433MHz小型微带天线的研究

宁波理工学院

毕业论文（设计）开题报告

题 目 433MHz 小型微带天线的研究

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第1章文献综述

433MHz小型微带天线的研究

1.1 引言

随着无线通信技术的不断进步，无线通信设备开始朝着小型化、宽频段方向发展，具有轻、薄、短、小等特性的宽带无线产品将成为今后的主流。天线作为无线通信系统的门户，将对无线通信系统的性能产生最直接的影响。传统的偶极子天线尽管具有较好的传输特性，但其尺寸规格已无法适应小型化的发展趋势。微带天线体积小、质量轻、成本低、容易制造并且可以直接和射频微波电路集成，具有很大的实际应用价值，己成为天线研究中的热门主题之一。

1.2 国内外研究现状

1887 年著名物理学家赫兹设计并制造出第一对天线，从那以后在缩小天线的几何尺寸上，人们有着持续而浓厚的兴趣。在第二次世界大战期间，由于战争的需要，降低高度和约束尺寸的天线得到了发展。自那时以来，对缩小天线的尺寸提出了越来越高的要求。上世纪60 年代，在工程应用中，对天线提出的要求有：

1) 飞机天线——较低的空气阻力；

2) 车辆天线——隐蔽性和机动性；

3) 雷达天线——减小平台的反射；

以上的要求都与缩小天线的尺寸有关，于是各式各样的专用小辐射器应运而生。上世纪70 年代，由于集成半导体技术的迅速发展，各种电子设备趋于小型化，此时天线便成为了无线通信系统中最笨重的部件。于是，匹配技术和自谐振技术得到了发展，这两种技术不但缩小了天线的尺寸，而且不影响天线的带宽和效率。值得一提的是，缩小了天线的尺寸，会引起天线的某种或某些性能的下降。所以在设计过程中，要充分结合天线具体的工作情况，不能一味地追求小型化，而忽略了天线其他重要的性能。上世纪80 年代，将天线合成到无线通信设备内

部成为了一个很有吸引力的建议，并且在一些无线接收设备中得以实现。上世纪90 年代至今，无线通信技术和电子技术得到了迅猛发展，传统的天线已经跟不上无线电子设备的小型化的步伐。

微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种新型天线。和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，制造简单，成本低；电气上的特点是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，易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。因此微带天线得到愈来愈广泛的重视。微带天线分为三大类：微带帖片天线，微带缝天线，微带行波天线。此外，微带贴片天线是指谐振式微带贴片天线。这种天线最大的特点是效率高，但阻抗频带较窄。微带缝天线的带宽比微带贴片天线要宽，特别是宽矩形缝。但此天线在要求单方向辐射时，厚度比贴片天线要大。另外，分析和设计这种天线要比贴片式天线困难些，限制了其应用范围。微带行波天线可以获得比较大的带宽，但这种天线的效率较低，并且在分析方法上还不很成熟，因此其应用范围不很广泛。微带贴片天线以其相对效率高，分析方法成熟而得到广泛的应用。但由于这种天线的带宽较窄，使其应用受到限制。

目前，微带天线小型化技术的理论水平和技术条件还有待提高，在一定程度上制约了微带天线的发展。微带天线尺寸的减小通常引起天线性能的下降。比如天线的带宽会减小，天线的表面波会增加，天线的增益会降低等等。

在微带天线设计的仿真领域中，开法了很多商业电磁仿真软件，比如HFSS，ADS，CST等等。这些软件应其友好的图形界面、丰富的参数转换和图表输出功能，极大地提高了天线设计的效率，缩减了天线开发的周期。在微带天线的实际应用中，小型化微带天线已经广泛地应用在个人通讯系统(PCS)、无线局域网络(WLAN)、全球定位系统(GPS)和射频识别系统(RFID)等领域中。

1.3宽带微带天线

天线的各项电参数，包括：输入阻抗、天线方向图、天线增益、极化特性和波束宽度等，都与频率有关，是针对某一工作频率而设计的。当天线的工作频率偏离设计频率时，天线的各项电参数会产生相应的变化，如：输入阻抗和极化特

性变差，主瓣宽度增大，旁瓣电平增高，增益系数降低等。在实际应用中，天线并非工作在一个固定的频率点，而是有一定的频率范围。当工作频率发生变化时，天线的相关电参数不超过规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称天线的带宽。天线带宽的定义有两类：绝对带宽和相对带宽。绝对带宽的定义为：

（1.1）

其中，和分别为-10dB点的最高和最低截止频率。

相对带宽有多种表示方法，在通信领域常用的相对带宽指系统绝对带宽与中频

之比。中频表示系统的工作频段，它是高、低截止频率的算术平

均值，即：（1.2）相对带宽定义为: （1.3）

这一定义常用在窄带通信和雷达系统中。另外一种常用的相对带宽表示方法为高低端频率比，即：

（1.4）

这一表示方法常用于宽带通信领域中。一般而言，相对带宽<1％的为窄带；

1％<相对带宽<20％的称为宽带；相对带宽>20％的称为超宽带。

宽带天线作为天线家族的一个重要分支，正越来越受到人们的重视，通信系统对宽带天线的需求也迅速增加。经典的宽带天线类型有多种，包括频率无关天线(螺旋天线、对数周期天线)、双锥天线、V锥天线、TEM喇叭天线、波纹喇叭天线等。尽管上述这些天线能提供足够大的带宽，但是受其重量和体积结构等方面的限制，较难实现小型化。

微带天线经过几十年的发展，已经在很多领域内广泛使用。根据其辐射元类型不同主要分为微带缝隙天线和微带贴片天线两大类。宽带微带天线除了能提供系统足够大的通信带宽之外，还具有以下优点：

(1)剖面低

微带天线的介质基片可以做得很薄，厚度一般在0．5—2ram之间。天线可以

很容易地安装在飞机、火箭、卫星等空间飞行器的表面，既不会妨碍外部的空气动力学和力学设计，也节省了飞行器内部的空间。因此，这种类型的天线非常适合于空间飞行器使用。

(2)尺寸小、重量轻

由于微带天线的剖面低，在相应工作频率下的尺寸规格约为自由空间的

(为介质基片的介电常数)[4]，而且介质基片的比重较小，馈电网络、滤波网络、开关网络等微波器件都可以集成在天线基片上。因此和其他类型天线相比，它的尺寸较小、重量轻。

(3)易于安装、成本低

微带天线的馈电位置可以在基片的侧面，也可以在基片的底部。因此，当其安装在设备表面时，只需在表面开一个小洞，引出馈线即可，这给安装带来了极大的方便。微带天线采用的介质基片一般为聚四氟乙烯(FR41，采用的制作工艺为日趋成熟的微波集成技术，同其他类型的天线相比，显然要经济的多。

(4)设计灵活、多样化

微带天线结构简单，容易集成的特点，使微带天线的设计非常灵活、多样化。从方向图特性来看，单个微带天线产生类似末端开口波导天线的方向图，如果将微带天线单元组阵缠绕于飞行器表面时，就可以得到作为遥测天线经常需要的全向辐射方向图。从工作频段来看，改变矩形微带贴片天线馈线所在的边，就可以做成双频天线。从极化方式来看，只需通过简单的馈电网络设计，就可以使正方形、圆形微带天线产生圆极化波。从阵列角度看，将一定数量的辐射单元组阵，配合同一介质基片上的功分器、移相器及相应的数控元件，就可以实现电扫描微带相控阵列天线。

1.4 微带贴片天线研究

微带贴片天线具有微带天线的一系列优点，但它的主要缺陷是频带宽度较窄，一般而言，微带天线是窄带天线，因此许多学者、工程师一直致力于扩展微带天线频带宽度的研究。经过多年的努力，它的缺陷正在被逐步克服。采用新的材料、新的制造工艺、新的结构、新的分析软件等技术，使微带天线的频带宽度得到了很大的提高和扩展。

微带贴片天线是一种谐振式天线，它可以等效为一个高品质因素的谐振电路，其带宽计算公式为

（1.5）

其中，为品质因素，形R为电压驻波比，可以用反射系数来表示：

（1.6）由公式可见，微带天线的窄带特性是由值较高造成的，即存储于天线中的能量比向外辐射的能量和损耗的能量要大的多。因此，展宽微带贴片天线带宽的基本途径是降低等效谐振电路的值。具体方法包括：

(1)改变贴片形状

将传统的矩形、圆形贴片天线的贴片分别改为矩形环、圆环，通过贴片形状的变化，使得天线等效谐振电路的Q值降低，贴片和地面之间储存的能量减少，向外辐射的能量增加，从而使天线获得更大的带宽。

(2)贴片开槽

在矩形贴片中挖去一个U型槽孔，使天线上的电流分布不同于常规的矩形贴片天线。电流路径长度的增加，使天线产生一个比常规矩形贴片谐振频率较低的谐振点，从而扩展了天线的带宽。通过这种方法，可以将天线的带宽(VSWR≤2)提高至40％，在圆形贴片和三角形贴片中挖去槽孔也有同样的效果。

(3)阻抗匹配法

改善天线阻抗带宽的最直接方法是在天线输入端引入匹配网络。一般的微带天线使用微带或探针馈电，当介质基片较厚时，输入阻抗的电感性增加，为了抵消输入电感，可以在馈电电路中串入电容性元件。通过匹配网络法可以得到近30％的带宽提升。

(4)增加寄生单元

通过引入寄生贴片单元增加谐振点，利用类似交错调谐的方法，使其位于原先的谐振频率附近，以此拓宽天线的工作频带。常用的寄生贴片单元为2—5个，每一个贴片的大小尺寸不同因而其谐振频率也不同，通常只有中心的贴片单元是

直接馈电，其他的贴片则通过不同的耦合方式实现馈电，如：辐射边耦合、非辐射边耦合、四边耦合等。这种增加寄生单元的方法，可以将微带天线的相对带宽拓展至25％以上，是目前改善微带天线阻抗带宽最常用的方法。这种方法的缺点是使天线的面积增加，在具体应用上会有较大限制，此外由于增加的寄生贴片在结构上往往不对称，导致天线工作频带内的辐射方向图稳定性较差。

(5)多层耦合馈电

为了使微带天线在拓展频带的同时，保持其原先的大小，提出了多层耦合馈电的方法。多层耦合馈电的方式有两种，第一种结构通过多层贴片间的耦合提高带宽，天线底层为接地面，接地面上层为同轴馈电的有源贴片，有源贴片上面为寄生贴片，相邻两层金属贴片之问为介质基片，这种方法可获得30％以上的相对带宽。另一种结构采用孔径(缝隙)耦合的方式，微带线通过孔径，将能量耦合给另外一面的贴片。通过调整孔径两侧介质基片的介电常数和优化孔径的大小来获得最佳的带宽，最高可达70％以上。多层耦合馈电的微带天线，不增加天线的面积，且具有比较稳定的辐射方向图，缺点是增加了天线的厚度。

1.5结束语

通过对一些中国文献的阅读以及在对外国文献进行翻译后的阅读，我了解了天线整个家族的发展历史，以及现代社会对设计天线的不断创新的同时，也在不断的提出新的要求。微带天线的研究，近几年越来越显得火热，而且现在已有多种在一定频率，有好的增益的条件下减小天线尺寸的方法，为我的研究提供了许多的思路。

参考文献

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第2章开题报告

433MHz小型微带天线的研究

2.1研究背景和意义

天线是无线通信系统中不可或缺的组成部分，是电磁波的入口和出口，是无线通信的桥梁。作接收天线时，它负责将自由空间中的电磁波转换为时变电流。作为发射天线时，它则将传输线上的时变电流转换成电磁波辐射出去。

随着无线通信技术和电子技术的发展，日常生活中的无线电子产品变得越来越小，越来越薄，越来越轻，而功能变得越来越强大。所以在设计无线产品的时候，留给天线的空间也就越来越少了，而且对天线的功能提出了更高的要求。目前市场上的无线电子产品，例如手机、无线路由器、对讲机、遥控玩具等等种类繁多，琳琅满目，竞争非常激烈，而体积小巧，方便随身携带的产品更容易得到客户的注意。因此无论是技术还是市场，都要求无线电子设备往小型化发展。天线的小型理论技术还不够成熟，跟不上电子设备小型化的步伐，经常成为无线电子产品体积缩小的瓶颈。

微带天线因其具有体积小、质量轻、成本低、加工方便等特点，被广泛地应用于移动通信、航空航天、及雷达等领域中。传统的微带天线的尺寸是工作波长的一半，这在实际应用中是远远不够的，例如手机的工作频率大概在1GHz 左右，而其半波长达到了150mm，而一半手机的尺寸都在100mm 以内。因此如何利用已经掌握的天线理论和天线小型化技术来实现微带天线的小型化成为了微带天线研究领域中的热门课题。

2.2 设计目标

设计一款工作频率为433MHz的小型化天线，将天线的尺寸缩小到卡片级的同时，还要求其有较好的增益，最后模型通过仿真软件验证和测试。缩小无线设备尺寸，提高无线设备的整体性能已经成为市场需求。这些都需要高性能的小型

化天线做支撑。而微带天线具有剖面低、重量小轻、体积小、加工，简单以及易与集成等优点，被广泛地应用于无线通信领域。设计一款工作频率为433MHz的小型化天线，在设计天线中最大的难点就是将工作频率为433MHz的天线的尺寸缩小到卡片级的同时，还要求其有较好的增益。

2.3 HFSS软件

HFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件。HFSS广泛地应用于航空哦安、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域。它具备仿真精度高，可靠性强，仿真速度快，稳定成熟的特点，使其成为业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。

HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：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；3) S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。

2.4微带天线基本原理

2.4.1微带天线的基本结构

传统微带天线是在介质基板的两面镀上金属，在其中一个面上应用印刷制版或微波集成工艺做成天线辐射单元，另一面作为接地板。微带天线的基本结构如下图所示，由接地板、介质基板以及辐射贴片三个部分组成。辐射贴片的形状除了下图所示的矩形外，还有其他任意形状，例如方形贴片、环形贴片、三角形贴片以及圆形贴片等等。微带天线的介质基底通常选用介电常数适中和介质损耗较低的材料。这样可以增强产生辐射的边缘场，提高带宽和增益。

图2.1微带天线基本结构

2.4.2 微带天线辐射原理

不管微带天线采用何种形状的辐射贴片，其辐射原理都是一样的。微带天线可以近似看成是一段开路的微带线。沿着微带线传输的时变电流由于开路微带线的不连续，而在开路边产生辐射。

图a是宽为W，长为L，厚度为h()的矩形微带天线。矩形微带天线的长度L 为二分之一工作波长(0.5 )，电磁波在微带线内以驻波的形式分布，W 边的终点和起点形成波腹，天线工作在模式。由于天线厚度可以忽略不

计，可以认为内场分布和厚度无关。接地板和贴片内场分布可以近似地表示成：

（2.1）

微带天线的辐射主要由贴片和接地板之间的四个窄缝产生，可以用面磁流来等效窄缝产生的辐射，等效的面磁流密度为：

（2.2）

为z 方向的单位矢量,是辐射缝隙的外法线单位矢量。从图a可以直观地看到

两个L 边上的磁流分布是一样的，而每条L 边上的磁流分布是反向对称的，刚好相互抵消，所以L 边产生的辐射可以忽略不计。图b是W 边的磁流分布，其分布与L 边的分布刚好相反，是同向分布的。所以W 的辐射场会同向相加，形成最大值。

(a)L 边磁流分布 (b)W 边磁流分布

图2.2矩形微带天线辐射原理图

2.4.3微带天线的馈电方式

(1) 微带馈电

由于即经济又简单，微带馈电成为了微带天线最常用的馈电方式。但是因为馈电线本身也会产生辐射，会影响到天线的性能。

(2) 同轴馈电

用同轴馈电时，同轴线的外导体与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基板与辐射贴片相连，所以同轴馈电可以根据需要选择贴片上的任意位置。由于同轴电缆接在接地板的下方，不会像微带馈电那样干扰到贴片的辐射。但是同轴馈电需要在介质基板上打孔，所以加工起来比较繁琐。

(3) 电磁耦合型馈电

电磁耦合型的馈电方式与微带馈电和同轴馈电都不同。它不需要与辐射贴片接触，就能进行馈电。由于接地板与贴片的距离增加了，天线的带宽也有所增加。结合实际情况，选择最佳的馈电方式，既能够提高天线性能，也能缩小天线尺寸。

2.5 微带天线的小型化技术

微带天线的小型化技术研究主要是指：在所要求设计的天线的工作频率已经确定的情况下，由真空中光速的传播定理和频率的关系可知，天线的尺寸大小就随之可以确定了。然而我们却要尽可能地保证天线某些重要性能不改变的情况下，去使微带天线的尺寸大小明显减小，由前述可知，微带天线的尺寸大小明显减小使很多性能恶化(频带更窄，增益更低等)。所以研究人员在尽可能在减小天

线尺寸的同时使微带天线的很多重要性能参数大体上不改变。现在已经有非常多的研究所和高等院校在从事这方面的课题研究。目前已经有很多有效的方法可以实现微带天线的小型化，常用方法有：利用高介电常数的介质基板，利用短路线，短路面，短路壁加载，甚至在贴片和地板开槽，以此增加电长度从而有效地减小天线尺寸等。这些方法简单而且效果显著，成了目前主要采用的方法。

2.5.1 高介电常数基板法

我们常常用到的微带天线大多数都是利用矩形介质基板制作，即我们常常所说的矩形微带天线，因为其制作比较容易，成本非常低，而且理论分析也相对比较成熟，所以在微带天线在应用中最常用，应用范围最广。当谐振频率已经固定，那么天线的尺寸大小和介质基板的介电常数之间的关系可以如下式表达：

（2.3）

对于实际应用中具有不同要求的微带天线，在工作频率已经固定的情况下，由真空中光速的传播定理和频率的关系可知，天线的尺寸大小就随之可以确定了，我们可以根据上式知道，当频率已经固定的情况下，天线的尺寸大小与介质基板的介电常数平方根成反比，所以只要增加了介质基板的介电常数，那么天线的尺寸大小就将降低，从而方便地使天线实现小型化的目的。但是任何事物都不是完美的，因为高介电常数材料制作的基板，天线的等效谐振电路品质因数值比较高，介质基板对场的“束缚"明显增大，使得天线阻抗频带宽度明显变窄。同时高介电常数材料制作的基板，其效率也不高。因为基板材料消耗了很大的能量所以导致微带天线的增益不高。

2.5.2短路加载法

利用微带天线短路加载技术，也可以很有效方便地实现天线的小型化。因为天线设计的本质是改变天线的电流特性，利用加栽短路壁，短路面，短路钉等，可以使天线上的电流发生改变，同时亦可以加载电阻引入人为的欧姆损耗而增加带宽，而且加栽短路面亦可以使天线带宽得到扩展。所以加栽短路技术是非常有

用的小型化技术之一。

利用矩形介质基板的微带天线，我们一般认为其在半波长处谐振，那么辐射贴片两边的端点等效就可以等效为是开路电压点，贴片表面大致的电流分布可以如下图(a)所演示，在两端点都是开路点，其中间点可能就是短路点，若是我们能精确地找出这一点，即可以实现从开路到短路，这样就使微带天线的贴片面积减小一半，在下图中 (a)所演示，圆点即为对地的短路点，如下图(b)所演示，若是找出了对地的短路点，天线贴片面积就减半了。比较图 (a)和图 (b)得知，利用短路加载技术，只要找到了对地的短路点，即可以使天线的贴片面积减小一半，从而有效地实现天线的小型化。

（a）矩形微带天线大体上的场分布 (b)2／4波长贴片短路加载的矩形微带天线

图2.3 利用短路点加载法的天线前后比较图

2.5.3曲流技术

曲流技术就是我们通常所说的开槽技术，既可以在地板上开槽也可以在贴片上开槽。贴片上开槽主要是指在所要求设计的天线的工作频率已经确定的情况下，由真空中光速的传播定理和频率的关系可知，天线的尺寸大小就随之可以确定了。天线的电长度与频率成反比，电长度越长，频率就会相应地降低，若是通过某种方法延长了电流长度，那么谐振频率就降低了，在固定天线尺寸的情况下，使天线的实际工作频率降低下，也就是说固定天线尺寸，利用开槽技术使天线工作于更低频率，从而实现了小型化的目标。研究天线的实质也就是改变其表面的电流特性。在贴片上开槽，可以延长和改变电流在贴片的传播路径，从而增加了天线的电长度，使天线体积进一步减小。地板开槽原理亦如此。下图所演示的是

微带矩形天线的开槽技术。在矩形微带贴片开槽(SLOT)从而使矩形贴片在尺寸已经固定情况下，天线的电长度与频率成反比，电长度越长，频率就会相应地降低，若是通过某种方法延长了电流长度，那么谐振频率就降低了，在固定天线尺寸的情况下，使天线的工作频率降低下，也就是说固定天线尺寸，利用开槽技术使天线实际工作于更低频率，从而很方便有效地实现了天线的小型化的目的

图2.4 矩形微带天线开槽增加电流路径

查阅大量的文献资料，发现了一种同时既使用顶部贴片曲流开槽技术，又使用短路销钉加载技术所设计的天线。这样天线的小型化效果将更好。同时也可以实现宽频带。下图所演示，在贴片上开了三条槽，这样就延长了表面电流长度，那么谐振频率就降低了，再利用短路加载技术，只要找到了对地的短路点，即可以使天线的贴片面积再减小，从而更好有效地实现天线的小型化。所以开槽技术结合短路技术，可以使天线大小得到更大程度的减小，同时还可以实现宽频带。地板开槽(SLOT)技术就是指地板在尺寸已经固定情况下，天线的电长度与频

率成反比，电长度越长，频率就会相应地降低，若是通过此种方法延长了电流长度，那么谐振频率就降低了，所以在固定天线尺寸的情况下，使天线的工作频率降低下，也就是说固定天线尺寸，利用地板开槽技术使天线工作于相对更低的频率，下图所演示的是接地板上开槽实现天线小型化的方法。

图2.5 同时采用短路加载和曲流方法的天线

2.6设计思路

因为要设计的一款工作频率为433MHz的卡片级微带天线，卡片的形状一般都是为矩形的，所以最后设计出的天线的形状也应为矩形，所以设计的天线符合矩形微带天线辐射贴片的尺寸估算。

设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为,

对于工作频率的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W，

即为：， c是光速, (2,4)。辐射贴片的L长度一般取为；这里的是介质内的导波波长，即为：

（2.5）式中，是有效介电常数

（2.6）要设计的中心频率为433MHz，采用的介质基片为厚度,介电常数的FR4环氧树脂板。所以根据上述公式，可以计算出：

辐射贴片宽度: W=570mm

辐射贴片长度：L=329mm

有效介电常数：

从计算结果可以看出，天线的尺寸比要求的大得多，所以对微带天线必须进行小型化设计。

方案1:高介电常数基板法

由于天线的尺寸比要求的大得多，假如要靠提高基板的介电常数了减小天线的尺寸，那么理论上算出的值会很大，先不说在自然界中能不能找到这种介质以及提高基板介电常数后对天线的影响，就是往经济效益方面考虑，也不值的。方案2：短路加载法

通过在微带辐射贴片加入接地短路片，改变天线上的电流，使得微带天线结构类似于倒F微带贴片天线，减小了天线尺寸。

倒F天线的结构如图4.1所示，由长为L的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线并联而成。其中，开路端到馈点可以等效成电阻和电容的并联，（相当于负载，谐振时开路）短路端到馈点可以等效成电阻和电感的串联（谐振时短路）。当天线谐振时，电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分，而馈电支路基本无电流分布。

在进行倒F天线设计时，主要有3个结构参数决定着天线的输入阻抗、谐振频率和天线带宽等性能。这个结构参数分别是天线的谐振长度L、天线的高度H以及两条直臂之间的距离S。通常，L和H的长度之和约为1/4个工作波长。而对于印制倒F天线，因为天线的辐射贴片是刻在PCB介质层上的，所以L和H 的长度之和以般介于1/4个自由空间工作波长和1/4个介质层导波波长之间。所以在设计时，可以通过下面的经验公式给出其初始值。

其中，是介质板材的介电常数，是自由空间波长。

经上述公式得出

图4.1 倒F天线结构

方案3：曲流技术

通过对微带天线的辐射贴片开槽处理，使得在固定天线尺寸的情况下，延长了电流长度，从而降低了谐振频率，所以可以通过这一技术对天线小型化处理。

图4.2 多种开槽方案

综上所述，同时采用短路加载和曲流方法，能跟好的小型化天线。

2.7 进度安排

参考文献

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第3章外文翻译

使用U形寄生元件的宽带微带贴片天线

Sang-H yuk Wi, Yong-S h I k Lee, and Jong-G wan Y o ok

文摘：本文提出了一种了使用U形寄生元件的宽带贴片天线，把两个寄生元件分别并入长度和宽度是和的长方形贴片辐射边缘，目的是为了实现以

相对小的天线尺寸达到高带宽的效果。通过水平或垂直间隙实现了主体贴片和U 形寄生贴片之间的耦合，而宽带阻抗匹配是发现这些间隙的主要因素。通过在一个小尺寸的接地平面（20mm×30mm）上设计和制作该天线小型收发器的申请后，用FR4基板所制作出了该天线，并显示出了27.3％（1.5GHz），以5.5GHz为中心频率的阻抗带宽，所测量的辐射方向图类似于一个每谐振频率拥有略高增益为6.4分贝和5.2分贝的常规贴片天线。

关键词：寄生贴片天线、U型寄生贴片、宽带宽。

1引言

拥有小型化、多功能特性的无线通信系统的需求促进了小尺寸多频段和宽带天线的发展，而微带贴片天线因为其具有小型化、低剖面、重量轻和良好的经济效益而被广泛的应用于这一方面。但是，微带贴片天线其工作带宽是有限的，而且它的工作带宽比较窄。

我们有很多众所周知的方法来增加天线的带宽，包括增加基板厚度，使用低的电介质基板，使用各种各样的阻抗匹配及馈电技术，使用多个谐振器，以及使用几何结构的槽形天线。然而，每个天线的带宽和尺寸大小通常具有相互冲突和制约的特性，即改进天线的某一个特征，通常的结果是降低天线其他方面的效果。

最近，有人提出了几种技术提高天线的工作带宽，在一种U形贴片，有U 形凹槽贴片或L形探针馈电贴片天线的不等臂上利用短路引脚或短路墙，以小尺寸的天线实现了宽带宽和双频段阻抗带宽。

在这项工作中，有一个关于微带贴片天线采用寄生元件的研究，把两个U

微带天线CAD1

微带天线CAD (1) 一、微波传输线与微带天线 §1.1 微波传输线 传输线：同轴线(双导线)，波导，微带线 天线：线天线喇叭天线微带天线 所谓的传输线是传播微波能量的，天线是用来辐射能量的。只要能传播微波 能量，就能设计成专业的天线用来辐射能量！天线所辐射的能量就是来自于传输 线，因此，将微波传输线的形状改变就能够设计成为天线！也正因为如此，每种 传输线都对应于一系列的天线形式。例如：用双导线和同轴线设计的线天线；用 波导设计的喇叭天线以及抛物面天线；用微带线设计的微带天线，等等。 这里我们主要讲述微带天线的CAD。 §1.2 微带传输线 微带线由一条宽度为w的导体带和背面有导体接地板的介质基片构成(如图1—1所示)。导体带宽度为t，介质基片厚度为h，相对介电常数为rε。 ε=1 表示的是什么？空气介质！近年来，以空气为介质的微带天线在基r 站天线中得到了广泛的应用，例如：西安华天。

微带线是一种开放线路，因此它的电磁场可无限延伸。这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（由空气和介质)构成。我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场——TEM 模。现在由于空气—介质分界而的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量(包括纵向分量)的混合模。不过，当频率较高，微带宽度w 和高度h 与波长可相比拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。其最低模TEl0的截止波长为： (1-1) 04h 是计入边缘效应后的等效宽度的延伸量。 （a ） (b) 图1—1 微带传输线

最低次TM 模（TM01）的截止波长为： （1-2） 此外，微带线中还存在表面波。最低次TM 型表面波（TM 0)的截止波长为∞，即其截止频率没有下限。最低次TE 型表面波TE 0的截止波长： （1-3） 上述波导模和表面波模称为微带的高次模。为抑制高次模的出现，微带尺寸的选择需满足如下条件： 亦即对应于最高的工作频率。 （为什么要抑制微带中的高次模？作业一） 微带传输线传输的是准TEM 模，其有两个主要持性参数：特性阻抗（characteristic impedance ）Z 0和沿线传输相速（亦即电磁波在介质中的传播速度）p v 或有效介电常数(effective dielectric constant )re ε。其中：re p c v ε/=， c 为自由空间中光的传播速度，波导波长（电磁波在介质中的波长）re g ελλ/=， λ为电磁波在自由空间中传播时的波长。一般情况下，微带线的特性参数可有如下公式给出：

基于HFSS的双频微带天线仿真及设计

基于HFSS的双频微带天线仿真及设计 随着无线通信技术的快速发展，无线通信已经广泛应用到雷达"移动通信"卫星定位"无线局域网络"卫星电视等诸多领域!而天线则是无线通信系统中信号发射和接收的关键部分，它直接影响着无线通信的性。随着移动通信中跳频"扩频等通信技术的发展，同时为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。因此天线的多频段通信技术成为现代无线通信领域迫切需要研究的问题。 微带天线有多种馈电方式，其中同轴线馈电是一种最常用的馈电方式!同轴线馈电是将同轴插座安装在接地板上，本文在一种常用的2.45GHz同轴馈电微带天线的基础上，利用HFSS三维电磁仿真软件合理设计同轴馈电的位置及改变辐射贴片的尺寸，使天线获得一个新的谐振频率，大小为 1.9GHz，且输入阻抗为50Ω左右，并且对仿真结果进行了详细的分析。最后根据仿真结果制作天线实物，在实际的电磁环境下对天线的驻波比进行测试，得到较好的效果。 1 2. 45 GHz同轴馈电微带天线参数 一种常用的2. 45 GHz同轴馈电微带天线的原理图如图1和图2所示

图1 中L0为辐射贴片X轴长度，L0= 27．9 mm; W0为辐射贴片Y 轴长度宽度，W0= 40 mm; L1为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L1 = 6.6 mm。图 2 中介质基片厚度H = 1． 6 mm; 介质基片介电常数ε = 4.4。 2双频微带天线设计 在 2． 45 GHz 微带天线中的辐射贴片在 X 轴方向的长度为 27． 9 mm，同轴线馈电点( A 点) 离辐射贴片中心距离为 6． 6 mm。只需在此基础上分析给出微带天线的辐射贴片在Y轴方向的长度和同轴线馈电点 ( B 点) 的位置，能够使天线能够工作于9 GHz，然后过 A 点和 B 点的垂直相交点( C 点) 即为需要找到的双频馈电点。X轴上的 A 点为激发2． 45 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为 50 Ω左右，由于 A 点位于辐射贴片Y轴方向的中心线上，因此不会激发Y轴上的工作频率。同时，Y轴上的 B 点为激发 1． 9 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为50 Ω左右，由于位于辐射贴片X方向的中心线上，因此不会激发X轴上的工作频率。如果将馈电点放置于C点位置，此时天线可以同时激发X轴的工作频率和Y轴的工作频率，且在这两种模式下均能得到50 Ω左右的输入阻抗，那么此时天线就可以实现双频工作。 扩展1. 95 GHz谐振频率后的馈电点(C点)位置如图3所示。

433MHz小型微带天线的研究

宁波理工学院 毕业论文（设计）开题报告 题 目 433MHz 小型微带天线的研究 姓 名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 开题日期

第1章文献综述 433MHz小型微带天线的研究 1.1 引言 随着无线通信技术的不断进步，无线通信设备开始朝着小型化、宽频段方向发展，具有轻、薄、短、小等特性的宽带无线产品将成为今后的主流。天线作为无线通信系统的门户，将对无线通信系统的性能产生最直接的影响。传统的偶极子天线尽管具有较好的传输特性，但其尺寸规格已无法适应小型化的发展趋势。微带天线体积小、质量轻、成本低、容易制造并且可以直接和射频微波电路集成，具有很大的实际应用价值，己成为天线研究中的热门主题之一。 1.2 国内外研究现状 1887 年著名物理学家赫兹设计并制造出第一对天线，从那以后在缩小天线的几何尺寸上，人们有着持续而浓厚的兴趣。在第二次世界大战期间，由于战争的需要，降低高度和约束尺寸的天线得到了发展。自那时以来，对缩小天线的尺寸提出了越来越高的要求。上世纪60 年代，在工程应用中，对天线提出的要求有： 1) 飞机天线——较低的空气阻力； 2) 车辆天线——隐蔽性和机动性； 3) 雷达天线——减小平台的反射； 以上的要求都与缩小天线的尺寸有关，于是各式各样的专用小辐射器应运而生。上世纪70 年代，由于集成半导体技术的迅速发展，各种电子设备趋于小型化，此时天线便成为了无线通信系统中最笨重的部件。于是，匹配技术和自谐振技术得到了发展，这两种技术不但缩小了天线的尺寸，而且不影响天线的带宽和效率。值得一提的是，缩小了天线的尺寸，会引起天线的某种或某些性能的下降。所以在设计过程中，要充分结合天线具体的工作情况，不能一味地追求小型化，而忽略了天线其他重要的性能。上世纪80 年代，将天线合成到无线通信设备内

微带线天线研究..

微带天线研究 摘要 通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。在介质基板的一面一个三角形缝隙，另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。通过仿真给出了天线的s参数，VSWR和方向图。 关键词：天线参数，微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计

目录 一、绪论 (3) 1.1 简介 (3) 1.2 微带天线的发展 (3) 1.3 微带天线的特点 (3) 二、微带天线基本知识 (4) 2.1 微带天线的辐射机理 (4) 2.2微带天线的分析方法 (4) 2.3微带天线的主要电参数 (5) 2.3.1 输入导纳 (5) 2.3.2 辐射电阻和品质因数 (5) 2.3.3 带宽 (6) 2.3.4 方向性系数、增益和天线效率 (6) 2.3.5 方向图 (7) 2.4 激励方法 (7) 2.4.1 微带馈电 (7) 2.4.2 同轴线馈电 (8) 三、微带缝隙天线 (8) 3.1 矩形缝隙天线 (9) 3.1.1 输入阻抗 (9) 3.1.2 方向图 (11) 3.2 环形缝隙天线 (11) 3.3 锥形缝隙天线天线 (12) 四、三角缝隙宽缝微带天线 (13) 4.1 天线设计与性能 (13) 4.2 软件仿真 (14) 参考文献 (15)

一、绪论 1.1简介 微带天线（microstrip antenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。 1.2 微带天线的发展 微带天线的概念早在1953年就由Deschamps提出，但是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，从70年代起，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证。微带天线随着应用领域的快速扩展而开始被广泛的研究和使用。1970年出现了第一批实用的微带天线。这以后微带天线的研究有了迅猛的发展。新形式和新性能的微带天线不断涌现，其中，许多学者和工程师对微带天线的双频、多频操作进行了大量的研究应用。早期发展的结构为堆叠式与共平面式的结构，之后随着频率比、极化要求以及整体天线体积上的要求，并配合不同的馈入方式而有各种不同设计结构出现。例如有使用多个寄生元件或两个独立辐射元件的结构，有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置的设计，也有利用植入电抗性负载的设计，这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带，嵌入的微带线，短路棒、变容二极管、槽孔等等。在解决微带天线窄频带特性的问题上，各种设计不断推陈出新，所利用的方法也不断被开发并互相结合。例如有使用低介电常数的厚介质基底的设计，植入贴片电阻等损耗性元件的设计，植入集成式电抗性负载的设计，在馈入端设计匹配网络、堆叠结构的设计，寄生元件的设计，植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电的方式等等。 但是上述方法也存在不足，有时会影响天线其它性能指标。例如，使用短路探针加载，在缩减天线尺寸的同时，对带来一些缺点，一方面使阻抗匹配依赖于短路探针的位置及其馈电点的距离，给制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是带宽缩减，如若使用电抗性元件加载同样会造成带宽缩减，如若使用电阻性器件，虽然有助于展开频带，但是电阻性元件对能量的消耗将降低天线的效率。因此，如何在实现小型化微带天线多频段、宽频带工作性能的同时，兼顾其它天线性能指标，如效率、增益、极化等，已经逐渐成为微带天线研究的热点和难点。 1.3 微带天线的特点 微带天线一般应用在1GHZ---50GHZ，特殊的微带天线也可用在几十兆赫。它的特点主要有： （1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体共型，除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，不影响载体的空气动力学性能。 （2）天线的散射截面较小；不需要背腔。 （3）电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；可以工作在双频或多频；稍稍改变亏点位置就可以得到线极化和圆极化。 （4）能和有源器件，电路集成为统一的组件，适合组合式设计；利于大规模生产，降低了成本。 （5）频带较窄；增益低。 （6）有损耗，因此效率较低。 （7）端射性能差；可能存在表面波。 （8）单个微带天线的效率容量较低。

HFSS双频微带天线设计说明

一设计容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度 方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质 为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。

2.添加和定义设计变量 在HF SS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。 图3-1介质基片模型 （2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为L0，W0。如图3-2所示。这时就创建好了名称为patch辐射贴片模型。然后按Ctrl D 全屏显示物体。

HFSS双频微带天线设计

一设计内容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度 方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使 用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质 为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口 归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。

（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。 2.添加和定义设计变量 在HFSS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。 图3-1介质基片模型 （2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在

一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析

泉州师范学院 毕业论文（设计） 题目一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析 物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07 级学生姓名刘文杰学号070303048 指导教师余燕忠职称副教授 完成日期2011年4月 教务处制

一种用于WLAN的双频带微带天线的设计与分析 物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业 070303048 刘文杰 指导教师余燕忠副教授 【摘要】对于频谱的资源日益紧张的现在通讯领域，迫切要求天线具有双极化的功能。利用Ansoft HFSS 设计一个微带天线结构，使其具有双频带特性，微带天线的两个工作中心频率分别为2.4GHZ和5.8GHZ。本文提出并设计一款双频微带天线的结构，借助HFSS软件对该结构进行仿真。经过仿真分析，该天线的谐振频率分别为：2.53GHZ和6.05GHZ的相对带宽分别达到632%和10.8%，满足无线局域网的标准的要求。【关键词】Ansoft HFSS；微带天线；双频带；无线通讯。

目录 引言 (5) 第一章微带天线的简介 (6) 1.1当今天线的发展趋势 (6) 1.2微带天线研究的背景 (6) 1.3双频微带天线的研究意义 (6) 第二章双频微带天线设计 (7) 2.1双频微带设计的任务 (7) 2.2双频微带天线设计的基本要求 (7) 2.3双频微带天线设计方案论证 (7) 2.4A NSOFT HFSS软件的介绍 (7) 2.5A NSOFT HFSS设计的流程 (9) 2.6A NSOFT HFSS可显示的参数 (9) 2.7双频微带天线的设计过程 (10) 第三章双频微带天线的仿真及分析 (12) 3.1天线的仿真图形 (12) 3.2改变天线的双缝宽度对天线的影响 (144) 3.3改变天线的双缝位置对天线的影响 (17) 3.4天线的改进方向 (19) 第四章微带天线的优化设计 (20) 4.1优化设计的定义 (20) 4.2优化设计的步骤 (20) 4.3对微带天线的优化设计 (20) 4.4优化后微带天线的性能 (21) 第五章结束语...................................................................................................... 错误！未定义书签。致谢........................................................................................................................ 错误！未定义书签。

北大天线理论课件：第六章__微带天线

第六章 缝隙天线与微带天线 §6.1 缝隙天线 缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。 6.1.1 理想缝隙天线 理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。 假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω （λω <<）、长度2/2λ=l 的缝隙。缝隙被激励后，只存在垂直 于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为： ()()[]y m e z l k E z E ?sin --= m E ---缝隙中间波腹处的场强值。 缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为： ()[]()[]? ??<-->-=?-==0,?sin 0,?sin ?0 x e z l k E x e z l k E E n J z m z m z m 等效磁流强度为：

()[]()[]? ??<-->-=?=?0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对 称阵子。 根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。对于电对称阵子，电流分布为： )(sin )(z l k I z I -= 辐射场表达式： θ θθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()? ?π?sin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为： ()()? ?πω? sin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m --=- ()? ?μεπωθ sin cos cos cos kl kl r e E j H jkr m m -=- 在0

微带天线设计

班级：通信13-3班 姓名：王亚飞 学号：1306030318 指导教师：徐维 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。 图1.1微带天线的结构 1.2设计要求 设计一个矩形微带天线，工作频率为2.45Ghz ,天线使用同轴线馈电。天线的中心频率为2.45GHz，因此设置HFSS 的求解频率（即自适应网格剖分频率）为2.45GHz，同时添加1.5～3.5GHz 的扫频设置，分析天线在1.5～3.5GHz 频段内的回波损耗或者电压驻波比。

微带天线和缝隙天线

第四讲微带天线 一、引言 上一讲介绍了对称振子和接地单极子天线。这两种天线本质上属于线天线。但是手机内置天线往往都不是线天线的形式，常见的PIFA天线和单极子变形天线往往都是平面天线的形式。尽管在某种程度上它们也和对称振子或接地单极子天线有某种程度的相似性。在现有理论基础下，由于专门对手机天线进行严格理论分析的论著还很少，所以为更加深入地理解手机天线，我们还有必要了解几种其他类型的天线的一般特性。这一讲主要介绍微带天线的概念和基本原理。 二、微带天线的结构 如下图所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片 （）上的辐射贴片所构成的。贴片上导体通常是铜和金，它可以为任意形状。但通常为便于分析和便于预测其性能都用较为简单的几何形状。为增强辐射的边缘场，通常要求基片的介电场数较低。 三、微带天线的特点 微带天线的典型优点是：

1．重量轻、体积小、剖面薄； 2．制造成本低，适于大量生产； 3．通过改变馈点的位置就可以获得线极化和圆极化； 4．易于实现双频工作。 但微带天线也有如下缺点： 1．工作频带窄； 2．损耗大，增益低； 3．大多微带天线只在半空间辐射； 4．端射性能差； 5．功率容量低。 四、微带天线的辐射机理 微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。这可以从以下图中的情况简单说明，这个图是一个侧向馈电的矩形微带贴片，与地板相距高度为h。假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场仅仅沿 约为半波长（）的贴片长度方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场 引起的。在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因为贴片长度为，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。 根据以上分析，贴片可以等效为两个相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。对微带贴片沿宽度方向的电场变化也可以采用同样的方法等效为同样的缝隙。这样，微带贴片天线的辐射就等效为微带天线周围的四个缝隙的辐射。 这种分析方法不仅适用于微带矩形贴片天线，同样也适于其他形状微带天线。

小型化微带天线的研究

摘要 近年来，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化和宽频带的要求。而微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻.等优点，得到广泛的应用。但是，低增益、窄带宽的缺陷也限制了微带天线的使用。因此本文对微带天线最基本的小型化技术、宽频带技术进行了探讨、分析和归纳。在设计过程中，采用ANSOFT公司的电磁仿真软件——Ansoft HFSS，结合宽频带的设计方法，提出了一些简单的微带天线结构。 关键词：微带天线宽频带小型化 1 / 1

Abstract In recent years， the demand form miniaturization， multiband and broadband has been presented with rapid development of mobile communications. Therefore，the size of the antenna is required to be as small as possible.Microstrip antennas have several advantages over conventional monopole-like antenna for mobile handsets. They are less prone to damage， compact in total size and aesthetic from the appearance point of view. Unfortunately， some shortcomings of Microstrip antennas such as low gain， small bandwidth， etc， make them unfit for practical application. Therefore this paper， the basic microstrip antenna miniaturization technologies， broadband technologies are discussed，analyzed and summarized.During the design process， The use of electromagnetic simulation software of ANSOFT company—Ansoft HFSS，Made a number of simple microstrip antenna structure combination of broad-band design method. Keywords: Microstrip antenna ， Broadband ， Smaller 1 / 1

双频微带天线设计毕业论文

双频微带天线设计毕业论文 目录 第一章绪论 (1) 第一节课题分析 (1) 一、课题来源及研究目的、意义 (1) 二、国外研究现状及分析 (1) 第二节天线概述 (2) 一、引言 (2) 二、天线的分类 (3) 三、天线辐射机理 (3) 四、天线特性参数 (5) 第二章微带天线的基本原理 (6) 第一节微带天线概述 (6) 一、微带天线的发展 (6) 二、微带天线的定义和结构 (6) 三、微带天线的优缺点 (7) 四、微带天线辐射机理 (8) 第二节微带天线的馈电方法 (10) 一、微带线馈电 (10) 二、同轴线馈电 (11) 三、临近耦合馈电 (11)

四、口径耦合馈电 (12) 五、共面波导馈电 (12) 六、不同馈电方法的比较 (12) 第三节微带天线的分析法 (13) 一、传输线模型法 (14) 二、空腔模型理论 (17) 第三章多频微带天线及仿真工具 (21) 第一节多频微带贴片天线 (21) 一、多片法 (21) 二、单片多模法 (22) 三、单片加载法 (22) 第二节 Momentum介绍 (23) 一、ADS简介 (23) 二、Momentum概述 (23) 三、Momentum运行过程 (24) 四、仿真实例 (25) 第四章双频微带贴片天线的研究 (27) 第一节双频微带贴片天线的介绍 (27) 第二节双频微带贴片天线的结果分析 (29) 一、天线S11参数 (29) 二、天线方向图 (29) 三、频带扩展 (30)

第三节优化后的双频天线 (31) 一、改成矩形贴片天线 (31) 二、改变基板介质常数 (33) 三、优化馈线长度 (34) 四、优化矩形天线上贴片长度 (35) 五、优化矩形天线上下贴片长度 (36) 六、小结 (36) 结论 (37) 致谢 (38) 参考文献 (39) 附录 (41) 一、英文原文 (41) 二、英文翻译 (50)

天线设计毕业论文

第一章绪论 一、绪论 1.1课题的研究背景及意义 自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用围越来越广。在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统具有的传输频带宽，容量大，损耗低，串扰小，抗干扰能力强等特点，已成为城市最可靠的数字电视和数据传输的链路，也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送方式。随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的现代通信技术引起了人们的极大关注，我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力，我国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。目前，电力系统光纤通信网已成为我国规模较大，发展较为完善的专用通信网，其数据、语音，宽带等业务及电力生产专业业务都是由光纤通信承载，电力系统的生产生活，显然，已离不开光纤通信网。 无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属，无线通信技术了。无线通信技术包括了移动通信技术和无线局域网（WLAN）技术等两大主要方面。移动通信就目前来讲是3G 时代，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段。无线局域网可以弥补以光纤通信为主的有线网络的不足，适用于无固定场所，或有线局域网架设受限制的场合，当然，同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。WLAN，目前广泛应用IEEE802.11 系列标准。其中，工作于2.4GHZ 频段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ频段，速率高达54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b兼容。给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。 在整个无线通信系统中，用来辐射或接收无线电波的装置成为天线，而通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的，均需要有无线电波的辐射和接收，因此，同发射机和接收机一样，天线也是无线电技术设备的一个重要组成部分，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

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欢迎阅读第一章绪论 一、绪论 1.1课题的研究背景及意义 自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统具有的传输 辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化)、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

因此，一副实用且性能良好的天线既要满足系统易于集成化的要求，同时也要满足各个系统的兼容性、可靠性要求，即为对天线小型化、宽频带、多频带的设计要求，因此本文主要对现代无线通信系统的多频带、宽带、超宽带天线进行研究和设计。 1.2微带天线的发展概述 早在1953年G. A. DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线[1]。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线 80 年代中， 1.3 1.4 第三章多频带天线设计 3.1天线多频化实现技术 3.2基于分形结构的多频微带天线设计 3.1.1 三、微带天线的小型化技术 天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着

HFSS-双频微带天线设计

HFSS-双频微带天线设计 一设计内容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使

用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材 质为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm 的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。 2.添加和定义设计变量 在HFSS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始 值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树

6双频微带天线

双频微带天线 一、实验目的 1、了解双频微带天线的辐射机理 2、熟悉双频微带天线的结构 二、实验原理 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片(Multiplayer Stacked Patches)、具槽孔负载之矩形金属（SlottedRectangular Patches)、具矩形缺口的正方形金属（SquarePatchesWithRectangularNotches)、具短金负载的金属片(Patches Loaded With Shorting Posts)、倾斜槽孔親合 馈入的矩形金属片(Rectangular Patches Fed By An Inclined Slot)等。其 中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其 宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工 作于两个频率上。其结构如下图所示： 从上图中可以得知，x轴上的A点（x，0)为激发TM10模式的50Ω馈电点，由于A点位于辐射贴片y方向的中心线上，因此不会激发其他TM0n模式(n=1，3， 5，……）。另一方面，y轴上的B点（0，y)为激发TP。〗模式的500馈电点，B点 由于位于辐射贴片-方向的中心线上，因此不会激发其他TM)。模式（)=1，3，5，……）。然后，如果将馈电点放置于（x，y)位置的C点，则此时天线可以同时 激发TM01模式和TM10模式，且在这两种模式下均能得到50Ω的输入阻抗。 本设计为中心频率为1. 9GHz和2. 45GHz的双频矩形微带天线，在中心频率处的参数小于-20dB，并仿真分析给出天线的各项性能参数。介质基片采用厚度为 1.6mm的FR4环氧树脂（FR4 Epoxy)板，天线馈电方式选择50Ω同轴线馈电。 经计算得，中心频率为2.45GHz时，辐射贴片在x轴方向的长度为27.9mm，同轴线馈电点（即A点）离辐射贴片中心的距离为6.6mm。中心工作频率为1. 9GHz 时，天线辐射贴片在y轴方向的长度的初始值和50Ω馈电点 (B点）离辐射贴片中 心距离的初始值，分别为40mm和10mm。从而天线能够同时工作于1.9GHz和 2.45GHz，且输入阻抗在50Ω左右。