课程设计：基于cst仿真的6GHz圆极化微带贴片天线设计

Harbin Institute of Technology
课程设计说明书（论文）
课程名称：天线仿真
设计题目：圆极化微带天线的仿真
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班级：
设计者：
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指导教师：
设计时间：
哈尔滨工业大学
一、课程设计目的
1、了解微带天线的辐射原理和分析方法，并掌握微带天线尺寸计算一般过程；
2、了解微带天线圆极化的方法，并设计一种圆极化微带天线；
3、学习并掌握CST软件的使用，熟悉天线仿真的流程，并完成天线的优化设计。

二、天线设计目标
本文设计的圆极化矩形微带贴片天线的中心频率为6 GHz，并且将满足一下技术指标：
1、反射系数S11<10dB（VSWR<2）；
2、天线轴比小于3dB；
3、绝对带宽100MHz；
4、增益大于5dB；
5、输入阻抗50Ω；
6、波瓣宽度大于70deg。

三、微带天线背景
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。

由于微带天线有独特的优点，而缺点随着科技的进步正在研究克服，因此它有广阔的应用前景。

一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于卫星通讯、天线电高度表、导弹测控设备、导引头、环境监测设备、共形相控阵等。

徽带天线在地面设备上应用也有其优势方面。

特别是较低功率的各种民用设备，例如医用微波探头，直播卫星的接收阵以及当前的蓝牙设备的收发天线等，由于微带带天线能集成化，它在毫米波段的优势非常明显。

当然它并不是完美无缺的，我们将其与微波天线相比，简单介绍它的优缺点。

微带天线和常用的微波天线相比较，它有以下一些突出的优点：
(1)重量较轻，体积比较小，剖面低，能与飞行器等载体共形。

(2)容易制作和调制，制作成本较低，适合大批量生产。

(3)容易集成化的性能，在毫米波段的应用有很大的优势。

与微波天线相比，微带天线也有一些不足之处，主要表现在如下几点：
(1)损耗比较大，从而导致效率也不高。

(2)相对带宽比较窄，这也是微带天线固有的缺陷，特别是谐振式微带天线。

(3)单个微带天线的功率容量一般都比较小。

目前，微带天线的缺点正在研究克服中，有的已经得到改善，尽管微带天线存在着诸多不足，但是它独特的性能决定了它广泛的应用前景。

2、圆极化天线
圆极化天线就是辐射或接收圆极化波的天线。

圆极化天线的实用意义主要体现在:
(1)圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到,故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；
(2)在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性；
(3)圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等）时旋向逆转,因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

四、CST仿真软件介绍
CST MICROWAVE STUDIO（简称CST MWS，中文名称“CST微波工作室”）是CST公司出品的CST工作室套装软件之一，是CST软件的旗舰产品，广泛应用于通用高频无源器件仿真，可以进行雷击Lightning、强电磁脉冲EMP、静电放电ESD、EMC/EMI、信号完整性/电源完整性SI/PI、TDR和各类天线/RCS仿真。

结合其它工作室，如导入CST印制板工作室和CST电缆工作室。

CST MICROWAVE STUDIO集成有七个时域和频域全波算法：时域有限积分、频域有限积分、频域有限元、模式降阶、矩量法、多层快速多极子、本征模。

支持TL和MOR SPICE提取；支持各类二维和三维格式的导入甚至HFSS格式；支持PBA六面体网格、四面体网格和表面三角网格；内嵌EMC国际标准，通过FCC认可的SAR计算。

CST微波工作室使用简洁，能为用户的高频设计提供直观的电磁特性。

微波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应用提供本征模及频域求解器模块。

CAD文件的导入功能及SPICE参量的提取增强了设计的可能性并缩短了设计时间。

另外，由于CST设计工作室的开放性体系结构能为其它仿真软件提供链接，使微波工作室与其它设计环境相集成。

CST软件产品(Mafia、微波工作室和电磁工作室)均采用的同一个算法，即有限积分技术(Finite Integration Technique-FIT)。

FIT是一套完备的数学理论，是麦克斯韦积分方程在网格空间上的离散形式。

早在1977年由托马斯．魏兰特教授引入，进而成为其后在电磁仿真领域中一个重要算法的基石。

由FIT所导出的矩阵方程保持了解析麦克斯韦方程各种固有的特性，如：电荷守恒性和能量守恒性。

解析下的梯度、散度和旋度算子在FIT下具有一一对应的矩阵。

这些矩阵满足解析形式F的算子恒等式。

故FIT保证了非常好的数值收敛性。

另一个区别于其他算法的关键之处在于FIT可被用于所有频
段的电磁仿真问题中。

在CST 微波工作室和电磁工作室中，引入了CST 的专有技术一理想边界近似(Perfect Boundary Approximation —PBA)。

它使得长方形网格中材料的填充形式可以任意(单连通或复连通)。

由于此技术，CST 软件不但保持了通常FDTD(时域有限差分法)的快速，而且还使其精度大为提高。

即，带PBA 的FIT 即快又准。

换言之，对同一问题达到同一仿真精度而言，微波工作室或电磁工作室较Mafia 的计算时间短。

五、微带天线设计方法及理论计算 1、微带贴边天线分析方法
微带天线在进行工程设计时，与其他天线一样需要对天线的一系列性能参数进行预算，这种做法可以使天线的制作质量和效率大大提高，并且可以使研制成本大大的降低。

近年来许多作者致力于这种理论工作的研究，获得了显著的成就。

如今比较成熟的分析微带天线的方法有很多，比如格林函数法、积分法、传输线法、腔模理论和矩量法等，这些方法各有长短互相补充。

每种方法并不是千篇一律的，每种方法可能只适合一种或几种微带天线。

本文主要利用腔模理论进行微带天线的设计分析。

腔模理论是罗远芷在1979年提出来的，这种理论方法是基于微带谐振腔分析发展起来的，因为微带谐振腔与谐振式的微带天线在形状上没有很大的差别，所以可以借用微带谐振腔理论来分析矩形微带贴片天线：谐振腔理论是通过规定边界条件来找出一个主模，然后计算出谐振频率和输入阻抗等，这种方法应用在微带天线上，我们称之为单模理论。

与传输线法一样，单模理论的应用也是有限制的，为了改进，出现了多模理论，与单模理论相比，它是用无限正交模来描述腔内场的，这样能更准确代表腔内场。

当然这种方法也不是完美无缺的，它也有缺点：(1)这种理论是把空腔内场看成是二维的，所以只适合用于薄基片，如果基片过厚，就会造成误差。

(2)因为引入了边界导纳，而往往又很难确定边界导纳，只能采用近似计算，所以腔模理论要修正才可以得到比较准确的结果。

对于矩形微带天线，贴片的谐振频率计算公式为：
2
2
2⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=
w n l m c f e
mn ε
上式中，l 和w 分别为矩形贴片的长度和宽度，e ε为等效介电常数，c 为光速。

本设计中，设定基板厚度为mm h 1=，2.2=r ε，利用CST 中宏计算，可知其0.2≈e ε。

另本设计中，将在频率GHz f 6=时，同时激励起TM01模和TM10模。

所以，易得
mm f c w l e
68.172≈=
=ε
据此，设置基板大小为mm mm mm 12525⨯⨯ 2、圆极化方法
一般来说，微带天线圆极化方法大致分为三类：单馈法、多馈法、多元法： 单馈法，基于空腔模型理论,利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作 多馈法，多个馈点馈电微带天线,由馈电网络保证圆极化工作条件
多元法，使用多个线极化辐射元,原理与多馈点法相似,只是将每一馈点都分别对一个线极化辐射元馈电。

本文采用单馈法，利用在贴边上切角的方法引入微扰“s ∆”，从而使微带天线的简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作。

且已知，圆极化效果与微扰面积s ∆大小有关。

故在仿真过程中将针对切角大小进行多次仿真，并确定最佳尺寸。

3、同轴线尺寸
本设计采用同轴背馈方法，并且采用50欧姆同轴线馈电。

同轴线的特性阻抗由同轴线的内外导体直径D ，d 以及填充介质r ε决定。

计算公式如下：
)(2lg
276
Ω=
d
D
Z r
ε 假设填充介质2.2=r ε，据此可计算当内导体直径半径d=1mm ，外导体内径=3.56mm 时，同轴线阻抗为50欧姆。

仿真时，可通过调整馈点位置，实现天线的阻抗匹配。

六、仿真过程
1、建模步骤，并确定大概尺寸 （1）设置单位、边界条件
单位 频率 边界条件 背景 mm GHz ns
4-8GHz
Open
Normal
表1 基本设置
（2）建立模型
根据计算结果进行建模，并添加同轴馈线，为了与实际情况更贴近，我们选择了，并且
有损耗的材料（Rogers RT5880(lossy)）作为天线的基板，然后进行仿真。

所建模型如下，
材料长(mm) 宽（mm）高（mm）基板Rogers RT5880(lossy) 50 50 1
接地板PEC 50 50 0.015 贴片PEC 34 34 0.015
表2 天线基本结构
材料半径(mm) 高（mm）同轴线内导体PEC 0.5 6
同轴线外导体PEC 1.72（内径）
1.80(外径)
5
同轴线填充介质Rogers RT5880
(lossy)
0.5(内径)
1.72（外径）
5 表3 同轴线基本尺寸
（3）设置端口
将同轴线的一端设置为端口，如下图，(4)
轴比
2、对结果进行优化
第一步，改变贴片切角的大小，通过轴比选择最佳切角大小
可以得到，当倒直角宽b=3时，效果最好
第二步，通过调整同轴线的位置，选择的值最好的位置安放同轴线
因为需满足中心频点在3GHz附近，小于-10dB的频带足够宽，由上图可知，当同轴线的位置是x=-6或-7时，的效果最好，所以将同轴线的位置确定在x=-6或-7。

通过之后的优化，发现x=-6
时轴比更好。

第三步，对贴片的长宽进行参量扫描，使中心频点尽量接近3GHz，轴比更小，进一步优化。

由上图可知，贴片的长宽都为32mm时，的效果最好，此时的轴比也非常小，轴比如下图所示，综上，圆极化微带天线的最终结构尺寸如下，
材料长(mm) 宽（mm）高（mm）切角度数
（°）倒直角宽（mm）
基板Rogers
RT5880(lossy)
50 50 1
接地板PEC 50 50 0.015
贴片PEC 32 32 0.015 45 3 同轴线的中心位置为x=-6，即同轴线的中心位置在基板的平分线上，且距离基板中心点6mm。

七、仿真结果与分析
1、H面方向图
2、E面方向图
2、反射系数
4、方向性系数
由上图可知，主瓣幅度，由方向性系数的定义可知，5、输入阻抗
6、效率
7、增益
8、波瓣宽度
波瓣宽度=83.2deg
旁瓣电平=-18.6dB
综上，可以看出各项电参数均符合天线的设计目标。

八、课程设计感想
通过本次课程设计，加深了我对微带天线的理解，提高了使用CST的能力。

在课设过程中遇到问题，小组成员互相帮助，从其他成员那里学到很多。

这也告诉我，在今后的学习过程中，要多向他人求教，可以帮助自己更好的学习知识。