微带单极子

移动通信期末论文

题目：基于HFSS的微带单极子“美化”天线姓名：欧阳倩

学号：20131060189

序号： 33号

专业：通信工程

指导老师：申东娅

2016年6月30日

基于HFSS的微带单极子“美化”天线

摘要

单极子天线或称为直立天线是垂直于地面或导电平面架设的天线，已广泛应用于长、中、短波及超短波波段。半波偶极子天线和单极子天线是迄今为止应用较广泛的天线。这类天线所需成本极低，而且结构和加工都很简易，是目前为止众多学者的研究方向。本文首先介绍了微带单极子天线的基本原理及其结构，然后利用HFSS12.0仿真软件以矩形为基本图形对微带单极子天线进行了仿真与美化。通过观察S参数图，确定了天线大致的谐振点和带宽，研究天线的性能与激励端口尺寸之间的关系，还研究了天线接地面面积与天线性能之间的关系，并找出最佳参数，设计出符合要求，性能完好的超宽带“美化”天线。

关键词：天线微带单极子天线HFSS美化天线

第一章引言

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越来越广。

目前，为了满足现在通讯设备，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，只能控制模式的需求。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，它产生于水平天线之后。由于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传播，造成水平极化波的衰减远大于垂直极化波。为了解决上面的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。

所谓“美化天线”，也可称为“伪装天线”，即在不增大传播损耗的情况下，通过各种手段对天线的外表进行伪装、修饰来达到美化的目的，既美化了城市的视觉环境，也减少了居民对无线电磁环境的恐惧和抵触，同时也延长了天线的使用寿限，保证通信的质量。

第二章 HFSS软件仿真

3.2 仿真部分

3.1 设计要求

在所给附录参考图样中，选择一个图样，或类似、或变形的图样，主要在10GHz 以下频段，设计一个微带单极子“美化”天线。微带厚度 1.6mm, 介电常数 4.4。

3.2原始模型

这个美化天线的初始方向是一个机器人，其身体构造大体分为4个矩形，将四个大矩形连接合并之后进行了简单的修饰加工，总体效果如下：

原始模型结果分析：

由上面结果分析可看出：该模型有两个谐振点，分别是2.55GHZ和6.69GHZ，

2.55GHZ的带宽为0.56GHZ，而6.69GHZ性能太低，没有10dB带宽。

3.4第一次“美化”

对原始模型进行外表的简单装饰和改进，例如：加上机器人的口袋、领带、嘴唇以及身体尺寸的改进。美化后的模型图如下：

第一次“美化”结果分析：

由上图可看出：该模型有三个谐振点，其中第一个谐振点为2.45GHZ，带宽为0.302GHZ，相对原始模型来说带宽减小了。

3.5第二次“美化”

由于第一次“美化”后，模型的带宽变小，这次我尝试将接地面的尺寸增大，修改后的模型如下：

第二次“美化”结果分析：

由上图可看出：美化后的天线谐振点减少了，3.73GHZ处的带宽为0.41GHZ。

3.6第三次“美化”

本次修改了激励端口的尺寸，修改后的模型如下：

第三次“美化”结果分析：

由上图可以看出：修改之后的模型有两个谐振点，分别为：3.05GHZ和7.05GHZ，其中7.05GHZ谐振时的带宽为1.367GHZ，相对之前模型带宽有了很大改进。

3.7 最终模型

根据之前几次“美化”，发现激励端口的尺寸改变对于天线带宽影响很大，所以就激励端口这一参数进行修改比较：

由上图对比可看出：当S（激励端口长度）=4.5mm时，性能最好，共有3个谐振点，带宽最大可达5.1448GHZ（8.3264GHZ-3.1816GHZ）。

考虑到接地面对于天线性能也有影响，所以也分析了接地面参数变化对于天线性能变化的影响：

分析上图可知：当D（接地面）=11mm时，天线性能最好，最大带宽可以达到4.88GHZ（8.1803GHZ-3.2973GHZ）

综合考虑以上参数，选择了相对最优解[3]，所以确定最终模型如下：

其结果图为：

最终模型有两个频带，最大带宽为4.95GHZ(8.22GHZ-3.27GHZ)。

第四章结束语

本文首先介绍了微带单极子天线的基本原理及其结构，然后利用HFSS12.0仿真软件对微带单极子天线进行了仿真与美化。通过观察S参数图，确定了天线大致的谐振点和带宽，研究天线的性能与激励端口尺寸之间的关系，还研究了天线接地面面积与天线性能之间的关系，并找出最佳参数，设计出符合要求，性能完好的超宽带“美化”天线。本篇论文主要介绍了微带单极子天线的基本原理和结构，并利用HFSS仿真软件进行简单的微带双频单极子天线的设计及“美化”以及性能仿真。

通过本次实验，了解到了微带单极子天线的基本原理与性能，通过自己设计天线也从中更加了解了天线的原理和结构，同时对于仿真软件HFSS的使用也更上了一个层次，“美化”天线的设计过程也充满乐趣，寓教于乐。不过由于时间关系，以及自身知识水平有限，该天线还是不完美的，仍然存在问题，虽然通过控制变量法摸索确定了一个比较完美的参数设定，但是多个参数结合起来效果仍然差强人意，虽然结果不完美，但是锻炼了自己独立解决问题的能力，实验作品中存在的不完善之处，敬请指正批评。

参考文献

[1] 李明洋、刘敏、杨放.《HFSS天线设计》[M].北京:电子工业出版社,2011.8:68-128.

[2] 钟顺时.《微带天线理论与应用》[M].西安电子科技大学出版社,1991

[3]段宝岩.《天线结构分析、优化与测量》[A]，西安电子科技大学出版社，1998