西電CAD大作業(yè)微帶

1、西安電子科技大學(xué)天線(xiàn)CAD大作業(yè)微帶天線(xiàn)姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：微帶天線(xiàn)基本要求：工作頻帶1.1-1.2GHz，帶內(nèi)增益4.0dBi，VSWR2:1。微波基板介電常數(shù)為=6.0 ，厚度H5mm，線(xiàn)極化?？偨Y(jié)設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，給出具體的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果，如VSWR、方向圖等。（80分）拓展要求：檢索文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)并理解微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化的方法，嘗試將上述天線(xiàn)設(shè)計(jì)成左旋圓極化天線(xiàn)，并給出軸比計(jì)算結(jié)果。（20分）一 微帶天線(xiàn)1.結(jié)構(gòu)與分類(lèi)微帶天線(xiàn)是近30年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型天線(xiàn)。早在1953年就提出了微帶天線(xiàn)的概念，但并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發(fā)展和使用是在

2、70年代。常用的一類(lèi)微帶天線(xiàn)是在一個(gè)薄介質(zhì)基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線(xiàn)和軸線(xiàn)探針對(duì)貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線(xiàn)。當(dāng)貼片是一面積單元時(shí)，稱(chēng)它為微帶天線(xiàn)；若貼片是一細(xì)長(zhǎng)帶條則稱(chēng)其為微帶振子天線(xiàn)。長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W2的矩形微帶天線(xiàn)元可看作一般低阻傳輸線(xiàn)連接兩個(gè)輻射縫組成。L為半個(gè)微帶波長(zhǎng)即為g/2時(shí)，在低阻傳輸線(xiàn)兩端形成兩個(gè)縫隙a-a和b-b，構(gòu)成一二元縫陣，向外輻射。另一類(lèi)微帶天線(xiàn)是微帶縫隙天線(xiàn)。它是把上述接地板刻出窗口即縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印刷出微帶線(xiàn)對(duì)縫隙饋電。按結(jié)構(gòu)特征把微帶天線(xiàn)分為兩大類(lèi)，即微帶貼片

3、天線(xiàn)和微帶縫隙天線(xiàn)；按形狀分類(lèi)，可分為矩形、圓形、環(huán)形微帶天線(xiàn)等。按工作原理分類(lèi)，無(wú)論那一種天線(xiàn)都可分成諧振型(駐波型)和非揩振型(行波型)微帶天線(xiàn)。前一類(lèi)天線(xiàn)有特定的諧振尺寸，一般只能工作在諧振頻率附近；而后一類(lèi)天線(xiàn)無(wú)諧振尺寸的限制，它的末端要加匹配負(fù)載以保證傳輸行波。2.微帶天線(xiàn)的性能微帶天線(xiàn)一般應(yīng)用在150GHz頻率范圍，特殊的天線(xiàn)也可用于幾十兆赫。和常用微波天線(xiàn)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形(2)電性能多樣化。不同設(shè)計(jì)的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化(3)易集成。能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件。3.分析方

4、法微帶天線(xiàn)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)天線(xiàn)的性能參數(shù)(例如方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等)預(yù)先估算，這將大大提高天線(xiàn)研制的質(zhì)量和效率，降低研制的成本。這種理論工作的開(kāi)展，帶來(lái)了多種分析微帶天線(xiàn)的方法，例如傳輸線(xiàn)、腔模理論、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計(jì)算微帶天線(xiàn)的方向圖，其結(jié)果是一致的，特別是主波束。二 設(shè)計(jì)思路和過(guò)程1.根據(jù)設(shè)計(jì)要求 選中心頻率為 = 1.15GHz、厚度設(shè)為h=4mm，參考HFSS應(yīng)用詳解的微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)例，由天線(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算公式求得相關(guān)參數(shù)：介質(zhì)基板厚度:h=4mm介電常數(shù)為: 矩形貼片的寬度： 有效介電常數(shù)： 等效縫隙長(zhǎng)度： 矩形貼

5、片的實(shí)際長(zhǎng)度： 對(duì)于同軸饋電的微帶貼片天線(xiàn)，在確定貼片長(zhǎng)度L和寬度W之后，還需要確定同軸饋電的位置,饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線(xiàn)的輸入阻抗。在微波應(yīng)用中通常使用50的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，因此需要確定饋電的位置使天線(xiàn)的輸入阻抗等于50歐姆。對(duì)于 模式，在W方向上電場(chǎng)強(qiáng)度不變，因此理論上W方向上任意一點(diǎn)都可以作為饋電，一般情況在W方向上饋電位置選取在中心點(diǎn)。在L方向上電場(chǎng)有的改變，因此在L長(zhǎng)度方向上，從中點(diǎn)到兩側(cè)，阻抗逐漸變大，輸入阻抗等于50歐姆時(shí)饋電位置可以由下式計(jì)算式中 求解得參考地長(zhǎng)度 ;寬度 應(yīng)該模型選取參考地的長(zhǎng)度和寬度分別為： 2.用HFSS根據(jù)相關(guān)參數(shù)創(chuàng)建微帶天線(xiàn)模型:（1）創(chuàng)建參考地（2）創(chuàng)建介質(zhì)

6、板層（3）創(chuàng)建微帶貼片（4）創(chuàng)建同軸饋線(xiàn)的內(nèi)芯（5）創(chuàng)建信號(hào)傳輸端口面（6）創(chuàng)建輻射邊界條件模型如圖： 饋電位置3.設(shè)置激勵(lì)端口完成后，求解設(shè)置。4.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分析5.查看相關(guān)結(jié)果圖。三仿真結(jié)果分析1.天線(xiàn)的S11參數(shù)2查看天線(xiàn)的S11參數(shù)的史密斯圓圖天線(xiàn)的歸一化阻抗為（0.3961+j0.5784）3.3D增益方向圖E面方向圖H面方向圖3D增益仿真模型4選取1.15GHz某一處的軸比矩形微帶天線(xiàn)的極化方式為線(xiàn)極化四.微帶矩形天線(xiàn)的寬頻帶和圓極化1.改變貼片結(jié)構(gòu)這種方法包括：采用多貼片結(jié)構(gòu)，電磁耦合饋電；在貼片或接地板上開(kāi)槽；在電路中采用非線(xiàn)性調(diào)制元件，如變?nèi)荻O管。采用多貼片結(jié)構(gòu)，它

7、是通過(guò)寄生耦合，利用每個(gè)貼片天線(xiàn)的諧振中心頻率各不相同，而各個(gè)諧振帶寬又相互交叉，使整個(gè)天線(xiàn)的總體帶寬展寬。根據(jù)類(lèi)似的原理已研制成了多層貼片構(gòu)成的微帶天線(xiàn)。但這樣會(huì)增加微帶天線(xiàn)的厚度。在微帶貼片天線(xiàn)的不同位置開(kāi)不同形狀的槽或縫隙，可等效成引人阻抗匹配元件，使微帶天線(xiàn)的饋電端形成多級(jí)的等效諧振電路，從而實(shí)現(xiàn)頻帶的展寬。使用這一方法的一個(gè)成功的例子是微帶U型槽天線(xiàn)，U型槽微帶天線(xiàn)中心頻率1815MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到27.5%。2.采用特殊基板這種方法包括：采用楔形或階梯形基板；采用非線(xiàn)性基板材料。用非線(xiàn)性基板材料也可以拓寬微帶天線(xiàn)的頻帶，如采用鐵氧體材料作為基板材料，其電磁特性可顯著縮小天線(xiàn)尺寸，

8、還有鐵氧體具有非線(xiàn)性的色散特性，其有效磁導(dǎo)率隨頻率的升高而減低，由實(shí)驗(yàn)知鐵氧體基板的微帶天線(xiàn)具有多諧特性，可以在不同頻率上對(duì)應(yīng)同一貼片尺寸，從而實(shí)現(xiàn)展寬微帶天線(xiàn)的帶寬。但采用鐵氧體其損耗較大，效率較低。3.極化特性：各種利用貼片形狀微擾、切槽加載和多饋點(diǎn)組合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圓極化天線(xiàn)在固定波束的角域內(nèi)可提供寬頻帶、高極化純度的性能。困難的是在寬頻帶、寬角域內(nèi)保持高極化純度,以適應(yīng)固態(tài)有源相控陣輻射單元的要求。此外,為了用于極化分集或收發(fā)極化隔離的系統(tǒng)已制成多種型式的雙饋雙正交極化微帶貼片單元,但性能受制于陣列環(huán)境和饋線(xiàn)布局、其極化隔離度還有待改進(jìn)。4.基于以上方法為了改變天線(xiàn)的極化特性，特作切角處理。大多數(shù)情況下，矩形微帶天線(xiàn)工作于線(xiàn)極化模式，但是通過(guò)采用特殊的饋電機(jī)制及對(duì)微帶貼片的處理，它也可以工作于圓極化和橢圓極化模式。圓極化的關(guān)鍵是激勵(lì)起兩個(gè)極化方式相互正交的線(xiàn)極化波，當(dāng)這兩個(gè)模式的線(xiàn)極化波幅度相等，且相位相差90度時(shí)，就能得到圓極化的輻射。矩形微帶天線(xiàn)獲得圓極化特性的饋電方式有兩種：一種是單點(diǎn)饋電，另一種是正交饋電。本文采用單點(diǎn)饋電。列舉了開(kāi)槽和改變饋電位置等多種方法，仿真結(jié)果不理想,時(shí)間有限，有待優(yōu)化。五 總結(jié)：通過(guò)天線(xiàn)CAD該課程的學(xué)習(xí)，對(duì)天線(xiàn)有了更深的認(rèn)識(shí)，通