天津理工大学****届本科毕业设计说明书（毕业论文）
第1章 绪 论
1.1本论文的研究背景
单极子天线十几年发展迅速，随着其技术的改进，使得单极子天线在实际生活中应用得越来越广。
利用线天线的简便和灵活设计，研制圆极化、双极化和双频段等多功能的单极子线天线在卫星通信、移动通信基站与手机、车载设备、雷达、微波遥测遥感等领域具有重要意义。
目前，许多国家都在致力于数兆Hz的转换器的实践研究。为了满足现代通讯设备，科研和天线的朝向几个方面发展，即，体积小，宽带和多波段操作，智能控制模式的需求。随着电子设备的集成的不断增加，通信设备的体积越来越小，这就要求其自己的天线的尺寸尽可能减小。在不损害天线增益和效率，同时减少该天线尺寸可以是一个艰巨的任务。提高集成的电子设备，经常需要在一个宽的频率范围内的天线，以支持两个或更多的无线服务，宽带和多频带天线可满足这些需求。
WLAN天线通常使用单极子天线。单极子天线因其辐射能力强、波长短、高度低、结构简单、易于使用、携带方便、牢固可靠，常被用于制作无线局域网的天线系统。 单极子天线不算天线家族的鼻祖，事实上，它是在水平天线之后产生的。由于在水平天线的长波和中波波段，波长较长，天线的架设高度受到限制，受地面的影响，天线的辐射能力弱，而且在此波段主要采取地面波传播，造成水平极化波的衰减远大于垂直极化波。为了解决以上问题，人们在长波与中波波段主要适用垂直地面的直立天线，即单极子天线。单极子天线一经产生，就产生较大的效果，在车辆、飞机、舰船上都有用到。
1.2课题意义
电基本振子（电流元）天线在实际应用中不存在，并且其辐射电阻很小，效率非常差。在实践时，天线大小和波长大小如果接近度越高，那么该天线就会能够产生
天津理工大学****届本科毕业设计说明书（毕业论文）
更强的辐射能。
半波偶极子和单极子天线是迄今为止应用较为广泛的天线。利用镜像原理，引入接地面可以将半波偶极子天线的长度减少一半，即1/4波长单极子天线。利用线天线的简便和灵活设计，研制圆极化、双极化和双频段等多功能的偶极子线天线在卫星通信、移动通信基站与手机、车载设备、雷达、微波遥测遥感等领域具有重要意义。
对本课题的探究有利于解决科学中的实际问题，而且实用性较强，可以获得方向性强，频带宽，辐射效率高的双频单极子天线。提高思维能力和动手能力。巩固所学的知识。
1.3双频天线研究现状
伴随着近年来无线通信技术逐步的优化与发展，至今为止有很多种设计方法实现双频段工作天线。用微带天线和印刷单极子天线相结合的天线设计手法可以实现天线在不同的两个频段上的工作。
印刷单极子天线比较容易能实现天线的双频带工作，目前为止在许多无线通信领域中都很普及的在使用。实现双频带工作的单极子天线形式多种多样。图1.1展示出了目前比较流行的单极子天线的形式，其中有T形单极子天线，L形单极子天线，折线形单极子天线，矩形环单极子天线等多种实现方式。以上所提及到的天线在目前的无线通信领域中用到的都很广泛。综上所述，射频双频单极子天线的研究设计与仿真对于实际应用来说要很重要的应用意义。
在无线通信领域中，微带天线是使用频率较高的天线。通过GADeschamps教授于1953年提出的微带天线的概念，经过十年的发展，微带天线现在已经成为了天线研究中的一个必不可少的组成部分。微带天线（microstrip antenna）的构成是建立在较薄的介质之上。其中一个方向面和金属薄层进行连接并作为这类天线的接地板，而对立面则使用光刻技术将其蚀刻成金属材质的贴片，接着利用同轴探针或者微带线和具体形状下的金属贴片形成馈电构成的天线。容易实现双频微带天线，目前主要的方法有：多功能贴片散热槽负荷和集总元件加载。槽负载指的是补丁各种形状的槽，改变贴片电流分布，从而产生一个新的共振频率，双频工作。大致U形的槽，L形槽，I形管道。集总元件载荷加入某些贴片上的无功负载的，更改的补丁的电流分布，从
2
天津理工大学****届本科毕业设计说明书（毕业论文）
而使该补丁不表现出相同的特性原。
（1） （2）
（3） （4）
图 1.1 印刷单极子天线模型
本论文设计的射频双频单极子天线用印刷单极子天线实现，下面做具体介绍。
1.4天线设计中的软件介绍
由Ansotf研发的HFSS其英文全称为High Frequency Structure Simulator，也就是所谓的高频仿真元件。属于当前较为知名且是第一个的3D电磁仿真系统。不过目前已经被ANSYS企业成功购入。经过多年的发展，如今成为业内公认的行业标准，
HFSS为使用者提供了极为直观且简单的可视化界面，内置精确场解器，这种场解器
还具有自适应功能，具有极强的电性解析力，同时内置的后处理单元功能强劲，能够
3
天津理工大学****届本科毕业设计说明书（毕业论文）
对各类3D无源结构下的S参量进行计算，同时对于全波电磁场也能够进行计算。另外这款软件具有较强的天线设计能力，针对天线的诸多参数如方向性、远场的3D图以及方向图剖面以及带宽能够进行精确的计算，并且能够对极化性能进行绘制，比如绘制圆极以及球形的分量。此外还可以使用这个软件按对轴比进行计算。
1.基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；○ 2端口特征阻抗和传输常数；○
3S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；○ 4结构的本征模或谐振解。○
另外将Ansotf公司研发的HFSS以及Designer软件进行融合应用，就能够完成对高频问题进行解决，并提供相应的基于物理原型为重要前提的解决方案，能够实现从最原始的系统需求及相应的电路设计，再到部件级别的精确设计，涉及到整个高频设计的所有环节。
运用HFSS软件系统进行天线设计的主要过程是： ① 设置求解类型。 ② 创建天线的结构模型。 ③ 设置边界条件。 ④ 设置激励方式。 ⑤ 设置求解参数。 ⑥ 运行求解分析。 ⑦ 查看求解结果。 ⑧ Optimetrics优化设计。
1.5印刷天线与微带天线的差异
印刷天线：印刷天线设置于PCB基层印刷版之上，其主要部为信号馈入部件和辐射部件。其中馈入部件的职责是实现电磁波信号的馈入。而辐射部件的职责就是实现信号的收发。
微带天线：这种天线其结构也相对简易，不过和印刷天线差异还是比较显著，这种天线需要在较薄的介质之上进行设计。其中一个方向面和金属薄层进行连接并作为这类天线的接地板，而对立面则使用光刻技术将其蚀刻成金属材质的贴片，接着利
4
天津理工大学****届本科毕业设计说明书（毕业论文）
用同轴探针或者微带线和具体形状下的金属贴片形成馈电构成的天线。
1.6本论文主要工作及内容安排
本文用于无线局域网设计小型化的双波段印刷单极天线。此天线具有在一个频带RF应用良好阻抗匹配和放射模式特性。 本毕业设计说明书详细如下：
第一章，绪论，这个章节的主要内容主要涉及到本文所研究的意义，并对该项技术的主要研究现状分别从国内和国外两个方面进行了阐述，接着简要说明了重要的仿真系统软件HFSS。
第二章，有关天线设计的理论。重点对于涉及到天线设计参数和单极子以及有关的偶极子等概念进行了阐述。
第三章，双频天线技术，简述了目前双频技术的几种实现方法。
第四章，射频双频单极子天线的设计与仿真，以及将得到的结果进行进一步的优化。
第五章，全文总结与展望，对全文工作进行总结，并提出有待于进一步研究和解 决的问题。
第2章 射频双频单极子天线相关理论
2.1天线的概述
天线也就是所谓的antenna，该设备从本质上来说属于变换设备。天线的职责就是将具体使用设备上行走的导行波进行转换构成能够在不同空间中穿行的电磁波，同时也能够将穿行的电磁波进行转换成设备使用到的导行波。对于无线传播设备中，属于电磁波的接受和发出元器件。当前诸多无线应用领域的信号传输都是基于电磁波进行实现，比如常见的广播、导航以及无线通信等领域。只要是基于电磁波进行信号的传递，必然要使用到相应的天线部件进行转换实现收发。另外电磁波还可以实现能量的传递，而至于这方面的应用同样需要通过天线来实现。
5