天线CAD微带天线

微带天线

基本要求: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 0=6.0 ,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。(80分)

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。(20分)

一. 微带天线 1. 结构与分类

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念,但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究,真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层) 上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片,利用微带线和轴线探针对贴片馈电,这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时,称它为微带天线;若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。

长为L ,宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L 为半个微带波长即为λg/2时,在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a 和b-b ,构成一二元缝阵,向外辐射。

另一类微带天线是微带缝隙天线。它是把上述接地板刻出窗口即缝隙,而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。

按结构特征把微带天线分为两大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线;按形状分类,可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类,无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型) 和非揩振型(行波型) 微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸,一般只能工作在谐振频率附近;而后一类天线无谐振尺寸的限制,它的末端要加匹配负载以保证传输行波。

2. 微带天线的性能

微带天线一般应用在1~50GHz 频率范围,特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比,有如下优点:

(1)体积小,重量轻,低剖面,能与载体(如飞行器) 共形

(2)电性能多样化。不同设计的微带元,其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整;易于得到各种极化

(3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。

3. 分析方法

微带天线进行工程设计时,要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等) 预先估算,这将大大提高天线研制的质量和效率,降低研制的成本。这种理论工作的开展,带来了多种分析微带天线的方法,例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图,其结果是一致的,特别是主波束。

二. 设计思路和过程

1. 根据设计要求 选中心频率为f 0 = 1.15GHz、厚度设为h=4mm,参考《HFSS 应

用详解》的微带天线设计实例,由天线几何结构参数推导计算公式求得相关参数:

介质基板厚度:h=4mm

介电常数为:εr =6 矩形贴片的宽度:W=c εr +1-1/2() =139.5mm 2f 02

2+h (1+12) -1/2 2w 有效介电常数:εe =εr +1εr -1

等效缝隙长度:∆L =0.412h (εe +0.3)(W /h +0.264)

(εe -0.258)(W /h +0.8)

矩形贴片的实际长度:L =-2∆L =49.4mm 对于同轴馈电的微带贴片天线,在确定贴片长度L 和宽度W 之后,还需要确定同轴馈电的位置, 馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常使用50Ω的标准阻抗,因此需要确定馈电的位置使天线的输入阻抗等于50欧姆。 对于TM 10 模式,在W 方向上电场强度不变,因此理论上W 方向上任意一点都可以作为馈电,一般情况在W 方向上馈电位置选取在中心点。

在L 方向上电场有λg /2的改变,因此在L 长度方向上,从中点到两侧,阻抗逐渐变大,输入阻抗等于50欧姆时馈电位置可以由下式计算

x f =

式中 ξre (L)= εr +1εr -1

2+h (1+12) -1/2 2L

求解得x f =10.7mm

参考地长度L GND ≥L +6h ;宽度W GND ≥W +6h

应该模型选取参考地的长度和宽度分别为:L GN D =75mm W GND =164mm

2. 用HFSS 根据相关参数创建微带天线模型:

(1)创建参考地

(2)创建介质板层

(3)创建微带贴片

(4)创建同轴馈线的内芯

(5)创建信号传输端口面

(6)创建辐射边界条件

模型如图:

馈电位置

3. 设置激励端口完成后,求解设置。

4. 设计检查和运行仿真分析

5. 查看相关结果图。

三.仿真结果分析

1. 天线的S11参数

2查看天线的S11参数的史密斯圆图

天线的归一化阻抗为(0.3961+j0.5784)

3.3D 增益方向图

E 面方向图

H 面方向图

3D 增益仿真模型

4选取1.15GHz 某一处的轴比

矩形微带天线的极化方式为线极化

四. 微带矩形天线的宽频带和圆极化

1. 改变贴片结构

这种方法包括:采用多贴片结构,电磁耦合馈电;在贴片或接地板上开槽;在电路中采用非线性调制元件,如变容二极管。

采用多贴片结构,它是通过寄生耦合,利用每个贴片天线的谐振中心频率各不相同,而各个谐振带宽又相互交叉,使整个天线的总体带宽展宽。根据类似的原理已研制成了多层贴片构成的微带天线。但这样会增加微带天线的厚度。 在微带贴片天线的不同位置开不同形状的槽或缝隙,可等效成引人阻抗匹配元件,使微带天线的馈电端形成多级的等效谐振电路,从而实现频带的展宽。使用这一方法的一个成功的例子是微带U 型槽天线,U 型槽微带天线中心频率1815MHz ,相对带宽达到27.5%。

2. 采用特殊基板

这种方法包括:采用楔形或阶梯形基板;采用非线性基板材料。

用非线性基板材料也可以拓宽微带天线的频带,如采用铁氧体材料作为基板材料,其电磁特性可显著缩小天线尺寸,还有铁氧体具有非线性的色散特性,其有效磁导率随频率的升高而减低,由实验知铁氧体基板的微带天线具有多谐特性,可以在不同频率上对应同一贴片尺寸,从而实现展宽微带天线的带宽。但采用铁氧体其损耗较大,效率较低。

3. 极化特性:各种利用贴片形状微扰、切槽加载和多馈点组合等技术实现的圆极化天线在固定波束的角域内可提供宽频带、高极化纯度的性能。困难的是在宽频带、宽角域内保持高极化纯度, 以适应固态有源相控阵辐射单元的要求。此外, 为了用于极化分集或收发极化隔离的系统已制成多种型式的双馈双正交极化微带贴片单元, 但性能受制于阵列环境和馈线布局、其极化隔离度还有待改进。

4. 基于以上方法为了改变天线的极化特性,特作切角处理。

大多数情况下,矩形微带天线工作于线极化模式,但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理,它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波,当这两个模式的线极化波幅度相等,且相位相差90度时,就能得到圆极化的辐射。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,另一种是正交馈电。本文采用单点馈电。

列举了开槽和改变馈电位置等多种方法,仿真结果不理想, 时间有限,有待优化。

五 总结:

通过天线CAD 该课程的学习,对天线有了更深的认识,通过特别是大作业,在大作业的完成过程中,熟悉了HFSS 仿真软件,之前对天线只停留在想象阶段,通过HFSS 仿真软件,可以观察天线的具体辐射特性等,对天线的各性能参数有了进一步的理解,通过设计和优化过程,了解到各尺寸对天线性能的影响。该课程对今后有关天线的学习和工作有很大的帮助。


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