印刷偶极子天线设计.pptx
宽带印刷偶极子天线设计
宽带印刷偶极子天线设计何庆强何海丹(中国西南电子技术研究所，成都610036)摘要：构建了一个宽带印刷偶极子天线，基于等效电路模型进行分析，给出了一套完整的设计计算公式。
采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化。
给出的例子所得天线带宽达到54.15%，优于最新的国内外报道。
关键词：偶极子，巴伦，等效电路，宽带Design of a Broadband Printed Dipole AntennaHe Qingqiang He Haidan(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036)Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports.Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband1 引言印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。
最近几年的研究表明：通过快速的单元模型分析计算，天线带宽可以达到18%[2]；通过采用V形地平面，天线带宽可以达到33%以上[3]；通过神经网络参数优化，天线的带宽可以达到40%[4]；采用等效电路优化结合周期性加载原理，印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。
第3章 偶极子天线 ppt课件
2L = 3/2
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f
()
c
os 32π
c
os
sin
2L = 2
f()c
o 2πsc o s1 s in
20
3.3 偶极子天线
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21
3.3 偶极子天线
形成天线不同方向性的主要因素： • 基本元的方向性； • 天线上电流的振幅和相位分布； • 各基元到远区观察点的射线间的行程差。
r0
l
j 60Im cos(klcos) coskl e jkr0
r0
sin
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——偶极子天线辐射场表示式 17
3.3 偶极子天线
1）方向性函数
E 6r0 Im 0c
o kcslo () sc s in
k o ls6Im 0f()
r0
f()c
okscl(o )sc s in
oksl
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3.3 偶极子天线
偶极子天线的辐射功率和辐射电阻
P
r2 2
2
d
0
0
E2
sin
d
P
30
I
2 m
2
2
d
0
0
cos kl cos cos
sin
kl
2
d
P
1 2
I
2 m
R
R
30
2
d
0
0
cos
kl
cos
sin
cos
kl
2
d
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R1
2W t
W
Wt 1
宽带印刷偶极子天线设计
宽带印刷偶极子天线设计何庆强何海丹(中国西南电子技术研究所，成都610036)摘要：构建了一个宽带印刷偶极子天线，基于等效电路模型进行分析，给出了一套完整的设计计算公式。
采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化。
给出的例子所得天线带宽达到54.15%，优于最新的国内外报道。
关键词：偶极子，巴伦，等效电路，宽带Design of a Broadband Printed Dipole AntennaHe Qingqiang He Haidan(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036)Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports.Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband1 引言印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。
最近几年的研究表明：通过快速的单元模型分析计算，天线带宽可以达到18%[2]；通过采用V形地平面，天线带宽可以达到33%以上[3]；通过神经网络参数优化，天线的带宽可以达到40%[4]；采用等效电路优化结合周期性加载原理，印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。
印制偶极子天线设计
a) Postion 输入：-L1 ,-W1/2 ,H b) Axis：Z c) XSize：-W2 d) YSize：-L2
图 18 调整试图（to fit the view） 4. 选择菜单下拉选项 ViewFit AllActive View,或者按“ctrl+D”
Point2：-W3-L4 ,W1/2 ,0mm
图 35
镜像生成左侧的三角形和矩形 1. 同时选中 Rectangle1 和 Polyline2
图 36
图 37 2. 菜单下 EditDuplicateMirror,生成新物体名称为 Rectangle1_1 和 Polyline2_1
a) X:0.0，Y:0.0，Z:0.0,按“Enter”按键 b) dX:0.0，dY:1，dZ:0.0,按“Enter”按键
图 25
图 26
创建下表面金属片 1. 创建介质层 BOTTOM 面的金属片----传输线 Top_patch_1(采用镜像的方法进行绘制) 2. 选中 Dip_Patch，菜单下 EditDuplicateMirror,生成新物体名称为 Dip_Patch_1
a) X:0.0，Y:0.0，Z:0.0,按“Enter”按键 b) dX:0.0，dY:1，dZ:0.0,按“Enter”按键
图1
二）设置工具选项
1．选择菜单中的工具（Tools）选项（Options）HFSS 选项 （HFSS Options）如图 2 所示
图2 2. 弹出对话框 HFSS Options，如图 3 所示
图3
1) 点击常规（General）标签 a) 建立新边界时，使用数据登记项的向导（Use Wizards for data entry when creating new bound boundaries）： 勾选上。 b) 用 几 何 形 状 复 制 边 界 （ Duplicate boundaries/mesh operations with geometry）：勾选上。 c) 点击确定
第三章半波长印刷偶极天线设计
第三章 半波長印刷偶極天線設計3-1設計目的偶極天線結構簡單也是理論最容易了解與推導的天線，因此是做為入門學習的最佳例子。
半波長偶極天線是利用諧振原理達到在空間中輻射特定頻率的一種天線，半波長偶極理論已經很成熟，詳細理論可參考一般天線理論書籍。
在微波頻率波段中，基於成本、美觀及其他優點，通常將半波長偶極天線印製在PCB (Printed circuit board) 上，稱為微帶天線(Microstrip antenna)，微帶天線應用範圍非常廣泛，因此本章使用印刷電路微帶型結構(Microstrip and printed structure)進行偶極天線的設計與模擬。
3-2印刷偶極天線的原理一般微帶天線(Microstrip antenna)具有下列優點：(1)體積較小、輕量和平面組態。
(2)應用於印刷電路時容易製造，造價低廉。
(3)適合於小型結構體上，可與振盪器、放大器、可變衰減器、調變器、混波器，移相器等模組銜接並與積體電路在平面上可共存。
(4)可裝設於飛彈、火箭、人造衛星等超高速度飛翔體表面以供通信。
(5)RF訊號饋入線及週邊裝置與天線同時設計而製造於同一平面上。
(6)在同一平面板上可設計直線極化(垂直、水平)及圓極化(左、右旋轉)天線。
(7)容易配合單石微波積體電路(MMIC)(Monolithic microwave integratedcircuit)達到一體成形。
另外，微帶天線體積小，所以很容易裝進IC封裝結構蓋中(Package lid)裡，由於這種天線不需要很大的空間，通常是直接作成構裝(Package)的一部份。
但微帶天線也有下述缺點：(1)微帶天線之損失較大以致於天線增益較低，單元件天線之最大增益不容易超過20dB。
(2)大多數的微帶天線均保持單一面電波(Uni-directional)輻射。
(3)饋入RF訊號的傳輸線與天線輻射體之間隔離比較困難。
(4)天線之功率容量較低，換言之，高功率天線不能期待使用此種形式天線。
微波与天线-偶极子天线ppt课件
330 300
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.
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全波对称振子
l/2, 900时 fmax2
20.5 470
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.
16
2）方向图
赤道面（H面） 子午面（E面）
F() 常数
方向图是一个圆 方向图随l/λ变化
F()ffm ()a x fm 1ac x okc sls(o i)n sco ks l
.
39
2）有损耗开路传输线输入阻抗的计算公式
s2 h l si2n l
s2 h lsi2n l
Zinc2 h lco2sl W cj c2 h lco2sl W c
式中
Wc L1/C1
——有耗传输线的特性阻抗
α ——衰减常数
β ——有耗线的相移常数
L1 C 1 R 1 分别为有耗线每单位长度的分布电 感、分布电容和分布电阻
1)
l 0.25
时，
Xin 0
，串联谐振状态。
l 0.5
时，Xin 0
，并联谐振状态。
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由实验曲线可以看出：
Xin 0 的L/λ略小于0.25和0.5 且振子越粗，谐振长度越小。 这是由于终端效应引起的
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实际中，考虑终端效应影响时， 常将天线尺寸缩短5%左右。
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偶极子天线的通频带
• 通频带内，天线特性参数的变化不应超过 预先规定的范围。常以阻抗特性定义偶极 子天线的通频带。
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偶极子天线的通频带
工程应用
通频带
天线输入 阻抗
第3章 偶极子天线 ppt课件
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3.3 偶极子天线
偶极子天线的辐射场与方向性 1. 辐射场 电偶极子辐射场： dE j6 0 Irzdzsi nejkr
对称振子上线元dz在远区的辐射场：
d 'E j6 0 Im s ik r(n lz)dszi e n jkr
r——观察点至单元电流 的距离。
2020θ/10—/28 —射线至天线轴的夹角。
5
3.1电偶极子
• 远区场的表达式(错)
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3.1电偶极子
•电偶极子辐射场的特性 1 场强与电流、偶极子长度、与z轴的夹角、 距离的倒数成反比； 2 电场和磁场的远场比值为波阻抗； 3电场和磁场的远场是正交的；
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3.1电偶极子
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电偶极子的方向性函数
设振子单位长度损耗电阻为整个振子的损耗功率为klkl33偶极子天线根据传输线理论电感单位长度电阻为理想传输线的特性阻为相位常数衰减常数为传播常数入阻抗为的终端开路传输线的输特性阻抗为长度为ln12033偶极子天线ln120ln120ln12033偶极子天线chklsh33偶极子天线33偶极子天线在偶极子天线长度确定的情况下随着频率的变化方向图或最大辐射方向会改变副瓣电平可能增大阻抗匹配将变坏等
归一化方向性函数：
F()ffm ()a x fm 1ac x okc sls(o i)n sco ks l
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3.3 偶极子天线
半波对称振子 l/4, 900时 fmax1
cos( cos ) F ( ) 2
s in
20.5 780
E面 120
150
可穿戴偶极子天线与超宽带印刷天线的设计
5、更环保的材料：使用更加环保的材料来制造天线，以减少对环境的影响。
结论
宽带印刷偶极子天线作为一种高性能、易于制造和集成度高的天线类型，在 通信、广播和军事等领域有着广泛的应用前景。未来，随着科技的不断进步和创 新，宽带印刷偶极子天线将继续朝着更高性能、更宽频带、更小尺寸和更高集成 度的方向发展。其重要的应用价值和优势表明了它在未来无线通信和其他领域中 的广阔发展前景。
应用场景
宽带印刷偶极子天线的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：
1、通信领域：适用于多种无线通信系统，如Wi-Fi、蓝牙、GPS等，提供了 宽频带和高效率的无线通信服务。
2、广播领域：可用于电视和广播发射机，提高了信号覆盖范围和接收质量。
3、军事领域：适用于军用无线通信和雷达系统，提供了高性能和可靠的无 线连接。
可穿戴偶极子天线与超宽带印刷天 线的设计
目录
01 一、引言
03
三、超宽带印刷天线 设计
02 二、偶极子天线设计
四、可穿戴偶极子天
04 线与超宽带印刷天线 的设计与制作
目录
05 五、实验结果与分析
07 参考内容
06 六、结论
可穿戴偶极子天线与超宽带印刷 天线：设计与应用
随着科技的快速发展，无线通信技术在日常生活和工作中的应用越来越广泛。 可穿戴设备和超宽带技术作为两大科技热门，其结合带来的可穿戴偶极子天线与 超宽带印刷天线，具有十分重要的意义。本次演示将介绍这两种天线的特点、设 计原理、制作方法以及实验分析，最后对它们的优劣和应用前景进行总结。
3、测试：对制作好的天线进行性能测试，包括阻抗匹配、辐射方向、增益 等指标的测量。
无线局域网的双频带印刷偶极子天线设计
无线局域网的双频带印刷偶极子天线设计随着人们对通信质量和通信设备的集成要求不断增强。
作为通信设备子部件，天线也需要更高的性能以满足通信系统的需要。
截止目前，已有多种形式的天线被研发和应用。
Yi-Chieh Lee等人提出了一种开环形槽的贴片天线，它可以工作在2．4 GHz和5．2GHz两个频段。
Johanna M Steyn，Johan Joubert和Johann W Odendaal展示了一种工作在2．4 GHz和5．2 GHz频段的DBDP(Dual-Band Dual-Polarized)天线阵。
Zhang Q Y，Chu Q X，Wang Y提出了一种带有集成巴伦的贴片天线，覆盖了WLAN系统中的3个频段。
Li X，Yang L，Gong S X，Yang Y J提出了一种偶极子天线，偶极子的两个臂上有对称的开槽，使得天线可以在3个频段上工作。
另外还有一些其他形式的天线，比如对数天线，准八木天线等各种形式的天线。
而这些天线或因尺寸太大，不便集成和共形，或因结构复杂不便制作。
而采用耦合馈电的印刷偶极子天线是一种结构非常简单，而且易共形天线，适用于通信终端。
本文介绍了一种可用于WLAN的印刷偶极子天线，采用巴伦来耦合馈电40 nnn×50 mm的尺寸，结构非常简单，覆盖了WLAN的两个频段(2.4 GHz和5．8 GHz)，适用于WLAN系统。
1 天线结构由偶极子的工作原理可知，其谐振臂的长度约为谐振波长的1／4。
为了能够双频工作，必须要有能激起两个谐振的面电流，对于偶极子就需要有两对谐振臂。
为了缩小天线的尺寸，一般采取弯曲谐振臂使电流长度变长的方式达到减小天线谐振臂的长度。
对于WLAN的两个频段2 400～2484 MHz和5 725～5 825MHz。
由偶极子的工作原理可知，对应于低频段f0=2．4GHz的谐振电流长度约为31mm，而对应于高频段f0=5．8 GHz的谐振电流长度约为13 mm。
印刷偶极子天线原理
印刷偶极子天线原理
印刷偶极子天线是一种用于发射和接收无线电信号的天线，具有宽带、低剖面和高增益等优点。
其原理如下：
1. 偶极子天线的基本结构：
印刷偶极子天线主要由两个平面金属贴片组成，形成一种对称结构。
这两个金属贴片之间存在一定的空气或介质介质（如树脂或陶瓷），
通过这个介质将能量从一个金属贴片传输到另一个金属贴片。
2. 偶极子天线的工作原理：
当无线电信号经过印刷偶极子天线时，由于存在介质贴在金属贴片之间，介质就会被激励并向另一头传输。
因此，偶极子天线就成为了一
个天线组件。
3. 偶极子天线的优点：
印刷偶极子天线的优点主要有以下几点：
- 宽带性：相较于传统的柱形天线，印刷偶极子天线具有更宽的频带。
这是因为其金属贴片的宽度非常窄，相对来说更适合高频信号的传输。
- 低剖面：印刷偶极子天线的剖面非常低，因此很容易被融入到PCB
或其他电路板中。
这使得它被广泛应用在无线通信设备中，如手机、
无线路由器等。
- 高增益：印刷偶极子天线的增益比传统柱形天线高很多。
这是因为由于介质的存在，它能捕捉到更多的能量，从而提供更好的接收和发送信号。
总结：
印刷偶极子天线是一种用于无线通信设备的新型天线。
它具有宽带、低剖面和高增益的优点，成为了电子工程师设计电路板时常用的天线组件。
随着技术的进步，印刷偶极子天线将会在更多的无线设备中得到应用。
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设计与调试
（一）实验目的
了解印刷偶极子天线的结构和工作原理 学习使用ADS Momentum设计天线的基
本方法 仿真，调试，优化印刷偶极子天线
（二）实验内容
熟悉ADS Layout的使用环境。 使用ADS软件设计一个1.8GHz的印刷偶
极子天线。 通过仿真分析该天线的性能。
端口定义
由Momentum => Port Editor, 再用鼠标 选中端口，进行编 辑。在Port 2的设 置中，Associate with port number 中，写入1，表示 Port2是Port1的参 考地。如右图：
在Layout中设计天线全貌
Ｓ参数仿真—Mesh设置
在Momentum => Mesh =>Setup中设置 Mesh，Mesh的设置决定了仿真的精度。通 常，Mesh Frequency和 Number of Cells Per Wavelength 越大，精度越高。但是这 是以仿真时间的增加为代价的。有时不得 不以精度的降低换取仿真时间的减小。在 本例中，我们采用Mesh的默认值，即： Mesh Frequency为后面S仿真中的频率上 限值， Number of Cells Per Wavelength 为30。
加通孔，因为是圆形 的通孔，所以选择 ， 如下图：
这样就完成了天线尺寸的基本设计。
层定义
这是至关重要的一步。 由Momentum=>Substrate=>Create/Modify，进入层定义 对话窗口。作如下设置： 将地面GND的边界由Closed改为Open（1），然后点击左 下角的Add，增加一层Alumina_0（2），并且把这一层重 新定义如下所示（3），即跟上面的FreeSpace定义完全 一样，重新命名为FreeSpace_bottom，当然命名为其他 名字也是没有问题的。这样上下形成了对称的结构。最 后定义Alumina中的各个参数，即定义Real为4.6，Loss Tangent为0.018（4），表示损耗正切为0.018。我们需 要的天线的层结构如下图所示：
在Layout中绘制天线
由于我们设计的 是双面天线，在 一个介质板上贴 有上下两层，上 层为馈线，下层 为偶极子天线和 地板。
首先设计底层， 选择cond2，如图
在Layout中绘制天线
由于我们 大小的控制可以看右下 角的右边的坐标，它表 示相对位置的距离。
层定义—Metallization Layer设置
去掉通常微带天线的地 面（GND）而加 FreeSpace_bottom，与 上面的FreeSpace向对 称，这样更加符合移动 通信下天线的实际情况 ，对于移动通信总是希 望全向的天线，这样可 以克服一般的微带天线 只能向半空辐射的缺点 而成为全向天线。
（三）微带天线的技术指标
谐振频率(Resonance Frequency) 带宽(Bandwidth) 反射损耗(Return Loss) 输入阻抗(Impedance) 增益(Gain)
（四）印刷偶极子天线简介 ——结构图
立体图
平面图
（四）印刷偶极子天线简介 ——组成部分
天线的组成包括 偶极子天线臂 巴伦线 地板 馈线 通孔
Reference Port
本例中采用第二种方案
端口定义
选中 加Port。第 一个Ｐort加在cond 上，第二个Port加 在cond2上。此时， 可以选择 Options=>Midpoint Snap，使得Port加 在物体的中间位置 。
端口定义
可以双击端口对端口进行修改 ，选择Port对应的层 ：
点击File->New Project设置工程文件名称（本 例中为Antenna）及存储路径
点击Length Unit设置长度单位为毫米
创建新的工程文件（续）
工程文件创建完毕后主窗口变为下图
Layout中的背景设置
直接在Main窗口中点击 ， 打开Layout窗口，在Layout中 ，选择option-preference， 对系统设计的背景参数 进行 设置。我们选择其中的Layout Unit ，设置如右图，选择 Layout Unit为mm， Resolution填写为0.0001表示 精确到小数点后四位。以确保 在天线设计过程中的精度。其 他子菜单设置一般选择默认。
同样，点击鼠标右键的 “measure”，可以测量 相对尺寸，如右图：
在Layout中绘制天线
完成对底层cond2的全部设计，如下图
在Layout中绘制天线
选择： Option=>Layers, 将cond2的Shape Display由filled 改为outlined， 这样便于测量尺 寸。可得右图：
在Layout中绘制天线
将设计的层 面改为cond ，重复上面 的设计，完 成对于顶层 cond的设计 ，可以得到 右图：
图中，红色是对应cond层（顶层），黄色对应 cond2（底层），下面在顶层与底层之间加上一个 通孔
在Layout中绘制天线
下面在cond与cond2层之 间加一个通孔（Via）， 选择层为：
层定义—Metallization Layer设置
在Conductivity 中填电导率， Thickness中填金 属厚度。其中铜 的电导率为5.78E ＋006，厚度为 0.018mm。在这些 都设置结束以后 点击Apply 和 OK 就可以了。
端口定义
由于在前面的层定义中取消了GND， 所以不能定义Single Port（Not Available） 有两个解决的办法，采用： 两个Differential port 一个Internal port 配合一个 Ground
箭头的方向表示了电流的流向
1.8GHz印刷偶极子天线的尺 寸
（五）ADS软件的使用
本节内容是介绍使用ADS软件设计印刷 偶极子天线的方法：包括Layout绘制、 层定义、端口定义、仿真，优化等。
下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使 用方法。
ADS软件的启动
启动ADS进入如下界面
创建新的工程文件