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1、塔里木大学信息工程学院课程设计第 1 页 共 18 页目目 录录前 言2 绪 论3 1.1 课题背景3 正 文3 2.1 我国航模发展史.3 2.2 航模遥控系统介绍.4 2.2.1 航模遥控的分类4 2.2.2 无线航模遥控系统中的相关技术.4 2.2.3 ISM 频段4 2.2.4 扩频通信技术.5 2.2.5 微带天线5 2.3 无线航模系统的整体框架及基本理论.5 2.3.1 整体系统的框架结构.5 2.3.2 无线航模系统中重点理论.6 2.3.3 微带天线理论.6 2.4 2.4GHZ 无线航模遥控系统中天线的设计.8 2.4.1 航模系统对天线的性能要求.8 2.4.2 微带天线
2、的辐射源里.8 2.4.3 仿真软件的介绍.9 2.5 矩形微带贴片天线尺寸的确定.10 2.5.1 天线尺寸设定.10 2.5.2 贴片宽度 W 对天性性能的影响.11 2.5.3 辐射片长度 L.12 2.6 微带天线馈电方式的选择以及馈线尺寸的计算.13 2.6.1 微带天线的馈电方式13 2.6.2 50 欧姆微带馈线尺寸的计算13 2.7 天线初步仿真结果14 2.7.1 2.4GHZ 无线航模遥控系统天线的阻抗匹配设计.14 2.8 阻抗匹配原理.15 2.8.1 匹配优化设计.15 2.8.2 匹配的原理.15 2.8.3 阻抗匹配优化及仿真结果.15 总结与展望18塔里木大学信
3、息工程学院课程设计第 2 页 共 18 页前前 言言本文是针对无线航模遥控系统进行的研究 设计，特别是对系统中的天线进行了重点的 研究。随着航模爱好者数量的日渐增多，对航模系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求。 遥控系统作为航模的重要组成部分，对其进行研究设计具有现实的意义。目前关于航模遥 控的研究主要是集中在航模的控制方式上，对于天线的研究甚少，而一个通信系统的可靠 性和稳定性恰恰是由天线的性能来直接决定的。并且针对特定的应用来设计能达到要求的 天线，也是当前天线研究设计的一个热点。 论文对整个遥控系统的设计是基于模块化研究 方法的，对其中每个功能模块的设计方法都给予了叙述，因为天线模块是本
4、系统的设计重 点，所以在一开始就先给出了天线模块的设计，然后结合所设计的天线给出了整体的硬件 电路图以及系统软件的设计方案。论文最主要的工作有以下几点：1.设计了一款适用于无线航模遥控系统的微带天线。根据微带天线的理论知识，确定 了所要设计的微带天线的形状为矩形，然后对矩形微带天线的尺寸进行了确定并一一分析 了各种参数的改变对天线性能的影响，对最后确定好尺寸的天线在 ADS 仿真软件中进行建 模和仿真，从仿真结果可以看出最终设计出来的天线能够很好的工作在 2.4Ghz 的频率， 达到了航模遥控系统的工作频率要求； 2.微带天线匹配电路的设计。通过对各种匹配方法进行比较，最后选择了微带线匹配法，
5、 因为该方法只需在 ADS 软件下就可以完成，操作简单。并用 ADS 对加载了匹配电路后的天 线进行仿真，仿真结果表明：在天线的谐振频率处，天线的输入阻抗值由之前的 171.8- j*14.5 欧姆匹配到了馈线的阻抗值50 欧姆，同时还从得到的天线方向图、驻波比、增 益等结果图中可以看出，所设计的矩形微带天线满足了航模遥控系统所要求的各项性能指 标 3 在 ADS 下以电路的形式完成阻抗匹配网络的设计，用 ADS 对加载了匹配电路的天线进 行仿真，仿真结果表明：在天线的频率处，天线的输抗值由匹配前的 171.8- j * 14.5 欧姆匹配到了目标值 50 欧姆，并且其他的参数例如增益、驻波比
6、等也达到了设计之前的要 求。塔里木大学信息工程学院课程设计第 3 页 共 18 页关键词：无线航模遥控系统，微带天线关键词：无线航模遥控系统，微带天线绪绪 论论1.1 课题背景随着航模运动在中国的逐渐普及，航模爱好者的数量越来越多，有些中小学校甚至开 设了航模课程。然而人们对航模运动的喜爱更加凸显出了航模系统稳定和可靠的重要性。 在进行航模操纵时，如果模型飞机遥控的质量不能保证，那么会存在很大的安全隐患，像 跳舵、操纵失灵等故障会很容易发生。而一旦是在空中发生这种情况，坠机还只是小事， 如果伤到了人，那后果就是不能想象的了。可靠性是要求通信系统具有较强的抗干扰能力。 稳定性的定义是通信系统在受
7、到扰动后，还能在一定的区域内保持原状或是可以在一定的 时间限制内恢复到原平衡状态的性能。稳定性和可靠性是一个通信系统最主要的两个性能 指标，同时也是在选购航模系统设备的时候，最看重的两个因素。而航模遥控系统是航模 的重要组成部分，其稳定性和可靠性决定了整个航模系统的稳定性和可靠性 20 世纪 50 年代的末期，我国开始了对航模系统中的遥控设备进行研究设计那个时侯 的航模遥控器，主要是针对滑翔机的，而且从国外进口来的遥控设备很少，都是爱好者根 据自身的实际情况来进行设计。等到了 1980 年，我国终于有了自己生产的第一款遥控设备， 这款遥控设备出自于上海玩具第八厂，通过采用分离元件来搭建，不仅调
8、试不方便，而且 不能批量生产，再加上可靠性和灵敏度低，所以并没有得到广泛的应用 90 年代后，国际航 模业迅速发展，因此也带动了国内航模产业的蓬蓬勃发展，但是国内所设计生产的航模遥 控的质量一直不高，因此我国很多航模爱好者所使用的比较高端的遥控设备都还是以进口 为主。正正 文文2.1 我国航模发展史20 世纪 50 年代的末期，我国开始了对航模系统中的遥控设备进行研究设计那个时侯 的航模遥控器，主要是针对滑翔机的，而且从国外进口来的遥控设备很少，都是爱好者根 据自身的实际情况来进行设计。等到了 1980 年，我国终于有了自己生产的第一款遥控设备， 这款遥控设备出自于上海玩具第八厂，通过采用分离
9、元件来搭建，不仅调试不方便，而且 不能批量生产，再加上可靠性和灵敏度低，所以并没有得到广泛的应用 90 年代后，国际航 模业迅速发展，因此也带动了国内航模产业的蓬蓬勃发展，但是国内所设计生产的航模遥塔里木大学信息工程学院课程设计第 4 页 共 18 页控的质量一直不高，因此我国很多航模爱好者所使用的比较高端的遥控设备都还是以进口 为主。2.2 航模遥控系统介绍航模系统是一套利用无线电波作为载波来进行操控者操作指令的传送，然后模型飞机 接收到指令后，根据指令完成相应的飞行动作的集合了机械电子等各方面技术的复杂系统， 通常包含遥控设备以及动力系统这两大部分。整个航模系统框图如图 1 所示如上图所示
10、，遥控设备高寒了输入设备模块，编码模块和无线发射模块以及无限接受 模块，问电源，调速器和舵机属于航模的动力系统。 2.2.12.2.1 航模遥控的分类航模遥控的分类 遥控系统可以有多种分类方式，按照不同的分类方法有 （1）按照通信方式分类按照通信的方式，可分为有线遥控和无线遥控，有线遥控是指用来传输数据的介质为 某些特定的线材，而无线遥控则是直接利用空气来作为传输介质，无线通信方式不需要连 线少了布线的繁琐，目前的航模遥控绝大多数都是无线遥控。 （2）按照通道的数量分类一般的通信过程中，传输通信指令信号的道路叫做“通道” 。如果在遥控系统中，只 有发射或是接收这么一种信号，那么我们就说这套设备
11、只有一个通道，这种遥控器就叫做 一通道遥控。同理，还可以有两通道、三通道等，目前市场上的模型遥控设备有从一通道 到十通道等多种。（3）按照通信频率分类根 据 无 线 通 信 工 作 频 率 的 不 同 ， 遥 控 设 备 可 以 分 为 ： 红 外 遥 控 系 统 、27MHz、36MHz、40MHz、72MHz、1GHz 等频段的遥控系统。 （4）按照调制方式分类 按调制方式的不同，遥控设备还可被分类为调幅（AM）式、调频（FM）式、脉冲编码 式（PCM）式、脉冲位置调制（PPM）式、跳频扩频技术（FHSS）式等。 2.2.22.2.2 无线航模遥控系统中的相关技术无线航模遥控系统中的相关技
12、术所将要设计的无线航模遥控系统工作在 2.4GHz 频段，采用扩频通信技术来进行数据 的传送，最终的数据是由微带天线发射出去，所以先对这几种技术进行简单的说明。 2.2.32.2.3 ISMISM 频段频段 ISM 频段主要是开放给工业、科学和医学使用的频段，使用者不需要去申请授权许可， 只要设备的发射功率能满足一定的要求（一般是低于 1W） ，并不对其它频段造成干扰即可 5。在美国，ISM 频段是由美国联邦通信委员会(FCC)来进行分配的，其标准是工业 （902-928MHz） 、科学研究（2.42-2.4835GHz）和医疗（5.725-5.850GHz） ，而在欧洲，GSM 通信占用了
13、900MHz 的部分频段，所以用于 ISM 的低频段为 868MHZ 433MHz6。2.4GHz 为各国共同的 ISM 频段，因此很多无线技术，例如无线局域网、蓝牙以及 Zig Bee 等，塔里木大学信息工程学院课程设计第 5 页 共 18 页均可工作在 2.4GHz 频段上7。 2.2.42.2.4 扩频通信技术扩频通信技术 扩频通信（Spread Spectrum Communication）是扩展频谱通信的缩写，是在最近几年 快速发展起来的一种通信技术。扩频通信系统的出现，是通信技术领域的一个重大突破， 但是在早期，扩频技术只应用在军事通信上，因此一般的人们都对其没有了解。之后，随 着
14、民用通信的迅速发展，用户越来越多导致了频带的拥挤，扩频技术开始被应用在民用通 信中，而近代微电子技术和信号处理技术以及大规模集成电路等新型技术的快速发展，大 大降低了与扩频通信有关的。 2.2.52.2.5 微带天线微带天线 微带天线是一种新型的天线，它是在介质基片上贴上各种形状的导体薄片而构成的， 其中介质基板必须带有导体接地板12。然后利用微带线或是同轴线等方式进行馈电，激 励起导体贴片与接地板之间的射频电磁场，最后通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐 射出去，所以我们也可以把微带 天线看成是一种缝隙天线1314。微带天线的概念早在 1953 年就由 G.A.Decham Ps 教授给提出
15、来了，但是当时并没有在工程界引起足够的重视。 微带天线真正的得到发展和应用是在七十年代，因为微波集成技术迅速发展，并且出现了 各种低耗介质材料，使得微带天线的制作在工艺上有了保证，而后随着空间技术的发展， 对微带天线的需求越来越迫切13。在 Howell 和 Munson 对微带天线进行了大量的实验后， 第一款微带天线实物被成功研制出来，在这之后，微带天线有了快速的发展，成为天线家 族中重要的一员15。 从结构和原理上来对微带天线进行分类，可以主要分为以下三大种:微 带贴片天线和微带缝隙天线以及微带行波天线。一般微带贴片天线指的是谐振式微 带贴片天线，它效率高，但是却有着带宽较窄的缺陷。微带缝
16、隙天线的带宽和微带贴 片天线比起来要宽些，尤其是宽矩形缝隙天线，但是它也有缺陷，就是在单方向进行辐射 时，所需要的厚度要比贴片天线大，另外，在分析和设计方面要比微带贴片天线困难，这 样就限制了它的应用范围。微带行波天线能够获得相对较大的带宽，但是其效率低，并且 分析方法还不是特别的成熟13。因此微带贴片天线以其独特的优势获得了广泛的应用。2.3 无线航模系统的整体框架及基本理论2.3.12.3.1 整体系统的框架结构整体系统的框架结构航模遥控系统由发射机和接收机两部分组成，它们之间通过无线通信技术来传输数 据。发射机即遥控器，完成对操作者指令的采集，然后经过 A/D 转换后传送给中央处理器， 中央处理器对所传送过来的数据进行控制方式处理后再继续传送给无线射频芯片，最后射 频芯片将数据进行编码，经天线发送出去；同理，接收机经天线接收到数据后，经由微处 理器解码，去控制各个舵机的动作。在本论文设计的遥控器中，因为中央处理器既要完成 对控制方式的处理，又要完成对射
