CAD天线设计 大作业——西电

西安电子科技大学天线CAD大作业微带天线姓名：班级：学号：微带天线基本要求：工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。

微波基板 =6.0 ，厚度H≤5mm，线极化。

总结设计思路和过程，给出具体介电常数为的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。

（80分）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。

（20分）一．微带天线1.结构与分类微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。

早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。

在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。

常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。

当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。

长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。

L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a 和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。

另一类微带天线是微带缝隙天线。

它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。

按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。

按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。

前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。

2.微带天线的性能微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。

和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形(2)电性能多样化。

微带天线CAD(1)一、微波传输线与微带天线§1.1 微波传输线传输线：同轴线(双导线)，波导，微带线天线：线天线喇叭天线微带天线所谓的传输线是传播微波能量的，天线是用来辐射能量的。

只要能传播微波能量，就能设计成专业的天线用来辐射能量！天线所辐射的能量就是来自于传输线，因此，将微波传输线的形状改变就能够设计成为天线！也正因为如此，每种传输线都对应于一系列的天线形式。

例如：用双导线和同轴线设计的线天线；用波导设计的喇叭天线以及抛物面天线；用微带线设计的微带天线，等等。

这里我们主要讲述微带天线的CAD。

§1.2 微带传输线微带线由一条宽度为w的导体带和背面有导体接地板的介质基片构成(如图1—1所示)。

导体带宽度为t，介质基片厚度为h，相对介电常数为rε。

ε=1 表示的是什么？空气介质！近年来，以空气为介质的微带天线在基r站天线中得到了广泛的应用，例如：西安华天。

微带线是一种开放线路，因此它的电磁场可无限延伸。

这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（由空气和介质)构成。

我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场——TEM 模。

现在由于空气—介质分界而的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量(包括纵向分量)的混合模。

不过，当频率较高，微带宽度w 和高度h 与波长可相比拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。

其最低模TEl0的截止波长为：(1-1)04h 是计入边缘效应后的等效宽度的延伸量。

（a ）(b)图1—1 微带传输线最低次TM 模（TM01）的截止波长为：（1-2）此外，微带线中还存在表面波。

最低次TM 型表面波（TM 0)的截止波长为∞，即其截止频率没有下限。

最低次TE 型表面波TE 0的截止波长：（1-3）上述波导模和表面波模称为微带的高次模。

为抑制高次模的出现，微带尺寸的选择需满足如下条件：亦即对应于最高的工作频率。

（为什么要抑制微带中的高次模？作业一） 微带传输线传输的是准TEM 模，其有两个主要持性参数：特性阻抗（characteristic impedance ）Z 0和沿线传输相速（亦即电磁波在介质中的传播速度）p v 或有效介电常数(effective dielectric constant )re ε。

天线CAD大作业学院：电子工程学院专业：电子信息工程微带天线设计一、设计要求：（1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。

微波基板介电常数为r ε= 6，厚度H ≤5mm ，线极化。

总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。

（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。

二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,s m /103c8⨯=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则（1）辐射切片的宽度21)21(2-+=r f c w ε=69.72mm（2）有效介电常数21)121(2121r e-+-++=whr εεε=5.33（3）辐射缝隙的长度)8.0/)(258.0()264.0/)(3.0(h412.0+-++=∆h w e h w e L εε=2.20（4）辐射切片的长度L ef c L ∆-=22ε=52.10mm（5）同轴线馈电的位置L1 21)121(2121)(re -+-++=Lh r r L εεξ=5.20 )11(21reL L ξ-==14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：微带天线的HFSS设计模型如下：立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。

介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。

对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。

使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。

§1 NEC (Numerical Electromagnetic Code，数值电磁代码) §1.1 简介（Introduction）NEC全称Numerical Electromagnetic Code（数值电磁代码），是由美国加利福尼亚的劳伦斯&利沃诺实验室创建的。

NEC是基于电场积分方程（EFIE）和磁场积分方程（MFIE）进行矩量法计算的，计算出天线上各段的电流分布，从而得到天线的近场场强和远场的方向图及天线的输入阻抗、极化、轴比等电特性。

§1.2 NEC的分类NEC软件包括：NEC2、4NEC2（NEC4）、Super NEC、Expert MININEC等。

NEC软件都是基于EFIE和MFIE积分方程，进行求解天线电特性的，这些软件能够分析位于自由空间或无限大地面上的任意直导线组成的细线天线。

细线假设包括：1)线半径远小于工作波长和线长（a<<λ，a<<l）;2)分段（每一小段）的长度均大于线半径（a∆），因此认为天>线上只有轴向电流，而没有环向电流。

§1.3 NEC软件的介绍下面主要介绍NEC2和4NEC2的应用。

§1.3.1 NEC2的应用NEC2又称卡片式NEC，NEC2的程序主要由一些卡片参数控制，并且这些程序以文本的格式保存，比如保存为：*.nec的格式。

NEC2的计算引擎是FORTRAN 90编译器，它采用三角形函数为基函数的伽略金矩量法（Galerking’s Procedure of Moment Method）。

从使用者的观点看，NEC2有三个主要的部分：1.使用者能够把描述天线结构的文本文件转换为模拟天线结构的数据。

2.建立计算子，并用EFIE方程计算得到需要的参数。

3.结果以文本文件的形式输出，里面包含天线的结构描述、特定几何结构的分析结果和需要的天线电性能参数。

下面具体介绍一下NEC2的用法：1.CM简单描述所创建的天线结构；2.CE输入的天线结构的总描述行，起着把天线的结构参数送进NEC 的软件中；3.GW一连串段来描述一直线GW tag segs x1 y1 z1 x2 y2 z2 radiusTag：所画物理结构直线的号码；Segs：直线分的段数；X1,y1,z1;x2,y2,z2代表直线的起始坐标和终点坐标；Radius：代表所画直线的半径。

微带天线CAD (4)一、 宽频带微带天线技术与基站天线的设计1.1微带天线的宽频带技术1.1.1 引言为适应日益发展的广泛应用的需要，微带天线现在不但已发展了多种多样的宽频带技术，并且已产生了众多有效的宽频带技术和多频段工作方式。

同时，也发展了宽频带的馈电方法，其应用也越来越广泛。

宽频带微带天线在无线领域中有重要作用，特别移动通信中得到了广泛的应用。

作为移动通信中的基站天线，已经研发出重量轻、体积小，成本低的宽频带基站用的微带天线。

随着移动通信的发展，对移动通信天线设计师还有更进一步的要求。

众所周知，高明的天线设计会使天线产生另外的系统功能，例如分集接收能力来降低多路径衰落，或极化持性的选择功能等----双极化天线。

因此，移动通信天线设计不再局限于在轮廓分明的平坦基面上实现小型化、轻重量、薄剖面或平嵌安装的全向天线，而是建立一个复杂的电磁结构，使其在信号处理中发挥重要作用，并通常在不确定的时间变化环境中工作-----智能天线。

目前，国内用的基站天线的工作频率范围大多在：806 ~ 870MHz；824 ~ 896MHz；806~896MHz ，1710 ~ 1920MHz；1885 ~ 1990MHz；1710~1990MHz，1880~1930MHz，UMTS天线 (1920~2170MHz)。

对于一般的基站天线，一般不外乎要求高增益、宽频带。

为了保证基地站天线能同时同许多移动站进行通信，必须采用多信道，这就要求具有宽带特性和分路及(或)合成信道功能。

按照无线电规则的安排，800MHz 陆地移动通信的频带范围为810 ~ 960MHz 。

为了用一副天线覆盖整个频带，就需要17％的相对带宽。

当天线既发射又接收时，就会产生无源交调，因而增加干扰。

其次，为了保证基地站与业务区域内的移动站之间的通信，在业务区域内，无线电波的能量必须均匀辐射，并且天线增益应尽可能高。

由于业务区域的宽度是已经确定了的，所以不能通过水平面的波束宽度来提高天线的增益，只能通过变窄垂直面的波束宽度来提高天线增益。

圆极化微带天线1设计要求设计一付工作频率为1200±5MHz圆极化微带天线，微波基板介电常数为2.2，厚度为1.5mm。

要求带内增益大于4.0dBi，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。

确定结构参数，给出设计过程和设计结果（包括VSWR、方向图，轴比等指标）。

2设计分析2.1设计原理微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持TM01和TM10模，两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。

此次仿真就是采用方形切角微带天线来实现圆极化波的。

2.2参数设置方形切角微带天线结构示意图如下：由公式(式中c为光速)，带入工作频率1.2GHz，得到W=98.821mm。

取L=W，取馈电点位置(馈电点中心到原点距离)L1=0.15*W=14.823mm。

切角边长Qie=10mm。

介质基板边长为2W，地板设为正方形边长为2W。

2.3初步建立模型利用HFSS建立模型，得到如图：2.4初步仿真仿真结果如下：S11曲线：输入阻抗：由图可见，很明显谐振频率不在1.2GHz。

输入阻抗约9Ω，也与同轴线50Ω不匹配。

故上述指标需要进一步优化。

2.5参数优化2.5.1 对W优化由理论分析可知，矩形微带天线谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，谐振频率随着贴片长度的缩短而变大。

故设置优化扫描项，对W进行扫描优化，如图所示：可见，当W=82mm时，天线谐振在了1.2GHz。

2.5.2 对L1优化又由理论分析可知，矩形微带天线的输入阻抗主要由馈电点的位置决定，当馈电点从辐射贴片中心往边缘移动时，即当L1增大时，输入阻抗也随之变大。

同对W的优化操作一样，对L1进行扫描，观察可以达到匹配的L1的值，得到匹配时L1=16.4mm。

2.5.3对其他项优化及最后结果通过以上优化，得到了满足谐振频率和输入阻抗的两个设计值，取W=82mm，L1=16.4mm。