射频微带阵列天线设计
摘要
微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。
本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线 微带阵列天线 方向性 增益 HFSS仿真
Design of Radio-Frequency Microstrip
Array Antenna
ABSTRACT
Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array have been wildly applied in the filed of wireless
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communications, remote sensing and radar,and many other filed. While some study also found that because of the microstrip antenna’s structural characteristics, there are some disadvantages, such as narrow-band, low gain,poor directivity.Typically we use microstrip antenna elements arranged in accordance with certain laws together to form a microstrip array antenna to enhance the directivity and improve the gain of the antenna.
In this paper, after learning the basic theory and principles about microstrip antenna and antenna array, I designed two kind of antenna models with 10GHz of center frequency,one is the single antenna,the other one is an antenna array with 4 single antenna .Then using Ansoft's high frequency electromagnetic simulation software HFSS, optimize and adjust the relevant parameters .After that, we used the HFSS to simulate the single array element and an antenna array separately.Then analyzed the simulation results, compared to the difference in the relevant parameters. The resulting suggested that because of the presence of mutual coupling effects and the impact of the presence of the feed network between the pickets, the return loss of microstrip antenna array is greater than the single microstrip antenna array, but antenna gain is significantly larger than a single array antenna, and the antenna array has a better directivity than the single microstrip antenna.
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Key words: Microstrip Array Microstrip Array Antenna Directivity
Gain HFSS Simulation
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目录
摘要 ................................................................................................................................................... I
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.1 微带天线 ....................................................................................................................... 1
1.2 微带天线阵 ................................................................................................................... 1 1.3 设计目标和内容安排 ................................................................................................ 2
第二章 微带天线和微带阵列天线的基本原理 .............................................. 4
2.1 微带天线的基本原理 ................................................................................................ 4
2.1.1 微带天线的辐射机理 .................................................................................... 4 2.1.2 微带天线的馈电 ............................................................................................. 4 2.1.3 微带天线的分析方法 .................................................................................... 6 2.2 微带阵列天线原理分析 ............................................................................................ 7 2.3 天线的性能参数分析 ................................................................................................ 9
第三章 微带阵元天线设计 ......................................................................................... 11
3.1 阵元设计 ..................................................................................................................... 11
3.1.1 介质基片的选取 ........................................................................................... 11 3.1.2 计算微带贴片的尺寸 .................................................................................. 11 3.1.3 馈电与阻抗匹配 ........................................................................................... 12 3.2 HFSS软件简介及设计步骤 .................................................................................... 13 3.3 微带阵列天线阵元的仿真过程 ............................................................................ 14
3.3.1 设计阵元模型并仿真分析 ......................................................................... 14 4.3 天线阵元的总结分析 .............................................................................................. 18
第四章 微带阵列天线的设计 ...................................................................................... 20
4.1 阵元间距的选取 ........................................................................................................ 20 4.2 并联式馈电网络设计 .............................................................................................. 21 4.3 微带阵列天线的仿真结果及其分析 ................................................................... 22 4.4 微带阵列天线的总结分析 ..................................................................................... 25
第五章 设计结论和工作总结 ...................................................................................... 26 参考文献 ................................................................................................................................... 27
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第一章 绪论
1.1 微带天线
天线是无线通信系统中重要的组成部分之一，而天线的微型化、集成化是
无线通信领域中一项关键技术，也是现代科技对天线技术的不断需求和走向，在此条件下人们提出了微带天线的概念。最早于1953年提出，当时德尚（G.A.Deschamps）教授提出的利用微带线的辐射来制成微波天线的想法。但是由于缺乏更进一步的理论研究和当时制造工艺水平的限制，微带天线在那时并未引起工程界的重视，没有取得实质性的发展。微带天线真正发展、研究和应用开始于70年代。由于微波集成技术发展需要，加上制造工艺技术（介质基片的光刻等技术）发展，使得微带天线的研究不断深入。最终芒森（R.E.Munson）和豪威尔（J.Q.Howell）等研究人员在1972年研制出了第一批真正意义上用于实际的微带天线，微带天线的诸多优点也被人们所认知。在近三四十年对微带天线的探究不断发展，许多科学家对微带天线展开了广泛的研究，将其研究成果应用在许多方面。现如今微带天线已成为科学家们争相研究的热门领域，并较之前的研究取得了相当多的成果，理论及应用都有了长足发展。相较于常用的微波天线，微带天线主要体现了如下优点：
（1）体积小、重量轻、成本低，能够与集成电路很好地兼容； （2）微带天线及其阵列天线剖面低，易于与载体共形； （3）微带天线具有平面结构，可以设计成需要的形式和形状； （4）便于获得圆极化，实现双频段，双极化等多功能工作需要； （5）能和有源器件、电路集成为统一的组件；易于大量生产等。
正是由于具有上述优点，使得微带天线的应用层面非常广泛，例如：雷达精确识别与探测、地质地矿勘测、无线通信、卫星通信、便携式移动设备通信、军事电子干扰对抗等诸多军用和民用领域。同时，由于微带天线的结构特性，存在频带窄、增益低、功率容量小、方向性差等缺点。因此，在克服和改善这些缺点的基础上，充分发挥其优点，使其能很好地应用在实际中，是微带天线的主要研究方向。
1.2 微带天线阵
将若干个相同的单个微带天线按照一定规律排列组成的天线系统，称为微带
阵列天线。相较于单个微带天线，微带天线阵具有强方向性、高增益、方向图易控制等优点。在设计和研究阵列天线时，需要考虑天线阵阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距、阵元上激励电流的振幅和相位以及连接阵元的馈电网络等，这些都决定着阵列天线的辐射特性。选择合理的设计方案，可以得到满足设计需
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