微带天线设计
实验8-微带缝隙天线设计
实验八：9.2微带缝隙天线设计
（自我认为仿真的最好的一个）
一、设计要求
设计一个微带缝隙天线，工作频率为3.75 GHz，采用内部端口馈电，开放边界条件(即基板处于空气中)。
基板的介电常数为2.33，厚度为30 mil，金属导带厚度为0.7 mil.
要求:建立天线的电磁结构模型，设计匹配网络使天线取得最大辐射功率。
对天线进行电磁仿真分析，观察电流及电场的分布情况。
记录微带天线的模型图、匹配电路图，以及名项电磁分析结果。
二、实验仪器
硬件：PC
软件：AWR软件
三、设计步骤
1、绘制缝隙天线
2、添加匹配结构
3、查看网格剖分
4、查看电流、电场分布
四、数据记录及分析
设置mil单位需要把Metric units去掉勾选！
1、绘制缝隙天线
测量天线反射特性：
在圆图中，S11参数距圆图中心很远，在矩形图中S11参数不到-10db，说明反射特性很差，还需要对天线进行匹配，使其能有最大辐射功率。
2、添加匹配结构
然后进行匹配调节：
这部分我觉得是这个实验我做的最后的一个部分！
进行匹配后，圆图S11在3.75Ghz时，非常接近圆心，x=-1.354×10^-5；在矩形图频率为3.75Ghz时，S11参数为-88.44dB。
3、查看网格剖分
4、查看电流、电场分布电流分布：
电场分布：。
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
一、前言
微带天线，即微带感应力天线，是一种先进的电磁发射天线，它采用微细空心管及其他微带元件，广泛应用于宽带、多址无线通信、脉冲定位系统、脉冲探测系统等许多应用中。
以HFSS为工具，设计微带感应力天线，能够更加直观地分析微带天线的性能，从而帮助我们了解微带天线的传输特性，并根据实际应用需求实现天线高效性能设计。
二、微波仿真HFSS的设计步骤：
1、首先，选择好所采用的HFSS软件，确定需要分析的微带感应力天线的构型，并建立计算模型。
2、根据相关理论，计算出微带天线的基本参数，如振子长度、空心管半径和微带宽度等，以及天线的振荡频率、相位阶跃和频带宽等。
3、设置相应的仿真网格，根据天线实际的构形，划分仿真区域，确定网格大小和步长，以达到较高的空间分辨率，从而获得更准确的仿真结果。
4、设置仿真参考电路，根据计算出的微带天线振子长度、空心管半径和微带宽度等，及其传输特性，利用HFSS软件设置好参考模型，以及仿真频率。
5、开启仿真计算，间接计算和直接计算，从而获得微带感应力天线的S参数，用于评估微带天线的性能。
微带天线设计
第一章微带天线简介1.1微带天线的发展历史与趋势微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。
虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。
从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来[3]。
为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。
随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。
然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。
电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。
微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。
1.2 微带天线研究的背景微带天线是带有导体接地板的截止基片上贴加导体薄片而形成的天线。
微带天线通过微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽比较窄，一般设计的带宽只有2%到5%。
随着天线的工作频率的降低，带宽也逐渐变窄。
在这样的背景下，研究影响微带天线带宽的因素，进而找到展宽微带天线的带宽的方法，对于微带天线能否在工业、民用、国防等领域得到广泛的应用，具有重要的意义。
1.3 多频带微带天线研究的意义当今，无线通讯行业发展迅猛，掌上电脑、笔记本电脑和手机都已经成了人们生活的必需品[4]。
对于频谱资源日益紧张的现在通讯领域，迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通讯容量增加1倍。
对于有些系统，则要求系统工作于双频，且各个频段的极化又不同。
一种圆形开槽微带天线的设计
一种圆形开槽微带天线的设计介绍：微带天线是一种常见的天线形式，广泛应用于无线通信系统中。
圆形开槽微带天线是一种具有较大带宽和较高辐射效率的设计。
它由圆形金属基底和中心开槽组成，通过调整开槽的参数，可以实现不同频率上的工作。
设计步骤：1.选择合适的基底材料：常见的基底材料有FR-4玻璃纤维胶片和PTFE，选择材料时要考虑其介电常数和损耗因子。
2.计算基底尺寸：根据工作频率和介电常数，计算得到合适的基底尺寸。
对于圆形开槽微带天线，基底的直径应大于波长的四分之一3.设计圆形开槽：圆形开槽是通过在基底中心开一个圆形孔的方式实现的。
孔的直径和位置会影响天线的工作频率和辐射特性。
可以使用天线模拟软件进行仿真和优化。
4.添加微带线：在孔的边缘连接到微带线，微带线的宽度和长度也是可以调整的参数之一、微带线的长度可以根据公式l=λ/4来计算，其中l为微带线长度，λ为工作频率的波长。
5.优化设计：通过仿真和测试，对设计进行优化。
可以调整基底尺寸、开槽参数和微带线参数等，以实现更好的性能。
6.制作天线：使用PCB制作技术将设计好的天线印刷在基底上。
可以选择双面PCB板，将微带线印刷在一侧，然后通过焊接连接到另一侧，形成闭路。
7.测试性能：通过测试，检验天线的工作频率、辐射特性和带宽等性能指标。
8.优化设计：根据测试结果，对设计进行再次优化，进一步改善性能。
总结：圆形开槽微带天线是一种常见的天线设计，可以实现较大的带宽和较高的辐射效率。
在设计过程中，需要选择合适的基底材料和尺寸，并进行开槽和微带线的优化。
通过仿真、制作和测试，可以获得理想的性能。
这种设计可以广泛应用于无线通信系统中。
设计1：侧馈矩形微带天线
背馈时
WG W 0.2g LG L 0.2g
侧馈时，基片宽度同上，长度要考虑馈线和匹配电路的配置而定
二、HFSS仿真设计：1、新建设计工程
二、HFSS仿真设计：2、定义设计变量
结构名称 辐射贴片 1/4波长阻抗 变换器 50Ω微带线 结构参数名称
长度 宽度 长度 宽度 长度 宽度 厚度
其中
Yin
2G G B 1, 1 2 Y Y T0 T0 cos ( z )
1 YT 0 ZT 0
Z为馈电点到天线边缘拐点处的距离，β是介质 中的相位常数
一、设计步骤：2、阻抗匹配
cos 2 ( z ) Z L Zin 2G
3.73
等效缝隙宽度
L 0.412h
c 2 f0 e
e 0.258 W / h 0.8
2L 30.21mm
e 0.3 W / h 0.264
0.75mm
辐射贴片长度
L
一、设计步骤：2、阻抗匹配
侧馈矩形微带天线输入阻抗计算公式 辐射电导
一、设计步骤：1、计算天线尺寸
由设计要求可知：f0=2.45GHz，εr=4.4，h=1.6mm 辐射贴片宽度
c 2 W 2 f0 r 1
1/2
37.26mm
1/2
有效介电常数
e
r 1 r 1
12h 1 2 2 W
1 G 120 2
0
k0W sin ( cos )tg 2 sin d 2
2
等效电纳
输入导纳
B
k0 L e ZT 0
ZT0是把天线视作传输线时的特性阻抗
微带天线设计
班级：通信13-3班*名：***学号：********** 指导教师：**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 (3)1.1微带天线简介 (3)1.2设计要求 (3)1.3设计指标和天线几何结构参数计算 (4)2 HFSS 设计和建模概述 (5)2.1创建微带天线模型 (5)2.1.1新建HFSS 工程 (5)2.1.2建立模型 (6)2.2相关条件设置 (14)2.2.1设置激励端口 (14)2.2.2添加和使用变量 (15)2.2.3求解设置 (17)3设计检查和运行仿真分析 (19)3.1查看天线谐振点 (19)3.1变量Length、Width扫描分析 (21)3.2查看S11参数以及Smith圆图结果 (21)3.3查看驻波比 (22)3.4查看天线的三维增益方向图 (22)3.5查看平面方向图 (23)4总结体会 (23)1微带天线设计1.1微带天线简介微带天线是近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。
图1.1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、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元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数εr 和损耗正切tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG。
图10.1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。
微带天线设计实验报告hsff
微带天线设计实验报告hsff1. 引言微带天线是指一种在非导体衬底上，厚度远小于工作波长的金属片片状天线。
由于其结构简单、易于实现和与尺寸成正比的频率调谐特性，微带天线在无线通信系统、雷达系统、卫星通信系统等领域都有广泛应用。
本实验旨在设计一种基于微带天线的无线通信系统。
2. 设计原理微带天线的设计基于微带线的传输线理论和天线理论，通过调整微带天线的几何结构，可以实现对特定频率信号的发送和接收。
在本实验中，我们需要设计一种工作频率为2.4 GHz的微带天线。
微带天线主要由导体衬底、金属贴片和喇叭线组成。
导体衬底可以是介电材料，如玻璃纤维板、陶瓷板等，也可以是金属材料。
金属贴片是微带天线的辐射元件，其几何形状和尺寸决定了天线的频率特性。
喇叭线用于连接导体衬底和金属贴片，起到提供电信号的功能。
3. 设计步骤根据微带天线的设计原理和工作频率要求，我们可以按照以下步骤来设计微带天线：步骤一：确定导体衬底材料和尺寸根据设计要求选择合适的导体衬底材料，一般可选用介电常数在2到12之间的材料。
确定导体衬底的尺寸，以便适应工作频率。
步骤二：计算金属贴片的尺寸根据所选导体衬底的材料和尺寸，计算金属贴片的尺寸。
一般来说，金属贴片的长度和宽度与工作波长有关，且与导体衬底的介电常数相关。
步骤三：确定喇叭线的结构根据所选导体衬底的材料和尺寸，设计合适的喇叭线结构。
喇叭线的长度、宽度和厚度都会影响微带天线的频率调谐特性。
步骤四：制作微带天线样品根据设计得到的尺寸参数，使用相应的工艺方法制作微带天线样品。
常用的制作方法包括化学腐蚀、电镀等。
步骤五：测试天线性能通过天线测试仪器对微带天线进行性能测试，包括频率响应、增益、辐射图形等参数的测量。
4. 实验结果与分析经过设计和制作，在实验中成功制作了一种工作频率为2.4 GHz的微带天线样品。
经测试，该微带天线样品的频率响应符合设计要求，在工作频率范围内具有良好的增益和辐射特性。
为了进一步优化微带天线的性能，我们对设计参数进行了微调，得到了更好的工作频率和辐射特性。
实验五-微带天线设计
(-33.4,39.5)
(-52.9,19.895) (-52.9,20.845)
w1=0.29mm w2=2.19mm
(-33.4,19.895) (-33.4,19.605)
(-52.9,18.655)
l1=19.5mm (-52.9,19.605) (-33.4,05) L=33.4mm
(0,39.5) W=39.5mm (0,0)
W / h 0.264 W / h 0.8
2W 2
Y in
2G
90 2W
2 0
2
120
2 0
W≤λ0 W>λ0
f0 2
c
e (L2L)
W
c 2 f0
r211/2
01.08.2020
MW & Opti. Commu. Lab, XJTU
14
矩形天线实例:
w2
w1
W
l1 L
01.08.2020
• 在数据显示窗口，执行菜单命令【Tool]->【Data File Tool】，弹出 “dttool/main Window”，利用此工具导出Momentum仿真后的S1P文件。
实验五 微带天线设计、仿 真、制作与测试
一、天线的基本知识
1.1 天线的概念
天线：向空间发射或从空间接收电磁波的装置
天线功能: （1）能量转换功能:进行导 行波(或高频电流)和自由空 间波之间的能量转换; （2）定向作用:向空间发射 或从空间接收电磁波具有一 定的方向性。对于发射天线， 是指将电磁波能量向一定方 向集中辐射; 对于接收天线， 是只接收特定方向来的电磁 波.
w1=0.40mm w2=2.31mm
(-33.4,19.95) (-33.4,19.55)
微带天线设计
同轴线馈电
10
各种同轴激励示于图3-。 在所有的情况中，同 轴插座安装在印制电 路板的背面，而同轴 线内导体接在天线导 体上。对指定的模， 同轴插座的位置可由 经验去找，以便产生 最好的匹配。使用N型 同轴插座的典型微带 天线示于图3-中。
图3-8 同轴馈电的微带天线
同轴馈电模拟
根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面 流向顶面的电流圆柱带来模拟。这个电流在地 板上被环状磁流带圈起来，同轴线在地板上的 开口则用电壁闭合。如果忽略磁流的贡献，并 假定电流在圆柱上是均匀的，则可进一步简化。 简化到最理想的情况是，取出电流圆柱，用一 电流带代替，类似微带馈电的情况。该带可认 为是圆柱的中心轴，沿宽度方向铺开并具有等 效宽度的均匀电流带，对于给定的馈电点和场 模式，等效宽度可以根据计算与测量所得的阻 抗轨迹一致性经验地确定。一旦这个参数确定 了，它就可以用在除馈电点在贴片边缘上以外 的任何馈电位置和任何频率。当馈电点在贴片 边缘上时，可以认为，在贴片边缘上的边缘场 使等效馈电宽度不同于它在天线内部时的值。 在矩形天线中，等效宽度为同轴馈线内径的五 倍时，可给出良好的结果。
微带天线结构
微带贴片天线
4
微微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝 隙天线。 微带贴片天线（MPA）是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的 导电贴片和基片另一面上的地板所构成。实际上，能计算其辐射特性的贴片 图形是有限的。
正方形
圆形
矩形
椭圆形
五角形 圆环形 直角等腰 三角形
16
Z cos L1 jZ w sin L1 Z 0 cos L2 jZ w sin L2 Y1 Y0 0 （3-7） Z w cos L1 jZ 0 sin L1 Z w cos L2 jZ 0 sin L2
微带天线的设计
微带天线设计天线大体可分为线天线和口径天线两类。
移动通信用的VHF 、UHF 天线，大多是以对称振子为基础而发展的各种型式的线天线，卫星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径天线）。
天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。
天线的大小一般以天线发射或接收电磁波的波长l 来计量。
因为工作于波长l = 2m 的长为1m 的偶极子天线的辐射特性与工作于波长l = 2cm 的长为1cm 的偶极子天线是相同的。
与天线方向性有关参数：方向性函数或方向图 离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数； 把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。
最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。
主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。
为了方便对各种天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数，这些参数有：1．天线增益G （或方向性GD ）、波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。
2．天线效率3．极化特性4．频带宽度5．输入阻抗天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。
它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。
天线方向性GD与天线增益G类似但与天线增益定义略有不同。
因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。
理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角ΩB内辐射出去，且在ΩB立体角内均匀分布。
这种情况下天线增益与天线方向性相等。
理想的天线辐射波束立体角ΩB及波束宽度θB实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。
在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。
辐射强度减小到3db时的立体角即定义为ΩB。
波束宽度θB与立体角ΩB关系为旁瓣电平旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。
第一旁瓣电平，一般以分贝表示。
方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。
Ka波段微带天线设计
1、选择合适的介质基板：考虑到 Ka波段的频率较高，我们选择相对介电常 数较高（约为2.2）的介质基板。同时，考虑到易于制造和使用，我们选择了常 见的厚度为0.5mm的基板。
2、设计辐射元的形状和尺寸：使用计算机辅助设计软件进行优化设计，我 们选择了一个矩形金属片作为辐射元。通过调整其长宽比和边缘轮廓，我们可以 实现良好的频率响应和辐射性能。
一、微带天线的基本原理
微带天线是一种利用微带线或带状线作为辐射元件的天线。它主要由一个辐 射元和一个馈线两部分组成。辐射元通常由一层薄的金属导体片嵌入到介质基板 中形成。当电流在馈线和辐射元间流过时，会在导体片上产生辐射，从而形成电 磁波。
二、Ka波段微带天线的特点
Ka波段通常指18-40GHz的无线频段，具有较高的频段和较窄的带宽。因此， Ka波段微带天线的设计需要特别注意以下几个方面的因素：
3、设计馈线：为了与 Ka波段的前端设备连接，我们选择了一条特性阻抗为 50欧姆的微带线作为馈线。在设计中，我们确保了馈线与辐射元之间的阻抗匹配， 以减少信号反射和损失。
4、设计高效率馈电网络：为了实现宽角度的扫描或接收，我们设计了一个 威尔金森功分器作为馈电网络。该馈电网络可以将信号分成两个相同的部分，分 别激励辐射元的两个不同部分，从而实现宽角度的辐射。
三、Ka波段微带天线的关键设计 技术
1、选择合适的介质基板：介质基板的性质对微带天线的性能有着重要影响。 在选择介质基板时，需要考虑其介电常数、损耗角正切、厚度等因素。
2、设计精确的辐射元：辐射元的形状和尺寸对天线的频率响应和辐射性能 有着决定性的影响。通常采用计算机辅助设计软件进行优化设计。
一、背景
随着航天技术的飞速发展，低轨道卫星通信系统在许多领域的应用越来越广 泛。这种系统可以提供高速、高效的无线通信服务，用于军事、民用和商业领域。 为了实现这种通信系统的稳定运行和提供更高的数据传输速率，需要研究和发展 更先进的卫星天线技术。
双频圆极化微带天线的设计
双频圆极化微带天线的设计本文将探讨双频圆极化微带天线的关键设计因素，包括工作原理、尺寸和性能优化等方面。
我们将确定文章的类型为技术论文，主要面向无线通信领域的工程师和技术人员。
关键词：双频，圆极化，微带天线，设计，工作原理，尺寸，性能优化在无线通信系统中，天线是至关重要的组件之一。
随着通信技术的发展，多频段和圆极化技术已成为现代天线设计的趋势。
其中，双频圆极化微带天线由于其体积小、易共形、低成本等特点而备受。
双频圆极化微带天线的工作原理主要基于微带天线的基本原理。
微带天线由介质基板、辐射贴片和接地板组成。
当电流流过辐射贴片时，就会在贴片周围产生电磁场，从而向外辐射电磁波。
对于双频圆极化微带天线，通常采用多个辐射贴片、缝隙或者耦合器等结构来实现双频段工作。
在尺寸方面，双频圆极化微带天线的设计主要取决于所需的工作频率和天线的性能要求。
一般来说，天线的尺寸会随着工作频率的降低而增大。
因此，在满足性能指标的前提下，应尽量减小天线的尺寸以适应各种应用场景。
在性能优化方面，主要考虑因素包括增益、带宽、轴比、交叉极化等。
通过优化辐射贴片、接地板和介质基板的设计，可以有效地提高天线的性能。
例如，通过采用高介电常数的介质基板可以有效减小天线的尺寸；通过优化辐射贴片的形状和大小可以改善天线的带宽和轴比性能。
双频圆极化微带天线的设计需要综合考虑工作原理、尺寸和性能优化等多个方面。
随着5G、物联网和卫星通信等技术的快速发展，双频圆极化微带天线的应用前景将更加广阔。
未来，可以进一步研究多频段、高性能和更小尺寸的双频圆极化微带天线设计方法，以满足不断发展的通信需求。
可以利用新兴的材料和工艺技术提升天线的性能和集成度，拓展其应用领域。
另外，针对双频圆极化微带天线的测试技术也需要不断完善，以确保天线的性能和质量。
双频圆极化微带天线作为一种先进的通信技术，具有广泛的应用前景。
未来，我们需要在设计方法、材料选择、制造工艺和应用场景等方面进行深入研究，以满足不断增长的通信需求，推动无线通信技术的发展。
微带天线仿真设计汇总
微带天线仿真设计汇总理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计设计题目：微带天线仿真设计（5）专业班级学号姓名指导老师专业班级学号成绩设计题目：微带天线仿真设计（5）一、设计目的：通过仿真了解微带天线设计二、设计原理： 1、微带天线的结构微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。
微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。
一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。
……………………………………装………………………………………订…………………………………………线……………微带天线的馈电（a）侧馈（b）底馈2、微带天线的辐射原理用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。
矩形贴片天线如图：设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。
现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度hInsert HFSS Dessign，建立一个新的工程。
2、设置求解类型（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中（a）选择Driven Modal。
（b）点击OK按钮。
3. 设置模型单位将创建模型中的单位设置为毫米。
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
（2）设置模型单位：（a）在设置单位窗口中选择：mm。
（b）点击OK按钮。
4、创建微带天线模型（1）创建地板GroundPlane。
在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。
在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。
在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0按回车键。
天线原理与设计-第九章微带天线
机遇在于随着新材料、新工艺的不断 涌现，为微带天线的发展提供了更多 可能性。
感谢观看
THANKS
04
微带天线优缺点
优点
低剖面
微带天线的高度通常在毫米级，非常适合于 空间受限的应用场景。
多频段工作
通过改变贴片的形状和尺寸，微带天线可以 在多个频段上工作。
易于集成
微带天线可以方便地与微波集成电路集成在 一起，形成统一的微波系统。
易于实现圆极化
微带天线可以方便地实现圆极化，从而扩大 其应用范围。
先进的工艺技术
采用先进的工艺技术，如光刻、刻蚀等，以实现精确的贴片形状和 尺寸。
设计实例
矩形微带天线
设计一个矩形微带天线， 工作在2.4GHz频段，增 益为5dBi，波束宽度为 60度。
圆形微带天线
设计一个圆形微带天线， 工作在5GHz频段，增 益为8dBi，波束宽度为 45度。
多频带微带天线
设计一个多频带微带天 线，覆盖2.4GHz和 5GHz频段，增益为 7dBi，波束宽度为60度。
历史与发展
起源
微带天线由马可尼公司于1970年 代初研制成功，最初用于卫星通
信。
发展历程
随着微波集成电路技术的发展，微 带天线在材料、工艺和理论等方面 不断取得突破，逐渐成为天线领域 的重要分支。
未来展望
随着5G、物联网等技术的发展，微 带天线将面临更多机遇和挑战，未 来将朝着高性能、多功能、小型化、 集成化等方向发展。
极化方式决定了微带天线 信号的极化状态和稳定性。
方向性决定了微带天线信 号传输的方向和范围。
效率决定了微带天线能量 转换的效率和信号传输的 质量。
03
微带天线设计
设计流程
实现小型化微带天线的几种设计方法
实现小型化微带天线的几种设计方法
小型微带天线是近年来不断发展的新技术，它广泛应用于手机终端、导航和定位系统和模块，特别用于智能家居设备，以及医疗仪器、工业应用和战术无线网络。
它具有小尺寸、低功耗和灵活多变的特点，有助于改善用户体验，扩大无线设备的应用场景。
为了实现小型化微带天线的设计，目前已经有多种不同的方法，这取决于嵌入物理环境、天线结构与公共网络中要求的功能，下面我就给出实现小型化微带天线的几种设计方法：
1、增加磁性位移开关（MEMS）：在基础上增加磁性位移开关，其可以将多根天线收发电路连接在一起，实现单个机构的小型化，从而大大减小了天线的尺寸。
2、采用可调谐天线：将可调谐天线的平均尺寸缩小到比传统的微带天线小一些，可以通过控制控制变压器来改变振荡频率，从而满足不同的频率。
3、采用多普勒缩小型化天线：利用多普勒缩小型化天线可以实现多个带宽模块的小型化，此外还可以进一步利用多普勒技术增加天线的中心频率，从而提高小型化天线的频率范围，缩小其尺寸。
4、采用超长电缆波导：把超长电缆波导与普通电缆波导相结合，可以实现微带天线的微型化，同时利用超长电缆波导的周围增，采用相对较低的损耗，实现同样的功能。
5、利用可折叠的天线：设计可折叠的微带天线，它可以使天线更加小型化，且可以满足不同的频带要求。
总之，现有的技术可为实现小型化微带天线提供了很多可能性，也为我们提供了设计的灵活性和自由性。
微带天线的设计和阻抗匹配
微带天线的设计和阻抗匹配微带天线是一种广泛应用于无线通信领域的新型天线。
它具有体积小、重量轻、易于集成等优点，因此特别适合于现代通信系统的应用。
本文将详细介绍微带天线的原理、设计思路、阻抗匹配方法以及实验验证等方面的内容。
微带天线是在介质基板上制作的一种天线。
它主要由辐射元和传输线组成，通过在介质基板上印制金属导带，形成辐射元和传输线，利用电磁波的辐射和传播特性实现天线的功能。
由于辐射元和传输线都印制在介质基板上，因此微带天线具有体积小、重量轻、易于集成等优点。
选择合适的介质基板，根据需要选择介电常数、厚度、稳定性等参数；在介质基板上印制金属导带，形成辐射元和传输线；根据设计要求，对金属导带进行形状和尺寸的调整；为提高天线的性能，需要进行阻抗匹配等调试；选取合适的材料：根据应用场景和设计要求，选择合适的介质基板和金属材料；设计形状和尺寸：根据天线设计的原理，设计合适的辐射元和传输线形状，以及其尺寸大小；考虑天线的抗干扰能力：为提高天线的性能，需要采取措施提高天线的抗干扰能力，如设置保护区、采用滤波器等。
微带天线的阻抗匹配是实现天线高效辐射的关键环节。
通常情况下，微带天线的阻抗不是纯电阻，而是具有一定的电抗分量。
为了使天线与馈线之间实现良好的阻抗匹配，通常采用以下方法：改变馈线的特性阻抗：通过调整馈线的几何形状、材料等参数，改变馈线的特性阻抗，使其与天线的阻抗相匹配；添加电阻、电容等元件：在馈线与天线之间添加适当的电阻、电容等元件，以调整天线的阻抗，实现阻抗匹配；采用分步匹配：通过在馈线与天线之间设置适当的阶梯状阻抗，逐渐接近天线的阻抗，从而实现良好的阻抗匹配。
为了验证微带天线的性能和阻抗匹配的效果，通常需要进行实验测试。
实验测试主要包括以下步骤：搭建测试平台：根据需要搭建测试平台，包括信号源、功率放大器、接收机等；连接测试平台：将微带天线与测试平台连接，确保稳定的信号传输；调整阻抗匹配：根据实验结果，对天线的阻抗匹配进行微调，以获得最佳的性能；进行测试：在不同的频率、距离等条件下进行测试，收集数据并进行分析；结果分析与讨论：根据实验数据进行分析和讨论，评估微带天线的性能和阻抗匹配的效果。
微带天线的设计
简易微带天线设计微带天线（Microstrip Antennas）是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。
微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953年提出。
和常用的微波天线相比，微带天线具有以下优点：体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形；制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面小；能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向；易于和微带线路集成；易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。
微带天线根据其辐射单元形式大致可分为4类：微带贴片天线，微带振子天线，微带线形天线，微带隙缝天线，其中微带贴片天线是最常见的形式。
微带贴片天线由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成，通常利用微带线或同轴线一类馈线馈电，使在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的隙缝向外辐射。
其基片厚度与波长相比一般秀小，因而可实现一维小型化。
导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等。
本文描述了一个设计完成的简易微带天线模型及其性能仿真结果，由于能力有限，设计不甚成熟。
设计的微带贴片天线如图1所示，其侧面如图2所示。
图1 微带天线结构设计示意图图2 微带天线结构设计侧面示意图如图所示，设计的微带贴片天线的贴片形状为圆形，其馈电线为微带线。
考察该天线的谐振频率可知，该天线为单频天线，其谐振曲线如图3（以线性单位计）和图4（以dB计）所示。
图3 微带天线谐振曲线（以线性单位计）图4 微带天线谐振曲线（以dB计）从谐振曲线中可看出，该微带天线的谐振频率约为2.9GHz，该谐振频率与天线设计的参数有关，如微带贴片的半径，贴片材料等因素。
适当修改这些参数即可得到中心频率不同的微带天线以适应各种不同的要求。
该微带天线的相位曲线如图5所示。
从相位曲线可以看出，当天线处于谐振频率时，其相位角恰为零。
图5 微带天线的相位曲线设计的微带天线的史密斯圆图如图6所示。
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GD
因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小 一些。
B 理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角 B 内辐射出去，且在
立体角内均匀分
布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。
G GD
4 B
B 及波束宽度 B 理想天线的辐射波束立体角
微带天线的优缺点及应用
但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点： 频带窄；
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有损耗，因而增益较低；
大多数微带天线只向半空间辐射； 最大增益实际上受限制（约为20dB）； 馈线与辐射元之间的隔离差； 端射性能差；
可能存在表面波；
功率容量较低。 但是有一些办法可以减小某些缺点。例如，只要在设计和制造 过程中特别注意就可抑制或消除表面波。
微带天线的应用
图8-3
天线增益G与方向性GD
天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度，它是被研究天线在最大辐射方向的辐 射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比
3
G
单位立体角最大辐射功 率 馈入天线总功率 4
单位立体角最大辐射功 率 总的辐射功率 4
天线方向性 GD 与天线增益 G 类似但与天线增益定义略有不同。
描述天线特性的主要参数
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与天线方向性有关参数：方向性函数或方向图 离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相 对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数； 把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。 最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波 束叫旁瓣。 为了方便对各种天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示 方向图特性的参数，这些参数有：天线增益 G （或方向性GD ）、 b 波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。 2．天线效率 3．极化特性 4．频带宽度 5．输入阻抗
天线的互易性与天线在发射模式和接收模式具有相同 的方向性。 如果一给定天线工作在发射模式，A 方向辐射电磁波的能力比 B 方向强100倍，那末该天线工作于接收模式时，接收 A方向辐射 来的电磁波灵敏度比B方向也强100倍。 本章以后讨论的天线都是互易的。 如果所观测点离开波源很远、很远，波源可近似为点源。从点 源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远， 在观察者所在的局部区域，其波阵面可近似为平面，当作平面 波处理。符合这一条件的场通常称为远区场。 在天线很多应用场合，远区场 的假设都是成立的。远区场假 设为我们分析研究天线辐射的 场带来很大方便。这里所谓很 远很远都是以波长来计量的。
微带天线的优缺点及应用
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同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从 100MHz 到 50GHz 的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线 相比，微带天线的一些主要优点是： 重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 制造成本低，易于大量生产； 可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能； 无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上； 天线的散射截面较小； 稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）； 比较容易制成双频率工作的天线； 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、移相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。
天线效率与辐射电阻
天线效率A 定义为，
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P P A Pi P P1
式中，Pi 为输入功率；P1 为欧姆损耗；P为辐射功率 天线的辐射电阻 R用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下： 设有一个电阻 R，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等 于辐射功率。 显然，即辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。 由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为
极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变 化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线 极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平 极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。 输入阻抗与电压驻波比： 天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大 功率。 当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏， 致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。因此在实际应 用中，还引入电压驻波比参数，并且驻波比不能大于某一规定 值。 天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往 往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电 参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称 为天线的带宽。
波束宽度与旁瓣电平
4
实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在 一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大， 偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时 的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为
B
旁瓣电平
4
2 B
旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的 第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一 般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。
P
1 2 I m R 2
即辐射电阻为
R
2 P 2 Im
仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻 R1 为
2 P1 R1 2 Im
将上述两式代入效率公式，得天线效率为
R 1 A R R1 1 R1 R
可见，要提高天线效率，应尽可能提高 R，降低 R1。
极化特性、频带宽度与输入阻抗 6
天线举例
天线大体可分为线天线和口径天线两类。
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移动通信用的VHF、UHF天线，大多是以对称振子为基础而发展的各种型式 的线天线，卫星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径天线）。
天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。天线的大小一般以天线发 射或接收电磁波的波长来计量。因为工作于波长 = 2m的长为1m的偶极子 天线的辐射特性与工作于波长 = 2cm的长为1cm的偶极子天线是相同的。