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1、毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于C型槽天线的研究 摘 要微带天线由于重量轻、制作简单、成本低等诸多优点,特别适合应用于各种移动地面设备,以及飞行载体电子设备。但微带贴片天线同时具有阻抗带宽窄、增益低的缺点。这些缺点大大限制了它的应用范围。近些年来，随着通讯设备的发展，对天线的性能提出了更高的要求，因此迫切需要对微带天线进行新技术的研究。本文设计出了一种C型槽天线，改变了传统贴片天线阻抗带宽窄的缺点,在较小体积的条件下实现展宽带宽的目的。通过分析研究C型槽线谐振特性，选取合适的馈电方式，利用仿真软件 HFSS对该天线的参数进行了仿真和优化。研究相关几何结构尺寸的改变对C型槽天线电性能的影响
2、，探讨槽天线的基本设计原理及其多频、宽带、小型化的设计技术。根据仿真结果最后设计出了基于2.4GHz和5.8GHz为工作频率的C型槽天线，这两个频率段又分别是WLAN 的工作频率段，所以可以将天线适用于无限局域网。关键词：微带天线 槽天线 谐振点 C型槽AbstractThe microstrip antenna have been widely used because of their good characteristics, such as electrically thin, light weight, low cost and so on. However, the electri
3、cal performance of the basic microstrip antenna suffers from a number of serious drawbacks, including narrow band width, high feed network and low gain. As the rapidly developing of markets, suggest that the demand for microstrip antennas will increase even further. In the meantime, it calls for the
4、 development of multiband.This paper presents a C-slot antenna. It overcomes the disadvantage of the traditional patch antenna such as impedance bandwidth. So the purpose of exhibiting wide bandwidth can be achieved in small size. By analyzing the resonant characteristics of C-slot antenna and selec
5、ting a suitable feeding method. The parameter of the antenna is simulated using HFSS and the size of the antenna is optimized accordingly . In this paper , we study the influence on the performance according to the change of the geometric structure and discuss the principles of the antenna and the d
6、esign technology of the slot with the performance of multi-frequency, wideband and miniaturization. According to the simulated results ,we design the C-slot antenna based on 2.4GHz and 5.8GHz,which are working frequency band of WLAN, so it can be applied to WLAN net.Key word：Microstrip Antenna slot
7、antenna The antenna resonance C-slot目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论51.1微带天线的背景及研究意义51.2微带天线的国内外研究进展51.3微带天线的定义61.4微带天线的应用61.5本文的工作以及章节安排6第二章 天线基础理论72.1天线的基本参数72.1.1天线的方向特性参数72.1.2天线的阻抗特性82.1.3天线的效率82.1.4天线的极化特性82.1.5天线的有效长度和有效面积92.1.6天线频带宽度92.2传输线理论92.2.1传输线的特性参数92.2.2传输线的工作参数102.2.3传输线的工作状态102.3微带缝天线112.3.1
8、微带窄缝天线112.3.2宽缝天线11第三章 微带天线的分析方法133.1传输线法（TML）133.2腔模理论143.3积分方程法153.4微波网络法15第四章 传统微带天线设计164.1微带天线常用仿真软件164.2微带天线的理论基础174.2.1微带天线的馈线174.2.2微带辐射贴片尺寸估算174.3侧馈矩形微带天线设计184.3.1设计要求184.3.2设计步骤184.3.3设计结果18第五章 C型槽天线的设计255.1基于2.4GHz WLAN C型槽天线的设计255.2改进馈电后的C型槽天线295.3基于2.4GHz WLAN双开C型槽天线的设计335.4基于5.8GHz WLAN
9、 双开C型槽天线的设计37第六章 总结和展望42参 考 文 献43致 谢45 第一章 绪论1.1微带天线的背景及研究意义微带天线由于重量轻、制作简单、成本低、易于与载体平台共形以及适合组阵等诸多优点,特别适合应用于各种移动地面设备,以及飞行载体电子设备，因此微带天线得到了广泛的研究和发展，形成天线领域的一个独立分支。但由于高品质因素的谐振本性决定了其带宽很窄，限制了应用，所以要展宽微带天线带宽。对微带天线的研究正在蓬勃展开，这是一个具有极强生命力的课题。随着相关技术的发展，微带天线无论在理论研究，还是在工艺制造上都将越来越成熟，必将开辟更为广阔的应用领域。1.2微带天线的国内外研究进展槽天线作
10、为偶/单极子天线的互补形式，具有结构简单、交叉极化小、辐射性能良好等优点，在无线通信设备中得到广泛应用。国内外对槽天线的设计研究主要包含以下几个方面：（1）渐变槽天线。渐变槽天线最早由Lewis等人于1974年提出，它具有低剖面、适合共形、易于制作等优点，同时渐变槽天线还可以实现多倍频程带宽和对称的E面和H面方向图。根据槽线外形还可分为：直线型、阶梯形、指数型、三角型、抛物线型等等。由于通常渐变槽天线开口长度和宽度分别大于一个和半个波长，其尺寸加大，不易于其他小型化设备集成。（2）窄槽天线。Yoshimura等人于1972年提出了典型的矩形窄槽天线。该天线的缝宽比缝长小很多，且为双向辐射。由于
11、槽线本身电抗的影响，当用微带线馈电时，驻波比带宽一般限于5-7% 。L. Zhu等人对传统的矩形窄缝天线做出了改进，将输入端设计为四分之一波长的阻抗变换段，并与四分之一波长的微带开路枝节相连，按适当的偏移对缝隙偏置馈电，使得驻波比带宽达32%。（3）宽槽天线。宽槽天线由半波长的窄槽天线通过增加槽线的宽度演变而来，其长度与宽度可比拟。这种天线带宽较宽，可以使用微带线或者共面波导方便的馈电，其中宽槽的形状多样，可以设计为矩形、圆形、椭圆形以及三角形等。该天线通过多种谐振模式的组合来展宽带宽，其中存在相互正交极化的辐射模式，因此极化特性并不好。但超宽带室内通信对极化特性要求不高，因此这种天线可以作为
12、室内超宽带通信天线使用。（4）蝴蝶结槽天线。蝴蝶结天线最初是由双锥天线的平面化发展而来，它保留了双锥天线的极化稳定、带宽无高频截止等特点，克服了双锥天线重量比较重，体积也不够小的缺点；但是目前蝶形槽天线大部分由共面波导馈电，带宽均在40%左右，与其它形式的宽槽天线的带宽尚有很大差距，也不容易发挥出蝴蝶结天线本身无高频截止的阻抗带宽特性。虽然国内外对槽天线已经有较为广泛深入研究，但随着天线对宽带化、小型化以及多频段等多方面的要求日益提高，仍有诸多问题尚未解决，特别在新型结构及馈电方法等方面还有待完善。1.3微带天线的定义要对微带天线做出一个完整的定义是困难的，因为它有多种形式，结构最简单的微带天
13、线（microstrip antenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。1.4微带天线的应用在无线电技术领域，对于信息的传输，天线的作用是不可或缺的。随着社会发展和进步，对信息传输的要求也越来越高，因此天线的发展方兴未艾。微带天线的优势有低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的等，可集成到无线电设备内部，可用于室
14、内，也可用于室外，其尺寸可大可小。在许多实际设计中，微带天线的诸多优点远远超过它的缺点，使其得到了广泛的应用与发展。相信随着对微带天线功能认识的提高，微带天线一定会在更加广泛的领域得到更加广泛的应用。目前，微带天线已在空间技术，移动通信卫星和手持便携式通信设备中得到了广泛的应用。微带天线在民用上面常见于微波雷达传感器，如：2.4GHz雷达传感器，相对于传统的喇叭天线，传感器具有体积小，方向性好，使用方便等特点。另外，我国幅域辽阔，虽然有线网发展迅速，但对于广大的农村以及偏远的地域来说，无线传输可能是唯一的途径。在电视技术领域，随着电视在农村的普及以及高清晰度电视的出现，微带天线的发展和应用有着
15、广阔的市场和光明的前景。1.5本文的工作以及章节安排本论文对侧馈矩形微带天线、基于2.4GHz WLAN C型槽天线、基于2.4GHz WLAN双开C型槽天线和基于5.8GHz WLAN双开C型槽天线进行了深刻细致的研究，利用三维电磁仿真软件对C形槽天线进行了仿真设计及分析，并进行了相应的优化。论文的具体安排如下：第一章， 简单介绍了微带天线的定义和应用。介绍了微带天线的研究背景和研究进展。第二章， 主要介绍了天线的基础理论，包括基本参数、传输线理论和微带缝天线。第三章， 主要介绍了微带天线的分析方法，即常用的传输线法、腔膜理论和积分方程法。第四章， 主要对常用软件进行了介绍，以及设计了侧馈矩
16、形微带天线。第五章， 对基于2.4GHz WLAN C型槽天线、基于2.4GHz WLAN双开C型槽天线和基于5.8GHz WLAN双开C型槽天线进行了设计，并对相关参数优化，选取最适合的尺寸。第六章， 对本论文进行简单总结，并对未来发展进行展望。 第二章 天线基础理论2.1天线的基本参数2.1.1天线的方向特性参数1、方向性函数天线辐射特性与空间坐标之间的函数关系式称为天线的方向性函数，可以这样来定义天线的方向性函数：在离开天线一定距离处，描述天线辐射场的相对值与空间方向的函数关系，称为方向性函数，表示为（）。为便于比较不同天线的方向特性，通常采用归一化方向性函数。定义为：F（）= (2-1
17、)式中的为指定距离上某方向（）的电场强度值，为同一距离上的最大电场强度值；为方向性函数的最大值。2、方向图根据天线的方向函数在各种坐标系中绘出的表征天线方向特性的图称为天线的方向图。绘制方向图通常采用极坐标或直角坐标，极坐标方向图直观性强，直角方向坐标图易于表示和比较各方向上场强电平的相对大小。为了便于比较各种天线的方向图，方向图一般都对最大值归一化。3、主瓣宽度、副瓣电平主瓣轴线两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半或场强下降为最大值的）的矢径之间的夹角，称为主瓣宽度，表示为2（E面）或2（H面）。主瓣宽度愈小，说明天线辐射的能量愈集中，定向性愈好。最大副瓣的功率密度和主瓣功率密度
18、之比的对数值，称为副瓣电平，表示为： (2-2) 通常要求副瓣电平尽可能低。4、方向性系数方向性系数用来表征天线辐射能量集中的程度，其定义为：在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度的平方的比值。= (2-3)式中的分别为受试天线和理想的无方向性天线的辐射功率。5、天线增益 在相同的输入功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值。= (2-4)式中的分别为受试天线和理想的无方向性天线的输入功率。2.1.2天线的阻抗特性1、辐射电阻将天线辐射功率等效为一
19、个电阻吸收的功率，这个等效电阻就称为天线的辐射电阻。辐射功率与辐射电阻的关系为： = (2-5)式中的电流若取天线上的波腹电流，则称为“归于波腹电流的辐射电阻”；若取天线的输入电流，则称为“归于输入电流的辐射电阻”。2、输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端的电压与电流的比值，表示为 = = + j(2-6)式中的表示输入阻抗，表示输入电抗。天线的输入端是指天线通过馈线与发射机（或接收机）相连时，天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要求达到阻抗匹配。天线的输入阻抗是天线的一个重要参数，它与天线的几何形状、激励方式、与周围物体的距离等因素有关。只有少数较简单的天线才能准确计算其输入阻抗，
20、多数天线的输入阻抗则需通过实验测定，或进行近似计算。2.1.3天线的效率天线的效率定义为天线的辐射功率与输入功率之比，即 = (2-7)式中， ，分别是天线的辐射功率、输入功率和损耗功率。也可以写成 = (2-8)式中， ，分别是天线的辐射电阻、输入电阻和损耗电阻。可见为了提高天线的效率，应尽可能提高天线的辐射电阻和降低损耗电阻。2.1.4天线的极化特性天线的极化特性是天线在其最大辐射方向上电场矢量的取向随时间变化的规律。极化就是在空间给定上电场矢量的端点随时间变化的轨迹。按轨迹形状分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化天线又分为水平极化（电场方向与地面平行）和垂直极化（电场方向与地面垂直）天线
21、。圆极化天线又分为右旋圆极化和左旋圆极化天线。通常，偏离最大辐射方向时，天线的极化将随之改变。2.1.5天线的有效长度和有效面积天线的有效长度是衡量天线辐射能力的又一个参数，它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强不变的条件下，假设天线上电流分布为均匀分布，电流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度为.即称为实际天线的有效长度。发射天线的有效面积定义为一具有均匀口径场分布的口径天线的面积，该口径天线与原口径天线在最大辐射方向产生相同的辐射场强。接受天线的有效面积定义为：天线所接收的功率等于单位面积上的入射功率乘以它的有效面积。 2.1.6天线频带宽度天线的所以电参数都与工作频率有关，当
22、工作频率偏离设计的中心频率时，往往要引起电参数的变化。天线的频带宽度的一般定义是：当频率改变时，天线的电参数能保持在规定的技术要求范围内，将对应的频率范围称为该天线的频带宽度，简称带宽。天线频带宽度通常用相对带宽表示： (2-9)天线的带宽目前习惯按以下的相对带宽分类：窄带天线：0%B1%；宽带天线：1%B25%；超宽带天线：25%B200%；由于01,B是的单调减函数，因此B的最大值200%是不可能达到的，因为它对应于； B的最小值0%对应于单频工作0。2.2传输线理论2.2.1传输线的特性参数1、特性阻抗传输线的特性阻抗定义为传输线上行波电压与行波电流之比。 （2-10）对于无损耗传输线，
23、、，则 （2-11）2、传播常数 （2-12）其中（2-13）称为衰减函数，表示传输线单位长度上行波电压（或电流）振幅的变化。 （2-14）称为相位函数，表示传输线单位长度上行波电压（或电流）相位的变化。3、相速度 相速度指行波等相位面移动的速度 （2-15）4、波长 波长即波在一周期内沿线所传播的距离 （2-16）2.2.2传输线的工作参数1、输入阻抗传输线任意点的电压和电流的比值定义为该点沿向负载方向看去的输入阻抗。设已知终端电压和终端电流(2-17)式中 为终端负载阻抗。2、反射系数传输线上某点的反射波电压与入射波电压之比，定义为该点的反射系数，即(2-18)式中(2-19)称为传输线的
24、终端反射系数。3、驻波系数与行波系数一般情况下，传输线上存在入射波和反射波，它们相互干涉形成驻行波。入射波与反射波同向叠加达最大值，反向叠加达最小值。传输线上电压最大值与电压最小值之比，称为电压驻波系数或电压驻波比，用S表示，即(2-20)传输线上电流最大值与电流最小值之比，称为电流驻波系数或电流驻波比。电流驻波系数与电压驻波系数的值是一样的。行波系数定义为驻波系数的倒数。2.2.3传输线的工作状态传输线存在三种不同的状态，即行波状态、驻波状态和混合波状态。他们取决于传输线终端所接的负载。行波状态即传输线上无反射波出现，只存在入射波的工作状态。而驻波状态即当传输线终端开路（）或短路（）或接纯电
25、抗负载时，线上的反射波振幅与入射波振幅相等，两者叠加，在线上形成全驻波。三种负载所决定的驻波分布，其区别在于传输线终端处波的相位不同。混合波状态是当传输线终端所接的负载阻抗不等于特性阻抗，也不是短路、开路或接纯电抗性负载，而是接任意阻抗负载时，线上将同时存在入射波和反射波，且两者的振幅不等，叠加后形成混合波状态。2.3微带缝天线微带缝天线能产生双向辐射，对制作公差要求很低，与微带振子天线组合起来可以构成圆极化天线。2.3.1微带窄缝天线微带窄缝天线的输入阻抗主要决定于缝的尺寸、基片相对介电常数 和厚度以及馈线与缝的相对位置。微带馈线和缝的相对位置有三种形式：侧馈、偏馈及中心馈电，如图2-1所示
26、。它们形成了三种馈电方式，不管哪种馈电方式，对于微带馈线来说缝相当于传输线上的一个串联谐振回路。 （a） （b） （c）图2-1 窄缝天线的馈电方式 （a）侧馈 （b）偏馈 （c）中心馈电窄缝微带天线虽然得到了较广泛的应用，但是它有两个很大的缺点：频带窄；制作时对掩膜精度要求较高。2.3.2宽缝天线图2-2表示微带宽缝天线的结构。微带馈线超过缝的距离d，终端开路。缝长L接近。适当选择和d可达到良好的匹配。图2-2 由微带馈电的单个宽缝微带天线“宽”缝微带天线，它的缝宽和波长可比。宽缝微带天线的优点是：（1）频带宽度10%（2）用标准的光刻技术可在覆铜印刷电路板上进行生产（3）对校准掩膜的公差要
27、求较低。 第三章 微带天线的分析方法3.1传输线法（TML）利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图3-1 是此种方法的物理模型。方法的基本假设是：图3-1 传输线模型 (1) 微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准 TEM 波，波的传输方向决定于馈电点，线的长度，为准 TEM 波的波长。场在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向（图中的宽度方向）是常数。(2) 传输线的两个开口端（始端和末端）等效为两个辐射缝，长为，宽为。缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作微带两端的延伸平面，即是将开口面向上折转，而开口场强随之折转。由以上两条基本假设可以看出，当时，两缝上的切向电
28、场均为方向，且等幅同相。它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于两倍磁流向上半空间辐射。缝上等效磁流密度为为传输线开口端电压。由于缝已放平，我们在计算上半空间辐射场时，就可以按自由空间处理。这是这种方法的方便之处。（b）同轴馈线（a）微带馈线图3-2 微带天线的等效电路图3-2 是微带天线的等效电路，（a）为微带馈电方式，图中Ys 为缝隙的辐射导纳。（b）为同轴馈电方式，探针从接地板空引出，称为底馈。它与微带馈电不同之处在于会引入电感。由上述讨论可见，传输线法简明、物理直观性强。但是它的应用范围受到很大的限制。首先，传输线模型限制了它只能应用于矩形微带天线及微带振子。虽然圆形微带天线也可以有径
29、向传输线与之对应，但一般不常用。传输线的另外一个主要的缺点是，除了谐振点外，输入阻抗随频率变化曲线是不准确的。由于传输线模型是一维的，因此当馈电点的位置在与波垂直的方向上变化时，阻抗不变；其次传输线模型相当于一个单谐振回路，在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称的，用原图表示的阻抗曲线对称于实轴。上述两点均与试验不符。实验表明，阻抗曲线与馈电的二维位置有关，并且当馈电点由边缘向中心移动时，阻抗曲线的不对称逐渐显著，并向电感区收缩。这种计算与实测的差异，源于传输线法本质性的缺陷。因为微带天线并非只存在最低阶的传输线模式，还有其他高次模式场的存在，在失谐时这些模式将显示其作用。一般来说，传输线法较适
30、用于在辐射边附近馈电，并且馈电点位于该边的对称轴上，此时计算出的阻抗曲线才有较大的参考价值。传输线法的另一不完善之处是缝导纳的计算，它的电纳部分通常是按照准静态法计算的，所得到的等效伸长在高频条件下不准确，故实际上往往通过对样件的实测来确定伸长量，这样得出的数据更可靠。3.2腔模理论腔模理论是1979 由Y.T.Lo 等人提出的经典分析方法。该理论基于薄微带天线假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。腔模理论是对传输线法的发展。它能应用于范围更广泛的微带天线，并且由于涉及了高
31、次模，算得的阻抗曲线较准，且计算量不算大，比较适合工程设计的需要。图3-3微带天线上各膜的电场和壁上面的磁流分布但是，基本的腔模理论同样要经过修正，才能得到较准确的结果。特别值得注意的是边界。导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题，理论上是严格的，只是边界导纳确定比较困难，使计算只能是近似的。在腔模理论中，认为腔内场是二维函数，这在薄基片时是合理的，但对于厚基片将引入误差。由于应用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在多数情况下这不成问题。但对于近来采用厚介质基板提高带宽的微带天线设计就不适用。3.3积分方程法积分方程法也叫全波分析法，通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程, 解出源
32、分布,再由积分算式来求得总场。由于实际问题的复杂性, 积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成。全波分析中的数值分析方法主要包括矩量法、有限元法和时域有限差分法。矩量法最为常用。用矩量法分析微带天线时都会遇到Sommerfeld-Type(一类有奇异性的高振荡函数 )的积分, 传统的方法效率很低, 由于积分时间很长使得矩量法在微带天线的应用中受到极大的限制。 1997年 Seong-Ook Park 首次提出利用渐近提取法对Sommerfeld-Type积分进行处理, 积分速度有了很大提高, 使矩量法再次得到人们的重视。3.4微波网络法微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一
33、种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数，在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。 S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，
34、适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。图3-4 二端口网络 定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值。第四章 传统微带天线设计4.1微带天线常用仿真软件传输线理论和腔模理论通常是对具体的问题进行近似假设，其模型简单，并没有复杂的数值分析。而全波分析法通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程，解出源分布，再由积分算式来求得总
35、场。由于实际问题的复杂性，积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成。全波分析中的数值分析方法主要包括矩量法(MOM)，有限元法(FEM)，时域有限差分法(FDTD)，而且随着计算条件的不断改善，新的方法也不断涌现。在这些数值分析方法中，矩量法最为常用，时域有限差分法，有限元法也运用的较为广泛。随着计算机技术的发展，各种商用电磁仿真软件涌现出来。主要的厂商有：安捷伦(Agilnet)，Ansoft，zelnad 等。各种电磁仿真软件都是以矩量法、有限元、时域有限差分法等基本的电磁场全波分析方法作为内核，并配以友好的图形界面以及丰富的参数转换、图表输出功能。本文主要应用 Anso
36、ft 仿真软件进行微带天线的仿真，也有相关的书籍对 Ansoft 仿真软件进行了原理性和建模的解释说明。HFSS软件采用有限元法，计算结果准确可靠。以下是HFSS软件设计流程：1、设置求解类型。使用HFSS进行天线设计时，可以选择模式驱动（Driven Modal）求解类型或者终端驱动（Driven Terminal）求解类型。2、创建天线的结构模型。根据天线的初始尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型。3、设置边界条件。在HFSS中，与背景相接触的表面都被默认设置为理想导体边界（Perfect E）；为了模拟无限大的自由空间，在使用HFSS进行天线设计时，必须把与
37、背景相接触的表面设置为辐射边界条件或者理想匹配层（PML）边界条件，这样HFSS才会计算天线的远区辐射场。4、设置激励方式。无线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口。天线设计中的馈电面的激励方式主要有两种，分别是波端口激励（Wave Port）和集总端口激励（Lumped Port），通常与背景相接触馈电面的激励方式使用波端口激励，在模型内部的馈电面的激励方式使用集总端口激励。5、设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数，其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率。6、运行求解分析。上述操作完成后，整个仿真计算由HFSS软件自动完成。分析完成后
38、，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。7、查看求解结果。求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看HFSS分析出的天线各项性能参数。如果仿真计算的天线性能满足设计要求，接下来可以着手天线的制作和调试工作。如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用HFSS的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化设计。8、Optimetrics优化设计。如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用Optimetrics优化设计模块的参数扫描分析功能和优化设计功能来优化天线的结构尺寸，以找到满足要求的天线设计。4.2微带天线
39、的理论基础4.2.1微带天线的馈线微带天线有许多种馈电装置形式，如微带线馈电、同轴线馈电，耦合馈电（Coupled Feed）和缝隙馈电（Slot Feed）等。其中最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。1、微带线馈电微带线馈电方式又称为侧馈，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电。它可以中心馈电，也可以偏心馈电馈电点的位置取决于激励哪种模式。对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定以后,可以用以下方法进行阻抗匹配:先将中心馈电天线辐射贴片同50馈线一起光刻,测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴片与馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。如果矩形辐射贴片
40、的场沿某边有变化，那么输入阻抗也会随之变化。因此，改动馈电点的位置是获得阻抗匹配的简单办法。2、同轴线馈电同轴线馈电又称为背馈，它是将同轴插座安装在接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上，若寻取正确的馈电点位置，就可以获得良好的匹配。4.2.2微带辐射贴片尺寸估算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为，对于工作频率的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度，即(4-1)式中，c是光速。辐射贴片的长度一般取为；这里是介质内的导波波长，即为： (4-2)考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为： L=(4-3)式中，是有效介电常数，L是等效辐射
41、缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为：(4-4)(4-5)4.3侧馈矩形微带天线设计4.3.1设计要求使用HFSS设计中心频率为2.4GHz的矩形微带天线，并给出其天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm的Rogers RT/duroid 5880 (tm)，天线馈电方式为微带线馈电。 4.3.2设计步骤1、计算天线尺寸微带天线的介质基片采用厚度为1.6mm的Rogers RT/duroid 5880 (tm)，所以厚度h=1.6mm，介质的介电常数。由式（4-1）和（4-3）（4-5）计算得出：辐射贴片宽度：w=49.41mm辐射贴片长度：L=41.35mm，有效介电常数： =2.11，等效
42、缝隙宽度： =0.84mm。2、馈电点位置和输入阻抗设计中，微带线馈电点的位置选在辐射贴片的中点。此时馈电点和辐射贴片边缘距离为,可以计算出此时天线的输入导纳，从而推算出天线的输入阻抗3、阻抗匹配4、微带线的尺寸 4.3.3设计结果依据理论计算所得到的尺寸，利用HFSS软件画出的3D图形如4-1所示：（其中馈线和槽分别在两个面上，下同）图4-1 侧馈矩形微带天线的HFSS设计模型的3D模型的俯视图仿真结果如图4-2所示：图4-2 侧馈矩形微带天线的扫频分析结果从分析结果看中可以看出，天线的谐振频率落在2.44GHz上。而我们设计要求的工作频率为2.4GHz，与预设略有偏差，所以接下来需要进行适
43、当的设计优化，使天线的谐振频率落在2.4GHz上。 根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，贴片的长度越长，则谐振频率越低。接下来，我们使用参数扫描分析功能分析谐振频率随着辐射贴片长度L0的变化关系，从而找到谐振频率为2.4GHz时对应的L0值。根据不同的L0画出的曲线如图4-3所示：图4-3 不同L0对应的曲线从扫描分析结果中可以看出，谐振频率随着L0的增加而降低，当L0=40mm时，谐振频率约为2.4GHz。改变贴片宽度W，探讨其对谐振点的影响，所得曲线如图4-4所示：图4-4 不同W对应的曲线从仿真结果可以看出：改变贴片宽度W对谐振点影响不大，从而进一步验证了理
44、论天线的谐振频率主要由辐射贴片的长度L0决定。一般而言，微带天线的边缘阻抗约为100400，并符合微波器件通用50系统，所以在设计微带线馈电的矩形微带天线时，可加上一段1/4波长阻抗转换器，使得微带天线的边缘阻抗与50阻抗达成匹配。假设天线的边缘阻抗为，微带线特性阻抗为，1/4波长阻抗转换器的特性阻抗为。阻抗匹配的条件为：微带线特性阻抗，天线边缘阻抗，所以波长阻抗转换器的特性阻抗为。根据上述条件，我们下面又对天线的馈电方式和尺寸进行了改动，给天线加上一段1/4波长阻抗转换器段利用HFSS软件画出的3D图形如图4-5所示：图4-5 加上一段1/4波长阻抗转换器后侧馈矩形微带天线的HFSS设计模型
45、加上一段1/4波长阻抗转换器后侧馈矩形微带天线的扫频分析结果如图4-6：图4-6 加上一段1/4波长阻抗转换器后侧馈矩形微带天线的扫频分析结果从图中可以看出，谐振点频率落在了2.4Ghz上，且回波损耗较好，符合工业上小于-10dB的要求，匹配得较好。分析在2.4GHz下天线的表面电流密度分布（图4-7）和电场分布（图4-8）可知，因为传播方向上只有电场，没有磁场，所以天线工作模式为模。天线的表面电流密度分布（2.4GHz）：图4-7天线的表面电流密度分布（2.4GHz）天线的电场分布：图4-8 天线的电场分布（2.4GHz）加上一段1/4波长阻抗转换器后侧馈矩形微带天线的xoy平面增益方向图、xoz平面增益方向图、yoz平面增益方向图和3D方向图分别如图4-9、图4-10、图4-11和图4-12所示。xoy平面增益方向图：图4-9 天线的xoy平面增益方向图xoz平面增益方向图：图4-10 天线的xoz平面增益方向图yoz平面增益方向图：图4-11 天线的yoz平面增益方向图3D方向图：图4-12 天线的3D方向图从方向图中可以看出，传播方向为沿z轴正半轴，因为底面有金属板，所以波传不过去，被大量反射回来。由分析结果计算出该天线的相对带宽为：1.20%。可见，传统微带天线的带宽太窄，基于此情况，我们提出微带槽天线来展宽带宽。第