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本文档应用ADS设计仿真微带缝隙天线,通过说明其原理和天线的基本知识来最终在ADS上实现仿真。
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微带缝隙天线的设计
[摘要]现今随着通信系统的快速发展给天线行业带来了勃勃生机,在种类繁多的天线类型当中微带天线已成为
当前研究的方向之一,特别是微带缝隙天线的研究,以其重量轻、剖面薄,电性能多样化等优点已经引起天线研究
者的广泛关注,报告简要介绍了微带缝隙天线的分类、主要参数、分析方法,然后通过 ADS2008 射频仿真软件进
行仿真,最后给出了天线的 s 参数,VSWR 和方向图,并且通过最终优化处理使微带缝隙天线的中心频率达到要
求的 900MHz,使其带宽达到 15%,驻波系数小于 2,从而满足设计要求。
[关键词]天线,微带缝隙天线,S参数,仿真,优化。
Design of Microstrip Slot Antenna
(Grade 09,Class 2,Major electronics and information engineering ,Physics and Telecommunication
Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi)
Tutor: Nie Xiang
[Abstract]Today,with the rapid development of Communication System has brought exuberant vital force of the
antenna industry. In lot kinds of antenna, the microstrip antenna has already been one of the most research,Especially, the
microstrip slot antenna has attract attention of antenna operators characters: light, thin section, electric performance
diversification., feeding network can be made with the antenna structure. This article has given a brief introduce on the
classes, analysis methods and microstrip slot antenna the main parameters of microstrip antenna, then by using ADS 2008RF
simulation software to simulate, parameter S, VSWR and the direction plot of the antenna are given by the simulation,and
through the last optimize precess to make the middle frequency of microstrip antenna reach the demanded
900MHz,bandwidth reach 15%,thereby fulfill the designed demand.
[Keywords] Antenna, Microstrip slot antenna.,S-parameters,simulation,optimization.
I
目录
1.引言.............................................................................................................................................................1
1.1 研究背景及发展..............................................................................................................................2
1.2 微带天线简介..................................................................................................................................2
1.3 微带天线的应用.............................................................................................................................2
1.4 微带天线的特点.............................................................................................................................3
1.5 ADS 软件介绍.................................................................................................................................3
1.6 报告的内容及安排.........................................................................................................................3
2.微带天线的理论分析.................................................................................................................................5
2.1 理想缝隙天线..................................................................................................................................5
2.2 有限大理想导体面缝隙天线.........................................................................................................5
2.3 微带缝隙天线的结构.....................................................................................................................6
2.4 微带模型..........................................................................................................................................7
2.5 微带天线的辐射机理......................................................................................................................7
2.6 微带缝隙天线的主要参数.............................................................................................................7
2.6.1 带宽.......................................................................................................................................8
2.6.2 远区场...................................................................................................................................8
2.6.3 方向函数..............................................................................................................................8
2.6.4 驻波系数或行波系数...........................................................................................................9
2.6.5 效率.....................................................................................................................................10
2.7 总结................................................................................................................................................10
3.微带缝隙天线的仿真...............................................................................................................................11
3.1 仿真过程........................................................................................................................................11
3.2 仿真结果分析................................................................................................................................22
3.2 小结................................................................................................................................................25
4. 结束语......................................................................................................................................................26
参考文献.....................................................................................................................................................27
致谢.............................................................................................................................................................28
外文翻译.....................................................................................................................................................30
第 1 页 共 36 页
1.引言
微带天线是近 30 年来发展起来的一种新型天线,微带天线的概念在 1953 年就被提出了,但是
从未引起工程界的重视。在 50 到 60 年代期间就只有一些细小的研究,而真正的发展与使用是在 70
年代才开始的。生活中最常用的一类微带天线则是在一个薄薄的介质基板上,一面粘贴上金属薄层
来作为接地板,而另一面则用光刻和腐蚀等方法来作出一定样子的金属贴片,并且应用微带馈线和
轴线探针来对贴片进行馈电,这样就构成了微带天线。当是一面积单元的贴片时,则称其为微带天
线;当是一细长带条的贴片是则称其为微带阵子天线。
天线按其结构可以把它分为两大类,一种是微带贴片天线,另一种则是微带缝隙天线。按照形
状对其分类,可分为矩形的,环形的,圆形等微带天线。按照工作原理来划分,无论是那一种天线
都可分为谐振型也称驻波型和非揩振型也称行波型微带天线。前面一类的天线有它自己特定要求的
谐振尺寸,一般的情况下在谐振频率的附近下工作;而后一类天线则是无谐振尺寸的限制的,它的
末端要加匹配负载从而用来保证传输行波。
但随着无线通信技术的不断发展,传统的设计方法已经不能满足射频电路和系统设计的需要,
使用射频 EDA 软件工具进行射频电路设计已经成为必然趋势。目前,射频领域主要的 EDA 工具首
推的是 Agilent 公司的 ADS。ADS 是在 HP EESOF 系列 EDA 软件基础上发展完善起来的大型综合
设计软件。由于其功能强大,仿真手段和方法多样化,基本上能满足现在射频电路设计的需要,已
经得到国内射频同行的认可,成为现今射频电路和系统设计研发过程中最常用的辅助设计工具。同
常规的微波天线相比,微带天线具有一些优点,因而微带天线越发得到专家和研究者的注意,它的
应用前景也越来越广阔。
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1.1 研究背景及发展
天线是一种在无线电设备中发射和接收电磁波的部件。例如无线电的通信、广播通信、电视通
信、雷达通信、导航、电子对抗、遥感通信、射电天文通信等工程系统,这些都是利用电磁波来传
递信息的,都是依靠天线来进行发射和接受的。
天线按照其工作的性质可划分为发射天线与接收天线。 按其用途可划分为广播天线、通信天线、
雷达天线以及电视天线等。 按照工作波长可划分为超长波天线,中波天线。长波天线、超短波天
线、短波天线、微波天线等。 按照其结构形式以及工作原理可划分为线天线与面天线等。天线按
照维数来划分可以分成两种类型:一维天线和二维天线。
微带天线的概念早在 1953 年就由 Deschamps 提出,从 70 年代起,随着微波集成技术的不断发
展以及各种各样的低耗介质材料的出现,微带天线的制作和设计得到了工艺上保证。在 1970 年时
出现了第一批实用型的微带天线,在这以后微带天线的研发与制作有了突飞猛进的发展。新形式的
未带天线和新性能的微带天线不断出现,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。缝隙天线的概念最早是在 1946 年由 Booker 提出的,当然同微带缝隙天线一
样刚开始并没有引起很大的注意,缝隙天线不仅可用波导馈电形式来实现朝向大平片单侧的辐射,
还可以借助于同轴电缆很容易的馈送能量。如果缝隙是开在导电的平片上,那么称为平板缝隙天线 ;
如果缝隙是开在圆柱的表面上,那么称其为开缝圆柱天线。由于波导缝阵天线有高辐射的效率与
性能,低的损耗等突出的优点,因此它得到了广泛的应用;而由于平板缝隙天线率容量较低,损耗
较大,功效率不高,从而导致发展的速度比较缓慢。到 1972 年,Y.Yoshimura 才明确提出了微带
馈电缝隙天线的概念。
自从微带天线的概念被提出以来,由于它有以下特点:剖面薄、可与载体共形、重量轻、易与有
源器件集成等,已被广泛地应用于各个通信导航领域,例如卫星通信、导航通信等领域。但是,微
带天线也有其突出缺点例如频带较窄,这又限制了它的广泛应用。目前从高频的应用上来看,采用
更多的则是微带缝隙天线,因为它可直接用标准光刻的技术在敷铜的电路板上来进行生产,并且有
对加工精度的要求低等优点,尤其是现在应用广泛的微带宽缝天线它有效地拓宽了频带的宽带。从
现今缝隙天线(包括微带缝隙天线)的应用程度上来讲,它已被广泛的应用于无线的移动通信业以及卫
星的直播电视中。
1.2 微带天线简介
微带天线是一种在带导体接地板的介质基片上来贴加导体薄片而形成的一种微带天线。它是利
用微带线或者是同轴线等馈线方式来馈电,在导体的贴片与接地板之间激励起一种射频电磁场,并
且通过贴片的周围与接地板的缝隙向外辐射。所以,微带天线有时可看作为一种缝隙天线。通常情
况下介质基片的厚度与其波长相比是很小的,因此它实现了一维小型化,从而属于小天线的一类。
1.3 微带天线的应用
近些年来微带缝隙天线的研究与应用在许多领域中得到广泛认可,并且由于微带天线的优点远
远超过其缺点,在近些年一些重要要的通信系统中应用微带天线的有:卫星通信、雷达通信、无线
测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、便携装置、环境检测仪表和遥感、卫星导航接收机、生物医
学辐射器、移动通信等。
例如在卫星直播电视接受中,11.17~12.5GHz 频带内的宽缝微带天线阵得到了应用。人们以矩形
宽缝微带天线作为作为阵元,作出了 2,4,16,64 以及 512 单元平面阵。在 H 面内,单元缝隙间距为
λ,E 面缝隙间距为 λ/2。缝隙是由微带分路器馈电,这种天线的缺点是单元多,馈电网络复杂。当
然在医疗诊断和治疗中也得到广泛应用,作为医用宽缝隙微带天线,单缝的增益可达到 6dB,工作
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nansehaojiao
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