L型探针馈电的微带天线仿真设计 - 毕业设计

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L型探针馈电的微带天线仿真设计

中文摘要

近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，同时对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。重量轻，剖面低，成本低和易于集成的微带天线，受到大家的广泛的关注。目前微带天线的主要限制还在于天线的狭窄。经过数十年的发展，很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注。

由于L 型探针垂直部分及水平部分和贴片之间产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，使天线频带拓宽或者呈现多频带。这使得L型探针馈电广泛应用于现代移动通信系统中。本文介绍了微带天线的辐射原理及微波射频段电磁波的基本理论及L型探针馈电的微带天线。

文中依据理论分析以及数值计算相结合的方式设计出满足设计需要的微带天线并借助天线设计软件HFSS分析了L型探针水平段和竖直端长度对天线带宽的影响，在最后设计了一副进行仿真优化了的信号频段在3.2~4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。

关键词：微带天线；容感性；L型探针馈电；HFSS仿真

The design and Simulation of antenna with L-shaped probe feed

Absract

In recent years,with the increasing number of mobile communication system,communication equipment developed towards miniaturization direction constantly,and the antenna size, and frequency requirements are also becoming more and more important.Light weight, with low profile,low cost and ease of integration by all of us.The major limitations of microstrip antenna now is the bandwidth of the antenna. After decades of development,a lot of research scholars proposed method to expand the bandwidth of the microstrip patch antenna,which adopts the L-shaped probe feed get a lot of attention.

Because vertical section and of L-shaped probe create inductive reactance and capacitive reactance,and both of them interact to produce resonance, this makes the antenna modern mobile communications system. This paper introduces the radiation principle of microstrip antenna and microwave radio frequency section of the basic theory of electromagnetic wave transmission and the antenna with L-shaped probe feed.

Based on the basic theory of microstrip antenna analysis and numerical calculation design a microstrip antenna meet the design need,and analysis the effect of the size of L-shaped probe on the antenna bandwidth with the aid of with simulation software HFSS.In the final,it designs a microstrip antenna with L-shaped probe feed which the transmission signal frequency band in 3.2~4.4 GHz.

KEY WORD：Microstrip antenna；Should the emotion； L-shaped feed；HFSS simulation

目 录

第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 1

1.1 课题背景及研究意义 ........................................................................................................ 1 1.2 微波天线的研究现状 ........................................................................................................ 1 1.3 Ansoft HFSS软件简介 ..................................................................................................... 2 1.4 论文的主要工作 ................................................................................................................ 2 第二章 微带天线概述 ..................................................................................................................... 3

2.1 微带天线简介 .................................................................................................................... 3 2.2 微带天线主要特性参量 .................................................................................................... 4 2.3 微带天线的辐射机理及馈电方式 .................................................................................... 7

2.3.1 微带天线的辐射机理 ............................................................................................. 7 2.3.2 微带天线的馈电方式 ............................................................................................. 8 2.4 微带天线的分析方法 ........................................................................................................ 8 第三章 L型探针馈电微带天线理论分析 ................................................................................. 10

3.1 L型探针馈电微带天线介绍 .......................................................................................... 10 3.2 微带天线基本模型 .......................................................................................................... 10 第四章 L型探针馈电微带天线的仿真及结果分析 ................................................................. 12

4.1 天线的设计指标 .............................................................................................................. 12 4.2 创建L型探针馈电微带天线模型 ................................................................................. 13

4.2.1 创建天线模型的基本步骤 ................................................................................... 13 4.2.2 创建完成的天线模型 ........................................................................................... 13 4.3 天线模型仿真结果 .......................................................................................................... 15 4.4 L型探针馈电微带天线的优化设计及分析 .................................................................. 16

4.4.1 L型探针馈电微带天线的优化分析 ................................................................... 16 4.4.2 L型探针反馈微带天线的仿真结果分析............................................................ 19

第五章 结论 ................................................................................................................................. 21 参考文献......................................................................................................................................... 22 致谢 ................................................................................................................................................ 23

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

微带天线由于其重量轻、剖面低、成本低廉、设计较灵活，而且易和集成电路等电路相结合等优点得到了越来越广泛的应用，比如无线电通信、电视、广播、导航、雷达、电子对抗、射电天文、遥感等通信系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。天线一般都是具有可逆性的，也就是同一副天线既可用作发射的天线，又可用作接收的天线。根据天线的互易定理同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。微带天线以它的体积小，剖面比较低，便于集成，生产造价低等特性以及良好的性能，受到越来越广泛的关注。在某些通信场合，所用的频段很高，使得传输波长短。为此必须采用一定措施进一步减小微带天线的尺寸。现代移动通信要求天线需要具有宽频带工作的能力。在必须考虑大小，重量，价格，易安装等特性要求，以及应用于符合气体动力外观等因素的飞机、全球定位系统以及卫星的情况下，无线通讯以及移动通讯等诸多高度发展的通信系统中低剖面都是迫切需要的。这是由于低剖面的结构能够适应平贴在任何外观特性的平面或曲面上，易制作，并且具有容易与微波集成电路集成等优点。设计和研究性能优良的频带宽度宽的微带天线是本设计的主要工作。

但是微带天线的主要限制是其带宽的狭窄。现在的努力已经集中到适当的提高天线的带宽上。经过数十年的发展,很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注, 并广泛应用于现代移动通信系统中。基于这种技术, 本文就是从传统的微带贴片天线出发，针对微带天线窄带宽的特点，设计出宽频带特性L型探针馈电微带天线，利用L型探针馈电技术有效解决阻抗带宽较窄的问题。并利用Ansoft公司的HFSS软件对天线的结构和性能进行了仿真分析[1,2,3]。

1.2 微波天线的研究现状

早在1953年G. A. D schamps教授就提出微带贴片天线的概念[4]，但是当时并没有得到足够的重视，在20世纪中叶到60年代只有一些零碎的研究，真正的开始发展和使用是在70年代。直到20世纪80年代后，对敷铜以及敷金的介质基片的光刻技术得到长足的发展，并且研究人员研究出较好的理论模型后引起诸多学者的重视，实际的微带天线才制造出来。在20世纪80年代末90年代初，国内也有这方面的专著出版。从此以后，微带

天线得到了各国天线研究界广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且形成了微波天线中一种独特的天线类型。微带天线一般应用的频率范围是1～50GHz，对于相对特殊的天线频率也会在几十MHz。和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能够适应于任何平面或曲面的外观特性低剖面的结构。(2)易集成，能和大量无源器件、有源器件、电路集成。(3)电性能多样化，易于得到各种极化，对于微带元的设计不同，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内变化。

目前微带天线的研究主要集中在小型化、宽带化、多频段、多极化、分形技术等几个方面[5]。

1.3 Ansoft HFSS软件简介

HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁场仿真软件。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面。场解器实现了精确的自适应；后处理器拥有空前强大的功能，而且电性能的分析能力相比之前的软件得到很大提高，任意形状三维无源结构的电磁场场量和S参数都能得到精确计算[5]。使用HFSS，可以用于计算：(1)远近场辐射问题和基本电磁场数值解的计算；(2)谐振解以及结构的本征模计算；(3)端口阻抗的归一化S参数；(4)端口传输常数和特征阻抗。HFSS软件天线设计功能强大，它可以计算天线参量，如3dB带宽、方向性、增益和远场方向图剖面；绘制天线的极化特性。Ansoft HFSS的界面直观、易于使用且可以用于建立任意三维无源器件模型[6]。创建一个设计包括步骤如下：

1．启动HFSS软件，新建一个工程文件，保存路径必须全英文。

2．设置求解类型，确定如何收敛和激励。HFSS有三种求解类型，终端驱动、模式驱动和本征模。

3．创建结构模型。HFSS三维模型创建能力强大，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可，在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。

4．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。

5．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，查看运行结果，包括增益大小、S参数、辐射方向图、电磁场场分布。 8．进行优化设计得到最优解。

1.4 论文的主要工作

本文根据现代卫星通信下行传输信号频段3.2GHz ~ 4.4GHz频段设计出L型探针馈电

微带天线。具体的内容安排如下：

第一章：绪论，简单介绍了L型探针馈电微带天线研究背景和现状，仿真软件及全文内容安排。

第二章：简单地介绍了微带天线的基本理论，包括:微带天线的工作机理、理论分析方法及理论模型相关的理论。并且介绍了拓宽天线带宽的方法。

第三章：对L型探针馈电微带天线进行介绍，并将它相对于普通天线的优点进行了分析。

第四章：通过Ansoft HFSS对微带天线的结构设计和软件仿真，设计优化及分析，设计了要求中的的微带天线，通过得到的反射系数、方向图及驻波比图与设计要求及理论进行比较，验证仿真的正确性。

第五章：对本文内容作了总结。

第二章 微带天线概述

2.1 微带天线简介

微带天线之中最常见的形式是微带贴片天线，是在七十年代初期研究成功的一种新型天线，如图2.1所示。微带贴片天线是在一个薄介质基上，其中一面附上金属薄层作为接地板，而另一面贴上一定形状的金属导体贴片。微带天线是一种平面天线[7]，微带线或同轴线一类馈线通常被利用来为天线进行馈电，使得激励在接地板与导体贴片之间产生，从而产生了射频电磁场，并且通过接地板与贴片边缘之间的缝隙向外辐射的。它的基片厚度与波长相比相对来说一般很小，因而它能实现平面上的小型化。微带天线与常用的微波天线相比，它有以下一些优点：体积较小，重量轻，低剖面，能与载体共形，它制造简单，成本低；在电器上的特点是可以得到单方向的宽瓣方向图，它的最大辐射方向在平面的法线方向上，易于和微带线路集成起来，易于实现线极化或者圆极化。并且由于不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上，另外微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）。在实际应用系统中，微带贴片天线已大量应用于大约100 MHz- 100 GHz的宽广频域，包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。相同结构的微带天线能组成微带天线阵，从而获得更高的增益以及更大的带宽。所以微带贴片天线越来越得到广泛的应用与重视 [8,9,10]。

图2.1 微带贴片天线

2.2 微带天线主要特性参量

天线的特性参数主要有输入阻抗，极化特性，频带宽度，方向性等。下面就简单介绍一下天线特性参数[11-14]。

1.输入阻抗

天线阻抗简单地讲就是天线在馈电点电压和电流的比值。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同，设计天线时，一个很重要的工作是使天线输入阻抗和标准馈线的特性阻抗匹配。天线与传输线之间的阻抗匹配的好坏将直接影响信号的传输效率,天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率，即实现阻抗匹配。匹配越好，反射越小，驻波系数(VSWR)就越小。

2.极化特性

指一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，电场矢量随着时间变化在空间显示出的轨迹称为天线极化。天线辐射的电磁波的极化形式决定了天线的极化形式。天线的极化可分为线极化天线、椭圆极化天线和圆极化天线。当有地面时，线极化又分为垂直极化和水平极化。圆极化又可以分为右旋圆极化和左旋圆极化。

3.带宽

频率与天线的电参数息息相关，当工作频率偏离设计频率时，天线参数往往会发生变化。天线所规定的电参数在工作频率发生变化时不应超出指定的范围，这里的频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。一般用电压驻波比<2或小于-10dB来定义[15]。

4.方向性

天线的方向性函数是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式；天线的方向图是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形。方向图的主瓣通常为最大辐射波束。主瓣旁边

的几个小的波束叫旁瓣。

5.增益

天线增益是被研究天线在辐射最强方向的辐射强度与各向同性天线（与被研究天线具有同等输入功率）在同一点所产生的最大辐射强度的比值，是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。

G?单位立体角最大辐射功率 (2.2.1)

馈入天线总功率4?天线方向性与天线增益定义略有不同。 GD?单位立体角最大辐射功率 (2.2.2)

总的辐射功率4?由于天线存在损耗，天线的辐射功率比输入功率要小一些，即在数值上天线增益要比天线方向性小。

理想天线能在某一立体角内把全部馈入天线的功率辐射出去，且满足在立体角内均匀分布。在理想情况下，数值上天线增益与天线方向性大小相等。

(2.2.3)

在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度和理想全向天线（此时的效率为100%）的辐射功率密度之比定义为天线的增益。按公式来即

(2.2.4)

6.驻波系数和行波系数

为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数[16]。 传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为

(2.2.5)

传输线模型如图2.2所示，线上每一点的电压为入射波电压与反射波电压的叠加。

图2.2 传输线上的入射波和反射波

驻波系数和反射系数的关系可导出如下

U?z???U??z???U??z???U??z???1???z??? (2.2.6)

故得

(2.2.7)

(2.2.8)

行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即

(2.2.9)

显然：

(2.2.10)

7.效率

效率有天线效率与辐射效率。因为存在损耗以及入射波存在反射，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，如介质中的介质损耗、天线导线中的热损耗等使得馈线的输入功率总有一部分要损耗掉。

为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下： 输入功率：指天线从外部设备得到的功率。 入射功率：指天线从发射机等得到的功率。

辐射功率：指除去损耗，天线把发射机提供的功率辐射出去的功率。 损耗功率：指由于介质、导线或者地电流等而损耗的功率。 反射功率：指反射回来的功率。 根据以上定义，可得到：

(2.2.11)

8.品质因素

微带天线的品质因数包括辐射品质因数、介质损耗品质因数、导体损耗品质因数和表面波损耗品质因数四个部分[17]。它们的关系如下：

(2.2.12)

可表示为

(2.2.13)

式中为辐射缝隙的等效导纳，Z为微带线的特性阻抗。 可以表示成

(2.2.14)

式中为基底的介质角正切值。为基底的磁损耗角正切值。 可以表示成

(2.2.15)

式中是天线的电导率，一般情况下认为，所以对天线总的品质因数的影响非常小。如果天线的表面波较低，也可以忽略不计。那么天线总的品质因数就可近似地表达成

(2.2.16)

9.交叉极化电平

交叉极化电平是用来衡量天线极化纯度的一个量，定义为交叉极化场强幅度与主极化场强度之比的平方，一般用dB表示。

(2.2.17)

2.3 微带天线的辐射机理及馈电方式

2.3.1 微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是由准模传输线、开在地板上的缝隙或贴片产生。图2.3所示的矩形贴片微带天线尺寸为，通常b是半个波长。可以认为辐射元两开路边上的边缘场产生辐射场。将边缘场分解为与接地板相对应的切向和法向分量。由于微带天线中辐射元的长度，所以两个法相分量方向相反。在边射方向上两个分量产生反相的远区场互相抵消。而与接地板平行的切向电场方向是相同的，它们在远区的合成电场在边射方向上相加，在边射方向上得到的辐射场最大。这就是微带天线得到的辐射是单向的原理[18]。

4.2 创建L型探针馈电微带天线模型

4.2.1 创建天线模型的基本步骤

1. 新建工程，点击File菜单中的New按钮，新建一个工程 2. 设置模型单位及设置求解类型 3. 创建介质基片

4. 创建GND及无限地切除部分 5. 创制贴片

6. 创建同轴线、同轴线探针、创建波端口 7. 创建探针、空气 4.2.2 创建完成的天线模型

根据前几章介绍的微带天线的基本原理进行近似计算得出天线的大致尺寸，并通过4.2.1节的步骤完成天线的模型，天线的基本位置参量和尺寸为：介质基片Sub1为Roger RTduroid 5880(tm)材料，起始点位置坐标为X：-20，Y：-20，Z：-20，dX：40mm，dY：40mm，dZ：10mm,按回车键结束。GND起始点位置坐标为X：-20，Y：-20，Z：-20，再输入dX：40，dY：40，dZ：0。贴片patch在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始点位置坐标为X：0，Y：0 ，Z：10，dX：22，dY：22，dZ：0。同轴线coax位置坐标为X：9，Y：0，Z：0，圆柱体半径，dX：1，dY：0，dZ：0，圆柱体高度，dX：0，dY：0，dZ：-3。探针选择pec材料，竖直的探针probe1位置坐标为X：9，Y：0，Z：0，圆柱体半径，dX：0.5，dY：0，dZ：0，圆柱体高度，dX：0，dY：0，dZ：7.8。水平的探针probe2位置坐标为X：9.5，Y：0，Z：7.8，圆柱体半径，dX：0.5，dY：0，dZ：0，圆柱体高度，dX：0，dY：0，dZ：-8。

创建完成的天线模型如图4.1所示：

图4.1 天线模型

创建完成的天线模型正视图如图4.2所示：

图4.2 天线模型正视图

创建完成的天线模型俯视图如图4.3所示：

图4.3 天线模型俯视图

4.3 天线模型仿真结果

天线的中心频率为3.8 GHz，因此设置HFSS的求解频率为3.8 GHz，同时添加1到7GHz的扫频设置，分析天线在1到7GHz频段内的回波损耗或电压驻波比。如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示没有达标，还要添加参数分析并进行优化分析，改变探针横轴和纵轴的长度，以达到良好的天线性能。

仿真得出参数图如图4.4所示：

图4.4 天线参数图

可以从图中看到，在频率3.8GHz附近其的范围不符合天线的技术指标。现就这几个

量进行调整。

4.4 L型探针馈电微带天线的优化设计及分析

4.4.1 L型探针馈电微带天线的优化分析

1. H取值的影响

在天线基本结构不变的情况下，即地板大小、贴片大小、馈电点位置以及所采用的介质相同，与普通探针馈电微带天线相比，L型探针馈电的微带天线性能上的优点主要来自、、，本文将对这些参数做具体分析。

采用L型探针馈电目的是为了抵消普通探针馈电方式下介质层较厚所产生的较大电感，从而使天线达到拓宽天线带宽的目的。我们采用控制变量法，先根据上一节仿真显示的结果，取=9mm， =0.7mm，再对H取不同的值分别对天线进行仿真对比，仿真结果如表4.1所示：

表4.1 H取值的影响

Hmm 11（0.137） 10（0.125） 9（0.112） 8（0.1） 7（0.087） 6（0.075） 5（0.062） 高频点GHz 4.00 4.39 4.36 4.31 4.24 3.95 低频点GHz 3.50 3.49 3.50 3.54 3.51 3.55 绝对带宽GHz 0.50 0.90 0.86 0.77 0.73 0.40 从表4.1数据来看，不是在H取任何值时都能得到较宽的带宽，在、一定的情况下 ，当 H时，采用L型探针馈电对微带天线的带宽改善不大；当H时，采用L型探针馈电对微带天线的带宽有明显的改善。当H=9mm时天线的频带最宽，绝对带宽为0.9GHz，频带较宽。此时天线的参数图为图4.5所示：

图4.5 H=9mm时天线参数图

2.的取值的影响

由于抵消电容的大小与成正比，故带宽与的取值密切相关。天线带宽的高频端主要受的影响，随增大而减小。采用控制变量法，取H=9mm， =0.7mm，对取不同的值进行仿真对比，设为变量，起始值为-11mm，终止值为-3mm，每加1mm仿真一次。仿真结果如图4.6所示：

图4.6取值影响结果图

结果如表4.2所示：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/43q7.html