宽带圆极化微带天线设计

宽带圆极化微带天线设计

关键词：微带天线，X波段，设计，分析，HFSS，仿真

目录

1 绪论 (1)

1.1 本课题研究背景 (1)

1.2 微带天线的发展 (1)

1.3 微带天线的优缺点 (2)

1.4 本课题研究内容 (3)

2 微带天线基本概念及原理 (5)

2.1 天线的基本概念 (5)

2.2 天线的辐射原理 (6)

2.3 天线的基本参数 (6)

2.3.1 天线的极化 (7)

2.3.2 天线方向图的概念 (7)

2.3.3 天线输入阻抗的计算方式 (8)

2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带 (8)

2.3.5 天线的驻波比 (9)

2.4 微带天线的简介 (10)

2.4.1 微带天线的结构与分类 (10)

2.4.2 微带天线的辐射机理 (10)

2.4.3 微带天线的形状 (11)

2.5 微带天线的分析方法 (11)

2.5.1 传输线模型法 (11)

2.5.2 空腔模型法 (13)

2.5.3 积分方程法 (13)

2.6 微带天线的馈电方法 (14)

2.7 微带天线圆极化技术 (15)

2.7.1 圆极化天线的原理 (15)

2.7.2 圆极化实现技术 (16)

3 宽带异形贴片微带天线设计 (21)

3.1 微带天线的仿真 (21)

3.2 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍 (21)

3.3 HFSS对具体实例的仿真 (21)

3.3.1 选取微带天线模型 (21)

3.3.2 微带天线的仿真优化 (23)

4 双点馈电圆形圆极化微带天线设计 (35)

4.1 HFSS对圆极化微带天线的仿真 (35)

4.1.1 选取圆极化微带天线模型 (35)

4.1.2 圆形圆极化微带天线的仿真优化 (35)

5 总结结论及展望 (41)

参考文献 (42)

1 绪论

1.1 本课题研究背景

天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信和雷达系统中有着不可替代的作用。自19 世纪初首次在跨越大西洋的无线通信使用天线以来，无数科学家投身到了天线的研究当中。早在1953年，G.A.Deschamps教授就已经提出了利用微带线来实现微带天线的观点。但是在其后的二十年里，微带天线技术并未得到很大的发展。直到20世纪70年代，微波集成技术和空间技术的发展以及空间卫星技术对低剖面天线的需求的加大，极大地推动了微带天线的研究和发展，R.E.Munson和J.Q.Howell等人研制成功了首批实用的微带天线。之后，微带天线的研究也取得了突破性的进展。最初的微带天线只作为全向共形天线而应用于导弹和火箭领域；现在，微带天线已得到了空前的发展、被广泛的应用于各种无线通信系统中，覆盖了100MHz---100GHz的宽广频域。

随着无线通信和电磁学的发展以及对无线产品需求的增加，圆极化微带天线也已经被广泛的应用。相对于其它种类的天线，圆极化天线具有突出的优点：

（1）圆极化天线只能接收旋向相同的圆极化波。例如左旋圆极化天线只能够接收左旋圆极化波。

（2）某一旋向的圆极化波射入对称目标后的反射波旋向逆转。即左旋极化波变为右旋极化波，右旋极化波变为左旋极化波。

（3）线极化接收与发射天线对准之后旋转任意角度放置，接收信号十分微弱，而圆极化接收与发射天线旋转之后对接收信号强度的影响不大。

（4）圆极化天线可接收线极化以及旋向相同的圆极化和椭圆极化的来波，其辐射波也可采用线极化天线以及旋向相同的圆极化天线来接收。

宽频带通信具有保密性好、通信容量大、抗干扰能力强等优点，无线通信的发展和业务的增多对通信设备的日益宽带化提出了更高的要求。圆极化微带天线具备圆极化天线和微带天线的优点，在实现圆极化的同时还能够减轻天线的重量和体积，实现天线的低剖面性能，在天线的开发应用中备受关注。但是一般的单馈点微带贴片天线的圆极化频带宽度较窄，3dB轴比带宽通常不超过 1.5%，使其在实际中的应用受到了一定程度上的限制。因此，设计具有宽频带性能的圆极化微带天线显得至关重要。本课题对宽频带圆极化微带天线展开了研究。

1.2 微带天线的发展

自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺之势。天线无处不在：家庭或工作场所，汽车或飞机里，船舶、卫星和航天器的有限空间内，甚至可以由步行者随身携带。

天线是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要素。

德国卡尔斯洛工学院的赫兹教授在1886年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线，并采用了谐振方环作为接收天线。此外，赫兹还用抛物面反射镜天线做过实验。

虽然赫兹是一位先驱者和无线电之父，但他的发明只停留在实验室的阶段。1901年12月中旬，意大利波隆那一位20岁的研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的波长配备了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接受的发自英格兰波尔多的无线电信号。一年后，马可尼又不顾侵犯电缆公司横跨大西洋通信垄断权的诉讼，开始了正规的无线电通信服务。

在20世纪初叶，能出现像马可尼的无线电那样举世瞩目的发明，实属罕见。随后，由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，马可尼的发明戏剧性地表现出在海事上的价值，为马可尼赢得了普遍的敬佩和赞赏，他被奉若神明。因为在无线电问世之前，船舶造海上是完全孤立的，当灾难来临时，即使是岸上或临近船舶上的人也无法给予提醒。

随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到了更为充分地利用。如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于近地轨道、中高度地球轨道和对地静止轨道。静地卫星如同土星的光环围绕土星那样围绕地球。手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度的信息，其精确度达到厘米级。

载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下，已经访问了太阳系的行星背后。探测器用厘米波发回的照片和数据，其信号单程就经历了五个多小时。现有的射电望远镜天线工作于毫米到千米的波长，接收来自百亿光年之遥天体的信号。

天线为飞机和船舶提供必不可少的通信联络。移动电话和所有类型的无线器材都借助天线为人们提供对任何地点于任何人的通信。随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度。天线将能提供对任何事物的极其重要的联系。天线将成为未来的明星。

微带天线的概念早在1953年就已经提出了，但并未引起工程界的重视。在五十年代和六十年代只有一些零星的研究。真正的发展和实用是在七十年代。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展又迫切需要低剖面的天线元。1970年出现了第一批实用的微带天线。1979年在美国新墨西哥大学举行了微带天线专题国际会议，1981年IEEE天线于传播会刊在一月号上刊登了微带天线专集。这以后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。这表明微带天线终于成为天线研究中的一个重要课题，受到各方面的关注。由于独特的结构和多样化的性能，它必将在广阔的波段内的各种无线电设备上得到越来越多的应用。

1.3 微带天线的优缺点

1.与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：

（1）剖面薄，体积小，重量轻，能与载体共形，并且除了在馈电点外要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。

（2）电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化；特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。

（3）能与有源器件和电路集成为单一的模件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。

（4）不需要背腔，微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、相移器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。