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1、吉 林 农 业 大 学本 科 毕 业 设 计 题目名称： 基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计 学生姓名： 杨桦 院 系： 信息技术学院 专业年级： 电子信息科学与技术2班 指导教师： 顾洪军 职 称： 讲师 2015年 5 月 20 日I目 录基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计I1 前言11.1 蓝牙的定义11.2 微带天线的定义31.3 微带天线的发展31.4 阵列天线的定义和优点41.5 HFSS仿真软件的介绍41.6 微波的定义62 天线的基本理论62.1 天线的方向图62.2天线的辐射强度72.3天线的方向性系数82.4 天线的效率92.5 天线的增益92.6 天线的输入阻抗102.7
2、 天线的极化103 微波的基本概念124 微带天线的基本理论134.1 微带天线的辐射机理134.2 微带辐射贴片尺寸估算145 阵列天线的基本理论155.1 阵列天线的发展155.2 阵列天线的分类165.3 阵列天线的基本原理165.4 直线阵列天线的基本原理176 微带阵列天线的设计206.1 微带阵列天线单元的设计206.1.1 辐射贴片单元的尺寸206.1.2 辐射贴片单元的阻抗匹配206.1.3 微带线的尺寸216.2 微带阵列天线的整体设计236.2.1 阵元间距的确定236.2.2 阵列天线馈电网络的设计246.2.3 阵列天线的软件建模267 微带阵列天线的软件仿真277.1
3、 天线的仿真数据277.2 天线的仿真结果分析298 结论33参考文献33致 谢34基于HFSS的蓝牙微带阵列天线设计姓 名：杨桦 专 业：电子信息科学与技术指导教师：顾洪军摘 要： 随着科技和经济的快速发展，大量的天线被应用到太空科技、航海和移动通讯等领域，例如：小型化天线、多功能天线和多种实用性天线。蓝牙是信息时代最具代表性的技术之一，主要应用于短距离无线通信。蓝牙技术已经被广泛应用于多种通信领域。蓝牙技术拥有较多的优点，例如：数据的快速传输和较好的信息安全性。微带贴片天线具有尺寸小、重量轻和易于制造等优点。因此，本文就利用微带贴片天线设计出一种1x4单元的微带贴片蓝牙阵列天线。关键词：
4、微带天线；阵列天线；蓝牙 The Design of Patch Array Antenna Applying for Bluetooth with HFSSName：Yang Hua Major: Electronic information of science and technology Tutor：Gu HongjunAbstract: With the rapid development of economy and science, plenty of demands of antenna, for example, miniaturization, multiple servi
5、ces and practicability have been taken into consider in space technology, navigation and mobile communication. Bluetooth is a technology of short distance and wireless communication and it is one of the most representational technology of information age. Bluetooth has been applied to various indust
6、ries of communication widely and it is capable of numerous advantages, for example, fast data transmission and favorable information safety. The micro strip patch antenna is capable of small size, light weight and it can be fabricated conveniently. Hence, the design of this paper take advantage of m
7、icro strip patch antenna to designing a 1x4 elements Bluetooth array antenna.Keywords: micro strip antenna; array antenna; Bluetooth1 前言现代社会是一个全球通信业务高速发展的社会，其中的无线移动通信系统尤其受到世界各国的格外关注。无线通信系统不仅在军事上的应用非常广泛，而且其在民用上的应用也是非常的普遍。例如，手机通讯，无线网络，蓝牙传输等领域。天线，作为射频信号到无线信号转化的器件，在无线通信系统中占有至关重要的地位，可以说天线就是各种无线网络沟通交流的信号灯
8、。天线的种类琳琅满目，从简单的偶极子天线，环形天线到缝隙天线，喇叭天线，抛物面天线，阵列天线，每一类天线都有擅于发挥其自身性能的应用场合。微带天线作为一种小型化，多功能化的现代天线越来越受到业界的重视，从20世纪60年代至今，微带天线已经有了大幅度的发展和改进。蓝牙在无线通信系统中的应用非常广泛，作为一种现代科技的技术产物，它令我们的和世界的交流更加方便。本文基于当今世界的发展趋势提出一种应用于蓝牙技术的微带贴片阵列天线，并且通过仿真软件得到基本的设计方法。1.1 蓝牙的定义蓝牙是新的信息时代下的一种跨时代的高科技技术，它是一种可以作为短距离信息无线传输的一种科技手段，蓝牙广泛的应用于无线通信
9、的各个行业，例如：手机终端、航海通信、具有短距离的信息传输要求的场合等等。蓝牙是近年来具有跨时代的一种科学技术，因为是应用于无线传输，所以蓝牙本身工作在微波频段，从微波频段的划分上来看，它工作在UHF频段。具体来说，2.4G频段即为蓝牙工作频段。2.4G频段在全球上来说是被各大无线通信组织和企业承认的可以自由使用的没有政府限制的自由频段，所以从这点上看，蓝牙波段选在此频段对于推广范围的使用是有非常大的益处的。如今蓝牙由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special InterestGroup，简称SIG）管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25,000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和
10、消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，但如今已不再维持该标准。蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，维护商标权益。制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以“蓝牙设备”的名义进入市场。蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。蓝牙的波段为24002483.5MHz（包括防护频带）。这是全球范围内无需取得执照（但并非无管制的）的工业、科学和医疗用（ISM）波段的 2.4 GHz 短距离无线电频段。蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1 MHz。蓝牙4.0使用2 MHz 间距，可容
11、纳40个频道。第一个频道始于2402 MHz，每1 MHz一个频道，至2480 MHz。有了适配跳频（Adaptive Frequency-Hopping，简称AFH）功能，通常每秒跳1600次。最初，高斯频移键控（Gaussian frequency-shift keying，简称GFSK） 调制是唯一可用的调制方案。然而蓝牙2.0+EDR 使得 /4-DQPSK和 8DPSK 调制在兼容设备中的使用变为可能。运行GFSK的设备据说可以以基础速率（Basic Rate，简称BR）运行，瞬时速率可达1Mbit/s。增强数据率（Enhanced Data Rate，简称EDR）一词用于描述/4-
12、DPSK 和 8DPSK 方案, 分别可达2 和 3Mbit/s。在蓝牙无线电技术中，两种模式（BR和EDR） 的结合统称为“BR/EDR射频”蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。一个主设备至多可和同一微微网中的七个从设备通讯。所有设备共享主设备的时钟。分组交换基于主设备定义的、以312.5s为间隔运行的基础时钟。HFSS这款软件在世界范围来说都是比较好用和实用的，在各种电磁场的新领域，如果设计者想要开发一些电磁方面的东西，比如说各种微波器件，天线等都可以利用这款软件进行辅助设计。因为在理论上来说，一些电磁理论如果用手算的话是非常吃力的，而且有些结果的计算是人力难以完成的，所以当今社会开发了
13、非常多的辅助设计软件，人们在设计相关前沿的东西的话，利用这些软件就可以简单方便的多了。说回天线领域，不仅有HFSS这款知名软件，还有其他非常好用的一些软件，例如FEKO这款软件，这是专门仿真大型天线使用的。还有一款被叫做CST的软件，它在仿真微波器件和小型天线的领域也是非常出色的。还有很多类似的软件，它们都是各有侧重，因此，当今各行各业的应用里面这些软件都发挥了巨大的作用，这如果是放在几十年以前，设计一部天线可以说是需要用几十天，几个月甚至几年，而现在，同样的设计可能也只需要几天吧。两个敏感度和发射功率都较高的1类设备相连接，射程可远高于一般水平的100m，取决于应用所需要的吞吐量。有些设备在
14、开放的环境中的射程能够高达1km甚至更高。蓝牙核心规范规定了最小射程，但是技术上的射程是由应用决定、且是无限的。制造商可根据实际的用例调整射程。蓝牙主设备最多可与一个微微网（一个采用蓝牙技术的临时计算机网络）中的七个设备通讯, 当然并不是所有设备都能够达到这一最大量。设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备（比如，一个头戴式耳机如果向手机发起连接请求，它作为连接的发起者，自然就是主设备，但是随后也许会作为从设备运行。）蓝牙核心规格提供两个或以上的微微网连接以形成分布式网络，让特定的设备在这些微微网中自动同时地分别扮演主和从的角色。数据传输可随时在主设备和其他设备之间进行（应用极少的广播模式除外）。主设备可选择要访问的从设备；典型的情况是，它可以在设备之间以轮替的方式快速转换。因为是主设备来选择要访问的从设备，理论上从设备就要在接收槽内待命，主设备的负担要比从设备少一些。主设备可以与七个从设备相连接，但是从设备却很难与一个以上的主设备相连。规格对于散射网中的行为要求是模糊的。1.2 微带天线的定义微带天线的提出比较早，但是获得快速发展还是近30多年的事情。早在50年代就有相关专业人士提出了微带天线的概念，但是受当时科技水平和理论知识的限制，没有得到业界的太多重视，只有简单的零星的一些研究。随着科技水平
