实验一：微带天线的设计与仿真
实验一：微带天线的设计与仿真
一、实验步骤、仿真结果分析及优化
1、原理分析：
本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。
假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片，
εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。
由公式：2
/1212-??
? ??+=
r r f c
W ε=25.82mm
贴片宽度经计算为25.82mm 。
2
/1121212
1-??
? ??
+-+
+=
w h r r e εεε=8.889；
()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h
l
e e
εε
?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为：
l f c L e
r ?-=
22ε=18.08mm
馈电点距上边角的距离z 计算如下：
)
2(
cos 2
)
(cos 2)(5010
22z R z G
z Y e
r in ?===λεπβ
2
20
90W R r λ=
（0λ< 得到：z=8.5966mm 利用ADS 自带的计算传输线的软件LineCalc 来计算传输线的宽度，设置如下： 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 因为计算的时候没有符合0λ< 由于较为符合设想的结果，下面是本人利用ADS 软件来进行天线的计算： 首先，打开一个layout 文件，设定其单位如下： 然后打开Momentum/Substrate/Create/Modify，参数设置如下： 再设置Metallization Layers上参数如下； 原始图画如下： 各个参数定义如图，经过仿真，得到如下图象： 然后进行远区场的模拟（在2.5GHz时候）： 主要的功率增益，方向性系数和效率图如下： 在0度的时候，天线增益为4.142dB，方向性为5.702dB。 由于天线中心不是在2.5GHz下，并且反射系数最小值也有-2.807dB。所以要进行匹配。 三、匹配 打开一个Schematic文件，将天线输入阻抗等效为一个纯电阻与一个电感串联后接地。在2.5GHz条件下，采用L型网络匹配方式。具体为串联一根50欧姆传输线，使得S11参数在等反射系数圆上旋转，到达g=1的等g圆上，然后再并联一根50欧姆传输线，将S11 参数转移到接近0处。具体电路匹配如图所示： 此时匹配后的输出S11为0.027，如下所示 此时已经差不多实现了匹配，接下来将它画入电路板中。如图，实现了最终的电路图。 其中在电路的左端加一端50欧姆阻抗线，为了方便输入。它的长度任定，这里取1～2mm。用计算机模拟，得到输出S11图象如下： 可见此时天线已经实现了匹配，天线的中心在2.5GHz，它的大小为0.1。 带宽大致为60MHz左右，相对带宽为：2.4% 再次看天线的远处辐射场，如图： 损耗引起的。 freq, GHz d B (S (1,1)) freq (2.000GHz to 2.900GHz) S (1,1) Linear Polarization -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -50-40-30-20-10-60 0THETA M a g . [d B ] E_co E_cross -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590135-180 180THETA P h a s e [d e g ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 10203040 050THETA M a g . [d B ] Axial Ratio -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] Circular Polarization -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -50-40-30-20-10-60 0THETA M a g . [d B ] E_left E_right -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590135-180 180THETA P h a s e [d e g ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 40 45 35 50 THETA M a g . [d B ] Axial Ratio -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590135-180 180THETA P h a s e [d e g ] Absolute Fields -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-1 1E-2 1 THETA M a g . [V ] Etheta Ephi -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590135-180 180THETA P h a s e [d e g ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-4 1E-3 1E-5 3E-3THETA M a g . [A ] Htheta Hphi -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590135-180 180THETA P h a s e [d e g ] THETA M a g . [d B ] Efficiency -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-71E-61E-51E-41E-8 4E-4THETA M a g . [m 2] Effective Area -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-61E-51E-41E-31E-7 2E-3THETA M a g . [W /s t e r a d ] Radiated Power -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1020304050607080900 100THETA P e r c e n t a g e THETA M a g . [d B ] m2m1m1 THETA=10*log10(real(Directivity))=5.653Max 2.000 Linear Polarization THETA M a g . [d B ] -80 -60 -40 -20 02040 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 10203040 50THETA M a g . [d B ] Axial Ratio -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] Absolute Fields THETA M a g . [V ] -80 -60 -40 -20 020 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-41E-3 1E-5 3E-3THETA M a g . [A ] Htheta Hphi -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] THETA M a g . [d B ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1020304050607080900 100THETA P e r c e n t a g e Efficiency -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-71E-61E-51E-4 1E-8 4E-4THETA M a g . [m 2] Effective Area Radiated Power -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 1E-61E-51E-41E-3 1E-7 2E-3THETA M a g . [W /s t e r a d ] Circular Polarization -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -50-40-30-20-10 -60 0THETA M a g . [d B ] E_left E_right -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 40 45 3550 THETA M a g . [d B ] Axial Ratio -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 -100 100 -135-90-4504590 135-180 180THETA P h a s e [d e g ] Frequency M a g . [d B ] S11 m1 freq=dB(wdai1_mom_a..S(1,1))=-13.216Min 2.436GHz 2.2 2.4 2.6 2.8 2.0 3.0 -1000100 -200 200Frequency P h a s e [d e g ] S11 freq (2.000GHz to 2.900GHz) S11 二、实验心得： 用ads制作天线能够达到高精度，它与sonnet的不同在于它可以进行阻抗匹配的计算，使得天线更能符合实际的要求。 由于ADS仿真比较慢，因此在初步设计的时候最好先用sonnet进行仿真，然后利用ADS的匹配工具进行匹配。便能方便精确的设计出一个好的天线。 从这个天线的设计中也可以发现，矩形贴片微带天线的带宽相对较小，这样就对下面的滤波器的设计提出了更高的要求。 实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 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。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型： （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 . . . . . 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。 .. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。 （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名 输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。 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 实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 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 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。 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≈ 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。 课程设计说明书 题目：基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 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，具有广阔的前景与实用意义。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。本文就设计一个中心频率工作为880MHz，相对带宽为B=5％，介质板厚度h=1.6mm，损耗角正切tanδ=0.0018，介电常数为Er=2.3的微带缝隙天线展开研究以及仿真和优化。 关键词：ADS；微带缝隙天线；仿真设计； Design of microstrip slot antenna based on ADS simulation Abstract: Communication system development has brought the antenna the vitality of the industry, in many types of antenna microstrip antenna has become one of the forefront of current research, has broad prospects and practical significance. Microstrip slot antenna, in particular, with its light weight, thin section, flat structure and easy with conformal carrier, feeding the advantages of network can be made with the antenna structure has caused extensive concern of antenna workers. In this paper, the design of a work center frequency is 880 MHZ, relative bandwidth is B = 5%, medium plate thickness h = 1.6 mm, loss tangent tan delta = 0.0018, the dielectric constant of Er = 2.3 microstrip slot antenna study and simulation and optimization. Key words: ADS; Microstrip slot antenna. The simulation design; 学习目的 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz: (2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec , 课程设计 课程名称：微波技术与天线 课设题目：微带天线设计（不同切角） 实验地点：博学馆机房 专业班级：电信1201班 学号：2012001422 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰 2015 年7 月 4 日 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—图纸的顺序进 行装订上交（大张图纸不必装订） 指导教师签名： 日期：2015-6-10 专业班级 电信1201 学生姓名 课程名称 微波技术与天线 课程设计 设计名称 微带天线设计 设计周数 1.5周 指导教师 李鸿鹰 设计 任务 主要 设计 参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉微带天线的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下微带天线的仿真设计 设计要求如下： 频率：5.6GHz 介质：FR4 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务 设计内容 设计要求 6.11：分组、任务分配、任务理解 6.12：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。 6.15~6.18：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。 6.19：同组同学结果汇总及讨论 6. 22：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。 主要参考 资 料 刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2012 顾继慧，微波技术，科学出版社，2007 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交 归档文件 1.设计报告 2.工程文件 用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< ETC系统5.8GHz微带二元天线阵列设计与仿真 代玲玉1，张立华2 1. 武汉理工大学电信系，武汉（430070） 2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200） E-mail：sunlit1986@https://www.sodocs.net/doc/0016115832.html, 摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。 关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.0 1 引言 随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。 ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。 ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。其中采用Ansoft HFSS V9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。 2天线 天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。 天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。一般常见的天线结构为县天仙、环天线、（反射）面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等，如图1所示。为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。 线天线环天线微带天线 基于 HFSS 的天线设计 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 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，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g / 2 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。 《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真 单位（院、系）：信息工程学院 学科专业: 电子与通信工程 学号：416114410159 姓名：曾永安 时间：2011.4.25 矩形微带天线的设计与仿真 学科专业：电子与通信工程学号：416114410159 姓名：曾永安指导老师：吴毅强 摘要：本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：HFSS，微带线，天线 Design and Simulation of Rectangular Microstrip Antenna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well. Key words:HFSS,Microstrip,Antenna 1.引言 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。 2.微带贴片天线理论分析 图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 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 图1 微带天线的结构 L型探针馈电的微带天线仿真设计 中文摘要 近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，同时对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。重量轻，剖面低，成本低和易于集成的微带天线，受到大家的广泛的关注。目前微带天线的主要限制还在于天线的狭窄。经过数十年的发展，很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注。 由于L 型探针垂直部分及水平部分和贴片之间产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，使天线频带拓宽或者呈现多频带。这使得L型探针馈电广泛应用于现代移动通信系统中。本文介绍了微带天线的辐射原理及微波射频段电磁波的基本理论及L型探针馈电的微带天线。 文中依据理论分析以及数值计算相结合的方式设计出满足设计需要的微带天线并借助天线设计软件HFSS分析了L型探针水平段和竖直端长度对天线带宽的影响，在最后设计了一副进行仿真优化了的信号频段在3.2~4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。 关键词：微带天线；容感性；L型探针馈电；HFSS仿真 The design and Simulation of antenna with L-shaped probe feed Absract In recent years,with the increasing number of mobile munication system,munication equipment developed towards miniaturization direction constantly,and the antenna size,high integration and frequency requirements are also being more and more important.Light weight, with low profile,low cost and ease of integration has got widespread attention by all of us.The major limitations of microstrip antenna now is the bandwidth of the antenna. After decades of development,a lot of research scholars proposed method to expand the bandwidth of the microstrip patch antenna,which adopts the L-shaped probe feed get a lot of attention. Because vertical section and horizontal section of L-shaped probe create inductive reactance and capacitive reactance,and both of them interact to produce resonance, this makes the antenna has wide bandwidth or multiple frequency bands. This makes L-shaped probe feed is widely used in modern mobile munications system. This paper introduces the radiation principle of microstrip antenna and microwave radio frequency section of the basic theory of electromagnetic wave transmission and the antenna with L-shaped probe feed. Based on the basic theory of microstrip antenna analysis and numerical calculation design a microstrip antenna meet the design need,and analysis the effect of the size horizontal and vertical section of L-shaped probe on the antenna bandwidth with the aid of with simulation software HFSS.In the final,it designs a microstrip antenna with L-shaped probe feed which the transmission signal frequency band in 3.2~4.4 GHz. KEY WORD：Microstrip antenna；Should the emotion；L-shaped feed；HFSS simulation实验七 微带贴片天线的设计与仿真
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