基于液晶的可调式宽带天线设计

基于液晶的可调式宽带天线设计基于液晶的可调式宽带天线设计基于液晶的可调式宽带天线设计

摘要天线是无线通信系统中非常重要的一个组成部分，它在无线电设备中的主要两个功能是能量转换功能和定向辐射或者接收功能【1】。天线广泛应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空搜索等系统中，总而言之，在无线通信中天线是必不可少的部分。随着科技技术以及信息科技的发展，以前的现代无线通信，卫星通信等等电子设备都在朝着小型化，微型化方向发展，这是因为传统的天线形式和功能在一定程度上已经不能满足电子器件小型化以及高集成度发展的需求，所以现代无线通信系统已经向着天线小尺寸、宽频带、多频段工作等方向不断发展。本次毕业设计主要针对的是宽带天线以及在天线基础上加以液晶材料的应用，对天线各方面的优化影响等等。宽带天线指的是具有较宽带宽的天线，并且宽带天线是新一代移动通信中信号发射、接收的关键射频元件。本次毕业设计基于液晶技术和金属贴片设计兼容多个无线通信频段的天线。天线可以采用液晶基板和金属贴片实现其小型化特性，实现多频段通信天线的小型化、可调要求，并且能够工作在商业通信要求的一个或多个工作频段。本文将以可重构天线以及侧馈矩形微带天线作为基础，并在介质板补充液晶材料，在天线软件HFSS中进行建模仿真分析，得出各种数据，并且制作实际物品进行比较对比，得到更加具体，更加具有信服力的研究结果。关键词：天线，液晶，宽带天线，多频段注：本设计（论文）题目来源于教师的国家级科研项目，项目编号为：。AbstractAntennaisaveryimportantpartofwirelesscommunicationsystem.Itstwomainfunctionsinradioequipmentareenergyconversionfunctionanddirectionalradiationorreceivingfunction(needtociteajournal).Antennaiswidelyusedinradioandtelevision,point-to-pointradiocommunication,radarandspacesearchsystems.Inaword,antennaisanindispensablepartofwirelesscommunication.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandinformationtechnology,theformermodernwirelesscommunication,satellitecommunicationandotherelectronicdevicesaredevelopingtowardsminiaturizationandminiaturization.Thisisbecausethetraditionalantennaformandfunctioncannotmeettheneedsofminiaturizationandhighintegrationofelectronicdevicestoacertainextent,sothemodernwirelesscommunicationsystemhasbeentowardsmallantennasize.Broadband,multi-bandworkandotherdirectionscontinuetodevelop.Thisgraduationprojectismainlyaimedatbroadbandantennaandtheapplicationofliquidcrystalmaterialsonthebasisofantenna,theoptimizationofantennaandsoon.Broadbandantennareferstotheantennawithbroadbandwidth,andbroadbandantennaisthekeyradiofrequencycomponentforsignaltransmissionandreceptioninthenewgenerationmobilecommunication.Thisgraduationprojectisbasedonliquidcrystaltechnologyandmetalpatchdesigncompatiblewithmultiplewirelesscommunicationbandsofantenna.Theantennacanbeminiaturizedbyusingliquidcrystalsubstratesandmetalpatchestoachievetheminiaturizationandadjustablerequirementsofmulti-bandcommunicationantenna,andcanworkinoneormoreworkingbandsrequiredbycommercialcommunication.Inthispaper,reconfigurableantennaandside-fedrectangularmicrostripantennaareusedasthebasis,andliquidcrystalmaterialisaddedtothedielectricplate.ModelingandsimulationanalysisiscarriedoutinHFSSsoftware.Variousdataareobtained,andtheactualitemsarecomparedandcomparedtoobtainmorespecificandconvincingresearchresults.Keywords:antenna,liquidcrystal,broadbandantenna,multi-band，simulation1绪论1.1课题背景及研究意义液晶材料一般是指在一定温度下既有液体的流动性又有晶体的各向异性的一类有机化合物，介于固态晶体的三维有序和无规则液态之间的一种中间相态，又称作介晶相，是一种取向有序的流体，既具有液体的易流动性，又有晶体的双折射等各向异性的特征。液晶材料是一种高分子材料，分子间作用力比固体弱，容易呈现各种状态，微小的外部能量如电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变，从而引起它的光、电、磁的物理性质发生变化。比如液晶材料用于显示器件就是利用它的光学性质变化。而我们在本次毕业设计中所用到的是电调谐液晶材料，电调谐液晶材料是一种介电常数可通过外加偏置电压控制而连续变化的材料，其介电特性持续可变、介质损耗低等特性使其在微波等领域的工程应用具有很大的应用前景，以电调谐液晶材料用于天线的设计中是可行的一个手段。天线是一种电磁能量转换装置，在发射端能将传输线中的行波转换为电磁波向空间辐射，在接收端则能将空间电磁波转换为传输线中的行波，从而在任意两端之间实现电磁信号的传递，可以被看做是无线通信中的“眼睛”，是无线通信系统中不可或缺的重要基本部件，其性能的差异决定着这一通信设备可工作频带的范围，在整个通信链路中起着至关重要的作用。根据资料的了解，天线现如今广泛应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统中。天线的工作环境也是多种多样，通常是在空气以及外层空间中工作，也可以在水下运作，甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。当前，在科技技术以及信息科技的迅速发展之下，以前的现代无线通信，卫星通信等等电子设备都在朝着小型化，微型化方向发展，这是因为传统的天线形式和功能在一定程度上已经不能满足电子器件小型化以及高集成度发展的需求，所以现代无线通信系统已经向着天线小尺寸、宽频带、多频段工作等方向不断发展。随着手机、蓝牙、WIFI、物联网设备等多种通信频段普及，以及液晶技术进入家用之后，当前利用液晶技术解决宽带、可调天线的灵活设计正处于探索和推广的阶段。基于液晶技术的宽带天线能够设计成可调频段和可穿戴的形式，具有很高的应用价值。宽带天线是具有宽频带的天线，大约在一个倍程以内，天线的方向特性以及阻抗特性都没有显著变化的天线可以称之为宽带天线，比如有圆锥天线、V锤天线、新型天线等等。随着移动通信技术的飞速发展，更新换代也是如此地快速发展，伴随着移动信息的安全性，快速性，容量性等等，人们对于天线的作用要求越来越高，既要节约各种频率段的资源，也要满足带宽的要求，同时对于信息的传递要求高速率，大容量，传统的窄带天线已经无法满足现代无线通信系统的要求，若使用多副天线，以便更好的实现通信任务，则会产生各个天线之间比较严重的互耦效应，将会影响系统的通信质量，安全，宽带天线就能比较好滴解决这个问题。本课题基于液晶技术和金属贴片设计兼容多个无线通信频段的天线。天线可以采用液晶基板和金属贴片实现其小型化特性。宽带天线是新一代移动通信中信号发射、接收的关键射频元件。本设计实现多频段通信天线的小型化、可调要求，并且能够工作在商业通信要求的一个或多个工作频段。1.2国内外相关研究发展1.2.1宽带天线在国内外的研究发展 伴随着各种新型材料以及加工制造技术的日益更新，不断快速地发展，各种类型的天线应运而生，比如介质谐振天线、陶瓷天线、微带天线等等。在天线发展和应用的过程之间，由于天线具有很高的独特性，通常被人们拿来独立研究。宽带天线指的是具有较宽带宽的天线，在宽带天线的研究历史上，它的发展大致可以分为几个阶段：20世纪50年代以前是早期发展的阶段，主要应用的对象是广播电视通信方面的；在20世纪50年代到90年代初，我们可以发现这阶段是宽带天线蓬勃发展的大好时期，在这一阶段科学家提出了多种宽带天线和非频变天线的设计理念，并且在各类通信以及雷达探测方面都得到广泛的应用，取得不错的效果；20世纪90年代则是现代意义上的UWB天线发展的初期，在2002年FCC开放民用的UWB设备使用频段，应用在短距无线通信中的UWB天线的研究设计开始真正地发展起来。直至今日，天线的发展势不可挡，应用无时无刻不在。早期的宽带天线与脉冲天线设计具有多样性。从1886年德国物理学家赫兹在实验室证实了Maxwell方程以来，在无线电应用中扮演能量辐射和接收角色的天线也得到了广泛的研究。在演示的无线电系统中，赫兹使用了一个长度为半个波长的偶极子传送一个火花脉冲并在附近的谐振圆环内进行检测，该实验中所用到的天线结构可以被认为是最早被使用的宽带天线。在20世纪30年代，由于宽带信号频率调制方法的发明使无线系统带宽可以达到150KHz以上，在这一阶段，具备高性能、宽频带特性的天线成为研究热点。在1939年Carter对双圆锥偶极天线和圆锥单极天线进行了重新设计并将其用于短波应用，同时又针对原先的天线结构进行了调整，使用了一种渐变式的馈电方法，这也是天线设计历史上首次在传输线和辐射单元之间采用过渡性馈电结构。此后，在天线的发展中，也在设计上通过结合渐变形式馈电来扩展其带宽。随着时代的发展，20世纪70年代，在脉冲雷达技术的发展，则出现了用于针对具有纳秒级宽度时域脉冲的辐射接收的天线，比如采用分布式电阻加载的偶极线天线或双圆锥天线。20世纪90年代以后，随着无线通信技术的不断快速发展，应用在1-10GHz频段内的超宽带天线结构逐渐向平面化、小型化的趋势发展。宽带天线的优势在目前来说也是显而易见的。目前，宽带技术是无线通信领域的一个重要发展方向，已经成为了国内外通信界近年来的热点问题和研究方向之一。而宽带技术之所以能达到世界广泛的关注，主要因为其具有以下的多个技术优势：1）传输速率高，这是因为宽带信号的脉冲宽度通常在亚纳秒量级，带宽极宽，宽带信号在频率上我们可以知道是有非常宽的能量谱，因此可以提供很大的系统容量，又因为从信号传播的角度来看，宽带无线电由于能有效减小多径传播的影响，因此可以传输高速率数据。2）处理增益高，宽带天线的极宽带宽可以使系统具有很大的增益，抗窄带干扰能力也强。若能进一步通过采用扩频信号，将会有更强的抗干扰功能。3）多径分辨能力很强，也具有比较强的时间分辨能力，这种功能有利于多径环境下通信和精确定位方面的应用。比如，我们可以了解到，一般的常规无线通信的射频信号大都是为连续信号或者其持续时间远大于多径传播时间，这样的常规无线通信方式会限制通信质量和数据的传输速率。对于宽带天线来说，由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的脉冲且占空比极低，又加上在时间方面上，多径分量是可分离的，这些意味着宽带系统在接收端可以实现多种功能作用，比如实现多径信号的分集接收，降低由于多径干扰造成的性能损失等等。4）提高现有的频谱利用率，因为超宽带信号的发射功率十分低，仅仅相当于一些背景噪声，对其他窄带系统的干扰小，因此可以与窄带通信系统同时运行，具有比较好的共存性，共享频谱资源，这样可以提高频谱利用率。5）隐蔽性好，有利于安全保密通信，这里的隐蔽性能好主要是特指信号在频域中的具有良好的隐蔽性，同时对其他已经存在的无线系统干扰也比较小。6）具有较低的功率损耗，可以大大延长了电源的供电时间，同时减少对人体的某些危害影响。7）利用宽带优势，宽带的优势允许了我们不必采用复杂的调制方法和接收方法，系统实现相对简单，成本较低，而且低复杂度、低成本。宽带系统可以直接利用极窄脉冲来进行信息传输，信号也不用上变频以及功放，因此可以省去射频混频以及功率放大模块，在接收端也可以省去相对应的混频模块，此外，接收时也不需要复杂的时间延时以及相位跟踪环。8）系统容量大。9）穿透能力强，根据实验系统的证明，宽带无线电具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，隔墙成像等功能。10）定位能力强，因为信号的超宽带特性，宽带系统的距离分辨精度是其他系统的成百上千倍。超宽带系统在完成通信的同时还能实现准确定位跟踪，定位与通信功能的融合可以很好地扩展了系统的应用范围。11）系统结构简单，成本低，易数字化。宽带系统可以直接进行调制，接收机利用相关器能直接完成信号检测，因此也就不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等，大大降低系统复杂度，减小收发信机的体积和功能，易于数字化和采用软件无线电技术。目前国内外对扩展天线工作带宽的研究工作也都在有序地进行，我们也可以查阅到很多的关于宽带天线的文献，为了扩展天线的带宽，我们可以增加介质基板厚度、加载寄生贴片、利用耦合馈电等方式来实现扩展带宽的目的。对于现阶段的天线来说，我们可以将天线分成辐射单元和馈电结构两部分，从这两部分我们都可以扩展带宽：1.改变辐射单元以此来扩展带宽，比如通过在金属辐射贴片两侧加载对称两个矩形金属，使天线的带宽被扩展；2.改变其馈电结构来扩展带宽，比如采用L形探针耦合馈电，从而提高天线的阻抗带宽。1.2.2液晶在微波频段的研究发展液晶这种材料的发现，始于1888年，将胆固醇的苯二甲酸或乙酸加热到145度，会发现有白浊稠状液体，在加热到178度，会变成透明液体，冷却下来则有紫色、绿色等不同颜色变化。液晶虽然失去了固态物质的刚性，却获得了液体的易流动性，并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列，形成了一种兼任晶体和液体的部分性质的中间态。近年来液晶材料在宽带，的应用越来越广，其介电特性可持续调谐的特征引起了各方的广泛关注，液晶材料本身作为微波领域方面的新型介质材料，对于其性质功能的研究就是设计基于液晶材料的荷重微波器件的基础，在现阶段，对于微波毫米波频段液晶材料的研究主要有测量各种液晶材料的介电特性、对液晶材料及相关器件进行建模仿真以及分析在各类环境参数因素下对于液晶材料调谐性能的影响等等几个方面。对于国外的研究来说，在2004年，德国达姆施达特工业大学的RolfJakoby教授等学者就提出了采用腔体摄动测定向列相液晶材料高频特性，并得到了两种液晶材料在9GHz和35GHz时的电导率、损耗角正切值等介电参数的温控特性，从而证明了向列相液晶材料拥有宽调谐和低损耗的微波特性，进而论证液晶材料在微波频段可实现温控调谐。2006年，RolfJakoby教授设计了一种液晶集成可调移相器，测量了向列型液晶（5CB）及混晶（MDA-03-2844）在7.4GHz处的三阶交调系数，也证实了其在方法电路中良好的线性度。2015年，英国伦敦大学的学者对液晶微波器件及传播特性进行宽带表征建模分析。对于国内的研究相对来说比较少，如在2014年，哈工大的王石龙等学者就设计了谐振系统对液晶材料的介电常数在小信号进行测量，并利用分块迭代法实现小信号条件下液晶材料的准确数值模拟。1.3论文主要工作及内容安排此次毕业设计主要利用HFSS软件对天线种类，加以液晶的加入进行建模仿真，得到参数数据等验证结果。本论文将会描述电调谐液晶材料的基本资料，会大致地分析选择的天线种类，设计以及仿真步骤，比如可重构天线，侧馈矩形微带天线，并通过制作实物，加以电压的调整，来整合资料分析，对实际结果与仿真结果进行对比，得出误差，进行改进。本次毕业设计的主要内容安排大致如下：第一章：绪论，本章主要介绍了课题的研究背景以及研究意义，介绍了天线，液晶材料的基本资料，并随之扩展，引申到课题的研究，阐述课题所要研究的成果，意义。接下来对课题的宽带天线优点、国内外的发展历程，电调谐液晶材料在国内外的发展历程等做了大致的描述，并以文献，例子作为参考，令人信服，为接下来的天线仿真，实物制作奠定了基础。第二章：对HFSS软件进行简单介绍，功能的要求界面的设置；对我们需要设计的微带天线进行相关理论的阐述，如微带天线的工作原理，辐射特性等等。对于我们接下来的天线设计，模型仿真等都会很大的帮助。第三章：第三章主要着重于介绍微带天线的设计方案，包括了微带天线的馈电方式，模型尺寸，以及在介质板中补充液晶材料后的模型形状等等，并给予仿真分析，分析仿真结果中的参数变化，增益效果等等。第四章：第四章主要针对第三章的天线设计方案进行仿真，先进行微带线特性阻抗仿真，了解其静态的阻抗仿真结果，符合设计方案的馈电结构，再对整体侧馈矩形微带天线的求解扫频仿真，再查看各项性能的参数，分析得出结果，都是能比较好地符合设计要求，第四章的仿真设计也会关系到接下来的实物制作，对于扩充自己的眼界有很大的作用。第五章：第五章将进行实际天线的制作，首先先阐述液晶材料表面锚定的功能以及锚定的方法，即摩擦法。对液晶材料的表面锚定关系着实际天线是否能完成的一个重要前提，本章也将大致讲述实物的制作过程。第六章：第六章为总结与展望，分别提出了论文工作总结以及未来的展望，分析自身的不足之处，保持对科学，科研的敬仰之心。2HFSS软件简介及微带天线相关理论本章将大致介绍天线仿真软件HFSS的各个方面的基础，HFSS是由美国Ansoft公司开发的一款强大的全波三维电磁仿真软件，采用有限元法，计算结果也准确可靠，也是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。采用了标准的Windows图形用户界面，简洁直观；又拥有自动化的设计流程，容易学习，适合新手上手；稳定成熟的自适应网络剖分技术，使之结果准确。在HFSS中，我们只要创建或者导入我们设计的模型，指定或者修改模型的材料属性等等，分配好模型的边界条件和激励方式，定义准确的求解装置，HFSS软件都可以计算出输出用户需要的设计结果，此次介绍将会以软件的基本功能，工作原理，入手，使我们对于这个软件有了比较清晰的认知。对于微带天线的相关理论的认识也是极为重要的，微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出实际的微带天线。微带天线具有质量轻、体积小、易于制作等优点而被广泛应用于个人无线通信中。在本文中，我们可以了解其结构组成、工作原理，辐射特性分析等等，对于我们接下来的天线设计，模型的建模，仿真分析得到的结果进行比较，校对等都有很大的帮助。因此，本章的介绍都是必要也是有助于我们对接下来的研究。2.1HFSS软件功能介绍2.1.1HFSS软件工作界面2.1.1（a）图为HFSS软件的工作界面主菜单栏位于HFSS工作界面的最上方，包含File、Edit、View、Project、Draw、Modeler、HFSS、Tools、Window和Help共10个下拉菜单，这些下拉菜单包含了HFSS的所有操作命令。下面就来简要介绍部分菜单命令的主要功能。File菜单用于管理

HFSS工程设计文件，包括工程文件的新建工程、打开工程、保存以及打印等操作。File下拉菜单包含的所有操作命令如图2.1.1(b)所示。2.1.1(b)图为File菜单的命令窗口View菜单主要包含两部分功能操作，一是用于显示或隐藏工作界面中的子窗口，二是用于更改三维模型窗口中物体模型的显示方式。Edit下拉菜单包含的所有操作命令如图2.1.1(c)所示。前面四个选项都可以打钩，方便我们查看状态栏，项目管理窗口等等。2.1.1(c)图为View菜单窗口Draw菜单主要用于创建基本物体模型（Primitives）的相关操作，Draw下拉菜单包含的操作命令如下图2.1.1(d)所示。2.1.1(d)图为Draw菜单窗口如图所示，在Draw菜单栏中我们可以看到多种模型的命令指示，我们可以按照自己所需创建各种平面，各种立体模型等等。HFSS菜单中我们也可以看到各种命令指示，主要是用于添加和编辑管理与当前设计相关的分析设置操作，包括添加和管理设计变量，设置求解类型、边界条件、端口激励以及数据的后处理操作等等，如图2.1.1(e)。此次介绍的菜单界面都是接下来天线仿真所要用到的菜单，命令指示，剩下的菜单命令指示则不做过多的介绍。2.1.1(e)图为HFSS菜单指令窗口2.1.2HFSS中天线设计过程在HFSS软件中天线的设计流程大致可以分为好几个步骤：首先设置求解类型，对于求解类型，我们一般都选择SolutionType中的DrivenModal，如图2.1.2(a)。2.1.2（a）图为求解类型的种类其次是建立天线结构模型，按照天线尺寸的计算之后我们可以得知每个模型，包括平面，立方体的大小尺寸，模型的创建可在Draw菜单中选择，模型建立之后选择设置边界条件，我们在天线仿真都设置导体的理想边界条件，还有辐射边界条件，在软件中，因为不受实际因素的影响，因此往往仿真得到的数据等结果会比较理想化，除了设置边界条件外，设置激励的方式也是极为重要的，一般都采用波端口激励或者集总端口激励的方式来应用于HFSS中所计算无源、高频结构（如微带、波导和传输线）的天线种类。模型建立好之后，我们就可以设置求解参数，求解频率扫频装置，检查无误后进行分析仿真，仿真结束就可以查看天线的性能，天线的主要性能参数包括了方向图、辐射强度、方向性系数、效率、增益等等。若是得到的参数结果没有达到预期的要求，我们就可以进行优化设计，通过工程树下的Optimetrics选择我们所要优化的变量进行参数扫描分析和优化设计，得到最接近于理想结果的变量。天线性能若满足了设计要求，则仿真设计完成。2.1.2（b）工程树下各个选项2.2微带天线相关理论微带天线是一种在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面又可以采用光刻腐蚀的方法制作成一定形状的金属贴片，可以采用微带线或者同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线也可以分为两种：一种是贴片形状是一细长带条，则可以称之为微带振子天线；另一种是贴片是一个面积单元，则可以被称为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，然后在介质基片的另一面印制出微带线是，缝隙馈电的方式，则可以构成为微带缝隙天线。2.2.1微带天线的工作原理微带天线的工作原理即辐射原理实际上是高频率的电磁泄漏。也就是一个微波电路如果没有被导体给完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。我们可以举个例子，例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射，也可以称之为泄漏。电磁泄漏的大小程度会随频率的变化而变化，当频率较低时，这些部分的电路尺寸就很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高，由于电尺寸的增大，泄漏就会变大。若我们经过特殊的设计，也就是我们可以放大尺寸做成贴片的形状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，这样可以制作成有效的天线。2.2.1（a）矩形微带天线结构2.2.1(b)天线侧视图2.2.1(c)天线俯视图对于矩形微带天线的辐射机理，我们可以用上面的图来进行说明。假设贴片与接地板之间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向与厚度h方向无变化。仅只有沿长度b方向有变化，结构如上图2-2-1（a）。则我们可以认为辐射场是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的。在图2-2-1（b）、（c）中，是将边缘场分解成水平以及垂直分量的图，由于贴片长度b=λ/2，所以两开路段的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的场互相抵消或者会很弱。而水平分量的电场是同相的。该远区辐射主要由该分量场产生。我们可以知道最大的辐射方向在于垂直于贴片的方向。2.2.2微带天线的馈电形式微带天线具有许多种馈电装置形式，但主要分为三类，本文也将大致阐述这三种馈电形式。第一种是微带传输线馈电，第二种是同轴线探针馈电，第三种是耦合馈电。1.微带传输线馈电如图2.2.2（a），微带传输线馈电，也称侧馈的馈线形式是一个导体带，与微带辐射贴片集成在一起，这个导体带一般具有较窄的宽度。微带传输线馈电制作简单，也容易匹配，当然也易于建造模型，虽然有显而易见的优点，但其缺点也是明显，微带传输线馈电会产生更多的表面波和寄生辐射，实际应用中带宽会被限制，一般都是在2～5%。2.2.2（a）微带传输线馈电对于微带传输线的馈电方式，当我们可以确定微带天线的尺寸之后，我们可以先将中心馈电天线辐射贴片同50Ω的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后我们可以在天线辐射贴片与馈线之间接入该阻抗匹配器，从而重新做成天线。微带传输线馈电（侧馈）的形式也可以分为两种，分别为中心馈电，偏心馈电。如图2.2.2（b）,2.2.2（c）。2.2.2（b）中心馈电2.2.2（c）偏心馈电若矩形辐射贴片的场沿某边有变化，那么我们可以清楚地了解到输入阻抗也会随着变化。因此，改动馈电点的位置是获得阻抗匹配的简单的方法。2.同轴线探针馈电同轴线探针馈电也被称之为背馈，这种馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体则接到接地面上。这种同轴馈电的方式也具有显而易见的优点：制造简单，容易匹配等等，同时寄生辐射比较低，但其缺点也是有的，他的带宽比较窄，而且相对来说，建模是有些难度的，尤其介质层比较厚的情况下。若能寻取到正确的馈电点位置，也是可以获得良好的匹配。2.2.2（d）同轴线馈电俯视图2.2.2（e）同轴线馈电侧视图3.耦合馈电耦合馈电的引入是为了解决微带传输线和同轴探针馈电由于自身的不对称性会产生高次模而导致交叉极化的现象，为了克服这些问题，人们引入了传输线耦合馈电以及小孔耦合馈电，如图2.2.2（f）、2.2.2（g）所示。但是我们也可以了解到，小孔耦合馈电是几种馈电方式中最难制造的，而且由具有比较窄的带宽。2.2.2（f）耦合孔馈电2.2.2（g）耦合馈电2.2.3矩形微带天线的特性参数1.微带辐射贴片的尺寸计算微带天线的设计第一步是选择合适的介质基板，我们可以假设介质的介电常数为εr，矩形微带天线的工作频率是f，我们可以用下列的公式来设计出高效率辐射贴片的宽度w，即为：（2.1）在式中，c是光速。在这里，我们对辐射贴片的长度一般选择为λe/2；这里λe导波波长，即为：（2.2）考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L的公式应该为：（2.3）在式中，εe是有效介电常数，△L是等效辐射缝隙长度。他们都可以用下列的式子来计算，即为：（2.4）（2.5）2.辐射场的参数计算正如我们前面所说的一样，既然矩形微带天线可以视作为一段长L为λ/2的低阻抗微带传输线，它的辐射场我们也可以认为是由传输线两端开路处的缝隙所形成的。因此，我们可以将矩形微带天线等效为长w、宽h、间距为L的二次缝隙天线阵。下面我们将依次列举各个方向性函数的公式。单个缝隙天线的方向性函数为：（2.6）从这里我们可以看出，矩形微带天线的辐射场只需要在单缝隙天线的表达式中乘以二元阵的阵因子就可以了。这样，矩形微带天线的方向性函数我们可以表示为：（2.7）但是在工程设计中，其实我们关心较多的是E面（θ=90。）和H面（=90.）的方向图，于是由矩形微带天线的方向性函数我们可以知道E面的方向性函数为：（2.8）又加上我们需要考虑到kh的乘积远远小于1，所以上式又可以近似表示为：（2.9）H面的方向性函数可以表示为：（2.10）3.微带天线的输入导纳若天线的微带馈电方式选择为微带传输线馈电，也就是中心馈电，偏心馈电，即馈电点到辐射贴片边缘拐角处的距离为z，则微带天线的输入导纳可以有下列式子来表示：（2.11）在这个式子里面，Y。是把天线视作传输线时的特性导纳，β是介质中的相位常数，G是辐射电导，B是等效电纳，且有：(2.12)在式子中，我们可以知道I以及B的表达式：（2.13）（2.14）在式子中，Z。我们是把天线视作传输线时的特性阻抗。在一般情况下，G/Y。远远小于1，同样，B/Y。远远小于1.这样，输入导纳的方式又可以简化为：（2.15）在上式中，除了βz=π/2外，该式子均成立。可见，我们选取不同的馈电点位置可以获得不同的输入阻抗。若天线采用同轴线馈电方式，那么假设馈电点在长度L方向上离辐射贴片两端的距离分别为L1和L2，则馈电点的位置的输入导纳值为：（2.16）在这个式子中，Z。=1/Y。是把天线视作为传输线时的特性阻抗：Yw=1/Zw是壁导纳，其值为：（2.17）在同轴线馈电端口处，电抗可以表示为：（2.18）因此我们可以发现，输入阻抗的公式可以表示为:（2.19）同样我们可以看到，移动同轴线馈电点的位置，也就是改变L1和L2，可以使输入阻抗改变，从而获得阻抗匹配。4.方向性参数根据方向性系数的定义，我们可以给出微带天线的方向性系数为：（2.20）2.3本章小结本章主要介绍了HFSS软件的基本情况，如工作界面，设计要求，并对我们接下来进行的微带相关理论也做了大致的阐述，我们可以从本章了解到天线的工作原理，馈电方式，性能参数等等，对于接下来在软件中进行的天线模型有很大的帮助。我们也可以了解到，微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可以应用于几十兆赫兹，相比于常用的微波天线，微带天线也具有以下的优点：1.体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形2.电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化3.易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。3.微带天线设计方案本章主要着重于介绍微带天线的设计方案，包括了微带天线的馈电方式，模型尺寸，以及在介质板中补充液晶材料后的模型形状等等，并给予仿真分析，分析仿真结果中的参数变化，增益效果等等。3.1侧馈矩形微带天线的设计微带天线这个概念首先是由Deschaps于1953年提出来的，经过大约20年左右的不断发展，由Munson和Howell于20世纪70年代初期创造出了实际的微带天线。现在据我们所知的，微带天线的大致模型是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面又可以采用光刻腐蚀的方法制作成一定形状的金属贴片，可以采用微带线或者同轴探针对金属贴片馈电。我们也可以知道，微带天线具有显而易见的优点：质量轻、体积小、易于制作、易于集成，现在已经广泛应用于个人无线通信中。本次设计方案除了采用馈电形式为侧馈的矩形微带天线模型之后，在介质板里面补充的液晶材料也需要进行考虑，与以往的天线模型有所不同。下面我们将一一阐述所涉及的天线步骤流程。3.1.1侧馈矩形微带天线的设计模型使用HFSS设计中心频率为2.25GHz的矩形微带天线，并给予出天线参数。由于液晶材料的添加，故模型的尺寸与未加液晶材料时的天线的尺寸不同，天线馈电方式微带线中心馈电，天线整体结构使用两层材料为FR4-epoxy的基板，并将下层部分挖空作为填充液晶的凹槽，而天线结构以微带电路的形式贴合于上层基板，天线的模型如图3.1.1（a）。3.1.1（a）侧馈矩形天线仿真模型3.1.2微带天线各部件的设计要求天线的介质板使用FR4-epoxy材质的环氧树脂板，其介质的介电常数为εr=4.4。分为上下两层介质板，上层介质板厚度为H，长度为1.5*L0+L1+L2,宽度为2*W0。下层介质板厚度为2*H，其余尺寸跟上层介质板一样，但有部分需要挖槽用来填充液晶材料，如图3.1.2（a）。参考地采用理想薄导体来代替，其长度也为1.5*L0+L1+L2,宽带也为2*W0。3.1.2（a）介质板以及参考地模型粉红色部分为填充的液晶材料，凹槽的尺寸与上层的辐射贴片尺寸一致。辐射贴片贴合于上层介质板的顶面，长度为L0,宽度为W0，也是采用理想薄导体来代替。我们在设计中，微带线馈电的位置选择在辐射贴片的中点，此时我们可以计算出馈电点和辐射贴片边缘的距离为W0/2=18.63mm，再由公式我们就可以就算出此时天线的输入导纳，从而推算出天线的输入阻抗，即为Zin≈130Ω。（3.1）据了解，微带天线的边缘阻抗的范围为100Ω到400Ω，并不符合微波器件通用的50Ω系统，所以我们在设计微带线馈电的矩形微带天线时，可以加上一段1/4波长阻抗转换器，这样可以让微带天线的边缘阻抗与50Ω阻抗达成匹配。如图3-1-1（b）所示为一个1/4波长阻抗转换器。3.1.2（b）1/4波长阻抗转换器我们可以假设天线的边缘阻抗为ZL，微带线特性阻抗为Z0,1/4波长阻抗转换器的特性阻抗为Z1。这样我们可以得知阻抗匹配条件为（3.2）由于微带线特性阻抗为Z0=50Ω，天线的边缘阻抗为ZL=130Ω，所以由公式我们可以得知波长阻抗转换器的特性阻抗为Z1=80.6Ω。特性阻抗为50Ω的微带线对应的宽度应该为W2,长度应为L2,特性阻抗为80.6Ω的1/4波长阻抗转换器的宽度为W1,长度为L1。在仿真实验中，我们会将微带线，1/4波长阻抗转换器以及辐射贴片整合成一个整体。现在给出天线各个部件尺寸的具体参数，如图3.1.2（c）3.1.2（c）各个变量的参数值3.2HFSS对设计天线的建模设计3.2.1仿真建模准备工作自学HFSS天线设计的有关内容，查阅相关书籍和相关文章。比较熟练地掌握HFSS软件的操作，写下制作过程的大概流程：1.基本天线的设计，选择合理尺寸制作微带天线模型，补充液晶材料，并对模型做出进一步的修改。2.仿真模拟，确定天线的最佳工作频率。3.给出S参数，增益图，Smith圆图的结果并进行大致的分析。3.2.2天线设计建模及仿真分析过程1.新建设计工程1）运行HFSS并且新建工程。2）设置求解类型，选择DrivenModal，如图3.2.2（a）。3）设置模型长度单位，选择mm单位，如图3.2.2（b）。3.2.2（a）求解类型3.2.2（b）模型尺寸单位2.添加和定义本地变量在HFSS功能中选择DesignProperties，再点击Add选项，可以添加并且设计我们所要求的变量，如H的参数，如图3.2.2（c）。3.2.2（c）H变量参数的设置最终我们将所有的变量都设置完毕，可以看到，我们将多个变量赋予了数值，单位并且添加到本地变量中。3.2.2（d）各变量的参数值3.开始设计建模1）创建介质基板下层介质板命名为Substrate,所用到的材质为FR4-epoxy，其长度，厚度等尺寸如图3.2.2（e）。3.2.2（e）下层介质板尺寸上层介质板命名为Substrate2,所用到的材质也为FR4-epoxy，尺寸如图3.2.2（f）。3.2.2（f）上层介质板尺寸2）创建辐射贴片将辐射贴片命名为Patch，假设使用的是理想薄导体材料，相关尺寸如图3.2.2（g）。3.2.2（g）辐射贴片尺寸3）创建1/4波长阻抗转换器将1/4波长阻抗转换器命名为Transition,假设使用的也是理想薄导体材料，其相关尺寸如图3.2.2（h）。3.2.2（h）1/4波长阻抗转换器尺寸4）创建50Ω微带传输线50Ω微带传输线命名为Microstrip,材质为理想薄导体，其相关尺寸如图3.2.2（i）。3.2.2（i）50Ω微带传输线尺寸5）创建真空的长方体真空材质的长方体可以命名为Air,它的作用是后续作为一个辐射边界，其相关尺寸如图3.2.2（j）。3.2.2（j）真空材质长方体尺寸6）创建液晶槽将我们所要创建的液晶槽命名为YeJing，其尺寸如图3.2.2（k）,位于辐射贴片的正下方。液晶的介电常数我们可以设置为2.4，其余的材料系数与介质板一致。3.2.2（k）液晶槽尺寸7）合并操作现在我们需要将辐射贴片Patch、1/4波长阻抗转换器Transition、50Ω微带传输线Microstrip合并在一起成为一个材质为理想薄导体的整体。先点Ctrl键，选上这三个矩形面，再点击Modeler功能的Boolean里的Unite,即可将三个矩形面合并为一个整体，即为新生的Patch。8）设置理想边界条件通过点击工程树下的新生的Patch，再在模型创建窗口中右键选择PerfectE,在弹出的窗口中将其命名为PerfE-Patch。如图3.2.2（l）。3.2.2（l）设置边界条件的窗口同理，将下层介质板的底面也设置为理想导体边界条件，命名为PerfE-Sub。9）设置辐射边界条件同理，通过点击工程树下的真空长方体Air,再在模型窗口中右键选择AssignBoundary中的Radiation,并在命名窗口中命名为Rad1。3.2.2（m）辐射边界条件的窗口10)设置波端口激励首先我们需要创建一个端口平面，即为一个矩形面，将其命名为Port，其尺寸如图3.2.2（n）。3.2.2（n）端口平面尺寸其次我们开始设置波端口激励，通过资料了解，Waveport是用Ansoft制作的一个电磁系统与外界进行能量交换的窗口。它是一种典型的传输线型端口，它经常用来设置波导口和同轴线的输出输入端口。它要设置在整个辐射框（吸收边界）的外面，如果在辐射框（吸收边界）内使用这种源的设置，就必须在端口的外边画一反射体（金属底座）以此来确定波的传播方向。通过点击工程树下的端口平面Port，再在模型窗口中右键选择AssignExcitation中的Waveport,其波端口激励设置如图3.2.2（o）。3.2.2（o）波端口激励设置条件3.3本章总结本章主要针对天线模型，设计做了大致的阐述，从天线的类型，馈电方式，尺寸等都做了较详细的介绍，并且也做了相应的阻抗计算，因为液晶材料的加入，天线的设计要求也与以往普通的天线有所不同，通过一个个部件的设计要求的列出，我们对于此次关于液晶的侧馈微带天线的建模都能很好地了解，下一章也将对做好的天线模型进行仿真分析S参数，增益图等，此次的建模也让我明白要细心、要耐心地处理好事情，切勿急躁。4.侧馈矩形微带天线仿真分析4.1微带线特性阻抗仿真4.1.1微带线阻抗仿真模型阻抗仿真模型如图4.1.1（a）。4.1.1（a）微带线特性阻抗仿真模型图此模型我们可以视作是截取第三章的侧馈矩形微带天线模型的一部分，包括上下两层介质板，介质板选用的介质材料为FR4-epoxy，介电常数为4.4，厚度为H=1.6mm,50Ω微带传输线，1/4波长阻抗转换器，还有波端口平面，波端口平面的尺寸则有所改变，并在YZ平面上也设计一个对称的波端口平面，尺寸如图4.1.1（b）。4.1.1（b）波端口平面尺寸4.1.2进行扫频设置以及仿真右键Projectmanager中analysis，addsolutionsetup，工作频率设置为1GHz,然后点击OK。右键setup1，选addfrequencysweep。设置的扫频参数如图4.1.2（a）。4.1.2（a）扫频装置的设置通过检查无误后进行仿真，仿真结束后右键projectmanager中的Results--CreateModalSolutionDataReport--Regularplot，选择Zo。4.1.2（b）图形的设置条件再点击NewReport，生成图形。4.1.2（c）特性阻抗随频率的变化虽然特性阻抗是个相当稳定的属性，但它也会随着频率的升高而有所减小，在这里，我们可以看到其馈电结构符合设计要求。4.2侧馈矩形微带天线仿真分析4.2.1进行求解扫频设置右键Projectmanager中analysis，addsolutionsetup，工作频率设置为2.25GHz,然后点击OK。右键setup1，选addfrequencysweep，进行相应的扫频设置。4.2.1（a）扫频装置的设置4.2.2设计检查设计检查无误后可进行仿真，点击工具栏上的按钮，进行仿真。4.2.2（a）检查窗口4.2.3查看天线仿真后的各种性能1.查看天线信号端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果，可以给出天线的谐振频率。右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择CreateModalSolutionDataReport中的RectangularPlot命令，打开报告设置对话框，如图4.2.3（a），在Category列表框中选择SParameter，在其他两个选项框中分别选择S（P1,P1），dB，然后单击NewReport，生成扫频分析结果。图4.2.3（b）为S11在1.5GHz到3.5GHz的扫频分析结果4.2.3（a）S11报告设置对话框4.2.3（b）S11在1.5GHz到3.5GHz的扫频分析结果从分析结果中可以看出来，天线的谐振频率落在2.25GHz上。正好与我们设计要求的中心频率2.25GHz相符合，S11的最小值约为-11.1751dB，也比较符合设计的要求。2.查看S11的Smith圆图结果操作基本与查看天线信号端口回波损耗的操作步骤一致，只不过最终选择的命令是SmithChart，报告设置对话框的参数设置如图4.2.3（c）。4.2.3（c）SmithChart报告设置对话框生成的Smith圆图结果如图4.2.3（d）。从中我们可以看到2.25GHz时的归一化阻抗为（1.0689+0.5903i），能够达到较好的匹配效果。4.2.3（d）SmithChart圆图曲线3.查看天线在xz、yz截面上的增益方向图如果我们要查看天线的远区场计算结果，首先我们需要定义辐射表面。辐射表面是在球坐标系下定义的。在球坐标系下，xz平面即相当于ψ=00的平面，yz平面就相当于ψ=900的平面。1）定义ψ=00和ψ=900的平面为辐射表面右键单击工程树下的Radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择InsertFarFieldSetup，在选择InfiniteSphere命令，打开对话框，定义辐射表面，输入的参数如图4.2.3（e）。4.2.3（e）对话框参数设置2）查看在xz和yz截面上的增益方向图右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择CreateFarFieldsReport中的RadiationPattern命令，打开报告设置对话框，如图4.2.3（f）在各个选项窗口中选择。4.2.3（f）报告设置对话框生成增益方向图，符合设计要求。4.2.3（g）增益方向图4.查看三维增益方向图1）定义三维立体球面为辐射表面使用和前面相同的操作，参数的赋值如图4.2.3（h）。4.2.3（h）报告设置对话框2）查看三维增益方向图右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择CreateFarFieldsReport中的3DPolarPlot命令，打开报告设置对话框,如图4.2.3（i）设置，在Category列表框中选择Gain，在其他两个选项框中分别选择GainTotal和dB。4.2.3（i）3D报告设置对话框从三维增益方向图中可以看出该侧馈微带天线最大的辐射方向是微带贴片的法向方向，即为z轴正向，最大增益约为3.5dB。4.2.3（j）三维增益图4.3本章小结本章主要针对第三章的天线设计方案进行仿真，先进行微带线特性阻抗仿真，了解其静态的阻抗仿真结果，符合设计方案的馈电结构，再对整体侧馈矩形微带天线的求解扫频仿真，再查看各项性能的参数，分析得出结果，都是能比较好地符合设计要求，此次仿真分析让我对于天线有了更进一步的认识，扩宽自己的眼界。5.液晶的表面锚定及实物天线的制作5.1液晶材料的表面锚定由于液晶材料的物理状态处于晶体和液体之间，所以我们可以知道，液晶分子的取向在一般的环境状态下会处于杂乱无序的状态，我们也可以了解，单个分子的指向矢方向也是随机的，进而影响到液晶材料在宏观上的相对介电常数，从而制约了液晶的调谐度。因此，在实物的制作之中，我们必须对液晶材料进行表面