天线CAD大作业微带天线设计
西电CAD大作业微带
西安电子科技大学天线CAD大作业微带天线姓名：班级：学号：微带天线基本要求：工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。
微波基板 =6.0 ，厚度H≤5mm，线极化。
总结设计思路和过程，给出具体介电常数为的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。
（80分）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。
（20分）一．微带天线1.结构与分类微带天线是近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。
当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。
长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。
L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a 和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。
另一类微带天线是微带缝隙天线。
它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。
按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。
按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。
前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。
2.微带天线的性能微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。
和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形(2)电性能多样化。
微带天线CAD1
微带天线CAD(1)一、微波传输线与微带天线§1.1 微波传输线传输线：同轴线(双导线)，波导，微带线天线：线天线喇叭天线微带天线所谓的传输线是传播微波能量的，天线是用来辐射能量的。
只要能传播微波能量，就能设计成专业的天线用来辐射能量！天线所辐射的能量就是来自于传输线，因此，将微波传输线的形状改变就能够设计成为天线！也正因为如此，每种传输线都对应于一系列的天线形式。
例如：用双导线和同轴线设计的线天线；用波导设计的喇叭天线以及抛物面天线；用微带线设计的微带天线，等等。
这里我们主要讲述微带天线的CAD。
§1.2 微带传输线微带线由一条宽度为w的导体带和背面有导体接地板的介质基片构成(如图1—1所示)。
导体带宽度为t，介质基片厚度为h，相对介电常数为rε。
ε=1 表示的是什么？空气介质！近年来，以空气为介质的微带天线在基r站天线中得到了广泛的应用，例如：西安华天。
微带线是一种开放线路，因此它的电磁场可无限延伸。
这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（由空气和介质)构成。
我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场——TEM 模。
现在由于空气—介质分界而的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量(包括纵向分量)的混合模。
不过，当频率较高，微带宽度w 和高度h 与波长可相比拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。
其最低模TEl0的截止波长为：(1-1)04h 是计入边缘效应后的等效宽度的延伸量。
（a ）(b)图1—1 微带传输线最低次TM 模（TM01）的截止波长为：（1-2）此外，微带线中还存在表面波。
最低次TM 型表面波（TM 0)的截止波长为∞，即其截止频率没有下限。
最低次TE 型表面波TE 0的截止波长：（1-3）上述波导模和表面波模称为微带的高次模。
为抑制高次模的出现，微带尺寸的选择需满足如下条件：亦即对应于最高的工作频率。
（为什么要抑制微带中的高次模？作业一） 微带传输线传输的是准TEM 模，其有两个主要持性参数：特性阻抗（characteristic impedance ）Z 0和沿线传输相速（亦即电磁波在介质中的传播速度）p v 或有效介电常数(effective dielectric constant )re ε。
天线CAD大作业
天线CAD大作业八木-宇田天线设计要求：设计一副工作频率在2.4GHz—2.5GHz之间的八木宇田天线，要求带内增益大于13dB，VSWR小于2.0。
参数确定：由工作频率可看出，中心频率在2.45GHz，由增益要求13dB，所以需要取多元引向振子，元件直径2mm，利用八木计算器求得所需的元件参数，绘制图形。
变量表：模型创建：有源振子采用半波振子，其他采用导体棒。
Analyze：回波损耗：可以发现，工作谐振频率大概在 2.47GHz左右，满足设计要求、驻波比：图内看出，在2.4GHz-2.5GHz之间驻波比小于2，满足要求、方向图：仿真成功。
综上所述，此次八木宇田天线仿真比较成功，多次尝试后能得到比较满意的效果。
圆极化微带天线设计要求：设计一副工作频率在1200±5MHz的圆极化微带天线，微波基板介电常数2.2，厚度1.5mm。
要求带内增益大于4dB，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。
参数确定：通过HFSS antenna kit 计算，使得谐振频率为1.2GHz，得到L=W=Lc= 82.15 并设置微调delta=0.0143Lc。
馈电位置L1=L2=29.7mm。
变量：L0和W0表示辐射贴片的长度宽度，L1和L2表示同轴线馈电点离贴片中心的距离，delta表示贴片长度微调值，按照经验公式为0.0143Lc，边界辐射条件设置为65mm。
变量：模型创建：馈电位于对角线上。
Analyze：谐振点：参数扫描之后，可以得到谐振频率所对应的Lc参数扫描：将Lc从81.5mm到83.3mm进行参数扫描，步长0.3mm，上为结果。
显示在82.15mm时谐振频率刚好达到1.2GHz。
驻波比：驻波比在要求的带宽内能满足要求。
增益：增益在要求的范围内在7.3dB左右，是满足要求的。
方向图：轴比：这个轴比一直有问题，跟其他的同学讨论了一下做了好多次都不能达到预期的效果，轴比依旧停留在9左右。
综上所述，除了轴比之外，其他的要求均能满足，参数设置需要修改。
天线CAD微带天线
CAD大作业班级：021114学号：02111362姓名：微带天线基本要求：工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。
微波基板 =6.0 ，厚度H≤5mm，线极化。
总结设计思路和过程，给出具体介电常数为的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。
（80分）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。
（20分）微带天线简介：微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。
图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。
与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数rtan、介质层的长度LG和宽度WG。
图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。
对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有2/g的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。
从图2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
设计步骤：（1）根据设计要求 选中心频率为f0 = 1.12GHz 、厚度H=3mm 由天线几何结构参数推导计算公式求得相关参数：宽度：W=71.5878mm 长度：L=54.3682有效介电常数： e ε=5.5393 辐射缝隙的长度：∆L=1.2681mm 同轴线馈点的位置坐标 ：f x =11.6560mm参考地的长度和宽度：3682.62≥GND L 5878.89≥GND W （2）用HFSS 根据相管参数创建微带天线模型1.、创建参考地 2、创建介质板层 3、创建微带贴片4、创建同轴馈线的内芯5、创建信号传输端口面6、创建辐射边界条件模型如图：（3）设置激励端口完成后，求解设置。
天线CAD作业
作业
上机实验（期中成绩）
时间：Байду номын сангаас0小时
地点：新校区机房
教学方式：学生自主完成，教师现场答疑 教学目的：通过实例掌握电磁仿真软件 上机题目：任选一个习题（课程教学过程中的习题），使用 课堂介绍的电磁仿真软件（HFSS、CST、FEKO、IE3D等） 完成建模仿真全过程，整理并提交实验报告，总结使用技巧 及心得。
西安电子科技大学²电子工程学院
51
作业
文献翻译（期末成绩）
在IEEE/IEE上，自选一篇与天线设计相关的文献（尽可能 与课堂教学相关）并进行翻译。
西安电子科技大学²电子工程学院
西安电子科技大学²电子工程学院
50
作业
上机大作业（期末成绩）
3. 设计一付工作频率为1600±5MHz圆极化微带天线，微波 基板介电常数为2.2，厚度为1.5mm。要求带内增益大于 4.0dBi，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。确定结构参数， 给出设计过程和设计结果（包括VSWR、方向图，轴比等指 标）。 最后，撰写报告（统一格式，包括封皮，总结课程学习心得）
西安电子科技大学²电子工程学院
49
作业
上机大作业（期末成绩）
时间：11月23日—12月25日, 12月26日提交
题目：（第3题必选，第1、2题选一）
1. 设计一付工作频率200-600MHz对数周期天线，要求带内 增益大于6.0dBi，VSWR小于2.0，确定结构参数，给出设 计过程和设计结果（包括VSWR、方向图） 。 2. 设计一付工作频率2.4-2.5GHz八木—宇田天线，要求带内 增益大于13.0dBi，VSWR小于2.0，确定结构参数，给出 设计过程和设计结果（包括VSWR、方向图）。
天线CAD大作业 02111206 赵书宽
天线CAD大作业班级：021113学号：02111206姓名：赵书宽微带天线一：设计要求基本要求：工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR ≤2:1。
微波基板介电常数为，厚度H≤5mm，线极化。
总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。
二：设计思路一个简单的微带天线，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。
与其有关的参数有辐射源的长度L、宽度W、介质的相对介电常数和损耗正切、介质层的长宽和厚度。
这次要设计矩形微带贴片，采用同轴馈电，即将同轴线接头烦人内芯穿过参考地和介质层与辐射源相连。
如下图（俯视图）测试图：三：参数计算由题目要求可知取中心频率为1.15GHz，长度取4.5mm，介质相对介电常数为6，其他参数由计算可得矩形贴片宽度W=67.9mm，矩形贴片长度L=52.276mm，参考地长度L GND>=79.276mm，参考地宽度W GND>=96.7mm，同轴线馈电位置坐标（Xf，Yf，0）Xf=11.4mm，Yf=0计算过程如图四：设计仿真及优化1.建立模型（1）首先画出矩形贴片微带天线的模型，根据参考地的要求，设定其为110mm*110mm，介质层为100mm*100mm，高为4.5mm，贴片大小为52.276mm*67.6mm。
同轴线原点坐标为（11.4mm,0），半径为0.5mm，高度为4.5mm。
如下图：（2）创建传输端口，端口圆心与同轴线相同，半径为1.5mm，如图：（3）创建辐射边界，根据辐射边界表面距离辐射源通常需要大于四分之一个波长，可以取辐射边界大小为260mm*260mm*140mm，介质真空。
如图2.设置激励端口设置同轴线信号端口面的激励方式为集总端口激励。
端口阻抗为50欧。
3.添加使用变量添加Length，Width，Xf，初始值分别为52.276mm，69.7mm，11.4mm。
如图：然后把贴片的长度，宽度分别用Length和Width表示，把端口和同轴线的圆心坐标用Xf表示。
电调微带贴片天线CAD
电调微带贴片天线CAD
电调微带贴片天线CAD
微带天线由于其重量轻,制作简单、成本低,易于与载体平台共形以及适合组阵等诸多优点,自20世纪70年代以来越来越受重视并得到广泛应用。
它特别适用于各种移动地面设备,如移动通信、无线电话、GPS接收机、车载雷达等,以及飞行载体(如卫星、火箭和飞机等)电子设备。
但微带贴片天线的致命缺点是阻抗带宽太窄,只有百分之几,大大限制了它的应用范围。
近些年来,已有多种技术成功地用于改善带宽,这些方法中包括使用低介电常数的介质基板、使用水平或垂直方向多层寄生贴片、以及采用匹配结构等。
本文提出微带贴片天线加载变容管来提高有效带宽,用最简单的传输线模型理论设计微带贴片天线,研究变容管加载的探针馈电矩形微带天线电特性,重点考查了变容管加载微带天线后的谐振频率变化及可调谐范围,实验结果与预测符合得较好。
1 天线的分析与设计
微带天线的分析方法主要可分为三类,即传输线模型,腔模理论以及全波分析法。
全波分析法是最严格的分析方法,采用矩量法(MOM)、有限元法(FEM)及时域有限差分法(FDTD)等数值方法比较严格地求解,结果比较精确,但计算量都比较大。
在通常的工程应用中,采用传输线模型和腔模理论,只要根据经验公式和实际结构作适当的修正,也能得到满意的设计结果,误差可控制在。
微带天线CAD4
微带天线CAD (4)一、 宽频带微带天线技术与基站天线的设计1.1微带天线的宽频带技术1.1.1 引言为适应日益发展的广泛应用的需要，微带天线现在不但已发展了多种多样的宽频带技术，并且已产生了众多有效的宽频带技术和多频段工作方式。
同时，也发展了宽频带的馈电方法，其应用也越来越广泛。
宽频带微带天线在无线领域中有重要作用，特别移动通信中得到了广泛的应用。
作为移动通信中的基站天线，已经研发出重量轻、体积小，成本低的宽频带基站用的微带天线。
随着移动通信的发展，对移动通信天线设计师还有更进一步的要求。
众所周知，高明的天线设计会使天线产生另外的系统功能，例如分集接收能力来降低多路径衰落，或极化持性的选择功能等----双极化天线。
因此，移动通信天线设计不再局限于在轮廓分明的平坦基面上实现小型化、轻重量、薄剖面或平嵌安装的全向天线，而是建立一个复杂的电磁结构，使其在信号处理中发挥重要作用，并通常在不确定的时间变化环境中工作-----智能天线。
目前，国内用的基站天线的工作频率范围大多在：806 ~ 870MHz；824 ~ 896MHz；806~896MHz ，1710 ~ 1920MHz；1885 ~ 1990MHz；1710~1990MHz，1880~1930MHz，UMTS天线 (1920~2170MHz)。
对于一般的基站天线，一般不外乎要求高增益、宽频带。
为了保证基地站天线能同时同许多移动站进行通信，必须采用多信道，这就要求具有宽带特性和分路及(或)合成信道功能。
按照无线电规则的安排，800MHz 陆地移动通信的频带范围为810 ~ 960MHz 。
为了用一副天线覆盖整个频带，就需要17％的相对带宽。
当天线既发射又接收时，就会产生无源交调，因而增加干扰。
其次，为了保证基地站与业务区域内的移动站之间的通信，在业务区域内，无线电波的能量必须均匀辐射，并且天线增益应尽可能高。
由于业务区域的宽度是已经确定了的，所以不能通过水平面的波束宽度来提高天线的增益，只能通过变窄垂直面的波束宽度来提高天线增益。
微带天线CAD3
微带天线CAD (3)一、 圆极化微带天线的设计1.1微带天线的圆极化技术1.1.1 引言为适应日益发展的广泛应用的需要，微带天线现在不但已发展了多种多样的圆极化技术，并且已产生了众多有效的宽频带技术和多频段工作方式，同时也发展了宽频带的馈电方法。
此外，在方向图控制和介质覆盖技术等方面也都有了新的发展。
下面，将依次对这些新技术及其CAD加以介绍。
这里首先介绍微带天线的圆极化技术。
圆极化微带天线在无线领域中有重要作用。
特别航天飞行器中，由于航天器位置姿态不固定，它们的通讯测控设备都要求共形的，重量轻、体积小，又成本低的圆极化天线。
圆极化微带天线是能满足这些要求的比较理想的天线形式之一，并得到了广泛的应用。
1.1.2 圆极化天线原理和特性参数辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要性质：1) 圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。
即沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。
若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为LHCP(LHCP—Left Hand Circular polarization)；若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波，记为RHCP(RHCP—Right Hand Circular Polarization)。
2) 一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。
由此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等、相位相差900。
3) 任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。
作为特例，一个线极化波可分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。
因此，其他任意极化的来波都可由圆极化天线收到；反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可由其他任意极化的天线收到，这正是在电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化工作的原因。
4) 天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波；反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波，这称为圆极化天线的旋向正交性。
微带天线CAD1
微带天线CAD1微带天线CAD(1)⼀、微波传输线与微带天线§1.1 微波传输线传输线：同轴线(双导线)，波导，微带线天线：线天线喇叭天线微带天线所谓的传输线是传播微波能量的，天线是⽤来辐射能量的。
只要能传播微波能量，就能设计成专业的天线⽤来辐射能量！天线所辐射的能量就是来⾃于传输线，因此，将微波传输线的形状改变就能够设计成为天线！也正因为如此，每种传输线都对应于⼀系列的天线形式。
例如：⽤双导线和同轴线设计的线天线；⽤波导设计的喇叭天线以及抛物⾯天线；⽤微带线设计的微带天线，等等。
这⾥我们主要讲述微带天线的CAD。
§1.2 微带传输线微带线由⼀条宽度为w的导体带和背⾯有导体接地板的介质基⽚构成(如图1—1所⽰)。
导体带宽度为t，介质基⽚厚度为h，相对介电常数为rε。
ε=1 表⽰的是什么？空⽓介质！近年来，以空⽓为介质的微带天线在基r站天线中得到了⼴泛的应⽤，例如：西安华天。
微带线是⼀种开放线路，因此它的电磁场可⽆限延伸。
这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（由空⽓和介质)构成。
我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单⼀的纯横向场——TEM 模。
现在由于空⽓—介质分界⽽的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量(包括纵向分量)的混合模。
不过，当频率较⾼，微带宽度w 和⾼度h 与波长可相⽐拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。
其最低模TEl0的截⽌波长为：(1-1)04h 是计⼊边缘效应后的等效宽度的延伸量。
（a ）(b)图1—1 微带传输线最低次TM 模（TM01）的截⽌波长为：（1-2）此外，微带线中还存在表⾯波。
最低次TM 型表⾯波（TM 0)的截⽌波长为∞，即其截⽌频率没有下限。
最低次TE 型表⾯波TE 0的截⽌波长：（1-3）上述波导模和表⾯波模称为微带的⾼次模。
为抑制⾼次模的出现，微带尺⼨的选择需满⾜如下条件：亦即对应于最⾼的⼯作频率。
（为什么要抑制微带中的⾼次模？作业⼀）微带传输线传输的是准TEM 模，其有两个主要持性参数：特性阻抗（characteristic impedance ）Z 0和沿线传输相速（亦即电磁波在介质中的传播速度）p v 或有效介电常数(effective dielectric constant )re ε。
天线CAD大作业
圆极化微带天线的仿真设计要求设计一付工作频率为1200±5MHz圆极化微带天线，微波基板介电常数为2.2，厚度为1.5mm。
要求带内增益大于4.0dBi，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。
设计步骤1.计算天线的尺寸微带天线的介质基片采用厚度为1.5mm的Neltec NY9220（Im），介质的介电常数ε=2.2，由公式可以计算出天线的辐射贴片的宽度和长度，以及有效介电常数的等效缝隙宽度。
此次大作业的原始天线数据，我是采用的《HFSS天线设计》第四章中的微带天线的设计实例中的数据首先进行仿真。
2. HFSS仿真设计参照《HFSS天线设计》第四章中的微带天线的设计，采用的书中例题的原始数据，再根据设计的要求，逐步优化得到想要的设计要求。
创建的天线仿真仿真模型如图3.仿真数据的分析在使用书中例题的数据进行优化的同时，发现了天线的谐振频率随着Lc的增加而减小，经过优化，分析后得出，Lc的值在82mm的时候，能基本满足设计要求得1.2GHz的谐振频率，得到的其他的结构参数如图4.初步的仿真结果一．天线的方向图从方向图中可以看出，带内的最大增益达到了6dB,能达到设计要求的条件二．电压驻波比设计要求的电压驻波比是小与2，然而设计经过优化始终得到的只是略大于2的值三．轴比的分析设计按照书中给出的例子，在进行仿真，数据分析后得到的轴比远远不能达到设计的要求始终高于要求的3dB，一度达到了9dB通过上网查资料，得知，想要实现圆极化，必须满足轴比小于3dB的要求，于是对原先的设计进行了切角设计，相应的也改变了馈源的位置，于是得到了如下的天线设计得到的圆极化天线基本满足了轴比小于3dB八木—宇田天线设计要求设计一付工作频率2.4-2.5GHz八木—宇田天线，要求带内增益大于13.0dBi，VSWR小于2.0设计步骤1．八木天线的设计包括振子尺寸的设计和优化和平衡不平衡转换设计。
首先是振子尺寸的设计和优化。
微带天线CAD2
微带天线CAD (2)一、 微带天线CAD微带天线可以单独使用，也可以作为阵列的一部分而同其它相同的单元组合使用。
无论哪种情况，设计者均应掌握微带天线单元的详细设计步骤。
要设计微带天线，首先是要认识或了解微带天线。
通常情况下，微带天线有如下特性：1) 贴片的尺寸接近于半波长（2/g λ， 介质中的波长），包括单层或多层。
2) 工作于主模的微带天线，沿谐振长度的方向，输入阻抗在贴片的边缘为最大，在贴片中心为零。
因此，改变馈电点的位置可以实现与馈线特性阻抗的匹配。
也正因为如此，通常可以在贴片的中心采用金属支撑，并可以起到直流接地的作用。
一般地有：式中0in R 为侧馈时的输入阻抗，0Y 是背馈点离侧馈边的距离。
于是，可以用实验方法方便地在某一个0Y 处实现与50欧姆馈电线的匹配，省去了阻抗变换器。
当微带天线作为独立天线应用时，背馈方式是常被采用的，而当它作为单片微带天线的阵元时，又势必采用侧馈。
(无论是对何种贴片天线，总有这样的等效特性)。
3) 由于微带天线一般都带有无限大的金属接地板，所以它具有定向的辐射方向图。
当地板的尺寸减小时，其后向辐射增强。
4) 单层微带天线单元的增益一般在3 ~ 8dB 左右，与天线的体积有关！双层或多层微带天线单元的增益可以达到9dB 。
（实际上，这与无限大金属地板上的水平对称镇子天线的增益相当！）5) 单层微带天线单元的带宽一般在1 ~ 5%左右，与天线的体积有关！双层或多层微带天线单元的带宽可以达到30 ~ 60% 。
6) 天线的极化：通常是线极化工作，可以方便地实现圆极化工作。
在这里我们将主要讲述常规微带天线的CAD，并提供如下相应的计算程序。
下面就讲述微带天线的设计以及设计程序的具体应用。
二、 微带天线CAD2.1 矩形微带天线的基本设计公式矩形微带天线的结构及常用的馈电形式如图2.1所示。
其主要参数有：辐射元长度L ，辐射元宽度W 。
介质板厚度h ，介质板的长度LG 和宽度WG ，介质的相对介电常数r ε和损耗角正切值δtg 。
微波天线的设计资料(微带天线)(MicrostripAntenna)
实验十三微带天线（Microstrip Antenna）一、实验目的1.了解天线之基本原理与微带天线的设计方法。
2.利用实验模组的实际测量得以了解微带天线的特性。
二、预习内容1．熟悉微带天线的理论知识。
2．熟悉天线设计的基本概念及理论知识。
三、实验设备四、理论分析天线基本原理：天线的主要功能是将电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波。
所以天线亦可视为射频发收电路与空气的信号耦合器。
在射频应用上，天线的类型与结构有许多种类。
就波长特性分有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分，常见有单极型（Monopole）、双极型（Dipole）、喇叭型（Horn）、抛物型（Parabolic Disc）、角型（Corrner）、螺旋型（Helix）、介电质平面型（Dielectric Patch）及阵列型（Array）天线，如图13-1所示。
就使用频宽来分别有窄频带型（Narrow-band,10%以下）及宽频带型（Broad-band,10%以上）。
图13-1 常见天线（一）天线特性参数1.天线增益（Antenna Gain’G）：isotropicPPG=其中 G——天线增益P——与测量天线距离R处所接收到的功率密度，Watt / m2Pisotropic——与全向性天线距离R处所接收到的功率密度,Watt / m2由此可推导出，与增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度：24RPGP txrec⋅⋅=π其中 G——天线增益P tx——发射功率，Watt / m2R——与天线的距离，m2.天线输入阻抗（Antenna Input Impedance’Zin）：IVZin=其中 Z in——天线输入阻抗V——在馈入点上的射频电压I——在馈入点上的射频电流以偶极天线为例，其阻抗由中心处73Ω变化到末端为2500Ω。
3.辐射阻抗（Radiation Resistance’Rrad）：(a)单极型(c)喇叭型(d)抛物面(e)螺旋型(f)阵列型2i P R av rad =其中Pav ——天线平均辐射功率，Wi ——馈入天线的有效电流，A I ——在馈入点上的射频电流对一半波长天线而言，其辐射阻抗为73Ω。
微带天线设计
班级：通信13-3班姓名：王亚飞学号： 18 指导教师：徐维成绩：电子与信息工程学院信息与通信工程系目录1微带天线设计.............................................. 错误!未定义书签。
微带天线简介............................................ 错误!未定义书签。
设计要求................................................ 错误!未定义书签。
设计指标和天线几何结构参数计算.......................... 错误!未定义书签。
2 HFSS 设计和建模概述....................................... 错误!未定义书签。
创建微带天线模型........................................ 错误!未定义书签。
新建HFSS 工程........................................ 错误!未定义书签。
建立模型.............................................. 错误!未定义书签。
相关条件设置............................................ 错误!未定义书签。
设置激励端口.......................................... 错误!未定义书签。
添加和使用变量........................................ 错误!未定义书签。
求解设置........................................... 错误!未定义书签。
3设计检查和运行仿真分析.................................... 错误!未定义书签。
天线设计 CAD
~Z=EP,
M N,"
I elkd,
cOs(*Tm~)
where the subscript 'm'indicates the m-th circular sub-array and d, and by suitable substitutions using the elements positions information.
Results and Discussion: In order to confirm the validity of the proposed approach, the 2-ring array was developed and tested and its measured results were compared with the results simulated by EnsembleTM. Fig. 6 shows experimental and simulated results for return loss (E) the array as a function of frequency for the beam directed at ' of 0 azimuth and 50' elevation. It can be seen that the measured RL is better than 18dB over the frequency band of 1.55 GHz to 1.66 GHz. The simulated RL is higher than lOdB over the I.4GHz to I.7GHz band. There is a reasonable agreement between the experimental and simulated RL plots. Fig. 7 shows the simulated gain vs elevation scan angle. As seen in Fig. 7, the peak gain at the zenith is 15.3 dBi while the peak gain at 7' is 8.2 dBi. Fig. 8 and 9 show a comparison between the measured and simulated 0 radiation patterns at 1.55GHz for different elevation angles. Good agreement between the experiment and simulations is observed for the main beam. Discrepancies are
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天线CAD大作业学院：电子工程学院专业：电子信息工程微带天线设计一、设计要求：（1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。
微波基板介电常数为r ε= 6，厚度H ≤5mm ，线极化。
总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。
（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。
二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,s m /103c8⨯=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则（1）辐射切片的宽度21)21(2-+=r f c w ε=69.72mm（2）有效介电常数21)121(2121r e-+-++=whr εεε=5.33（3）辐射缝隙的长度)8.0/)(258.0()264.0/)(3.0(h412.0+-++=∆h w e h w e L εε=2.20（4）辐射切片的长度L ef c L ∆-=22ε=52.10mm（5）同轴线馈电的位置L1 21)121(2121)(re -+-++=Lh r r L εεξ=5.20 )11(21reL L ξ-==14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：微带天线的HFSS设计模型如下：立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。
介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。
对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。
使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。
模型建立好后，设置辐射边界条件。
辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。
（2） HFSS设计环境概述＊求解类型：模式驱动求解。
＊建模操作①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。
②模型操作：相减操作＊边界条件和激励①边界条件：理想导体边界、辐射边界。
②端口激励：集总端口激励。
＊求解设置：①求解频率：1.15GHz。
②扫频设置:快速扫描，频率范围：1~1.3GHz。
＊Optimetrics①参数扫描分析。
②优化设计。
＊数据后处理：S参数扫频曲线、VSWR、天线方向图、天线参数。
（3）仿真结果由图得天线的谐振频率为1.11GHz，不是1.15GHz。
需要进行优化设计。
①先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度L0的变化关系，扫描分析范围为：49mm~54mm,扫描步进为0.2mm仿真结果：发现当L0=50mm时，谐振频率为1.15GHz。
b、分析1.15GHz谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：0mm~19mm,扫描步进为1mm仿真结果：发现L1=10mm时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。
②优化设计优化结果得到：当L0=49.8mm时，L1=10mm时，符合要求。
③查看优化后的天线性能a、VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为1.3832<2,符合要求。
b、xz和yz截面上的增益方向图从图得出：最大辐射方向为οο00==θϕ、，即辐射切片的正上方，最大增益约为5.7dB 。
c 、三维增益方向图拓展要求：圆极化微带天线设计一、微带天线实现圆极化的方法采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片微带天线。
圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圆极化波的辐射。
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，另一种是正交双馈。
当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发TM 01和TM 10两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。
在设计中，让辐射切片的长度L 和宽带W 相等，这样激发的TM 01和TM 10两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式电场的相位差为0，若辐射切片的长度为Lc ，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为Lc+a ，另一边长度为Lc-a ，前者对应一个容抗Y1=G-jB,后者对应一个感抗Y1=G+jB ，只要调整a 的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G ，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和45度，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线。
其极化旋向取决于馈电点的接入位置。
当馈电点在如下图中的所示的A 点时，产生右旋圆极化波，在B 点位置时，产生左旋圆极化波。
Kalio 和Coffey 研究证明，理论上当L/W=1.029，即a=0.0143Lc ，TM 01和TM 10两个模式的相位差为90度。
另外，由实际经验可得到，此结果的50欧姆馈电点位于辐射切片对角线上，且馈电点和辐射切片顶点的距离d p 在（0.35~0.39）d 之间。
假设馈电点到辐射切片的中心距离为L1，则L1在（0.11~0.15）Lc 之间。
二、设计要求工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。
微波基板介电常数为r ε= 6，厚度H ≤5mm ，左旋圆极化。
总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等，并给出轴比计算结果。
三、设计步骤（1）计算天线辐射切片的初始尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,s m /103c8⨯=辐射切片的宽度21)21(2-+=r f c w ε=69.72mm有效介电常数21)121(2121r e-+-++=wh r εεε=5.33 辐射缝隙的长度)8.0/)(258.0()264.0/)(3.0(h412.0+-++=∆h w e h w e L εε=2.20辐射切片的长度L ef c L ∆-=22ε=52.10mm则：辐射切片初始尺寸为：L=W=Lc=52.10mm ，并设置微调长度值a=0.0143Lc ，以产生圆极化波。
（2）估算输入阻抗为50Ω的同轴线馈电位置取0.15倍的Lc,计算得出馈电点在x 、y 方向离辐射切片的中心距离都为7.82mm 。
四、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：变量H 表示基板的厚度，变量L0和W0分别表示辐射切片的长度和宽度，变量L1和L2分别表示同轴线馈电点在x 、y 方向离辐射切片中心的距离。
变量Lc 表示谐振频率为1.15GHz 时所对应的辐射切片长度值，其初始值为52.10mm ，Delta 表示辐射切片的微调长度值，其初始值为0.0143*Lc 。
要想实现圆极化，L0=Lc+Delta,W0=Lc-Delta ，馈电位置L1=L2，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz 时自由空间中1/4个波长约为65.22mm ，用变量length 表示。
圆极化微带天线的HFSS 设计模型如下：立体图俯视图设计左旋圆极化微带天线，设置同轴线内芯模型Feed的底面圆心坐标和端口面模型Port的圆心坐标为（-L1，-L2，0)。
（2）仿真结果S11扫频分析结果由图得天线的谐振频率为1.11GHz，不是1.15GHz。
需要进行优化设计。
先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度Lc的变化关系，扫描分析范围为：48mm~51mm,扫描步进为0.2mm仿真结果：由图得到，当Lc=50.4mm时，中心频率在1.15GHz，回波损耗最小。
查看当Lc=50.4时，天线的输入阻抗从图得到：工作频率为1.15GHz，输入阻抗为（75.59，j3.58），需要输入阻抗为50Ω，添加L1为参数扫描变量b、分析1.15GHz谐振频点处输入阻抗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：5~7mm,扫描步进为0.2mm仿真结果：：发现L1=6mm~6.2mm时，输入阻抗接近50Ω。
②优化设计优化结果得到：当L0=50.38mm时，L1=6.12mm时，符合要求。
③查看优化后的天线性能a、S11分析结果天线的中心频率上S11值为-16.45dB，S11<-10dB的带宽为（1.1735-1.1279）/1.15=3.9%.b、VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为1.3542<2,符合要求。
c、轴比扫频结果在最大辐射方向天线中心频率1.15GHz处的轴比为0.727。
d、xz和yz面上的左旋圆极化波（LHCP）增益和天线总增益方向图从图得出：θ在-1200~1200范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等，这也表明了天线辐射的是左旋圆极化波。
d、左旋圆极化三维增益方向图五、实验总结在本次实验中，更加掌握和理解了微带天线的相关基本理论，学习到了微带天线圆极化工作实现原理，同时学习了如何用HFSS设计和分析线极化和圆极化微带天线，感受到了HFSS强大的电磁仿真功能，在以后的日子要认真学习使用HFSS，达到熟练运用HFSS设计分析天线。
六、参考资料李明洋，刘敏，HFSS天线设计.第二版.北京：电子工业出版社。