矩形微带贴片天线的仿真研究与设计[1]概要

武汉理ｊ亡大学硕一卜学位论文
分类号——ＵＩ）Ｃ密级
学校代码劣ｊ凄理歹大
学位论１０４９７
题目堑墅丝鲎壁丛鑫线鲍笪甚盈塞墨遮盐
多苣文：旦ｂ曼Ｓｉ堡坠！垒鱼Ｑ壁垒望垂旦曼墨ｉｇ望Ｑ￡Ｂ曼曼！垒坠ｇ坠！垒！
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研究生姓名奎整
指导教师姓名至盎然——一职称—ｊ些坠一学位—＿主睦单位名称盛婆垄墨苤堂垄鲎瞳邮编箜ＱＱＺＱ
姓名越垩塞职称副垫撞学位谴±
副指导教师单位名称峦垫垄三基鲎堡堂瞳单位名称盛垫垄三基鲎堡堂瞳邮编４３００７０申请学位级别殛±学科专业名称整鍪蠢堑堡论文提交Ｅｌ期２Ｑ！兰生垒旦论文答辩日期２Ｑ！羔生三月：
学位授予单位盛婆垄墨盘堂学位授予日期
答辩委员会主席主：ｌ蓝亟．评阅人赳蓝迅
鲰元
２０１０年１１月浮文
一一……ｆ嬲煳掣必
独创性声明
本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：碰日期：翌！丛多／Ｉ
学位论文使用授权书
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研究生（签名）：名身色导师（签名）：舐衫舌期功ｆｆｌ口ｒ、弓１（注：此页内容装订在论文扉页
武汉理工大学硕士学位论文
摘要
微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视，已经被广泛应用在ＩＯＯＭＨｚ—ＩＯＯＧＨｚ的宽广频域上的大量的无线电设备中。

微带贴片天线是微带天线的一种基本类型，是一种谐振型天线，通常只在谐振频率附近工作。

设计这种天线首先要保证它的谐振频率不能发生偏离。

贴片的形状可以是任意的，但是能计算出辐射特性的几何形状是很有限的，本文选用矩形贴片来研究微带天线。

本文首先介绍了微带天线比较常用的几种分析方法以及辐射原理，然后根据已有的经验公式，再结合高频结构仿真器（ＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｔｒｕｃｔｕｒｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ）ＨＦＳＳ设计了一款中心频率为７．５５ＧＨｚ的矩形微带贴片天线。

本论文给出了详细的设计流程：根据理论经验公式初步计算出矩形微带贴片天线的尺寸，然后在ＨＦＳＳ里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离７．５５ＧＨｚ为止。

天线的尺寸确定后，由ＨＦＳＳ仿真得到天线的驻波比，反射系数，增益，输入阻抗等电参数。

由输入阻抗仿真图，得知天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗并不匹配，这意味着在传输线的终端有功率被反射回来。

阻抗匹配是天线系统中必须考虑的问题，针对这个问题，本文用了两种阻抗匹配方法：一种是电容电感法，是在由Ｗｉｎｓｍｉｔｈ应用程序提供的史密斯圆图下操作完成的，这里本文提出了两种电容电感的连接方式，从匹配结果来看，这两种连接方式都使驻波比值接近理
想值１；另一种方法是微带线法，这种方法是在微波电路仿真软件一先进性设计系统（ＡＤＳ—ＡｄｖａｎｃｅｄＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ）下以电路的形式完成阻抗匹配网络的设计，并用ＡＤＳ对所设计电路进行仿真，仿真结果表明：在天线的中心频率处，天线的输入阻抗值由匹配前的８３．６４一ｊ３．９７欧姆匹配到了目标值５０欧姆。

微带天线固有的缺陷是窄带性，它的窄带性主要是受尺寸的影响，本文在不改变天线中心频率的前提下，通过理论经验公式与仿真软件的结合，给出了微带天线比较合理的尺寸，最后仿真结果表明：在驻波比小于２的条件下，在中心频率附近，绝对频带宽度达到了２６０ＭＨｚ，达到了设计初期２００ＭＨｚ的要求。

关键词：微带天线矩形ＨＦＳＳ仿真史密斯圆图阻抗匹配
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｉｔｓｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，ｌｏｗｐｒｏｆｉｌｅａｎｄｏｔｈｅｒｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｔｔｒａｃｔｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｊｎｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｆｉｅｌｄ，ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅ１００ＭＨｚ一１００ＧＨｚｗｉｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒａｄｉｏｄｅｖｉｃｅｓ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｉｓａｒｅｓｏｎａｎｔａｎｔｅｎｎａ，ａｎｄｉｓａｂａｓｉｃｔｙｐｅｏｆＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａ，ｕｓｕａｌｌｙｗｏｒｋｏｎｌｙｎｅａｒｉｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｉｓａｎｔｅｎｎａｆｉｒｓｔｍｕｓｔｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｉｔｓｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｅｓｎｏｔｏｃｃｕｒｄｅｖｉａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｐａｔｃｈｃａｎｂｅａｒｂｉｔｒａｒｙ，ｂｍＣａｌｌｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｙｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｉｓｖｅｒｙｌｉｍｉｔｅｄ．ＴｈｅｐｒｅｓｅｎｔＰ叩ｅｒｕｓｅｄｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｐａｔｃｈｔＯｓｔｕｄｙｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａ．
Ａｔｆｉｒｓｔ，ｓｅｖｅｒａｌｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄａｎａｌｙｓｉｓａｐｐｒｏａｃｈｅｓｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａａｎｄｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｒｅｉｎｖｏｌｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｍｐｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＨＦＳＳ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｗｈｉｃｈｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓ７．５５ＧＨｚ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｅｍｐｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｓｉｚｅｏｆｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａ，ａｎｄｔｈｅｎｓｅｔｔｉｎｇｕｐｔｈｅｍｏｄｅｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＨＦＳＳ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ａｄｊｕｓｔｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ，ａｎｄｔｈｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｉｎＨＦＳＳ，ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙａｄｊｕｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｔｉｌｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ，ｓｃｅｎｔｅｒ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｎｏｌｏｎｇｅｒｄｅｖｉａｔｅｆｒｏｍ７．５５ＧＨｚ．
Ａｆｔｅｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅｏｆｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＨＦＳＳｃａｌｌｒｅｃｅｉｖｅＶＳＷＲ，ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｇａｉｎ，ｉｎｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｔｈｃ
ａｎｔｅｎｎａａｎｄｏｔｈｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ＇ｓｉｎｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ｗｅｃａｎｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｉｎｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅａｎｄｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｄｏｅｓｎｏｔｍａｔｃｈ，ｗｈｉｃｈｍｅａｎｓｔｈａｔ
ｔｈｅｐｏｗｅｒｉｎｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｓｒｅｆｌｅｃｔｅｄｂａｃｋ．Ｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｍｕｓｔｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｔｈｅａｎｔｅｎｎａｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｕｓｅｄｔｗｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ
ｍａｔｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ：ｏｎｅｉｓｔｈｅＲＬＣｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｕｎｄｅｒｔｈｅＳｍｉｔｈｃｈ砌ｔｈａｔｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｔｈｅＷｉｎｓｍｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｔｗｏｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄｓ，ｆｒｏｍｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｍａｄｅＶＳＷＲｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｉｄｅａｌｖａｌｕｅ１．Ａｎｏｔｈｅｒｗａｙｉｓｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｌｉｎｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｉｍｐｅｄａｎｃｅ
ｍａｔｃｈｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｗｉｔｈｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｍｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＩｌ
武汉理工大学硕十学位论文
ｓｏｆｔｗａｖｅ－－ＡｄｖａｎｃｅｄＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ（ＡＤＳ），ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｉｒｃｕｉｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＡＤＳ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅｖａｌｕｅｉＳｍａｔｃｈｅｄｆｒｏｍ８３．６４－ｊ３．９７ｏｈｍｓｔｏａｔａｒｇｅｔｖａｌｕｅｏｆ５０ｏｈｍｓａｔｔｈｅａｎｔｅｎｎａ’Ｓｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．
ｎｅｉｎｈｅｒｅｎｔｄｅｆｅｃｔｏｆＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｉｓｉｔｓｎａｒｒｏｗｂａｎｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｄｕｏｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｔｓｓｉｚｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｎｏｔｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｂｙｔｈｅｅｍｐｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｆｉｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＶＳＷＲｌｅｓｓｔｈａｎ２，ｔｈｅａｂｓｏｌｕｔｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｓ２６０ＭＨｚｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｈｉｃｈｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆ２００ＭＨｚ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａＲｅｃｔａｎｇｌｅＨＦＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｍｉｔｈｃｈａｒｔ
ＩｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈＩＩＩ
目录
摘要……………………………………………………………………………………………………………………………．．１Ａｂｓｔｒａｃｔ…………………………………………………………………………………………………………………………．】［Ｉ目录………………………………………………………………………………………………………………………………．１第１章绪论………………………………………………………………………………………．１
１．１课题研究背景……………………………………………………………………………．１１．２微
带天线发展历史与优缺点……………………………………………………………１１．３微带天线的应用……………………………………………………………………………２
１．３．１微带天线应用在可移动卫星通信中………………………………………………３
１．３．２微带天线应用在空间技术中……………………………………………………３
１．３．３内部集成的微带天线应用在蜂窝电话／ＰＣＳ以及其他手持便携式通信设备…３
１．４微带天线发展方向………………………………………………………………………。

４
１．４．１宽频带技术的研究………………………………………………………………。

４
１．４．２超宽频技术的研究………………………………………………………………。

４
１．４．３双频以及多频化的研究…………………………………………………………．４
１．４．４微带天线小型化的研究…………………………………………………………．．５
１．５微带天线的分类…………………………………………………………………………５１．６本文的主要：［作…………………………………．．．………………………………………８第２章微带天线理论………………………………………………………………………………９
２．１微带天线的分析方法……………………………………………………………………．．９
２．１．１传输线模型法：……………………………………………………………………。

９
２．１．２矩量法（ＭＯＭ）………………………………………………………………………………………。

１１
２．１．３腔模理论…………………………………………………………………………．１１
２．１．４有Ｉ；艮元法…………………………………………………………………………………………………１２
２．２矩形微带贴片天线………………………………………………………………………．１５
２．２．１结构和设计要求…………………………………………………………………．１５
２．２．２矩形微带贴片天线的辐射原理…………………………………………………１６
２．２．３矩形微带天线尺寸的确定………………………………………………………１７
２．２．３．１确定介质板………………………………………………………………．．１７
２．２．３．２确定辐射片宽度形………………………………………………………１８
２．２．３．３确定辐射片长度￡……………………………．．．…………………………。

１９
２．２．３．４确定基板尺寸……………………………………………………………．１９
２．３电参数……………………………………………………………………………………１９
２．３．１频带宽度Ｂ形………………………………………．．．…………………………１９
２．３．２．输入阻抗…………………………………………………………………………．２１
２．３．３驻波比……………………………………………………………………………………………………．２ｌ
２．３．４方向图……………………………………………………………………………………………………．２１
２．４矩形微带天线的馈电方法………………………………………………………………。

２２
２．４．１微带线馈电………………………………………………………………………．２２
２．４．２同轴线馈电………………………………………………………………………．２２
２．５本章小结：………………………………………………………………………………２３第３章７．５５ＧＨｚ矩形微带贴片天线的设计以及ＨＦＳＳ仿真……………………………………２４
３．１所设计的天线性能指标…………………………………………………………………２４３．２微带线介钌｛………………………………………………………………………………．２４３．３５０欧姆微带线宽度的确定…………………………………………………………．．２５
３．３．１ＡＤＳ介绍…………………………………………………………………………………………………．２１；
３．３．２５０欧姆微带线宽度的计算………………………………………………………２６
３．４７．５５ＧＨｚ微带天线尺寸的确定………………………………………．．……………．２６
３．４．１基板材料的确定……………………………………………………………………２７
３．４．２介质基板厚度的确定……………………………………………………………．２８
３．４．３贴片宽度的确定……………………………………………………………．．．．．．…２９
３．４．４贴片长度的确定…………………………………………………………………．３１
３．５馈电位置的确定…………………………………………………………………………３２３．６Ａｎｓｏｆｔ仿真软件………………………………………………………………………．３３
３．６．１ＨＦＳＳ仿真软件的介绍……………………………………………………………３３
３．６．２ＨＦＳＳ仿真流程………………………………………．．．……………………．．．…．３４
３．７矩形微带贴片天线仿真结果以及分析…………………………………………………３９
３．７．１参数显示设置……………………………………………………………………。

３９
３．７．２仿真结果的分析…………………………………………………………………４０
３．８本章小节……………………………………………………………………………………４４第４章矩形微带贴片天线的阻抗匹配设计…………………………………………………．４５
４．１・；Ｉ言…………………………………………………………………………………………………………………．４５４．２阻抗以及阻抗匹配的定义……………………………………………………………．．．…４５４．３阻抗匹
配方法……………………………………………………………………………．４５４．４侧馈下天线阻抗匹配方法……………………………………………………………．．４６４．５电容电感匹配法…………………………………………………………………………４７
４．５．１史密斯圆图的介绍…………………………………………………………………４７
４．５．２天线的阻抗匹配过程……………………………………………．．．……………．４８
４．６微带线阻抗匹酉己法………………………………………………………………………５１
４．６．１微带线匹配原理……………………………………………………………………．５１
４．６．２微带线匹配具体过程……………………………………………………………５２
４．７本章小结…………………………………………………………………………………５６第５章总结与展望………………………………………………………………………………．．５７致谢………………………………………………………………………………………………………………………………！；９参考文献………………………………………………………………………………………．．．…．．６０作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文……………………．：…………………………．．．……６３
武汉理工大学硕十学位论文１．１课题研究背景第１章绪论美国是世界上第一个实施全球定位系统ＧＰＳ的国家，美国于１９７３年开始实施，在１９９４年正
式建成和使用。

它的应用已经渗透到各个领域，不仅能为近地空间和地球表面的用户提供高精度的导航信息服务，还能为陆地车辆、海上舰船、航空航天飞行器提供导航服务，另外在石油勘探、大地测量、移动通讯等・领域也发挥其独特的作用。

继美国之后，俄罗斯也耗资３０个亿打造自己的全球卫星导航系统（ＧＬｏＮＡＳＳ）。

欧洲也在２００２年制定了全球卫星导航系统（Ｇａｌｉｌｅｏ），并在２００８年开始使用ｕ３。

我囡也高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。

２０００年，中国“北斗＂导航系统建成运行，成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

该系统已成功应用在测绘、电信、水利、交通运输、减灾救灾和国家安全等诸多领域，经济效益和社会效益显著，特别是在２００８年我国南方冰冻灾害、汶川特大地震抗震救灾和北京奥运会中发挥出非常重要的作用。

预计我国的“北斗＂在２０１２年覆盖我国及周边地区区域的导航服务，２０２０年完成全球的部署瞳】。

在卫星导航系统中，天线作为接收和发射电磁波的设备，是无线通信的一个关键部件，国内很多研究院和高校都在进行卫星定位用天线的研究。

一般的用在卫星导航系统上的天线，对其大小和形状都有比较严格的规定，一般选用体积小且重量较轻的天线，另外，在卫星导航系统中，为了能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星信号，人们希望所用的天线是全向天线ｂ】。

微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、全向性、能与载体共性等独特的优点，在卫星导航系统中有很多应用。

１．２徽带天线发展历史与优缺点
早在１９５３年微带天线的概念就已经被提出来了，但在当时并没有引起相关领域的足够重视。

一直到上世纪的六十年代才‘开始有了一些研究，直到七十年代微带天线才得到真正的发展和运用。

后来因为微波集成技术的发展和大量低
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耗介质材料的出现，促进了微带天线在工艺上的制作技术；由于空间技术的发展急需剖面较低的天线元，所以微带天线真正引起相关领域的广泛重视是在２０世
纪７０年代以后，特别是１９７０年第一批实用天线的出现，随后关于微带天线各相关领域不仅发表了大量的学术报告，而且出版了专集和召开了专题的会议，尤其是在２０世纪后期，开始了对分形天线在多频段工作的特性的研究和工程上的应用。

自此以后各种各样的微带天线已经在多普勒雷达、导弹遥测技术、生物工程以及卫星通信等领域得到了十分广泛的运用Ｈ’。

这表明微带天线已经在天线研究中占有一席之地。

微带天线最开始应用于导弹和火箭上，是作为共形全向天线使用的。

现如今已经应用在更宽广的频域范围上的无线电设备中，频域范围大约为ＩＯＯＭＨｚ—ＩＯＯＧＨｚ。

微带天线之所以能得到广泛的应用，是由它独特的优点决定的，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隅１：
（１）重量较轻，体积比较小，剖面低，能与飞行器等载体共形。

（２）容易制作和调制，制作成本较低，适合大批量生产。

（３）容易集成化的性能，在毫米波段的应用有很大的优势。

（４）电性能多样化，通过改变微带元的设计，可以很方便的得到各种极化方式，
也可以实现双频以及多频化。

与微波天线相比，微带天线也有一些不足之处，主要表现在如下几点【６Ｊ：（１）损耗比较大，从而导致效率也不高。

（２）介质基片对性能影响比较大，这是因为受到工艺条件这一因素的限制，大
批量生产出来的介质基片的一致性和均匀性有不足，从而使大型天线阵的构建和微带天线的大批量生产受到了影响。

（３）相对带宽比较窄，这也是微带天线固有的缺陷，特别是谐振式微带天线。

（４）单个微带天线的功率容量一般都比较小。

目前，微带天线的缺点正在研究克服中，有的已经得到改善，尽管微带天线存在着诸多不足，但是它独特的性能决定了它广泛的应用前景。

１．３微带天线的应用
我们都知道天线对信息的传输起到了无可替代的作用。

随着社会的发展和进步，我们对信息的传输提出了更高的要求，因此天线也是在不断发展和应用的。

在我国，虽然有线网得到了迅速的发展，但是，我国大部分人口居住在偏远的农村，有线网往往不能完成信号在这些偏远地区传输的任务，无线传输才是最好的选择。

微带天线以其独特的优点，即可应用在室外也可应用在室内，还可以集成到无线电设备内部，它的尺寸可大可小，其在无线电设备中的应用的优势是很明显的。

在电视技术领域，电视已经在农村得到了普及，甚至高清晰度电视也走进了千家万户，可以肯定的是微带天线的发展和应用将会有着非常广阔的市场前景。

１．３．１微带天线应用在可移动卫星通信中
对于可移动卫星通信系统，地面车用天线需要在方位角覆盖范围为３６０。

，并且在低俯仰角上要有较高的增益的圆极化天线，在文献［７］中介绍到了一种圆环贴片微带天线，其特点是结构简单、剖面比较低且造价比较便宜。

这种天线总的高度是７．４ｍｍ。

它的特点是在圆环贴片上有一个寄生单元，它的作用是用来降低阻抗，展宽带宽。

它在三波段能够得到３ｄＢ或更小的轴比、秒一３０。

一６０。

、８．５％的带宽（ＶＳＷＲ＜２）的圆锥状的方向图。

这种天线在日本是一种很有用的车用天线。

１．３．２微带天线应用在空间技术中
海洋卫星和航天飞船成像雷达（ＳＩＲ）的前三代（ＳＩＲ－Ａ、ＳＩＲ－Ｂ、ＳＩＲ－Ｃ）系统都使用了微带天线阵列，这种微带天线阵列都是平面结构。

ｘ波段合成孑Ｌ径雷达（Ｘ－ＳＡＲ）是第三代航天飞船成像雷达系统的补充，这种天线是工作在９６００ＭＨｚ（Ｘ波段）、长为１２米、宽为４０米的平面缝隙波导阵。

航天飞船成像雷达的第三代（ＳＩＲ－Ｃ）可工作在１２５０ＭＨｚ（三波段）和５３００ＭＨｚ（Ｃ波段），其￡波段和Ｃ波段的面板都是由微带贴片组成的面阵。

１．３．３内部集成的微带天线应用在蜂窝电话／ＰＣＳ以及其他手持便携式通信设备
便携式的无线通信设备通常有以下几类：’蜂窝电话、个人通信业务（ＰＣＳ）、Ｐｃ机存储卡国际协会（ＰＣＭＣＩＡ）寻呼卡、无绳电话、寻呼机以及无线调制解调器。

这些设备一般都是手持的，所以要求尺寸小、重量较轻的天线，同时还要求人体对天线辐射的吸收以及对天线性能的影响要比较小。

另外，为了美观也
为了减小占用空间，我们可把天线集成在塑料盒里和印制电路板上，尤其是在便携式设备中，这样做是很有必要的。

最有希望满足这些要求的技术便是使用内部集成的天线，比如微带天线。

１．４微带天线发展方向
随着微带天线的理论技术的不断发展，人们对微带天线研究的越来越深入，目前微带天线主要的研究集中在一下几个方面：宽频带技术的研究、超宽频技术的研究、双频以及多频化的研究、微带天线小型化的研究等。

１．４．１宽频带技术的研究
众所周知，微带天线的致命缺点是频带窄，这是由于它是一种谐振式天线，它的谐振特性相当于一个高Ｑ值的并联谐振电路，因此要想使微带天线的带宽有所增加，应该从降低它的Ｑ值入手。

文献［８］中给出了几种降低Ｑ值的几种方法：１．增大基本厚度，降低基板相对介电常数；２．改变天线的结构，具体途径有：
附加阻抗匹配网络、采用非线性调整元件、采用多层结构以及采用贴片或接地板“开窗”；３．采用非常规的基板形状或非线性基板材料。

１．４．２超宽频技术的研究
超宽带（ＵＷＢ）无线电传输技术是目前国际上正在蓬勃发展的一种无线通信技术，超宽带通信可以缓解目前越来越紧张的频带资源的压力，成为产业界和通信界研究的重点。

其实超宽带早在１９６０年就作为军用雷达技术开发出来阿１，从功能和形式上，超宽带天线可以分为四种：非频变天线、小尺寸天线、喇叭天线、反射镜天线。

设计超宽带天线两个最重要的指标是要有较低的驻波比和固定的相位中心，超宽带天线设计的难点是需要设计的天线有良好的阻抗带宽。

２００２年２月，ＦＣＣ批准了ＵＷＢ技术用于民用，规定其工作频率范围为３．１ＧＨｚ一１０．６６Ｈｚ【１０１。

１．４．３双频以及多频化的研究
目前使微带天线双频化通常有三种方法ｎ¨：（１）多贴片，（２）槽加载，（３）集总元件加载。

这三种方法中，采用槽加载方法是最简单的方法，在单层微带
天线上就可以实现双频，而且制作也比较简单。

而多贴片和集总元件加载会使天线的结构复杂化。

实现多频化的方法主要有：（１）采用多层重叠贴片结构，形成多个谐振器，从而产生多频段特性；（２）采用分形概念设计天线，分形具有空间填充属性和自相拟属性，几何结构的自相拟属性决定了它的多频带性质；（３）采用多个辐射单元，构成多频点谐振式的微带天线随】。

１．４．４微带天线小型化的研究
天线的小型化是指在一定的工作频率上，在不改变天线各项性能的前提下，尽量使微带天线的尺寸最小化。

针对不同的小型天线（比如螺旋天线、缝隙天线等）有不同的小型化方法ｎ到。

文献［１３］介绍了具体到微带贴片天线小型化方法：采用平面倒Ｌ结构以及倒Ｆ结构，增加介电常数、曲流、加载。

１．５微带天线的分类
如前面所述，微带天线从不同角度可以分成很多种类。

一般说来，微带天线的基本类型分为四大类：微带振子天线、微带缝隙天线、微带行波天线以及微带贴片天线。

其中微带振子天线、微带缝隙天线以及微带贴片天线是谐振型天线，有特定的谐振尺寸，通常只能在谐振频率附近工作；微带行波天线是非谐振型天线，它的末端需要加匹配负载来保证传输行波。

微带振子天线主要分为两种类型：一种是细线振子天线，是把细线振子镶嵌在一个介质基片上，这个介质基片比较薄，然后把介质基片接地。

细线振子的直径远小于波长，横截面是圆形的，其长度与波长可以比拟，如图１－１（ａ）所示。

另一种是矩形微带振子天线，它的结构与矩形微带贴片天线很相似，可看成是由矩形窄条构成的，如图１－１（ｂ）所示。

（ａ）细线微带振子天线－（ｂ）矩形微带振子天线
图１－１微带振子天线（ａ）（ｂ）
地扳
微带缝隙天线是在接地板上开窗构成辐射器，也就是我们说的缝隙，通过印制在介质基板另一面的微带线对缝隙馈电，其形状如图１－－－２所示。

缝隙的形状也有很多种，微带缝隙天线可以分成宽缝和窄缝两种，当缝宽与波长可相比时为宽缝天线，当缝宽远小于波长时为窄缝天线。

接地板
图１．２微带缝隙天线，
微带行波天线一般为传输特殊模式的结构或为周期结构。

它在传输电波的同时不断的向空中辐射。

微带行波天线有很多类型：ＴＥ。

模微带行波天线，壁垒形天线，链形微带行波天线、周期切割微带行波天线等。

图１—３为上述几种微带行波天线的结构图。

（ａ）ＴＥｌｏ模微带行波天线
，～一二一王（ｂ）壁垒形天线的结构
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（ｃ）链形微带行波天线
负
载
Ｒ
（ｄ）周期切割微带行波天线
图１－３各种微带行波天线（ａ）Ｃｏ）（ｃ）（ｄ）
微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。

当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究，图ｌ一４给出了部分处于研究中的微带贴片天线的几何形状。

本文选用矩形微带贴片天线最为研究对象，期待以此为基础，进一步研究形状更为复杂的微带贴片天线。

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图１４各种形状的微带贴片
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１．６本文的主要工作
微带天线适合用在组合式设计中，如混频器，卫星导航接收机等，本文设计了一款用于卫星导航接收机的中心频率为７．５５ＧＨｚ的矩形微带贴片天线，根据已有的理论经验公式计算出了天线的尺寸，然后利用Ａｎｓｏｆｔ公司的ＨＦＳＳＩＯ．０仿真软件对其进行了仿真，根据仿真结果对根据理论经验公式计算出的天线的尺寸进行了修改，最终使天线的中心频率为７．５５ＧＨｚ。

由仿真结果发现所设计的矩形微带贴片天线的输入阻抗与馈电系统的特性阻抗并不匹配，运用ＡＤＳ以及史密斯圆图对天线的输入阻抗进行了匹配设计，提出了三种匹配方式：并联电容～串联电感法和并联电感一串联电容法，微带传输线法。

这三种匹配方式都很出色的使矩形微带贴片天线的输入阻抗与馈电系统的特性阻抗匹配。

本论文工作安排如下：
第一章首先阐述了论文的研究背景以及微带天线的发展历史以及优点和缺点，然后综述了微带天线的应用以及微带天线的主要发展方向和微带天线的种类，最终确定本文的研究对象为矩形微带贴片天线。

第二章首先介绍了微带天线常用的几种分析方法，因为本文研究的对象是矩形微带贴片天线，又因为传输线法只适合分析矩形微带贴片天线和微带振子天线，所以选用传输线法分析矩形微带贴片天线，再者，ＨＦＳＳ是以有限元法为基础的，所以是传输线法与有限元法结合起来分析矩形微带贴片天线的。

然后本章还讨论了矩形微带贴片天线尺寸的设计、微带天线的电参数以及常用的两种馈电方式。

第三章主要介绍了运用ＨＦＳＳ对矩形微带贴片天线仿真的具体过程以及在仿真中采用的分析方法，最后给出了天线几种参数的仿真结果，对仿真结果分析发现，除了阻抗不匹配外，其他参数的仿真结果都取得了预期的结果。

第四章首先介绍了阻抗以及阻抗匹配的定义以及常用的阻抗匹配方法。

电容电感法中采用了并联电容一串联电感法和并联电感一串联电容法两种匹配方式，这两种连接方式都是在斯密斯圆图中完成的。

微带线法是在ＡＤＳ中完成的，从匹配后的结果来看，这三种方式都取得了很理想的成绩。

第五章是对本文的总结和展望。

８
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第２章微带天线理论
２．１微带天线的分析方法
微带天线在进行工程设计时，与其他天线一样需要对天线的一系列性能参数进行预算，这种做法可以使天线的制作质量和效率大大提高，并且可以使研制成本大大的降低。

近年来许多作者致力于这种理论工作的研究，获得了显著的成就。

如今比较成熟的分析微带天线的方法有很多，比如格林函数法、积分法、传输线法、腔模理论和矩量法等，这些方法各有长短互相补充。

每种方法并不是千篇一律的，每种方法可能只适合一种或几种微带天线。

通常使用的微带天线的带宽都比较窄，主要是因为其输入阻抗对频率的变化比较敏感，又因为微带贴片天线是通常只工作在谐振频率附近，所以研究微带天线的阻抗特性和谐振频率就显得十分关键，它也是评价分析方法好坏的一个重要依据。

用以上各种方法分析微带天线的方向图，除特殊情况外，得到的结果最后都差不多是一致的，尤其是主波束，所以以下我们主要介绍微带天线输入阻抗的分析方法。

＼
２．１．１传输线模型法：
传输线模型法是出现比较早的分析微带天线的方法，也是众多方法中最简单的方法。

这种方法的前提是采用了两条基本假设，这里将根据图２－１这种方法的物理模型来介绍两条基本假设ｎ铂：（１）假设在由接地板和微带片构成的微带传输线上传输的是准ＴＥＭ波，而波的传输方向由馈电点决定，把准ＴＥＭ波的波长用Ａ。

来表示，线段长度三的值大约为半个波长，即三一Ａ。

／２。

场的分布在垂直方向（图中对应的是宽度方向）上是常数，而在传输方向上为驻波分布的。

（２）把传输线的始端和末端看作是两个辐射缝隙，长度是图中的形，宽度是图中的ｈ，传输线的开口端的场强即为缝隙的口径场。

如果把缝的平面看成与微带片的平面共面，那么开口面就从原来的方向向上翻转了９０。

９。