移动通信期末作业任务超宽带微带单极子天线设计.doc

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1、,超宽带微带单极子天线基于HFSS天线设计学院：信 息 学 院专业：通 信 工 程姓名：马 正 智（59）学 号： 20111910119 2014-07-08更改详情1、 更改两块参考地GND1和GND2与微带线的距离，使其间距小于1mm；2、 更改激励端口的长宽，使其长度为微带线宽度的5倍左右，高为介质板高度的6倍左；3、 更改陷波开缝方式，得到理想陷波频段。摘要天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。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

2、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。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。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。超宽带天线顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域的对天线带宽的定义是就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。其实这正是传统的窄带天线性能分析方法。因为以前窄带天线要发送的信

3、号基本都是己经调制过的正弦波信号，所以在设计天线时对带宽并没有要求非常苛刻(极宽的带宽)。只要针对某个载波频率设计就可以了，在这个载波频率附近天线的性能满足要求，变化不大。但是，当要发送的信号不是正弦波调制信号天线就不能满足要求了，而是儿百皮秒或者纳秒级的窄脉冲信号时，一般的窄带那么传统的宽带天线能否满足要求呢？UWB天线与常规意义上的宽带大线还是有着显著区别的。常规的宽带天线大都是非频变天线，是指天线可以根据无线系统需要工作在不同频段，而并不是指天线地各个部分同时在整个宽频段内工作。微带天线由参考地面、介质层面、微带贴片、激励端口、辐射边界组成，具有重量轻、质量小、剖面薄、质量成本低、易于实

4、现频变工作。关键字：天线 超宽带 超宽带天线 微带单极子天线 AbstractAntenna (can antenna) to be used is a kind of converter, it put the propagation of guided waves on a transmission line, into the unbounded medium (usually free) in the transmission of electromagnetic waves, or on the reverse transform.In the radio equipment use

5、d to transmit or receive electromagnetic wave components.Radio communications, radio, television, radar, navigation, electronic countermeasures, such as remote sensing, radio astronomy engineering system, all using electromagnetic waves to transmit information, rely on the antenna to work.In additio

6、n, in terms of using electromagnetic waves transfer energy, the signal energy radiation also need antenna.General antenna are reversible, namely the same antennas can be used as a transmitting antenna, also can be used as a receiving antenna.The same as the basic characteristic of transmitting or re

7、ceiving antenna parameters are the same.Ultra-wideband antenna as the name suggests is the very wide bandwidth, this statement is actually in the frequency domain to the antenna bandwidth is defined in terms of a parameter, the antenna performance conforms to the provisions of the standard range of

8、frequencies.Within the scope of this antenna features such as input impedance, efficiency, lobe pointing, lobe width coefficient, sidelobe level, direction, gain, polarization and so on in the permitted range.That is, a given of the technical indicators are not beyond the scope of a given frequency

9、range.In fact this is the traditional narrow band antenna performance analysis method.Because before is based on narrowband antenna to send signals has been modulated sine wave signal, so when designing the antenna bandwidth is not very demanding (very wide bandwidth).Just for a carrier frequency de

10、sign, near the carrier frequency antenna performance meet the requirements, a little change.But, when to send the signal is not sine wave modulation signal antenna cant meet the requirements, but the son the picosecond or narrow nanosecond pulse signal, the general narrow-band and traditional broadb

11、and antenna can meet the requirements?UWB antenna and conventional sense of the broadband big line still has significant differences.Conventional broadband antenna is mostly frequency antenna, is refers to the antenna can work according to the requirement of wireless systems in different frequencies

12、, and does not mean that the antenna parts to work the whole broadband segment at a time.Microstrip antenna by reference to the ground, the medium level, microstrip patch, motivation of port, radiation boundary, with the quality of light weight, small, thin section, the quality of low cost, easy to

13、realize frequency change work.Key words: ultra-wideband antenna ultra-wideband antenna monopole antenna目录引言4一、 超宽带天线的基本概念51、超宽带天线的特点52、超宽带天线的主要参数62.1天线的输入阻抗62.2驻波比62.3方向图7二、 基于有限元法的电磁仿真技术HFSS7三、超宽带微带单极子天线设计81、设计要求82、设计参数83、设计结构11四、超宽带微带单极子天线设计结果121、半椭圆微带贴片122、椭圆微带贴片143、一次陷波164、三次陷波18五、设计总结21六、参考文献21

14、引言随着无线电通信技术的发展，天线在各个领域得到了广泛的应用。主要使用场合有:无线通讯技术，包括手机、蓝牙(B1ueTooth)、无线局域网等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机；生物医学辐射器等。自从 1873 年麦克斯韦(Maxwell)从理论上预言电磁波存在，并于1879 年由马可尼(Marconi)首次获得一个完整的天线电报系统专利以来，伴随着科学技术的不断进步，人类对自然界广泛存在的电磁波这一物质形态的认识在不断深化，创造了多种多样的电磁波工程系统无线电通信系统。从电视、广播、

15、移动通信、到雷达、导航、气象、定位、卫星，再到军事领域中的制导武器、电子对抗等领域取得了极为丰硕的研究成果。近半个世纪以来，电磁波与周期性结构间相互作用的研究一直没有间断。近几年随着材料科学、特别是左手材料研究取得的新进展，关于周期性结构介质对电磁波影响的研究再度升温，成为新的热点。2003年，人们提出了一个方形贴片天线，它有两个阶梯状的馈线变换，中间还开了个槽。这种天线可以工作在3.2GHz到12GHz，而且具有准全向辐射特性，群延时差值不到0.5 ns。2004年出现了很多微带超宽带天线:(1)印制圆盘单极子超宽带天线，它的地平面和辐射元处在同一平面，因此适于集成在印制电路板上，其匹配阻抗

16、带宽为2.78-9.78GHZ，并且具有全向辐射特性。(2)共面波导馈电式平面超宽带天线，它尺寸小，V形槽的长度可以适当调整，在没有V形槽的情况下其工作频带可从2.8GHz到10.6GHz。(3)LTCC超宽带开槽式天线，这种天线可以与其它射频电路共地，辐射元是椭圆状，它的阻抗带宽为3-10.6GHz，在低频处有准全向辐射特性。2005年有人研究了一种带有分形调节柄的微带槽隙天线，其阻抗带宽为2.66- 10.76GHz，具有全向辐射特性。接着出现了一种平面小型化渐变环型槽馈电超宽带天线，提供的阻抗带宽可从4.84GHz到10.23GHz，它占有的空间小并且在工作频段内具有几乎一致的辐射方向特

17、征。2005年出现了一种加载高介电常数陶瓷的缝隙螺旋天线6，基板介电常数分别提高到30和90，在使用频率下降27OMHz-564MHZ的基础上使其面积减小了18%和36%，采用倒锥形基板结构，用同轴巴伦进行馈线，通过改变基板厚度来实现匹配，缺点是带宽较窄，制作困难。等角螺旋天线在0.25GHz到6GHz的频带内实现了大于6dB的圆极化带宽，但是尺寸太大。超宽带微带单极子天线设计一、 超宽带天线的基本概念顾名思义，超宽带天线拥有很高的带宽。目前，有两种较为流行的超宽带天线的定义。第一种由DARPA在1990年定义的，其相对带宽为25%，第二种是最近由FCC定义的，其相对带宽是20%。Bw=2 (

18、1-l)其中是天线操作频带的上端，是对应的下端。另外，FCC又把操作带宽大于等于50OMHz的天线定义为超宽带天线。按照FCC的标准，天线的操作频带的上端和下端分别定义为天线的辐射功率从峰值下降一10dB对应的点。严格的讲，FCC的定义没有规定天线的带宽，因为天线的辐射功率也依赖于发射功率的频谱响应。1、超宽带天线的特点在窄带通信系统里，传统的天线参数，例如输入阻抗匹配、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等等，被用来评估天线的技术性能，因此天线工程师只要根据这些参数的确定就能评估天线。但是在超宽带应用中，由于天线发射窄脉冲序列，系统要求天线的相对带宽很宽，情况就变得很复杂

19、，因此超宽带天线也就有了不同于传统窄带、宽带天线的一些技术特点，主要表现如下：在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配抗，这要求UWB天线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。驻波电压比（VSWR）是衡量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。同时，在UWB脉冲源输出端安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。尤其是对于移

20、动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。如式(1-2)所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率和回波损耗，而且海域源脉冲的频谱有关。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。 (12)在工作带宽内天线还要保持具有稳定的天线增益、极化，在各个频点上的功率方向图要大致相同。2、超宽带天线的主要参数2.1天线的输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输

21、入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量，即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50。2.2驻波比它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的

22、到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。2.3方向图方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。方向性函数绘制出的方向图称为归一化方向图，采用无量纲的相对值或分贝表示。方向图有二维和三维方向图。三维方向图分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方

23、向图，二维方向图分为极坐标方向图和直角坐标方向图两种。二、 基于有限元法的电磁仿真技术HFSS世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。在HFSS的桌面上，你能找到HFSS的全套功能，这是一个可以完全支持基于三维电磁场设计的界面。除了直观的视窗特性外，图形项目树提供了广为熟知的HFSS设计流程的传统风格。利用Ansoftlinks接口

24、设计师可将HFSS和现有的EDA和MCAD设计流结合起来。利用与Cadence、MentorGraphics，Synopsys以及Zuken的接口，还可链接到外部的设计流，从而支持Hspice、Pspice及MaxwellSPICE实现精确的宽带电路仿真。自动化 ：HFSS能进行全面的全叁数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软体强大的叁数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节省了工程师的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。利用Optimetrics可自动实现最优化和叁数化扫瞄设计，且很容易在桌面上同一项目树中直接访问

25、进入。在优化设计分析技术中增强了敏感性分析和统计分析功能，其利用HFSS叁数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能变化。 用户化 ：HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、对话方块、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量缺省来支持个性化叁数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。另外，通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记录，可以用来定义叁数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个设计流程。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向

26、图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立任意三维无源器件模型的界面。创建一个设计包括步骤如下：1、FileNew，然后点击ProjectInsert HFSS Design，新建一个Project。2、HFSSSolution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解；第二种是终端驱动，根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解；第三种是本征模，求解物理结构的谐振频率以及这些谐

27、振频率下的场模式。3、创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可。4、在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。5、指定平面设置边界条件（HFSSBoundariesAssign）。HFSS有多种边界条件，在高速设计中最常用的有，理想电边界表示电场垂直于表面。理想磁边界是指电场方向与表面相切；完美匹配层边界用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。6、指定端口设置激励（HFSSExcitationsAssign）。HFSS主要有波端口和集中端口，而在高速设计中，使用波端口

28、的情况比较多。HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1W，使用波端口可以计算特性阻抗、复传播常数和S参数。7、分析设置。通过HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以进行自适应频率和收敛标准的设置，通过HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值扫频。8、数据处理（HFSSResults）。HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可以输出适合于Matlab编程，后缀为.m的S/Y/Z矩阵参数文件

29、。三、超宽带微带单极子天线设计1、设计要求1、介质厚度1.6mm；2、介质常数4.4；3、微带馈电；4、贴片辐射；5、离线边界；6、Wave Port激励；7、3.1G10.6G带宽；8、陷波调频。2、设计参数微带贴片：图3-1参考地面：图3-2图3-3介质层面：图3-4激励端口：图3-5辐射边界：图3-63、设计结构微带贴片：图3-7 更改后截图图3-8 更改前截图参考地面：图3-9 更改后截图图3-10 更改前截图介质层面:图3-11激励端口：图3-12辐射边界：图3-13四、超宽带微带单极子天线设计结果1、半椭圆微带贴片1.天线结构图4-1图4-22.仿真结果图4-3图4-4图4-5图4

30、-63、一次陷波1.天线结构图4-7 更改后截图图4-9 更改前截图2.仿真结果图4-10图4-11图4-12图4-134、二次陷波1.天线结构图4-14 更改后截图图4-20 更改前截图2.仿真结果图4-22图4-23图4-24图4-25五、设计总结超宽带单极子天线具有频带宽、结构简单、易于制造等诸方面的优点，因此成为首选的宽频带天线形式。本文就是研究一种具有对称的两臂的由共面波导馈电的超宽带单极子天线，研究天线的电磁特性与波端口尺寸之间的关系，研究天线的宽频带特性，并对天线S参数进行了测试，对实验结果和仿真数据进行比较，做误差分析。1、查找了至今有关共面波导馈电的超宽带单极子天线的资料，作

31、为本次课题研究的参考材料。2、学习并使用了HFSS电磁仿真软件，并对设计出来的天线进行仿真，测试出相关参数。对天线的几何尺寸与波导端口的几何尺寸及位置进行了探究，并把不同的数据所仿真出来的S参数进行了比较，优化天线，得出了最佳的贴片的尺寸和波导端口的尺寸及位置。3、根据在HFSS软件上画出的3D的天线图形，制作出了实验天线模型。学习并使用网络分析仪对实验天线进行了测试，得出了测试的回波损耗曲线图谱和驻波比图谱。由于时间问题，以及自己的知识水平有限，该模型并未达到完美，而且许多地方还存在问题。仿真结果与理论值大致吻合，误差较小。通过实际测试，大部分参数能比较接近理论值，部分结果误差较大，我也没有分析出具体原因。调试过程也没具体的指标和公式，而是根据控制变量法一次摸索，花费了较多时间，但也没有得到预期的完美结果，但理论与设计在误差范围内结果正确。六、参考文献1. 刘圣民. 电磁场的数值方法M.华中理工大学出版社. 1991, 100-1542. 袁涛. 超高频天线术的新进展 .雷达科学与技术3. 许学梅. 杨延嵩等. 天线技术M. 西安电子科技大学出版社, 2004, 64.阮成礼. 超宽带天线理论与技术M. 哈尔滨工业大学出版社.2006.11第1版5.康行健等. 天线原理与设计M. 北京理工大学. 1993.8.6.李明洋. HFSS天线设计. 电子工业出版社.