微带天线的基本理论和分析方法

目录

摘要 (2)

Abstract (3)

1 绪论 (4)

研究背景及意义 (4)

国内外发展概况 (5)

本文的主要工作 (6)

2 微带天线的基本理论和分析方法 (8)

微带天线的辐射机理 (8)

微带天线的分析方法 (9)

传输线模型理论 (10)

全波分析理论 (13)

微带天线的馈电方式 (14)

微带线馈电 (14)

同轴线馈电 (15)

口径（缝隙）耦合馈电 (15)

本章小结 (16)

3宽带双频双极化微带天线单元的设计 (17)

天线单元的结构 (17)

天线单元的设计 (19)

介质基片的选择 (19)

天线单元各参数的确定 (19)

天线单元的仿真结果 (21)

本章小结 (22)

4 结束语 (23)

参考文献 (24)

致谢 (26)

ku波段双频微带天线的设计

摘要

本文的主要工作是Ku波段宽带双频双极化微带天线研究。在微带天线的基本理论和分析方法的基础上，对微带天线的技术进行了深入的研究，设计了3种不同结构的Ku波段宽带双频微带天线单元，并完成了实验验证。依据传输线模型理论并结合软件仿真分析了3种不同结构的天线单元在天线的带宽、隔离度和增益等性能方面的差异，并作了比较，得出了性能最佳的一种天线单元结构形式。最后，对全文的研究工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。

关键词：Ku波段；双频；传输线模型；微带天线

Abstract

In this paper, broadband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna at Ku band is described. Three kind s o f wideband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna element are proposed and their experimental verifications are completed which based o n the classical theory and a deeper stud y on broadband, dual-frequency and dual-polarization technique of microstrip antenna. From the transmission-line mode theory and simulative results, he bandwidth, isolation and gain characteristics of a microstrip patch element with various structures are analyzed in detail and compared, and an antenna element with the best performance is adopted. Based on the element described, four-element linear array and planar array is designed which adopted anti-phase feeding and dislocation anti-phase feeding technique, respectively. In addition, the technique of anti-phase feeding which suppress cross-polarized is further studied by using the even/odd theoretical analysis. Finally, we summarize the research of the paper with an outlook for the further researches.

Key words: Ku band; dual-frequency; dual-polarized; microstrip antenna

1 绪论

研究背景及意义

近年来，随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务及卫星移动通信的迅猛增长，以往的微波较低频段(300MHz-10GHz)已经变得拥挤不堪，因此卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以满足大信息量的需求。目前，广泛用于Ku 波段的通信天线主要是抛物面天线，然而这种传统的天线体积大、重量沉、造价高而且调整困难。由于物理空间的限制，这种抛物面天线体积过大不能满足某些天线的技术要求，因此天线的小型化迫在眉睫。在某些特殊应用的领域如移动通信方面，要求天线具有隐蔽性好、机动性强的特点，而这种传统的天线尺寸大、机动性差、难与载体共形、容易暴露目标，已不再适应现代卫星通信系统的需求。现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为了满足大容量通信的需求，要求天线具有双极化、多频性及宽带特性。微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、成本低、易与有源器件集成、能与载体共形、易实现双频、极化形式多样性等优点在卫星通信领域备受亲睐[1][2]。传统的卫星通信天线只工作在单一的某个频段内，单一的频段不能实现收发共用。未来的卫星通信需要收发共用一付天线，以处理同步进行接收与发射的两个分离频段的信号，满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用。这需要天线能够实现双频工作，而微带天线易于实现双频或多频工作，能够解决这些问题。因此微带天线的双频或多频技术亦成为重要的研究课题之一。在卫星通信系统中，目标的反射特性、电磁波的传播和信号的接收性能均与波的极化形式有关。天线极化匹配良好与否，系统的效果迥然不同。传统的卫星通信天线很难实现双极化工作，效能概率低，已不再适应现代和未来的卫星通信天线的要求。为了适应卫星通信系统的不断升级，满足大容量通信的需求，有效解决路径衰落问题，减少天线数量、降低天线成本，实现频率复用、极化分集、极化捷变特性，要求天线能实现双极化工作。微带天线易实现双极化或多极

化工作，能有效解决上述问题。

宽带双频双极化微带天线集合了微带天线、双频天线和双极化天线各自的优点，不仅大大提高了天线的各方面性能，而且在很大程度上降低了天线的成本。随着卫星通信技术的发展，对Ku波段宽带双频双极化微带天线的研究就变得十分迫切，同时对我国在新一代卫星通信系统中占据国际有利位置具有重要作用。该项目不仅具有广阔的经济前景，而且对保证国家安全也意义深远。

国内外发展概况

近年来微带天线倍受重视，由于微带天线为平面结构的谐振式天线，因此它具有平面型、小型化的特点。但其工作频带较窄，一般矩形贴片天线的带宽只有5%。因此，如何展宽微带天线的阻抗带宽具有十分重要的实际意义。CamNguyen 等人提出采用不同材料的介质基片、天线加载、采用多层贴片、口径耦合等方式有效地降低了天线的Q值，展宽了频带[3-6]。双频或多频天线能实现收发一体化的要求，和K-L Wong教授等提出采用同一贴片，通过加载或者开缝的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终实现双频工作[7-11]。Zhang-Fa Liu等人提出利用多层贴片结构形成多个谐振器，产生双频或多频段工作特性[12][13]。双极化天线在频率复用、实现大容量通信、收发一体化、极化分集、极化捷变等领域得到了广泛的应用。对于层叠式结构的微带天线，、Wansuk Yun和等人采用在接地板上开正交“H”型、“十”型、“T”型等缝隙的方式实现了双极化工作[14-17]。Ku波段宽带双频双极化微带天线一方面要求天线具有双频特性，且每个频带又要求宽带工作；另一方面要求天线具有双线性极化辐射特性，而且要求具有较高的隔离度和较低的交叉极化电平。因此，Ku波段宽带双频双极化微带天线虽然体积小，但由于要求微带天线同时实现宽频带、双极化、双频特性，具有一定的难度。

在国内，对微带天线的双频双极化技术的研究在引进、消化和吸收外国先进技术的基础上，做了不少自主性的工作。尽管我国的通信技术在近年取得了长足的发展与进步，然而天线的关键技术和产品，主要为国外大公司所拥有，尤其是

双频双极化微带天线技术，基本上大部分被国外公司和研究机构所垄断。目前国内对微带天线的双频双极化技术的研究也主要集中在L波段、S波段、C波段和X波段，研究的单位主要有西安电子科技大学、上海大学、国防科技大学和电子科技大学等高校。这些高校对国外相关双频双极化微带天线技术进行了充分的研究，作了不少改进，并开发出了一些具有自主知识产权的天线。如：上海大学的和等设计了一种用于星载SAR的S/X波段双极化天线阵[18]，在S波段和X波段分别取得了%和17%（VSWR≤2）的相对阻抗带宽。西安电子科技大学的潘雪明、焦永昌等设计了一种槽耦合的双频双极化天线单元[19]，在880MHz～960MHz的GSM 频段和1710MHz～1880MHz的DCS频段上取得的反射损耗均大于10dB。国防科技大学的蔡明娟、刘克诚等提出了一种新型的双频双极化共口径微带天线[20]，天线工作的中心频率分别为(L波段)和(X波段),并用时域有限差分法对微带单元进行了模拟分析。西安电子科技大学的朱艳玲和焦永昌等设计了一种共口径双频双圆极化微带天线[21]，通过工作于主模和高次模的两辐射贴片嵌套实现了双频双圆极化辐射的要求。但是，根据查阅相关数据库的结果，国内对Ku波段宽带双频双极化微带天线的研究刚刚起步，目前还没有相关的文献报道。国外提出的Ku 波段双频双极化天线，都采用多层贴片结构有效地展宽了工作频带，但采用多层贴片增加了天线的成本；两种极化的馈电网络都分布在不同的介质层上，使实现双极化的馈电方式更加复杂且匹配困难，这给天线的调试带来一定的难度。这些天线的缺点限制了微带天线在卫星通信领域的应用潜力。为了适应未来卫星通信系统不断升级的要求，研究结构简单、成本低的宽带双频双极化微带天线迫在眉睫。

本文的主要工作

第一章：绪论。首先介绍了本文的研究背景、意义，其次重点介绍了国内外发展概况及本文的研究内容，最后介绍了本文的结构安排。

第二章：微带天线的基本理论和分析方法。主要介绍了微带天线的辐射机理，微带天线的分析方法，重点介绍了利用经典的传输线模型理论来分析口径耦合微

带天线的方法。最后介绍了微带天线常用的馈电方式。

第三章：宽带双频双极化微带天线单元的设计。主要介绍了实现宽带双频双极化特性的天线单元结构，重点介绍了微带天线单元的设计方法，最后给出了天线单元的仿真结果，并对天线单元进行了比较。

第四章：结束语。对全文的工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。

2 微带天线的基本理论和分析方法

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它

利用微带线或同轴探针等对导体贴片进行馈电，在导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。1972年，芒森和豪威尔等研制成功了第一批实用的微带天线，之后随着基片光刻技术和各种低损耗介质材料的出现，微带天线得到了迅速的发展。至今，如手机、LAN 、蓝牙、卫星通讯、散射通信、多普勒雷达、无线指挥和导弹遥测遥控、便携装置、环境检测仪表和遥感、电子对抗、武器引信、医用微波辐射计等领域己经广泛应用到了微带天线。

11双负媒质已经成为当今电磁学领域，光电子学领域和材料学等领域研

究的热点课题之一。基于双负媒质奇特的性质和研究价值，揭示双负媒质的物理本质和规律是极其有必要和价值的。对双负媒质展开基础性的研究、揭露其基本性质能极大拓展与深化人们对客观世界的认识。双负媒质的应用必将对未来科学技术、经济社会的发展产生极其重大影响。随着技术和经济的发展，在目标探测和目标识别中对信号的信带宽度提出了更高的要求，只有更宽的信带才能携带更多的而且丰富的目标信息，因此宽带计算和快速算法更有必要被提出。利用宽带快速算法对双负媒质散射体快速计算更有必要而且有极其重要的意义。

微带天线的辐射机理

首先来讨论微带天线的辐射机理。微带天线的辐射机理，可通过矩形微带贴

片来说明。如图2-1(a)所示，贴片尺寸为a b ?，介质基片厚度为h ，0h λ<<，0λ为自由空间波长。微带贴片可看作为宽为a 长为b 的一段微带传输线，其终端(a 边)处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取/2m b λ≈,m λ为微带线上波长。于是另一端(a 边)处也呈电压波腹。此时贴片与接地板间的电场分布如图(b)所示。该电场可近似表达为(设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化)。

0cos(/)x E E y b π= (2-1-1)

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效性原理知，窄缝上电

场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为：

^

s M n E =-? (2-1-2)

图2-1 矩形微带天线示意图

式中，^x E x E = ，^x 是x 方向单位矢量；^

n 是缝隙表面(辐射口径)的外法线

方向单位矢量。这些等效磁流的方向已在图2-1上用虚线标出。可以看到，沿两条a 边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向(x 轴)同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条b 边的磁流都由反对称的两个部分构成，它们在xz 面上各处的辐射互相抵消；而两条b 边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在xy 面上各处，它们的场也都相消。在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a 边的辐射相比都相当弱。由以上分析可知，矩形微带天线的辐射主要由沿两条a 边的缝隙产生，该两边称为辐射边。由于接地板的存在,天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流s M 的正镜像。由于0h λ<<，因此它只相当于将磁流s M 加倍，而辐射图形基本不变。 微带天线的分析方法

目前用来对口径耦合微带天线进行理论分析的方法有很多种。最传统的经典

方法是传输线模型（TLM-Transmission Line Model ）理论，主要用于矩形贴。

更严格更有用的是空腔模型（CM-Cavity Model）理论，可用于各种规则贴，但基本上局限于天线厚度远小于波长的情况。计算最复杂的是积分方程法

（IEM-Integral Equation Method）即全波（FW-Full Wave）分析法。从数学方面看，第一种理论把微带线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论可计入第三维的变化，计算时间。被广泛使用的数值分析方法有结合谱域技术的矩量法(MOM)、能解决带及瞬号的时域有限差分法(FDTD)。另外，由于计算机性能的提高以及算对成熟，有限元法(FEM)在天线计算方面也得到了较多的应用。传输线模型空腔模型法是较早出现的比较实用的方法，适合规则形状贴片的分析设计，好满足工程计算的精度要求。但随着现代通信技术的发展，微带天线结构复杂，传统的解析或半解析方法己经不能够胜任，只能借助数值算法。在下文中将重点对传输线模型理论和全波分析理论进行分析讨论。

传输线模型理论

传输线模型理论是利用了微带贴片边缘所引起的电导和电纳关系式，给出了不同传输阻抗的简单解释。口径（缝隙）耦合微带天线结构如图2-2所示，口径耦合微带天线等效电路图如图2-3所示，口径耦合微带天线传输线等效电路图如图2-4所示。

图2-2 口径耦合微带天线结构图

图2-3 口径耦合微带天线等效电路图

图2-4 口径耦合微带天线传输线等效电路图

1）微带贴片输入导纳的计算

图2-3中patch Y 为微带贴片的输入导纳，可由下式计算得到

121/1/1/patch patch Z Y Y Y ==+ (2-2-1)

其中 01101001()tan(),()tan()r open r open G jB jY L Y Y L x Y j G jB L ββ++==++ (2-2-

2)

02202102()tan(),()tan()r open r open G jB jY L Y Y L a L Y j G jB L ββ++==-++ (2-2-3)

式中，0x 为缝隙的位置，0Y 是矩形贴片在宽度为b 时的特性阻抗，β是相移

常数，()r open G jB +是辐射导纳。r G ,open B 的计算公式为：

200

0020001()

0.359011()0.352120601()2120r a a a G a a a

λλλλλπλλ?

(0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)

e e a h l h a h εε++?=-+ (2-2-6) 2）耦合系数的计算

由于接地板上的口径只截获总电流的一部分，因此第一个输入变换器的变换

比1n （口径和贴片的耦合系数），取为这部分电流与总电流之比：

1a L n b

= (2-2-7) 第二个变换器的变换比2n （馈线和口径的耦合系数）由微带馈线上该口径所引入的模电压变化量V ?来计算

20V n V ?= ，其中a l Sa

V E h ds ?=???(2-2-8) 式中，0V 为缝隙电压，a E 为口径电场，l h 为微带线的归一化磁场，a S 为口

径面积。

3）口径导纳的计算

由口径近场的储能所引入的电纳即口径的导纳：

2cot(/2)ap os s a Y j Y L β=- (2-2-9)

4）输入阻抗的计算

把调谐开路微带线s L （特性阻抗为om Z ，波数为m β）的电抗计入，便得到

总的输入阻抗：

22

2

1cot()in om m s patch ap n Z jZ L n Y Y β=-+ (2-2-10)

由公式（2-2-8）和（2-2-10）可知，输入电阻随口径长度a L 增加而增加。

谐振频率主要由21patch ap n Y Y +决定，即当210patch ap n B B +=时发生谐振，则

234patch os s a

b B Z L β≈ (2-2-11) 因此，增大a L 时，patch B 降低，将使谐振频率下降。这说明可以通过调节口

径的尺寸和开路调谐枝节的长度来调节天线的匹配。

全波分析理论

全波分析法也称为积分方程法，通常先求出在特定的边界条件下单位点源所

产生的场即源函数或格林函数，然后根据叠加原理，把它乘以源分布后，在源所在的区域进行积分而得出总场。因为通常源未知，因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程，在解出源分布后再由积分算式来求出总场。

积分方程法不但可用于分析规则形状的薄微带天线，更适用于对各种厚基片

微带天线及微带天线元间的互耦等问题进行分析。该方法首先通过对微带天线各界面上的边界条件和分层媒质中空域并矢格林函数，写成谱域并矢格林函数，建立起关于表面分布电流的积分方程，然后用数值方法如矩量法进行求解，得到表面分布电流后，由此再求出微带天线的输入阻抗与远场和近场分布等参数。对应于所使用的谱域和空域并矢格林函数，该方法又可分为两大类：第一类是谱域分析法（SDA ），即将积分方程和并矢格林函数写成谱域形式并在谱域内求解，这样需要研究面电流的谱域变换式。第二类方法为空域分析法，即将谱域中得到的并矢格林函数进行变换，在空域中求解积分方程，从而不必对电流分布作傅里叶变换，这样更适合于各种不同形状的导体贴片，使其在计算天线的输入阻抗时有一定的优越性。目前，积分方程是应用最广泛、计算结果最精密的方法，但也是计算最费时、对计算机硬件要求最高的计算方法。

无论是传统的传输线理论还是腔模理论，都没有考虑场在与片垂直方向上的

变化，对于多数薄的微带天线来说，这种简化不会带来显著的误差，但对于基片

厚度与波长比不是很小时（/~0.1h λ），这种简化就会引入较大的误差，此外，上述方法对微带片的形状有一定的要求，与之相比，积分方程法将不受到这些限制，应用的范围更为广泛。

微带天线的馈电方式

馈电部分是微带天线的重要组成部分，选择一个恰当合理的馈电方式对压缩

天线的整体尺寸、提高天线的辐射性能和工作带宽以及日后扩展成天线阵列都具有重要意义。特别是对于双频双极化天线，天线输入阻抗的匹配就可由选择恰当的馈电点位置来实现。选择馈电方式需要综合考虑多种因素，最重要的是使辐射结构与馈电结构之间能够有效地传输能量，即两者要阻抗匹配。恰当的馈电方式还有助于降低微带天线的伪辐射和表面波损耗，以及减少旁瓣电平和交叉极化电平。目前对微带天线单元进行馈电的基本方式主要有微带线馈电、同轴线馈电、临近耦合微带馈电、口径耦合微带馈电、共面波导馈电等馈电方式。本节主要介绍目前应用较多的馈电方式。

微带线馈电

微带线馈电是微带馈线与微带贴片共面的一种馈电结构。这种馈电结构具有

制作简单方便的特点。但微带馈线本身也要引起辐射，从而干扰天线的方向图，降低增益。另外，条状微带馈线所引入的附加电容将会产生较大的电抗功率，进而减小天线的工作带宽。为此，一般要求微带馈线宽度w 不能宽，希望w λ<<，这就要求微带天线的特性阻抗c Z 要高些或者基片厚度h 相对较小，介电常数r ε大些。微带馈线可以和微带贴片直接相连，也可以通过伸入贴片内部以获得所需阻抗，天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配可由选择恰当的馈电点位置来实现。馈点位置的改变将使馈线与天线间的耦合发生变化，因而会使谐振频率有一定的漂移，但方向图一般不会受影响，频率的漂移可通过改变微带贴片的尺寸来补偿。

同轴线馈电

同轴线馈电就是将同轴插座安装在介质基板的背面，而同轴线探针接在天线导体上，或者探针通过地面的缝隙，连接微带线或辐射贴片，构成的一种馈电结构。同轴线馈电结构的优点是辐射贴片与馈电部分之间可以实现良好的隔离和屏蔽，从而可以相对独立地设计馈电网络部分和辐射贴片部分，进而改善整个天线系统的性能；馈电点可选在贴片内任意所需位置，便于匹配。这种馈电结构的缺点是需要在介质基片上打孔，并且需要对探针与微带贴片进行焊接，结构不便于集成，制作麻烦。

口径（缝隙）耦合馈电

口径耦合馈电结构最初由提出来的。它是将辐射单元和馈电单元分列于接地板的两侧，在底层的微带馈线通过接地板上的口径耦合能量到上层贴片的一种结构。口径耦合微带天线具有如下优点：①避免了在基片上打孔，便于制作；②辐射贴片和馈电网络分别位于接地板的两侧，彼此之间的干扰被接地板隔离，不仅避免了馈电网络的辐射干扰，而且辐射单元和馈电网络可分别采用低介电常数的厚基片和高介电常数的薄基片来实现各自性能的优化；③容易实现阻抗匹配。口径耦合馈电方式的缺点是需要在接地板上开缝隙，缝隙的位置和尺寸需要精确的控制，不便制作。

在实际设计当中，口径的形状可以有多种选择（如矩形、圆形、十字形、U 形、H形等）。Vivek用实验研究了几种不同形状的口径对耦合量的影响,得出开H形状的口径可以得到比较大的耦合量。等用实验证明开H型口径的微带天线一般可以获得10%(VSWR<2)左右的相对带宽，而且具有良好的交叉极化性能。鉴于H形口径耦合的馈电方式可以获得更大的带宽、可以分别对辐射贴片和馈电网络进行优化设计的优势，本文将选用这种馈电的方式来对微带天线单元和阵列进行设计。

本章小结

本章首先由考察矩形微带贴片入手介绍了微带天线的辐射机理，其次介绍了分析微带天线的方法。应用于分析微带天线的方法很多，本章只介绍本文用于分析和设计微带天线单元所采用的传输线模型理论和用于仿真天线模型的CST软件所采用的全波分析理论。利用传统的分析方法根据技术指标对天线进行分析和设计，结合基于全波技术的电磁场仿真软件对设计的天线模型进行仿真和优化，这大大提高了我们的工作效率。最后介绍了微带天线常用的馈电方式（微带线馈电、同轴线馈电和口径耦合馈电），并且比较了三种馈电方式各自的优缺点。通过比较，本文将选用口径耦合馈电的方式来对微带天线进行设计。在本文中，运用传统的传输线模型理论对双频微带天线单元进析设计。

3宽带双频双极化微带天线单元的设计

现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量

轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为满足收发一体化和大容量通信的需求，还要求天线具有双频及宽带特性。微带天线具有体积小、重量轻、平面结构、能与载体共形、馈电方式和极化形式多样化等诸多优点，在卫星通信领域倍受人们青睐。但微带天线在带宽和双频等方面的性能都难以适应现代卫星通信系统的要求。因此，Ku 波段宽带双频微带天线虽然小型化，但由于要求微带天线同时实现宽频带、双频特性，具有一定的难度。因此，研究出结构简单、体积小、重量轻，具有双极化特性、兼容两个波段，以满足现代Ku 波段卫星通信系统要求的高性能天线是本论文所要解决的问题。

本章所研究的宽带双频微带天线单元用作Ku 波段卫星通信天线阵的阵元。

设定天线的主要设计指标为：工作频带：～;14GHz ～，驻波比≤。

天线单元的结构

微带天线频带较窄的固有缺点限制了它的广泛应用。为了展宽频带有以下途

径：降低等效电路Q 值；附加寄生贴片；采用口径耦合馈电；采用多层结构等。其中，采用口径耦合馈电方式是比较简单实用的方法。耦合口径一般放置于贴片的近中心位置，以使贴片获得最大的耦合量。耦合量由下式表示：

0sin(/)coupling M H dv x L π→→

≈?≈??? (3-1-1) 式中0x 是缝隙与贴片边沿的偏离量，L 是缝隙的长度。可见通过调整耦合缝

隙的长度、缝隙形状、馈线的宽度、馈线开口端的短截线的长度等参数，可以增加贴片的耦合量，改善天线的带宽。

为了研制Ku 波段宽带双频双极化微带天线单元，对微带天线的宽带技术、

双频技术及双极化技术进行了深入的研究。本文综合采用H 形口径耦合馈电技术、插入空气层等方式实现天线的宽频带谐振；采用不同馈电点技术在微带天线

单元中形成双频谐振点；采用微带正交背馈的方式实现了双极化特性。设计的天线单元结构如图3-1所示。

图3-1 天线单元结构图

在该结构中，天线的主体由三层介质板组成。方形辐射贴片倒置于第一层介质板的下面，寄生贴片置于第二层介质板的上面，这样布置使得上层介质板可以起到天线罩的作用。两层介质板之间由空气层隔开，引入空气层以降低微带天线Q值，从而达到增加带宽的目的。第三层介质板上面是开缝接地板，刻有一对H 型缝隙成轴对称结构，且两个H型缝隙呈T字型放置。第三层介质板的下面是馈电网络，馈线由两相互正交的50Ω微带线组成，微带馈线均采用中心正馈的方式，以增强辐射贴片与馈线之间的耦合。

天线单元的设计

天线单元设计的整体思路是：先根据给定的技术指标通过微带天线的经典理

论分析计算，得到天线单元各部分的结构参数，再将这些参数代入仿真软件中建立天线模型，最后把仿真结果与技术指标进行对比分析，反复修改各个参数，再次仿真优化，直到仿真结果满足给定的设计指标为止。

介质基片的选择

介质基片的厚度和材料直接影响到微带天线的带宽、效率。因此，设计微带

天线的第一步是选择合适的介质基片。根据腔模理论，微带贴片天线可等效为一漏波谐振腔，尽管有较强的辐射，但它依然是Q 值较高的谐振系统。对于辐射贴片，为了有效降低微带天线的Q 值，展宽工作频带，尽可能选择介电常数较低、厚度较厚的介质基片；对于馈电网络，选择较薄的基片将有效降低来自馈线的伪辐射，而且能增强介质对波的束缚作用，增大能量耦合效率。因此，在选取介质基片时根据具体应用首先要考虑基片的多个参数：如介电常数r ε、介质厚度h 、损耗角正切tan δ等；其次要考虑介质基片的多种性质：如基片厚度的均匀性、基片随湿度和温度变化的稳定性、基片的抗化学性、拉伸强度及结构强度、柔韧性、抗冲击性、可粘合性等。

在本文中，由于口径耦合馈电方式的优点，辐射贴片和馈电网络可以根据不

同的需求分别选择不同的介质基片。但辐射基片的介质厚度不能太厚，否则容易在贴片天线表面激励起不必要的高次模和伪辐射。综合考虑上述因素，本文中的辐射天线单元采用112.2,1r h mm ε==的聚四氟乙烯板；馈电介质板采用2 3.38r ε=，20.305h mm =的陶瓷碳氢混合物板。

天线单元各参数的确定

由于采用了口径耦合的馈电方式，辐射贴片部分的参数可以根据微带天线的

经典公式来确定，而馈电部分可以采用微带天线的传输线模型理论来确定。 1）辐射贴片尺寸的确定

辐射贴片的尺寸可以根据下列经典公式得出：

1/21()22

r r c a f ε-+= (3-2-1)

2b l =-? (3-2-2) 1/211

10(1)22r r e h a εεε-+-=++

(3-2-3) (0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)

e e a h l h a h εε++?=-+ (3-2-4) 式中c 是光速，r

f 是谐振频率，e ε是等效介电常数，l ?是伸长量。其中a 大

小还影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻、输入阻抗，从而也就影响着频带的宽度和辐射效率。由式(3-2-3)可知：当r ε和h 已知时e ε取决于宽度a ，而单元长度b 的尺寸又取决于e ε，因此a 的尺寸应首先确定。当尺寸a 小于式（3-2-1）的宽度时，辐射贴片的效率将降低，一般在尺寸允许的条件下a 取的适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当尺寸a 大于式（3-2-1）的宽度时将产生高次模，从而引起场的畸变。b 在理论上取二分之一波长，但由于边缘场的影响，b 的值由式（3-2-2）来确定。本文在设计天线的辐射贴片时选择了方形贴片,因为它可以保持良好的双极化对称特性。

2）空气层厚度的确定

通常，空气层的高度取00.1λ。考虑到本文要实现Ku 波段双频段功能，空气

层的高度初步设定为120.10.1c λλλ<<。尽管谐振频率主要由辐射贴片的尺寸决定，但空气层的厚度对天线的谐振点也有一定的影响。一般随着空气层厚度的增加，在其他参数不变的情况下，天线的谐振频率向低端会有较大的偏移。本文空气层厚度的初始参数c λ取 mm 。

3）口径尺寸、馈线及调谐枝节长度的确定

如图3-1中图(c)所示，采用一对H 形口径成轴对称结构。为了实现良好的

实验七 微带贴片天线的设计与仿真

实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型： （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。

HFSS的天线课程设计报告书

. . . . . 图1：微带天线的结构 一、 实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。 ●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、 实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L 、辐射源的 宽度W 、介质层的厚度h 、介质 的相对介电常数r ε和损耗正切 δtan 、 介质层的长度LG 和宽度WG 。图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图2（a ）所示，在长度L 方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

业余无线电 短波便携GP天线

PAC-12 Kit Contents Part Quantity Screws: 8/32 x 3/8” 8 Screws: 8-32 x 5/16” 2 Screw: 8-32 x 1/4” 1 #8 internal tooth washers 8 #8 solder lug ring terminals 6 Bolt: Aluminum, 1/4-20 x 1.5” 1 1/4” internal tooth washer 1 Nut: Aluminum hex, 1/4-20 1 Stainless wing nut, 1/4-20 1 1/4” ring terminals 3 BNC connector 1 BNC mounting plate 1 Wire, PVC insulated stranded 12” Wire, 18AWG enamel copper 1 14 conductor ribbon cable roll 1 Feedpoint insulator PVC tube 1 Feedpoint insulator end caps 2 6” Coil form, PVC 1 3.5” Coil form, PVC 1 Coil form end caps 4 Aluminum Rods 12” 2 Aluminum hex coupling nuts 1 72” telescoping antenna 1 Antenna whip adapter 1 Aluminum ground spike 1 Tools Needed Soldering iron Phillips screwdriver Wire stripper Wrenches, 7/16” and 1/2” Terminal crimp tool Pliers Solder

基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告

.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。

（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名

输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。

微带天线仿真设计(5)讲解

太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师

专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… ……

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与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，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航

基于HFSS的4_24微带阵列天线的研究与设计_惠鹏飞

第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计 惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟 （齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006） 摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研 究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈 电结构的多元矩形微带阵列天线。在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性 良好，工程上实现比较方便。 关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图 中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04 随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1] 。微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。 微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。 1 微带阵列及馈电网络损耗分析 1.1 微带阵列理论 微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。 首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。以阵列的中心为坐标原点，天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n 表示。以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为 j()e xs ys m n mn I ψψ?+，天线阵在远区的辐射总场(,)E θ?为 ()(,)(,)E f S θ?θ?θ??,= 式中，(,)f θ?为阵元的方向性函数，(,)S θ?为平面阵的阵方向性函数。平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。 1.2 馈电网络及损耗分析 天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用 的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。当利用传输线对阵列结构进行 收稿日期：2010-06-06 基金项目：齐齐哈尔市科技局工业攻关项目（GYGG-09011-2） 作者简介：惠鹏飞（1980-）,男，辽宁凌源人，讲师，硕士，主要从事雷达极化信息处理的研究，weibo505@https://www.docsj.com/doc/152401529.html,。

短波天线原理和应用

短波天线的原理和应用 摘要：本文从电波传播和电离层分布特性的角度解释了短波电波辐射的特点，并介绍了常用短波天线的种类和特性。对各类短波天线的架设要求和注意事项给出了建议和参考。最后对短波天线的接地系统的设计给出了一些参考方案。 关键词：天线、电离层、极化、接地 1.序 无线电通信就是依赖于无线电电波在空间的传播而建立通信链路的,因此电波传播是 无线电的一个重要环节。对于不同的工作频段，电波的传播特性将有所不同。同时所采用的辐射天线也将有很大的不同。本文将就电波的传播特性和短波常用天线以及电台架设的注意问题作一些介绍。 1．1 电离层特性 电波在空间传播将会受到电离层的影响，尤其是中短波的传播就是依赖于电离层的反射进行传输的，因此对电离层应有一些了解。 a）电离层的产生 地球表面有1000公里高的大气层，由于太阳光辐射（x射线，紫外线）空气不断电离同时不断复合，这样空气中将存在着游离的带电粒子； b）带电粒子随高度增加而增加，在离地面较近的地方每立方米只有几个或几十个粒子，到接近1000公里时，每立方米将有上千或上万个带电粒子。因电离层一般按如下分层： C层D层E层F1层F2层 0～50kM 60～90kM 100～120kM 170～220kM 225～450kM c）电离层在白天、黑夜，一年四季将会有不同的变化。白天由于有阳光，低层(D层)电离层浓度升高，反之黑夜时将降低。一年四季变化也是由于因受阳光照射时间长或短而变化。 d）电离层在不断上下或水平运动，从而造成电波反射传播过程中的瑞利衰落和多普勒效应。 e）电离层具有非均匀分布性，类似云彩的特点，因而造成电波反射时的散射,多径时延。f）电离层对电波的吸收随工作频率升高而减少。对中长波吸收很大，如10～20kW的中波广播机覆盖面在100km左右，而1kW的短波可传送3000km。即频率愈高的中短波信号愈容易穿越低层(D层)的电离层。 1．2 大地对电波的影响 大地对电波的影响主要是地波传播的影响，大地不能视为良导体也不能视为绝缘体，由于地质不同应区分对待。 a）对于如海水、淡水、湿地，对电波的吸收较小，但由于地面反射波与入射波有180o 相位差，将会吸收紧靠地面的电波，使波瓣抬高； b）对于干燥地质对电波吸收会较大（主要对短波吸收）； c）对于金属矿藏地质如铁矿地带，对电波吸收是非常大的，千万不要在这里设立电台（收发信台）；

实验一：微带天线的设计与仿真

实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ<

计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ<

微波天线课程设计56GHz微带天线设计不同切角

课程设计 课程名称：微波技术与天线微带天线设计（不同切角）课设题目： 博学馆机房实验地点： 电信1201班专业班级： 2012001422 学号： 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰

日月年2015 7 4 课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸

指导教师签名日期：2015-6-10 ： 一、设计题目： 微带天线仿真设计（不同切角贴片设计） 二、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计，基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上设计一个矩形贴片天线，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 三、设计原理： 矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为5.6GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。

矩形贴片天线示意图 四、贴片天线仿真步骤 1、建立新的工程 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。 3. 设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）设置模型单位： （a）在设置单位窗口中选择：mm。 （b）点击OK按钮。 4、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。在坐标输入栏中输：dZ，90：dY，90：dX按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：0：Z，-45：Y，-45：X入起始点的坐标： 0按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为GroundPlane。（2）为GroundPlane设置理想金属边界。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中

第一讲 天线基本原理

第一讲天线基本原理 1、天线的基本概念 1．天线的作用 在任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。 天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。 2．天线问题的实质 从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程——麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。 从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生的电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。 3．对天线结构的概念理解 采用不同的模型，对天线可以有不同的理解。典型的模型比如：开放的电容 [思考] 野外电台或电视发射塔，无线电视或电台接收机，为什么能构成一个天线，其电流回路在什么地方？ 开放的传输线 从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰 开。 TM mn型波导 将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励

高次模。 由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构 波的形成都需要波源和传输媒质。在一盆水中形成机械波纹，可以使用点激励源产生波，并在水面上传播。波的传播特性只与媒质特性有关而与波源无关。将一个肉包子扔出去，这个肉包子可能产生不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地方了，都与扔包子的人不再有任何关系。而对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。不过电磁波的传输媒质可以是真空。 [思考] 电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者之间的一种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。只要认清这一点，许多问题就会变得易于理解。认清事物的本质规律我们才能很好地利用它，我们不能把一头驴当马使，否则就会出现许多荒唐的错误。有人认为射频很复杂，有人认为很简单，就是这个道理。 [哲学启示] 电磁波由于看不见，摸不着，所以在很多人看来它很抽象。但考虑到世界是普遍联系的，尽管不同的事物也有许多不相同点，但找到它们之间的联系，就能获得认识抽象事物的“火眼金睛”。 2、电磁场基本方程 1．麦克斯韦方程 （电生磁。若电场变化，则磁场随之变化） （磁生电。若磁场变化，则电场随之变化） （磁力线是无始无终的封闭闭合曲线） （电力线出发和终止于自由电荷）

天线选型

短波无线电通信天线选型 短波通信是指波长１００－１０米（频率为３－３０ＭＨｚ）的电磁波进行的无线电通信。短波通信传输信道具有变参特性，电离层易受环境影响，处于不断变化当中，因此，其通信质量，不如其它通信方式如卫星、微波、光纤好。短波通信系统的效果好坏，主要取决于所使用电台性能的好坏和天线的带宽、增益、驻波比、方向性等因素。近年来短波电台随着新技术提高发展很快，实现了数字化、固态化、小型化，但天线技术的发展却较为滞后。由于短波比超短波、卫星、微波的波长长，所以，短波天线体积较大。在短波通信中，选用一个性能良好的天线对于改善通信效果极为重要。下面简单介绍短波天线如何选型和几种常用的天线性能。 一、衡量天线性能因素: 天线是无线通信系统最基本部件，决定了通信系统的特性。不同的天线有不同的辐射类型、极性、增益以及阻抗。 １．辐射类型：决定了辐射能量的分配，是天线所有特性中最重要的因素，它包括全向型和方向型。 2．极性：极性定义了天线最大辐射方向电气矢量的方向。垂直或单极性天线（鞭天线）具有垂直极性，水平天线具有水平极性。 ３．增益：天线的增益是天线的基本属性，可以衡量天线的优劣。增益是指定方向上的最大辐射强度与天线最大辐射强度的比值，通常使用半波双极天线作为参考天线，其它类型天线最大方向上的辐射强度可以与参考天线进行比较，得出天线增益。一般高增益天线的带宽较窄。 ４．阻抗和驻波比（ＶＳＷＲ）：天线系统的输入阻抗直接影响天线发射效率。当驻波比（ＶＳＷＲ）１：１时没有反射波，电压反射比为１。当ＶＳＷＲ大于１时，反射功率也随之增加。发射天线给出的驻波比值是最大允许值。例如：ＶＳＷＲ为２：１时意味着，反射功率消耗总发射功率的１１％，信号损失０．５ｄＢ。ＶＳＷＲ为１．５：１时，损失４％功率，信号降低０．１８ｄＢ。 二、几种常用的短波天线 １．八木天线（ＹａｇｉＡｎｔｅｎｎａ）八木天线在短波通信中通常用于大于６ＭＨｚ以上频段，八木天线在理想情况下增益可达到１９ｄＢ，八木天线应用于窄带和高增益短波通信，可架设安装在铁塔上具有很强的方向性。在一个铁塔上可同时架设几个八木天线，八木天线的主要优点是价格便宜。 ２．对数周期天线（ＬｏｇＰｅｒｉｏｄｉｃＡｎｔｅｎｎａ）对数周期天线价格昂贵，但可以使用在多种频率和仰角上。对数周期天线适合于中、短波通信，利用天波信号，效率高，接近于发射期望值。与其它高增益天线相比，对数周期天线方向性更强，对无用方向信号的衰减更大。 ３．长线天线（Ｌｏｎｇ－ＷｉｒｅＡｎｔｅｎｎａｓ）长线天线优点是结构简单，价格低，增益适中。与八木天线和对极周期天线比，长线天线长度方向性和增益低。但其优势在于，由于其增益与线长度有关，用户可以找到最佳接收线的长度和角度。通过比较信号波长，计算出线的长度，非常适合于远距离通信。当线长４倍波长在仰角为２５度时与双极天线比增益高３ｄＢ，当线长８倍于波长时，增益高６ｄＢ，仰角下降到１８度，图１为长线天线增益示图。

微带天线课程设计报告

课程设计报告 课设名称：微波技术与天线课设题目：微带天线仿真设计课设地点：跨越机房 专业班级：学号： 学生姓名： 指导教师： 2012年 6 月 23 日

一、设计要求： 矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 矩形贴片天线示意图 二、设计目的： 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响 三、实验原理： 用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈

微带天线设计

班级：通信13-3班 姓名：王亚飞 学号：1306030318 指导教师：徐维 成绩： 电子与信息工程学院 信息与通信工程系

目录 1微带天线设计 (3) 1.1微带天线简介 (3) 1.2设计要求 (3) 1.3设计指标和天线几何结构参数计算 (4) 2 HFSS 设计和建模概述 (5) 2.1创建微带天线模型 (5) 2.1.1新建HFSS 工程 (5) 2.1.2建立模型 (6) 2.2相关条件设置 (14) 2.2.1设置激励端口 (14) 2.2.2添加和使用变量 (15) 2.2.3求解设置 (17) 3设计检查和运行仿真分析 (19) 3.1查看天线谐振点 (19) 3.1变量Length、Width扫描分析 (21) 3.2查看S11参数以及Smith圆图结果 (21) 3.3查看驻波比 (22) 3.4查看天线的三维增益方向图 (22) 3.5查看平面方向图 (23) 4总结体会 (23)

1微带天线设计 1.1微带天线简介 微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。 图1.1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的 相对介电常数εr 和损耗正切tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG。图10.1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。 图1.1微带天线的结构 1.2设计要求 设计一个矩形微带天线，工作频率为2.45Ghz ,天线使用同轴线馈电。天线的中心频率为2.45GHz，因此设置HFSS 的求解频率（即自适应网格剖分频率）为2.45GHz，同时添加1.5～3.5GHz 的扫频设置，分析天线在1.5～3.5GHz 频段内的回波损耗或者电压驻波比。

HFSS的天线课程设计(20201005041508).docx

一、实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为，带宽( 回波损耗 S11<-10dB)大于 5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由 Deschamps于 1953 年提出来的，经过 20 年左右的发展， Munson和 Howell 于 20 世纪 70 年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L、辐射源的 宽度 W、介质层的厚度 h、介质 的相对介电常数r和损耗正切 tan、介质层的长度LG和宽度 WG。图 1 所示的微带贴片天线是图 1：微带天线的结构 采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈 电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能， 形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有 g / 2 矩 的 改变，而在宽度 W方向上保持不变，如图 2（a）所示，在长度 L 方向上可以看做 成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成 垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小 相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分 量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

短波天线

优化短波通信的方法 1、改善短波信号质量的三大要素 由于短波传输存在固有弱点，短波信号的质量不如超短波。不过我们可以通过一些途径改善短波信号质量，使其尽可能接近超短波。改善短波信号质量的三大要素是：正确选用工作频率；正确选择和架设天地线；选用先进优质的电台和电源等设备。 1.1 正确选用工作频率 短波频率和超短波频率的使用性质完全不同。超短波属于视距通信，距离短，可以固定使用频段内的任何频点；而短波频率则受到电离层变化、通信距离和方向、海拔高度、天线类型等多种因素的影响和限制。用同一套电台和天线，选用不同频率，通信效果可能差异很大。 对于有经验的短波工作者来说，选频并不困难，其中有明显的规律性可循。一般来说：日频高于夜频（相差约一半）；远距离频率高于近距离；夏季频率高于冬季；南方地区使用频率高于北方；等等。另外，在东西方向进行远距离通信时，因为受地球自转影响，最好采用异频收发才能取得良好通信效果。如果所用的工作频率不能顺畅通信时，可按照以下经验变换频率： （1）接近日出时，若夜频通信效果不好，可改用较高的频率； （2）接近日落时，若日频通信效果不好，可改用较低的频率； （3）在日落时，信号先逐渐增强，而后突然中断，可改用较低频率； （4）工作中如信号逐渐衰弱，以致消失，可提高工作频率； （5）遇到磁暴时，可选用比平常低一些的频率。 计算机测频 利用计算机测频软件预测可用频率对短波通信很有帮助，是国外经常采用的先进技术手段。计算机测频系统能够根据太阳黑子活动规律等因素，结合不同地区的历史数据，预测两点之间在未来一段时期每天各时节的可用频段，具有较高参考价值。 美国、欧盟、澳大利亚政府的计算机测频系统数据比较准确，它们通过分布在全球的监测点采集和跟踪各种环境参数的变化提供频率依据。其中澳大利亚的ASPAS系统面向全世界提供测频服务，安装和服务费用不高，很有使用价值。 1.2 正确选择和架设天线地线 天线和地线是很多短波用户容易忽视的问题。当通信质量不好时，很多人习惯于从电台上找原因，而实际上信号不良常常源自天线或地线。 短波和超短波使用的天线是完全不同的。超短波通信因为使用频率高，波长短，天线

HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告

基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz:

(2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec ,

微波天线课程设计56GHz微带天线设计(不同切角)教材

课程设计 课程名称：微波技术与天线 课设题目：微带天线设计（不同切角） 实验地点：博学馆机房 专业班级：电信1201班 学号：2012001422 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰 2015 年7 月 4 日

课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺序进 行装订上交（大张图纸不必装订） 指导教师签名： 日期：2015-6-10 专业班级 电信1201 学生姓名 课程名称 微波技术与天线 课程设计 设计名称 微带天线设计 设计周数 1.5周 指导教师 李鸿鹰 设计 任务 主要 设计 参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉微带天线的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下微带天线的仿真设计 设计要求如下： 频率：5.6GHz 介质：FR4 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务 设计内容 设计要求 6.11：分组、任务分配、任务理解 6.12：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。 6.15~6.18：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。 6.19：同组同学结果汇总及讨论 6. 22：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。 主要参考 资 料 刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2012 顾继慧，微波技术，科学出版社，2007 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交 归档文件 1.设计报告 2.工程文件

同轴馈电矩形微带天线设计与分析 2

同轴馈电矩形微带天线设计与分析 摘要：本文使用HFSS软件，设计了一种具有损耗低、稳定性好的同轴馈电矩形微带天线。该新型C波段微带天线射频频率2、45GHz，输入阻抗50Ω，利用矩形同轴线馈电(RCL)结构网络和微带天线子矩阵的基本原理和设计方法，运用HFSS对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能，达到了频段范围内S11小于XXX，尺寸XXX，方向性XXX，达到XXX 的设计要求。 关键词：HFSS，微带线，天线 请在摘要中写明该天线的性能，点明创新性或所做的工作重点。 1、前言 在1953年Deschaps提出微带天线的理论，经过20年多的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。传统的手工计算设计天线采用的是尝试法，设计和研发周期长，费用高。随着计算水平的提高，可以采用成熟的电磁仿真软件设计。 微带天线结构简单,体积小,能与载体共形，能和有源器件、电路等集成为统一的整体，具有体积小、重量轻、低剖面、易于集成和制造等点，在卫星通信、卫星定位系统等多个领域获得了广泛应用。已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。 微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。设计的圆极化微带天线具有较宽的频带或者是双频堆叠结构且采用同轴线馈电，一般天线厚度尺寸较大，因此馈电同轴长加大，导电感抗加大，天线的性能随之恶化。通常，单层厚天线采用L形或T形同轴探针馈电；对于双层厚天线，通过在层间增加空气层以改善天线的驻波特性J。这两种结构给天线的制造带来了困难，前者需要在介质层内增加金属片来实现T形或L形探针馈电，制作不便，增加了制造代价；后者需要在两层天线中间添加空气层，由于空气层厚度对天线性能影响突出，厚度不易控制，因此也不是好的选择，而同轴馈电矩形微带电线成为了性能良好的天线选择之一。 本文设计的同轴馈电矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局

用ADS设计微带天线

用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ<

计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下：

S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ<