单频圆形微带贴片天线设计

题目：L/S频段的圆极化双频单贴片天线设计1. 所设计天线的应用背景通信设备的不断更新和扩容，需减小天线之间的相互干扰，这就要求天线朝着宽频带方向发展。

为了充分利用越来越拥挤的微波频段，通常希望多个系统共用一副天线或者天线收发共用，这一现状促使了天线的双频甚至多频技术的出现。

现在市场上普遍流行的多模手机就是很好的例证。

圆极化天线具有可接收任意极化的来波、旋向正交性、圆极化波入射到对称目标时旋向逆转等极化特性，在面对云雨干扰、剧烈震动、影响重叠等外来因素干扰时表现优异，能满足在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格、更精密的探测或是传输要求，而小型化是集成电路的发展趋势。

近年来，宽带多频的圆极化微带天线发展迅速，广泛应用于军事和民用通信的多个领域。

本设计旨在介绍一种单贴片的双频圆极化天线的实现，该方法适用于设计工作于L/S频段的双频天线，具体应用领域包括卫星导航（GPS/BeiDou）、WLAN、RFID等。

2. 设计天线的关键或主要指标等的介绍该天线采用单贴片的微扰法来实现双频，即通过单一贴片激励两个主要的横磁波模式实现双频，这里主要是TM10和TM30模；采用简单的单同轴馈电实现圆极化，尺寸小结构紧凑。

天线的设计指标：中心频率：1.54GHz，2.98GHz反射系数：<-15dB增益：1dBi交叉极化：<-15dB3. 该类天线发展情况微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、平面结构、可共形、易集成、功能多样化、成本低、易于批量生产等一系列颇具特色的优点。

近年来国内外研究者在圆极化天线能与设备大小协调、多频工作等方面取得了一系列成果。

实现微带天线小型化的尝试繁多，具体有贴片表面狭缝加载,即通过在天线贴片中加载十字形狭缝、弯折的狭缝或Y形狭缝;贴片边缘加载狭长切口；方形和三角形贴片切角、圆形贴片边缘切割；贴片外加调谐枝节以及利用分形技术在贴片或者地板上加载特定尺寸的EBG结构等。

多频天线通常采用单贴片的多模谐振和贴片层叠的方法来实现。

一种圆形开槽微带天线的设计介绍：微带天线是一种常见的天线形式，广泛应用于无线通信系统中。

圆形开槽微带天线是一种具有较大带宽和较高辐射效率的设计。

它由圆形金属基底和中心开槽组成，通过调整开槽的参数，可以实现不同频率上的工作。

设计步骤：1.选择合适的基底材料：常见的基底材料有FR-4玻璃纤维胶片和PTFE，选择材料时要考虑其介电常数和损耗因子。

2.计算基底尺寸：根据工作频率和介电常数，计算得到合适的基底尺寸。

对于圆形开槽微带天线，基底的直径应大于波长的四分之一3.设计圆形开槽：圆形开槽是通过在基底中心开一个圆形孔的方式实现的。

孔的直径和位置会影响天线的工作频率和辐射特性。

可以使用天线模拟软件进行仿真和优化。

4.添加微带线：在孔的边缘连接到微带线，微带线的宽度和长度也是可以调整的参数之一、微带线的长度可以根据公式l=λ/4来计算，其中l为微带线长度，λ为工作频率的波长。

5.优化设计：通过仿真和测试，对设计进行优化。

可以调整基底尺寸、开槽参数和微带线参数等，以实现更好的性能。

6.制作天线：使用PCB制作技术将设计好的天线印刷在基底上。

可以选择双面PCB板，将微带线印刷在一侧，然后通过焊接连接到另一侧，形成闭路。

7.测试性能：通过测试，检验天线的工作频率、辐射特性和带宽等性能指标。

8.优化设计：根据测试结果，对设计进行再次优化，进一步改善性能。

总结：圆形开槽微带天线是一种常见的天线设计，可以实现较大的带宽和较高的辐射效率。

在设计过程中，需要选择合适的基底材料和尺寸，并进行开槽和微带线的优化。

通过仿真、制作和测试，可以获得理想的性能。

这种设计可以广泛应用于无线通信系统中。

摘要微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，制造成本低，易于批量生产，易于和微带线路集成等特点，能得到单方向的宽瓣方向图，易于实现双频段、双极化等多功能工作。

这些优点使得微带天线在大约100MHz～100GHz宽广频域上，广泛应用于包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备。

论文首先回顾了微带天线的发展史，介绍了它的结构、优缺点及应用，然后给出了微带天线的几种分析方法，包括传输线法，空腔模型法，积分方程法等，并介绍了微带天线圆极化的原理和实现方法以及微带天线的馈电方式。

然后在Ansoft HFSS中创建了一个单馈圆极化微带天线和双馈圆极化微带天线，分析了S11和VSWR参数，画出了方向图。

为了实现圆极化，进行了轴比的优化仿真，达到了较为理想的结果。

关键词：微带天线、圆极化、轴比AbstractThe microstrip antennas has the volume to be small, the weight is light, the low section plane, the production cost is low, easy volume production, easy and characteristics and so on microstrip line integration, can obtain the single direction wide petal directional diagram, easy to realize, the double polarization dual range and so on multi-purpose work. These merits cause the microstrip antennas in approximately the 100MHz-100GHz broad frequency range, widely applies in includes the satellite communication, the radar, the remote sensing, the guided weapon as well as the portable wireless apparatus.The paper first reviewed microstrip antennas's history, introduced its structure, the good and bad points and the application, then have given microstrip antennas's several analysis method, including the transmission long-base method, the cavity modeling, the integral equation law and so on, and introduced the microstrip antennas circular polarization's principle and realizes the method as well as microstrip antennas's feed method. Then AnSoft Hfss in the creation of a single-fed circular polarization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna and double-fed circular polarization microstrip antenna, the analysis of the S11 and VSWR parameters, to draw a pattern. In order to achieve circular polarization, the axis carried on the optimization simulation, to a more satisfactory results.Key words：microstrip antenna；circular polarization; axial ratio目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)第一章绪论 (1)§1.1微带天线的发展 (1)§1.2微带天线的定义和结构 (1)§1.3微带天线的优缺点 (2)§1.4微带天线的应用 (3)第二章微带天线的原理技术 (4)§2.1微带天线的辐射机理 (4)§2.2微带天线的分析方法 (5)§2.2.1传输线模型法 (5)§2.2.2空腔模型法 (8)§2.2.3积分方程法 (8)§2.3微带天线的馈电方法 (9)§2.4微带天线圆极化技术 (10)§2.4.1圆极化天线的原理 (10)§2.4.2圆极化实现技术 (11)§2.5其他形式的微带天线 (15)第三章圆极化微带天线的仿真与优化 (19)§3.1A NSOFT HFSS高频仿真软件的介绍 (19)§3.2圆极化微带天线的仿真优化 (19)§3.2.1圆极化微带天线的仿真设计 (19)§3.2.2天线轴比的优化 (22)第四章双馈圆极化微带天线的设计 (25)§4.1两路微带等功率分配器的设计与仿真 (25)§4.2双馈圆极化微带天线的仿真分析 (29)§4.2.1创建天线模型 (29)§4.2.2 优化天线模型 (33)致谢 (37)参考文献 (37)第一章绪论§1.1微带天线的发展微带天线的概念早在1953年就已经提出了，但并未引起工程界的重视。

设计实验微带贴片天线的设计一、实验目的Fig. 1 微带贴片天线设计思路1、通过HFSS仿真设计微带贴片天线，具体参数要求如下：✓工作频率为2.6GHz，使用材料为FR4（相对介电常数ε=4.4），厚度为1.6mm的双面覆铜板；✓辐射贴片采用夹角为180°的扇形贴片，利用50Ω的微带线进行馈电，用1/4波导微带匹配段对天线进行阻抗匹配；✓要求天线的血站频率在2.55GHz~2.65GHz范围内，且仿真参数S11在谐振频率出小于-13dB。

2、天线设计思路参考Fig.1，仿真成功后做出实物板。

二、实验原理1、HFSS仿真设计流程：建立模型→设置边界和激励（包括金属板、介质板和空气盒子）→建立优化→设置求解条件，并执行仿真→生成结果。

2、利用APPCAD计算微带线参数：介质板厚度为1.6mm，FR4材料的相对介电常数ε=4.4，中心频率为2.6GHz，根据APCAD计算，如图Fig.2所示，为使微带线馈电电阻为50.04Ω，微带线宽度应为W3=3.06mm，并且1/4波导微带匹配段的长度应为L=15.65mm.Fig. 2 扇形贴片天线参数计算同时，金属板尺寸为100mm×75mm，可初步估计扇形半径R=33mm，馈线长度L3=5mm，匹配段宽度W=1mm。

根据以上参数可绘制如图Fig.3所示。

Fig. 3 扇形贴片天线参数和设计示意图3、制板流程：导出图形→打印胶片→PCB板打孔穿线→将胶片固定在PCB板上进行曝光→显影→刻蚀→用酒精除去感光膜→焊接→测试。

三、仿真过程与分析正面示意图背面示意图Fig. 4 微带贴片天线设计金属板示意图1、建立模型（Fig.4）。

打开HFSS，绘制介质板，第一个点（-10，0，0），第二个点相对坐标为（100，75，-1.6），建立尺寸为100mm×75mm×1.6mm的长方体。

●绘制正面图形：绘制馈线：第一个点（38.475，0，0），第二个点相对坐标（3.06，5，0），建立3.06mm×5mm的矩形馈线。

一、设计原理矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化圆形贴片天线，其工作频率为2.45GHZ，分析其园区福设成以及S曲线。

二、仿真步骤1、建立新的工程运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSSDesign,建立一个新的工程。

2、设置求解类型（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。

（2）在弹出的Solution Type窗口中（a）选择Driven Modal。

（b）点击OK按钮。

3、设置模型单位将创建模型中的单位设置为毫米。

（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。

（2）设置模型单位（a）在设置单位窗口中选择：mm。

（b）点击OK按钮。

4、创建微带天线模型（1）创建地板GroundPlane。

在菜单栏中点击Draw>Rectangle，创建矩形模型。

在坐标输入栏中输入起始的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0.按回车键。

在坐标输入栏中输入长、宽：dX:90,dY:90,dZ:0按回车键。

在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为GroundPlane。

（2）为GroundPlane设置理想金属边界。

在菜单栏中点击Edit>Select>By HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E.在理想边界设置窗口中，将理想便捷命名为PerfE_Ground,点击OK确认。

在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示。

（3）建立介质基片。

在菜单栏点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮，创建长方体模型。

在击右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始坐标：X:-22.5，Y：-22.5，Z：0。

按回车键结束输入。

输入各坐标时，可以用Tab键来切换。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX:45,dY:45,dZ:5按回车键结束输入。

基于单贴片圆形微带天线的交叉口径耦合馈电天线模
型设计
 不停车电子计费系统（ETC）是一种用于高速公路、桥梁以及隧道等众多收费场所的全自动电子化收费系统，是解决高速公路收费口拥堵、节约高速公路用地资源及节能减排的有效手段。

相比较正在使用的人工半自动收费方式，电子不停车收费技术可使车道通行能力提升3至5倍。

ETc系统通过自动车辆识别系统（AVI）以及收费信息的实时在线交互来实现车辆和收费站之间的无线通信。

通过车辆的RFID系统和路边收费单元之间的短距离专用通信，ETC系统可以在没有其他任何人为协作的情况下独自完成整个收费的流程。

文章针对ETC系统设计了一款天线以用于其车载（OBU）单元。

 为了满足小型化、宽频带、以及圆极化的要求，文章对众多的微带天线形式进行了研究。

普通的单贴片微带天线的圆极化带宽是很窄的，一般都不超过1％。

使用微带天线阵技术，可以较大幅度地提高带宽，但天线的结构复杂。

而对于单贴片微带天线来说，采用一些新型的馈电技术可以有效地展宽天线的圆极化带宽。

如采用共面波导馈电、L型馈电、双馈或四馈技术等等，虽然带宽得到很大提高，但是结构也比较复杂。

 文章基于单贴片的圆形微带天线，设计了一款交叉口径耦合馈电的天线模型，此种馈电方式比较易于产生圆极化波，而且其阻抗匹配以及频带宽度等。

圆形贴片天线尺寸计算公式
而对于圆形贴片天线尺寸的计算公式，主要有以下几种方式：
1.感性计算法
D=2[(L/C)/(εr某c)]^(1/2)
其中，c为光速。

2.基于共振模式的计算法
根据圆形贴片天线的共振条件及导体长度L，可得到其直径D的公式。

其计算公式如下：
D=λ0/(2π某(1+2L/λ0)^(1/2))
其中，λ0为自由空间波长。

3.基于谐振频率的计算法
在圆形贴片天线上，会存在多个谐振频率，其较低的谐振频率会对应
着天线的共振频率。

因此，根据该共振频率f0及介质厚度h，可计算出
天线直径D的公式。

其计算公式如下：
D=λ0/(2π某(1-2h/λ0)^(1/2))
以上三种方式都可以用来计算圆形贴片天线的尺寸，其中采用不同的
基础理论和参数，计算结果可能存在差异，需要进行实验验证。

除此之外，还有一些实用技巧在圆形贴片天线的设计中也很重要。

例如，可以采用折角设计来减小天线取向不稳定性，或者采取贴片叠层技术
来实现多频段宽带操作。

综合使用这些技巧，可以设计出高性能、小尺寸的圆形贴片天线。