最新双频单极子天线

双频单极子天线
摘要
本设计介绍了射频双频单极子天线的基本原理以及基于HFSS的射频双频单极子天线的设计过程。

双频天线一个最为简单的颁发就是采用印刷单极子天线来实现，这类天线所需成本极低，而且结构和加工都极为简易，是目前为止众多学者的研究方向。

本篇论文主要设计与仿真射频双频单极子天线。

半波偶极子天线和单极子天线是迄今为止应用较为广泛的天线。

利用镜像原理，引入接地面可以将半波偶极子天线的长度减少一半，即
1/4波长单极子天线。

然后，文中设计并仿真了一个单极子天线，能够使用在无线局域网中。

其L 型单极子天线由微带线直接馈电，天线工作于IEEE802.11a和802.11b两个工作频段，实现了天线的双频工作特性。

仿真结果表明，该天线低频单极子天线垂直方向长度等于19mm时，该单极子天线的双频振点，也就是高频振点对应IEEE802.11a（5.15GHz~5.825GHz），低频振点对应IEEE802.11b（2.4GHz~2.4825GHz），能够应用在无线局域网所涉及到到相关频段力，同时具备较佳的辐射方向图性质。

关键词：双频单极子；射频； WLAN； HFSS
Design of Radio-Frequency
Monopole Antenna
ABSTRACT
This design introduces the basic principles of radio dual-band monopole antenna and a dual-band radio-based HFSS monopole antenna design process. Printed monopole antenna as a dual-band antenna in the form of a simple structure, easy processing, low cost, is also a hot topic in the antenna field. In this thesis, dual-band monopole antenna RF.
The use of image theory, the introduction of ground plane can reduce the length of the half-wave dipole antenna half, or a quarter-wave monopole antenna.
Then, the paper applied to the design and production of a dual-band WLAN printed monopole antenna. The antennaThe L-type monopole microstrip line directly fed antenna operating in the frequency band
IEEE802.11a and 802.11b both work to achieve the characteristics.
Measured results show that the low-frequency monopole antenna vertical length equal to 19mm, high frequency and low frequency resonance point of the dual-band monopole antenna design were falling IEEE802.11a (5.15GHz ~ 5.825GHz) and IEEE802.11b (2.4GHz ~ 2.4825GHz) work on the band,
meet the requirements of WLAN band, and has a good radiation pattern characteristics.
Keywords:dual-band monopole; RF; WLAN; HFSS
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1本论文的研究背景 (1)
1.2课题意义 (1)
1.3双频天线研究现状 (2)
1.4天线设计中的软件介绍 (3)
1.5印刷天线与微带天线的差异 (4)
1.6本论文主要工作及内容安排 (5)
第2章射频双频单极子天线相关理论 (5)
2.1天线的概述 (5)
2.2天线的电参数 (6)
2.3半波偶极子天线 (8)
2.4单极子天线 (8)
2.5印刷天线 (9)
2.6双频天线技术概述 (10)
2.7双频天线采用单一贴片的实现方法 (11)
第3章射频双频单极子天线设计与仿真 (11)
3.1.双频单极子天线的结构 (12)
3.2天线初始尺寸和HFSS设计概述 (13)
3.3HFSS仿真设计 (15)
3.3.1添加和定义设计变量 (15)
3.3.2添加新的介质材料 (15)
3.3.3设计建模 (16)
3.3.4设置边界条件 (16)
3.3.5设置激励方式 (17)
3.3.6求解设置 (17)
3.4天线性能结果分析及优化 (18)
3.4.1仿真设计结果 (18)
3.4.2参数扫频分析R2对低频段谐振频率的影响 (18)
3.4.3查看最终优化设计结果 (19)
第4章结论 (20)
4.1全文总结 (20)
4.2展望 (20)
参考文献 (21)
致谢 (1)
第1章绪论
1.1本论文的研究背景
单极子天线十几年发展迅速，随着其技术的改进，使得单极子天线在实际生活中应用得越来越广。

利用线天线的简便和灵活设计，研制圆极化、双极化和双频段等多功能的单极子线天线在卫星通信、移动通信基站与手机、车载设备、雷达、微波遥测遥感等领域具有重要意义。

目前，许多国家都在致力于数兆Hz的转换器的实践研究。

为了满足现代通讯设备，科研和天线的朝向几个方面发展，即，体积小，宽带和多波段操作，智能控制模式的需求。

随着电子设备的集成的不断增加，通信设备的体积越来越小，这就要求其自己的天线的尺寸尽可能减小。

在不损害天线增益和效率，同时减少该天线尺寸可以是一个艰巨的任务。

提高集成的电子设备，经常需要在一个宽的频率范围内的天线，以支持两个或更多的无线服务，宽带和多频带天线可满足这些需求。

WLAN天线通常使用单极子天线。

单极子天线因其辐射能力强、波长短、高度低、结构简单、易于使用、携带方便、牢固可靠，常被用于制作无线局域网的天线系统。

单极子天线不算天线家族的鼻祖，事实上，它是在水平天线之后产生的。

由于在水平天线的长波和中波波段，波长较长，天线的架设高度受到限制，受地面的影响，天线的辐射能力弱，而且在此波段主要采取地面波传播，造成水平极化波的衰减远大于垂直极化波。

为了解决以上问题，人们在长波与中波波段主要适用垂直地面的
直立天线，即单极子天线。

单极子天线一经产生，就产生较大的效果，在车辆、飞机、舰船上都有用到。

1.2课题意义
电基本振子（电流元）天线在实际应用中不存在，并且其辐射电阻很小，效率非常差。

在实践时，天线大小和波长大小如果接近度越高，那么该天线就会能够产生更强的辐射能。

半波偶极子和单极子天线是迄今为止应用较为广泛的天线。

利用镜像原理，引入接地面可以将半波偶极子天线的长度减少一半，即1/4波长单极子天线。

利用线天线的简便和灵活设计，研制圆极化、双极化和双频段等多功能的偶极子线天线在卫星通信、移动通信基站与手机、车载设备、雷达、微波遥测遥感等领域具有重要意义。

对本课题的探究有利于解决科学中的实际问题，而且实用性较强，可以获得方向性强，频带宽，辐射效率高的双频单极子天线。

提高思维能力和动手能力。

巩固所学的知识。

1.3双频天线研究现状
伴随着近年来无线通信技术逐步的优化与发展，至今为止有很多种设计方法实现双频段工作天线。

用微带天线和印刷单极子天线相结合的天线设计手法可以实现天线在不同的两个频段上的工作。

印刷单极子天线比较容易能实现天线的双频带工作，目前为止在许多无线通信领域中都很普及的在使用。

实现双频带工作的单极子天线形式多种多样。

图1.1展示出了目前比较流行的单极子天线的形式，其中有T形单极子天线，L形单极子天线，折线形单极子天线，矩形环单极子天线等多种实现方式。

以上所提及到的天线在目前的无线通信领域中用到的都很广泛。

综上所述，射频双频单极子天线的研究设计与仿真对于实际应用来说要很重要的应用意义。

在无线通信领域中，微带天线是使用频率较高的天线。

通过GADeschamps教授于1953年提出的微带天线的概念，经过十年的发展，微带天线现在已经成为了天线研究中的一个必不可少的组成部分。

微带天线（microstrip antenna）的构成是建立在较薄的介质之上。

其中一个方向面和金属薄层进行连接并作为这类天线的接地板，而对立面则使用光刻技术将其蚀刻成金属材质的贴片，接着利用同轴探针或者微带线和具体形状下的金属贴片形成馈电构成的天线。

容易实现双频微带天线，目前主要的方法有：多功能贴片散热槽负荷和集总元件加载。

槽负载指的是补丁各种形状的槽，改变贴片电流分布，从而产生一个新的共振频率，双频工作。

大致U形的槽，L形槽，I形管道。

集总元件载荷加入某些贴片上的无功负载的，更改的补丁的电流分布，从而使该补丁不表现出相同的特性原。

（1）（2）
（3）（4）
图 1.1 印刷单极子天线模型
本论文设计的射频双频单极子天线用印刷单极子天线实现，下面做具体介绍。

1.4天线设计中的软件介绍
由Ansotf研发的HFSS其英文全称为High Frequency Structure Simulator，也就是所谓的高频仿真元件。

属于当前较为知名且是第一个的3D电磁仿真系统。

不过目前已经被ANSYS企业成功购入。

经过多年的发展，如今成为业内公认的行业标准，HFSS为使用者提供了极为直观且简单的可视化界面，内置精确场解器，这种场解器还具有自适应功能，具有极强的电性解析力，同时内置的后处理单元功能强劲，能够对各类3D无源结构下的S参量进行计算，同时对于全波电磁场也能够进行计算。

另外这款软件具有较强的天线设计能力，针对天线的诸多参数如方向性、远场的3D图以及方向图剖面以及带宽能够进行精确的计算，并且能够对极化性能进行绘制，比如绘制圆极以及球形的分量。

此外还可以使用这个软件按对轴比进行计算。

○1.基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；
○2端口特征阻抗和传输常数；
○3S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；
○4结构的本征模或谐振解。

另外将Ansotf公司研发的HFSS以及Designer软件进行融合应用，就能够完成对高频问题进行解决，并提供相应的基于物理原型为重要前提的解决方案，能够实现从最原始的系统需求及相应的电路设计，再到部件级别的精确设计，涉及到整个高频设计的所有环节。

运用HFSS软件系统进行天线设计的主要过程是：
①设置求解类型。

②创建天线的结构模型。

③设置边界条件。

④设置激励方式。

⑤设置求解参数。

⑥运行求解分析。

⑦查看求解结果。

⑧Optimetrics优化设计。

1.5印刷天线与微带天线的差异
印刷天线：印刷天线设置于PCB基层印刷版之上，其主要部为信号馈入部件和辐射部件。

其中馈入部件的职责是实现电磁波信号的馈入。

而辐射部件的职责就是实现信号的收发。

微带天线：这种天线其结构也相对简易，不过和印刷天线差异还是比较显著，这种天线需要在较薄的介质之上进行设计。

其中一个方向面和金属薄层进行连接并作为这类天线的接地板，而对立面则使用光刻技术将其蚀刻成金属材质的贴片，接着利用同轴探针或者微带线和具体形状下的金属贴片形成馈电构成的天线。

1.6本论文主要工作及内容安排
本文用于无线局域网设计小型化的双波段印刷单极天线。

此天线具有在一个频带RF应用良好阻抗匹配和放射模式特性。

本毕业设计说明书详细如下：
第一章，绪论，这个章节的主要内容主要涉及到本文所研究的意义，并对该项技术的主要研究现状分别从国内和国外两个方面进行了阐述，接着简要说明了重要的仿真系统软件HFSS。

第二章，有关天线设计的理论。

重点对于涉及到天线设计参数和单极子以及有关的偶极子等概念进行了阐述。

第三章，双频天线技术，简述了目前双频技术的几种实现方法。

第四章，射频双频单极子天线的设计与仿真，以及将得到的结果进行进一步的优化。

第五章，全文总结与展望，对全文工作进行总结，并提出有待于进一步研究和解
决的问题。

第2章射频双频单极子天线相关理论
2.1天线的概述
天线也就是所谓的antenna，该设备从本质上来说属于变换设备。

天线的职责就是将具体使用设备上行走的导行波进行转换构成能够在不同空间中穿行的电磁波，同时也能够将穿行的电磁波进行转换成设备使用到的导行波。

对于无线传播设
备中，属于电磁波的接受和发出元器件。

当前诸多无线应用领域的信号传输都是基于电磁波进行实现，比如常见的广播、导航以及无线通信等领域。

只要是基于电磁波进行信号的传递，必然要使用到相应的天线部件进行转换实现收发。

另外电磁波还可以实现能量的传递，而至于这方面的应用同样需要通过天线来实现。

2.2天线的电参数
1．天线方向性
天线发射出的电磁波在各个方向上并不相同，有大有小，甚至还有0点，称为方向性。

发射功率最大的方向也是接收效果最好的方向，叫做“互易性”。

发射出的电磁波电场方向和磁场方向是互相垂直的，天线的极化方向以电场方向定义，如果电场方向垂直于地面（磁场必定水平与地面），叫垂直极化波，反之叫水平极化波。

天线架设方向必须与极化方向相同，否则不能接收信号，或者效率很差。

收音机的天线通常竖着拉出，因为是垂直极化波；电视机天线通常水平架设，因为是水平极化波；室内无线电波几经反射，极化方向不再那么规范，所以有时要调整天线角度。

2．谐振点与谐振频率
我们知道半波长的对称振子(当然是指线径很细的对称振子，对于线径较大的对称振子，分析方法有所不同，比如用矩量法进行数值计算)的输入阻抗是
(73.1+j42.5)欧姆，看得出，实际上在天线长度等于半个波长时，天线的输入阻抗是感性的，这时，适当缩短天线的长度，可以使得天线的输入阻抗变为纯电阻，此时天线就达到了谐振。

实际上，振子越粗，达到谐振缩短的长度越大，这也就是波长缩短效应，是由于天线上的电流损耗和天线的末端效应引起的。

简单说，谐振点
就是输入电抗为0的点。

谐振频率顾名思义就是谐振点频率，在这里主要指的是天线在该点上的频率。

3．增益
该参量能够对天线收发信号功能进行衡量，而这也是针对基站天线进行配置的重要参考指标。

如果想要提升该参数值，就需要将辐射的薄瓣宽度，而且是垂直面方向的辐射进行缩小，同时还需要将水平面方向的辐射能量进行保持。

该参数对于通信质量产生极为关键的影响，该参数可以对蜂窝边缘信号电平产生影响，如果增益上升，那么在某个方向上的覆盖范围就会被扩大。

对于蜂窝系统而言，具有双向特性，如果增益增加，那么对应的双向系统增益预算余量就会被减小。

4．带宽
阻抗带宽同样是一个非常重要的参数，针对阻抗的匹配情况可是使用驻波比来进行映射，而这点和阻抗带宽相比具有一定的近似性。

不过要明确一点，阻抗贷款和增益并没有对应关系。

增益主要是针对辐射参量的反馈。

在天线设计之时，最先参考的标量是阻抗带宽，从而明确该天线的工频范围。

在工频范围里工作才能够促进天线效率的提升，当完成该前提设计之后，再优化其增益，就能够进一步提升天线的性能。

5．阻抗
天线阻抗这个参数值可以进一步细分成辐射和输入两种阻抗。

针对辐射阻抗而言，作为天线本身可以被当做辐射之源，其辐射功率和被电阻吸收的功率可以视作等效关系，因此该电阻就是所谓的辐射电阻。

而对于辐射电阻的分析算法主要可以使用感应电势算法以及波印廷算法。

其中对于后者而言，只需要获得天线的表面积就能够将其辐射电阻求解出，可是却不能够对电抗使用该方法计算。

运用前者的计算方法，则能够完成阻抗和电抗的求解。

对于输入阻抗而言，该参量主要和输入端的电流关系密切，同时也和辐射阻抗也存在部分关联。

假设来自于天线输入端的电流是波腹点前面的电流，此时这两种阻抗大小就具有一致关系。

可是输入端的电流往往并不是波腹电流，那么此时两种阻抗大小就会不一致，此时计算输入阻抗除了上面两种计算办法之外，还可以使用等效传输线算法，只是这种算法也具有一定的缺陷，在一些应用环境中往往需要进行修正处理。

而这对输入阻抗的科学化配置就是为了促进天线和馈电系统能够实现良好的交互，进而实现天线整体效率的提升。

在理想的状态下，天线谐振对应的输入阻抗能够转换成纯电阻，此时就能够和馈电网络进行更加良好的兼容匹配。

6.辐射方向图
当和天线相隔一定距离之后，辐射场将会随着场强方向改变而形成变化，而这个变化的图形就是辐射方向图。

通常的表示办法就是运用天线产生的辐射量最大时，此方向上的垂直和水平方向图来表示。

7.工作频率
空中有很多无线电波，但是他们的频率不一样，速度不一样，波长也就不一样。

频率越高，波长越短。

线是一种自由空间波与导行波转换的器件。

自由空间波就是空间中的无线电波，导行波就是在导体中传播的波，也就是交变电流和电压。

天线在设计时是根据需要接收的频率的无线电波的波长来设计的。

频率越低的波，波长就长，设计出来的天线尺寸就大。

反之尺寸就小。

另外他们的结构也是不一样的。

频率不匹配的话，天线不能有效转换能量，也就是不能有效的把空中的无线电波转换为导体中的电流电压波，也就不能激励电子设备。

就好比wifi频率为2.4GHz，手机GSM频率为900M，所以他们的天线尺寸及构造是不一样的。

手机天线
不能有效转换wifi频率的无线电波为电流，wifi天线不能转换手机频率的波为电流。

所以相互之间不会干扰。

2.3半波偶极子天线
半波偶极天线的是基本线天线，具有结构简单的特性，它是一个典型的，迄今为止最广泛使用的天线中的一种。

半波偶极天线的物理构成是通过两个导线连接而成，而这两个导线的直径及长度都保持一致，同时导线长度和波长长度存在着1:4的关系，而导线直径必须极低，显著小于天线的激励的工作波长。

两个相邻中间天线的端部之间的距离是比工作波长小很多的，可以忽略不计。

图2.1 半波偶极子天线
2.4单极子天线
上文提到有两条一致的导线构建的天线，如果以地面为平面，形成镜像关系，就可以将半波偶极天线大小进行削减，于是只需要比波长小四倍的天线即可，于是就构成单极子天线，具体可以参见下图2.2。

图2.2 单极子天线及其等效
对于如图2.2（a）所示的1/4波长导线就是所谓的单极子天线，该天线主要是基于半波偶极天线的镜像来获取，正是如此由于其中的下半部的导线和地连接，那么该接地的导线就不会产生辐射，于是这种单极子天线只能够和地方向相反才会产生辐射，并且辐射能量也是半波偶极天线的一般。

与此同时对应的辐射电阻同样也是非镜像天线的一般，也就是单极子天线的辐射电阻大小大约在.
366 。

不过针对方向性系数来说，这个系数的定义在于将方向图上的最大函数值和最小函数值进行相除运算获得，那么从方向系数来看，这两种天线都具有一致性，大小是.215dB。

2.5印刷天线
对于普通的广播接收器而言，其天线能够收集所有电磁波信号，其构成为一个金属元件，唯一广播接收器的外围。

针对这种设备从形状来看，具有拉杆天线模式，有拖线模式。

而从频率角度来区分，具有调幅和调频两种，其中前者为磁性天线，而后者则是拉杆天线。

通常频率越高，那么对应的波长就会越短，天线的长度也会越短。

传统的砖头型移动通话设备因为频率高度不够，所以广泛使用拉杆天线。

而目前的智能型手机，其频率较高，所以只需要内置天线即可。

那么可以对天线进一步优化，将其进行印刷，和PCB印刷版进行连接，并呈现回字形。

这种天线具有较低的体积，而且极薄，重量轻，成本低，全向辐射，最重要的是可以与电路板相结合，并有良好的合作形设计的潜力，很容易和馈电的网络和设备集成到块，密切集成了微电子技术，功能强大，这些优势已证明应刷天线强大的功能，印刷天线成为了新一代强大的生命力天线。

现有的印刷天线和微带天线，虽然存在区别但是相关的，在图2.3中的黑色图形上，其中阴影馈线以及辐射贴片就存在着显著区别。

当前这两种天线结构是当前最常用的。

不同之处在于，印刷天线辐射贴片的底部是不存在底板问题，只需要在馈线地板之下即可，因此就能够让这种天线具有全方向性，这是相比于微带印刷的重要优势。

图2.3微带天线与印刷天线
对于单极子天线或者基于直立模式的单极子天线的印刷而言，并不需要导体和地面进行垂直，那么这就进一步简化该天线和其他电路系统进行集成。

2.6双频天线技术概述
在实际应用中许多地方需要用到可以在多波段工作的天线，实现多重频段工作，不仅仅可以完成规定要达到的功能，还可以降低天线成本，并且有利于天线的集成。

双频天线现在处于发展的高峰期，随着用途越来越广，双频天线的研究也越来越广泛。

从双频带和多频带的具体分类办法来看，对于双频以及多频天线的实现可以使用以下办法：
第一，运用单一化的贴片模式，能够运用不同激励模式，比如常见的0
TM1模式以及0
TM1模式来构建矩形贴片，进而达到双频甚至多频功能。

第二，运用单一化的贴片模式，不过此时需要通过开槽或者加载的颁发来对谐振频率进行消除，进而达到多频或者双频功能。

在这种方式的实现是由一个印制单极子天线在双频WLAN系统中设计的。

第三，基于单层PCB基板，然后使用多个贴片来实现。

此时运用谐振频率具有差异性的多个贴片来构成双谐振，或者使用具有多频谐振功能的微带天线作为其不同频率下的辐射部件。

第四，使用多层重叠式贴片结构。

也就是运用多个贴片进行重叠进而构成多频谐振装置，从而实现多频辐射功能。

2.7双频天线采用单一贴片的实现方法
使用矩形贴片模式下的微带天线，是构建双频天线最为简单的办法，以方便在两个正交方向，TMl0和TM01δ-低阶谐振模矩形贴片的工作。

频率比约等于这种情况在垂
直和水平放置的两侧的比例。

这种方法的明显缺陷是两个不同的频率激励在两个正交极化。

第3章射频双频单极子天线设计与仿真对于2.4节提及具有一半的半偶极天线长度的单极子天线，其实现方式可以采用下图左a所显示的微带线。

为了进一步缩小天线的尺寸，还可以将天线折成如图3.1（b）所示的L形。

图3.1 微带线结构1/4波长单极子天线
在这个单元里，将设计L型的单极子天线，通过微带线构成，该天线支持
IEEE8211a 8211b两个当前在无线局域网应用较广的频端，其中0. IEEE8211a以及0.
0.
通信标准最早是在1999年明确颁布，该标准将无线局域网的工作频段设定为
5.15Ghz至.5825GHz之间，中心点的频率大小则是.549GHz，而后者通信标准则是前
者的重要补充，同样也是在1999年被颁布，这个标准支持的频段为
24GHz24825GHz，其中中心频段大小则是.244GHz。

.~.
3.1.双频单极子天线的结构
图3.2 单极子天线结构模型
图3.2则显示了基于微带的双频单极子天线的主要构成情况，从图中可知这种天线包括了介质、高、低两个频段的单极子天线、微带馈线以及参考地。

ε其中介质材料主要为Rogers RO4003，是一种进口的板材，其介电常数大小
r 为3.38，而其耗损的正切函数也就是tanδ大小为0.0027，整个基层材料的厚度达到1.52毫米，在该基层的最下方对应的是参考地，而基层的上层则布置了微带馈线以及相应的单极子天线。

其中左边的L型天线支持高频，而右边的L型天线则能够支持低频。

3.2 天线初始尺寸和HFSS设计概述
因为本文设计的是双频单极子天线，所以能够支持高频和低频。

其中高频对应的波长大小为122毫米，而低频的波长大小则是55毫米。

假设PCB基层的介电常数为3.38，拥有这个介电常数的材料就是Rogers RO4003。

通过换算，那么对应高频。