圆形和矩形微带贴片圆极化性能仿真分析毕业论文.doc

圆形和矩形微带贴片圆极化性能仿真分析毕业论文 目 录摘要IVAbstract II第1章 绪论11.1 课题背景11.2HFSS简述2第2章 矩形天线32.1 引言32.2.1矩形天线辐射理论42.2.2 圆极化理论62.2.3 矩形天线数据计算102.3 仿真模型12第3章 圆形贴片天线233.1 引言233.2 理论依据233.4 结果与优化27结论2参考文献4致谢6附录1 5附录2 6附录310附录4 15 / 第1章 绪论1.1 课题背景众所周知，麦克斯韦是电磁学方面的泰山北斗，他的存在犹如牛顿之于经典力学之存在，在潜心研究前人理论之后（如法拉第），麦克斯坚信电与磁之间有着不可分割的联系，他于1873年发表的《电磁通论》，全面、系统、完美地阐述了电磁场理论，这一理论也成为经典物理学的重要支柱电磁学的理论基础离不开麦克斯韦方程组，它是解析电磁关系的钥匙基于对电磁理论的深刻研究，电磁学已获得长足的发展。

从磁悬浮列车，到普与世界的通讯，从电磁炉微波炉，到强大杀伤力的电磁炮，可以说它已经改变我们的生活，相信在未来的世界里电磁学扮演的角色会愈加重要，科学历史的长河里电磁学必然有着不可替代的地位微波技术是电磁学一门重要的分支，近年来被广泛运用到各种领域，如雷达、通信、网络设备、宽带部件、集成电路、医疗电子系统、微波能应用、微波环境遥感系统等微波技术中的天线设计，无疑有着无可取代的位置，天线在无线传播中发挥着重要的作用天线以工作性质性质分类可分为发射天线和接收天线；以工作用途分类可分为通信天线，电视天线，广播天线，雷达天线等；以辐射方向分类可分为全向天线和定向天线；以工作波长分类可分为超长波天线，长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线，微波天线等其中微波天线的频率围在300MHZ—300GHZ，其间有巨大的频率跨度，本文中所要研讨的即是微波天线中的微带天线，微带天线的特点为波长短，频率高，窄带宽，小功率等微带贴片天线是近30年来逐渐发展起来的新型天线常用模型是在一个薄介质基上（如聚四氟乙烯玻璃纤维压层），一面附上金属薄层作接地板，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，这样就形成了微带贴片天线。

微带贴片体积小、重量轻、薄的平面结构适合与飞行器共形，它的制作工艺简单，成本低廉，有很大的发展前景目前在卫星通信、雷达、遥感、导弹、遥测遥控、环境监测、生物医学、便携式无线电设备等，贴片天线已被广泛运用相比较一般的贴片天线，圆极化贴片天线具有更优秀的辐射特性线极化波容易在传播过程中发生偏转造成衰减，圆极化波在遇到障碍物后会反向，直射波与反射波会有极化隔离，因此圆极化波具有较强的抗干扰力值得提起的是卫星导航定位系统的天线极化方式，都采用圆极化辐射，所以研究圆极化天线辐射特性很有意义和价值1.2HFSS简述微波工程分析和设计工作有很大的难度，对于传统的分析方法来说，要实现当今这样高度复杂的电磁系统，无疑是捉襟见肘即使有充分的知识储备和超越常人的耐心与毅力，因设计工作需要反复的设计、加工、调试，所以一个设计周期往往较长，在如今快节奏的社会体制下，也很难取得发展20世纪60年代开始出现微波分析的数值方法，在此基础上诞生了第一个微波技术的电子设计自动化软件（EDA）目前，微波EDA软件已经成为微波工程师进行天线、微波电路、电磁兼容等设计的最基本工具20世纪80年代，美国Ansoft公司研发出HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件，HFSS是基于电磁场有限元方法（FEM）分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。

HFSS凭借其超高的仿真精度、快捷的仿真速度、令人称赞的可靠性、方便简单的操作界面、稳定成熟的自适应网格剖分技术，很快获得人们的认可与肯定，逐渐成为微波设计的首选工具和行业标准现今已被广泛运用在航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等诸多领域但是由于软件的语言为纯英文操作，让国的微波设计爱好者与工程师不能顺畅全面的使用，国有许多微波工程资深工程师和教授都曾出版过有关HFSS使用与解析的书籍，其中很多都有独到的见解例如，由电子科技大学出版谢拥军老师等编著的《Ansoft HFSS基础与应用》 ；明洋老师主编的《HFSS 天线设计》 等都有较高的参考价值1.3研究目的与意义圆极化微带天线因为其优秀的辐射性能，如今被广泛运用于各种领域，随着信息传输的要求不断增大，对频率，带宽与极化方式必然有着越来越严苛的要求所以研究圆极化贴片天线的辐射性能，对圆极化贴片天线有基本的认识和理解，不论从个人还是社会角度看，都是极有意义的事本文目的是通过探索圆极化贴片的各种变量参数，分析各种参数对应天线辐射性能的具体指标，对贴片天线设计与优化方案实现有一定的参考价值比较矩形贴片与圆形贴片的辐射特性差异，得出微带贴片天线一些工程意义上的辐射特点。

1.4主要研究容与论文组织结构本文的主要容为设计矩形贴片和圆形贴片圆极化辐射特性微带天线，并且比较分析两者之间的辐射特性与其他相关参数关系第1章 ：绪论主要介绍课题研究背景，国外研究情况，HFSS软件简介，课题研究目的与意义，简述论文结构等第2章 ：矩形天线主要容为矩形天线的理论基础，仿真模型的建立，结果与优化，矩形天线各项参数分析第3章 ：圆形天线介绍圆形天线的理论基础，仿真模型的建立，结果与优化，圆形天线各项参数分析第4章 ：辐射特性比较与结果分析比较矩形与圆形各种辐射指标，得出结果与假设第5章 ：结论主要容为课题研究的结论第2章 矩形天线2.1 引言矩形圆极化辐射特性微带贴片天线的理论有比较成熟的体系，应用围也较为广泛，结构简单，易于实现本章将深入讨论矩形天线理论基础，模型特性，圆极化辐射性能，各种变量参数对天线性能影响2.2 理论依据2.2.1矩形天线辐射理论 矩形微带天线的辐射波是由天线导体边沿与地板间的边缘场产生的从图2.2.1_(1)_(a)中可以看到，矩形贴片与地板之间的距离为h，假设贴片为理想电导体，电场沿宽度与厚度方向均无变化，辐射的电场只沿着贴片的长度（即是半波长λ/2）方向变化，辐射大致是由贴片开路边沿的边缘场产生的。

a） 矩形微带天线 （b）等效辐射场 （c）辐射缝隙 图2.1 矩形贴片天线辐射原理图在两端的场相对于地可分解为法向分量与切向分量，由于矩形贴片长度为λ/2，因此法向分量反向，它们产生的远区场在正方向上是相互抵消的而它们平行于地板的切向分量是同相的，由此产生较强的合成场；垂直于地板的的切向分量同相，同样产生较强的合成场，所以在垂直于天线方向上有最强的辐射场，如图2.2.1_(1)_(b)所示根据以上分析，微带贴片天线可等效为两个相距L，同相激励，从地板向上垂直空间辐射的两个缝隙，如图2.2.1_(1)_(c)所示 微带天线的分析方法主要有3种方法：传输线模型法、空腔模型法和积分方程法这3种分析方法各有所长，在具体的模型中应根据具体情况具体选择分析方法在分析设计天线的过程中，应该合理使用理论分析和计算机仿真，由于传输线法较为简单方便，且特别针对矩形微带贴片天线，以下使用传输线模型法来分析矩形贴片天线图2.2矩形微带天线与坐标系如图2.2.1_(2)所示矩形微带贴片天线与坐标系，矩形的宽为w，长，为介质波长为了计算方便按如下的方法设置坐标系：z轴和y轴位于接地板上，z轴沿缝的方向。

传输线模型将矩形微带天线看成是场沿横向没有变化的半波长传输线谐振器，场沿纵向呈驻波分布，天线的辐射主要由两开路端边缘缝隙产生首先研究y=0处的缝隙辐射情况设y=0处的电场为，缝隙的辐射可以用等效磁流来计算，等效磁流为　　　　　　　　　　 （2.1）V0是缝隙电压，该磁流与镜像一起在自由空间辐射，其辐射场的电矢量位为　　　　 (2.2)辐射场可由已知式计算，在图中所示的坐标系中远区场的矢量位只有分量，因此 (2.3)由上式可以计算缝隙的辐射功率并进一步计算缝隙的辐射电导，当时式中为自由空间波阻抗，，2.4)除了辐射电导外，缝隙的导纳还有一由于边缘效应引起的电纳部分，这部分可用微带传输线的延伸长度来表示　　　　　　　　　　　 （2.5）可用如下经验公式计算 (2.6) (2.7）式中为介质基板厚度为h微带宽度为w的微带传输线的等效介电常数，Yc为其特性导纳2.2.2 圆极化理论 形状规则的矩形微带天线由一点馈电能产生极化正交、幅值相等的二简并模，但不会形成90°的相位差，如果要使其形成90°相位差可以在规则的形状单元上附加一个简并模分离单元，让简并模谐振频率分离。

如下图，当切除和后，可使馈电场形成的两个空间正交简并模的谐振频率发生分离，分离大小取决于 要产生幅值相等，相位相差90°的二简并模取决于馈电点位置以与分离单元的尺寸 单片法是设法在微带贴片空腔中激励两个简并模，这两个简并模能辐射正交极化、幅度相等、相位相差的电磁波以矩形微带贴片天线为例介绍如何在贴片空腔中激励出这两种模式，设矩形贴片尺寸为a×b，TM01模和TM10模在z轴方向的辐射场为TM01模：　　　　　　　　　（2.8）TM10模：　　　　　　　　　 （2.9）由上两式可见TM01模和TM10模在边射方向的场在空间是相互正交的，为使它们合成圆极化波，还应该满足时间（相位）上正交和幅度相等的条件，即它们的比值应为：　　　　　　　　 （2.10）式中，由上式可见为使两种模式的场同时被激励并具有相同的振幅，应有，，但此时它们的比值为实数而不是为了实现相位上的正交并同时实现两种模式简并工作只能取，为此，取近似正方形贴片，激励频率满足关系设　　　　　　　　　　　　　 （2.11）在的条件下（2.9）式可近似为　　　　　　　　　 （2.12）圆极化条件要求比超前或滞后并且　　　 　　　　　　　　 (2.13)下面来求满足上述条件的A值，即求激励点的坐标值。

图2.3 圆极化波的k平面上面各式中k值应为: ， （2.14） 对于三者之间在k平面中应有图2.6所示的关系，即k应位于以为圆心，以左旋圆极化波，由（2.11）式，应比超前，（2.11）式右边取因此为直径的圆上，并且满足关系　 利用图2.6的几何关系求A的解： 由三角形相似关系得：，　　　　　　　 （2.15）由上式与（2.13）式得，　　　（2.16）上两式相加得　　　　　　　 （2. 17）由（2.16）与（2.14）式得　　　　　　　 （2.18）由上式解出　　　　　　　　　　　　 。