1、本科毕业论文（20 届）圆极化微带天线的仿真所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 -摘 要随着微波技术的不断发展，人们对通信设备的要求愈加严格。其中天线是通信系统中必不可少的一部分，但是传统天线体积大、成本高，与之相比微带天线具备体积小、质量轻、低轮廓等自身优点，同时在制作工艺上具有加工简单、成本低廉以及可采用电路印刷技术进行大批量生产等特点，同时易于实现圆极化、双频段等多功能工作。经过六十余年的升级换代，微带天线在很多采用无线电技术的设备中得到实际应用，尤其是在高速航天飞行器上以及生活中常见的便携式设备中。本文首先介绍了微带天线理论基础并给出
2、产生圆极化波的理论推导，随后结合 ANSOFT HFSS 高频仿真软件，使用两种方法设计了应用在 GPS 设备上 L1 波段（中心频率为 1.575GHz）的圆极化天线：1. 采用同轴线探针馈电方式的单馈法。2. 带有馈电网络的双馈法。文章给出了两种天线详细的设计参数以及各参数对天线性能的影响，给处了回波损耗、驻波比、轴比以及方向性图仿真结果。其中双馈法中馈电网络采用了微带形式的威尔金森功分器，本文对于功分器也给出了详细的设计参数以及仿真后的性能指标，皆满足设计要求。两种设计方法中单馈法圆极化带宽较窄，而双馈法圆极化带宽达到了设计要求。关键词：圆极化，微带天线，双馈- 2 - 3 -Abstr
3、actWith the continuous development of microwave technology, people become more stringent in the requirement of communication devices. Antenna, as one of the most important segments in communication systems, are often bulkly and costly. In contrast, the microstrip antennas has small size, thin sectio
4、n, light weight, eazy processing, low manufacturing cost, can achieve batch production with the printed circuit technique, and can be used easily to realize circular polarization and meet the demand of multi-frequency. After more than 60 years of upgrading, the microstrip antennas have been applied
5、to a large number of radio equipments, especially in aircraft and ground portable devices.This paper first introduces the theoretical foundation of microstrip antennas and briefly demonstrate the theoretical derivation of radiating circularly polarized wave with microstrip antennas. Then combining w
6、ith ANSOFT HFSS, high frequency simulation software, design the microstrip antennas with two methods that can be applied to the L1 band(center frequency is 1.575GHz) of GPS:1. Single-feed method with the coaxial probe.2. Doubly-fed method with microstrip feeding network.The article gives the two ant
7、enna design parameters in detail and the influence of various parameters on the antenna performance. After repeated adjustment, we provide the simulation of return loss, VSWR, axial ratio and antenna patterns. The Wilkinsion divider will be used in the feeding network of doubly-fed method, design pa
8、rameters and simulation will also be shown in detail and they both meet the design requirements. The bandwidth of circular polarization of single-feed is too narrow but it meets the design requirements when we take doubly-fed method.Keywords: Circular-polarization，Microstrip antenna，Dual-feed- 4 -目
9、录第 1 章 绪论 .11.1 微带天线的发展历程 .11.2 微带天线的结构 .11.3 微带天线的优缺点 .21.4 微带天线的实际应用 .31.5 GPS 简介 .31.6 微带天线的技术发展趋势 .41.7 本章小结 .4第 2 章 微带天线原理与技术 .52.1 微带天线的辐射机理 .52.2 微带天线分析方法与理论 .52.2.1 传输线模型 .62.2.2 空腔模型 .92.2.3 全波分析法 .102.2.4 不同贴片类型的比较 .102.3 微带天线的馈电方法 .102.3.1 微带线馈电 .102.3.2 同轴线馈电 .11- 5 -2.3.3 电磁耦合性馈电 .112.4
10、 微带天线圆极化技术 .122.4.1 圆极化天线的原理 .122.4.2 圆极化天线主要电参数 .122.4.3 圆极化实现技术 .142.5 圆极化微带天线多频段工作 .182.6 宽频带技术 .182.7 微带天线的阵列技术 .192.8 其他形式的微带天线 .192.8.1 微带阵子天线 .192.8.2 微带缝隙天线 .202.8.3 微带行波天线 .202.9 本章小结 .21第 3 章 圆极化微带天线设计与优化 .223.1 HFSS 高频仿真软件简介 .223.2 圆极化天线的仿真与优化 .223.2.1 设计要求 .223.2.2 单馈法 .223.2.3 双馈法 .283.
11、3 本章小结 .37结论 .38参考文献 .39致 谢 .40- 6 -圆极化微带天线的仿真1圆极化微带天线的仿真第 1 章 绪论1.1 微带天线的发展历程微带天线的概念于上世纪五十年代就已经提出来了，但工程界未予以重视。在提出后的大约二十年时间里，对于微带天线的研究少之又少。在七十年代初期，研究人员对于微带天线的研制工作取得了突破，一些发达国家开始大力发展微波集成技术，与此同时，新型材料的研制也取得了进展，众多低耗介质的出现，在工艺上满足了微带天线的制作要求。1972 年，第一批次微带天线在芒森、豪威尔等众多科研人员不懈努力下研制成功，并应用在导弹发射系统中作为共形全向天线。在最近的 40
12、年间，微带天线技术已经发展的非常成熟，有多重新技术可以设计圆极化、宽频带、超宽带微带天线 1,2。各国的研究人员在微带天线领域进行了大量的学术研究，发表了一系列相关的研究报告，这凸显出微带天线在天线研究中占有越来越重要的地位。微带天线凭借自身简洁的结构以及多样性的功能，微带天线势必在宽广频率内得到愈加广泛的应用 3。1.2 微带天线的结构圆极化微带天线的仿真2图 1.1 同轴探针馈电矩形微带贴片天线结构微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片上一面敷以金属薄层作接地板、一面敷以金属辐射薄片而形成的天线 4，如图 1.1 所示。在依附在介质基片上的贴片与导体接地板之间激励出射频电磁场，并通过
13、贴片边缘与导体接地板间形成的缝隙向外产生辐射。由于同样是通过缝隙产生辐射，微带天线通常也可以看做是一种缝隙天线。此外又因其介质基片厚度远小于工作波长，即兼备小型化的特点，所以微带天线也属于微型天线的一类。辐射贴片通常呈现出规则形状，如矩形、圆形、三角形或圆环形等，这样的微带天线我们称之为微带贴片天线；对于窄长条形的薄片阵子做辐射贴片的微带天线则称之为微带阵子天线；当微带线产生形变（如直角弯头）也会产生辐射，利用这一特性而制作的天线叫做微带线性天线；第四种形式的微带天线称之为微带缝隙天线，不同于微带贴片天线，微带缝隙天线的辐射缝隙位于接地板上。除了上述四种主要形式的微带天线单元，还有一些变形微带
14、天线或其它形式微带天线。除此之外，微带天线具备非常理想的机械特性 5。其可以承受外界强烈的震动与巨大的冲击。辐射贴片依附在固态的介质基片上，因而贴片不会弯曲，并且基片厚度受外界影响细微的改变对于天线的谐振频率的影响很小。因而对于冲击与震动要求等级较高的环境，如发射炮弹以及队高速运行的火箭进行遥测，微带天线得到了普遍的应用。圆极化微带天线的仿真31.3 微带天线的优缺点与普通微波天线相比，微带天线有如下优点 6：(1)低轮廓、体积小、质量轻。 (2)多样化的电性能。微带辐射元在不同设计中，其最大辐射方向可以做到从端射到边射较大范围内的调整；易于获得各种形式的极化以及实现双频或多频工作；(3)可以
15、与有源电路集成为一个单模块，所以利于批量生产。从而降低了加工费用。(4)可进行组合式设计(如振荡器、可变衰减器、调制器、相移器等都可以在天线基片上直接接入);此外，匹配、馈电网络与天线本身可分开制作。(5)可与导弹等高速载体共体，而且并不会改变载体的物理结构。(6)通过改变馈电点位置可以改变辐射波的极化方式(如线极化、左旋圆极化、右旋圆极化); 微带天线的主要缺点是:(1)频带很窄，相对带宽只有 1%-7%左右（谐振式微带天线） 。(2)导体损耗和介质损耗较大，同时由于表面波的存在，辐射效率也会相对与普通微波天线低。(3)功率容量较小，因此只适用于小功率收发场合。(4)基片材料对天线性能影响较大。(5)在实际应用中辐射区域为半空间；最大增益受限(20dB 左右)。(6)馈电线与辐射元件的隔离效果差，可能会存在表面波；不过随着新技术的提出，上述缺点得到改善。例如，关于宽频带微带天线的理论已趋于成熟，新一代设计的微带天线相对带宽的典型值为 ；采用15%20:有源微带天线阵，并借助功率放大器，可以大大增加天线总的辐射功率。
