基于HFSS矩形微带阵列天线的设计与实现 通信工程专业

题目基于HFSS矩形微带阵列天线的设计与实现

目录

目录 (1)

1前言 (3)

1.1研究背景 (3)

1.2微带天线的研究现状 (3)

1.3 HFSS软件的仿真流程 (3)

1.4本文主要内容 (3)

2 微带天线与阵列理论 (4)

2.1微带天线 (4)

2.1.1微带天线辐射机理 (4)

2.1.2微带天线的馈电方式 (6)

2.1.3微带天线的特性参数 (6)

2.2微带天线的阵列排布 (7)

2.2.1 微带天线的圆形阵列阵因子 (7)

3微带天线的设计 (8)

3.1微带天线单元设计 (8)

4 同轴馈电矩形天线阵列 (10)

4.1基于同轴馈电矩形天线的轨道角动量研究 (11)

4.1.1在6个单元天线组成的天线阵列下不同模态数的性能分析 (11)

4.1.2在18个单元天线组成的天线阵列下不同模态数的性能分析 (12)

4.1.3在36个单元天线组成的天线阵列下不同模态数的性能分析 (14)

5 数据分析和结论............................................ 错误!未定义书签。致谢.. (18)

基于HFSS圆形微带阵列天线的设计与实现

摘要

在这个信息大爆炸的时代，各行各业都在飞速发展，当然通信技术也不例外，一代又一代的移动无线通信技术早就已经渗透到人们的生活当中。在上个世纪的中后期一种新型天线——微带天线，逐渐被人们所重视。因为其尺寸小，多频带，成本低，结构稳定和工艺相对简单等优点，所以该类天线的适用方向非常之多。本文将对无线微带天线进行研究，以前人总结的微带天线理论知识为基础，先设计出一种同轴馈电矩形微带天线，然后以该天线为单元天线设计出三种不同的圆形天线阵列。根据HFSS仿真出来的结果进行分析讨论，并且研究了不同模态数和不同数量的单元天线对辐射量的影响。

关键词：微带天线；圆形阵列；辐射量；电场

Design and implementation of circular microstrip array antenna based

on HFSS

Abstract

In this era of information explosion, all walks of life are developing rapidly. Of course, communication technology is no exception. Generations of mobile wireless communication technologies have long penetrated into people's lives. In the middle and late stages of the last century, a new type of antenna-the microstrip antenna, gradually attracted attention. Because of its small size, multiple frequency bands, low cost, stable structure and relatively simple process, this type of antenna can be used in many directions. This article will study wireless microstrip antennas. Based on the theoretical knowledge of microstrip antennas summarized by previous people, we first design a coaxial-fed rectangular microstrip antenna, and then use this antenna as a unit antenna to design three different circles. Shaped antenna array. According to the results of the HFSS simulation, it is analyzed and discussed, and the influence of different modal numbers and different numbers of element antennas on the radiation is studied.

Key words：Microstrip antenna; circular ring array; radiation amount; electric field

1前言

1.1研究背景

天线是无线通信技术中非常重要的一环，可以说没有天线也就没有了无线天线。为了满足现代通信技术对于设备的要求，人们对于天线的研发方向有了几个明确的方面。随着微电子技术不断的突破和创新，这也使得电路系统的集成度越来越高，通信设备的尺寸也相应的越来越小。因此传统天线规格和功能上在一定程度上无法满足设备发展需求。所以在保证天线的增益和效率无太大影响下，同时又要将天线的尺寸缩小以适应通信设备的要求。除了缩小尺寸，宽带和多波段天线也能使天线性能显著提升。伴随着设备元件集成度的变高，我们已经需要一个天线能在一段频率内满足多个天线服务。

1.2微带天线的研究现状

现代战争不仅是军火的战争，还是电子与信息的战争，21世纪是信息时代，许多国家在地表、舰船和卫星上都建立了非常精密的侦察系统，而且其测量的频段范围甚至可以达到高频40GHz，而高频的左端点是0.5GHz，而且大部分的天线网络已经被全覆盖。事实上，怎样才能够缩减雷达监测的半径，使得它能够更高效地工作是我们需要探究的问题，因为如果天线的测量半径过大，那么就更容易受到外界的干扰，也更加容易被敌方的雷达监测到。所以课题研究的低雷达截面积在机载天线系统的应用具有十分重要的现实价值的。其实，微带天线具备非常良好的特性，比如说体积轻小，质量也比较轻，其开发成本比较划算，所以能够大规模的制备，飞行过程中甚至可以与其他的设备共形，可以说是一件非常优良的制品。现在微带天线不仅在军事国防，还在日常生活中受到人们的青睐。不仅可以作为航空飞机的低RCS天线，其使用天线相关领域都具有非常广阔的使用空间。

1.3 HFSS软件的仿真流程

High Frequency Structure Simulator,简称HFSS，中文可以译为高频结构仿真。它最初是由美国的Ansoft公司发行的，作为可以三维建模的电磁仿真工具, 其数学原理是基于有限元的规算方法。这个软件还是非常可靠的，无论是仿真的精度还是应用的拓展，都是饱受业界推崇的一款仿真工具。由于软件的可靠性和适用性，在本设计中，本人也采用HFSS进行一系列的仿真操作。

1.在应用HFSS软件之前须要学习基本的操作知识，依据说明书或者相关教材学会使用。在开启之后选择新建一个软件工程，这是仿真的前提。

2.确定好需要仿真的模型，在此之前需要从四种求解方式中按实际需求选择一种。

3.开始创建模型，构建的模型尽量从简，以便后期修改。并且模型的尺寸型号需要参考教材和公式，提前算出大致数据。

4.设置求解的方式和流程（由软件使用者自己设置合适的方法），以便于模型的建立和数据的计算。

5.在所有的模型完成之后，可以设置需要软件分析的数据和图像。待一切准备就绪后，便可开始仿真，仿真期间无需操作，等待仿真结束就可以直接查看结果。

6.处理和分析模型数据。比如S11的扫频分析结果、S11随馈电点位置的变化的smith图、smith圆图、增益方向图等，然后还需要考察辐射特性。场分布、电流分布、辐射方向图等

7.假如期间分析出的图像偏差较大，那么就需要进行参数优化分析。

1.4本文主要内容

本文对同轴馈电矩形微带矩形贴片天线进行了理论分析和仿真验证，并且研究圆环阵列天线的阵因子计算方法和其总场综合方法，模拟出不同模态数下天线阵列工作时产生的涡旋，数值计算和图片动画由软件HFSS执行。

第 1 章是绪论部分，论述了本课题的背景和意义，阐述了微带天线相关理论基础：微带天线的内