一种新型微带贴片天线的优化设计

泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目一种新型微带贴片天线的优化设计
物理信息工程学院电子信息科学与技术专业 07 级 1班学生姓名何丽敏学号 070303041
指导教师余燕忠职称副教授
完成日期 2011年4月
教务处制
一种新型微带贴片天线的优化设计
物理信息工程学院电子信息科学与技术专业070303041 何丽敏
指导教师：余燕忠副教授
【摘要】：由于普通微带贴片天线效率低，为了提高贴片天线的效率，提出一种容易制作的新型微带贴片天线。

用HFSS 软件对它进行仿真，并对仿真的结果进行分析。

与普通贴片天线进行比较，该天线提高了增益、降低了天线回波损耗。

所提天线由于制作简单、性能优良，所以具有一定的实用价值。

【关键词】：微带贴片天线；HFSS；增益；回波损耗
目录
摘要 (1)
0. 引言 (3)
1. 微带天线的发展 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。

1.1概况 (5)
1.2发展趋势 ............................................................................................................................. 错误!未定义书签。

1.2.1小型化 (4)
1.2.2宽频带 (4)
1.2.3多功能 (4)
1.3应用 (4)
2. HFSS仿真软件 (5)
2.1 HFSS仿真软件基本功能 (5)
2.2HFSS仿真设计过程 (5)
3. 方案设计 (6)
4. 普通微带贴片天线设计过程 (6)
5. 正方形环缝的微带贴片天线设计过程 (7)
6. 圆形环缝的微带贴片天线设计过程 ................................................................................... 错误!未定义书签。

7. 两种环缝的微带贴片天线的性能比较 ............................................................................... 错误!未定义书签。

8.总结 ....................................................................................................................................... 错误!未定义书签。

致谢 . (19)
参考文献 (19)
英文摘要 (20)
0.引言
微带天线具有结构设计简单，容易制作，成本较低，体积较小，重量较轻，能与有源器件、电路集成统一的整体等优点[1]。

微带天线在近二十年来得到了广泛的应用，已用于大约100MHz～100GHz的宽广频带上，包括卫星通信、雷达、遥感以及便携式天线电设备上，并在未来的二十年有更广泛应用的趋势。

但是在实际应用中，由于存在回波损耗，使得微带天线的效率不是很高，不适合阵列天线的应用。

所以研究出增益高，回波损耗低的新型微带天线是非常有意义的。

1.微带贴片天线的发展
1.1 概况
微带贴片天线是微带天线之中最常见的形式，是在七十年代初期研究成功的一种新型天线，如图1所示。

微带贴片天线是在一个薄介质基上，其中一面附上金属薄层作为接地板，而另一面贴上一定形状的金属导体贴片。

通常利用的是微带线或同轴线一类馈线进行馈电，使得导体贴片与接地板之间激励产生了射频电磁场，并且通过贴片四周与接地板之间的缝隙而向外辐射。

它的基片厚度与波长相比相对来说一般很小，因而它能实现一维小型化。

与常用的微波天线相比，它有以下一些优点：体积较小，重量轻，低剖面，能与载体共形，它制造简单，成本低；在电器上的特点是可以得到单方向的宽瓣方向图，它的最大辐射方向在平面的法线方向上，易于和微带线路集成起来，易于实现线极化或者圆极化。

相同
结构的微带天线能组成微带天线阵，从而获得更高的增益以及更大的带宽。

所以微带贴片天线越来越得到广泛的应用与重视[2]。

图1 微带贴片天线
1.2发展趋势
1.2.1 小型化
微电子技术以及大规模集成电路的快速发展，使天线成为了电子设备中庞大、笨重部件的问题变得更加突出了，对能与设备的大小相互协调且具有效电性能的小天线的需求更加的迫切。

微带天线小型化的方法非常多，但都各具优缺点[3]。

当前主要应用于微带天线的小型化方法多是采用表面开槽，它的突出特点是频带窄，增益小，效率低。

而新材料的应用也颇受重视,比如高温超导(HTS)、光电子带隙(PGB)及有机磁性材料[4]等。

需要指出的是，天线尺寸的缩减往往是以性能作为代价的。

1.2.2 宽频带
微带天线属于一维小型化谐振式天线，它的Q值高，频带窄。

近些年来出现的U型槽贴片与双层贴片无论是在探针或者是槽孔耦合的馈电方式下都获能得高达40%的阻抗带宽[5]。

因为圆极化带宽一般大大低于阻抗带宽，常规的圆极化微带天线轴比带宽不足1%，因此制约圆极化微带天线频带的因素将会转化成增益和极化特性。

1.2.3 多功能
由于无线通信的飞速发展，使得在雷达、通信及定位系统等领域都非常需要双频/双极化微带天线，以此实现频率复用、天线共用和收发双工[6]。

当前，双频天线主要的实现目的是获得可控双频比的双宽频带特性这方面来的，双极化天线主要考虑的是隔离度和每种极化的交叉极化电平[7]。

1.3 应用
在许多实际应用中，微带天线的优点远远超过它的缺点。

同常规的微波天线相比，微带天线可以做成共形天线,并且由于不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上，另外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）。

在实际应用系统中，微带贴片天线已应用于移动通信、卫星通讯、多普勒及其它雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、便携装置、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、卫星导航接收机以及生物医学辐射器等领域，随着微带贴片天线技术的成熟，微带贴片天线将更加广泛的用于社会生活中的各个层次，为经济发展做出贡献。

2.HFSS仿真软件
2.1 HFSS仿真软件基本功能
高频结构仿真器( High Frequency Structure Simulator,HFSS)是一款界面非常友好、功能很完备、采用了有限元法的三维全波电磁场仿真软件。

它可以分析仿真任意一个三维无源结构的高频电磁场，可以直接得到特征阻抗、辐射场、S 参数及电磁场、传播常数、天线方向图等等结果。

它广泛的应用于航空、航天、计算机、电子、半导体以及通信等多个领域。

它具有如下功能:
（1）用户可以通过交互式界面输入高频元件或者是电路的几何尺寸结构、材料的类型、端口的位置、端口的特性阻抗定义线等等参数。

（2）可以按用户所指定的精度计算出多端口结构端口处S 参数的值。

（3）能以磁场强度H和电场强度E作为基本的物理量, 由麦克斯韦( Maxwell) 方程出发, 求解出微波元件中的磁场和电场的分布，以及各种曲线和图形。

（4）能和频域/ 时域的电路仿真器Nexxim 和Ansoft Designer 实现了动态的链接, 拥有方便的原理图集成以及仿真数据的管理, 具备了功能强大且高效的电磁场设计流程。

（5）可以同时对多个微波元件进行分析, 即进行并行处理[9]。

2．2 HFSS 仿真设计的过程
（1）设置HFSS 软件运行参数, 如设定解算类型、单位、是否复制它的几何图形边界、是否要打开各个工具窗口等等。

（2）打开新的工程, 并且在工程中插入一个也可以是多个HFSS 设计( insert HFSS design)。

（3）再根据天线设计的技术指标以及计算得到的各个天线参数, 比如天线的尺寸、材料、激励、边界等参数，获得仿真天线的模型[10]。

（4）设置仿真天线模型的各个分析参数, 比如插入远场设置、扫频模式、中心频率、起始频率、终止频率、扫描次数，然后进行校验分析。

( 5) 根据仿真出来的天线模型可以获得天线对应的特性图, 如方向图、S参数图、输入阻抗图等。

3.方案设计
本文设计的是一种容易制作的新型微带贴片天线，在普通微带贴片天线的基础上，在金属的底板上开两个正方形环缝，对仿真结果进行分析；然后把正方形环缝更改为圆形环缝，进行结果分析并且给出比较分析结果。

4.普通微带贴片天线设计过程
本文设计了一个右手圆极化天线，此天线是通过微带结构来实现的，中心频率设为2.45GHz。

选用Roger R04003介质板，它的相对介电常量为3.38，其厚度为5mm[11]。

先对微带贴片天线的贴片及馈电进行建模，其次设置端口和边界等条件，最后生成了如图4-1所示的三维方向图的仿真结果。

图4-1 普通微带天线结构仿真图
天线的回波损耗曲线如图4-2所示，也即为S11的曲线图，由图可知在频率为2.38GHz时,得到了最小回波损耗,其值为-12.9dB。

图4-2天线的回波损耗图
图4-3 3D增益方向图
普通微带贴片天线的3D增益方向图如图4-3所示。

由图可以看出该微带贴片天线的辐射最大方向为平面方向，即正Z方向，增益可达到7.5dB，而且还可以得到该方向的宽方向图。

5．正方形环缝的微带贴片天线设计过程
在图4-1的基础上，在金属底板上加开了两个正方形环缝，如图5-1所示，大正方形的边长为6mm，按一定的值改变小正方形的大小，形成不同大小的环缝。

图5-1正方形环缝的仿真图
图5-2 正方形环缝为1.0mm的S11图
图5-3 正方形环缝为1.5mm的S11图
图5-4 正方形环缝为2.0mm的S11图
图5-5 正方形环缝为2.5mm的S11图
图5-2所示的S11的曲线图，正方形环缝为1mm时，它的谐振频率为2.35GHz，得到的最小回波损耗值为-13.84dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了0.94dB。

图5-3所示的S11的曲线图，正方形环缝为1.5mm时，它的谐振频率为2.36GHz，得到的最小回波损耗值为-14.53dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了1.63dB。

图5-4所示的S11的曲线图，正方形环缝为2mm时，它的谐振频率为2.35GHz，得到的最小回波损耗值为-14.56dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了1.66dB。

图5-5所示的S11的曲线图，正方形环缝为2.5mm时，它的谐振频率为2.35GHz，得到的最小回波损耗值为-13.56dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了0.66dB。

由以上四个图可以看出，新型贴片在底板上开正方形环缝可以降低天线的回波损耗。

但是降低程度的大小和缝的大小是有关系的，并不是缝开得越大其回波损耗就会降得越低。

正方形环缝从小开始逐渐增大时，其回波损耗慢慢的在降低。

当正方形环缝为2mm左右时，其回波损耗值降到最小。

然后随着环缝继续增大，回波损耗值又逐渐变大。

图5-6 正方形环缝为1.0mm的3D增益方向图
图5-7 正方形环缝为1.5mm的3D增益方向图
图5-8 正方形环缝为2.0mm的3D增益方向图
图5-9 正方形环缝为2.5mm的3D增益方向图
图5-6所示的3D增益方向图，正方形环缝为1mm时，它的增益为5.78dB，比图4-3比没有进行底板开缝时的增益小了1.72dB。

图5-7所示的3D增益方向图，正方形环缝为1.5mm时，它的增益为5.81dB，比图4-3比没有进行底板开缝时的增益小了1.69dB。

图5-8所示的3D增益方向图，正方形环缝为2mm时，它的增益达到了7.52dB，比图4-3比没有进
行底板开缝时的增益大了0.02dB。

图5-9所示的3D增益方向图，正方形环缝为2.5mm时，它的增益为5.81dB，比图4-3在没有进行底板开缝时的增益小了1.49dB。

由以上四个图可以看出，新型贴片在底板上开正方形环缝在大部分情况下不能提高天线的增益，还在一定程度上使其降低。

但当正方形环缝为2mm左右时，增益有了微小的提高。

综合考虑了回波损耗与增益值的情况，得出当正方形环缝为2mm时达到最佳，其增益值提高了0.02dB，回波损耗降低了1.66dB。

6.圆形环缝的微带贴片天线设计过程
在图4-1的基础上，在金属底板上加开了两个圆形环缝，如图6-1所示，大圆的直径为6mm，按一定的值改变小圆的大小，形成不同大小的圆形环缝天线。

图6-1圆形环缝的仿真图
图6-2 圆形环缝为1.0mm的S11图
图6-3 圆形环缝为1.5mm的S11图
图6-4 圆形环缝为2.0mm的S11图
图6-5 圆形环缝为2.5mm的S11图
图6-2所示的S11的曲线图，圆形环缝为1mm时，它的谐振频率为2.37GHz，得到的最小回波损耗值为-13.88dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了0.98dB。

图6-3所示的S11的曲线图，圆形环缝为1.5mm时，它的谐振频率为2.38GHz，得到的最小回波损耗值为-13.6dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了0.7dB。

图6-4所示的S11的曲线图，圆形环缝为2mm时，它的谐振频率为2.37GHz，得到的最小回波损耗值为-13.56dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了0.66dB。

图6-5所示的S11的曲线图，圆形环缝为2.5mm时，它的谐振频率为2.37GHz，得到的最小回波
损耗值为-13.92dB，比图4-2在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了1.02dB。

由以上四个图可以看出，新型贴片在底板上开圆形环缝可以降低天线的回波损耗。

而降低程度的大小和缝的大小有关系。

圆形环缝从小开始逐渐增大时，其回波损耗慢慢的在降低。

当圆形环缝为1mm 时，其回波损耗值降低了0.98dB。

然后随着环缝继续增大，回波损耗值还是有所降低，但是比圆形环缝为1mm时所降低的数值小。

当圆形环缝增大到2mm时，其回波损耗值达到最小，比未开缝的回波损耗值降低了1.02dB。

图6-6 圆形环缝为1.0mm的3D增益方向图
图6-7 圆形环缝为1.5mm的3D增益方向图
图6-8 圆形环缝为2.0mm的3D增益方向图
图6-9 圆形环缝为2.5mm的3D增益方向图
图6-6所示的3D增益方向图，圆形环缝为1mm时，它的增益为5.76dB，比图4-3比没有进行底板开缝时的增益小了1.74dB。

图6-7所示的3D增益方向图，圆形环缝为1.5mm时，它的增益为5.76dB，比图4-3比没有进行底
板开缝时的增益小了1.74dB。

图6-8所示的3D增益方向图，圆形环缝为2mm时，它的增益为5.79dB，比图4-3比没有进行底板开缝时的增益小了1.71dB。

图6-9所示的3D增益方向图，正方形环缝为2.5mm时，它的增益为5.77dB，比图4-3比没有进行底板开缝时的增益小了1.73dB。

由以上四个图可以看出，新型贴片在底板上开圆形环缝在的情况下不能提高天线的增益，还在一定程度上使其降低了。

7.两种环缝的微带贴片天线的性能比较
对比正方形环缝贴片天线和圆形环缝贴片天线，由S11图可知，正方形环缝贴片天线回波损耗最大值可以降低了1.66dB，而圆形环缝贴片天线回波损耗最大值只能降低了1.02dB。

由3D增益方向图可知，正方形环缝贴片天线在其缝为2mm时，增益有了微小的提高，而圆形环缝贴片天线降低了天线的增益。

综合考虑回波损耗和增益两个参数，正方形环缝贴片天线更具优势。

8.结论
在底板开缝的新型微带贴片天线回波损耗比普通贴片天线大大降低了。

该天线的制作简单，其性能优良，具有一定的工程应用价值。

致谢
本次毕业设计是在我的导师余燕忠副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。

他为我指明了论文的方向和框架，在遇到问题时认真为我解答，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

我在此对余老师表示最衷心的感谢。

同时还要感谢平时对我寄予帮助和鼓励的同学们。

参考文献
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Optimal Desgin of a Novel Microstrip Patch Antenna
Physical Information Engineering Institute Science and Technology of Electronic Information 070303041 He Limin faculty adviser Yu Yanzhong associate professor
[Abstract]As the efficiency of the microstrip patch antenna is low. In order to improve its efficiency, a novel easily-fabricated microstrip antenna is proposed in this paper. Its electrical performances are calculated and analyzed by employing the HFSS .Compared with ordinary patch antennas, it has higher gain and lower return loss. The proposed antenna has certain practical application value, due to easy fabrication and good performances.
[Key words]Microstrip patch antenna; HFSS; Gain; Return loss
20。