设计 圆极化微带天线设计

宽带圆极化微带天线分析与设计一、本文概述本文旨在深入探讨宽带圆极化微带天线的分析与设计。

随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的关键组成部分，其性能直接影响到整个系统的传输质量和效率。

宽带圆极化微带天线作为一种重要的天线类型，具有宽频带、圆极化、低剖面、易集成等优点，因此在卫星通信、移动通信、雷达系统等领域具有广泛的应用前景。

本文将首先介绍宽带圆极化微带天线的基本原理和特性，包括其辐射机制、极化特性、带宽特性等。

随后，将详细分析宽带圆极化微带天线的设计方法，包括天线尺寸的选择、馈电方式的设计、介质基板的选取等。

在此基础上，将探讨影响天线性能的关键因素，如阻抗匹配、交叉极化、增益等，并提出相应的优化策略。

本文还将通过具体的案例分析，展示宽带圆极化微带天线在实际应用中的性能表现。

通过对比分析不同设计方案下的天线性能，为工程师和研究者在实际应用中提供有益的参考。

本文将总结宽带圆极化微带天线的设计与优化策略，并展望其未来的发展趋势和应用前景。

通过本文的研究，旨在为宽带圆极化微带天线的分析与设计提供理论支持和实践指导。

二、圆极化微带天线的基本原理圆极化微带天线是一种能够在空间中产生圆形极化波的天线，它具有独特的电磁辐射特性，广泛应用于无线通信、雷达探测和卫星通信等领域。

了解圆极化微带天线的基本原理对于其分析与设计至关重要。

圆极化波是一种电磁波，其电场矢量在空间中随时间旋转，形成一个圆形的轨迹。

圆极化微带天线通过特定的设计和构造，能够在其辐射区域内产生这样的圆形极化波。

这种波形的特性在于，无论接收天线的极化方式如何，圆极化波都能在一定程度上被接收，因此具有更好的抗干扰能力和更广泛的适用性。

圆极化微带天线的基本原理主要基于电磁场理论和天线辐射原理。

它通过在微带天线的辐射贴片上引入特定的相位差，使得天线的两个正交分量产生90度的相位差，从而形成圆极化波。

这种相位差可以通过在辐射贴片上刻蚀特定的槽口或引入附加的相位延迟线来实现。

右旋圆极化矩形微带天线设计一、引言大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。

圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。

矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。

本文采用单点馈电。

我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。

在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。

若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。

其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B 点时，产生左旋圆极化波。

图1-1 单馈点圆极化矩形微带天线结构二、结构设计设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度：21212-+=)ε(fcW r(1)其中，c是光速。

辐射贴片的长度一把取为2cλ，其中cλ是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为：LfcLe∆-=22ε(2)其中，eε是有效介电常数，L∆是等效辐射缝隙长度，它们可以分别用下式计算，即为：211212121-+-++=)(wh r r e εεε).)(.().)(.(.8025802640304120+-++=∆h w h w L e e εε对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈电的位置会影响输入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。

宽带圆极化微带天线设计关键词：微带天线，X波段，设计，分析，HFSS，仿真目录1 绪论 (1)1.1 本课题研究背景 (1)1.2 微带天线的发展 (1)1.3 微带天线的优缺点 (2)1.4 本课题研究内容 (3)2 微带天线基本概念及原理 (5)2.1 天线的基本概念 (5)2.2 天线的辐射原理 (6)2.3 天线的基本参数 (6)2.3.1 天线的极化 (7)2.3.2 天线方向图的概念 (7)2.3.3 天线输入阻抗的计算方式 (8)2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带 (8)2.3.5 天线的驻波比 (9)2.4 微带天线的简介 (10)2.4.1 微带天线的结构与分类 (10)2.4.2 微带天线的辐射机理 (10)2.4.3 微带天线的形状 (11)2.5 微带天线的分析方法 (11)2.5.1 传输线模型法 (11)2.5.2 空腔模型法 (13)2.5.3 积分方程法 (13)2.6 微带天线的馈电方法 (14)2.7 微带天线圆极化技术 (15)2.7.1 圆极化天线的原理 (15)2.7.2 圆极化实现技术 (16)3 宽带异形贴片微带天线设计 (21)3.1 微带天线的仿真 (21)3.2 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍 (21)3.3 HFSS对具体实例的仿真 (21)3.3.1 选取微带天线模型 (21)3.3.2 微带天线的仿真优化 (23)4 双点馈电圆形圆极化微带天线设计 (35)4.1 HFSS对圆极化微带天线的仿真 (35)4.1.1 选取圆极化微带天线模型 (35)4.1.2 圆形圆极化微带天线的仿真优化 (35)5 总结结论及展望 (41)参考文献 (42)1 绪论1.1 本课题研究背景天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信和雷达系统中有着不可替代的作用。

自19 世纪初首次在跨越大西洋的无线通信使用天线以来，无数科学家投身到了天线的研究当中。

圆极化宽频带微带天线设计近年来,鉴于通信系统向着大容量、宽频带和智能化的方向发展,宽频带和多频段天线成为一个重要的研究方向。

并且随着卫星导航技术的不断进步,越来越多的国家发展自己的导航系统,而每个导航系统的卫星在空间分布有限,所以在提供卫星定位的精密度、可用性和可靠性方面就无法得到保证,因此近年来对应用多种卫星导航系统组成的宽频带导航接收系统的研究受到了广泛重视。

具有圆极化和宽频带特点的宽带导航接收天线成为近年卫星接收天线研究的热点之一。

本文针对宽频带卫星导航接收天线的需求,设计了几种可工作在卫星导航频段的单频、双频及宽频段天线,并采用数值仿真方法对天线结构进行了优化。

具体内容如下：本文首先介绍了微带天线的几种分析方法：传输线模型理论、空腔模型理论和全波理论。

接着分析制约微带天线带宽的各种因素,研究增加微带天线频带宽度的四种途径：降低等效谐振电路的品质因数、修改等效谐振电路、增加匹配网络和采用分形天线等等。

借助于基于有限元法的ANSOFT HFSS软件对天线性能进行了数值仿真：单频圆极化微带天线、双层贴片结构的双频段及宽频段的圆极化微带天线,其中单频天线采用不同的贴片开槽方法来实现圆极化。

为了使天线小型化,同时便于加工,本设计中去掉了传统的在多层贴片之间引入空气层的结构,并且设计了宽频段微带天线的匹配网络。

最后用ADS 仿真软件设计了GPS L1频段的低噪声放大器。

设计出了能够分别工作在1.575GHz、1.602GHz和2.492GHz的单频天线以及同时工作在以上两个频段的微带天线。

本文设计的宽频段圆极化微带天线能够同时工作在1.2GHz-1.3GHz、1.5GHz-1.6GHz,这个天线能够接收目前所有四大卫星导航系统的信号。

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Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称：天线仿真设计题目：圆极化微带天线的仿真院系：班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：哈尔滨工业大学一、课程设计目的1、了解微带天线的辐射原理和分析方法，并掌握微带天线尺寸计算一般过程；2、了解微带天线圆极化的方法，并设计一种圆极化微带天线；3、学习并掌握CST软件的使用，熟悉天线仿真的流程，并完成天线的优化设计。

二、天线设计目标本文设计的圆极化矩形微带贴片天线的中心频率为6 GHz，并且将满足一下技术指标：1、反射系数S11<10dB（VSWR<2）；2、天线轴比小于3dB；3、绝对带宽100MHz；4、增益大于5dB；5、输入阻抗50Ω；6、波瓣宽度大于70deg。

三、微带天线背景1、微带天线简介微带天线是近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。

由于微带天线有独特的优点，而缺点随着科技的进步正在研究克服，因此它有广阔的应用前景。

一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于卫星通讯、天线电高度表、导弹测控设备、导引头、环境监测设备、共形相控阵等。

徽带天线在地面设备上应用也有其优势方面。

特别是较低功率的各种民用设备，例如医用微波探头，直播卫星的接收阵以及当前的蓝牙设备的收发天线等，由于微带带天线能集成化，它在毫米波段的优势非常明显。

当然它并不是完美无缺的，我们将其与微波天线相比，简单介绍它的优缺点。

微带天线和常用的微波天线相比较，它有以下一些突出的优点：(1)重量较轻，体积比较小，剖面低，能与飞行器等载体共形。

一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计引言在通信领域中，天线是不可或缺的一个设备，而微带天线因其结构简单、成本低廉、易于集成等优点，已经成为了现代通信领域中应用广泛的一种天线。

在微波领域中，圆极化天线通常被用来避免天线之间的互干扰和提高通信质量。

然而，许多微带圆极化天线的带宽是有限的，这使得这些圆极化天线的通信传输性能大大受到限制。

因此，本文提出了一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计方案，旨在解决微带圆极化天线带宽狭窄的问题。

设计原理本设计方案采用了一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线。

其中，天线由一个正方形微带辐射片和一个环形贴片构成。

其工作原理基于微带线馈电的正方形微带辐射片，是以TM模式的耦合方式进行馈电的。

正方形微带辐射片的一边通过一条微带线馈电导线与馈电点相连，另一边则用接地板连接。

环形贴片作为一个反射器，通过正方形微带辐射片的边缘和接地板之间的短接实现电路的反射。

设计步骤1.计算天线的工作频率和所需圆极化方式。

根据这些参数确定天线的尺寸和形状。

2.设计并确定微带线馈电导线和连接设备的点。

3.添加环形贴片，并在模拟软件中进行必要的优化，以提高天线的性能。

4.按照所需的角度选择天线的旋转方向，并调整微带线馈电导线与天线的尺寸，以实现所需的圆极化方向。

仿真结果为了验证设计的性能，我们使用了一款天线仿真软件进行模拟实验。

仿真过程中，我们使用S参数和体表波图形来评估天线的性能。

以下是一些关键指标的仿真结果：•工作频率：4.4GHz•带宽：360~630MHz，VSWR小于2•圆极化方向：左旋•Gain：6.5dB•Axial Ratio: 1.1dB结论本文提出的一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线设计方案，能够在4.4GHz 的频率范围内实现左旋或右旋的圆极化方式。

其带宽可达到360~630MHz，在这个带宽范围内可以实现VSWR小于2的传输性能。

此外，天线具有高增益和低轴比等优点。

因此，这种设计方案具有较好的前景和实际应用价值。

新型宽带圆极化微带天线设计方案与普通微波天线相比，微带天线剖面薄，体积小，重量轻，易共形，便于获得圆极化，但是频带窄，性能受基片材料影响大。

到目前为止，展宽微带天线频带的途径有以下几种：(1)降低等效谐振电路Q值，即增大基片厚度h，降低基片相对介电常数εr等；(2)修改等效电路：附加寄生贴片、采用电磁耦合馈电等；(3)附加阻抗匹配网络；(4)其他途径：如改变贴片形式、加变容管、利用行波阵或对数周期结构。

上述(1)的方法比较容易实现，但是参数选择超过一定范围后会激起高次模，会使天线的方向图恶化以及会增加天线的辐射损耗。

(2) 的方法则需要天线采用多层结构，占用的空间较大。

(3)、(4)的方法也在不同程度上使天线的结构复杂化。

在近期的一些文章中有新的展宽带宽的方法，文献[2]中采取在圆形贴片上开槽，并采用阵列的形式实现宽带圆极化的特性；文献[3-5]中采取缝隙耦合馈电，实现圆极化；文献[6-8]中使用双馈网络实现宽带，馈电网络比较复杂；文献[9]中利用容性探针近耦合馈电的基础上，通过平衡馈电，实现宽带宽角圆极化；文献[10]中采用双频实现宽带；文献[11]则总结了宽频带天线的实现方法。

这些方法都在一定程度上展宽了微带天线的带宽，但是结构都比较复杂，对设计和加工都增加了一定的困难。

所以，这里从结构简单的角度考虑，研究并设计一种新型单馈单片宽带圆形微带天线，其驻波比VSWR≤2阻抗带宽达到12％，轴比带宽为3％。

该天线的缺点是轴比带宽没有得到很大的提高，在以后的设计中有待进一步研究改进。

1宽带圆极化天线的理论分析本文实现宽带的方法是使微带天线工作于双频段。

通过选择恰当的馈电点以及两个切口之间的距离，能够激励起两个工作于不同频率的正交谐振模，因而形成两个谐振电路，具有两个谐振频率。

经过微调使得两个谐振频率适当接近，结果形成频带大大展宽的双峰谐振电路。

这种结构的优点是只用一个馈。

一种小型化双频圆极化微带天线设计一种小型化双频圆极化微带天线设计程益福摘要:本文通过分析双频圆极化微带天线，提出了一种覆盖北斗卫星导航系统频段的双频双圆极化微带缝隙天线。

这是一个特例，因为它要求天线在两个工作频段内具有相反的圆极化旋向。

根据设计要求，为了实现双频以及圆极化功能，采用了非常简洁的环形缝隙结构，简洁的结构也方便了后期对其进行加工。

本文给出了该设计的具体步骤及实验结果，实测结果表明了该设计的可行性。

关键词：圆极化天线；双频天线；微带天线Abstract:Through the analysis of dual band circularly polarized microstrip antenna, the dual polarization microstrip slot antenna for coverage of the Beidou satellite navigation system of the dual frequency band. This is a special case, because it requires the antenna with circular polarization rotation instead of the two frequency range to. According to the design requirements, in order to realize the dual band circular polarization functions and, using the ring slot structure is very simple. Simple structure is convenient for later processing. This paper gives the specific steps and the experimental results of the design, experimental results show the feasibility of the design.Key Words ：Circularly Polarized Antenna; Dual-band Antenna; Microstrip Antenna1.引言微带缝隙天线有很多种，而其中之一就是环形微带缝隙天线。