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华中科技大学硕士学位论文微带帖片天线的仿真分析和优化姓名：***申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：***20070301华中科技大学硕士学位论文摘要微带帖片天线具有剖面低、重量轻、易制作和容易做到与飞行器共形等特有的优点，在实际当中得到了广泛的应用。
随着不同用途需求对天线性能的要求越来越高，准确分析微带天线的物理尺寸和性能参数的关系有越来越重要的作用。
对此，本文利用Ansoft HFSS软件研究了不同物理尺寸下微带天线性能的变化，并进行了优化。
论文论述了天线的基本概念和参数指标，重点对微带天线进行了研究，讨论了典型微带天线的特性和研究方法。
在了解软件Ansoft HFSS的天线仿真功能和仿真流程的基础上，对两种设计方案下的微带天线进行了仿真分析。
最后，针对含切角的微带帖片天线通过仿真优化，得到了天线性能的优化方案。
本文的工作，不仅为微带天线的工程优化设计提供了一种有效途径，而且证实了使用Ansoft HFSS软件的天线仿真功能，能够在其它更为复杂的天线的工程优化设计中，进行更多的方案比较并缩短设计周期，降低研制成本。
关键词微带天线 Ansoft HFSS 仿真分析优化华中科技大学硕士学位论文AbstractMicrostrip patch antenna has been widely used because of its own advantages, such as: low profile, light weight, easy fabrication, conformability to mounting hosts. But, with the increased demands of antenna quality for different purposes, how to analyze the physical sizes and performance parameters of microstrip antenna will be more and more important. So, this thesis used Ansoft HFSS software to optimization and do research about performance changes of microstrip antenna in several physical sizes.The thesis introduced basic concepts and parameters of antenna, focus on microstrip antenna, then the classical microstrip antenna and its methods are illustrated. Be familiar with simulation function and simulation process of Ansoft HFSS software, did simulation analysis about microstrip antenna in two design methods. Finally, simulated the microstrip patch antenna which includes cutting corner, acquired the optimization program of antenna performance.The thesis provided effective approach of engineering optimized design of microstrip antenna, confirmed that functional simulation of Ansoft HFSS software can do optimization design in more complex antenna projects, compared to more programs, it will ensure the precision and reduce the design cost.Key Words：Microstrip antenna; Ansoft HFSS; Simulation analysis; Optimization独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
角馈方形微带贴片阵列天线交叉极化的研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述本文主要研究了角馈方形微带贴片阵列天线的交叉极化特性。
随着通信技术的不断发展，对天线性能提出了更高的要求，其中交叉极化是天线设计中一个重要的研究方向。
角馈方形微带贴片阵列天线作为一种常见的微波天线，在实际应用中具有广泛的应用价值。
本文通过对该天线的设计原理和交叉极化机制进行分析，探讨了其在实验中的表现及可能的改进方向。
通过本研究，我们希望能够为微带天线的设计和优化提供一些参考，为未来的天线研究工作提供一定的启示。
1.2 文章结构文章结构部分旨在给读者一个整体的了解，告诉读者在本文中将会讨论哪些内容和展开哪些分析。
本文的结构主要包括引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，我们将介绍本研究的背景和动机，并阐明本文的研究对象和研究目的。
正文部分将主要分为三个小节。
首先是角馈方形微带贴片阵列天线设计，我们将介绍天线的设计原理和具体的结构。
其次是交叉极化原理分析，我们将对天线的交叉极化机理进行深入探讨。
最后是实验结果与讨论，我们将展示实验结果，并对实验结果进行分析和讨论。
结论部分将从总结与回顾、研究意义和展望未来研究方向三个方面展开。
我们将总结本文的研究成果，探讨研究的意义，并展望未来在这个领域的研究方向和发展前景。
1.3 目的本文旨在研究角馈方形微带贴片阵列天线的交叉极化特性。
通过设计和分析不同参数下的天线结构，探讨其在交叉极化方面的性能表现，并进一步探讨其在通信系统中的应用潜力。
通过实验结果的验证和讨论，加深对该天线结构的理解，为其在实际工程应用中提供参考和指导。
同时，本研究也旨在为未来相关领域的研究提供一定的参考和启发，推动微波天线技术的发展。
2.正文2.1 角馈方形微带贴片阵列天线设计角馈方形微带贴片阵列天线是一种常用的微波天线，具有较好的指向性和辐射特性。
在本研究中，我们设计了一种新型的角馈方形微带贴片阵列天线，旨在实现更好的性能表现。
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种常用于高频电磁场仿真的软件，可用于设计和优化天线等高频器件。
本文将对矩形微带贴片天线的仿真设计进行详细分析和报告。
1.研究目的本次仿真设计旨在设计一种结构简单、性能优越的矩形微带贴片天线。
希望通过HFSS软件的仿真分析，优化天线的频率特性、增益和辐射方向性。
2.设计细节首先，选择一种合适的基底材料和贴片形状。
常用的基底材料有FR-4、Rogers等，贴片形状一般选择矩形。
基于实际需求和设备限制，确定天线的工作频率范围和增益要求。
其次，根据工作频率计算出天线的尺寸。
根据微带天线的原理，通过公式计算出贴片的长度、宽度和介电常数。
可以利用尺寸调整和电气长度来调整频率响应和阻抗匹配。
然后，进行天线的仿真设计。
在HFSS软件中，建立仿真模型并进行电磁场分析。
可以通过调整尺寸、形状和介电常数等参数，优化天线的性能指标。
可以通过频率扫描和图形分析等方法，获得天线的频率响应、辐射特性、增益和辐射方向性等。
最后，评估和优化设计结果。
根据仿真结果对天线的性能进行评估，并进行合理的优化调整。
可以根据需求对天线的尺寸、形状和工艺参数进行调整，以达到最佳的性能指标。
3.仿真结果与分析通过分析仿真结果，可以总结出矩形微带贴片天线的设计优缺点：优点：1)结构简单，制造工艺成熟，易于实现和集成；2)在工作频率范围内具有较高的增益和辐射方向性；3)相对比较小的尺寸，适合应用于小型设备和多天线系统中。
缺点：1)工作频率受贴片尺寸和介电常数的影响较大，需要精确的尺寸控制和阻抗匹配设计。
4.结论与展望本文基于HFSS软件进行了矩形微带贴片天线的仿真设计和分析。
通过优化调整尺寸、形状和介电常数等参数，设计出了一种具有较高增益和辐射方向性的天线结构。
仿真结果表明，该设计满足了实际需求和性能指标。
然而，本文的仿真设计还存在一些改进空间。
泉州师范学院毕业论文（设计）题目一种新型微带贴片天线的优化设计物理信息工程学院电子信息科学与技术专业 07 级 1班学生姓名何丽敏学号 070303041指导教师余燕忠职称副教授完成日期 2011年4月教务处制一种新型微带贴片天线的优化设计物理信息工程学院电子信息科学与技术专业 070303041 何丽敏指导教师：余燕忠副教授【摘要】：由于普通微带贴片天线效率低，为了提高贴片天线的效率，提出一种容易制作的新型微带贴片天线。
用HFSS 软件对它进行仿真，并对仿真的结果进行分析。
与普通贴片天线进行比较，该天线提高了增益、降低了天线回波损耗。
所提天线由于制作简单、性能优良，所以具有一定的实用价值。
【关键词】：微带贴片天线；HFSS；增益；回波损耗目录摘要 (1)0. 引言 (3)1. 微带天线的发展 .............................................................................................................................. 错误！未定义书签。
1.1概况 (5)1.2发展趋势.......................................................................................................................................... 错误！未定义书签。
1.2.1小型化 (4)1.2.2宽频带 (4)1.2.3多功能 (4)1.3应用 (4)2. HFSS仿真软件 (5)2.1 HFSS仿真软件基本功能 (5)2.2HFSS仿真设计过程 (5)3. 方案设计 (6)4. 普通微带贴片天线设计过程 (6)5. 正方形环缝的微带贴片天线设计过程 (7)6. 圆形环缝的微带贴片天线设计过程........................................................................................... 错误！未定义书签。
7. 两种环缝的微带贴片天线的性能比较 ...................................................................................... 错误！未定义书签。
8.总结..................................................................................................................................................... 错误！未定义书签。
致谢.. (19)参考文献 (19)英文摘要 (20)0.引言微带天线具有结构设计简单，容易制作，成本较低，体积较小，重量较轻，能与有源器件、电路集成统一的整体等优点[1]。
微带天线在近二十年来得到了广泛的应用，已用于大约100MHz～100GHz的宽广频带上，包括卫星通信、雷达、遥感以及便携式天线电设备上，并在未来的二十年有更广泛应用的趋势。
但是在实际应用中，由于存在回波损耗，使得微带天线的效率不是很高，不适合阵列天线的应用。
所以研究出增益高，回波损耗低的新型微带天线是非常有意义的。
1.微带贴片天线的发展1.1 概况微带贴片天线是微带天线之中最常见的形式，是在七十年代初期研究成功的一种新型天线，如图1所示。
微带贴片天线是在一个薄介质基上，其中一面附上金属薄层作为接地板，而另一面贴上一定形状的金属导体贴片。
通常利用的是微带线或同轴线一类馈线进行馈电，使得导体贴片与接地板之间激励产生了射频电磁场，并且通过贴片四周与接地板之间的缝隙而向外辐射。
它的基片厚度与波长相比相对来说一般很小，因而它能实现一维小型化。
与常用的微波天线相比，它有以下一些优点：体积较小，重量轻，低剖面，能与载体共形，它制造简单，成本低；在电器上的特点是可以得到单方向的宽瓣方向图，它的最大辐射方向在平面的法线方向上，易于和微带线路集成起来，易于实现线极化或者圆极化。
相同结构的微带天线能组成微带天线阵，从而获得更高的增益以及更大的带宽。
所以微带贴片天线越来越得到广泛的应用与重视[2]。
图1 微带贴片天线1.2发展趋势1.2.1 小型化微电子技术以及大规模集成电路的快速发展，使天线成为了电子设备中庞大、笨重部件的问题变得更加突出了，对能与设备的大小相互协调且具有效电性能的小天线的需求更加的迫切。
微带天线小型化的方法非常多，但都各具优缺点[3]。
当前主要应用于微带天线的小型化方法多是采用表面开槽，它的突出特点是频带窄，增益小，效率低。
而新材料的应用也颇受重视,比如高温超导(HTS)、光电子带隙(PGB)及有机磁性材料[4]等。
需要指出的是，天线尺寸的缩减往往是以性能作为代价的。
1.2.2 宽频带微带天线属于一维小型化谐振式天线，它的Q值高，频带窄。
近些年来出现的U型槽贴片与双层贴片无论是在探针或者是槽孔耦合的馈电方式下都获能得高达40%的阻抗带宽[5]。
因为圆极化带宽一般大大低于阻抗带宽，常规的圆极化微带天线轴比带宽不足1%，因此制约圆极化微带天线频带的因素将会转化成增益和极化特性。
1.2.3 多功能由于无线通信的飞速发展，使得在雷达、通信及定位系统等领域都非常需要双频/双极化微带天线，以此实现频率复用、天线共用和收发双工[6]。
当前，双频天线主要的实现目的是获得可控双频比的双宽频带特性这方面来的，双极化天线主要考虑的是隔离度和每种极化的交叉极化电平[7]。
1.3 应用在许多实际应用中，微带天线的优点远远超过它的缺点。
同常规的微波天线相比，微带天线可以做成共形天线,并且由于不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上，另外微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）。
在实际应用系统中，微带贴片天线已应用于移动通信、卫星通讯、多普勒及其它雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、便携装置、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、卫星导航接收机以及生物医学辐射器等领域，随着微带贴片天线技术的成熟，微带贴片天线将更加广泛的用于社会生活中的各个层次，为经济发展做出贡献。
2.HFSS仿真软件2.1 HFSS仿真软件基本功能高频结构仿真器( High Frequency Structure Simulator,HFSS)是一款界面非常友好、功能很完备、采用了有限元法的三维全波电磁场仿真软件。
它可以分析仿真任意一个三维无源结构的高频电磁场，可以直接得到特征阻抗、辐射场、S 参数及电磁场、传播常数、天线方向图等等结果。
它广泛的应用于航空、航天、计算机、电子、半导体以及通信等多个领域。
它具有如下功能:（1）用户可以通过交互式界面输入高频元件或者是电路的几何尺寸结构、材料的类型、端口的位置、端口的特性阻抗定义线等等参数。
（2）可以按用户所指定的精度计算出多端口结构端口处S 参数的值。
（3）能以磁场强度H和电场强度E作为基本的物理量, 由麦克斯韦( Maxwell) 方程出发, 求解出微波元件中的磁场和电场的分布，以及各种曲线和图形。
（4）能和频域/ 时域的电路仿真器Nexxim 和Ansoft Designer 实现了动态的链接, 拥有方便的原理图集成以及仿真数据的管理, 具备了功能强大且高效的电磁场设计流程。
（5）可以同时对多个微波元件进行分析, 即进行并行处理[9]。
2．2 HFSS 仿真设计的过程（1）设置HFSS 软件运行参数, 如设定解算类型、单位、是否复制它的几何图形边界、是否要打开各个工具窗口等等。
（2）打开新的工程, 并且在工程中插入一个也可以是多个HFSS 设计( insert HFSS design)。
（3）再根据天线设计的技术指标以及计算得到的各个天线参数, 比如天线的尺寸、材料、激励、边界等参数，获得仿真天线的模型[10]。
（4）设置仿真天线模型的各个分析参数, 比如插入远场设置、扫频模式、中心频率、起始频率、终止频率、扫描次数，然后进行校验分析。
( 5) 根据仿真出来的天线模型可以获得天线对应的特性图, 如方向图、S参数图、输入阻抗图等。
3.方案设计本文设计的是一种容易制作的新型微带贴片天线，在普通微带贴片天线的基础上，在金属的底板上开两个正方形环缝，对仿真结果进行分析；然后把正方形环缝更改为圆形环缝，进行结果分析并且给出比较分析结果。
4.普通微带贴片天线设计过程本文设计了一个右手圆极化天线，此天线是通过微带结构来实现的，中心频率设为2.45GHz。
选用Roger R04003介质板，它的相对介电常量为3.38，其厚度为5mm[11]。
先对微带贴片天线的贴片及馈电进行建模，其次设置端口和边界等条件，最后生成了如图4-1所示的三维方向图的仿真结果。
图4-1 普通微带天线结构仿真图天线的回波损耗曲线如图4-2所示，也即为S11的曲线图，由图可知在频率为2.38GHz时,得到了最小回波损耗,其值为-12.9dB。
图4-2天线的回波损耗图图4-3 3D增益方向图普通微带贴片天线的3D增益方向图如图4-3所示。
由图可以看出该微带贴片天线的辐射最大方向为平面方向，即正Z方向，增益可达到7.5dB，而且还可以得到该方向的宽方向图。
5．正方形环缝的微带贴片天线设计过程在图4-1的基础上，在金属底板上加开了两个正方形环缝，如图5-1所示，大正方形的边长为6mm，按一定的值改变小正方形的大小，形成不同大小的环缝。
图5-1正方形环缝的仿真图图5-2 正方形环缝为1.0mm的S11图图5-3 正方形环缝为1.5mm的S11图图5-4 正方形环缝为2.0mm的S11图图5-5 正方形环缝为2.5mm的S11图图5-2所示的S11的曲线图，正方形环缝为1mm时，它的谐振频率为2.35GHz，得到的最小回波损耗值为-13.84dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了0.94dB。
图5-3所示的S11的曲线图，正方形环缝为1.5mm时，它的谐振频率为2.36GHz，得到的最小回波损耗值为-14.53dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了1.63dB。
图5-4所示的S11的曲线图，正方形环缝为2mm时，它的谐振频率为2.35GHz，得到的最小回波损耗值为-14.56dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了1.66dB。
