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1、射频微波技术课程设计专业班级：学 号： 学生姓名:指导教师： 年月日 设计题目：圆极化微带天线仿真设计一、 内容摘要微带天线（microstrip antenna）在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。二、设计任务及指标：设计一种谐振频率为920MHz的圆极化贴片天线，利用Ansoft公司的HFSS13.0对其进行建模并
2、对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。进一步理解微带天线的特性与应用，掌握微波天线的工程设计方法和技巧，熟悉三维电磁场仿真工具HFSS，了解微波天线产品的系统概念，提高专业素质和工程实践能力。（1）工作频段：9001200MHz。（2）基板FR4：H=1.5mm，Er=4.4，tand=0.02。（3）驻波比小于1.5。（4）轴比小于3dB。（5）方向性系数高于3dB。（6）极化方式RHCP。 三、设计原理：1. 微带贴片天线的工作原理微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。前者要解
3、决天线与馈线的匹配问题；后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此泄漏也
4、笑；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。在经过特殊设计，即放大成贴片状，并使其工作在谐振状态，辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，从而成为有效的天线。图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er和损耗角正切tan、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。图1.1微带天线的结构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
5、形贴片微带天线的工总模式是TM10模，意味着电场在长度L方向有g/2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方向上可以看作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。图1.2微带天线示意图微带天线的辐射可以用图2.1（a）所示的简单情况来说明。假定介质基片厚度，可以认为电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，则贴片天线的电场结构可由图2.1（b）表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度L方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长近似为，所以法向分量反相，由它
6、们产生的远区场在正面方向上相互抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以，贴片可以表示为相距、同相激励的两个缝隙，如图2.1(c)所示。图2.2给出了矩形微带天线H面和E面辐射方向图，由于接地板的存在天线主要向上半空间辐射。图2.1 矩形微带天线图2.2 矩形微带天线方向图选择天线的工作频率和介质基板后，根据施奈德经验公式（2.1），（2.2），（2.3），（2.4）可以计算出天线的长和宽。具体过程如下：选择适当厚度的介质基片。本实验选择介电常数为4.4厚度为1.5mm的介质片。介质基片参数、tan和选定之后，由式（2.1）计算贴片矩形贴片天
7、线的宽度。 (2.1)对于工作于TM01模的矩形微带贴片天线长度近似为g/2，而介质内波长g=0 /。这里为介质基片的有效介电常数，考虑到边缘效应， 用施奈德等效介电常数代替，用式（2.2）得到。 （2.2）矩形微带贴片天线的长度L在理论上近似为g/2，但实际上由于边缘场的影响，在确定L的尺寸时应从g/2中减去2L。L的值由式（2.3）计算 （2.3）于是 （2.4）2. 圆极化微带天线的基本知识圆极化微带天线包括两种形式：谐振微带贴片与行波微带线型天线。谐振贴片辐射圆极化波的基本原理是：产生两个相互垂直的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90。实现方法分为三类：单馈法，多馈法和多元法
8、。本次采用单馈法进行设计。单馈法的产生机理是基于空腔模型理论，利用兼并分离单元产生的两个简并分析模工作。设计关键为确定几何微扰，即选择简并模分离单元的位置和大小，以及恰当的馈点。单馈法的优点是无需外加的相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。缺点是带宽窄，极化性能较差。3. 设计过程（1）设计目标：工作频率920MHz的圆极化微带贴片天线。（2）采用单馈法（同轴馈电），矩形采用的是正方形。（3）将h=1.5mm，=4.4，中心频率为920MHz，经过公式2.1计算得到W约等于99.23mm，公式2.2计算得到=4.28，公式2.3和2.4的计算可得L约等于77.41mm。在实际的贴
9、片天线中常采用正方形的形式，且实际仿真与理论计算之间的误差，所以初始的贴片尺寸设计为长宽均为80mm的贴片。（4）采用右旋圆极化，切角选用三角形。切角的大小在设计过程中采用仿真的方法确定。四、贴片天线仿真：1. 新建工程，按照给定材料要求创建三维模型。 模型包括以下几个部分：介质板substrate，其初始坐标（-100，-100,0），相对坐标（200,200,1.5）底层金属ground_plane，初始坐标（-100，-100,0），相对坐标（200，200,0）金属贴片patch，初始坐标（-40,-40,1.5），相对坐标（80,80,0）馈电点feed，圆心坐标（0,20,0），相
10、对坐标（0.5,0,1.5）板上圆孔port，圆心坐标（0,20,0），相对坐标（1.15,0,0）贴片三角形（-18，-18,1.5）和（18,18,1.5）单位均为mm背景空间air沿Z轴空间范围为2000，沿X，Y轴范围为100图1.1在patch上切割三角形，最终结果如下图图1.22. 设置几何变量设置几何形状尺寸变量（1） 设置地板ground_plane的尺寸变量：将Position的(-100mm,-100mm,0mm) (PlaneStart, PlaneStart,0)。 相对坐标（200，200,0） (PlaneSize,PlaneSize,0)。（2） 设置介质板sub
11、strate的尺寸变量：（-100，-100,0） （SubStart，SubStart，0）（200,200,1.5） （SubSize，SubSize，SubHight）（3） 设置Patch尺寸变量：（-40，-40,1.5） （PatchStart，PatchStart，SubHight）（80,80,0） （PatchSize，PatchSize，0）（4） 设置Feed尺寸变量（0,20,0） （0，FeedLocation，0）HeightSubHight（5） 设置Port尺寸变量（0,20,0） （0，FeedLocation，0）（6） 设置三角形尺寸变量（0,18,0）
12、（0，ChamSize，0）（18,0,0） （ChamSize，0,0）3. 设定三角形的位移变量展开patch/Subtract/polyline1/move，将Move Vector设置为（PatchStart，PatchStart，SubHight）4. 设置变量之间的关系PlaneStart设为-PlaneSize/2，SubStart设为-SubSize/2，PatchStart设为-PatchSize/25. Substrate材料选择FR46. 设置边界条件和激励源背景空间设定为”Radiation”边界条件，以模拟一个允许波进入空间辐射无限远的表面。在操作历史树中复选 gro
13、und_plane 和patch，点击鼠标右键选择Assign BoundaryFinite Conductivity。出现对话框，不作改动，点击ok完成设置。 Finite Conductivity （有限电导边界）是一种电导率和磁导率均为频率函数的有耗材料，若选择Perfect E(理想电边界)会使模拟结果的S11较低。为Port设置激励源在操作历史树中的sheets中选定Port点击右键选择”Assign ExcitationLumped port”，在出现的对话框中将”name”设置为”port”，点击下一步。在”Integration Line”中选择”New Line”，出现”Cr
14、eate Line”的对话框，输入起始坐标（0，21.15,0），激励源向量（0，-0.65,0），表示一个从feed的激励源向量。这里需要说明的是”Wave Port”和”Lumped port”都是常用的激励源，前者属于整个平面的激发，后者属于某个点的激发。而且因为设置的求解模式”Driven Modal”，所以需要CreateLIne来画积分线。7. 解的设置在项目管理窗口中选中”Analysis”,选择”analysis solution setup”,在出现的对话框中设定”Solution Frequency”为920MHz，迭代次数Maximum Number of为20，Maxi
15、mum delta S为0.02，点击对话框中的option属性页，按照要求设置参数。 在完成以上设置之后，在项目管理窗口的analysis下出现setup1，选中setup1点击右键选择”add frequency sweep”，出现对话框Edit sweep，设定扫频方式”Fast”，扫频范围Type为”Liner Count”，Start=750MHz，Stop=1200MHz，Count=255。仿真以及结果报告8. 仿真在菜单栏中点击HFSS Validation Check或者工具栏上的，进行检查分析，如果工程建立没有问题，在菜单栏中点击HFSS Analysis All或者工具栏上的进行仿真。9. 生成结果报告图9.1当发现仿真结果并不理想时，对各项进行优化。图9.2 对贴片尺寸进行优化图9.3 对切角进行优化
