射方向指向阵轴或阵面垂直方向的天线阵。端射天线阵是最大辐射方向指向阵轴方向的天线阵。最大辐射方向指向其他方向的天线阵为既非侧射又非端射的天线阵。按照功能可分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。5.3阵列天线的根本原理阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和〔矢量和〕。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假设一个多元天线阵能分解为几个一样的子阵，那么可利用方向图相乘原理比拟简单地求出天线阵的总方向图。一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘上以子阵为单元天线阵的方向图。这就是方向图相乘原理。一个复杂的线阵可考虑屡次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以一样的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，那么天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。5.4直线阵列天线的根本原理当各个阵元取向一致的排列在一条直线上就构成了直线阵列天线。直线阵列天线中，如果阵元鼓励电流幅度、相邻阵元之间的相位差和阵元间距都相等那么称为均匀直线阵列天线。图5-1N单元的均匀直线阵列天线Figure10UniformlineararrayantennaofNelements如图5-1所示为N个等间距阵元排列在z轴上组成的直线阵列天线，其中Φ为入射波与z轴的夹角，d为阵元间距。选取坐标原点为相位参考点，不计阵元间的互耦作用。假设坐标原点处的天线单元0的相位为零，由图2-7可知天线单元1和天线单元0之间的相差应该为βdcosΦ,依此类推第n个阵元和第0个阵元之间的相位差为βndcosΦ。因此，天线阵的阵因子可以写成：(5.1)式中AF天线的阵因子；N阵元个数；d阵元间距；β相位常数；I天线的鼓励电流；入射波与z轴的夹角。对于均匀直线阵列天线，各阵元的鼓励电流幅度和相邻阵元之间的相位差都相等，假设电流幅度为A0，相邻阵元之间的相位差为α，那么鼓励电流In可以表示为：(5.2)式中In天线的鼓励电流；Ao电流幅度；α相邻阵元之间的相位差。将式2-8代入式2-9可得：(5.3)式中AF天线的阵因子；N阵元个数；d阵元间距；β相位常数；I天线的鼓励电流；入射波与z轴的夹角。定义：(5.4)式中β相位常数；d阵元间距；入射波与z轴的夹角；相位。那么式可以写为：(5.5)式中AF天线的阵因子；相位。Ao电流幅度；两边同乘e后减去8-5式，可得：(5.6)式中AF天线的阵因子；相位。Ao电流幅度；那么：(5.7)式中AF天线的阵因子；Ao电流幅度；相位。如果把相位参考点选在天线阵的几何中心，那么上式阵因子简化为：(5.8)式中AF天线的阵因子；Ao电流幅度；相位。N阵元个数；在a=0时可取到最大值，且其最大值为A0N，因此归一化后阵因子为：(5.9)式中相位。N阵元个数；归一化阵因子。归一化阵因子是a的周期函数，周期为2pi.每个周期有一个函数值为1的最大值和N-2个函数值小于1的极大值。前者相当于方向图的主瓣，后者相当于副瓣。图可见，Φ的取值围为0-180度，代入式8-4可知的变化围为：这个围称为可见区域，只有在这个可见区域中，所对应的才是天线的阵因子。的变化和阵元间距d以及相邻阵元之间的相位差阿尔法有关，只有适宜的d和的值才能获得良好的阵方向图。6微带阵列天线的设计6.1微带阵列天线单元的设计辐射贴片单元的尺寸本文提出的微带阵列天线其设计应该从每一个天线单元入手，因为阵列天线是由多个一样电性能的天线单元排列组合而成，所以在设计阵列天线总体的时候，需从天线单元着手。根据上述的五个根本公式，可以求出所需的单元辐射贴片的宽度和长度，因为蓝牙工作于2.4G频段，故可以得到空气中的波长，本文所选用的介质基片材料为环氧树脂，其相对介电常数=4.4，介质基片的厚度选取H=1.6mm，所以可以得出辐射贴片的宽度为28mm。辐射贴片单元的阻抗匹配本一般而言，微带天线边缘阻抗为100Ω--400Ω，而微波器件的通用阻抗为50Ω系统。所以我们所设计的贴片天线需要与50Ω的馈电系统进展匹配，最常用的匹配方式就是需要在辐射贴片与馈电线间加一段阻抗变换器，根据微波传输线的相关知识，此段阻抗变换器的长度应该为1/4波长。如图3-1所示为1/4波长阻抗变换器示意图。根据微波传输线的知识，阻抗匹配的条件为:(6.1)式中阻抗变换器的特性阻抗；微带天线的边缘阻抗；微带线的特性阻抗。图6-1阻抗变换器Figure11Impedanceconverter根据微波传输线的知识，阻抗匹配的条件为:(6.2)式中阻抗变换器的特性阻抗；微带天线的边缘阻抗；微带线的特性阻抗。所以根据上式可以求出阻抗变换器特性阻抗为80.6Ω。微带线的尺寸我们可以利用一款名为TXLine的微带线尺寸计算软件算出我们所设计的微带线尺寸的具体数值，此款软件对于各种微带传输线的阻抗、宽度、长度都可以进展较为准确的计算，还可以根据不同的介质材料自动设定相关参数。根据厚度为1.6mm的环氧树脂介质基片，可以计算出50Ω的馈线的宽度为2.98mm。特性阻抗为80.6Ω的阻抗变换器的宽度为1.16mm，长度为17.45mm。至此天线单元所需要的尺寸数据都已经求出，整理到表6-1所示：表6-1贴片单元尺寸Table2Chipunitdimensions构造名称变量名变量值〔mm〕辐射贴片长度L28宽度37.26阻抗变换器长度17.45宽度1.1650Ω微带线宽度2.98根据得出的数据资料，利用HFSS仿真软件绘制出微带贴片天线单元的模型示意图，如图6-2所示：图6-2贴片单元建模模型Figure12Patchelementmodel6.2微带阵列天线的整体设计阵元间距确实定本当各阵元取向一致的排列在一条直线上就构成直线阵列天线，如果在直线阵列天线中的阵元鼓励电流幅度，相邻阵元之间的相位差和阵元间距都相等那么成为均匀直线阵列天线。本文提出的阵列天线为一个1x4的均匀直线天线阵列。辐射单元采用上述设计的微带天线单元，去4片贴片单元并排排列在一条直线上，各单元在组阵时，根据阵列天线的根本原理和相关知识可以知道，阵元和阵元间会存在互耦效应，互耦效应的存在会使得天线单元在天线阵列中的方向图与孤立阵元的方向图不同，并且会导致二者的输入阻抗也不一样。所以，互耦效应会对天线的整体性能造成不小的影响。互耦效应效应的大小取决于阵元间距的大小，一般来说，阵元间距越大，互耦效应就越小，阵元间距越小，其互耦效应就越大。最正确的阵元间距会使天线的互耦效应到达最小的状态。根据阵列天线的研究，阵元间距一般取为0.6-0.8个自由空间的工作波长，此时可以将阵元间的互耦效应降到最低。由此可得本设计中的阵元间距为0.7个自由空间的工作波长，如图3-3所示为阵元间距的示意图：图6-3阵元间距示意图Figure13Elementspacingschematic阵列天线馈电网络的设计阵列天线的馈电网络在整个天线系统中起着至关重要的作用，因为本文所设计的是均匀直线阵列天线，所以要求每个阵元的鼓励电流幅度和相位始终保持相等。故阵列天线的馈电系统网络从输入端到各个阵元间的微带线长度和微带线构造都要保持完全一样。这样就可以保证输入信号经过输入端到各个阵元的幅度和相位保持一样。因为天线系统的匹配阻抗为50Ω，所以阵列天线的馈电网络也要和匹配网络相结合，为了到达阻抗匹配的目的，必须对馈电网络的各个局部进展阻抗计算和设计，如图3-4所示为本文中所设计的阵列天线馈电网络。通过前面的分析和仿真软件的建模分析我们知道阵元的输入阻抗为130Ω，因此，在馈电网络中a1-b1,a2-b2,a3-b3和a4-b4这四段微带线就是1/4波长的阻抗变换器。通过这四条阻抗变换器可以把130Ω的阵单元变换到100Ω，即图中的b1-b2图6-4阵列天线馈电网络Figure14Arrayantennafeednetwork和b3-b4均为100Ω的微带线。图中的c1、c2分别位于b1-b2、b3-b4两段微带线的中点位置，所以c1、c2点处的特征阻抗为两端100Ω的微带线的并联，所以它们的特性阻抗均为50Ω。因此，此时的c1-d1,c2-d2两段微带线也是1/4波长的阻抗变换器；同理，阵元间距已经知道，那么我们就可以知道馈电网络各段的长度，图中e1位于d1-d2的中心位置，而该点处连接着特性阻抗为50Ω的微带线，所以该点处的特性阻抗与微带线一样均为50Ω，即e1-f1为该点引出的馈电线，特性阻抗为50Ω。根据上述结论已经得到各段馈电线的特性阻抗和长度，故可以根据微带线尺寸计算软件得到各段微带线的宽度，在这里把所有馈电网络的相关数据整理到表3-2中，在表6-2中可以很直观的看到馈电网络的具体尺寸和数值。表6-2馈电网路的长宽数据Table6-2Thelengthandwidthofthegridfedroaddata线段名称长度(mm)宽度(mm)a1-b1、a2-b217.451.16a3-b3、a4-b417.451.16c1-d117.451.56c2-d217.451.56d1-d2169.240.64e1-f1172.98b1-b2、b3-b484.240.64在馈电网路中需要注意一些细节，尤其是每段微带线的拐角处，如图6-5所示，一般而言如果拐角处是直角的话，在高频甚至是微波频段时，直角的位置会有大量辐射散出，造成对天线系统的严重干扰，并且会损耗一定的能量。因此为了防止此种状况的发生，并且最大幅度的降低天线的干扰，在馈电网络的拐角处切去一定角度的线段。这样在拐角处就形成了角度过度，这样在高频或微波频段就可以抵抗大量的干扰。故拐角越锋利所造成的干扰越严重，角度越圆滑，造成的干扰就越低。本设计中取拐角处的角度为45°，这样的设计会使实际的辐射干扰大大降低。.图6-5馈电网络拐角防辐射处理Figure14Feednetworkcornerradiationtreatment阵列天线的软件建模根据上述的设计理念和相关数据，利用HFSS软件对微带阵列天线进展了仿真建模，如图6-6所示：图6-6微带阵列天线的仿真模型Figure15Microstriparrayantennassimulationmodel7微带阵列天线的软件仿真7.1天线的仿真数据通过电磁仿真软件的建模仿真，分别得出了贴片单元和阵列天线的仿真数据，包括天线的参数、增益方向图、史密斯原图和三维方向图。如图4-1〔a〕和图4-1〔b〕所示分别为贴片单元和阵列天线的参数图，从中我们可以清楚地得到贴片单元和阵列天线的参数值分别为-24.7dB和-13.5dB。谐振频率分别为2.45G和2.44G-10dB带宽分别为70Mhz和90Mhz。图7-1〔a〕贴片单元的图Figure16S11viewofthepatchunit图7-1〔b〕阵列天线的图Figure17S11viewofthearrayantenna根据HFSS的计算结果可以得到贴片单元和阵列天线的极坐标下的增益方向图，如图7-2〔a〕和图7-2〔b〕所示：图7-2〔a〕贴片单元的增益方向图图7-2〔b〕阵列天线的增益方向图Figure17GainpatternofplacementunitFigure17Gainpatternofarrayantenna从上述两图可以得出单元贴片的最大增益为1.76dB，而阵列天线的最大增益为7.36dB。如下列图7-3〔a〕和图7-3〔b〕分别为贴片单元和阵列天线的史密斯圆图，我们根据结果可以得出贴片单元和阵列天线在谐振频率出的归一化阻抗分别为〔1.15+0.19i〕Ω〕Ω。三维方向图可以更加直观的观察出天线在空间的辐射情况，如下列图7-4〔a〕和图7-4〔b〕所示分别为贴片单元和阵列天线的三维增益方向图。图7-3〔a〕贴片单元的Smith圆图图7-3〔b〕阵列天线的Smith圆图Figure18SmithchartofpatchunitFigure19Smithchartofarrayantenna7.2天线的仿真结果分析据上一小结的天线仿真的数据结果可知，阵列天线谐振于2.44G符合设计要求，可以实现作为蓝牙传输的天线的要求；并且可以看出天线单元的参数趋势比阵列天线的好。从两种增益方向图可以看出阵列天线的最大增益远大于贴片单元的最大增益，近似为贴片单元的4倍，所以可以得出阵列天线在提高天线增益方面具有显著效果。根据史密斯原图可以看出，无论是贴片单元还是阵列天线，在谐振频率处的归一化阻抗都接近于1Ω，所以两者在工作频率都有良好的阻抗匹配。下面分析两者的三维增益方向图，根据两者的数据结果可以明显的看出阵列天线的方向性较好，而单一贴片单元天线比拟接近全向性天线，所以阵列天线更适合用于对方向性有要求的场合，例如对点传输等。图7-4〔a〕贴片单元的三维增益方向图图7-4〔b〕阵列天线的三维增益方Figure20Three-dimensionalgainpatternplacementunitFigure20Three-dimensionalgainpatternarrayantenna图7-5〔a〕阵元驻波比Figure21PicketVSWR图7-5〔b〕阵列天线的驻波比Figure22Arrayantenna’sVSWR如图7-5(a)和图7-5〔b〕所分别为阵元和阵列天线的驻波比，由微波传输线理论我们知道，天线的驻波比越接近于1，天线的性能就越好，辐射效率就越高，由图我们得知，阵元的驻波比为1.1，阵列天线的驻波比为1.4，都非常接近1，所以两种天线都可以说明到达了良好的阻抗匹配；我们还可以根据图7-6〔a〕和图7-6〔b〕所示为阵元天线和阵列天线的阻抗示意图，从中我们可以读出阵元在工作频率为2.45G时的阻抗为(55-3j)Ω