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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。
§3.2 HFSS(High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器 §3.2.1 简介(Brief IntroductionAnsoft 公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业 EDA 厂商,成立于1984年,总部设于美国宾西法尼亚州的匹兹堡市,在全球主要国家和地区设有 26家分公司和办事机构,直接为当地用户提供支持与服务。
Ansoft 公司自 1997年进入中国市场后,先后在北京、上海和成都开设了办事处;并在北京理工大学、西安电子科技大学和北京航空航天大学设立三个培训中心; 拥有上百家国内商业用户和每年超过 30%的业务增长。
Ansoft 软件是从事射频 /微波、 EMI/EMC、信号完整性以及电机 /变压器、机电系统领域设计人员的首选工具。
高频产品 :Ansoft 公司高频软件包是一个功能非常强大的设计工具,可应用于迅猛发展的无线技术、宽带通信网络、天线系统、航空航天电子等领域, 进行系统分析、电路设计、电磁仿真和物理设计。
高频产品包括:Ansoft Designer、 HFSS 和Nexxim 。
Ansoft Designer:全新的射频、微波及无线通信领域,电磁场、电路及系统仿真的综合解决方案。
HFSS :三维高频电磁场分析软件。
Nexxim :下一代频域和时域仿真器。
经过二十多年的发展, HFSS 以其无以伦比的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作界面,稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准,已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域,帮助工程师们高效地设计各种高频结构,包括:射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩,高速互连结构、电真空器件,研究目标特性和系统 /部件的电磁兼容 /电磁干扰特性, 从而降低设计成本, 减少设计周期,增强竞争力。
射频和微波器件设计HFSS 能够快速精确地计算各种射频 /微波部件的电磁特性,得到 S 参数、传播特性、高功率击穿特性,优化部件的性能指标,并进行荣差分析,帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性,包括:波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配 /和成器,铁氧体环行器和隔离器、腔体等。
电调微带贴片天线CAD
电调微带贴片天线CAD
微带天线由于其重量轻,制作简单、成本低,易于与载体平台共形以及适合组阵等诸多优点,自20世纪70年代以来越来越受重视并得到广泛应用。
它特别适用于各种移动地面设备,如移动通信、无线电话、GPS接收机、车载雷达等,以及飞行载体(如卫星、火箭和飞机等)电子设备。
但微带贴片天线的致命缺点是阻抗带宽太窄,只有百分之几,大大限制了它的应用范围。
近些年来,已有多种技术成功地用于改善带宽,这些方法中包括使用低介电常数的介质基板、使用水平或垂直方向多层寄生贴片、以及采用匹配结构等。
本文提出微带贴片天线加载变容管来提高有效带宽,用最简单的传输线模型理论设计微带贴片天线,研究变容管加载的探针馈电矩形微带天线电特性,重点考查了变容管加载微带天线后的谐振频率变化及可调谐范围,实验结果与预测符合得较好。
1 天线的分析与设计
微带天线的分析方法主要可分为三类,即传输线模型,腔模理论以及全波分析法。
全波分析法是最严格的分析方法,采用矩量法(MOM)、有限元法(FEM)及时域有限差分法(FDTD)等数值方法比较严格地求解,结果比较精确,但计算量都比较大。
在通常的工程应用中,采用传输线模型和腔模理论,只要根据经验公式和实际结构作适当的修正,也能得到满意的设计结果,误差可控制在。
§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。
天线CAD大作业
姓名：
班级：
学号：
微带天线
一设计基本要求
工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。
微波基板介电常数为6.0，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。
二设计思路
本设计方法采用微带线馈电，微带线馈电方式又称侧馈，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电。
它可以中心馈电，也可以偏心馈电，如下图，馈电点的位置取决于激励哪种模式。
对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定以后，可以用以下方法进行阻抗匹配：先将中心馈电天线辐射贴片同50欧姆一起光刻，测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴片与馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。
如果矩形贴片的场沿着某边有变化，那么输入阻抗也会
随之变化。
因此，改变馈电点的位置是活得阻抗匹配的简单方法。
三设计步骤
1 参数计算
由公式计算辐射贴片的宽度W，计算结果为69.72mm，再由公式
可以计算出L0为107.64mm
初始的仿真数据如下：
2 建立模型
主视图
俯视图
3 初步仿真结果
S11曲线：
0.500.75
1.00 1.25 1.50
Freq [GHz]
-3.50
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
d B (S (P 1,P 1))
HFSSDesign1
XY Plot 1
Curve Info
dB(S(P 1,P 1))Setup1 : Sw eep
由图可见，很明显谐振频率不在1.1到1.2GHZ 。
故上述指
标需要进一步优化。
4 参数优化
a 对贴片长度变量L0的优化
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L0进行扫描优化，如图所示：
可见，当L0=105.5mm时，天线谐振在了1.15GHz。
b 对四分之一波长阻抗转换器的宽度变量W1优化
使用参数扫描分析功能分析四分之一波长阻抗传器的阻抗阻抗变化对天线性能的影响，以获得天线的最佳匹配性能。
如图所示：
0.500.75
1.00 1.25 1.50
Freq [GHz]
-5.00
-4.00
-3.00
-2.00
-1.00
0.00
1.00
d B (S (P 1,P 1))
HFSSDesign1
XY Plot 22
ANSOFT
Curve Info dB(S(P1,P1))Setup1 : Sw eep
L0='105.5mm' W1='3.5mm'
dB(S(P1,P1))Setup1 : Sw eep
L0='105.5mm' W1='3.6mm'dB(S(P1,P1))Setup1 : Sw eep
L0='105.5mm' W1='3.7mm'dB(S(P1,P1))Setup1 : Sw eep
L0='105.5mm' W1='3.8mm'dB(S(P1,P1))Setup1 : Sw eep
L0='105.5mm' W1='3.9mm'dB(S(P1,P1))Setup1 : Sw eep
L0='105.5mm' W1='4mm'
可见，当W1=3.9mm 时，天线谐振在了1.15GHz 。
5 最终仿真的结果
（1）谐振频率：1.15GHz
（2）VSWR:1.16
（3）3D增益方向图
综合以上仿真结果，可以看出各项指标完全符合设计要求。
四左旋圆极化的微带天线
1实现思路
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。
本次打算采用方形切角微带天线来实现圆
极化波的。
2 参数设计
方形切角微带天线结构示意图如下：
W
Qie
L
L1
馈电点
W/2
由公式(式中c为光速)，带入工作频率1.15GHz，得到
W=69.72mm。
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。
3 建立模型
主视图
俯视图4 仿真结果
(1)谐振频率：1.2GHz
(2)轴比：1.81dB
(3)VSWR:1.05
（4）3D方向图：
综合以上仿真结果，可以看出各项指标完全符合设计要求。
五学习心得
本学期学习了天线CAD这门课程，感觉受益匪浅。
首先这次大作业我选的课题是微带天线，我选择了HFSS这个软件来仿真这个微带天线。
首先刚接触HFSS这种软件，感觉很陌生，所以很长时间都花在了捧着本参考书在仿真书本例
题。
所幸皇天不负有心人，经过了几天的努力，我大体学会了脱离课本操作HFSS这个软件。
可是后来在参考书上的选择又耽误了很长时间，我一共有2本HFSS的参考书目，分别是《HFSS原理与工程》和《HFSS天线与设计》。
一开始选择用《HFSS原理与工程》进行仿真，可是后来发现这本书对介绍设置变量进行天线性能的优化内容介绍的不多。
后来果断选择李明洋的《HFSS天线与设计》，这本书把设置变量进行优化仿真的思想讲解得淋漓尽致。
所以后来就选择这本书的采用微带线馈电来完成这个课题。
当然后来的仿真优化过程也出现了很多难题，但是经过了我的努力都一一解决了。
对于本次大作业仿真结果，本人还算满意。
这次完成大作业的过程要求理论联系实践，把自己的知识和经验牢牢的结合起来，而且一定要有耐心。
这点非常重要，中间好几次调试过程出不来都快放弃了，最后还是坚持了下来。
这学期的天线CAD课虽然上完了，但是他已经给了我一个新的方向，让我找到了新的途径去研究天线。
我感觉这种类型的课对学生更有帮助，希望学校多多开办天线CAD 这种类型的课程。
最后衷心地感谢这学期给我们上课的几位老师，祝愿本课程越办越好！由于初学兼初次设计，有很多地方不足，希望老师给予一定的指导和帮助。
