小型化微帶天線的研究畢業論文-資料下載頁

【導讀】型化和寬頻帶的要求。而微帶天線具有結構緊湊、外觀優美、體積小重量輕.等優點，得到廣泛的應用。但是，低增益、窄帶寬的缺陷也限制了微帶天線的使用。對微帶天線最基本的小型化技術、寬頻帶技術進行了探討、分析和歸納。中，采用ANSOFT公司的電磁仿真軟件——AnsoftHFSS，結合寬頻帶的設計方法，指導下進行的研究工作及取得的成果。包含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。說明并表示了謝意。的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任。何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢。獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的。法律后果由本人承擔。本人授權大學可以將本學位論文的全部或。涉密論文按學校規定處理。

　　

【正文】 的研究 28 阻抗匹配技術 實際上這并不屬于微帶天線本身的問題， 而是饋線的匹配問題。 由于線極化微帶天線的工作帶寬主要受到其阻抗帶寬的限制， 因此采用饋線匹配技術就能使天線工作在較寬的頻帶改變阻抗的一種最常見最直接的方法就是在微帶天線的饋電部分使用阻抗匹配網絡， 如使用調諧短線和 1 / 4 波長的變換器等。 這些匹配網絡應接在距輻射單元盡可能近的地方， 以便獲得較高的總功率和帶寬。 而匹配網絡中不連續點的輻射會使天線的交叉極化特性變差。 因此， 由于匹配網絡的復雜性和損耗的限制，天線帶寬只能達到 1 0 % 3 0 % 左右。 例如 Pues 和 Vande Csp elle 利用無源匹配網絡獲得了 1 0 % 1 2 % 的帶寬， 用類似的 技術也己 實現了 2 5 %以上的帶寬 ，這足以使單個輻射單元的帶寬覆蓋兩個 G P S 頻段。 工作于主膜的矩形或圓形微帶貼片天線，其等效電路可以用一個 RLC諧振回 路 來 描 述。 在 背饋的 情 況 下， 應 考 慮 饋電 探 針的 電 抗 效 應。 當 基 片 厚 度 h ? g?時，饋電探針的作用更為顯著 ； 當 h? g?時 ， 其作用等效于 一 個電感，這個電感與上述并聯諧振回路相串聯， 形成天線的輸入阻抗。 為了使這個阻抗與饋線 ( 如 50 ? 的饋線 ) 在最大的頻帶范圍內相匹配， 需要進 行網絡綜合， 采用計算機輔助方法實施最優設計。 對于圓形微帶貼片天線， 主要的匹配元件是一個串聯電容，在天線工作頻率上這個電容與饋電探針的等效電感近似構成串聯諧振。 串聯諧振回路在諧振頻率附近的電抗趨于抵消， 使之避免了偏離諧振時電抗的迅速變化因而展寬了頻帶。 如圖 3 . 5 所示的 采用 3D錐形過渡的 一種新穎天線，實驗測得， VSWR =2 時的帶寬約為 9 0 %.探頭饋源與長方形懸浮貼片間的這種過渡采用懸浮微帶線。 該天線和過渡帶不使用任何介電材料， 貼片通過一根金屬或者非金屬桿支撐于其中心處。過渡帶可 以 是與地面傾斜的等寬度金屬帶，如圖 (a)所示 也可以是與地面垂直的變寬度帶， 如圖 (b)所示。 這兩種方法因為其變阻抗特性而產生了大的頻帶展寬。 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 29 a 采用傾斜式 3D錐形過渡的懸浮貼片 b 采用垂直式 3D錐形過渡的懸浮貼片 圖 采用 3D錐形過渡的寬帶單層貼片天線 電阻性加載技術 引入天線損耗是提高天線阻抗帶寬的一種方法。 實踐證明， 通過加載片狀電阻、 在貼片上開 L形槽以 及在接地板上開槽等都可以實現天線的帶寬展寬，這在文獻中都有詳細的論述以及設計實例。 通常的加載微帶天線是通過加載電阻的方法引入歐姆損耗，降低天線的品質因素，從而有效地增加天線的帶寬。 一般來說，加載電阻微帶天線是由加載短路稍釘的微帶天線演化而來的。將加載短路稍釘換作一個低阻值如 1? 的貼片電阻，這時天線的諧振頻率和加載稍釘時的諧小型機載天線的研究 30 振頻率幾乎不變，而天線的帶寬則有顯著的提高。同時，由于加載微帶天線引入歐姆損耗，天線的效率和增益相對于常規微帶天線有所降低。 通過在矩形微帶貼片上安裝 1? 的片狀電阻證實了這一點。圖 片狀負載電阻的加載天線幾何結構。該天線的 10dB回波損耗帶寬約為無電阻負載貼片的 ，而貼片的尺寸減小到無負載貼片的 。據估計，天線增益因電阻性負載的使用而減少了 2dB左右。 加載技術在實現天線的小型化時還可以實現天線的寬頻帶。 圖 采用片狀電阻負載的寬帶貼片天線的幾何結構 多模技術 使用多模諧振是設計寬帶微帶天線的一項非常成功的技術。此項技術的基本設計思想是借鑒了耦合諧振器的基本原理。耦合諧振器一般由 2個或多個諧振器組 成，對他們進行參差調諧以覆蓋感興趣的頻率范圍，此項技術已經應用于各種形狀的微帶天線。在采用多模技術的天線設計中，有的使用了 2個或者多個諧振單元，他們的諧振頻率略有不同，彼此間近距離耦合，通過控制耦合來提高帶寬。 通過寄生耦合實現寬頻帶的方法很多，常見的有層疊天線單元提高帶寬，采用共面寄生單元展寬帶寬等。典型的層疊貼片微帶天線有雙貼片結構，在這種結構中，有第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 31 許多變量，例如基片厚度和介電常數，貼片中心的偏移，貼片尺寸和潰源位置等。這種結構不僅可以實現寬頻帶，還可以實現多頻帶。不同的應用選擇不同的變量。 在貼片或接地板上 “ 開窗”的辦法 在微帶貼片上的不同位置開不同形狀的“ 窗口” ， 等效為引入阻抗匹配元件。因此， 在接地板的適當位置處“ 開窗” ， 可改變微帶天線的輻射條件和阻抗特性，這些都可能展寬頻帶。 在實際應用中， 往往是綜合使用以 上所述的展寬頻帶的方法。 由于微帶天線頻帶的展寬常常伴隨著天線尺寸的增大， 因此限制了微帶天線的應用范圍。 我們希望得到小型寬帶微帶天線，因此研究如何減小微帶天線的尺寸顯得相當重要。 例如采用短路桿能大大減小天線尺寸， 在微帶天線的表面覆蓋一層介 質也可以減小天線尺寸。 若介質采用陶瓷材料， 可將天線尺寸減小三分之一以上， 若用二氧化氮則能減小五分之一。一種在相同條件下減小頻率從而相對減小尺寸的方法也被提出， 這種方法已 應用于圓極化微帶天線。 這種天線綜合考慮了展寬頻帶和減小尺寸兩個方面的要求， 獲得了一種相對寬帶的小型圓極化微帶天線。 當然，另一方面， 在增大微帶天線的帶寬時也應考慮到不應使天線過于復雜， 否則將增大天線制造和分析的難度。 另外，在實際應用中往往需要雙頻工作的天線。如果我們能實現雙頻工作，并且每個頻段都可以得到較大的帶寬， 這 種微帶天線將得到更為廣泛的應用。 若單單基于展寬頻帶這一點考慮， 可以在上 下兩層貼片中配以恰當數量的電控短路元件，并可能使兩個頻段銜接起來，從而獲得復合雙頻微帶天線，使頻帶展寬。 小型機載天線的研究 32 第四章 微帶天線的寬頻帶設計 33 第四章 微帶天線的 寬頻帶設計 1. 設計思想 寬頻帶微帶天線的基本技術是降低等效諧振電路的 Q 值，降低介質損耗等。天線的頻帶是指其特性參數在規定的容許范圍內的頻率范圍。對線極化微帶天線來說，通常考慮的電參數有：方向圖、 輸入阻抗 和增益。其中最易受頻率變化影響 的是阻抗， 也就是說．線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。微帶天線阻抗頻帶窄的主要原因是在于它是一種諧振式天線，它的諧振特性猶如一個高 Q 值的并聯諧振電路。 展寬天線帶寬的主要前面已經敘述過，在這里我用的是采用多層貼片的形式 ——做了一個雙層貼片微帶天線以展寬天線帶寬。如圖 圖 1 雙極化電容耦合饋電的雙層微帶天線 基本要求 如圖 圖 雙層微帶貼片尺寸介紹圖 小型機載天線的研究 34 其中 (1)h1=h2=8mm (2) 1r? = 2r? = (3)Heightpatch1Heightpatch2=20mm (4)l_patch1=w_patch2=250mm (5)l_patch2=w_patch2=260mm (6)h_patch1=h_patch2=8mm 1 仿真結果 通過以上條件，在軟件 HFSS中建立雙貼片模型，如圖 1所示： 圖 1 雙貼片微帶天線模型圖 對其進行仿真得出以下結果： 第四章 微帶天線的寬頻帶設計 35 圖 2 仿真結果 — 方向圖 （ 1） 方向圖及增益 如圖 2所示，能看到，仿真出來結果增益能達到 ， 符合要求 （ 2） 帶寬及其駐波比 圖 3 駐波比及其帶寬 小型機載天線的研究 36 如圖 3所示 駐波比在 2以下其相對帶寬達到 10%以上，符合寬頻帶要求 2. 結論 本設計中只提出了一種簡單的展寬頻帶的方法，結果也不是很完美。但寬頻帶微帶天線在現代社會中應用越來越廣泛，在條件允許下我相信能設計出更好的，更適合要求的天線。 第五章 結束語 37 第五章 結束語 微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優點，因而自其誕生以來就得到社會各界的廣泛研究與應用。但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線，相對帶寬較窄。同時，隨著通訊技術的發展，寬帶的應用越來越受到重視，新的標準相繼提出，通訊產品越來越小型化，物理空間的限制成為系統設計必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設計的又一研究熱點。如何設計出同時具有小型化、多頻帶以及寬頻帶的微帶天線是當前微帶天線設計的難點與重點。 (1)本文提出了一種實現微帶天線小型化的新技術 . 該設計以增加厚度為代價有效的減小了微帶貼片天線的面積 . 應用 HFSS軟件對所提出的天線進行了電磁仿真 . 結果表明 ， 該天線為單縫輻射 ， λ /4波長諧振天線 . 天線具有與常規微帶天線相似的 E面和 H面方向圖 . 其增益小于雙縫貼片天線 . 天線結構簡單 ， 易于制作 ， 特別適用于對天線尺度要求比較苛刻便攜式通訊設備等 . (2)利用 Ansoft公司仿真軟件制作并分析了一種微帶天線的寬頻帶方式 —— 雙層貼片微帶天線，通過分析與修改 ，基本達到了寬 頻帶的要求，雖然不夠完美，但是也體現了一種實現寬頻帶的方法 。 二十一世紀是個人通信的時代，無線通信在其中占有很大的比例，小型化微 帶天線和寬頻帶微帶天線將有非常廣闊的應用前景。研制出實用的小型化、寬頻 帶天線是一項非常有意義的課題。本論文所做的工作只是一些初步的探索和嘗試，未來的工作會更加艱巨也將更有實際意義。 小型機載天線的研究 38 致謝 39 致謝 在論文即將完成之際，我心中充滿了深深的感激之情，因為在本論文的完成過程中得到了很多人的幫助和支持 ! 首先，衷心感謝我的 畢 業 設 計 導師鄢澤洪教授，感謝鄢教授半年來，對我的教導鼓勵和支持， 深深感謝鄢教授在微波與天線方面對我的教導， 使我在迷茫之中找到了奮斗的目標和方向 。 感謝我的指導老師樊芳芳老師，在整個畢業設計過程中，我遇到了很多困難，在樊老師的精心教導中，克服一個又一個難題，所以我的畢業設計能夠順利完成，樊老師也付出了很多，再次感謝！ 深深感謝我的家人一爸爸、媽媽，我的女友 !是你們多年來一直默默無聞無私的奉獻在支持著我不斷向前，你們的支持，無論是精神上還是物質上的總是那么有力，它給了我面對任何困難的勇氣和力量，在此我愿將本篇論 文獻給你們 ! 最后 ，感謝評閱本論文的專家學者們，感謝你們為此付出的辛勤勞動！ 感謝所有關心和支持我的人 ！ 小型機載天線的研究 40 參考文獻 41 參考文獻 [1]天線的發展現狀及趨勢， [2] G. A. Deschamps ， Microstrip microwave antennas， USAF Antennas， 1953. [3] J. F. Zurcher， The SSFIP: A global concept for high performance broadband Planar antennas， Electronics Letters ， ， pp. 14331435， November 1988. [4]陳雅娟 龍云亮，小型寬帶微帶天線的研究進展，系統工程與電子技術 ，. [5]鐘順時，微帶天線理論與應用，西安電子科技大學出版社， 1991 [6]LIU XueGuan， GUO HuiPing. Microstrip Technology antennas[M]. Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University (劉學觀 ， 郭輝萍 .微波技術與天線 ， 西安 :電子科技大學出版社 ) 2020. [7]張鈞，劉克誠等，微帶天線理論與工程，國防工業出版社， 1988. [8]