宽频带双层微带天线概要

采用ANFSOFT HFSS对宽频带双层微带天线设计与仿真石磊北京理工大学微波通讯实验室 100081摘要：天线作为通讯试验箱前段的重要组成部分，他承担着发射信号和接收的回波信号的任务。

微带天线由于其本身的特点（如结构简单、低刨面、小型化、可以与飞行器表面共形安装而不影响飞行器的空气动力性能和占用飞行器内仓空间，天线可以与微带电路集成在一起，工业制造简单，价格低廉等优点）而得到了广泛的应用。

但是对于微带天线来说，最严重的缺陷是单个贴片天的带宽太窄，与阵子天线、缝隙天线、波导开口喇叭天线等工作带宽一般在15%----50%相比，微带单贴片的天线带宽只能有百分之几。

因此，最近微带天线大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。

关键字：双层微带天线 ，ANSOFT HFSS， 宽频带1．天线形式的选择选择双层微带天线原因a.作为微带天线，它具有微带天线体积小、轻便易于集成和便于批量生产等特点。

b.根据设计要求的指标，采取了具有较宽的带宽的双层微带天线的结构。

2．天线的技术指标由于天线作为两个近距离试验箱体上的辐射器，所以对其性能指标的要求不慎严格：* 工作频率：2.2G* 驻波比<1.5（带内）*相对带宽>10%* 极化：线极化* 体积不能过大3．天线结构的分析微带天线的频带可以从以下三个方面的带宽来描述：阻带带宽、方向图带宽和极化带宽。

一般来说阻带带宽是天线带宽的主要因素。

通过对微带天线的分析知道，要展宽微带天线的的频带，可以采取以下几种方法：1）增加微代介质的厚度；2）降低微代介质的介电常数；3）采用有耗介质；4）对馈点电路采用宽带阻抗匹配（如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈点）；5）采用对贴片谐振。

前三种办法的效果比较小，而且第三种方法是以天线增益的降低为代价的；第四种方法需要设计宽带匹配电路，但电路结构复杂，制作难度大，因此我们采用第五种方法。

该方法是利用多贴片耦合的方式，使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽，如图1所示就像电路中采用的多级放大器展宽频带的方法类似。

双层微带贴片天线的研究天线的中心频率为31.3GHz，扫频为25GHz-37.5GHz。

贴片天线的结构尺寸如表中所示（单位：mm）：表1 贴片微带天线的结构尺寸利用HFSS进行模拟，模型结果如图1所示：图1 双层贴片微带天线的模型贴片微带天线的S11参数如图2所示：天线的谐振频率为31.3GHz，-10dB带宽为30.4GHz~32.3GHz，绝对带宽达到了1.9GHz。

，图2贴片微带天线的S参数图图3为微带的第一层贴片的尺寸变化时的S11参数，改变长和宽，得到不同的谐振频率和带宽，实际应用中可以根据需要来设定尺寸。

图3 S参数随长度的变化天线的Smith圆图：从圆图中，可以读出天线在带宽内的不同阻抗值，根据读出的值，可以对微带天线的阻抗进行匹配，从而可以增加天线的带宽。

天线的三维增益方向图：图 5.1单层贴片天线增益图图5.2 双层贴片天线增益图该天线的E平面和H面的辐射方向图如下：图6 E平面增益方向图总结从图5.1和5.2中可以看出，天线在z轴方向上辐射增益最强，达到了6.74dB 和7.0dB。

在一般的微带天线中，我们在辐射方向上增加了一个金属贴片，使得天线在z轴方向上的辐射能力更强，使得增益增强。

通过本学期的学习以及本次对微带天线的仿真和分析，了解了HFSS设计天线的整个过程，也掌握了天线的一些基本特性参数。

对以后的学习有很大的帮助。

同轴线馈电的微带贴片天线的研究天线的中心频率为2.45GHz，扫频为1.5-3.5GHz。

贴片天线的结构尺寸如3-1所示（单位：mm）：1贴片微带天线的结构尺寸利用HFSS进行模拟，模型结果如图2所示：图2贴片微带天线的模型贴片微带天线的S参数如图3所示：图3贴片微带天线的S参数图当贴片的宽度固定时，S参数随贴片长度的变化曲线如3-4图所示：图4 S参数随长度的变化由图4可以看出：当贴片长度为29.5mm时，谐振频率点约为2.45GHz。

所以将贴片长度设置为29.5mm，宽度设置为41.4mm，对天线进行优化：天线的Smith圆图：图5 优化后天线的Smith圆图天线的三维增益方向图：图6 三维增益方向图该天线的E平面位于XOZ平面上，E平面增益方向图如下：图7 E平面增益方向图在前面的分析中，我们只优化了微带贴片的长度，使天线的谐振频点落在2.45GHz，但是天线在2.45GHz时的输入阻抗并没有达到标准的50ohm，还需要对输入阻抗进行优化，使天线达到最好的性能。

双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线文瑞虎;陈伟;王海彬;范永【摘要】针对目前弹载GPS共形天线,在无线电引信特定尺寸和安装环境下工作带宽窄的问题,提出双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线.该天线采用双层介质板作为天线辐射单元的衬底,通过两种不同介电常数的介质板叠加形成非线性天线基板,其有效磁导率会随频率的升高成平方的减小,这样就可以在不同的频率上对应同一个贴片尺寸,从而拓展了天线的工作带宽.仿真和样机测试结果表明:该天线辐射单元实现了与弹体的共形,工作带宽31 MHz,弹体轴向-58°～+58°范围内天线轴比小于2,实现了天线的圆极化.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2016(038)002【总页数】3页(P10-12)【关键词】无线电引信;弹载天线;GPS天线;共形天线;宽频带天线【作者】文瑞虎;陈伟;王海彬;范永【作者单位】机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TJ43全球定位系统(Global Position System, GPS)[1]由于能够全天候全球范围内为用户提供精确的定位服务而备受人们的关注，并已广泛应用于军事、导航、测绘、科研等各个领域，天线作为GPS接收系统中的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到GPS接收机的接收性能。

目前弹载GPS天线[2]根据弹体气动外形，采用GPS共形天线，有效解决了弹载GPS天线的抗高过载、弹体周向增益一致性的问题，但其工作带宽只有10 MHz左右，工作带宽过小增加了天线与信号处理电路的匹配难度。

本文针对目前弹载GPS共形天线，在无线电引信特定尺寸和安装环境下工作带宽窄的问题，提出双层介质板开槽弹载宽频带GPS共形天线。

图1所示为一种典型的弹载GPS共形天线[2]，该天线为一种半波辐射结构，采用柔性介质板或者铸模工艺将天线安装在弹体表面，这种结构形式可以在不改变弹体外形结构的情况下，实现天线的辐射特性。

阿尔福德天线原理阿尔福德天线（Alford Antenna）是由英国电气工程师彼得·阿尔福德（Peter Alford）于20世纪60年代提出的一种宽频带微带天线。

它的原理基于共振器的分布式技术，可以实现宽频带和高增益的特性。

1. 引言阿尔福德天线作为一种宽频带微带天线，具有广泛的应用领域，如通信、雷达、无线电测量等。

它在通信领域的应用尤为广泛，能够满足不同频段的通信需求。

2. 阿尔福德天线的结构阿尔福德天线由导体贴片和馈电线构成。

导体贴片通常采用金属板制成，形状可以是矩形、圆形等。

馈电线连接导体贴片与射频源或接收器。

3. 阿尔福德天线的工作原理阿尔福德天线的工作原理基于共振器的分布式技术。

当射频信号通过导体贴片时，导体贴片会产生电流和磁场。

这个电流和磁场的分布会导致天线产生辐射，从而实现信号的发射或接收。

4. 阿尔福德天线的特性4.1 宽频带特性：阿尔福德天线能够实现宽频带的特性，即在一定频段内具有较高的增益和较低的驻波比。

4.2 高增益特性：由于阿尔福德天线的结构设计合理，能够实现较高的增益，提高信号的传输距离和接收灵敏度。

4.3 多方向辐射特性：阿尔福德天线可以实现多方向的辐射，适应不同场景的需求。

5. 阿尔福德天线的应用5.1 通信领域：阿尔福德天线广泛应用于无线通信系统，如移动通信、卫星通信等。

它能够满足不同频段的通信需求，并且具备宽频带和高增益的特性。

5.2 雷达系统：阿尔福德天线在雷达系统中也有重要的应用。

雷达系统需要具备宽频带和高增益的特性，以实现远距离的目标探测和跟踪。

5.3 无线电测量：阿尔福德天线在无线电测量中具有重要的作用。

它能够实现高精度的信号测量和分析，为科学研究和工程实践提供支持。

6. 阿尔福德天线的优势和劣势6.1 优势：阿尔福德天线具备宽频带、高增益和多方向辐射等特性，适用于不同的应用场景。

此外，它的结构相对简单，制作成本低。

6.2 劣势：阿尔福德天线的体积较大，对于一些有限空间的场景可能不太适用。

目录摘要 (2)Abstract (3)1 绪论 (4)1.1研究背景及意义 (4)1.2国内外发展概况 (5)1.3本文的主要工作 (6)2 微带天线的基本理论和分析方法 (7)2.1 微带天线的辐射机理 (7)2.2微带天线的分析方法 (8)2.2.1传输线模型理论 (9)2.2.2 全波分析理论 (11)2.3微带天线的馈电方式 (12)2.3.1微带线馈电 (12)2.3.2同轴线馈电 (12)2.3.3口径（缝隙）耦合馈电 (13)2.4本章小结 (13)3宽带双频双极化微带天线单元的设计 (14)3.1天线单元的结构 (14)3.2天线单元的设计 (15)3.2.1介质基片的选择 (16)3.2.2天线单元各参数的确定 (16)3.3天线单元的仿真结果 (17)3.4本章小结 (18)4 结束语 (19)参考文献 (20)致谢 (22)ku波段双频微带天线的设计摘要本文的主要工作是Ku波段宽带双频双极化微带天线研究。

在微带天线的基本理论和分析方法的基础上，对微带天线的技术进行了深入的研究，设计了3种不同结构的Ku波段宽带双频微带天线单元，并完成了实验验证。

依据传输线模型理论并结合软件仿真分析了3种不同结构的天线单元在天线的带宽、隔离度和增益等性能方面的差异，并作了比较，得出了性能最佳的一种天线单元结构形式。

最后，对全文的研究工作加以总结，并提出本文进一步的研究设想。

关键词：Ku波段；双频；传输线模型；微带天线AbstractIn this paper, broadband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna at Ku band is described. Three kind s o f wideband dual-frequency and dual-polarized microstrip antenna element are proposed and their experimental verifications are completed which based o n the classical theory and a deeper stud y on broadband, dual-frequency and dual-polarization technique of microstrip antenna. From the transmission-line mode theory and simulative results, he bandwidth, isolation and gain characteristics of a microstrip patch element with various structures are analyzed in detail and compared, and an antenna element with the best performance is adopted. Based on the element described, four-element linear array and planar array is designed which adopted anti-phase feeding and dislocation anti-phase feeding technique, respectively. In addition, the technique of anti-phase feeding which suppresscross-polarized is further studied by using the even/odd theoretical analysis. Finally, we summarize the research of the paper with an outlook for the further researches. Key words: Ku band; dual-frequency; dual-polarized; microstrip antenna1 绪论1.1研究背景及意义近年来，随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务及卫星移动通信的迅猛增长，以往的微波较低频段(300MHz-10GHz)已经变得拥挤不堪，因此卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段的通信以满足大信息量的需求。

可重构微带天线及宽带圆极化微带天线研究一、本文概述随着无线通信技术的快速发展，微带天线作为一种重要的天线形式，因其体积小、重量轻、易于集成和制造成本低等优点，在无线通信、卫星通信、雷达系统等领域得到了广泛应用。

传统的微带天线在应对复杂多变的通信环境和需求时，其性能往往难以达到理想状态。

研究和开发具有可重构特性和宽带圆极化特性的微带天线，对于提升无线通信系统的性能、适应性和灵活性具有重要意义。

本文旨在深入研究可重构微带天线及宽带圆极化微带天线的相关理论与技术。

对可重构微带天线的设计原理和实现方法进行探讨，分析其在不同通信需求下的重构机制与性能优化。

研究宽带圆极化微带天线的设计理论和技术实现，探讨其在宽频带范围内实现稳定圆极化辐射的机理和方法。

结合实际应用场景，对可重构和宽带圆极化微带天线的性能进行仿真分析和实验验证，为无线通信系统的天线设计提供理论支持和技术指导。

本文的研究内容不仅有助于推动微带天线技术的发展，还可为无线通信系统的天线设计提供新的思路和方法。

通过深入研究和探索可重构及宽带圆极化微带天线的性能和应用，有望为未来的无线通信系统提供更加高效、灵活和稳定的天线解决方案。

二、微带天线理论基础微带天线，作为一种重要的平面天线形式，自上世纪70年代被提出以来，因其低剖面、易共形、低成本以及易于与微波集成电路集成的优点，在无线通信、卫星通信、雷达系统以及导弹和航天器等众多领域得到了广泛应用。

微带天线的设计和实现涉及到电磁场理论、传输线理论、微波网络理论等多个学科的知识。

微带天线的辐射原理可以通过传输线模型来解释。

在微带天线中，辐射贴片可以视为一段具有特定长度和宽度的传输线，其两个开路端作为辐射边。

当天线被激励时，传输线上的电磁场分布会发生变化，进而激发出辐射场。

辐射贴片上的电场分布决定了天线的辐射方向图和增益，而磁场分布则影响天线的输入阻抗和带宽。

微带天线的性能还受到介质基片的影响。

介质基片的介电常数决定了天线的工作频率和尺寸，而基片的厚度则影响天线的带宽和辐射效率。