四極化螺旋天線設(shè)計部分

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 四極化天線的設(shè)計制作與測量 指導(dǎo)教師： 周曉平 職稱： 副教授 學(xué)生姓名： 李小飛 學(xué)號： 20092410217 專 業(yè)： 電子信息工程 院（系）： 信息工程學(xué)院 完成時間： 2013年5月30號 2013年 5月 30日27 / 27文檔可自由編輯打印四極化天線的設(shè)計、制作與測量摘要:天線是無線設(shè)備中不可缺少的一部分，本文即圍繞天線展開。對稱陣子天線由于結(jié)構(gòu)簡單，因此廣泛用于雷達、通訊、電視和廣播等無線電技術(shù)設(shè)備上。正交陣子天線輻射電場的有效方向圖是一個圓，廣泛用于電視及調(diào)頻廣播發(fā)射天線。正交振子天線雖然很早已投入使用，但是實現(xiàn)的單一極化方式很難滿足要求。

2、定向耦合器廣泛用于功率分配、合成器、平衡放大器和幅度控制系統(tǒng)。由于微帶線具有平面電路結(jié)構(gòu)，用其做成的定向耦合器往往比波導(dǎo)型的立體結(jié)構(gòu)簡單得多，在微波集成電路中獲得廣泛應(yīng)用。本論文基于正交振子天線的工作原理，及定向耦合器的功率分配的作用，設(shè)計了四極化天線。推導(dǎo)了半波對稱陣子的輻射場公式；研究了正交振子天線及微帶線定向耦合的特性；設(shè)計了正交振子天線；設(shè)計了微帶線對稱分支線定向耦合器；運用電磁場仿真軟件HFSS13.0，對所設(shè)計天線的特性進行了較為詳細的建模和仿真，得到了較小的駐波比及輻射方向圖等，實現(xiàn)了垂直極化波、水平極化波、左旋圓極化波和右旋圓極化波四個功能，對所設(shè)計的天線進行了制作；利用矢量網(wǎng)

3、絡(luò)分析儀及天線測試系統(tǒng)對制作的天線進行了測量。駐波比的仿真結(jié)果與實測結(jié)果誤差較小。關(guān)鍵詞 對稱陣子天線 正交陣子天線 定向耦合器 四極化天線 HFSS仿真4.2四極化天線仿真步驟4.2.1新建工程文件 打開HFSS13.0軟件，打開File選項單擊Save as，在默認目錄下，鍵入文件名sijihuatianxian（注：存儲目錄和文件名必須是英文或是數(shù)字，不然軟件運行肯能會出錯）。單擊工具欄里的 按鈕，在左下project窗口會出現(xiàn)默認的的設(shè)計HFSSDesign1，展開后查看Model、Boundaries等選項 。圖4.34.2.2求解設(shè)置單擊主菜單欄HFSS Solution Type

4、，選擇Driven Model，單擊OK。如圖所示。選擇長度單位，單擊Modeler>Units，選擇mm單位，點擊OK，如圖4.4所示 圖4.4 4.2.3添加和使用變量從主菜單欄中選擇HFSS Design Properties命令，打開“設(shè)計屬性”對話框，單擊對話框中的按鈕。打開Add Property 對話框。在Name中輸入變量length1，Value想輸入變量的初始值為43mm，然后單擊OK按鈕；此時添加了變量length1，重復(fù)以上操作，添加length2=24mm，h1=2mm，l=1.5mm，d=0.8mm，最后單擊“設(shè)計屬性”的對話框的確定按鈕，完成變量定義，如圖4

5、.5所示 圖4.54.2.4在模型庫中添加新材料在工具欄中選擇ToolsEdit Configured LibrariesMaterials,單擊，出現(xiàn)如下的對話框，在Material Name處填mysub，其余參數(shù)如圖4.6所示圖4.64.2.5創(chuàng)建四極化天線結(jié)構(gòu)模型1.創(chuàng)建接地板從主菜單欄選擇DrawRectangle命令，或者單擊工具欄中的按鈕，進入創(chuàng)建長方形模型的狀態(tài)，在界面上任意畫一個長方形，畫好后，出彈出Attribute對話框，在對話框中修改屬性，命名為gnd如下圖所示。最后按Ctrl+D，使模型大小適中。再在歷史樹下的sheets展開gnd，雙擊CreateRectangle

6、,在彈出的對話框中修改gnd的坐標(biāo)參數(shù)，如圖4.7所示圖4.7 畫好后如圖4.8所示 圖4.8 2.創(chuàng)建介質(zhì)板層從主菜單欄中選擇DrawBox命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建長方體模型狀態(tài)，在界面上任意位置畫一個長方體，在彈出的屬性框中修改屬性，命名為subtrate如下圖所示。再如上，雙擊subtrate下的CreatBox,彈出如下對話框，參數(shù)如圖4.9所示圖4.9畫好介質(zhì)板后如右圖4.10圖4.103.饋電端口從主菜單欄中選擇DrawCircle命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建圓的狀態(tài)，在界面上任意畫出一個圓面，在彈出的屬性框中修改屬性，命名為port1，如下圖所示再雙擊port1節(jié)

7、點下的CreatCircle，修改坐標(biāo)參數(shù)，具體如圖4.11所示圖4.11然后用同樣的方法分別畫出三個圓，分別命名為port2、port3、port4，位置相差90度。畫好后如圖4.12所示圖4.12從主菜單欄中選擇DrawCircle命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建圓的狀態(tài)，在界面上任意畫出一個圓面，在彈出的屬性框中修改屬性，如圖4.13所示，然后用同樣的方法分別再畫出三個圓，位置相差90度。圖4.13畫好后如圖4.14所示圖4.14在左邊的歷史樹中按住Ctrl鍵先后選擇port1、Circle1，單擊工具欄中的按鈕，出現(xiàn)如下所示的屬性框，選擇不保留circle1。按照同樣的方法，分別從p

8、ort2、port3、port4上減去circle2、circle3、circle4。畫好后如圖4.15所示圖4.154.創(chuàng)建饋線從主菜單欄中選擇DrawCylinder命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建圓柱模型狀態(tài)，在界面上任意畫出一個圓柱，在彈出的屬性框中，修改屬性，命名為cable1，如圖4.16所示圖4.16畫好后如圖4.17所示 圖4.17然后用同樣的方法分別畫出三個圓柱，分別命名為cable2、cable3、cable4，位置相差90度。如圖4.18所示圖4.185.創(chuàng)建陣子臂從主菜單欄中選擇DrawCylinder命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建圓柱模型狀態(tài)，在界面上任意畫出一

9、個圓柱，在彈出的屬性框中，修改屬性，命名為antenna1，如下圖所示。然后用同樣的方法分別畫出三個圓柱，分別命名為antenna2、antenna3、antenna4，位置相差90度。如圖4.19所示圖4.19畫好antenna2、antenna3、antenna4后如圖4.20所示圖4.20單擊工具欄中的按鈕，選擇平面，從主菜單欄中選擇DrawCylinder命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建圓柱模型狀態(tài)，在界面上任意畫出一個圓柱，在彈出的屬性框中，修改屬性，如圖4.21所示。圖4.21然后用同樣方法畫出其它三個陣子臂。（注：畫Clinder3和Clinder4時需要注意將平面改為），畫好

10、后如圖4.22所示圖4.22分別選中antenna1和Clinder1，如圖4.23所示，單擊按鈕，圖4.23同樣分別將antenna2與Clinder2、antenna3與Clinder3、antenna4與Clinder4合并，如圖4.24所示圖4.24按住Ctrl鍵同時選中antenna1、antenna2、antenna3、antenna4，單擊工具欄中的，彈出如圖4.25對話框，選擇旋轉(zhuǎn)45度角，點擊確定。圖4.25同樣的方法把port1、port2、port3、port4和cable1、cable2、cable3、cable4都旋轉(zhuǎn)45度，旋轉(zhuǎn)后如圖4.26所示圖4.26在左邊的歷

11、史樹中，按住Ctrl鍵按先后順序選擇gnd、port1、port2、port3、port4，然后單擊工具欄中的按鈕，出現(xiàn)如圖4.27所示的對話框，下面的屬性框打勾，表示保留port1、port2、port3、port4四個端口。圖4.27 圖4.28在左邊的歷史樹中按住Ctrl鍵先后選擇subtrate、cable1、cable2、cable3、cable4，單擊工具欄中的，出現(xiàn)如圖4.28的對話框，對話框下面打鉤，保留cable1、cable2、cable3、cable4。6.創(chuàng)建耦合器的主線和分支線從主菜單欄選擇DrawRectangle命令，或者單擊工具欄中的按鈕，進入創(chuàng)建長方形模型的狀

12、態(tài)，在界面上任意畫一個長方形，畫好后，出彈出屬性框，在屬性框中修改屬性，命名為coupler，其他參數(shù)如圖4.29所示。最后按Ctrl+D，使模型大小適中。圖4.29畫好后如圖4.30所示圖4.30選中coupler，然后點擊工具欄中的，在右下角的坐標(biāo)中輸入按Enter鍵按Enter鍵 畫好后如圖4.31所示圖4.31從主菜單欄選擇DrawRectangle命令，或者單擊工具欄中的按鈕，進入創(chuàng)建長方形模型的狀態(tài)，在界面上任意畫一個長方形，畫好后，出彈出屬性框，在屬性框中修改屬性，其參數(shù)如圖4.32所示。最后按Ctrl+D，使模型大小適中。圖4.32選中剛才畫的長方形，然后點擊工具欄中的，在右下

13、角的坐標(biāo)中輸入按Enter鍵按Enter鍵最后，按住Ctrl鍵，選中剛才畫的四個長方形，單擊工具欄中的如圖4.33所示圖4.337.繪制空氣腔從主菜單欄中選擇DrawBox命令，或者單擊工具欄中的，進入創(chuàng)建長方體模型狀態(tài)，在界面上任意位置畫一個長方體，在彈出的屬性框中修改屬性，命名為air如圖4.34所示圖4.34畫好后如圖4.35所示圖4.358.創(chuàng)建輻射邊界條件在左邊的歷史樹中選中coupler，右鍵選擇Assign BoundryPefect E，點擊OK；同樣的方法設(shè)置gnd。然后選中air，右鍵選擇Assign BoundryRadiation，點擊OK。這樣設(shè)置的邊界條件的名稱會自

14、動添加到工程樹Boundries下面。4.2.6設(shè)置激勵端口在左邊的歷史樹中選中port1，右鍵選擇Assign ExcitationLumped port，出現(xiàn)如下對話框，命名為L1，單擊下一步，選擇new line，在port1端口由內(nèi)徑沿著半徑方向畫一條矢量線，因為port是一個圓環(huán)，還必須保證矢量線的起點和終點都在port1上（注：畫積分線時，可以把port1放大到可以清晰看見圓環(huán)畫出積分線，也可以在右下角輸入坐標(biāo)）。畫好后，如圖4.36所示 圖4.36同樣的方法，分別在port2、port3、port4上畫出積分線。此時集總端口的名稱會自動添加到工程樹Excitations下。4.2

15、.7設(shè)置求解頻率右擊工程樹下的AnalysisAdd Solution Setup，出現(xiàn)如下對話框，中心頻率設(shè)置為3GHz，最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02。單擊確定后，在Analysis節(jié)點下會自動添加Setup1。 圖4.37 圖4.38再右鍵單擊Setup1Add Frequence Setup，出現(xiàn)如圖4.38所示的對話框，掃描類型選擇Fast，頻率范圍選擇2.83.2GHz，步長為0.05GHz。4.2.8設(shè)計檢查和運行仿真分析單擊工具欄中的，會出現(xiàn)如圖4.39對話框，點擊Close。圖4.39單擊工具欄中的，開始運行仿真，右下角顯示進度4.2.9查看天線諧振點運行結(jié)束后，右鍵

16、單擊工程樹下的Results節(jié)點，在彈出的菜單中選擇Create Model Solution Data ReportRectangular Plot命令，打開如圖4.40所示的“報告設(shè)置”對話框，設(shè)置各項與圖一樣，單擊New Report按鈕，再單擊Close按鈕關(guān)閉對話框。 圖4.40 圖4.41從圖4.41中可以看出當(dāng)頻率為 3.03GHz時，最小，約為-16dB分析：有圖可知，天線諧振點不是在3G，因此需要通過調(diào)節(jié)天線和諧振頻率相關(guān)的參數(shù)，如陣子臂之間的距離l，陣子臂長度length2。這些參數(shù)是和天線的頻率成反比的，因此需要增大l或length2。4.2.10查看優(yōu)化后天線性能1.查

17、看參數(shù)圖4.42圖4.43注：有模型可知，1和4、2和3端口是完全對稱的，故在此僅示出了1和2端口的一些參數(shù)。2.查看駐波比 右鍵單擊工程樹下的Results節(jié)點，在彈出的菜單中選擇Create Model Solution Data ReportRectangular Plot命令，打開如圖4.44所示的“報告設(shè)置”對話框，設(shè)置各項與圖一樣，單擊New Report按鈕，再單擊Close按鈕關(guān)閉對話框。 圖4.44圖4.45圖4.463.查看天線三維增益圖 右鍵單擊工程樹下的Raditation節(jié)點，在彈出菜單中選擇Insert Far Field SetupInfinite Sphere命

18、令，打開“遠區(qū)輻射球面設(shè)置”對話框，Name處輸入3D，其他保持不變，如圖4.47所示，然后單擊確定按鈕。 圖4.47右鍵單擊工程樹下的Results節(jié)點，在彈出菜單中選擇Create Far Field Report3D Ploar Plot命令，打開報告設(shè)置對話框，采用圖4.48設(shè)置，單擊New Report 按鈕，生成三維圖。從圖中可以看出該天線最大增益方向為z軸方向。 圖4.48 圖4.49圖4.504.查看平面方向圖右鍵單擊工程樹下的Raditation節(jié)點，在彈出菜單中選擇Insert Far Field SetupInfinite Sphere命令，打開“遠區(qū)輻射球面設(shè)置”對話框

19、，Name處輸入2D，其他設(shè)置如圖4.51所示，然后單擊確定按鈕。圖4.51右鍵單擊工程樹下的Results節(jié)點，在彈出菜單中選擇Create Far Field ReportRaditation Pattern命令，在打開的對話框中，Geometry項選擇2D；其他采用下圖4.52所示設(shè)置，單擊New Report按鈕，生成的E面增益方向圖。圖4.52圖4.53圖4.54從圖4.53（圓極化）可知結(jié)果的最大增益沒有在0度附近，有偏差。這是由于所設(shè)計的耦合器的尺寸有一定的偏差引起的；圖4.54中（線極化），偏差較小，基本符合線極化的要求。第五章 四極化天線制作與測量第六章 總結(jié)及展望本論文通過

20、利用Asoft HFSS仿真軟件，研究了四極化天線的設(shè)計，給出了四極化天線的基本原理，和其重要參數(shù)的分析。在這個過程中，我對天線有了進一步的認識，極大地豐富了我天線方面的只是，具備了設(shè)計天線的初步能力。通過親手制作該四極化天線。熟悉了電路板印刷的基本步驟，并能夠制作簡單天線，增強了自己的動手能力。本文基于旋轉(zhuǎn)場天線和微帶分支線定向耦合器的基本原理，研究了四極化天線。通過軟件仿真，使天線的一些性能參數(shù)基本達到了要求，但是天線的增益較低，不能滿足一般的使用要求，因此可以選擇其他的方法提高天線的增益。天線的頻帶寬度也不是很寬，現(xiàn)在是寬頻帶天線是比較難以實現(xiàn)的，通常都是在一些指標(biāo)中折中選擇。由于時間問

21、題，本文仍存在一些問題有待于進一步的研究，比如在天線的上方加銅片是否能提高天線增益、如何改變耦合器尺寸，使得天線的諧振點增益、阻抗匹配等問題達到最佳，并應(yīng)用到實際制作中。致謝 本論文得以順利完成，受益于周曉平老師的悉心指導(dǎo)和幫助，在軟件仿真、理論分析、論文編寫方面，周老師都對我進行了很大的幫助。周老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識成為我今后學(xué)習(xí)和榜樣。在周老師的悉心指導(dǎo)下，我積累了很多專業(yè)知識，不僅強化了我已學(xué)的專業(yè)知識，而且在此基礎(chǔ)上學(xué)會了更多沒有學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識，這為我以后研究生的學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。 更為重要的是，在學(xué)到了科學(xué)研究的思想和方法以及做人做學(xué)問的原則，這些都將使我受用終身。 參考文獻1. 宋錚等著.天線與電波傳播（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社,2011 2. 李宗謙等著.微波工程基礎(chǔ).清華大學(xué)出版