微带帖片天线的仿真分析和优化

华中科技大学
硕士学位论文
微带帖片天线的仿真分析和优化
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：电磁场与微波技术
指导教师：***
20070301
华中科技大学硕士学位论文
摘要
微带帖片天线具有剖面低、重量轻、易制作和容易做到与飞行器共形等特有的优点，在实际当中得到了广泛的应用。

随着不同用途需求对天线性能的要求越来越高，准确分析微带天线的物理尺寸和性能参数的关系有越来越重要的作用。

对此，本文利用Ansoft HFSS软件研究了不同物理尺寸下微带天线性能的变化，并进行了优化。

论文论述了天线的基本概念和参数指标，重点对微带天线进行了研究，讨论了典型微带天线的特性和研究方法。

在了解软件Ansoft HFSS的天线仿真功能和仿真流程的基础上，对两种设计方案下的微带天线进行了仿真分析。

最后，针对含切角的微带帖片天线通过仿真优化，得到了天线性能的优化方案。

本文的工作，不仅为微带天线的工程优化设计提供了一种有效途径，而且证实了使用Ansoft HFSS软件的天线仿真功能，能够在其它更为复杂的天线的工程优化设计中，进行更多的方案比较并缩短设计周期，降低研制成本。

关键词微带天线 Ansoft HFSS 仿真分析优化
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Abstract
Microstrip patch antenna has been widely used because of its own advantages, such as: low profile, light weight, easy fabrication, conformability to mounting hosts. But, with the increased demands of antenna quality for different purposes, how to analyze the physical sizes and performance parameters of microstrip antenna will be more and more important. So, this thesis used Ansoft HFSS software to optimization and do research about performance changes of microstrip antenna in several physical sizes.
The thesis introduced basic concepts and parameters of antenna, focus on microstrip antenna, then the classical microstrip antenna and its methods are illustrated. Be familiar with simulation function and simulation process of Ansoft HFSS software, did simulation analysis about microstrip antenna in two design methods. Finally, simulated the microstrip patch antenna which includes cutting corner, acquired the optimization program of antenna performance.
The thesis provided effective approach of engineering optimized design of microstrip antenna, confirmed that functional simulation of Ansoft HFSS software can do optimization design in more complex antenna projects, compared to more programs, it will ensure the precision and reduce the design cost.
Key Words：Microstrip antenna; Ansoft HFSS; Simulation analysis; Optimization
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本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。

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日期：年月日
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本论文属于
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日期：年月日日期：年月日
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1 绪论
1.1 引言
微带天线(Microstrip antenna)是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953年提出[1]。

但是到了20 世纪70年代初，当较好的理论模型以及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的微带天线才制造出来。

此后，空间技术发展与对低剖面天线的需要，使这种新型的天线得到进一步发展。

微带天线的发展是现代微波集成电路技术和实践在天线领域的重要应用。

和常用的微波天线(抛物面天线和相控阵天线)相比，微带天线主要优点有：体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形；易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作[2]；天线的散射截面较小；能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向；易于和微带线路集成，制造成本低，易于批量生产。

微带天线已得到愈来愈广泛的重视，已用于大约100MHz～100GHz的宽广频域上，包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。

相同结构的微带天线组成微带天线阵可以获得更高的增益和更大的带宽。

但是，微带天线的主要缺点是[3]：频带窄；有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；方向系数较低；单个微带天线的功率容量小；性能受基片材料影响大等。

如今微带天线已经越来越受到重视，可以预计其将是未来内置天线技术的发展方向。

1.2 课题背景
60年前人们已经开始使用便携式无线通信设备。

第一代模拟制式的移动电话出现在20-25年前，主要应用于一些专业领域内，比如车载电话、无线列调系统等。

在最近的十几年里第二代数字移动电话得到了迅猛的发展，仅GSM就已经开辟有几个用户频段，包括GSM900、GSM1800(DCS)和GSM1900(PCS)等。

最初用于便携式无线通信设备的电波波长达到3-15m，此时一般采用四分之一波长的可收缩鞭状天线，而且用户本身也被用作天线的一部分。

由于电流有一部分流入
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用户的身体，因此此类天线辐射效率很低。

随后开发的通信设备可采用更短的波长如0.6m、0.3m和0.15m，这给便携式电话制造商提供了很大的发展空间。

其中一些厂商为了提高无线辐射效率开始采用独立的天线，也就是天线独立于机体和人体，机壳采用绝缘材料，目前大多数内置微带天线都是这一类。

便携式移动设备越来越趋向小型化、多功能、高性能，而且要美观耐用，这对微带天线的设计提出了更高的要求[4]。

现在使用较多的是单极天线，其优点是水平方位上辐射均匀，有足够的阻抗带宽，其缺点是方向图随频率的改变有较强的扫掠现象而且受人体的影响较大。

在移动通信设计中，外置天线逐渐被内置微带天线所替代。

最初有关微带天线性能的担心现在大部分都不存在了。

事实证明，就天线效率这一对移动应用来说最关键的电参数，设计良好的微带天线可以提供与外置天线同样的性能。

与其它天线相比，微带天线具有同样的性能、更好的外观特性和更为坚固的物理特性。

因此微带天线的应用在近年来迅速发展[5]。

1.3 微带天线的发展方向
微带天线问世的时间并不长，最早具有实用价值的微带天线，是在20世纪70年代初才研制成功。

尽管微带天线的“资历”并不深，但由于它有一系列突出的优点，使微带天线发展迅猛，现在已成为引人注目的一颗“明星”。

微带天线在卫星通信、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、多普勒雷达、卫星导航接收机、生物医学辐射器等众多学科里占着举足轻重的位置[6]。

微带天线不仅能使用在厘米波、毫米波波段，也逐渐能适用于较低频段如VHF/ VHF频段。

这些频段正是目前正在高速发展中的移动通信、PCMCIA通信卡、无线电调制解调器等通常使用的频段。

微带天线的应用普及将大大推动第三代移动通信系统、蓝牙系统及无线电定位系统的发展，终将成为迈向宇宙通信时代的一颗璀璨明珠！
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1.3.1 天线的研究方向概述
综合国内外天线研究资料，天线的研究方向大概有以下几个：
(1) 人体对天线性能的影响
人体对通信性能的影响主要是人体对天线的远区辐射方向图、输入阻抗、辐射效率、反射系数等方面的影响，分析中将人脑用圆柱、球或者精确的解剖结构模拟。

研究发现在手机使用过程中，人体对辐射功率的吸收程度主要依赖于人脑与天线之间的距离，在人脑距天线很近时约有一半左右的功率被吸收，而随着距离的增大吸收率急剧减小。

(2) 天线辐射对人体的伤害程度
随着便携式设备的普及，天线辐射对人体的影响问题近年来受到重视，在理论和实验方面都开展了广泛的研究，许多国家制定了相应的保护人体免受辐射伤害的电磁剂量标准，但时至今日辐射是否对人体产生危害仍无定论。

(3) 内置天线的测试方法
现有的GSM标准中不包括对天线性能的说明，为了检验天线性能，一些移动通信网络人员自己设计了一些测试方法来评估天线的性能。

这些方法通常各不相同，包括在散射场环境里的测试和微波暗室里的测试等，测试环境不同会导致测试结果有很大的差异。

这也迫使生产商必须确保在所有的测试中通过性能检测。

(4) 天线的数值计算方法
在进行微带天线的研究中，实验研究是一个重要手段，但实验研究不仅非常复杂，而且受环境影响很大，同时实验中一般也只能使用人体模型来仿真，为此，人们在微带天线的理论分析，尤其是在数值计算上开展了大量的研究工作。

常用的数值方法有矩量法(MoM)，本征函数展开法(EEM)和时域有限差分法(FDTD)，其中FDTD方法是使用最多的一种数值方法，因为它在分析复杂结构的辐射特性、解决非线形媒质中的电磁场问题以及宽带特性研究等方面非常方便、灵活。

1.3.2 微带天线的研究方向
微带贴片天线固有的频带窄的缺点限制了它在某些领域中的应用。

增加天线的带宽成为在实际微带贴片天线的主要考虑的地方。

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华中科技大学硕士学位论文微带线的馈线网络也是研究的另一方向[8]。

采用探针或槽孔耦合的背馈方式将辐射部分域馈线部分借接地板隔开，是优先考虑的结构方案。

微带线馈电网络会引入明显的导电损耗和色散性；非色散的带状线不便与电路集成一体；介质波导馈电的方案将各辐射单元直接与传输/接收组件连接，减少了馈线长度，接收通道的放大器还可补偿其传输损耗，将成为大规模阵列系统的发展主流。

微带线的极化特性是研究的一大方向。

各种利用贴片形状微扰、切槽加载和多馈点组合等技术实现的圆极化天线在固定波束的角域内保持高极化纯度，以适应固态有源相控阵辐射单元的要求。

此外，为了用于极化分集或收发极化隔离的系统，已制成多种型式的双馈双(正交)极化微带贴片单元，但性能受限于阵列环境和馈线布局，其极化隔离度还有待改进。

1.3.3 新型天线的研究
大量研究的目的在于制造出具有尺寸小、重量轻、携带方便等外在特点及频带宽、效率高、受周围环境影响小、造价低、对人休辐射伤害小等工作性能的天线。

为此人们提出了多种改良的天线形式。

(1) 传统天线的研究进展
传统的天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类。

早期受制造工艺的影响只能采用外置天线，这种天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单费用相对低；缺点是天线暴露于机体外易于损坏、天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害、接收和发送必须使用不同的匹配电路等。

随着制造工艺的改进以及外置天线所具有的无法克服的缺点，内置天线很快被手机制造商所重视，它具有一些非常诱人的优点，比如可以做得非常小、不易损坏、可以将其安放在手机中远离人脑的一面，而在靠近人脑的部分贴上反射层、保护层来减小天线对人体的辐射伤害；对垂直和水平极化波都很敏感，而且发送和接收频带之间可以实现很大的隔离度；更重要的是可以安装多个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用。

随着制造工艺的不断改进，微带天线不仅己达到实用化，而且越来越被人看好。

最常用的两种内置天线为微带贴片天线和面倒F天线，其中面倒F天线结构更紧凑、
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尺寸更小。

图1-1为侧向安置和后向安置的双面倒F天线，主要存在的缺点是频带窄、效率低。

图1-1 侧向安置(左)和后向安置(右)的双面倒F天线
在此基础上，又提出了许多改进的内置天线，双L天线就是其中的一种。

与面倒F天线相比，双L天线只增加了地板的宽度，没有增加天线厚度，加入的第二个平板不直接馈电，而是于第一个平板耦合，两个板平行放置、中间有一个槽，结果两个板分别在不同的频率产生谐振，通过调整天线的高度、宽度和槽的形状可以产生更宽的带宽。

(2) 新型天线的研究
由于需要进行多媒体信息的传递以及满足随时随地的上网功能，所有的第三代手机都要求具有较高的数据传输速率和能量使用效率，智能天线的概念应运而生。

智能天线一般由多个天线构成，具有自适应波束跟踪能力、高的天线效率、比较宽的通信带宽、小的近区损耗等特点，目前有不少学者在这方面进行研究。

(a) 具有波速跟踪能力的天线
现有的大多数内置天线不满足高效率通信的要求，主要原因一是它们是全向辐射的，实际使用中只要接收到来自基站方向的射频信号就可以满足可靠的通信；二是用户在使用手机发射信号时吸收了大量的信号能量也降低了天线的效率。

由此人们提出了具有波束跟踪能力的自适应体谐振天线，如图1-2所示。

该天线中填充了具有一定介电常数和磁导率的介质材料来增加天线的电长度，介质板的背面涂覆了一薄层完纯导体以减少后向辐射，介质板上印刷了多个不同长度和宽度的偶极子，通过中间的缝
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隙对各个偶极子进行馈电，通过改变这些馈电电流的幅度和相位使得天线在希望的方向辐射能量。

图1-2 具有波束跟踪能力的天线结构
(b) 收发功能分开的天线
传统的手机使用同一个天线进行收发，天线的带宽和辐射效率在一定的通信波长条件下受限于手机的体积，如果要进一步减小手机的尺寸，必然会使手机的带宽变窄、损耗增大；同时要获得低的近区损耗传统的天线不得不采用减小覆盖带宽的方法，使用一个手机天线是无法克服这些障碍的。

对于外置天线，由于体积问题，使用同一天线收发可能是唯一的一种选择。

但是随着内置天线的推广应用天线部分就没有必要限制数量，同时由于收发功能分开的天线接收与发送功能可以分别优化，这为进一步减小手机尺寸提供了发展空间。

(c) 分集天线
天线中的分集概念就是如果一条天线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。

因此可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号，这样做的好处是它与接收端相比瞬时信噪比和平均信噪比都有提高。

三代手机天线中极化分集天线比其他天线更有优势，这种天线一方面可以减小短时间内的衰落引起的信号衰减，另一方面可以防止手机在改变通信方向时掉线，而且不需要提供附加带宽用于信号处理。

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1.4 课题的主要工作
在系统了解和学习微带天线的背景知识，并对本论文的研究目标有正确把握的情况下，本论文主要开展以下工作：
(1) 论述了微带天线的性能指标和研究状况，主要对天线的关键性能指标进行了详细说明；
(2) 分析微带天线的物理构成、辐射和结构特性，掌握微带天线的主要研究方法的思想；
(3) 利用Ansoft HFSS软件对微带天线实例进行了分析，证明了Ansoft HFSS软件仿真天线的可靠性；
(4) 通过对不同物理尺寸微带天线的仿真分析，得到它们的性能参数曲线，并对其性能进行优化。

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2 天线及其主要参数
这一章讨论天线及其主要参数，在天线的仿真和分析过程中，有重要的作用。

2.1 天线的基本概念和原理
无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线(电缆)输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。

电磁波到达接收地点后，由天线接下来(仅仅接收很小很小的一部分功率)，并通过馈线送到无线电接收机。

可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

对于众多品种的天线，进行适当的分类是不要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等。

2.1.1 天线的基本概念
现在天线已随处可见，它已与我们的日常生活密切相关。

收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射天线。

而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。

实际上，一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几十MHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。

天线是这样一个部件，作发射时，它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。

综上所述，天线的功能主要有四点[9]：
(1) 能量转换
对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能
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多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。

对于接收天线，天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。

这就要求天线与发射机源尽可能有好的匹配，或与接收机负载尽可能好的匹配。

一副好的天线，就是一个好的能量转换器。

(2) 定向辐射或接收
对于发射天线，辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐射或辐射很弱。

对于接收天线，只接收来自指定方向上的的电磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。

例如，就雷达而言，它的任务是搜索和跟踪特定的目标。

如果雷达天线不具有尖锐的方向性，就无法辨别和测定目标的位置。

而且如果天线没有方向性，或方向性弱，则对发射天线来说，它所辐射的能量中只有一少部分到达指定方向，大部分能量浪费在不需要的方向上。

对接收天线来说，在接收到所需要信号的同时，还将接收到来自其它方向的干扰信号或噪声信号，致使所需信号完全淹没在干扰和噪声中。

因此，一副好的天线应该具有完成某种任务而要求的方向性。

如果我们要接收卫星电视等信号，由于距离远，则必须采用定向性好，增益很高的一类天线，如旋转抛物面天线、卡塞格仑天线、阵列天线等。

(3) 应有适当的极化
即天线发射或接收的是规定极化的电磁波。

例如一个垂直极化的天线，不能接收水平极化的来波，反之亦然；一个左旋圆极化的天线不能接收右旋圆极化的电磁波，反之亦然。

一个圆极化的天线对线极化的来波将有一半能量损失。

(4) 天线应有足够的频带宽度
任何天线都有一定的工作频带。

在这个频带范围之外它的工作失效。

一副天线的收和发是互易的。

根据电磁学中的互易原理可以证明，只要天线和馈电网络中不含非线性器件（如铁氧体器件），则同一副天线用作发射和接收时，其基本特性保持不变。

因此，在分析接收天线的特性时，可以采用分析发射天线的方法。

2.1.2 天线的辐射电磁波原理
天线是用来发射或接收无线电波的装置，它和无线电波的传播有着十分密切的
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关系，在很早以前科学家们就证实了只有天线，才能将带信息的无线电波传送出去，也只有天线才能将空中的、地面的、地下的无线电波接收下来，因此，天线在无线电波的传播过程中起到至关重要的作用。

天线作为辐射电磁波的辐射体，在辐射电磁波时，首先必须具备两个条件[10]：
(1) 输入到天线上的电流源(即称电波源)的频率必须很高。

只有高频率的电流，其产生高速变化的电场，才能使天线的周围和空间形成强大的位移电流。

而这个位移电流，又在其附近产生出很强的磁场，这个磁场随时间变化，又在其附近产生出
变化的电场即位移电流，并且在空间互相向前推进。

在一定的场强下，波源频率越高，位移电流就越强，因而辐射的能量也就越多，而静态(电或磁)场不变化，其频率为零，不会产生辐射。

低频场变化缓慢，即频率很低，辐射电磁波也很弱。

在无线电技术设备中，要想产生有效的辐射，必须使用高频。

(2) 天线的结构：并不是任何一个带电的物件都可以产生和辐射电磁波。

要想使波源(即高频电流源)的能量有效的从辐射体(带电导体)辐射出去，脱离辐射体(即天线)，那么必须使这个辐射体的结构成为一个带电的开放系统。

即将这个辐射体按照电磁场理论与特性做成偶合形、开放形传导结构才能辐射，否则，它不但辐射很弱，甚至不能辐射电磁波。

导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。

如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。

如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。

当导线的长度l远小于波长时候，导线的电流很小，辐射很微弱。

当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。

通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。