wcdma系统小型、宽带微带天线的设计与研制-毕业论文.doc
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1、分 类 号 密 级 U D C 单位代码 10151 WCDMA系统小型、宽带微带天线的设计与研制指导教师职务学位授予单位大连海事大学申请学位级别工学硕士学科与专业通信与信息系统论文完成日期2007年3月论文答辩日期答辩委员会主席The Design and Fabrication of Compact Broadband Microstrip Antenna for the WCDMA SystemA thesis Submitted toDalian Maritime UniversityIn partial fulfillment of the requirements for the
2、degree ofMaster of EngineeringbySun Yu(Communication and Information System)Thesis Supervisor: Professor Luan XiuzhenMarch 2007大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,撰写成硕士学位论文 “ WCDMA系统小型、宽带微带天线的设计与研制” 。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发
3、表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”,同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于: 保密 不保密(请在以上方框内打“” )论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重
4、承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字
5、化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学
6、可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日摘 要近年来,随着个人通信和移动通信技术在世界范围内的迅猛发展,人们对天线设计的小型化和宽频带要求越来越高。微带天线以其体积小、重量轻、结构稳定、剖面低、馈电方式灵活、成本低、易集成等优点得到了越来越广泛的应用。然而微带天线在低频应用时尺寸还是太大,而且微带天线的Q值高,效率低、频带窄,从而限制了微带天线在低频、小型系统中的应用。因此如何减小微带天线在低频应用时的体积、展宽频带成为近年来微带天线的研究热
7、点。WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access 宽带码分多址)是一种由3GPP(第三代移动通信合作项目组)具体制定的,基于GSM/MAP核心网,UTRAN(UMTS陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统,该系统工作频带范围为1920-2170MHz。本文的目标是设计适用于WCDMA系统的小型、宽带微带天线。在广泛参考国内、外参考文献的基础上,本文对微带天线的小型化、宽频带技术进行了较全面的归纳与分析。综合多种小型化和宽频带的设计方法,本文提出了一种新的小型宽频带微带天线结构,该天线是一种三角形贴片天线,采用短路针加载以实现小型化,在贴片上开
8、缝以实现宽频带特性。针对这种天线结构,本文给出了分析方法,利用该分析方法可对天线进行初步的分析和设计,借助于Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS9.2进一步优化可得到性能优良的设计结果。利用该法,本文具体设计了一适用于WCDMA系统的小型宽带微带天线,给出了设计参数,并进行了实际的加工测试。结果表明,HFSS仿真与测试结果基本吻合,天线的中心频率为2GHz,-10dB损耗带宽为350MHz,天线总尺寸为35mm35mm35mm ,能较好地满足WCDMA系统的要求,具有一定的实际应用前景。关键词:小型化;宽频带;微带贴片天线;WCDMA;电磁仿真英 文 摘 要 The Design and F
9、abrication of Compact Broadband Microstrip Antenna for the WCDMA SystemAbstractIn recent years, with the fast development of personal communication and mobile communication in the whole world, there are increasing requirements for the compact and broadband antennas. Microstrip antennas have been app
10、lied more and more widely for their lots of advantages like small size; light weight; steady configuration; low profile; flexible feed manner; few cost; effortless integration and so on. However, microstrip antennas dimensions are also too large in the low-frequency applications and the high Q, low
11、efficiency; narrow bandwidth of microstrip antennas restricts their application in the low-frequency and compact system. Hence, how to realize the antennas miniaturization and broadband in the low-frequency applications has been the research hotspot in recent years.WCDMA (Wideband Code Division Mult
12、iple Access) is a kind of 3G (3rd Generation Mobile Telecommunications System) standard constituted by 3GPP(3rd Generation Partnership Project) based on GSM/MAP net and UTRAN(UMTS Territorial Radio Access Network). Its frequency ranges from 1920 to 2170MHz. The goal of this paper is to design a comp
13、act broadband antenna for the WCDMA system. Based on abroad reference of domestic and overseas literature, the microstrip antennas miniaturization and broadband techniques are concluded and analyzed relatively comprehensively in this paper. After studied many papers, a new compact broadband microstr
14、ip antenna is proposed. It is a triangular patch antenna, which is loaded with a shorting-pin for miniaturization and is embedded two narrow slots on it for wide broadband. A analysis approach for this antenna is given. Using this approach, a initial analysis and design can be obtained. With the hel
15、p of electromagnetic simulation software Ansoft HFSS9.2, good results can be obtained by further optimization .Using this approach, a compact and broadband microstrip antenna is designed for the WCDMA system. The design parameters are given, and the antenna is fabricated and tested. The results show
16、 that the simulation results agree with the tested results very well, the center operating frequency of the antenna is 2GHz, -10dB return loss bandwidth is 350MHz, the total dimension is 35mm35mm35mm. They meet the demands of the WCDMA system very well and this antenna has some good applied foregrou
17、nd.Key Words: Compact; Broadband; Microstrip antenna; WCDMA; Electromagnetic Simulation目 录目 录第1章 绪论11.1选题背景及研究意义11.2微带天线的发展状况31.3 论文的主要工作和内容安排4第2章 微带天线基本理论62.1 微带天线工作原理62.1.1 微带天线的辐射机理62.1.2 微带天线的分析方法72.2 空腔模型理论82.3有限元法132.3.1 建模步骤132.3.2 基本原理142.3.3 有限元方程组的求解18第3章 微带天线的小型化、宽频带技术193.1微带天线的小型化技术193.1
18、.1采用特殊材料基片193.1.2加载技术203.1.3曲流技术213.1.4采用PIF/PIL结构223.2微带天线的宽频带技术233.2.1考虑介质基片的影响233.2.2修改贴片形状243.2.3阻抗匹配技术253.2.4电阻性加载技术263.2.5多模技术263.2.6在贴片或接地板上开窗27第4章 短路针加载理论284.1传输线模型法284.2格林函数314.3 短路针加载矩形贴片天线334.4 短路针加载三角形贴片天线35第5章 小型宽频带微带天线的设计与研制425.1概述425.2天线的设计425.3天线的仿真445.3.1 HFSS仿真软件简介445.3.2 Ansoft HF
19、SS仿真步骤455.3.3 Ansoft HFSS仿真结果475.4天线的制作与测试505.5仿真与测试结果的比较与分析56结 论58参 考 文 献60攻读学位期间公开发表的论文62致 谢63研究生履历64WCDMA系统小型、宽带微带天线的设计与研制第1章 绪论1.1选题背景及研究意义现代电磁学历经三百多年的发展,日臻成熟完善。天线作为实现无线电应用的关键设备,顺应通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展。天线在功能、设计及制造工艺上都发生了巨大的变化。然而微电子技术和大规模集成电路的迅猛发展,使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题日益突出。因此设计出能与设备大小协调
20、的小天线的需求愈加迫切。目前广泛应用于移动通信和个人通信设备中的单极天线和螺旋天线有许多缺点:(1)尺寸大、易损坏,不能集成到设备外壳上;(2)仅有一种极化特性,电气性能差;(3)需要匹配电路,损耗大,成本高;(4)难于屏蔽,人体对天线性能影响较大。与之相比,若采用微带天线则有以下优点:(1)可集成到设备的印制电路板或外壳上,不易损坏,不额外增加设备尺寸;(2)可采用屏蔽技术使天线性能不受人体影响;(3)馈电方式多样,易获得阻抗匹配,不需要匹配电路或平衡转换器;(4)易设计出移动电话使用的双频和多频微带天线。此外,小型化微带天线还可用于PCMCIA通信卡和无线通信解调器中,为笔记本电脑等便携设
21、备提供通信能力。然而遗憾的是,在较低频段(VHF/UHF)中,传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。因此,实用化的小型微带天线的研制,特别是用作第三代移动通信(3G)系统、蓝牙(Bluetooth)系统及全球定位系统(GPS)的天线成为国内外学者研究的热点。随着无线通信技术的高速发展,人们对天线的小型化和宽频带要求日益迫切。基于微带天线的许多优点,如体积小、重量轻、成本低、剖面低、易集成等,而被广泛应用于GSM、GPS、蓝牙、WLAN、3G等现代无线通信系统中。但是,普通微带天线的相对带宽较窄,通常只有0.7%7%左右。这个带宽显然无法满足许多无线通信系统的带宽要求(见表1.1),因此展宽微带天线
22、的带宽具有十分重要的意义。综合来看,低频段的小型宽频带微带天线的研究具有积极的意义和良好的应用前景。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟(ITU)于1985年提出,当时称为未来公众陆地移动通信系统FPLMTS(Future Public Land Mobile Telecommunication System),1996年更名为IMT-2000 (International Mobile Telecommunication -2000)。国际移动通信-2000意即该系统工作在2000MHz频段最高业务速率可达 2000kbit/s 。主要体制有WCDMA,cdma2000和UWC-136。19
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