贴片天线的设计..pdf
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1、南开大学 本科生毕业论文 中文题目:贴片天线的设计 英文题目: The design of Patch antenna 学号: 姓名: 年级: 专业:电子信息科学与技术 系别:电子科学系 指导教师: 完成日期: 南开大学滨海学院毕业论文诚信声明 本人郑重声明:所呈交的毕业论文(设计),题目贴片天线的 设计是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方 式注明。除此之外, 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。 毕业论文作者签名: 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 I 摘
2、要 本文是以贴片天线为研究对象。现代天线领域中, 贴片天线扮演了一个很重 要的角色。因为它具有结构简单,成本低廉,便于制造等特点。本文首先介绍了 天线的由来和一些相关知识, 使大家对天线有一些基本的认识。再介绍了电磁仿 真软件 HFSS及其一些基本应用, HFSS是现在比较流行的电磁仿真和分析的软 件,学会使用它对学习帮助很大。接着根据矩形微带贴片天线的结构等,设计了 一个矩形微带贴片天线, 并用 HFSS进行了仿真及分析, 经过验证后跟之前的设 计经行了对比。 本文最后介绍了现在几种带宽比较大的微带贴片天线,从而更具 有针对当下贴片天线的使用的指导意义。 关键词:天线; HFSS;矩形微带贴
3、片天线;带宽 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 II Abstract This paper is based on the patch antenna as the research object. In the field of modern antenna, microstrip antenna has played a very important role. Because it has the advantages of simple structure, low cost, easy manufacture etc This paper firstly introduces
4、the origin of the antenna and some relevant knowledge, so that we have some basic knowledge of the antenna. Then introduced the electromagnetic simulation software HFSS and some basic applications, HFSS is now more popular electromagnetic simulation and analysis software, learn to use it very helpfu
5、l for learning. Then according to the rectangular microstrip patch antenna structure, the design of a rectangular microstrip patch antenna, and the simulation and analysis using HFSS, after the design is verified by the comparison with before. This paper finally introduces the microstrip patch anten
6、na is now several bandwidth is relatively large, which is more used for the patch antenna significance. Key words:antenna ;HFSS;Rectangular microstrip patch antenna ;Bandwidth 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 III 目录 摘要. . I 第一章绪论. 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 天线的简单概述 2 1.3 贴片天线的简单概述 3 第二章 HFSS 软件介绍与应用 5 2.1 HFSS软件简介 . 5 2.
7、2 建立 HFSS 工程的一般过程 . 6 2.3 HFSS计算原理 . 8 第三章微带贴片天线的具体仿真实例. 10 3.1 矩形微带天线的结构 . 10 3.2 矩形微带天线的辐射原理. 11 3.3 矩形微带天线的仿真设计. 12 第四章几种大带宽微带贴片天线的介绍. 15 4.1 具有空穴结构的宽带微带贴片天线. 15 4.2 具有 U形缝隙结构的宽带微带贴片天线. . 15 4.3 CPW反馈缝隙偶合宽带微带贴片天线. . 16 4.4 附加屑钉电阻的宽带微带贴片天线. 16 4.5 双频圆极化宽带微带贴片天线 . 17 第五章总结与展望 . 18 参考文献 . . 19 电子信息科
8、学与技术专业本科生毕业论文 IV 致谢. . 错误!未定义书签。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 1 第一章绪论 1.1 研究背景 天线是一项重要的发明。它是由著名的俄国科学家波波夫发明的。 早在 19 世纪 80 年代,这位伟大的科学家就提出了一个构想,他希望能够指 挥电磁波,用它来照亮全世界。 1895 年,马可尼制成了一台无线电接收机。这台机器最为重要的部分是重 新设计的金属屑检波器, 显示方面则是采用电铃来表现出来的,因为电铃的小锤 在收到信号时会震动 , 从而让金属屑松动。电铃则是起到了显示的作用,当接收 机收到信号时, 就会带动机器内部的结构运作。这样一来电铃就会响起, 这也
9、就 是可以判断出附近有电磁波信号。 在一次试验中, 马可尼发现接收机能够接收比以前远很多的电磁波,这让他 产生了疑问, 究竟是什么造成的这一切。 尽管波波夫一直在检查, 但是始终没有 找到原因。 在一个日常的测试中他发现在接收机上不经意添加的一个金属线,可以使接 收机接收的范围变得比以前要长许多。但是如果把那根导线移开之后, 接收的距 离又变得跟以前一样了。 经过几次相同的实验以后, 结果还是一样的。 于是他意 识到这是一个很重要的发现,他立刻开始了对这个“导线”的研究。 于是天线因此而问世。 在现代生活中, 天线可以说出现在我们生活的方方面面,只要通过电磁波从 而达到传递信息的目的都要使用天
10、线,如广播、电视、遥感玩具、手机通信、无 线上网、物流快递跟踪服务、 电子对抗等等。 因而可以说天线在我们生活中是非 常常见的。 我的论文就是在这个背景下, 通过研究贴片天线这个天线中常见的一种,一 方面可以向大家介绍天线的相关知识,另一方面可以普及贴片天线到日常生活中 来,让大家有进一步的了解。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 2 1.2 天线的简单概述 天线是一个同时既具备传输又具备发送电磁能量的导电元件。也就是说一方 面天线可以把电磁能量变为场量,然后发射出去;同时也可以接收电磁场信号, 将它们变为能量, 来接收所要传递的信息。 如何在同一天线上实现电磁能量的接 收与传播是天线的一
11、个重要属性。 实际上可以把天线理解为一种转换器,它将在有线部分传输的信号, 变换成 在没有介质情况下 (一般来说自由空间) 中传播的电磁波, 或者也可以实现逆向 的转换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电 视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传 递信息的,都依靠天线来进行工作 1 。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号 的能量辐射也需要天线。 总的讲,天线具有可逆性, 这就表明天线本身既可以发射信号,又能够接收 信号。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定 理。 天线的种类非常多, 可以根据不同的划分规则划分
12、为许多种。如果按照它的 性质划分的话, 可以分为接收天线和发射天线。按照维数可以分为一维天线、二 维天线。按照结构形式与工作原理可以分为线天线、面天线。按照使用场合可以 分为手持天线、车载天线、基地天线。同样还可以按照波长、用途等划分。总之 分类的方式是多种多样的,这跟我们平时的使用是密切相关的。 天线有很多的非常要紧数据, 比如说它的工作频率, 增益也是一个重要的数 据。带宽则是判断一个天线工作范围的重要数据。同时还有极化,阻抗等等。 以下是一些具体的例子: 传输线的特征参数 :Lambda Wavelength (单位:米)。 在自由空间中传播的电磁场,速度为光速。即c = 3.00 ?1
13、08m/ s 。 VSWR:Voltage Standing Wave Ratio,电压驻波系数。 dB:Decibel 分贝的引入为在使用中表示方便。 dBm:dBm 表示功率,相对于1 mw 为基准定义。 dBi :天线增益,以等方向天线为参考。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 3 1.3 贴片天线的简单概述 贴片天线是天线中的一种。 也就是说它是一种只能够在一个之前设定好的方 向传播。贴片天线一般用在点对点的情形下。因为贴片天线的性价比比较高,本 身结构又比较简单,所以常常用于印刷电路这一方面。它是一种同向性的天线, 可以作为移动设备中的发射机和接收机。 在我们平时日常的使用中,贴
14、片天线都是在频率相对比较高的状态下工作 的,它的最大优点是可以往各个方面辐射,缺点是可以使用的带宽很窄。 同其它的天线一样, 贴片天线同基底介质的介电系数密切相关。常用的基底 介质为 FR4 环氧板( FR4 epoxy board)。但是基底的介电系数很不精确,根据来 源其变化范围为 44.7。 下面的结果将说明基底介电系数的影响 贴边为一直径为20.10cm 的薄圆片。馈点在其中心。贴片天线的结构如图 1-1 所示 图 1-1 贴片天线的结构 中心频率带宽 VSWR = 2 输入阻抗 r = 4 厚度 1.6 mm 433.920 MHz1.7 MHz163.5 + j4.2 r = 4.
15、7 400.405 MHz1.7 MHz155.3 + j3.9 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 4 厚度 1.6 mm 通过上面的内容我们出来分析出基底介电系数的对于天线来说是极为重要 的。当你选择不同的介质是, 对于天线的带宽、 中心频率等都会产生很大的影响。 因而我们要在具体的工作环境中具体分析,选择合适的填充介质。 如果选择不合 适的话,可能会造成比较坏的影响。 以上就是关于贴片天线的一些简单介绍,在本文的后续内容中还会对贴片天 线进行更为详尽的一些分析和介绍。 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 5 第二章 HFSS 软件介绍与应用 2.1 HFSS 软件简介 微波技术广泛的
16、应用在网络设备与宽带部件、雷达、通信、电子对抗、集成 电路、印刷电路板设计、电子医疗系统、电磁兼容、微波能应用等领域。微波工 程的设计和分析都具有很大难度,传统的解析方法只能适用于少数简单问题,而 对于一些复杂的问题则需要近似分析和实验论证,而这样的过程需要经过反复的 设计、加工、调试过程。这样设计周期就会很长,不能够适应现在社会的节奏。 在这样的背景下Ansoft 公司推出了HFSS High Frequency Structure Simulator, 它是一款三维电磁仿真软件;是世界上第一个商业化的三维结构电磁 场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS之所以能受到
17、大家的欢迎,这和自身有着密切的关系。首先用户在使 用它的时候会发现它非常容易上手、操作十分简单。 其次是因为它有着强大的功 能这让它在很多电磁问题分析方面都能起到很大的左右,比如跟 S参数有关的它 都可以计算, 还能具体分析驻波比等重要参数。同时 HFSS 在设计方面的能力也 很强大,可以仿真模拟很多种类的天线。 这样一来很多天线问题就可以迎刃而解 了,而且仿真的效果也十分的好,设计和仿真的效果非常接近实际的天线。使用 HFSS,可以计算: 基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐射问题, 端 口特征阻抗和传输常数, S 参数和相应端口阻抗的归一化S参数, 结构的 本征模或谐振解,而且,由Ans
18、oft HFSS 和 Ansoft Designer构成的 Ansoft 高频 解决方案,是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案,提供了从系统到 电路直至部件级的快速而精确的设计手段,覆盖了高频设计的所有环节, 被广泛 的应用到航天、航空、电子、半导体、计算机、通信等多个领域,帮助工程师们 高效地设计各种微波结构 2 。 HFSS典型运算有以下几种: 封装模型 BGA,QFP,FlipChip ; PCB板建模电源 /接地板,网格面,底板; 硅/砷化镓螺旋电感线圈,变压器; 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 6 EMC/EMI 屏蔽防护层,耦合,近/远场辐射; 连接器同轴电缆, SF
19、P/XFP,底板,转换器; 波导滤波器,共鸣器,转换器,连接器; 滤波器腔体滤波器,微带传输带,介质滤波器。 HFSS不仅具有以上的优点,而且它听取许多用户和工业界的意见,进行了 各种更新和改良,因而更加收到了大家的欢迎和认可。在业界,Ansoft HFSS 是 高生产力研究,发展和虚拟的工具之一。 HFSS具体的系统要求如下: Microsoft Windows XP(32/64), Windows 2000,或 Windows 2003。 基于奔腾处理器的电脑 至少128MB RAM 至少8M显卡 鼠标或其他指向性工具 CD-ROM 驱动器 2.2 建立 HFSS工程的一般过程 2.2.1
20、 HFSS用户界面 要应用 HFSS 软件来分析高频电磁场问题,首先要熟悉HFSS的工作环境。 HFSS软件的典型工作界面如下图2-1 所示: 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 7 图 2-1 HFSS 软件的典型工作界面 该工作环境由以下几部分组成,每个分别有其特有的功能 1. 项目管理窗口 (Project Manager ) : 项目结构设计树 , 通过它可以访问工程结构单元 2. 信息管理窗口 (Message Manager ): 仿真之前可以在这里查看错误或警告 3. 属性窗口 ( Property Window): 在这里可以修改模型的属性和参数 4. 过程窗口 ( Prog
21、ress Window ): 显示求解过程 5. 三维模型窗口 (3D Modeler Window) 当前设计的模型内容可以在这里查看到。 2.2.2 工程建立的一般过程 在我们熟悉了 HFSS 基本操作界面之后, 如何建立一个工程是接踵而来的一 个问题,创建流程是这样的: 电子信息科学与技术专业本科生毕业论文 8 (1) 运行 HFSS 软件。 (2) 在当前工程中插入一个设计。 (3) 选择求解类型。 (4) 为建立模型设置合适的单位。 (5) 在 3D 窗口中建立模型。 (6) 设置需要的辐射边界。 (7) 看自己本身设计的需要,从而决定为是否要对模型设置激励。 (8) 设置求解频率及
22、扫频等操作。 (9) 检查当前工程的有效性。 (10) 求解当前工程。 (11) 对已求解的工程创建结果报告。 2.3 HFSS 计算原理 总体来看, HFSS 软件是利用有限元方法的3D 频域电磁场计算软件。为了 更精确的逼近待求解微波问题的复杂几何结构和材料特性,HFSS 软件待求解的 微波问题以四面体为单元进行离散化剖分,通过对其单元中电场分量的计算来获 得各个微波物理量和特性参数 3 。 HFSS软件对于微波工程问题可以分为本征值问题和激励问题求解。除了散 射等入射波激励的工程问题,软件需要先完成激励端口的2D 求解,通过边界匹 配技术对于特定边界下的3D 问题进行求解,并利用特有的自
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