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1、 编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）小型化双通带微波器件结构设计 电子科学与技术2009-3班题目： 姓名： 学号：班级： 二一三年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 学 号： 04091772 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电子科学与技术 设计题目： 小型化双通带微波器件结构设计 专 题： 指导教师： 职 称： 二一三年 六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级 电子科学与技术2009级 学生姓名 任务下达日期： 2012年12月31日毕业设计日期： 2012年12月31日至2013年6月12日毕业设计题目： 小型化双通带微波器件结构设计毕业
2、设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求： 本论文主要研究小型双通带微波器件结构设计中的双通带微波天线和滤波器的结构设计。在频谱资源日益紧张和手机通讯系统的需要的趋势下，微波天线和滤波器的多频带化已经成为一种必须。利用电磁仿真软件HFSS12.0在前人的基础上，设计、仿真出一种小型化PIFA天线。该天线的两个谐振频率分别为770HZ和1.7GHZ，带宽分别覆盖在660MHZ到820MHZ和1.57GHZ到1.85GHZ，滤波器保留波段的中心频率为2.2GHZ和4.7GHZ ，保留带宽分别为30MHZ 和50MHZ ，天线和滤波器的性能基本满足设计要求，有一定的实用性。院长签字： 指导教师签字：
3、年 月 日中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题
4、正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日 摘 要 本论文主要研究小型双通带微波器件结构设计中的双通带微波天线和滤波器的结构设计。微波器件是指工作在微波波段的器件，波段频率在300300000兆赫。把微波器件按功能可以分为微波天线、滤波器、振荡器、混频器、功率放大器等。在电路设计中，将上述器件进行组合可以成为特定功能的微波电路，如：发射机、天线系统、接收机、雷达通信系统等。在频谱资源日益紧张和手机通讯系统的需要的趋势下，微波天线和滤波器的多频带化已经成为一种必须。利用电磁仿真
5、软件HFSS12.0在前人的基础上，设计、仿真出一种PIFA天线。该天线的两个谐振频率分别为770HZ和1.7GHZ，带宽分别覆盖在660MHZ到820MHZ和1.57GHZ到1.85GHZ，频段基本满足了GSM系统的要求。辐射方向为全方位辐射，满足手机天线的需求。此天线由理想金属接地板，金属辐射贴片，介质板，馈电系统组成。滤波器保留波段的中心频率为2.2GHZ和4.7GHZ ，保留带宽分别为30MHZ 和50MHZ ，组成基本和天线相似。两种器件均具有体积小，制作简单，性能达标等优点。只要在贴片上开槽，改变电流分布，就实现了双通带效应，因此得到了广泛的应用与推广。优化重要规格参数可使天线性能
6、在一定程度上达到最佳程度。关键词：双通带微波器件 双通带微波天线 双通带滤波器 GSM ABSTRACT In this thesis, a small dual-band microwave device structure design dual-band microwave antenna and filter design. Microwave device is a device operating in the microwave band, the frequency band 300 to 300,000 MHz. The microwave devices can be di
7、vided according to the functions of microwave antennas, filters, oscillators, mixers, power amplifiers, etc. In the circuit design, the combination of the device specific functionality can be a microwave circuit, such as: a transmitter, an antenna system, the receiver, radar communication systems. S
8、pectrum resources in an increasingly tense and mobile communication systems needed trend, microwave antennas and filters multiband technology has become a necessity. Using electromagnetic simulation software HFSS12.0 predecessors, based on the design, simulation, a kind of PIFA antenna. Two resonant
9、 frequencies of the antenna were 770HZ and 1.7GHZ, bandwidths covering the 660MHZ to 820MHZ and 1.57GHZ to 1.85GHZ, band basically meet the requirements of the GSM system. Radiation direction is full of radiation, to meet the needs of mobile phone antenna. This antenna is ideal for metal ground plat
10、e, metal radiation patch, medium plate, the feed system. Filter center frequency band reserved 2.2GHZ and 4.7GHZ, and the reserved bandwidth respectively 30MHZ 50MHZ, similar to the components of the basic and antenna. Both devices with small size, making simple, performance standards and other adva
11、ntages. As long as the slot on the patch and change the current distribution, to achieve a double-pass band effect, so it has been widely used and promotion. Important specifications can optimize antenna performance to some extent, to achieve the best level.Keywords: dual-band microwave devices dual
12、-band microwave antenna dual-band filter GSM 目 录 1 绪论11.1微波器件的发展史及现状11.1.1微波器件的发展史11.1.2微波器件的现状及发展趋势11.2 双通带微波器件研究的背景及意义41.2.1双通带微波器件（天线、滤波器）研究的背景及意义41.3本论文主要内容及内容安排52 双通带微波器件设计62.1设计双通带微波器件的任务和要求62.1.1设计双通带天线的任务和要求62.1.2设计双通带滤波器的任务和要求62.2 HFSS软件的介绍62.3 HFSS软件设计的具体过程72.4 HFSS 所显示的参数结果图所代表的意义82.4.1电路
13、参数82.4.2辐射参数102.4.3阻抗匹配113 双通带微波天线的设计133.1双通带微波天线（PIFA）的实现原理133.2第一款天线的设计过程143.2.1天线模型中各部分的尺寸位置表143.2.2设计金属接地板Ground，并将其设置为PerfE_gnd。143.2.3创建介质板FR4，将FR4的相对介电常数设置为4.3。143.2.4设计理想导体辐射贴片patch，并将其设置为PerfE_patch。143.2.5创建馈电探针feed,并将其设置为Lumped Pord。153.2.6创建短路板short,并将其设置为PerfE_short。153.2.7创建空气腔air,并将其设
14、置为理想辐射边界。153.2.8设置求解频率，设置扫频方式和范围。163.2.9保存设计好的工程，点击检查，确认无错，开始运行。163.3 对第一款天线仿真及结果的分析163.3.1得出回波损耗图并对天线回波损耗系数S(1，1)进行分析163.3.2天线3D远场电场辐射强度图以及对图的解析173.3.3天线2D远场辐射强度图，以及对图的解析。183.4第二款天线的设计过程193.4.1天线模型中各部分的尺寸位置表193.5 对第二款天线仿真及结果的分析203.5.1得出回波损耗图（图 3-11）并对天线回波损耗系数S(1，1)进行分析203.5.2天线3D远场电场辐射强度图（图 3-12）21
15、3.5.3天线2D远场辐射强度图224 双通带滤波器的设计234.1双通带滤波器的实现原理234.1.1发夹型阻抗谐振器234.1.2微带发夹型双通带滤波器的设计原理及结构234.2滤波器的设计过程244.3对滤波器仿真及结果的分析255 总结26参考文献27翻译部分28中文译文32致 谢39第 40 页 1 绪论1.1微波器件的发展史及现状1.1.1微波器件的发展史在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波形及极化变化、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波器件。简单的说，微波器件就是工作在微波频段的电磁元件。在实际的微波系统中，各种形式的有源元件用于微波的产生、
16、放大、倍频、变频等关键问题，微波固体电子学的发展成为这些有源元件发展的主要动力，在过去的几十年里，各种形式的微波半导体器件不断出现，推动了微波技术的发展。二十世纪五十年代，出现了微波二极管，其工作频率可达100GHZ，但工作效率较低。进入60年代后，微波半导体器件以硅双极微波晶体管为主，至今仍是微波低端半导体功率器件的一种选择。70年代中期，相关的研究转入电子迁移率更高的GaAs MOSFET器件，并形成了微波单片集成电路的集成化进步，同时进入到毫米波低端。80年代初，分子束外延和金属有机化合物汽象淀积等先进技术的发展，使得人们可以在原子尺度上发展半导体材料，超晶格和异质结 由理论设想转化为实
17、际物理结构，新型材料和新型器件层出不穷，如高电子迁移率晶体管、赝配晶体HEMT(PHEMT)、异质结双极晶体管（HBT）等。从90年代开始，微波半导体器件呈现两大趋势：一是硅基的集成电路由于工艺的发展形成了射频互补金属氧化物半导体器件（RF CMOS）和射频微机械电子系统（RF MEMS）的新的研究和应用，比如恩智浦半导体发布的BFU725F微波NPN晶体管，即采用的用于分立器件的硅锗碳（SIGeC）工艺技术，具有高开关频率、高增益和超低噪声等多重特点；另外是化合物半导体由于新材料的发展，形成了宽禁带半导体和窄禁带半导体器件的研究。现阶段，八九十年代发展起来的微波半导体器件仍然是现如今的主要发
18、展方向。前不久，佐治亚理工大学的研究者采用碳60薄膜利用常温工艺制造出高性能场效应晶体管，在常温工艺下即可达2.75cm2/v/s的电子迁移率。相信研发人员在利用有机材料制作晶体管的同时，会尝试利用新材料的形成来增加电子移动率的途径，以便得到更有效的微波半导体器件。1.1.2微波器件的现状及发展趋势 微波与所遥感的目标和背景相互作用, 产生散射、辐射、吸收、谐振等现象, 是利用微波遥感器获得目标和背景的信息, 实现遥感或探测的机理。当前对陆地、海洋、大气遥感的目的是实现资源调查、土地利用、环境监测、灾害预报、气象观测。涉及到大气、海洋、陆地中的处于各种形式、状态下的所有物体作为目标和背景。从理
19、论上讲它们属于不同的介质。这些介质可分为均匀介质、电解质溶液介质、非均匀性混合介质。在具体研究处理电磁波与介质的相互作用时, 按其具体情况又把介质划分为连续介质、离散介质、无耗介质、有耗介质、各向异性介质、分层介质、随机介质、分形介质、旋波介质等。麦克斯韦方程是描述介质与波相互作用产生辐射、散射、衰减等现象的数学公式。因为微波遥感对象是极其复杂的, 所以所建立的麦克斯韦方程更难得到严格解, 只能用近似解析法和数值法求解。在近似解法中已有微扰法、变分法、迭代法、光学法、物理光学法、几何射线法、物理射线法、算子法、有限元法、场路结合法等。有时还要处理非线性微分方程的解的问题。介质的作用在麦克斯韦方
20、程和辐射传输方程中反映在各项的系数中。建立起符合实际的物理模型, 对介质的电参数掌握准确数值, 是取得数学模型的关键。微波遥感理论研究是从理论上说明某种特性的观测目标能产生多大强度的, 与哪些观测参数有关的辐射、散射、吸收量。反之, 从微波遥感器获得的数据或图像中建立起目标的性质和状态。前者为电磁场中的解析问题, 或正问题, 利用解析微分方程的方法。后者属于积分方程反演, 或逆问题, 属于物性或图像的恢复与重建问题。为了建立起目标或背景的物理模型, 提供较准确的参量, 不仅要从体积大小、几何形状、状态、物理化学性质研究目标和背景, 而且还要从产生电磁波与物质相互作用的原子、分子结构的微观世界中
21、研究目标和背景的行为。由于微波遥感对象的复杂性和不确定性, 所以只能建立起基本与实际一致的物理模型和数学模型。用实地试验法检验理论模型的正确性是至关重要的。可以说微波遥感研究是电磁场理论研究和实际测量相结合的理论密切联系实验的研究课题。微波遥感理论研究势必促进电磁场理论向纵深发展。 我国的微波遥感理论研究近年来受到国家重视, 国家自然科学基金委的重大课题、重点课题和面上课题都支持了有关微波成像理论研究、目标和背景的散射和辐射研究。通过国家“六五”、“七五”、“八五”重点攻关项目取得了一批合成孔径侧视雷达、微波辐射计和散射计的实际飞行图像和数据, 进行了相应的理论研究。中科院电子所, 电子科技大
22、学、复旦大学、西安电子科技大学、中科院遥感所等单位作了许多有成效的工作, 取得了一批成果。我国微波遥感器研制和应用是在国家统一规划下发展起来的。1972 年美国发射成功第一颗地球资源卫星, 揭开了卫星对地观测应用的一页。中国科学院不失时机地于1973 年组织了地球资源卫星调研工作, 出版了“地球资源技术卫星”、“地球资源卫星及其应用”。随之制定了遥感器研制计划, 于1974 年启动了几种主要遥感器的研制: 上海技术物理所研制机载红外扫描仪, 长春光机所研制机载多光谱相机, 电子所研制机载合成孔径侧视雷达, 长春物理所研制机载微波辐射计。到1977 年研制成功了机载多光谱相机、机载红外扫描仪,
23、机载微波辐射计。1977 年9 月至11 月, 中科院与国家计委地质总局联合在新疆哈密帕尔岗地区进行了我国第一次航空遥感飞行试验, 检验中科院有关各所研制的多光谱相机、红外扫描仪和微波辐射计等航空遥感仪器的性能, 探索利用遥感技术进行地质调查和寻找富铁矿方面的应用效果。1978 1979 年在云南腾冲地区和长春净月潭地区进行了两次多学科多部门数百人参加的综合性的航空遥感试验。试验取得了一批重要成果, 促进了我国遥感技术的发展和普及, 继而遥感技术在我国许多领域得到广泛的应用和发展。这里只对微波遥感的发展略加评述。合成孔径侧视雷达地区飞行试验, 取得了清晰的山地、平原、河流以及桥梁的图像。之后又
24、进行了多次改进, 在铁路选线、地质判读等方面取得了一定应用效果。1988 年4 月, 中科院电子所研制成功机载多极化合成孔径侧视雷达系统。该系统包括机载合成孔径侧视雷达, 空地实时传输设备和地面成像处理设备, 具有多极化成像、通道带宽、作用距离大、俯仰角可变等优点。该系统进行了多次应用飞行试验, 在洪水险情监测、地形地貌测绘、地质构造研究、矿产资源探查、工程地质、土壤含水分析、军事侦察与反侦察等方面, 取得了初步应用效果, 引起了国内外的关注。当前我国机载合成孔径侧视雷达的研制工作正向实用化、产业化、标准化方向发展, 同时已开始研制星载合成孔径侧视雷达。另外, 航天部25 所研制出机载合成孔径
25、侧视雷达, 上海交通大学研制出机载真实孔径侧视雷达, 取得了清晰的淮河流域图像。 微波辐射计1977 年研制成机载3 cm 微波辐射计, 于同年10 月参加新疆哈密航空遥感飞行试验, 经五架次飞行, 仪器工作稳定。在帕尔岗试验区成功地获取了地面微波辐射等亮度温度图, 铁矿露头、断裂带、干枯河沟的明显反应表明微波辐射计能够找矿找水2。1979 年研制成机载3 cm 扫描微波辐射计, 同年8 月参加由中科院组织的长春净月潭地区综合性航空遥感试验。获得新立城水库的微波辐射图像; 透过约800m 厚的层积云获得了长春大房身机场附近“绿园泡”的微波辐射图像; 得到了水体、含水量的土壤、植被等对应的定量微
26、波辐射亮度温度数值; 获得了长春遥感试验区典型地物的平均亮度温度值。同年9 月应用该辐射计在青岛胶州湾进行了由国家海洋局一所、山东海洋学院组织的两次目的为胶州湾石油污染监测、海岸带和海洋地质调查的航空遥感试验。获得了海上油膜微波辐射图像, 竹岔岛、灵山湾海岸带、青岛五码头区的微波辐射图像。获得了不同油种、油膜厚度, 不同岩性、砂质、植被等的亮度温度4。1980 年研制成机载10 cm 微波辐射计, 同年6 月参加京津唐地区环境遥感调查飞行试验。获得了沿航线目标的微波辐射强度曲线, 给出了典型地物(海水、河水、盐田、沼泽、不同农田、建筑物、桥梁、船只等) 对应的亮度温度。1983年研制成机载8
27、mm 成像微波辐射计, 经过几次对海冰、海上油污染和黄河流域航空遥感飞行试验, 获得海冰、海上油膜及黄河的微波辐射图像6。1985 年研制成机载1. 35 cm 微波辐射计, 1988 年研制成机载21 cm 微波辐射计, 分别在河南封丘、广州南海、胶州湾、宁波东海、渤海湾、辽东湾等地进行过多次航空遥感飞行试验, 都取得了有科学意义和应用价值的图像和数据。北京大学、中国科学院大气物理所、华中理工大学、山东大学、华东师范大学等单位相继研制成陆基微波辐射计, 进行了大气探测和地基遥感基础理论研究。航天部504 所研制成10 cm、8 mm 微波辐射计, 并利用10 cm 微波辐射计进行了乳线癌探测
28、研究。目前正在研制气象卫星搭载的5mm 微波辐射计。微波辐射计已进入星载多频段微波辐射计和微波成像仪的工程和预研阶段。 微波散射计-中国科学院空间科学与应用研究中心1986 年研制成陆基X 波段微波散射计, 在湖南大托铺与湖南遥感研究所测量了水稻各个生长期的散射系数, 在东海测量了海面散射系数。1990 年研制成机载X 波段微波散射计。上海科技大学1983 年研制成车载X 波段微波散射计, 售给新乡的电子部22 所和中科院北京遥感所各一台, 作地基测量研究用。微波散射计现已进入星载工程项目阶段。海洋雷达高度计-中国科学院长春物理所自1983 年开始研制海洋雷达高度计, 成功地完成了海洋雷达高度
29、计新型工作模式的“全去斜坡”原理试验, 在此基础上“八五”期间与中国科学院空间中心合作研制成了机载海洋雷达高度计。1995 年4 月青岛飞行试验成功, 获得海面高度和浪高数据。海洋雷达高度计已进入星载工程项目阶段。目前人类从“地球村”观点出发, 对地球进行研究、保护和开发。已发射运行的60 多颗对地观测卫星, 向人们提供了大量完整、实时、动态的陆地、海洋、大气的图像和数据, 为人类带来巨大的经济和社会效益, 使人们清楚地认识到遥感技术是地球保护、开发和利用的必不可少的技术。而微波遥感器以其全天时、全天候的探测能力更成为其中的佼佼者。美、日两国联合进行的EO S 计划, 从1991 年到2010
30、 年共计划发射15 颗对地观测卫星, 执行“全球变化研究计划”(GCRP)。微波、毫米波及亚毫米波遥感器主要用于监测大气成分、海洋动力状态。大气海洋参数是地球环境变化的重要指标。遥感技术是伴随航天技术发展起来的具有宏观、快速、准确、动态获取信息的高新技术,已成为我国国民经济发展不可缺少的支撑力量。解决世界上人口膨胀、资源匮乏、环境破坏三大问题, 使之向良性循环发展, 遥感技术会起到重要作用。而微波遥感技术由于它具有优于可见光、红外遥感技术的特点, 成为当前对地观测研究、开发、使用的重点。我国在国家科委的统一规划下, 研制成了机载合成孔径侧视雷达, 作了多次飞行试验, 在防洪、铁路选线、地质、探
31、矿等方面进行了应用研究。研制成多个频段的机载(成像) 微波辐射计, 进行了多次对陆地、海洋的飞行试验和应用, 取得了典型地物、海面油膜、海冰、海岸带等的微波辐射图像和数据。研制成了机载雷达散射计和机载海洋雷达高度计, 成功地完成了飞行试验。几个高等院校和研究所开展了微波遥感理论研究, 获得初步成果。合成孔径侧视雷达、微波辐射计、微波成像仪、海洋雷达高度计、微波散射计已进入星载工程或预研阶段。微波遥感是难度大、理论水平高、应用前景广阔的科学技术, 应进一步加强统一领导, 重点支持。对目前有限的几家从事微波遥感器研制的人员、关键仪器实行统一调配, 集中力量进行星载微波遥感器攻关。对于机载微波遥感器
32、则应多作应用飞行, 解决生产实际、科学研究、防灾减灾方面的具体问题, 积累理论和应用中的经验。同时还应加强微波遥感理论研究工作, 开展陆基微波遥感的实验研究工作, 为星载运行的资料反演、解译做好前期工作。1.2 双通带微波器件研究的背景及意义1.2.1双通带微波器件（天线、滤波器）研究的背景及意义微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。在
33、这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必需品4。对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同。微带天线的工作的频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计的灵活也使得微带天线在这些领域中得到广泛的应用。同时，通讯系统也需要宽频带来实现多媒体信息无线传输和接收的高速率。因此，研究双频带天线具有重要意义。
34、随着无线通信技术的发展，将移动通信与无线网络应用相结合已成趋势。因此微波双通带滤波器的应用越来越广泛，成为无线通信等系统的重要器件。微带双通带滤波器以其体积小、便于集成在电路板上，得到广泛研究。最初的双通带滤波器直接将两个特殊的单通带滤波器级连后得到;或者用许多长度不等的并联短截线将均匀的传输线隔开来激发多个传输零点,从而得到双通带的效果,用阶跃阻抗谐振器设计出梳状和发夹型结构得到了双通带的效果,但是这些设计方法会出现插入损耗大和电路尺寸的问题。之后提出一种不使用转换器的双通带滤波器,并进行改进,设计了一种小型的双通带微带带通滤波器,结构中使用了改进的半波长阶跃阻抗谐振器,然而这种滤波器第二通
35、带的插入损耗仍然比较大。之后又提出了一种基于开路环谐振器的微带线双通带滤波器，得到了性能优良的双通带滤波器。本文提出的这种新型的双通带微带滤波器,通过控制谐振器的结构参数来控制两通带的中心频率,该滤波器输入输出端设计为T型来减小耦合损耗。和之前的双通带滤波器相比较,它不仅通带性能良好,而且利用谐振器结构上的嵌套缩小了滤波器的尺寸,便于实现系统的小型化1.3本论文主要内容及内容安排天线，滤波器问题是具有复杂边界的电磁场边界问题，难以得到严格解。针对具体的天线类型总要作近似处理，以得到满足一定要求的近似解。尽管天线种类很多，性能和分析设计方法各异，但基本原理和设计方法是相通的。天线的分析设计工作采
36、用计算机辅助设计软件来完成，这些软件的核心都是基于电磁场的数值算法，可以达到相当高的分析精度。天线的分析设计中，有限元法、矩量法和时域有限差分法的应用最为普遍。当前流行的电磁仿真软件主要为美国ansoft公司的HFSS（高频电磁场仿真）和德国CST公司生产的microwavestudio（微波工作室）,本文采用ansoft HFSS12.0对双通带天线和双通带滤波器进行了仿真。第一章为绪论，首先介绍微波器件的发展史及现状，然后重点介绍微波器件中的双通带带天线、滤波器的研究背景及意义。在微波的频段内设计出一个小型的产生两个中心频率，并且频率覆盖满足GSM系统的要求的微波天线。第二章为双通带微波器
37、件的设计，先分别介绍双通带天线和滤波器的基本任务和要求，然后介绍本论文所用的软件HFSS的一些基本情况，以及仿真后显示的参数，图形所代表的意义。最后解析一下设计原理。第三章介绍双通带天线的设计过程及仿真结果的分析。第四章介绍双通带滤波器的设计过程及对仿真结果的分析。 2 双通带微波器件设计2.1设计双通带微波器件的任务和要求2.1.1设计双通带天线的任务和要求 运用Ansoft HFSS软件设计一个能用于移动终端手机的微带贴片天线（PIFA）结构，使其辐射中心频率在2.4GHZ和5.8GHZ这两个频段，并且用Ansoft HFSS软件对所设计的天线进行仿真和并对仿真结果进行分析。 为了满足GS
38、M900和GSM1900这连个频带的基本要求，所设计的天线要求全方位辐射，具有双频带特性两个中心频率分别900MHZ和1900MHZ附近， 且满足一定的带宽。2.1.2设计双通带滤波器的任务和要求运用Ansoft HFSS软件设计一个微带双通带滤波器，使其中心频率在2.2 和4.7 这两个频段，并且用Ansoft HFSS软件对所设计的滤波器进行仿真和并对仿真结果进行分析。 所设计的小型化滤波器，具有双通带特性，两个中心频率为2.2GHZ和4.7GHZ、2.2处 带宽为30MHZ 。4.7处相对带宽为50MHZ。 2.2 HFSS软件的介绍软件界面: 菜单栏（Menu bar）由文件、编辑、视
39、图、工程、绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。 工程管理（Project Manage）窗口显示所以打开的HFSS工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等。 3D模型窗口（3D Modeler Window）是创建几何模型的区域，包括模型视图区域和历史树。 状态栏（Status bar）位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息。 属性窗口（Properties window）显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选条目的特性或属性。 进度窗口（Progress window）监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。 信
40、息管理（Message Manage）窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息。 因为微波工程在分析计算和实际设计中具有很大的难度，传统的分析方法只能用来解决少数的简单问题，所以对于高复杂的当代电磁系统微波工程问题，往往是采用近似分析和实验验证，这使得设计的过程通常需要经过反复的设计、计算和调试过程，才能得到比较满意的结果，但却需要一个时间非常长的设计周期。众所周知，当今科技发展的速度如此迅猛，漫长的设计周期显然不能满足工程设计的要求。20世纪六十年代微波分析数值方法的出现，美国Ansoft公司利用该方法，设计了第一款微波电子设计自动化软件HFSS（High Frequency Simulat
41、or Structure ）。该软件利用电磁场的有限元法来分析微波工程问题，具有精度高、仿真速度快、可靠性强、稳定性好等优点，由于其自适用网络剖分技术，使HFSS软件成为天线结构设计的首选工具。广泛的应用于航空、航天、电子、半导体和通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种微波结构6。HFSS采用Windows图形用户界面简洁直观；HFSS的使用简单，首先用户只需创建或导入设计模型，其次指定模型的材料属性，然后正确分配模型的边界条件和激励，最后准确定义求解设置，仿真软件就可以根据模型参数计算出输出用户需要的设计结果。用户还可以根据设计的需要对模型进行优化设计、灵敏度分析、参数扫描分析和统计分析
42、等操作。HFSS的求解原理为：总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效等效为计算N端口网络的S矩阵，具体步骤为：第一将结构划分为有限网格（自适应网格剖分）；第二在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式；第三假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式；第四由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵。自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。初始网格是基于单频波长进行的粗剖分，然后进行自适应分析，利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差（收敛性判断），再对这
43、些区域的四面体网格进行细化（进一步迭代），并产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果正在进行扫频，则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。2.3 HFSS软件设计的具体过程启动HFSS软件，新建一个设计工程，保存路径必须全英文；选择求解类型，包括模式驱动求解（Driven Modal）、终端驱动求解(Driven Terminal)、本征模求解(Eigenmode)；创建设计模型，构造准确的结构模型、设定好模型的材料属性；设置边界条件和激励；边界条件主要包括：理想导体边界（Perfect E）、辐射边界条件（Radiation)；激励主要包括波端口激励、集总端口激励；求解设置包括定义求解频率，扫频范围；设计检查、运行仿真计算；数据处理，查看计算结果，包括S参数、增益大小、场分布、辐射方向图；进行优化设计得到最优解； 图 2-1 HFSS设计的流程2.4 HFSS 所显示的参数结果图所代表的意义2.4.