贴片天线的设计..pdf

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1、南开大学 本科生毕业论文 中文题目：贴片天线的设计 英文题目： The design of Patch antenna 学号： 姓名： 年级： 专业：电子信息科学与技术 系别：电子科学系 指导教师： 完成日期： 南开大学滨海学院毕业论文诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目贴片天线的 设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。除此之外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。 毕业论文作者签名： 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 I 摘

2、要 本文是以贴片天线为研究对象。现代天线领域中， 贴片天线扮演了一个很重 要的角色。因为它具有结构简单，成本低廉，便于制造等特点。本文首先介绍了 天线的由来和一些相关知识， 使大家对天线有一些基本的认识。再介绍了电磁仿 真软件 HFSS及其一些基本应用， HFSS是现在比较流行的电磁仿真和分析的软 件，学会使用它对学习帮助很大。接着根据矩形微带贴片天线的结构等，设计了 一个矩形微带贴片天线， 并用 HFSS进行了仿真及分析， 经过验证后跟之前的设 计经行了对比。 本文最后介绍了现在几种带宽比较大的微带贴片天线，从而更具 有针对当下贴片天线的使用的指导意义。 关键词：天线； HFSS；矩形微带贴

3、片天线；带宽 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 II Abstract This paper is based on the patch antenna as the research object. In the field of modern antenna, microstrip antenna has played a very important role. Because it has the advantages of simple structure, low cost, easy manufacture etc This paper firstly introduces

4、the origin of the antenna and some relevant knowledge, so that we have some basic knowledge of the antenna. Then introduced the electromagnetic simulation software HFSS and some basic applications, HFSS is now more popular electromagnetic simulation and analysis software, learn to use it very helpfu

5、l for learning. Then according to the rectangular microstrip patch antenna structure, the design of a rectangular microstrip patch antenna, and the simulation and analysis using HFSS, after the design is verified by the comparison with before. This paper finally introduces the microstrip patch anten

6、na is now several bandwidth is relatively large, which is more used for the patch antenna significance. Key words:antenna ；HFSS；Rectangular microstrip patch antenna ；Bandwidth 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 III 目录 摘要. . I 第一章绪论. 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 天线的简单概述 2 1.3 贴片天线的简单概述 3 第二章 HFSS 软件介绍与应用 5 2.1 HFSS软件简介 . 5 2.

7、2 建立 HFSS 工程的一般过程 . 6 2.3 HFSS计算原理 . 8 第三章微带贴片天线的具体仿真实例. 10 3.1 矩形微带天线的结构 . 10 3.2 矩形微带天线的辐射原理. 11 3.3 矩形微带天线的仿真设计. 12 第四章几种大带宽微带贴片天线的介绍. 15 4.1 具有空穴结构的宽带微带贴片天线. 15 4.2 具有 U形缝隙结构的宽带微带贴片天线. . 15 4.3 CPW反馈缝隙偶合宽带微带贴片天线. . 16 4.4 附加屑钉电阻的宽带微带贴片天线. 16 4.5 双频圆极化宽带微带贴片天线 . 17 第五章总结与展望 . 18 参考文献 . . 19 电子信息科

8、学与技术专业本科生毕业论文 IV 致谢. . 错误！未定义书签。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 1 第一章绪论 1.1 研究背景 天线是一项重要的发明。它是由著名的俄国科学家波波夫发明的。 早在 19 世纪 80 年代，这位伟大的科学家就提出了一个构想，他希望能够指 挥电磁波，用它来照亮全世界。 1895 年，马可尼制成了一台无线电接收机。这台机器最为重要的部分是重 新设计的金属屑检波器， 显示方面则是采用电铃来表现出来的，因为电铃的小锤 在收到信号时会震动 , 从而让金属屑松动。电铃则是起到了显示的作用，当接收 机收到信号时， 就会带动机器内部的结构运作。这样一来电铃就会响起， 这也

9、就 是可以判断出附近有电磁波信号。 在一次试验中， 马可尼发现接收机能够接收比以前远很多的电磁波，这让他 产生了疑问， 究竟是什么造成的这一切。 尽管波波夫一直在检查， 但是始终没有 找到原因。 在一个日常的测试中他发现在接收机上不经意添加的一个金属线，可以使接 收机接收的范围变得比以前要长许多。但是如果把那根导线移开之后， 接收的距 离又变得跟以前一样了。 经过几次相同的实验以后， 结果还是一样的。 于是他意 识到这是一个很重要的发现，他立刻开始了对这个“导线”的研究。 于是天线因此而问世。 在现代生活中， 天线可以说出现在我们生活的方方面面，只要通过电磁波从 而达到传递信息的目的都要使用天

10、线，如广播、电视、遥感玩具、手机通信、无 线上网、物流快递跟踪服务、 电子对抗等等。 因而可以说天线在我们生活中是非 常常见的。 我的论文就是在这个背景下， 通过研究贴片天线这个天线中常见的一种，一 方面可以向大家介绍天线的相关知识，另一方面可以普及贴片天线到日常生活中 来，让大家有进一步的了解。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 2 1.2 天线的简单概述 天线是一个同时既具备传输又具备发送电磁能量的导电元件。也就是说一方 面天线可以把电磁能量变为场量，然后发射出去；同时也可以接收电磁场信号， 将它们变为能量， 来接收所要传递的信息。 如何在同一天线上实现电磁能量的接 收与传播是天线的一

11、个重要属性。 实际上可以把天线理解为一种转换器，它将在有线部分传输的信号， 变换成 在没有介质情况下 （一般来说自由空间） 中传播的电磁波， 或者也可以实现逆向 的转换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电 视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传 递信息的，都依靠天线来进行工作 1 。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号 的能量辐射也需要天线。 总的讲，天线具有可逆性， 这就表明天线本身既可以发射信号，又能够接收 信号。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定 理。 天线的种类非常多， 可以根据不同的划分规则划分

12、为许多种。如果按照它的 性质划分的话， 可以分为接收天线和发射天线。按照维数可以分为一维天线、二 维天线。按照结构形式与工作原理可以分为线天线、面天线。按照使用场合可以 分为手持天线、车载天线、基地天线。同样还可以按照波长、用途等划分。总之 分类的方式是多种多样的，这跟我们平时的使用是密切相关的。 天线有很多的非常要紧数据， 比如说它的工作频率， 增益也是一个重要的数 据。带宽则是判断一个天线工作范围的重要数据。同时还有极化，阻抗等等。 以下是一些具体的例子： 传输线的特征参数 :Lambda Wavelength （单位：米）。 在自由空间中传播的电磁场，速度为光速。即c = 3.00 ?1

13、08m/ s 。 VSWR:Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波系数。 dB：Decibel 分贝的引入为在使用中表示方便。 dBm：dBm 表示功率，相对于1 mw 为基准定义。 dBi ：天线增益，以等方向天线为参考。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 3 1.3 贴片天线的简单概述 贴片天线是天线中的一种。 也就是说它是一种只能够在一个之前设定好的方 向传播。贴片天线一般用在点对点的情形下。因为贴片天线的性价比比较高，本 身结构又比较简单，所以常常用于印刷电路这一方面。它是一种同向性的天线， 可以作为移动设备中的发射机和接收机。 在我们平时日常的使用中，贴

14、片天线都是在频率相对比较高的状态下工作 的，它的最大优点是可以往各个方面辐射，缺点是可以使用的带宽很窄。 同其它的天线一样， 贴片天线同基底介质的介电系数密切相关。常用的基底 介质为 FR4 环氧板（ FR4 epoxy board）。但是基底的介电系数很不精确，根据来 源其变化范围为 44.7。 下面的结果将说明基底介电系数的影响 贴边为一直径为20.10cm 的薄圆片。馈点在其中心。贴片天线的结构如图 1-1 所示 图 1-1 贴片天线的结构 中心频率带宽 VSWR = 2 输入阻抗 r = 4 厚度 1.6 mm 433.920 MHz1.7 MHz163.5 + j4.2 r = 4.

15、7 400.405 MHz1.7 MHz155.3 + j3.9 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 4 厚度 1.6 mm 通过上面的内容我们出来分析出基底介电系数的对于天线来说是极为重要 的。当你选择不同的介质是， 对于天线的带宽、 中心频率等都会产生很大的影响。 因而我们要在具体的工作环境中具体分析，选择合适的填充介质。 如果选择不合 适的话，可能会造成比较坏的影响。 以上就是关于贴片天线的一些简单介绍，在本文的后续内容中还会对贴片天 线进行更为详尽的一些分析和介绍。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 5 第二章 HFSS 软件介绍与应用 2.1 HFSS 软件简介 微波技术广泛的

16、应用在网络设备与宽带部件、雷达、通信、电子对抗、集成 电路、印刷电路板设计、电子医疗系统、电磁兼容、微波能应用等领域。微波工 程的设计和分析都具有很大难度，传统的解析方法只能适用于少数简单问题，而 对于一些复杂的问题则需要近似分析和实验论证，而这样的过程需要经过反复的 设计、加工、调试过程。这样设计周期就会很长，不能够适应现在社会的节奏。 在这样的背景下Ansoft 公司推出了HFSS High Frequency Structure Simulator, 它是一款三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁 场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS之所以能受到

17、大家的欢迎，这和自身有着密切的关系。首先用户在使 用它的时候会发现它非常容易上手、操作十分简单。 其次是因为它有着强大的功 能这让它在很多电磁问题分析方面都能起到很大的左右，比如跟 S参数有关的它 都可以计算， 还能具体分析驻波比等重要参数。同时 HFSS 在设计方面的能力也 很强大，可以仿真模拟很多种类的天线。 这样一来很多天线问题就可以迎刃而解 了，而且仿真的效果也十分的好，设计和仿真的效果非常接近实际的天线。使用 HFSS，可以计算： 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题， 端 口特征阻抗和传输常数， S 参数和相应端口阻抗的归一化S参数， 结构的 本征模或谐振解，而且，由Ans

18、oft HFSS 和 Ansoft Designer构成的 Ansoft 高频 解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到 电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节， 被广泛 的应用到航天、航空、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们 高效地设计各种微波结构 2 。 HFSS典型运算有以下几种： 封装模型 BGA，QFP，FlipChip ； PCB板建模电源 /接地板，网格面，底板； 硅/砷化镓螺旋电感线圈，变压器； 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 6 EMC/EMI 屏蔽防护层，耦合，近/远场辐射； 连接器同轴电缆， SF

19、P/XFP，底板，转换器； 波导滤波器，共鸣器，转换器，连接器； 滤波器腔体滤波器，微带传输带，介质滤波器。 HFSS不仅具有以上的优点，而且它听取许多用户和工业界的意见，进行了 各种更新和改良，因而更加收到了大家的欢迎和认可。在业界，Ansoft HFSS 是 高生产力研究，发展和虚拟的工具之一。 HFSS具体的系统要求如下： Microsoft Windows XP(32/64), Windows 2000,或 Windows 2003。 基于奔腾处理器的电脑 至少128MB RAM 至少8M显卡 鼠标或其他指向性工具 CD-ROM 驱动器 2.2 建立 HFSS工程的一般过程 2.2.1

20、 HFSS用户界面 要应用 HFSS 软件来分析高频电磁场问题，首先要熟悉HFSS的工作环境。 HFSS软件的典型工作界面如下图2-1 所示： 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 7 图 2-1 HFSS 软件的典型工作界面 该工作环境由以下几部分组成，每个分别有其特有的功能 1. 项目管理窗口 (Project Manager ） ： 项目结构设计树 , 通过它可以访问工程结构单元 2. 信息管理窗口 (Message Manager )： 仿真之前可以在这里查看错误或警告 3. 属性窗口 ( Property Window)： 在这里可以修改模型的属性和参数 4. 过程窗口 ( Prog

21、ress Window )： 显示求解过程 5. 三维模型窗口 (3D Modeler Window) 当前设计的模型内容可以在这里查看到。 2.2.2 工程建立的一般过程 在我们熟悉了 HFSS 基本操作界面之后， 如何建立一个工程是接踵而来的一 个问题，创建流程是这样的： 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 8 （1） 运行 HFSS 软件。 （2） 在当前工程中插入一个设计。 （3） 选择求解类型。 （4） 为建立模型设置合适的单位。 （5） 在 3D 窗口中建立模型。 （6） 设置需要的辐射边界。 （7） 看自己本身设计的需要，从而决定为是否要对模型设置激励。 （8） 设置求解频率及

22、扫频等操作。 （9） 检查当前工程的有效性。 （10） 求解当前工程。 （11） 对已求解的工程创建结果报告。 2.3 HFSS 计算原理 总体来看， HFSS 软件是利用有限元方法的3D 频域电磁场计算软件。为了 更精确的逼近待求解微波问题的复杂几何结构和材料特性，HFSS 软件待求解的 微波问题以四面体为单元进行离散化剖分，通过对其单元中电场分量的计算来获 得各个微波物理量和特性参数 3 。 HFSS软件对于微波工程问题可以分为本征值问题和激励问题求解。除了散 射等入射波激励的工程问题，软件需要先完成激励端口的2D 求解，通过边界匹 配技术对于特定边界下的3D 问题进行求解，并利用特有的自

23、适应迭代求解达到 设定的求解精度， HFSS工作流程如下图2-2 所示： 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 9 图 2-2 HFSS 工作流程 在我们熟悉 HFSS这款软件的基本操作和原理之后，我们就能够新建一个工 程进行设计和仿真了。 这对于我们对天线的分析是极为重要的，在下一章本文会 开始介绍一个具体实例，帮助大家进一步了解贴片天线。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 10 第三章微带贴片天线的具体仿真实例 微带贴片天线在最近的20 多年得到了极大的发展。微带贴片天线的结构非 常简单。通常的微带贴片天线都会选用玻璃纤维为最基本的质基，在其中的一边 加上金属， 它的作用是接地。 剩下

24、的一面也是做出一些形状的金属片，作用是使 天线能收正常的工作，馈电等。这样基本上一个常见的微带贴片天线就做好了。 制作简单就是它现在被大量应用的原因之一。贴片可以是方形，矩形，圆形，椭 圆形或其他形状。 馈电方式有微带线侧馈、 同轴线地馈、电磁耦合、口径耦合等。 微带贴片天线结构上的特点是体积小、重量轻、薄的平面结构，能与飞行器共形， 制造工艺简单，成本低 4 。但是贴片天线还是有有其固有的缺点的，其主要缺点 是频带窄， 效率低，这是因为微带贴片天线实际上接近封闭的谐振系统 5 。微带 贴片天线已大量用于100MHz-100GHz 的宽广频域上，包括卫星通信、雷达、遥 感、导弹、遥测遥控、环境

25、监测、生物医学、便携式无线电设备等。 3.1 矩形微带天线的结构 矩形微带贴片天线是使用比较广泛的一种贴片天线。为了增强辐射的边场效 应, 通常要求介质基片的相对介电常数较低，选择介质材料选为Rogers RT duroid 5880（tm） ，其相对介电常数为2，这样在一般情况下就能够满足要求 6 。 背馈和侧馈是天线的两种馈电方式，它们分别被应用在不同的场合中。在我的设 计中选择侧馈这一种方式用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的， 因而可方 便的一起光刻，制作简便，但馈线本身也会引起辐射，从而干扰天线方向图，降 低增益。在理论计算中， 微带馈源的模型可等效为沿Z 轴方向的一个薄电流片，

26、其背后为空腔磁壁。以下是微带天线形状和馈电方式 7 如图 3-1 所示。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 11 图 3-1 微带天线形状和馈电方式 3.2 矩形微带天线的辐射原理 矩形微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的 8 。 这可以从第一个图简单说明，该图是本文研究的侧向馈电的矩形微带贴片天线， 与地板相距高度为h，假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射 器的电场仅仅沿约为半波长 （ 2）的贴片长度方向变化， 辐射基本上是由贴片 开路边沿的边缘场引起的, 在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因 为贴片长度为 2，所以法向分量反相，由它们产生的

27、远区场在正面方向上互 相抵消 9 。平行于地板的切向分量同相，因此合成场增强， 从而使垂直于地板的 切向分量同相， 因此合成场增强， 从而使垂直于结构表面的方向上的辐射场最强 10 。如第二个图所示。根据以上分析，贴片可以等效为两个相距、同相激励并向 地板以上半空间辐射的两个缝隙，如第三个图所示， 对微带贴片沿宽度方向的电 场变化也可以采用同样的方法等效为同样的缝隙, 这样微带贴片天线的辐射就等 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 12 效为微带天线周围的四个缝隙的辐射 11 。这是一种很科学的处理天线问题的方 式，因此推荐大家可以应用到别的天线的分析中。 图 3-2 矩形微带贴片天线及其等

28、效辐射场和辐射分布图 3.3 矩形微带天线的仿真设计 3.3.1 矩形微带贴片天线参数 因为要通过 HFSS进行仿真， 所以先要确定贴片天线的各种参数，由它自身 的特性便可以确定最终的参数了。本文介质材料选为Rogers RTduroid5880 （tm） ，其相对介电常数r2，介质板厚度 h0.79mm，贴片的长度近似取0 2，其中 0为自由空间的波长，微带线的长度近似取为贴片长度的1/5 。经过 细致的分析和根据一些理论基础，可以近似设计出天线的参数。如下所示： Sub （0,0,0 ） dx dy dz （281,32, 079） Box Gnd （0,0, 079） dx dy dz

29、（281,32,0 ） Rectangle Patch （703,8,0 ） dx dy dz （1245,16,0 05） Box Microstripline （1013,0,0 ） dx dy dz （249,8,0 05） Box Port （1013,0, 079） dx dy dz （249,0,0 79） Rectangle Air （5, 5, 579） dx dy dz （381,42,10 79） Box 3.3.2 矩形微带贴片 HFSS 仿真 因为之前已经设置好了天线的参数，所以根据之前的参数， 可以在 HFSS中 实现对微带贴片天线的的贴片和馈电的建模。首先建立新的工

30、程， 之后在选择求 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 13 解类型，选择 Driven Modal。接着设置建模单位，选择mm。创建微点贴片天线 模型，输入之前设置好的坐标，并设置理想金属边界，创建介质基片，再创建切 角这样一来模型基本就建立完成了。如下图3-3 所示： 图 3-3 矩形微带贴片天线的模型 接着就是对天线的进一步设置和分析了。要设置探针，创建Air ，设置端口 激励，设置优化变量， 并为该问题设置求解频率及扫频范围，可以选择设置无限 大球面。最后就可以得到自己想要的数据了，比如S 参数图，驻波比图，方向图 等。S 参数是表示在波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值。S参数

31、图是 描述天线的 S 参数随频率变化的图形，一般认为S 参数小于 10dB 天线才能 正常工作，此时的驻波比大致为 2 。 同时要设置 S 参数，将 S 参数设定为比 -10db 要小的这个区域内。在图（a）中，矩形微带贴片天线的中心频率为7.55 GHz， 上截止频率为 740GHz 下截止频率为 766GHz，绝对频带宽度为 0.26 GHz， 相对频带宽度为344，S 参数的最低点为 26.33dB。驻波比是非常关键的 一项数据，通过它可以判断天线是否在正常工作，一般来讲，在其工作时，一般 要求天线的驻波比不大于2，即要求VSWR2。 从图（ b）可以看出天线在 740GHz766GHz

32、 这段频率内驻波比满足天线正常工作的要求，这也证明 了 S 参数图与驻波比保持一致的关系， 这里驻波比实际上是反射系数的另一种表 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 14 达。方向图的图形是用来表示天线的辐射参数的变化是随着方向的改变而改变 的，可以从图（ c）看出来，本文设计的这一天线对称性良好，在Z 轴方向上的 最大辐射强度。 图 3-4 矩形微带贴片的s 参数和驻波比图及方向图 通过 HFSS仿真可以看出， 之前的仿真结果与理论结果很相似。从而证明了 这一次设计的正确性和可行性。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 15 第四章几种大带宽微带贴片天线的介绍 从上一章的仿真可以看出，微

33、带贴片天线设计不复杂，制作工艺简单，因而 受到了大家的欢迎。 但是我们却能够看出它有着自身固有的缺陷，那就是带宽比 较窄。这就限制了它的使用范围。 因而扩展微带贴片天线的带宽就是一个很重要 的方面。本文下面的内容就是列举几种近几年来出现的，具有比较大带宽的微带 贴片天线。 4.1 具有空穴结构的宽带微带贴片天线 采用低 ?的介质板是展宽频带常用的方法，但是这样一来天线的尺寸就变大 了，从而带来了新的问题， 那就是天线的效率比以前差了很多。用新的方法可以 解决这个问题。这种方法仍然用高?的介质板，在介质板上开一个矩形空气穴， 这样一来可以使贴片天线与矩形空气穴的相互之间产生作用，使?部分降低并改

34、 变了介质板的模式， ，这样就提高了天线的带宽, 天线的效率也不会降低，并且 天线的尺寸也不会增加 12 。在结构上用硅晶片做成两层介质板,主要是在第二层 介质板上开一个孔作为矩形空气穴,硅晶片具有较高的介质率,但因为微带贴片天 线与空气穴相互作用，这一部分产生了较宽的频带是通过降低了有效介质率,这 种天线的尺寸很小 ,面积为 5mm7mm,厚度只有 508m ,通过微加工技术制作的 , 制造过程与标准的半导体加工过程相类似 1315 。 通过实验和实践使用可以发现， 相比于其他种类的贴片天线， 具有空穴结构 的宽带微带贴片天线的带宽要更大一些，而且这种天线的工作频率要比一般的天 线高出许多。

35、 因而它可以用于雷达等高科技领域中，负责短程通讯系统。 并且经 过再次补全等，有望能在更高的频率中。 4.2 具有 U形缝隙结构的宽带微带贴片天线 这种矩形贴片微带贴片天线的特性在结构的U 形狭缝，气泡之间放置贴片 和接地板，因而有着简单的结构, 所以做出来的天线一般的比较小。这种天线采 取了如此的构造，因为有U 形这样独特的设计 , 就会产生边缘电流，因而也有 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 16 了附加谐振。同时 , 也引入了容抗 , 将探针的感抗抵消掉 , 频带就变宽了。在经过 很多次实验之后能够发现。具有U 形缝隙结构的宽带微带贴片天线在800MHz 以上, 厚度为 1左右时 ,

36、 可获得 47% 的阻抗带宽 ( VSWR=2); 在谐振频率为 990MHz, 厚度为 0.53 时, 可获得 12.4%的阻抗带宽 (VSWR=2)。两种情况下的带宽都要比 一般的矩形贴片天线大不少。 仅有一层介质板、 一个贴片是它的区别于其他天线 的地方，它的结构是十分简单的, 通过这一种天线，我们其实能够发现贴片天线 的很多优点。 4.3 CPW反馈缝隙偶合宽带微带贴片天线 圆极化波导反馈缝隙偶合微带天线(CPWFA) 是一种新型的微带贴片天线， 因为本身的特性， 所以带宽相对于别的贴片天线要大一些。它是跟同微带线反馈 缝隙偶合微带天线 (MLFA ) 一样的。它们的共有特点是有相同的

37、物理方面的优势, 天线的频带的拓展可以通过贴片和缝隙之间的耦合产生的作用来得到。但圆极化 波导反馈缝隙偶合微带天线有着两个自身所特有的优点:1 、 与有源或无源器件的 串联、并联很好完成，是由于采用了CPW 反馈。 2、金属质地的介质板有两个 作用，不仅作为CPW 线的传导板而且还是微带天线的辐射板, 这样一来结构上 就有了很大优势， 更加简单紧凑。 实验表明 , 谐振频率为 3GHz 时, 天线的带宽明 显增加了许多，而且天线的工作效率也得到了很大的提升。 4.4 附加屑钉电阻的宽带微带贴片天线 微带天线频宽、谐振频率之间是有着联系的, 前者随后者降低而降低。现在 的低频段，例如700900

38、Mhz 都是被移动电话采用了的 , 这对于移动电话来说是 个不好的地方， 起到了限制的作用。 而这种微带贴片天线在制作工艺上附加了屑 钉电阻。这样能够获得较大的带宽， 并且处于较低的频率下。 这个矩形微带用探 针插入附加屑钉电阻短路元素之间的贴片和接地板微带线，通过这个方法来馈 电。由于设计中含有屑钉电阻, 它就可以把带宽放大了，而且天线的大小上有了 变化，那就是变小了很多。 那我们平时使用的一种微带天线来说，它谐振频率为 720MHz, 经过附加屑钉电阻，它的就可以达到1800MHz 以上。它的阻抗带宽为 9.3% , 是一般结构贴片天线 (1.9%) 的 5 倍左右。这种微带天线的适用范围

39、就是移 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 17 动电话通信系统。 4.5 双频圆极化宽带微带贴片天线 近些年来随着卫星通信以及定位系统的发展，应用于其中的天线问题也得到 了人们的关注和重视。 微带贴片天线本来是很符合要求的，因为它的花费低， 而 且体积小， 容易制作成双频圆极化的。 但是因为微带贴片天线本身的属性，就是 它的带宽很窄， 所以很多地方不能够应用。 但是这种双频圆极化宽带微带贴片天 线确实可以满足要求的。它有两个不同的工作频率，而且带宽都比较大。 这种天线的结构由两层介质板、 微带贴片及两条508的正交微带线组成。 微 带贴片是两个相同半径的圆形贴片相交的公共部分。这两个端口可

40、以获得良好的 分离和避免串扰， 是由它们特殊的馈电方式决定的。当这种双频微带天线工作在 2.635 GHz 和 4.03 GHz 两个谐振频时 , VSWR=2带宽分别为 3.5%和 5%,比一般的 圆极化微带天线的带宽要大。 由此可以看出来， 该天线很容易制作而且符合了通 信当中的要求，是极为适用的。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 18 第五章总结与展望 在本篇论文中， 我介绍了贴片天线这种在现代应用较为广泛的一种天线，并 通过 HFSS 进行了矩形贴片天线的仿真， 作为一个具体的实例向大家展现了如何 操作 HFSS 和具体的天线的设计步骤。 在本文的最后， 也介绍了几种进些年来出

41、现的大带宽的贴片天线， 这些天线表明贴片天线将来的发展趋势，就是向着大带 宽和更为精简的结构这一目的发展。通过这次设计， 让我明白到仅仅通过了解课 本上的知识是远远不够的。 让自己的理论基础和自己的实践相结合，才能真正设 计出有用的东西。 在这次设计中， 自己遇到了很多困难。 一方面是因为自己的知识仍有很大的 漏洞，对于一些问题在当初学习时就没能掌握，因而给自己造成了许多麻烦。而 且 HFSS这一款软件是自己第一次使用，在使用中常常会出现很多问题，例如一 些基本操作不熟悉， 一些参数设置不正确等等。 所以在仿真中， 可能借鉴了比较 多他人的设计， 在创新这一方面可能会有些不足。因而在以后的学习

42、中， 要改进 这一点，在设计之初就要打好基础，做好准备工作。 在认识到自己的不足同时， 通过这次设计， 自己其实学到了很多东西。 首先 是对天线的进一步加深认识。 以往可能在学习电磁场时曾经有涉及这一方面，但 是自己对这个生活中常常出现的器件其实不是十分了解。但是经过这次论文的写 作，自己不仅仅只了解了贴片天线，对于其它很多种天线自己都有了认识。另一 个重要的方面则是学会了使用HFSS这一软件，它不光可以用来设计天线， 在微 波领域这一个软件的地位是很重要的。学会了使用它， 在以后微波问题的分析中 自己就多了一种方式和手段，给自己的未来学习打下了基础。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 1

43、9 参考文献 1 宛汀 . 基于 H- 矩阵信息压缩技术的高效电磁仿真方法研究. 硕博学位论文，2012 2 斯扬 .几种近代天线的设计分析. 硕博学位论文 ,2003 3 叶绪娟 . UWB( 超宽带 ) 印刷天线的分析与改进. 硕博学位论文，2010 4 林志琦 .两种新型高增益微带毫米波天线.弹箭与制导学报2005 年 S4期 5 韩玲 张志杰 . 微带贴片天线的设计与仿真.科技情报开发与经济，2006 年 6 夏路易 .基于 HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计. 硕博士学位论文，2002 7 冯堃 . 微波电路和天线模型降价与区域分解的有限元分析硕博士学位论文，2012 8 普远航

44、.双频微带天线的研究. 硕博士学位论文,2008 9 徐锐 . 微波毫米波微带贴片天线研究. 硕博士学位论文,2001 10 熊波、曾鑫、于德海 .对反舰导弹无线电高度表的干扰途径分析.四川兵工学报， 2012 11 李艳、戴亚文. 基于 HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计.机电工程技术，2010 年 12陈雅娟、龙云亮.宽带微带贴片天线的研究进展.电波科学学报，1999 年 13 陈雅娟、龙云亮.小型宽带微带天线的研究进展.系统工程与电子技术，2000 年 14Ikmo Park. An aperture -couple small microstrip antenna with enhanced bangwidthJ. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1999,49(7):777-783. 15 Yang F, Zhang X-X,Ye X, at el. Wide -Band E -shaped Patch Antennas for Wireless Communications J. IEEE Trans AntennasPropagat, 2001, 49(7): 1094-1100. 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 20