蓝牙微带贴片天线的设计分析

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。

微带天线的定义：在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。

它利用微带线或同轴线馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励器射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。

因此，微带天线也可以看作为一种缝隙天线。

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。

微带天线的结构：微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成。

其中一片金属片完全覆盖介质板的一面，称为接地板，另一金属板的尺寸可以和波长相比拟，称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形、椭圆形等等。

微带天线的分类：（1）微带贴片天线导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或或圆形薄片等。

（2）微带振子天线天线同微带贴片天线相似，贴片是窄长条形的薄片振子（偶极子）。

（3）微带线型天线利用微带的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射。

（4）微带缝隙天线利用开在地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电。

微带天线的馈电技术对微带天线的激励方式主要分为两大类：直接馈电法和间接馈电法。

直接与贴片相接触的方法称之为直接馈电法，目前普遍采用的有同轴背馈法和微带线侧馈法。

与贴片无接触的激励方法就是间接馈电法，此类方法主要有：电磁耦合法，缝隙耦合法和共面波导馈电法等。

馈电技术直接影响到天线的阻抗特性，所以也是天线设计中的一个重要组成部分。

微带天线工作原理——辐射机理：贴片尺寸为a ×b,介质基片厚度为h 。

微带贴片可看作为宽a 长b 的一段微带传输线，其终端（a 边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。

一般取b ≈m λ/2 ，m λ 为微带线上波长。

于是另一端（a 边）处也呈电压波腹。

电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化） E z =0E )b /(cos x π 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。

摘要摘要随着时代的发展，社会的进步，人们对无线通信的需求也越来越高，一个高效率、高质量的通信系统就显得尤为的重要。

天线主要用来接收和发射电磁波，其性能的好坏对整个通信系统的通信质量影响很大。

微带天线由于其低剖面结构及易于实现圆极化工作，被广泛的应用于移动卫星通信、卫星导航、射频识别等领域。

本文在此背景之下，重点对圆形和圆环形微带天线的辐射模式进行了分析和研究。

并根据实际需求，结合这些理论和分析方法，设计了一款圆形微带天线和两款圆环形微带天线。

详细情况如下：1.基于圆贴片微带天线的主模TM11模设计了一款双频圆极化微带天线，最大辐射方向为天线法线方向。

天线采用层叠的方式实现双频工作，下层微带天线工作在低频状态，上层微带天线工作在高频状态，下层微带天线的辐射贴片作为上层微带天线的接地板。

该天线有两个端口，当对不同的端口进行激励时，天线分别工作在不同的频段。

该天线利用两个一分二馈电网络分别实现不同频率的圆极化特性，馈电网络和下层微带天线共地置于整个天线的最下方。

2.基于圆环形贴片微带天线的主模TM11模设计了一款圆极化微带天线。

圆极化微带天线采用单点馈电，通过T型功分器实现圆极化特性。

馈电网络位于圆环形贴片的内部，减少了对空间的占用，有效的减小了天线的尺寸。

天线正上方一定距离处加载寄生贴片用于展宽天线的带宽。

3.基于圆环形贴片微带天线的主模TM11模和高次模TM21模设计了一款宽带圆极化微带天线。

该天线是一个双端口天线，不同端口能分别激励起圆环形天线的TM11模与TM21模，其中TM11模式对应宽波束轴向辐射方向图，TM21模式对应全向锥形方向图。

天线处于不同工作模式时均有相应的寄生贴片起展宽带宽的作用。

以上三款天线均已加工并测试，测试结果与仿真结果相吻合，其中第一款天线和第二款天线已用于卫星导航中。

关键词：TM11模， TM21模， 双频圆极化微带天线， 双模圆极化微带天线ABSTRACTABSTRACTWith the development of the times and the progress of the society, the demand for wireless communication is becoming higher and higher. A high efficient and high quality communication system is particularly important.Antenna is mainly used to receive and transmit electromagnetic waves, and its performance has great influence on the communication quality of the entire communication system. The microstrip antenna is widely used in mobile satellite communication, satellite navigation, radio frequency identification and other fields due to its low profile structure and easy to realize circular polarization. In this context, the radiation modes of circular and circular microstrip antennas are analyzed and studied in this paper. According to the actual demand, a circular microstrip antenna and two ring microstrip antennas are designed according to these theories and analysis methods. Details are as follows:1. A dual-frequency circular polarization microstrip antenna is designed based on the main mode TM11model of the circular patch microstrip antenna, the maximum radiation direction is the normal direction of the antenna. The antenna use the cascade mode to realize the dual frequency, lower antenna working at low frequency, upper antenna working at high frequency, the radiation patch of the lower microstrip antenna as the ground floor of the upper microstrip antenna. The antenna has two ports, and works in different frequency bands when the different ports are energized. The antenna uses two separate feed networks to realize the circular polarization characteristics of different frequencies. The feed network common ground with the lower microstrip antenna, and locate at the bottom of the whole antenna.2.A circular polarization microstrip antenna is designed based on the main die TM11 module of the circular ring patch microstrip antenna. The circular polarization microstrip antenna adopts the single point feed, and the circular polarization characteristics are realized through the T type power divider. The feed network is located inside the ring patch, reducing the space occupation and effectively reducing the antenna size. A parasitic patch is loaded at a distance above the antenna to extend the bandwidth of the antenna.西安电子科技大学硕士学位论文TM11 module and the high model TM21 model of circular ring patch microstrip antenna. The antenna is a dual port antenna. Different ports of this antenna can excite different modes of the circular loops. The broad beam can be achieved with the TM11 mode excited and the conical beam can be achieved with the TM21mode excited. The circular loops working in both TM11 and TM21 modes have parasitic patches to broaden the impedance bandwidths.All three antennas have been processed and tested. The test results are in accordance with the simulation results. The first antenna and the second antenna have been used in satellite navigation.Keywords: TM11mode，TM21mode，Dual frequency circular polarization microstrip antenna，Dual mode circularly polarized microstrip antenna.插图索引插图索引图2.1 不同极化的平面波电场矢量运动示意图 (5)图2.2 空间坐标系示意图 (10)图2.3 天线馈电模型示意图 (12)图2.4 Yee单元模型示意图 (17)图2.5 四面体离散单元结构 (18)图3.1 圆形贴片天线示意图 (21)图3.2 圆形贴片不同模式的场分布（a）TM01（b）TM11（c）TM21（d）TM31 (27)图3.3 几种模式对应的馈电点 (28)图3.4 天线模型图 (29)图3.5 天线电压驻波图 (29)图3.6 天线远区场方向图 (30)图3.7 天线贴片上电流分布图 (30)图3.8 天线模型图 (31)图3.9 天线电压驻波图 (31)图3.10 天线远区场方向图 (32)图3.11 天线贴片上电流分布图 (32)图3.12 圆形贴片天线加载短路金属柱示意图 (33)图 3.13 圆形贴片天线加载短路金属柱不同模式对应电场矢量分布示意图（a）TM01（b）TM02 (34)图3.14 圆形贴片加载短路金属住数目N=1时示意图 (34)图3.15 圆环形贴片天线示意图 (35)图3.16 圆环形贴片不同模式的场分布（a）TM11（b）TM21 (37)图4.1 天线结构图 (39)图4.2 馈电网络视图 (40)图4.3 天线实物图 (41)图4.4 天线仿真与测试|S11|对比结果（a）低频，（b）高频 (41)图4.5 天线在1.616GHz和2.27GHz时的贴片电流分布图 (42)图4.6 1.616GHz处天线的仿真与测试方向图（a）xoz面，（b）yoz面 (42)图4.7 2.492GHz处天线的仿真与测试方向图（a）xoz面，（b）yoz面 (42)图4.8 天线在1.616GHz（a）和2.492GHz（b）处的仿真与测试轴比结果对比图 (43)西安电子科技大学硕士学位论文图4.10 天线实物图 (45)图4.11 天线仿真与测试|S11|对比结果 (45)图4.12 天线仿真与测试方向图（a）xoz面，（b）yoz面 (46)图4.13 天线轴比随频率变化的曲线 (46)图4.14 天线模型的示意图（a）侧视图（b）中间介质板（c）底层介质板 (47)图4.15 圆环形贴片天线输入阻抗随内外径比（a/b）的变化曲线 (49)图4.16 天线表面电流分布（a）TM11（b）TM21 (49)图4.17 天线实物照片（a）每层实物（b）组合实物 (50)图4.18 天线仿真与测试|S11|（a），|S22|（b），|S21|（c）对比结果 (50)图4.19 天线在2端口激励时仿真与测试方向图（a）xoz面，（b）yoz面 (51)图4.20 天线在2端口激励时仿真与测试轴比（a）xoz面，（b）yoz面 (51)图4.21 天线在1端口激励时仿真与测试方向图（a）xoz面，（b）yoz面 (52)图4.22 天线在1端口激励时仿真与测试轴比（a）xoz面，（b）yoz面 (52)图4.23 天线在2端口激励时不同寄生贴片高度h2对应天线|S22|（a）与轴比（b）曲线 (53)图4.24 天线在1端口激励时不同寄生贴片高度h1对应天线|S11|（a）与轴比（b）曲线 (53)图4.25 天线在2端口激励时不同寄生贴片半径R p对应天线|S22|（a）与轴比（b）曲线 (54)图4.26 天线在1端口激励时不同寄生贴片半径R sub1对应天线|S11|（a）与轴比（b）曲线 (54)图4.27 天线在2端口激励时不同环形贴片外径a1对应天线|S22|（a）与轴比（b）曲线 (54)图4.28 天线在1端口激励时不同环形贴片外径a2对应天线|S11|（a）与轴比（b）曲线 (55)表格索引J ka 的根 (26)表3.1'()0m表4.1TM11模圆极化圆环形微带天线参数 (45)表4.2宽带环形微带天线参数 (48)符号对照表符号符号名称 E 电场强度 H磁场强度 λ波长 η波阻抗 k 传输常数 Z in 输入阻抗 R in 输入电阻 X in 输入电抗 Γ 反射系数 B 绝对带宽 Br 相对带宽 U 辐射强度 P 功率 D方向性系数 A η天线效率 G 天线的增益 λg介质中的波长 J电流密度c自由空间电磁波传播速度 f频率 ε 介电常数 μ 磁导率缩略语对照表缩略语英文全称中文对照VSWR V oltage Standing Wave Ratio 电压驻波比LP Linearly Polarized 线极化CP Circularly Polarized 圆极化AR Axial Ratio 轴比LHCP Left Hand Circularly Polarized 左旋圆极化RHCP Right Hand Circularly Polarized 右旋圆极化目录目录摘要 (I)ABSTRACT (III)插图索引 (V)表格索引 ............................................................................................................................ V II 符号对照表 . (IX)缩略语对照表 (XI)第一章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3论文研究内容与结构安排 (3)第二章基本理论 (5)2.1天线的基本特征 (5)2.1.1天线的极化特性 (5)2.1.2天线的辐射方向图 (10)2.1.3天线的基本参数 (12)2.2天线的分析方法 (15)2.3本章小结 (20)第三章圆形微带天线不同模式的分析研究 (21)3.1圆形微带天线的工作模式 (21)3.1.1圆形微带天线的工作原理 (21)3.1.2圆形微带天线TM11模和TM21模分析研究 (29)3.1.3圆形微带天线TM01模和TM02模分析研究 (32)3.2圆环形微带天线的工作模式 (35)3.3本章小结 (37)第四章基于不同模式的全向天线 (39)4.1双频圆极化微带天线设计 (39)4.1.1天线设计 (39)4.1.2天线的仿真与测试结果 (41)4.2TM11模圆极化圆环形微带天线的设计 (43)4.2.1天线设计 (43)西安电子科技大学硕士学位论文4.3基于TM11模式与TM21模式的宽带环形天线 (46)4.3.1天线设计 (47)4.3.2天线的仿真与测试结果分析 (49)4.3.3天线的参数分析 (52)4.4本章小结 (55)第五章总结与展望 (57)参考文献 (59)致谢 (61)作者简介 (63)第一章绪论第一章绪论1.1研究背景及意义伴随着社会的的不断进步和发展，电子技术已经逐步走入人们的日常生活当中，这也促使电子技术进入了一个快速发展的时期，在这期间，频谱资源正在成为人类最大的可重复使用的自然资源。

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。