微带天线设计毕业论文.doc

天线CAD大作业学院：电子工程学院专业：电子信息工程微带天线设计一、设计要求：（1）工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。微波基板介电常数为=6，厚度H≤5mm，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为=6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则辐射切片的宽度=69.72mm有效介电常数=5.33辐射缝隙的长度=2.20辐射切片的长度=52.10mm同轴线馈电的位置L1=5.20=14.63mm三、HFSS设计（1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：微带天线的HFSS设计模型如下：立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length表示。（2）HFSS设计环境概述＊求解类型：模式驱动求解。＊建模操作模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。模型操作：相减操作＊边界条件和激励边界条件：理想导体边界、辐射边界。端口激励：集总端口激励。＊求解设置：求解频率：1.15GHz。扫频设置:快速扫描，频率范围：1~1.3GHz。＊Optimetrics参数扫描分析。优化设计。＊数据后处理：S参数扫频曲线、VSWR、天线方向图、天线参数。仿真结果由图得天线的谐振频率为1.11GHz，不是1.15GHz。需要进行优化设计。先进行参数扫描分析分析中心频率与辐射切片长度L0的变化关系，扫描分析范围为：49mm~54mm,扫描步进为0.2mm仿真结果：发现当L0=50mm时，谐振频率为1.15GHz。b、分析1.15GHz谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：0mm~19mm,扫描步进为1mm仿真结果：发现L1=10mm时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。优化设计优化结果得到：当L0=49.8mm时，L1=10mm时，符合要求。查看优化后的天线性能VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为1.3832<2,符合要求。xz和yz截面上的增益方向图从图得出：最大辐射方向为，即辐射切片的正上方，最大增益约为5.7dB。c、三维增益方向图拓展要求：圆极化微带天线设计一、微带天线实现圆极化的方法采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片微带天线。圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圆极化波的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发TM01和TM10两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。在设计中，让辐射切片的长度L和宽带W相等，这样激发的TM01和TM10两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式电场的相位差为0，若辐射切片的长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为Lc+a，另一边长度为Lc-a，前者对应一个容抗Y1=G-jB,后者对应一个感抗Y1=G+jB，只要调整a的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和45度，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线。其极化旋向取决于馈电点的接入位置。当馈电点在如下图中的所示的A点时，产生右旋圆极化波，在B点位置时，产生左旋圆极化波。Kalio和Coffey研究证明，理论上当L/W=1.029，即a=0.0143Lc，TM01和TM10两个模式的相位差为90度。另外，由实际经验可得到，此结果的50欧姆馈电点位于辐射切片对角线上，且馈电点和辐射切片顶点的距离dp在（0.35~0.39）d之间。假设馈电点到辐射切片的中心距离为L1，则L1在（0.11~0.15）Lc之间。二、设计要求工作频带1.1-1.2GH