射频与微波电路设计微带天线设计解析

射频微波技术课程设计专业班级：学号：学生姓名:指导教师：年月日设计题目：圆极化微带天线仿真设计一、内容摘要微带天线（microstrip antenna）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：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。

②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。

二、设计任务及指标：设计一种谐振频率为920MHz的圆极化贴片天线，利用Ansoft公司的HFSS13.0对其进行建模并对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。

进一步理解微带天线的特性与应用，掌握微波天线的工程设计方法和技巧，熟悉三维电磁场仿真工具HFSS，了解微波天线产品的系统概念，提高专业素质和工程实践能力。

（1）工作频段：900~1200MHz。

（2）基板FR4：H=1.5mm，Er=4.4，tand=0.02。

（3）驻波比小于1.5。

（4）轴比小于3dB。

（5）方向性系数高于3dB。

（6）极化方式RHCP。

三、设计原理：1.微带贴片天线的工作原理微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。

天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。

前者要解决天线与馈线的匹配问题；后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。

而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。

对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。

因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。

微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。

一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。

第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。

虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。

从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来[3]。

为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。

随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。

然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。

电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。

微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。

1.2 微带天线研究的背景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。

1.3 多频带微带天线研究的意义当今，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。

本文主要针对通讯产品的一个前沿范畴棗微波级高频电路及其PCB设计方面的理念及其设计原则。

之所以选择微波级高频电路之PCB设计原则，是因为该方面原则具有广泛的指导意义且属当前的高科技热门应用技术。

从微波电路PCB设计理念过渡到高速无线网络（包括各类接入网）工程，也是一脉相通的，因为它们基于同一基本原理棗双传输线理论。

有经验的射频工程师设计的数字电路或相对较低频率电路PCB，一次成功率是非常高的，因为他们的设计理念是以“分布”参数为核心，而分布参数概念在较低频率电路（包括数字电路中）中的破坏作用，常为人们所忽略。

长期以来，许多同行完成的电子产品（主要针对通讯产品）设计，往往问题重重。

一方面固然与电原理设计（包括冗余设计、可靠性设计等方面）的必要环节缺乏有关，但更重要的，是许多这类问题在人们认为已经考虑了各项必要环节下而发生的。

针对这些问题，他们往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余等方面的核查上，却极少将精力花在对PCB设计的审核方面，而往往正是由于PCB电路板设计缺陷，导致大量的产品性能问题。

PCB板设计原则涉及到许多方方面面，包括各项基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护等等。

对于这些方面，特别在高频电路（尤其在微波级高频电路）方面，相关理念的缺乏，往往导致整个研发项目的失败。

许多人还停留在“将电原理用导体连接起来发挥预定作用”基础上，甚至认为“PCB设计属于结构、工艺和提高生产效率等方面的考虑范畴”。

许多专业射频工程师也没有充分认识到该环节在射频设计中，应是整个设计工作的特别重点，而错误地将精力花费在选择高性能的元器件，结果是成本大幅上升，性能的提高却微乎其微。

应特别在此提出的是，数字电路依靠其强的抗干扰、检纠错以及可任意构造各个智能环节来确保电路的正常功能。

一个普通的数字应用电路而高附加地配置各类“确保正常”的环节，显然属于没有产品概念的举措。

但往往在认为“不值得”的环节，却导致产品的系列问题。

小型微带天线分析与设计随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和尺寸成为了的焦点。

其中，微带天线由于其独特的优点在无线通信领域得到了广泛的应用。

本文将主要对小型微带天线的分析与设计进行深入探讨。

微带天线简介微带天线是一种由导体薄片贴在介质基板上形成的天线。

由于其具有体积小、易于集成、易于制作等优点，被广泛应用于移动通信、卫星导航等领域。

微带天线的分析主要涉及电磁场理论、微波传输线和电路理论等方面的知识，而设计则主要天线的性能优化和尺寸减小。

小型微带天线的分析微带天线的特点微带天线的主要特点包括体积小、重量轻、易于制作和低成本等。

微带天线还具有可共形和可集成的优点，使其能够适应不同的应用场景和设备形状。

同时，微带天线的带宽较宽，能够覆盖多个通信频段。

微带天线的分析方法微带天线的分析主要涉及电磁场理论、微波传输线和电路理论等方面的知识。

常用的分析方法包括有限元法、边界元法、高频近似方法等。

这些方法可以根据具体问题选择合适的求解器和计算精度。

小型微带天线的优化设计微带天线的设计要素微带天线的优化设计主要天线的性能优化和尺寸减小。

设计要素包括基板材料、基板厚度、贴片形状和尺寸、缝隙大小和位置等。

通过对这些要素的优化，可以提高天线的辐射效率、增益和方向性等性能。

微带天线的优化方法微带天线的优化方法包括仿真优化和理论优化。

仿真优化通过电磁仿真软件对天线进行建模和仿真，根据性能指标进行优化。

理论优化则是通过对天线理论的深入研究，提出优化的设计方案。

也可以将两种方法结合使用，以获得更佳的设计效果。

小型微带天线的应用前景及挑战应用前景随着无线通信技术的不断发展，小型微带天线具有广泛的应用前景。

未来，微带天线将不断应用于5G、6G等新一代无线通信技术中，实现更高速度、更宽带宽和更低功耗的无线通信。

同时，微带天线也将应用于物联网、智能家居、自动驾驶等领域，实现设备的互联互通和智能化。

虽然小型微带天线具有许多优点，但也存在一些挑战。

实验二微带传输线实验一实验目的1.了解微带传输线的基本理论和特性。

2.掌握用网络分析仪测量微带传输线接不同负载时工作参量的值。

3.通过测量认知1/4波长传输线阻抗变换特性。

二实验原理1.微带传输线的基本原理微带线目前是混合微波集成电路和单片微波集成电路使用最多的一种平面型传输线。

它可用作光刻程序制作，且容易与其它无源微波电路和有源微波电路器件集成，实现微波部件和系统的集成化。

微带线可以看作是由双导线传输线演变而成的，如图2－1所示。

在两根导线之间插入极薄的理想导体平板，它并不影响原来的场分布，而去掉板下的一根导线，并将留下的另一根导线“压扁”，即构成了微带传输线。

实际的微带线结构如图2－1所示。

导体带（其宽度为w，厚度为t）和接地板均由导电良好的金属材料（如银，铜，金）构成，导体带与接地板之间填充以介质基片，导体带与接地板的间距为h 。

有时为了能使导体带，接地板与介质基片牢固地结合在一起，还要使用一些黏附性较好的铬，钽等材料。

介质基片应采用损耗小，黏附性，均匀性和热传导性较好的材料，并要求其介电常数随频率和温度的变化也较小。

图2－1 双导线演变成微带线图2－2 微带线的结构及其场分布2. 微带线的技术参数2.1 特性阻抗若微带线是被一种相对介电常数为εr 的均匀介质所完全包围着，并把准TEM 模当作纯TEM 模看待，并设L 和C 分别为微带线单位长度上的电感和电容，则特性阻抗为zc ＝C L ＝Cv p 1 相速v p 为 v p ＝LC 1＝εr v 0但实际上的微带线是含有介质和空气的混合介质系统，因此不能直接套用上面的公式求特性阻抗。

为了求出实际的微带线的特性阻抗z c 和相速度v p ，而引入了等效相对介电常数的概念。

如果微带线的结构现状和尺寸不变，当它被单一的空气介质所包围着时，其分布电容为C 0。

实际微带线是由空气和相对介电常数为εr 的介质所填充，它的电容为C 1，那么，等效相对介电常数εre 的定义为εre ＝C C 01 这样，实际微带线的特性阻抗即可表示为z c ＝εre c z 0z c 0为在同样形状和结构尺寸的情况下，填充介质全部是空气时微带线的特性阻抗z c 0＝C v 001我们假定已成形的导体的厚度t 与基片厚度h 相比可以忽略h （005.0<h t ）。

射频技术之微带阵列天线设计要点
 在大于10GHz的频段，PCB微带印刷天线相对于波导缝隙天线、透镜天线、反射面天线等其他天线具有明显优势。

成熟的PCB加工工艺可以有效控制微带天线制作成本，天线板、射频板以及低频数模电路板的多层混压技术
还使得整个射频系统具有很高的集成度。

 厚度选择
 主要综合微带天线工作带宽、馈电网络设计以及天线效率三个因素选择厚度。

第一，PCB厚度影响微带天线阻抗带宽，PCB厚度越小，阵列规模越大，则天线工作带宽越小。

第二，PCB厚度决定馈电网络阻抗变化段的微带线线宽，对于20mil厚度的RO4350B板材，50Ω和100Ω微带线线宽分别为
1.13mm和0.27mm，而微带天线在24GHz对应谐振长度为3mm左右，馈电
网络中某个微带变换段的阻抗过小或过大，都会造成微带线太宽或太窄，微。

实验十三微带天线（Microstrip Antenna）一、实验目的1.了解天线之基本原理与微带天线的设计方法。

2.利用实验模组的实际测量得以了解微带天线的特性。

二、预习内容1．熟悉微带天线的理论知识。

2．熟悉天线设计的基本概念及理论知识。

三、实验设备四、理论分析天线基本原理：天线的主要功能是将电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波。

所以天线亦可视为射频发收电路与空气的信号耦合器。

在射频应用上，天线的类型与结构有许多种类。

就波长特性分有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分，常见有单极型（Monopole）、双极型（Dipole）、喇叭型（Horn）、抛物型（Parabolic Disc）、角型（Corrner）、螺旋型（Helix）、介电质平面型（Dielectric Patch）及阵列型（Array）天线，如图13-1所示。

就使用频宽来分别有窄频带型（Narrow-band,10%以下）及宽频带型（Broad-band,10%以上）。

图13-1 常见天线（一）天线特性参数1.天线增益（Antenna Gain’G）：isotropicPPG=其中 G——天线增益P——与测量天线距离R处所接收到的功率密度，Watt / m2Pisotropic——与全向性天线距离R处所接收到的功率密度,Watt / m2由此可推导出，与增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度：24RPGP txrec⋅⋅=π其中 G——天线增益P tx——发射功率，Watt / m2R——与天线的距离，m2.天线输入阻抗（Antenna Input Impedance’Zin）：IVZin=其中 Z in——天线输入阻抗V——在馈入点上的射频电压I——在馈入点上的射频电流以偶极天线为例，其阻抗由中心处73Ω变化到末端为2500Ω。

3.辐射阻抗（Radiation Resistance’Rrad）：(a)单极型(c)喇叭型(d)抛物面(e)螺旋型(f)阵列型2i P R av rad =其中Pav ——天线平均辐射功率，Wi ——馈入天线的有效电流，A I ——在馈入点上的射频电流对一半波长天线而言，其辐射阻抗为73Ω。

一、设计目的通过学习和掌握HFSS软件，加强对相关知识的理解和掌握，提高在射频领域的应用能力。

本设计是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS仿真软件基础上，设计一个右手圆极化三角形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。

二、设计原理如下图所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。

现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。

在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。

在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。

因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。

缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。

这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

矩形贴片天线示意图三、设计记录1.三角形贴片设计模型2.反射系数曲线3.方向图四、设计总结通过本次微带天线的课程设计，进一步的加深了对于微波技术与天线这门课程的理解，同时也掌握了对于HFSS仿真软件的使用。

在课程设计中可以更好的理解平时所学内容中的抽象的模型，通过和同学间的讨论以及老师的指导更好的完成了课设的要求，提高了动手的能力也增强了同学间的合作能力。

设计中发现，设定的参数为 2.45GHz，但工作位置却在2.42GHz，说明还需要对参数进行一定的改进。

r f电路设计讲座射频、微波天线技术探微RF电路设计讲座（1）射频、微波天线技术探微天线在无线电系统里的功能是什么呢？答案是，它是一个「门」、一个接口，透过它，射频能量可以从发射机辐射到外面世界；或从外面世界到达接收机。

底下将讨论各种天线系统的技术。

天线特性天线具有以下的特性和参数： 1. 辐射极场图型（radiation polarpattern）：天线会向四周辐射电磁波，以天线为中心，电磁场在各方向的强度可以用图形描绘出来。

2. 指向性（directivity）3. 效率4. 增益5. 等效面积6.相互性（reciprocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。

当电压E作用在A天线上，促使B天线产生电流I。

此时，使用相同的电压E作用在B天线上，会在A天线上产生振幅和相位都相同的电流I。

7. 接收的噪声功率 8. 终端阻抗，包括辐射电阻。

9. 接收系统的效益指数（G/T）：G是天线的增益，T是噪声温度（noisetemperature）。

天线的接收灵敏度和G/T值大小有关，若G/T愈高，表示天线对微弱讯号愈敏感，接收效果也愈好。

「噪声温度」是很抽象的观念，它的定义应该用数学公式表示。

但若要以纯文本描述的话，可以这么说：在一个通讯系统或被测组件里，当频率不变时，被动组件系统的温度会使每单位带宽的噪声功率（noisepower）ρ增加，当被动组件系统的ρ值等于此通讯系统的ρ值时，所得到的温度就是「噪声温度」。

请注意，被动组件是包含在此通讯系统或被测组件里面，有时此被测组件也被称作「网络的真正终端装置（actualterminals of anetwork）」。

例如：一个单纯电阻的「噪声温度」就是此电阻的真正温度；但是，一颗二极管的「噪声温度」可能是此二极管（真正的终端装置）的真正温度（接脚测量到的温度）之数倍之多。

噪声温度是以绝对温度（-273oC）为零度，单位是K（Kelvin）。

专业班级：学号：学生姓名 : 指导教师：年月日设计题目：圆极化微带天线仿真设计一、内容摘要微带天线（microstrip antenna ）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：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。

②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。

二、设计任务及指标：设计一种谐振频率为920MHz的圆极化贴片天线，利用An soft公司的HFSS13 •对其进行建模并对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。

进一步理解微带天线的特性与应用，掌握微波天线的工程设计方法和技巧，熟悉三维电磁场仿真工具HFSS 了解微波天线产品的系统概念，提高专业素质和工程实践能力。

（1）工作频段：900~1200MHz。

（2）基板FR4： H=1.5mm，Er=4.4, tand=0.02。

（3）驻波比小于1.5。

（4）轴比小于3dB。

（5）方向性系数高于3dB。

（6）极化方式RHCP。

三、设计原理：1. 微带贴片天线的工作原理微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。

天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。

前者要解决天线与馈线的匹配问题；后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。

而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。

对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。

因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。

微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。

一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。