微带天线综述 (2)
微带天线综述
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。因此本文除了对微带天线做了基本介绍外，还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。
关键词：微带天线小型化宽频带
一、引言
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无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。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手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性（常规微带天线约为2%左右）在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带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。本论文的主要工作就是提出这类天线的一些简单设计方法。
二、微带天线
2.1微带天线[2]的发展史及种类
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专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，
并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结构[5,6]如图2.1所示。
（a）微带贴片天线（b）微带振子天线
（c）微带行波天线（d）微带缝隙天线
图2.1 微带天线的典型结构
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。
导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和微带振子天线，如图2.1(a)、(b)所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称之为微带线型天线，如图2.1(c)所示，这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如带状线)对其馈电，称之为微带缝隙天线，如图 2.1(d)所示。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。
2.1.1微带贴片天线
微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地板，其典型结构如图2.1(a)所示。它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周
与地板之间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。
2.1.2微带振子天线
对于微带贴片天线，当贴片的宽度变窄时，其输入阻抗随之增加。因此当贴片的宽度接近微带馈线的宽度时，贴片天线则难于匹配使得天线的辐射特性变得很差。而微带振子天线则利用耦合馈线很好地解决了这一问题。
图2-2给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线，微带振子的长度约为半个波长，宽度与微带馈线的宽度相同。微带振子与其下方的微带馈线有一部分相互交叠从而耦合能量，调整此交叠部分的面积从而改变馈线与微带振子的耦合量便可以调整天线谐振时的输入阻抗。对于此微带振子天线，我们也可以将馈线变化为槽线。此外，还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。
当微带振子很窄且基片厚度远小于介质波长或微带振子的长度等于谐振长度时，我们可以假设微带振子上的电流满足余弦分布，从而得到其辐射特性。对于更一般的情况，则可以采用矩量法得出关于微带振子和地板上更准确的电流分布从而计算天线的辐射场。
图2-2 电磁耦合馈电的微带振子天线
2.1.3微带行波天线
微带线型天线是利用微带线的形变（如弯曲、拐角等），由微带线的不连续点或弯曲点来形成辐射。它们一般都端接匹配负载，沿线传输行波，故又被称为微带行波天线，其波瓣可以指向从端射到边射的任一方向。图2-3给出了几种常见的微带线型天线结构。与行波天线相对应的是微带驻波天线，其终端一般为开路或短路，波瓣一般指向边射方向。微带行波天线可等效为一种沿微带线延伸方向一边传输能量一边辐射能量的传输线段，用一个复传播常数j γβα=-来表征，
其中实部β给出了导行波的相位信息而虚部α则给出了沿线辐射所等效的衰减。
图2-3给出了几种常见的微带线型天线结构[5,6] 采用等效磁流法来进行近似分析。此时微带线上不连续点或弯曲点的辐射用微带线两侧的磁流来等效，且一般对于微带线型天线，其微带线的宽度w 远小于波长，因此直微带线上的寄生辐射可以忽略，且不连续点或弯曲点处微带线两侧磁流的辐射可用位于中心线的单个磁流来等效。因此微带行波天线也可以视为一个串联馈电的阵列，其辐射单元便是各个不连续点或弯曲点。利用矢位法可计算出辐射场进而得到其它的天线电参数。更严格的方法可以采用数值方法，如基于积分方程的矩量法等，由天线结构建立电流积分方程，解算出电流分布便可计算出辐射场。
2.1.4微带缝隙天线
在2.1小节微带天线简介中，图2.1(d)示出了一种典型的微带缝隙天线结构。它是利用在微带结构的地板上刻蚀的缝隙来辐射能量。对于窄缝（缝宽比缝长小很多）结构，可以看作与微带振子天线互补。与微带贴片天线相比，其优点是交叉极化电平低。但由于缝隙本身电抗的影响，其驻波带宽一般比较窄，且是双向辐射的，不过这可以通过在介质基片的另一侧增加地板来消除背向辐射。微带缝隙天线的分析可以由等效磁流利用矢位法来计算辐射场，进而得到其它的天线电参数。
现在已经出现了各种不同形式的微带缝隙天线结构，如图2-4所示。图(a)为附加了地板的微带缝隙天线，消除了背向辐射，采用带状线就可以方便地实现馈电。图(b)可以视为矩形排列的四元缝隙阵列，利用共面波导线来馈电。图(c)为微带线馈电的微带缝隙天线，其终端的开路枝节用于改善天线的匹配。图(d)是用槽线馈电的宽缝，其频带较宽但交叉极化较大。图(e)可视为共轴排列的微带缝隙天线，利用共面波导线来馈电。图(f)为微带线馈电的圆环缝隙，若缝隙改为长短轴相近的椭圆环，并合理设置馈电位置，还可以实现在边射方向上的圆极化辐射。
（a ）三角线 （b ）弯角线
（c ）链式线 （d ）城墙线
图2-4 微带缝隙天线结构图
2.2 微带天线的馈电结构
微带天线的馈电会影响到其输入阻抗进而影响天线的其它性能，因而它对微带天线的设计至关重要。
微带天线的馈电方法有很多种，我们从贴片与馈线是否有金属导体接触的角度出发将其分为直接馈电和间接馈电两大类。其中直接馈电包括同轴探针馈电和微带线馈电，这两种方法因为设计简单而在实际微带天线的设计中使用最多。而间接馈电则包括电磁耦合馈电、孔径耦合馈电和共面波导传输线馈电。下面我们就分别对这几种馈电形式的结构和特点进行介绍，并在图2-5分别给出了各种馈电形式的结构图。
(a) 同轴馈电(b) 微带线馈电
(c) 电磁耦合馈电(d) 孔径耦合馈电
(e) 共面波导馈电
图2-5 微带天线的馈电形式
2.2.1直接馈电
a.同轴馈电
同轴馈电也称为探针馈电，它是将同轴线的外导体与天线的地板相接，而内导体直接与贴片连接。其优点是同轴线可以根据天线输入阻抗的匹配需求而放置在贴片下面的基片中的任何位置。其缺点是需要在介质基片中钻孔以满足内导体的连接需求，同时该馈电形式需要一个向地板外面突出的连接器，这就有碍于微带天线的集成一体化设计，天线整体结构的非对称性会使得交叉极化相对较大。此外，对于基片比较厚的贴片天线，探针长度的增加会使得探针的阻抗呈现比较大的感抗，从而给天线与馈线的匹配带来困难；此外对于相对介电常数大的基片，厚度增加还可能导致表面波的激励，从而降低了天线的辐射效率。不过这可以通过一些变形的探针馈电形式加以弥补，如L探针馈电等，通过探针顶部连接的金属片对贴片进行电容耦合馈电，从而降低了探针的长度要求，改善了天线的匹配，提高了辐射效率。
b.微带线馈电
微带线馈电利用集成电路制造技术而将微带馈线与贴片刻蚀在一起，因而结构简单，易于制作。其缺陷是直接与贴片相连接的馈线会产生一部分辐射。随着天线工作频率的升高，当馈线尺寸变得可以与贴片尺寸相比拟时，馈线的干扰辐射将进一步加剧，由此会导致性能的恶化。
2.2.2间接馈电
通常为了展宽微带天线的频带会使用比较厚的介质基片，这就会给以上两种
直接馈电方法带来问题。对于同轴馈电的情形，探针长度的增加会使得输入阻抗呈现出更大的感性，这将给天线的匹配带来问题。而对于微带线馈电，由于特性阻抗的制约，基片厚度的增加会导致微带线上金属导带宽度的增加，这将加剧馈线产生的干扰辐射。下面介绍的这几种间接馈电方法可以解决这些问题。
a.电磁耦合馈电
电磁耦合馈电形式将馈线放置在地板和贴片之间，中间分别填充两种介质。这种馈电结构消除了馈电网络的干扰辐射，又因天线介质基片的总体厚度的增加而展宽了天线的带宽。此外，还可以分别调节两种填充介质的参数以优化馈线和贴片各自的性能。其主要缺点是天线的性能对贴片和馈线的位置敏感。
b.孔径耦合馈电
电磁耦合馈电结构中，馈线和贴片位于地板的同一侧，而对于孔径耦合馈电，二者分居地板两侧。电磁场通过在地板上切割的电长度较小的孔径或槽从微带馈线耦合到辐射贴片上。孔径通常位于贴片的正下方，以利用结构的对称性来抑制交叉极化电平。耦合孔径的形状、尺寸和位置决定了电磁场由馈线到贴片的耦合度。槽型耦合孔径的尺寸可以是谐振的，也可以是非谐振的。对于谐振尺寸的槽型耦合孔径，它可以为天线提供另外一个谐振频率从而有效展宽了天线的频带，但是这要以增加天线的背向辐射为代价。因此非谐振尺寸的槽型耦合孔径应用比较多。这种馈电形式对于馈线和贴片位置误差的敏感度相对比较低，而且天线的带宽比较宽。与电磁耦合馈电相似，也可以分别选择两层介质基片的参数来优化各自的性能。
c.共面波导线馈电
共面波导线馈电的形式如图2-5(e)所示。在这种结构中，共面波导线刻蚀在天线的地板上，由同轴探针激励，终止处是一个槽。这种馈电方法的主要缺点是相当长的槽会产生比较强的辐射，从而导致天线的前后辐射比很差。其前后辐射比可以通过减小槽的尺寸和改变槽的形状来加以改善。
三、微带天线的小型化及宽频带技术
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。微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易于飞行器共形、易于加工、易于有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，得到广泛的研究和应用。但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更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天
线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。
3.1 微带天线小型化方法
3.1.1 天线加载
在微带天线上加载短路探针(shorting post)[9]，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，典型结构如图3.1 所示。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置，天线尺寸可缩减50 %以上。其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ，这给制造公差提出了苛刻要求。(2) 带宽窄。(3) H 面的交叉极化电平相对较高。
图3.1 加载短路探针的微带天线
将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor) ，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。随加载电阻增大，天线品质因素降低，带宽展宽，制造公差降低，但这些性能的提高以牺牲增益为代价。一般地，若加载1Ω切片电阻，增益下降约1. 5dB。此外，加载切片电容(chip capacitor) 也可有效降低谐振频率，减小天线尺寸，但带宽有所减小。
3.1.2 采用特殊材料基片
从天线谐振频率关系式可以知道，谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料) 或高磁导率(如磁性材料) 的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是: (a) 激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。(b) 带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖介质(如图3.2 所示) 。
的多层介质微带天线
图3.2 采用高
r
3.1.3 表面开槽（slot）
当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3 所示) ，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3.4 为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。
图3.3 表面开槽的小型化微带天线图3.4 小型口径耦合圆极化微带这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1 %) 与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。
3.1.4 附加有源网络
缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性: (1) 工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线带宽高低端频比可达20～30 。(2) 增益高(可达10dB 以上) ，方向性好。(3) 便于实现阻抗匹配。(4) 易实施天线方向图，包括主波方向、宽度、前后辐射比等
的电控。(5) 有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。
3.1.5 采用特殊形式
这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie) (如图3.5所示) 、倒F 型( PIFA ，planar inverted2F antenna)(如图3.6 所示) 、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(stacked shorted patch) 等等。
图3.5 双频带蝶型微带天线图3.6 电容加载的倒F型微带天线（PIFA）3.2微带天线宽频带技术
天线的频带是指其特性参数在规定的容许范围内的频率范围。对线极化微带天线来说，通常考虑的特性参数是: 方向图、增益和阻抗。其中最易受频
率变化影响的是阻抗，也就是说，线极化微带天线频带主要受其阻抗带宽限制。对大多数微带天线特别是微带贴片天线而言，其主要的缺点便是它的窄频带特性。这是由于微带贴片天线是一种谐振式天线，它的谐振特性可等效为一个高
Q并联谐振电路。
对于薄微带天线，其驻波比带宽不大于ρ的相对带宽的计算公式为
BW
100%
=（3 – 1）
3.2.1 选择合适的介质基片与贴片
微带贴片天线的窄频带特性是由其高Q的谐振本性所决定的，也就是说，贮存于天线结构中的能量比辐射和其它的耗散能量大得多。这意味着，在谐振时实现匹配，而当频率偏离谐振时，电抗分量急剧变动使之失配。当微带天线的VSWR一定时，其带宽和品质因素成反比，因此降低天线品质因素Q是改善天线带宽的根本途径. 首先，选用厚基片。从物理意义上讲，增大基片厚度使频带加宽的原因是由于厚度增加，辐射电导也随之增大，从而辐射所对应的Q ，
及总的Q ， 值下降。 该方法虽然容易实现， 但是受到客观条件的限制， 加大基片的厚度可增加频带宽度，但作用有限。而基片过厚会导致基片厚度与波长之比 过大，引起表面波激励， 同时基片厚度增加，重量随之增加，所占的空间也加大。 在一些空气动力性能及重量不甚苛刻的场合，这种方法还是行之有效的。
其次， 选用r ε较小 或 者tan eff δ较 大的 基板。 微 带 线的 等效损耗角
tan eff δ与品质因素成反比，tan eff δ越大，品质因素Q 越小，天线带宽BW 越大。
最后， 选用非线性的介质基片材料，如利用铁氧体材料的电磁特性和非线性的色散特性可达到展宽频带的目的。
还可以选用楔形或阶梯形基片。由于两辐射端口处基板厚度不同，使两个谐振器经阶梯电容祸合产生双回路现象，从而导致带宽展宽。采用阶梯形基片的谐振器在2VSWR <，带宽可达25%；采用楔形基片的谐振器在2VSWR <，带宽可达28% ；而一个厚度相当的一般矩形微带贴片天线带宽仅为13% 。
通过改变贴片的形状同样可以达到频带展宽的目的。 一些形状的贴片与其它形状的相比 具有低Q 值，相应的它们的带宽就宽。这些贴片包括环孔、长方形、正方形、正方形环等。例如，某环孔天线工作在12TM 模时，其带宽比 相似尺寸的 矩形微带贴片天线的带宽增加了5倍还多。
改变贴片结构还包括采用多贴片、电磁藕合馈电、在贴片或接地板上开槽、在电路中采用非线性调制元件等方法，这些都可以达到展宽频带的目的。
3.2.2 阻抗匹配技术
实际上这并不属于微带天线本身的问题， 而是馈线的匹配问题。 由于线极化微带天线的工作带宽主要受到其阻抗带宽的限制， 因此采用馈线匹配技术就能使天线工作在较宽的频带改变阻抗的一种最常见最直接的方法就是在微带天线的馈电部分使用阻抗匹配网络， 如使用调谐短线和1/4波长的变换器等。这些匹配网络应接在距辐射单元尽可能近的地方， 以便获得较高的总功率和带宽。 而匹配网络中不连续点的辐射会使天线的交叉极化特性变差。因此，由于匹配网络的复杂性和损耗的限制，天线带宽只能达到10% - 30% 左右。
工作于主膜的矩形或圆形微带贴片天线，其等效电路可以用一个RLC 谐振回 路 来 描 述。在背馈的情况下，应考虑馈电探针的电抗效应。当基片厚度
0.1g h λ≥时，
馈电探针的作用更为显著;当0.25g h λ≤时，其作用等效于一个电感，这个电感与上述并联谐振回路相串联，形成天线的输入阻抗。为了使这个阻抗与馈线(如50Ω的馈线)在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合，采用计算机辅助方法实施最优设计。对于圆形微带贴片天线， 主要的匹配元件是一个串联电容，在天线工作频率上这个电容与馈电探针的等效电感近似构成串联谐振。 串联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅
速变化因而展宽了频带。
如图3 . 7所示的采用3D锥形过渡的一种新颖天线，实验测得，VSWR =2时的带宽约为90%。探头馈源与长方形悬浮贴片间的这种过渡采用悬浮微带线。该天线和过渡带不使用任何介电材料，贴片通过一根金属或者非金属杆支撑于其中心处。过渡带可以是与地面倾斜的等宽度金属带，如图3.7(a)所示也可以是与地面垂直的变宽度带，如图3.7(b)所示。这两种方法因为其变阻抗特性而产生了大的频带展宽。
a 采用倾斜式3D锥形过渡的悬浮贴片
b 采用垂直式3D锥形过渡的悬浮贴片
图3.7 采用3D锥形过渡的宽带单层贴片天线
3.2.3 在贴片或接地板上“开窗”的办法
在微带贴片上的不同位置开不同形状的“窗口”，等效为引入阻抗匹配元件。因此,在接地板的适当位置处“开窗”，可改变微带天线的辐射条件和阻抗特性，这些都可能展宽频带[7]。
3.2.4 运用加载技术
加载微带天线是通过加载电阻的方法引入欧姆损耗，降低天线的品质因数，
从而有效增加天线带宽。通常的加载微带天线是由加载短路销钉的微带天线演化而来的，将加载的短路销钉换成一个低阻抗（如1Ω）的贴片电阻，这时天线的谐振频率和加载销钉的微带天线相比几乎不变，而天线的带宽会有显著的提高。但这种加载方法的主要缺点是天线的效率较低，增益比不加的常规微带天线低10dBi以上。
四、微带天线的优缺点与应用
与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：
(1)体积小，重量经；
(2)平面结构，并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构；
(3)馈电网络可与天线结构一起集成，适合于用印刷电路技术进行大批量生产；
(4)能与有源器件和电路集成为单一的配件；
(5)便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；
(6)没有作大的变动，天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。
(7)天线的散射截面较小；
(8)稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)。
(9) 微带天线适合于组合式设计(固体器件，如振荡器、放大器、混频器、功分器、移相器、可变衰减器、调制器、开关等可以直接加到天线基片上)；
(10)馈线和匹配网络可以和天线结构同时设计和加工。
但是与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：
1) 频带窄；
2) 有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；
3) 功率容量较小，适用于中、小功率场合；
4) 性能受基片材料影响大；
5) 馈线与辐射元之间的隔离差；
尽管如此，有一些方法可以用来减小某些缺点。例如，采用一些宽频带技术可以有效地展宽频带；在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。
在许多实际设计中，微带天线的优点远超过它的缺点。甚至在仍被认为是微带天线发展幼年时期的80年代时，微带天线已有多种成功的应用。随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用需求，可以预料，对于大多数的应用，它将最终取代常规的天线。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：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；
复杂天线中的馈电单元；
卫星导航接收天线；
生物医学辐射器[7]；
等等。
相信随着对微带天线应用可能性认识的提高，以及各种电路系统对天线的小型化集成化要求的提高，微带天线的优点日益凸显，其应用场合将会继续增多。
五、结束语
微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。但通常的微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽较窄。同时，随着通讯技术的发展，宽带的应用越来越受到重视，新的标准相继提出，通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的又一研究热点。如何设计出同时具有小型化、多频带以及宽频带的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。
六、参考文献
[1] 孙玉发, 微带天线技术及其发展, 无线电工程, 28(4). 1998
[2] G. A. Deschamps, "Microstrip microwave antennas”, USAF Symp. on
Antennas, 1953.
[3] D. M. Pozar, "Microstrip antennas", Proceedings of the IEEE ,Vol.80, No.1,
1992
[4] 陈雅娟, 龙云亮, 小型宽带微带天线的研究进展, 系统工程与电子技术,
22(7). 2000
[5] 钟顺时, 微带天线理论与应用, 西安电子科技大学出版社, 1991
[6] 张钧, 刘克诚等, 微带天线理论与工程, 国防工业出版社, 1988
[7]M. M. Samadi Taheri, H. R. Hsssani. “UWB Printed Slot Antenna With
Bluetooth and Dual Notch Band”, Antennas and Wirless Propagation Letters, IEEE. Vol.10, pp.255-258, 2011
[8] S.Adnan, R.A.Abd-Alhameed, “Compact Microstrip Antenna Design for
Microwave Imaging”. 2010 Loughborough Antenna&Propagation Conference, pp. 389-392 ,Nov. 2010
[9] R. Porath, “Theory of miniaturized shorting-post microstrip antennas”. IEEE
Trans. Antennas Propagat , vol. 48 , pp. 41-46, Jul. 2000.
基于HFSS的4_24微带阵列天线的研究与设计_惠鹏飞
第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计 惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟 （齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006） 摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研 究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈 电结构的多元矩形微带阵列天线。在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性 良好，工程上实现比较方便。 关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图 中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04 随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1] 。微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。 微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。 1 微带阵列及馈电网络损耗分析 1.1 微带阵列理论 微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。 首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。以阵列的中心为坐标原点，天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n 表示。以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为 j()e xs ys m n mn I ψψ?+，天线阵在远区的辐射总场(,)E θ?为 ()(,)(,)E f S θ?θ?θ??,= 式中，(,)f θ?为阵元的方向性函数，(,)S θ?为平面阵的阵方向性函数。平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。 1.2 馈电网络及损耗分析 天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用 的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。当利用传输线对阵列结构进行 收稿日期：2010-06-06 基金项目：齐齐哈尔市科技局工业攻关项目（GYGG-09011-2） 作者简介：惠鹏飞（1980-）,男，辽宁凌源人，讲师，硕士，主要从事雷达极化信息处理的研究，weibo505@https://www.wendangku.net/doc/7718147136.html,。
天线极化综述
天线极化综述 班级：09电子(1)班 姓名：周绕 学号：0905072024 完成时间：2011年11月15日
目录 一、天线的极化概念描述 0 二、天线的极化分类 0 1、线极化 0 （1）、线极化描述 0 （2）、线极化的数学分析 0 2、天线的馈源系统 (1) 3、极化波 (2) （1）、极化波的简介与分类 (2) （2）、极化波的应用 (2) 4、圆极化 (2) （1）、圆极化的描述 (2) 5、椭圆极化 (4) 三、总结 (5)
一、天线的极化概念描述 天线的极化特性是以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电场强度矢量的空间取向来定义的，是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。 二、天线的极化分类 天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化。 1、线极化 （1）、线极化描述 电场矢量在空间的取向固定不变的电磁波叫线极化。有时以地面为参数，电场矢量方向与地面平行的叫水平极化，与地面垂直的叫垂直极化。电场矢量与传播方向构成的平面叫极化平面。垂直极化波的极化平面与地面垂直；水平极化波的极化平面则垂直于入射线、反射线和入射点地面的法线构成的入射平面。 （2）、线极化的数学分析
(a)垂直极化 (b) 水平极化 在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为： = + 。 若=ExmCOS(wt+θx),=EymCOS(wt+θy) ，且与的相位差为nπ(n=1,2,3,…) ，则合成矢量的模为: 这是一个随时间变化而变化的量，合成矢量的相位θ为： 合成矢量的相位为常数。可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。 与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化，如图（a）；当极化面与地面垂直时，为垂直极化波，如图（b）。 2、天线的馈源系统 馈源是天线的心脏，它用作高增益聚集天线的初级辐射器，为抛物面天线提供有效的照射。 （1)有合适的方向图。馈源初级方向图不能太窄，否则抛物面不能被全部照射；但也不能太宽，以免功率泄漏过多。另外，初级方向图应接近于旋转对称，最好没有旁瓣和尾瓣。 （2）有理想的波前。圆抛物面天线要求馈源的波前为球面，以确保该相位中心与焦点重合时抛物面口径场的相位均匀分布。否则，会引起天线方向图畸变、增益下降、旁瓣升高。 （3）无交叉极化。即无干扰主极化的交叉分量，要求馈源辐射场的交叉化分量尽可能小。 （4）阻抗变化平稳。要求在工作频段内，馈源的输入阻抗不应变化过大，以保证和馈线匹配。 （5）尺寸尽量小。完整的馈源系统主要由馈源喇叭、90°移相器和圆矩变换器几部分组成。馈源按使用的方式可分为前馈馈源和后馈馈源。按卫星频段可分为C频段馈源和Ku频段馈源；目前已开发出C和Ku频段的共用馈源。前馈馈源一般应用于普通的抛物面天线，后馈馈源一般应用于卡塞格伦天线。 抛物面天线常用馈源形式有角锥喇叭、圆锥喇叭、开口波导和波纹喇叭等。前馈馈源中使用最多的是波纹槽馈源；再有一种叫带扼流槽的同轴波导馈源。后馈馈源喇叭常用的是介质加载型喇叭，它是在普通圆锥喇叭里面加上一段聚四氟乙烯衬套构成的。偏馈天线要选用偏馈馈源，偏馈馈源盘的波纹呈漏斗状，而正馈馈源的波纹盘为水平状。
HFSS的天线课程设计报告书
. . . . . 图1：微带天线的结构 一、 实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。 ●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、 实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L 、辐射源的 宽度W 、介质层的厚度h 、介质 的相对介电常数r ε和损耗正切 δtan 、 介质层的长度LG 和宽度WG 。图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图2（a ）所示，在长度L 方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
(完整版)射频微带阵列天线设计毕业设计
射频微带阵列天线设计 摘要 微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。 本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线微带阵列天线方向性增益 HFSS仿真 Design of Radio-Frequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array wildly applied in the filed of wireless
机载天线综述
直升机平台机载天线研究综述 李雪健 摘要:直升机作为一种快速灵活的机动装备，近几年在城市反恐处突及应急灾害救援等场合作用明显。机载天线作为通信系统的重要一环，它的性能好坏对直升机通信效果影响极大。本文介绍了机载天线的分类及特点，综述国内外当前对机载天线的主要研究方向和研究进展。介绍了以FEKO和HFSS软件为基础的直升机平台天线研究方法。 关键词：直升机平台；机载天线；研究现状 0、引言 自1907年法国人保罗·科尔尼发明直升机以来，直升机就作为人造飞行器中重要一支在人类历史上扮演着重要角色。机动灵活和起落条件要求低等特点使直升机在现代社会得到广泛应用。 机载天线是飞机系统与其它系统进行电磁能量交换的转换设备，是飞机感知系统的一部分[1]。从广义角度而言，以载机为工作平台的天线均可称为机载天线。机载天线在现代飞行器上应用十分广泛，如飞机上的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等。机载天线的好坏决定着整个系统通信的质量，研究机载天线有着重要的意义[2]。 关于机载天线的研究的文献众多，从事相关研究的专家学者和科研院所也非常之多。但大部分研究都是基于固定翼飞机作为平台研究的，专门以直升机作为平台研究机载天线的文章较少。但固定翼飞机与直升机所处的通信环境及对天线的要求相似，可以进行类比研究。本文以机载天线的主要研究方向及发展情况为主结合直升机平台特点进行综述。 一、机载天线研究背景 1.1机载天线的国内外研究现状 近一个世纪以来,无线电通信技术发展迅速,天线作为无线电波的入口与出口,是一切无线系统中必不可少的组成部分。天线性能的好坏直接影响整个无线系统的性能。飞机作为一种高新科技集成的载体，飞机上通信设备的数量和种类都达到了前所未有的程度，并且现代社会对各种载人、载物飞行器的功能的要求越来越高。并且随着新一代飞机的飞行速度高度等的提高以及现代社会电磁环境的日益复杂，实现飞机通信的顺畅难度变大。这就对机载天线的性能提出来更高的要求。 飞机上有很多天线，如：各式各样的导航通信系统、着陆系统、测高雷达等系统的天线。机载天线按照工作频段分类，可以分为机载中波天线、机载短波天线、机载超短波(VHF/UHF)通信天线、飞机导航天线，还有机载共形微带天线及飞机通信用的自适应阵天线等。如图1.1所示，是一个典型军用飞机上具有多达70多副天线[3]。
微带天线仿真设计(5)讲解
太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师
专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… ……
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航
螺旋天线综述
螺旋天线综述 1 引言 螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。螺旋天线具有圆极化，波束宽度宽的优点，因此被广泛在卫星通讯，个人移动通信中。 同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式，可以采用底馈或者顶馈，此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接，外导线则和接地板（金属圆盘或矩形板状等）相接，螺旋线的另一端是处于自由状态。 螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器，也可用做单独的天线（由一个或几个螺旋线组成）。 2 螺旋天线的发展 螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。 20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。此后各国学者进行了这方面的研究，延伸出了很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益，方向性好，圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用，如图1所示。 2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线，如图2所示。天线实现了几乎最优化的UWB性能，通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离，几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。该天线具有10:1的瞬间带宽，它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。在低成本的应用中，该设计可以被蚀刻在天线罩的内部，或由曲线或曲管构建。
微波天线课程设计56GHz微带天线设计不同切角
课程设计 课程名称：微波技术与天线微带天线设计（不同切角）课设题目： 博学馆机房实验地点： 电信1201班专业班级： 2012001422 学号： 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰
日月年2015 7 4 课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸
指导教师签名日期：2015-6-10 ： 一、设计题目： 微带天线仿真设计（不同切角贴片设计） 二、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计，基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上设计一个矩形贴片天线，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 三、设计原理： 矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为5.6GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。
矩形贴片天线示意图 四、贴片天线仿真步骤 1、建立新的工程 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。 3. 设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）设置模型单位： （a）在设置单位窗口中选择：mm。 （b）点击OK按钮。 4、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。在坐标输入栏中输：dZ，90：dY，90：dX按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：0：Z，-45：Y，-45：X入起始点的坐标： 0按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为GroundPlane。（2）为GroundPlane设置理想金属边界。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中
天线近场测量的综述
内部☆ 天线近场测量的综述 An OutIine of Near Field Antenna Measurement 一引言 天线工程一问世．天线测量就是人们一直关注的重要课题之一，方法的精确与否直接关系到与之配套系统的实用与否。随着通讯设备不断更新，对天线的要求愈来愈高，常规远场测量天线的方法由于实施中存在着许多困难，有时甚至无能为力，于是人们就渴望通过测量天线的源场而计算出其辐射场的方法。然而由于探头不够理想和计算公式的过多近似，致使这种方法未能赋于实用。为了减小探头与被测天线间的相互影响，Barrett等人在50年代采用了离开天线口面几个波长来测量其波前的幅相特性，实验结果令人大为振奋，由此掀开了近场测量研究的序幕，这一技术的出现，解决了天线工程急待解决而未能解决的许多问题，从而使天线测量手段以新的面目出现在世人的面前。 四十多年过去了，近场测量技术已由理论研究进入了应用研究阶段，并由频域延拓到了时域，它不仅能够测量天线的辐射特性，而且能够诊断天线口径分布，为设计提供可靠、准确设计依据；与此同时，人们利用它进行了目标散射特性的研究，即隐身技术和反隐身技术的研究，从而使该技术的研究有了新的研究手段，进而使此项研究进入了用近场测量的方法对目标成像技术的探索阶段。 二、近场测量技术发展的过程 近场测量的技术研究从五十年代发展至今，其研究方向大致经历四个阶段，如表1所示。 表1 近场测量技术所经历的时间
各个时期的研究内容可概述为以下几个方面 1．理论研究 在Barrett等人的实验之后，Richnlond等人用空气和介质填充的开口波导分别测量了微波天线的近场，并把由近场测量所计算得到的方向图与直接远场法测得的结果相比较，其方向图在主瓣和第一副瓣吻合较好，远副瓣和远场法相差较大。于是人们就分析其原因，最终归结为探头是非理想起点源所致，因此，出现了各种方法的探头修正理论。直到1963年Karns等人提出了平面波分析理论才从理论上严格地解决了非点源探头修正的问题。与此同时，Paris和Leach等人用罗仑兹互易定理也推出了含有探头修正的平面波与柱面波展开表达式[1，2]。Joy等人也给出了含有探头修正下的球面波展开式及其应用[3 ]。至此，频域近场测量模式展开理论已完全成熟，因此研究者的目光投向了应用领域。在随后的十年里，美国标准局(NBS)等研究机构进行大量的实验证明此方法的准确性[4]，其中取样间隔、探头型式的选择以及误差分析是研究者们关心的热门问题。 2．取样间隔及取样间距 由于模式展开理论是建立在付里叶变换的基础上，根据付里叶变换中抽样定理[5]，对带宽有限的函数。用求和代替积分，用增量代替积分元不引人计算误差，而平面、柱面、球面的模式展开式对辐射场而言都是带宽有限的函数，忽略探头与被测天线间的电抗耦合(取样间距选取的准则)，取样间隔与取样间距按表2所示的准则进行选取(参看图1坐标系)。 表2 取样间隔与取样问距的准则 表中：λ—工作波长；d—探头距被测天线口径面的距离；a—完全包围教测天线最小柱面或球面的半径；a'—极平面取样的最大圆半径．
线极化微带天线阵列的设计
线极化微带天线阵列的设计 摘要 微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。 本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真
ABSTRACT Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna. Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements. Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation
手机双频天线设计论文综述
通信工程专业实训 题目：手机内置天线的设计 专业：通信2班 学号：1167119226 姓名：李盼 指导老师：杜永兴 分数：_________________
目录 摘要： 关键字： 第一章：背景介绍 第二章：实训过程记录第三章：实训结论 第四章：实训总结 第五章：参考文献
摘要：现在的电子通讯技术飞速发展，随着技术可经济的推进，人们对手机的要求越来越高，然而手机的基本功能就是打电话，而对手机的内置天线要求就更高难度更大，小型化，并且能工作在不同的频段下，文中主要研究双频手机PIFA天线。采用了开槽的的设计方法实现了天线的双频，工作性能良好，易于实现，现在大多数手机都使用这种天线。 关键字：PIFA天线，双频，GSM,DCS,HFSS 第一章：背景介绍 1.1 移动通信对手机天线的要求 天线最主要的功能在于转换两种不同传播介质中的电磁波能量。在能量转换的过程中，会出现收发信机与天线及天线与传播介质之间的不连续接口。在无线通讯系统中，天线必须依照这两个接口的特性来做适当的设计，以使得收发信机、天线以及传播介质之间形成一个连续的能量传输路径。 移动通信手机对天线的要求： 外在要求： 天线尺寸小，重量轻，剖面低，携带方便，机械强度好 电性能要求： 水平面要求有全向辐射方向图，频带宽，效率高，增益高，受周围环境影响小，对人体辐射伤害小 1.2 手机天线的指标意义 天线输入阻抗： 天线的输入阻抗是以收发机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。这一数值对天线的辐射效率，天线的带内增益波动，天线前端的功率容量有很大的影响。手机天线是一种驻波天线，，天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号反射，使天线的辐射效率降低，同时由于反射的影响使得天线在宽频带内的增益有抖动，如果天线的驻波为6，手机前端的击穿电压将降为原来的1/6，而功率容量就会下降。 手机天线驻波对天线效率的影响不可不慎。 天线的驻波要求，我们目前统一要求为小于3。
微带天线课程设计报告
课程设计报告 课设名称：微波技术与天线课设题目：微带天线仿真设计课设地点：跨越机房 专业班级：学号： 学生姓名： 指导教师： 2012年 6 月 23 日
一、设计要求： 矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 矩形贴片天线示意图 二、设计目的： 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响 三、实验原理： 用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈
天线近场测量的综述
天线近场测量的综述
内部☆ 天线近场测量的综述 An OutIine of Near Field Antenna Measurement 一引言 天线工程一问世．天线测量就是人们一直关注的重要课题之一，方法的精确与否直接关系到与之配套系统的实用与否。随着通讯设备不断更新，对天线的要求愈来愈高，常规远场测量天线的方法由于实施中存在着许多困难，有时甚至无能为力，于是人们就渴望通过测量天线的源场而计算出其辐射场的方法。然而由于探头不够理想和计算公式的过多近似，致使这种方法未能赋于实用。为了减小探头与被测天线间的相互影响，Barrett等人在50年代采用了离开天线口面几个波长来测量其波前的幅相特性，实验结果令人大为振奋，由此掀开了近场测量研究的序幕，这一技术的出现，解决了天线工程急待解决而未能解决的许多问题，从而使天线测量手段以新的面目出现在世人的面前。 四十多年过去了，近场测量技术已由理论研究进入了应用研究阶段，并由频域延拓到了时域，它不仅能够测量天线的辐射特性，而且能够诊断天线口径分布，为设计提供可靠、准确设计依据；与此同时，人们利用它进行了目标散射特性的研究，即隐身技术和反隐身技术的研究，从而使该技术的研究有了新的研究手段，进而使此项研究进入了用近场测量的方法对目标成像技术的探索阶段。 二、近场测量技术发展的过程 近场测量的技术研究从五十年代发展至今，其研究方向大致经历四个阶段，如表1所示。 表1 近场测量技术所经历的时间
各个时期的研究内容可概述为以下几个方面 1．理论研究 在Barrett等人的实验之后，Richnlond等人用空气和介质填充的开口波导分别测量了微波天线的近场，并把由近场测量所计算得到的方向图与直接远场法测得的结果相比较，其方向图在主瓣和第一副瓣吻合较好，远副瓣和远场法相差较大。于是人们就分析其原因，最终归结为探头是非理想起点源所致，因此，出现了各种方法的探头修正理论。直到1963年Karns等人提出了平面波分析理论才从理论上严格地解决了非点源探头修正的问题。与此同时，Paris和Leach等人用罗仑兹互易定理也推出了含有探头修正的平面波与柱面波展开表达式[1，2]。Joy 等人也给出了含有探头修正下的球面波展开式及其应用[3 ]。至此，频域近场测量模式展开理论已完全成熟，因此研究者的目光投向了应用领域。在随后的十年里，美国标准局(NBS)等研究机构进行大量的实验证明此方法的准确性[4]，其中取样间隔、探头型式的选择以及误差分析是研究者们关心的热门问题。 2．取样间隔及取样间距 由于模式展开理论是建立在付里叶变换的基础上，根据付里叶变换中抽样定理[5]，对带宽有限的函数。用求和代替积分，用增量代替积分元不引人计算误差，而平面、柱面、球面的模式展开式对辐射场而言都是带宽有限的函数，忽略探头与被测天线间的电抗耦合(取样间距选取的准则)，取样间隔与取样间距按表2所示的准则进行选取(参看图1坐标系)。 表2 取样间隔与取样问距的准则 表中：λ—工作波长；d—探头距被测天线口径面的距离；a—完全包围教测天
实验五 微带天线设计
实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试 一．实验目的 1.了解描述天线性能的主要参数及天线类型 2.了解微带天线的辐射机理和设计方法 3.掌握用ADS 进行微带天线优化仿真的方法与步骤 二．天线的基本原理 1.天线的辐射原理： 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波 将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 2.电磁波辐射与场区的划分 (a) 感应近场 (b) 辐射近场 (c) 辐射远场 天线实际使用区域为辐射远场区 3.天线的分类 从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。 从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。 从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 按天线上电流分布分: 有行波天线、驻波天线。 按使用波段分类: 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。 按天线外形分类 : 有鞭状天线、T 形天线、Γ形天线、V 形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。 4.天线的技术指标 （1）天线的方向性因子 方向性因子 归一化方向性因子 λ/62.031D R <λ/222D R >1(,)jkr E f e r θφ-→max ) ,(),(f f F ?θ?θ=
（2）E 面和H 面方向图 工程上常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为E 面和H 面。 E 面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H 面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 （3）主瓣宽度 方向图主瓣上两个半功率点之间的夹角，记为2θ0.5。又称为半功率波束宽度或3dB 波束宽度。一般情况下，天线的E 面和H 面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5E 和2θ0.5H 。可以描述天线波束在空间的覆盖范围，主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。 （4）天线方向性系数 Pr ：被测天线距离R 处所接收到的功率密度,单位为W/m2; Pi ：为全向性天线距离R 处所接收到的功率密度, 单位为W/m2 （5）天线增益G Pr ：被测天线距离R 处所接收到的功率密度,单位为W/m2; Pi ：为全向性天线距离R 处所接收到的功率密度, 单位为W /m2 一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd ”表示 一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi ”表示 （6）辐射效率 Pr 为天线辐射出的功率；Pin 为馈入天线的功率。 天线增益、方向性系数和辐射效率的关系： （7）天线输入阻抗 （8）天线的极化 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 （9）天线带宽 有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比ρ≤1.4时，天线的工作带宽。 三．微带天线 1.微带天线优点： 相同辐射功率 i r P P D =相同输入功率 i r P P G =in r P P =ηD G η=I U Z in =
HFSS的天线课程设计(20201005041508).docx
一、实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为，带宽( 回波损耗 S11<-10dB)大于 5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由 Deschamps于 1953 年提出来的，经过 20 年左右的发展， Munson和 Howell 于 20 世纪 70 年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L、辐射源的 宽度 W、介质层的厚度 h、介质 的相对介电常数r和损耗正切 tan、介质层的长度LG和宽度 WG。图 1 所示的微带贴片天线是图 1：微带天线的结构 采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈 电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能， 形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有 g / 2 矩 的 改变，而在宽度 W方向上保持不变，如图 2（a）所示，在长度 L 方向上可以看做 成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成 垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小 相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分 量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
近场天线测量作业
作业一：分别采用直接求和与快速Fourier 变换（FFT ）两种方法计算出)(ωF ，并与理 论计算结果比较，并比较两种方法所用时间。 1. 已知x e x f -=)( 求 dx e e F x j x πωω2)(? ∞ ∞ --= 直接积分：2 )2(12 )(πωω+= F (1-1) 当ω很大时，0)(≈ωF 取100=Ω时，010 )(5 ≈<-ωF 故近似认为当Ω>ω时，0)(≈ωF ，即可以近似认为f （x ）是一个谱宽有限得函数，带限为2Ω，取005.02=Ω ≤?ππ x ，则由取样定理有 2()m x j m x m F e e x πωω∞ -??=-∞ = ???∑ 令x N n ?=ω， ∑-- =?-?≈12 2 2)(N N m N mn j x m x e e F πω 令,2 k N m =+ 则有 ∑-=-?--?≈?10 )2 (2)2 ()(N k N k N n j x N k x e e x N n F π ∑-=?- -?-=10 2)2 () 1(N k N kn j x N k n e xe π ∑-=-=1 2)1(N k N kn j k n e f π (1,,1,0-=N n Λ)
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