射頻微波技術課程設計

1、射頻微波技術課程設計專業(yè)班級：學 號： 學生姓名:指導教師： 年月日 設計題目：圓極化微帶天線仿真設計一、 內容摘要微帶天線（microstrip antenna）在一個薄介質基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構成的天線。微帶天線分2 種：貼片形狀是一細長帶條，則為微帶振子天線。貼片是一個面積單元時，則為微帶天線。如果把接地板刻出縫隙，而在介質基片的另一面印制出微帶線時，縫隙饋電，則構成微帶縫隙天線。二、設計任務及指標：設計一種諧振頻率為920MHz的圓極化貼片天線，利用Ansoft公司的HFSS13.0對其進行建模并

2、對其進行仿真分析天線的遠區(qū)輻射場特性并進行一系列優(yōu)化。進一步理解微帶天線的特性與應用，掌握微波天線的工程設計方法和技巧，熟悉三維電磁場仿真工具HFSS，了解微波天線產品的系統(tǒng)概念，提高專業(yè)素質和工程實踐能力。（1）工作頻段：9001200MHz。（2）基板FR4：H=1.5mm，Er=4.4，tand=0.02。（3）駐波比小于1.5。（4）軸比小于3dB。（5）方向性系數高于3dB。（6）極化方式RHCP。 三、設計原理：1. 微帶貼片天線的工作原理微帶貼片天線是由介質基片、在基片一面上有任意平面形狀的導電貼片和基片另一面上的地板所構成。天線要解決的兩個重要問題是阻抗特性和方向特性。前者要解

3、決天線與饋線的匹配問題；后者要解決定向輻射或定向接收問題，也就是要解決提高發(fā)射功率或接收機靈敏度的問題。而不論是阻抗特性還是方向特性都必須首先求出天線在遠區(qū)的電磁場分布，為此要求解滿足天線邊界條件的麥克斯韋方程組。對于這樣一個電磁場的邊值問題，嚴格的數學求解是很困難的。因此，經常采用工程近似的方法進行研究，即用某種初始場的近似分布代替真實的準確分布來計算輻射場。微帶天線的輻射機理實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導體完全封閉，電路中的不連續(xù)處就會產生電磁輻射。例如微帶電路的開路端，結構尺寸的突變、折彎等不連續(xù)處也會產生電磁輻射（泄漏）。當頻率較低時，這些部分的電尺寸很小，因此泄漏也

4、笑；但隨著頻率的增高，電尺寸增大，泄漏就大。在經過特殊設計，即放大成貼片狀，并使其工作在諧振狀態(tài)，輻射就明顯增強，輻射效率就大大提高，從而成為有效的天線。圖1是一個簡單的微帶貼片天線的結構，由輻射元、介質層和參考地三部分組成。與天線性能相關的參數包括輻射元的長度L、輻射元的寬度W、介質層的厚度h、介質的相對介電常數er和損耗角正切tan、介質層的長度LG和寬度WG。圖1所示的微帶貼片天線采用微帶線饋電，本文將要設計的矩形微帶天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線街頭的內芯線穿過參考點和介質層與輻射元相連接。圖1.1微帶天線的結構對于矩形貼片微帶天線，理論分析時可以采用傳輸線模型來分析其性能。矩

5、形貼片微帶天線的工總模式是TM10模，意味著電場在長度L方向有g/2的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖2（a）所示，在長度L方向上可以看作成有兩個終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣處由于終端開路，所以電壓值最大電流值最小。圖1.2微帶天線示意圖微帶天線的輻射可以用圖2.1（a）所示的簡單情況來說明。假定介質基片厚度，可以認為電場沿微帶結構的寬度與厚度方向沒有變化，則貼片天線的電場結構可由圖2.1（b）表示，電場僅沿約為半波長的貼片長度L方向變化。輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。在兩端的場相對于地板可以分解為法向分量和切向分量，因為貼片長近似為，所以法向分量反相，由它

6、們產生的遠區(qū)場在正面方向上相互抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成場增強，從而使垂直于結構表面的方向上輻射場最強。所以，貼片可以表示為相距、同相激勵的兩個縫隙，如圖2.1(c)所示。圖2.2給出了矩形微帶天線H面和E面輻射方向圖，由于接地板的存在天線主要向上半空間輻射。圖2.1 矩形微帶天線圖2.2 矩形微帶天線方向圖選擇天線的工作頻率和介質基板后，根據施奈德經驗公式（2.1），（2.2），（2.3），（2.4）可以計算出天線的長和寬。具體過程如下：選擇適當厚度的介質基片。本實驗選擇介電常數為4.4厚度為1.5mm的介質片。介質基片參數、tan和選定之后，由式（2.1）計算貼片矩形貼片天

7、線的寬度。 (2.1)對于工作于TM01模的矩形微帶貼片天線長度近似為g/2，而介質內波長g=0 /。這里為介質基片的有效介電常數，考慮到邊緣效應， 用施奈德等效介電常數代替，用式（2.2）得到。 （2.2）矩形微帶貼片天線的長度L在理論上近似為g/2，但實際上由于邊緣場的影響，在確定L的尺寸時應從g/2中減去2L。L的值由式（2.3）計算 （2.3）于是 （2.4）2. 圓極化微帶天線的基本知識圓極化微帶天線包括兩種形式：諧振微帶貼片與行波微帶線型天線。諧振貼片輻射圓極化波的基本原理是：產生兩個相互垂直的線極化電場分量，并使二者振幅相等，相位相差90。實現方法分為三類：單饋法，多饋法和多元法

8、。本次采用單饋法進行設計。單饋法的產生機理是基于空腔模型理論，利用兼并分離單元產生的兩個簡并分析模工作。設計關鍵為確定幾何微擾，即選擇簡并模分離單元的位置和大小，以及恰當的饋點。單饋法的優(yōu)點是無需外加的相移網絡和功率分配器，結構簡單，成本低，適合小型化。缺點是帶寬窄，極化性能較差。3. 設計過程（1）設計目標：工作頻率920MHz的圓極化微帶貼片天線。（2）采用單饋法（同軸饋電），矩形采用的是正方形。（3）將h=1.5mm，=4.4，中心頻率為920MHz，經過公式2.1計算得到W約等于99.23mm，公式2.2計算得到=4.28，公式2.3和2.4的計算可得L約等于77.41mm。在實際的貼

9、片天線中常采用正方形的形式，且實際仿真與理論計算之間的誤差，所以初始的貼片尺寸設計為長寬均為80mm的貼片。（4）采用右旋圓極化，切角選用三角形。切角的大小在設計過程中采用仿真的方法確定。四、貼片天線仿真：1. 新建工程，按照給定材料要求創(chuàng)建三維模型。 模型包括以下幾個部分：介質板substrate，其初始坐標（-100，-100,0），相對坐標（200,200,1.5）底層金屬ground_plane，初始坐標（-100，-100,0），相對坐標（200，200,0）金屬貼片patch，初始坐標（-40,-40,1.5），相對坐標（80,80,0）饋電點feed，圓心坐標（0,20,0），相

10、對坐標（0.5,0,1.5）板上圓孔port，圓心坐標（0,20,0），相對坐標（1.15,0,0）貼片三角形（-18，-18,1.5）和（18,18,1.5）單位均為mm背景空間air沿Z軸空間范圍為2000，沿X，Y軸范圍為100圖1.1在patch上切割三角形，最終結果如下圖圖1.22. 設置幾何變量設置幾何形狀尺寸變量（1） 設置地板ground_plane的尺寸變量：將Position的(-100mm,-100mm,0mm) (PlaneStart, PlaneStart,0)。 相對坐標（200，200,0） (PlaneSize,PlaneSize,0)。（2） 設置介質板sub

11、strate的尺寸變量：（-100，-100,0） （SubStart，SubStart，0）（200,200,1.5） （SubSize，SubSize，SubHight）（3） 設置Patch尺寸變量：（-40，-40,1.5） （PatchStart，PatchStart，SubHight）（80,80,0） （PatchSize，PatchSize，0）（4） 設置Feed尺寸變量（0,20,0） （0，FeedLocation，0）HeightSubHight（5） 設置Port尺寸變量（0,20,0） （0，FeedLocation，0）（6） 設置三角形尺寸變量（0,18,0）

12、（0，ChamSize，0）（18,0,0） （ChamSize，0,0）3. 設定三角形的位移變量展開patch/Subtract/polyline1/move，將Move Vector設置為（PatchStart，PatchStart，SubHight）4. 設置變量之間的關系PlaneStart設為-PlaneSize/2，SubStart設為-SubSize/2，PatchStart設為-PatchSize/25. Substrate材料選擇FR46. 設置邊界條件和激勵源背景空間設定為”Radiation”邊界條件，以模擬一個允許波進入空間輻射無限遠的表面。在操作歷史樹中復選 gro

13、und_plane 和patch，點擊鼠標右鍵選擇Assign BoundaryFinite Conductivity。出現對話框，不作改動，點擊ok完成設置。 Finite Conductivity （有限電導邊界）是一種電導率和磁導率均為頻率函數的有耗材料，若選擇Perfect E(理想電邊界)會使模擬結果的S11較低。為Port設置激勵源在操作歷史樹中的sheets中選定Port點擊右鍵選擇”Assign ExcitationLumped port”，在出現的對話框中將”name”設置為”port”，點擊下一步。在”Integration Line”中選擇”New Line”，出現”Cr

14、eate Line”的對話框，輸入起始坐標（0，21.15,0），激勵源向量（0，-0.65,0），表示一個從feed的激勵源向量。這里需要說明的是”Wave Port”和”Lumped port”都是常用的激勵源，前者屬于整個平面的激發(fā)，后者屬于某個點的激發(fā)。而且因為設置的求解模式”Driven Modal”，所以需要CreateLIne來畫積分線。7. 解的設置在項目管理窗口中選中”Analysis”,選擇”analysis solution setup”,在出現的對話框中設定”Solution Frequency”為920MHz，迭代次數Maximum Number of為20，Maxi

15、mum delta S為0.02，點擊對話框中的option屬性頁，按照要求設置參數。 在完成以上設置之后，在項目管理窗口的analysis下出現setup1，選中setup1點擊右鍵選擇”add frequency sweep”，出現對話框Edit sweep，設定掃頻方式”Fast”，掃頻范圍Type為”Liner Count”，Start=750MHz，Stop=1200MHz，Count=255。仿真以及結果報告8. 仿真在菜單欄中點擊HFSS Validation Check或者工具欄上的，進行檢查分析，如果工程建立沒有問題，在菜單欄中點擊HFSS Analysis All或者工具欄

16、上的進行仿真。9. 生成結果報告圖9.1當發(fā)現仿真結果并不理想時，對各項進行優(yōu)化。圖9.2 對貼片尺寸進行優(yōu)化圖9.3 對切角進行優(yōu)化圖9.4 對饋電深度進行優(yōu)化通過以上優(yōu)化可以發(fā)現，當貼片尺寸越大，頻率越低；隨著ChamSize的增大，貼片天線的S11曲線由一個波谷變成2個，且低頻處的波谷的頻率變化很小，高頻處的頻率變化范圍較大。因為在設計中切角不宜過大，所以可選用ChamSize=11.4mm，進行下一步的優(yōu)化，若下一步結果優(yōu)化不能達到設計目標，再選用其他ChamSize的值進行優(yōu)化；饋電位置的改變會對S11曲線造成較大影響。隨著FeedLocation的增大，S11曲線的兩個波谷逐漸變深

17、，且頻率幾乎不變。可以看到在FeedLocation=33mm時，最能滿足設計要求。根據優(yōu)化過程選定變量尺寸如下：PatchSize=77mm，ChamSize=11.4mm，FeedLocation=33mm，SubHight=1.5mm。9.1生成最終結果報告（優(yōu)化后）圖9.1.1貼片天線的S11曲線圖9.1.2 頻率920MHz，Phi=0，Theta從-180180的軸比曲線圖9.1.3 掃描頻率軸比曲線圖9.1.4 遠場輻射增益圖9.1.5 三維遠場輻射報告圖9.1.6 Smith 圓圖圖9.1.7 頻率在920MHz附近的駐波比曲線圖9.1.8 動畫模擬圖9.1.9 方向性圖五、實物制作及測試按照仿真尺寸進行實物制作測試結果如下六、結果分析1.經計算，貼片天線的尺寸是W=99.23mm，L=77.41mm，但在實際仿真過程中，初始選擇了80mm*80mm的正方形，經過優(yōu)化，確定了較優(yōu)的貼片尺寸77mm、饋電點深度33mm、切角大小11.4mm，與起初計算結果有些偏差，從仿真的結果看，S11-14dB也即1.5；Theta=0時，軸比為1.08583dB；頻率掃描曲線中，軸比為0.4923；由動畫模擬圖可以看出的確為右旋圓極化。2.實際制