微带天线设计毕业论文.doc

天线CAD大作业

学 院：电子工程学院
专 业：电子信息工程

微带天线设计
一、设计要求：
（1）工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。微波基板介电常数为= 6，厚度H≤5mm，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。
（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。
二、设计步骤
计算天线几何尺寸
微带天线的基板介电常数为= 6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则
（1） 辐射切片的宽度=69.72mm
（2） 有效介电常数=5.33
（3） 辐射缝隙的长度=2.20
（4） 辐射切片的长度=52.10mm
（5） 同轴线馈电的位置L1
=5.20
=14.63mm
三、HFSS设计
（1）微带天线建模概述
为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：

微带天线的HFSS设计模型如下：

立体图 俯视图
模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length表示。
（2） HFSS设计环境概述
＊求解类型：模式驱动求解。
＊建模操作
模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。
‚模型操作：相减操作
＊边界条件和激励
边界条件：理想导体边界、辐射边界。
‚端口激励：集总端口激励。
＊求解设置：
求解频率：1.15GHz。
‚扫频设置:快速扫描，频率范围：1~1.3GHz。
＊Optimetrics
参数扫描分析。
‚优化设计。
＊数据后处理：S参数扫频曲线、VSWR、天线方向图、天线参数。

（3） 仿真结果

由图得天线的谐振频率为1.11GHz，不是1.15GHz。需要进行优化设计。
先进行参数扫描分析
a、 分析中心频率与辐射切片长度L0的变化关系，扫描分析范围为：49mm~54mm,扫描步进为0.2mm

仿真结果：
发现当L0=50mm时，谐振频率为1.15GHz。
b、分析1.15GHz谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：0mm~19mm,扫描步进为1mm

仿真结果：

发现L1=10mm时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。
‚优化设计

优化结果得到：

当L0=49.8mm时，L1=10mm时，符合要求。
ƒ查看优化后的天线性能
a、 VSWR分析结果

在1.15GHz处，VSWR值为1.3832<2,符合要求。
b、 xz和yz截面上的增益方向图

从图得出：最大辐射方向为，即辐射切片的正上方，最大增益约为5.7dB。
c、三维增益方向图

拓展要求：圆极化微带天线设计
一、微带天线实现圆极化的方法
采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片微带天线。圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圆极化波的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。
当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发TM01和TM10两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。在设计中，让辐射切片的长度L和宽带W相等，这样激发的TM01和TM10两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式电场的相位差为0，若辐射切片的长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为Lc+a，另一边长度为Lc-a，前者对应一个容抗Y1=G-jB,后者对应一个感抗Y1=G+jB，只要调整a的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和45度，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线。其极化旋向取决于馈电点的接入位置。当馈电点在如下图中的所示的A点时，产生右旋圆极化波，在B点位置时，产生左旋圆极化波。

Kalio和Coffey研究证明，理论上当L/W=1.029，即a=0.0143Lc，TM01和TM10两个模式的相位差为90度。另外，由实际经验可得到，此结果的50欧姆馈电点位于辐射切片对角线上，且馈电点和辐射切片顶点的距离dp在（0.35~0.39）d之间。假设馈电点到辐射切片的中心距离为L1，则L1在（0.11~0.15）Lc之间。
二、设计要求
工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。微波基板介电常数为= 6，厚度H≤5mm，左旋圆极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等，并给出轴比计算结果。
三、设计步骤
（1）计算天线辐射切片的初始尺寸
微带天线的基板介电常数为= 6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,
辐射切片的宽度=69.72mm
有效介电常数=5.33
辐射缝隙的长度=2.20
辐射切片的长度=52.10mm
则：辐射切片初始尺寸为：L=W=Lc=52.10mm，并设置微调长度值a=0.0143Lc，以产生圆极化波。
（2） 估算输入阻抗为50Ω的同轴线馈电位置
取0.15倍的Lc,计算得出馈电点在x、y方向离辐射切片的中心距离都为7.82mm。
四、 HFSS设计
（1） 微带天线建模概述
为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：

变量H表示基板的厚度，变量L0和W0分别表示辐射切片的长度和宽度，变量L1和L2分别表示同轴线馈电点在x、y方向离辐射切片中心的距离。变量Lc表示谐振频率为1.15GHz时所对应的辐射切片长度值，其初始值为52.10mm，Delta表示辐射切片的微调长度值，其初始值为0.0143*Lc。要想实现圆极化，L0=Lc+Delta,W0=Lc-Delta，馈电位置L1=L2，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length表示。
圆极化微带天线的HFSS设计模型如下：

立体图 俯视图
设计左旋圆极化微带天线，设置同轴线内芯模型Feed的底面圆心坐标和端口面模型Port的圆心坐标为（-L1，-L2，0)。

（2）仿真结果

S11扫频分析结果
由图得天线的谐振频率为1.11GHz，不是1.15GHz。需要进行优化设计。
先进行参数扫描分析
a、分析中心频率与辐射切片长度Lc的变化关系，扫描分析范围为：48mm~51mm,扫描步进为0.2mm

仿真结果：

由图得到，当Lc=50.4mm时，中心频率在1.15GHz，回波损耗最小。
查看当Lc=50.4时，天线的输入阻抗

从图得到：工作频率为1.15GHz，输入阻抗为（75.59，j3.58），需要输入阻抗为50Ω，添加L1为参数扫描变量
b、分析1.15GHz谐振频点处输入阻抗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：5~7mm,扫描步进为0.2mm

仿真结果：
：

发现L1=6mm~6.2mm时，输入阻抗接近50Ω。
‚优化设计

优化结果得到：
当L0=50.38mm时，L1=6.12mm时，符合要求。
ƒ查看优化后的天线性能
a、 S11分析结果

天线的中心频率上S11值为-16.45dB，S11<-10dB的带宽为（1.1735-1.1279）/1.15=3.9%.

b、VSWR分析结果

在1.15GHz处，VSWR值为1.3542<2,符合要求。

c、 轴比扫频结果

在最大辐射方向天线中心频率1.15GHz处的轴比为0.727。

d、 xz和yz面上的左旋圆极化波（LHCP）增益和天线总增益方向图

从图得出：θ在-1200~1200范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等，这也表明了天线辐射的是左旋圆极化波。
d、左旋圆极化三维增益方向图

五、 实验总结
在本次实验中，更加掌握和理解了微带天线的相关基本理论，学习到了微带天线圆极化工作实现原理，同时学习了如何用HFSS设计和分析线极化和圆极化微带天线，感受到了HFSS强大的电磁仿真功能，在以后的日子要认真学习使用HFSS，达到熟练运用HFSS设计分析天线。
六、 参考资料
李明洋，刘敏，HFSS天线设计.第二版.北京：电子工业出版社