課程設(shè)計(jì)：基于cst仿真的6GHz圓極化微帶貼片天線設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）課程名稱(chēng)： 天線仿真 設(shè)計(jì)題目： 圓極化微帶天線的仿真 院 系： 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)一、課程設(shè)計(jì)目的1、了解微帶天線的輻射原理和分析方法，并掌握微帶天線尺寸計(jì)算一般過(guò)程；2、了解微帶天線圓極化的方法，并設(shè)計(jì)一種圓極化微帶天線；3、學(xué)習(xí)并掌握CST軟件的使用，熟悉天線仿真的流程，并完成天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。二、天線設(shè)計(jì)目標(biāo) 本文設(shè)計(jì)的圓極化矩形微帶貼片天線的中心頻率為6 GHz，并且將滿足一下技術(shù)指標(biāo)：1、反射系數(shù)S11<10

2、dB（VSWR<2）；2、天線軸比小于3dB；3、絕對(duì)帶寬100MHz；4、增益大于5dB；5、輸入阻抗50；6、波瓣寬度大于70deg。三、微帶天線背景1、微帶天線簡(jiǎn)介微帶天線是近30年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型天線。早在1953年就提出了微帶天線的概念，但并未引起工程界的重視。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的發(fā)展和使用是在70年代。常用的一類(lèi)微帶天線是在一個(gè)薄介質(zhì)基(如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層)上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對(duì)貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線。由于微帶天線有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)隨著科技的進(jìn)步正在研

3、究克服，因此它有廣闊的應(yīng)用前景。一般說(shuō)來(lái)，它在飛行器上的應(yīng)用處于優(yōu)越地位，可用于衛(wèi)星通訊、天線電高度表、導(dǎo)彈測(cè)控設(shè)備、導(dǎo)引頭、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、共形相控陣等。徽帶天線在地面設(shè)備上應(yīng)用也有其優(yōu)勢(shì)方面。特別是較低功率的各種民用設(shè)備，例如醫(yī)用微波探頭，直播衛(wèi)星的接收陣以及當(dāng)前的藍(lán)牙設(shè)備的收發(fā)天線等，由于微帶帶天線能集成化，它在毫米波段的優(yōu)勢(shì)非常明顯。當(dāng)然它并不是完美無(wú)缺的，我們將其與微波天線相比，簡(jiǎn)單介紹它的優(yōu)缺點(diǎn)。微帶天線和常用的微波天線相比較，它有以下一些突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)重量較輕，體積比較小，剖面低，能與飛行器等載體共形。(2)容易制作和調(diào)制，制作成本較低，適合大批量生產(chǎn)。(3)容易集成化的性能，

4、在毫米波段的應(yīng)用有很大的優(yōu)勢(shì)。與微波天線相比，微帶天線也有一些不足之處，主要表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：(1)損耗比較大，從而導(dǎo)致效率也不高。(2)相對(duì)帶寬比較窄，這也是微帶天線固有的缺陷，特別是諧振式微帶天線。(3)單個(gè)微帶天線的功率容量一般都比較小。目前，微帶天線的缺點(diǎn)正在研究克服中，有的已經(jīng)得到改善，盡管微帶天線存在著諸多不足，但是它獨(dú)特的性能決定了它廣泛的應(yīng)用前景。2、圓極化天線圓極化天線就是輻射或接收?qǐng)A極化波的天線。圓極化天線的實(shí)用意義主要體現(xiàn)在:(1)圓極化天線可接收任意極化的來(lái)波,且其輻射波也可由任意極化天線收到,故電子偵察和干擾中普遍采用圓極化天線；(2)在通信、雷達(dá)的極化分集工作和電子對(duì)

5、抗等應(yīng)用中廣泛利用圓極化天線的旋向正交性；(3)圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)(如平面、球面等）時(shí)旋向逆轉(zhuǎn),因此圓極化天線應(yīng)用于移動(dòng)通信、GPS等能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。四、CST仿真軟件介紹CST MICROWAVE STUDIO（簡(jiǎn)稱(chēng)CST MWS，中文名稱(chēng)“CST微波工作室”）是CST公司出品的CST工作室套裝軟件之一，是CST軟件的旗艦產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于通用高頻無(wú)源器件仿真，可以進(jìn)行雷擊Lightning、強(qiáng)電磁脈沖EMP、靜電放電ESD、EMC/EMI、信號(hào)完整性/電源完整性SI/PI、TDR和各類(lèi)天線/RCS仿真。結(jié)合其它工作室，如導(dǎo)入CST印制板工作室和CST電纜工作室。CST MIC

6、ROWAVE STUDIO集成有七個(gè)時(shí)域和頻域全波算法：時(shí)域有限積分、頻域有限積分、頻域有限元、模式降階、矩量法、多層快速多極子、本征模。支持TL和MOR SPICE提??；支持各類(lèi)二維和三維格式的導(dǎo)入甚至HFSS格式；支持PBA六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格和表面三角網(wǎng)格；內(nèi)嵌EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)FCC認(rèn)可的SAR計(jì)算。CST微波工作室使用簡(jiǎn)潔，能為用戶的高頻設(shè)計(jì)提供直觀的電磁特性。微波工作室除了主要的時(shí)域求解器模塊外，還為某些特殊應(yīng)用提供本征模及頻域求解器模塊。CAD文件的導(dǎo)入功能及SPICE參量的提取增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可能性并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。另外，由于CST設(shè)計(jì)工作室的開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)能為其它仿真軟件提供

7、鏈接，使微波工作室與其它設(shè)計(jì)環(huán)境相集成。CST軟件產(chǎn)品(Mafia、微波工作室和電磁工作室)均采用的同一個(gè)算法，即有限積分技術(shù)(Finite Integration Technique-FIT)。FIT是一套完備的數(shù)學(xué)理論，是麥克斯韋積分方程在網(wǎng)格空間上的離散形式。早在1977年由托馬斯魏蘭特教授引入，進(jìn)而成為其后在電磁仿真領(lǐng)域中一個(gè)重要算法的基石。由FIT所導(dǎo)出的矩陣方程保持了解析麥克斯韋方程各種固有的特性，如：電荷守恒性和能量守恒性。解析下的梯度、散度和旋度算子在FIT下具有一一對(duì)應(yīng)的矩陣。這些矩陣滿足解析形式F的算子恒等式。故FIT保證了非常好的數(shù)值收斂性。另一個(gè)區(qū)別于其他算法的關(guān)鍵之處

8、在于FIT可被用于所有頻段的電磁仿真問(wèn)題中。在CST微波工作室和電磁工作室中，引入了CST的專(zhuān)有技術(shù)一理想邊界近似(Perfect Boundary ApproximationPBA)。它使得長(zhǎng)方形網(wǎng)格中材料的填充形式可以任意(單連通或復(fù)連通)。由于此技術(shù)，CST軟件不但保持了通常FDTD(時(shí)域有限差分法)的快速，而且還使其精度大為提高。即，帶PBA的FIT即快又準(zhǔn)。換言之，對(duì)同一問(wèn)題達(dá)到同一仿真精度而言，微波工作室或電磁工作室較Mafia的計(jì)算時(shí)間短。五、微帶天線設(shè)計(jì)方法及理論計(jì)算1、微帶貼邊天線分析方法微帶天線在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，與其他天線一樣需要對(duì)天線的一系列性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)算，這種做法可以

9、使天線的制作質(zhì)量和效率大大提高，并且可以使研制成本大大的降低。近年來(lái)許多作者致力于這種理論工作的研究，獲得了顯著的成就。如今比較成熟的分析微帶天線的方法有很多，比如格林函數(shù)法、積分法、傳輸線法、腔模理論和矩量法等，這些方法各有長(zhǎng)短互相補(bǔ)充。每種方法并不是千篇一律的，每種方法可能只適合一種或幾種微帶天線。本文主要利用腔模理論進(jìn)行微帶天線的設(shè)計(jì)分析。腔模理論是羅遠(yuǎn)芷在1979年提出來(lái)的，這種理論方法是基于微帶諧振腔分析發(fā)展起來(lái)的，因?yàn)槲еC振腔與諧振式的微帶天線在形狀上沒(méi)有很大的差別，所以可以借用微帶諧振腔理論來(lái)分析矩形微帶貼片天線：諧振腔理論是通過(guò)規(guī)定邊界條件來(lái)找出一個(gè)主模，然后計(jì)算出諧振頻率和

10、輸入阻抗等，這種方法應(yīng)用在微帶天線上，我們稱(chēng)之為單模理論。與傳輸線法一樣，單模理論的應(yīng)用也是有限制的，為了改進(jìn)，出現(xiàn)了多模理論，與單模理論相比，它是用無(wú)限正交模來(lái)描述腔內(nèi)場(chǎng)的，這樣能更準(zhǔn)確代表腔內(nèi)場(chǎng)。當(dāng)然這種方法也不是完美無(wú)缺的，它也有缺點(diǎn)：(1)這種理論是把空腔內(nèi)場(chǎng)看成是二維的，所以只適合用于薄基片，如果基片過(guò)厚，就會(huì)造成誤差。(2)因?yàn)橐肓诉吔鐚?dǎo)納，而往往又很難確定邊界導(dǎo)納，只能采用近似計(jì)算，所以腔模理論要修正才可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)于矩形微帶天線，貼片的諧振頻率計(jì)算公式為：上式中，和分別為矩形貼片的長(zhǎng)度和寬度，為等效介電常數(shù)，為光速。本設(shè)計(jì)中，設(shè)定基板厚度為，利用CST中宏計(jì)算，可

11、知其。另本設(shè)計(jì)中，將在頻率時(shí)，同時(shí)激勵(lì)起TM01模和TM10模。所以，易得據(jù)此，設(shè)置基板大小為2、圓極化方法 一般來(lái)說(shuō)，微帶天線圓極化方法大致分為三類(lèi)：?jiǎn)勿伔?、多饋法、多元法：?jiǎn)勿伔ǎ诳涨荒Ｐ屠碚?利用簡(jiǎn)并模分離元產(chǎn)生兩個(gè)輻射正交極化的簡(jiǎn)并模工作多饋法，多個(gè)饋點(diǎn)饋電微帶天線,由饋電網(wǎng)絡(luò)保證圓極化工作條件多元法，使用多個(gè)線極化輻射元,原理與多饋點(diǎn)法相似,只是將每一饋點(diǎn)都分別對(duì)一個(gè)線極化輻射元饋電。本文采用單饋法，利用在貼邊上切角的方法引入微擾“”，從而使微帶天線的簡(jiǎn)并模分離元產(chǎn)生兩個(gè)輻射正交極化的簡(jiǎn)并模工作。且已知，圓極化效果與微擾面積大小有關(guān)。故在仿真過(guò)程中將針對(duì)切角大小進(jìn)行多次仿真，并確

12、定最佳尺寸。3、同軸線尺寸本設(shè)計(jì)采用同軸背饋方法，并且采用50歐姆同軸線饋電。同軸線的特性阻抗由同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體直徑D，d以及填充介質(zhì)決定。計(jì)算公式如下：假設(shè)填充介質(zhì)，據(jù)此可計(jì)算當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑半徑d=1mm，外導(dǎo)體內(nèi)徑=3.56mm時(shí)，同軸線阻抗為50歐姆。 仿真時(shí)，可通過(guò)調(diào)整饋點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配。六、仿真過(guò)程1、建模步驟，并確定大概尺寸（1）設(shè)置單位、邊界條件單位頻率邊界條件背景mm GHz ns4-8GHzOpenNormal表1 基本設(shè)置（2）建立模型根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行建模，并添加同軸饋線，為了與實(shí)際情況更貼近，我們選擇了?r=2.2，并且有損耗的材料（Rogers RT5880(l

13、ossy)）作為天線的基板，然后進(jìn)行仿真。所建模型如下，材料長(zhǎng)(mm)寬（mm）高（mm）基板Rogers RT5880(lossy)50501接地板PEC50500.015貼片PEC34340.015表2 天線基本結(jié)構(gòu) 材料半徑(mm)高（mm）同軸線內(nèi)導(dǎo)體PEC0.56同軸線外導(dǎo)體PEC1.72（內(nèi)徑）1.80(外徑)5同軸線填充介質(zhì)Rogers RT5880(lossy)0.5(內(nèi)徑)1.72（外徑）5 表3 同軸線基本尺寸 （3）設(shè)置端口將同軸線的一端設(shè)置為端口，如下圖，(4)軸比2、對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化第一步，改變貼片切角的大小，通過(guò)軸比選擇最佳切角大小可以得到，當(dāng)?shù)怪苯菍抌=3時(shí)，效果最

14、好第二步，通過(guò)調(diào)整同軸線的位置，選擇的值最好的位置安放同軸線因?yàn)樾铦M足中心頻點(diǎn)在3GHz附近，小于-10dB的頻帶足夠?qū)?，由上圖可知，當(dāng)同軸線的位置是x=-6或-7時(shí)，的效果最好，所以將同軸線 的位置確定在x=-6或-7。通過(guò)之后的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)x=-6時(shí)軸比更好。第三步，對(duì)貼片的長(zhǎng)寬進(jìn)行參量掃描，使中心頻點(diǎn)盡量接近3GHz，軸比更小，進(jìn)一步優(yōu)化。由上圖可知，貼片的長(zhǎng)寬都為32mm時(shí)，的效果最好，此時(shí)的軸比也非常小，軸比如下圖所示，綜上，圓極化微帶天線的最終結(jié)構(gòu)尺寸如下，材料長(zhǎng)(mm)寬（mm）高（mm）切角度數(shù)（°）倒直角寬（mm）基板Rogers RT5880(lossy)50501接地板PEC50500.015貼片PEC32320.015453同軸線的中心位置為x=-6，即同軸線的中心位置在基板的平分線上，且距離基板中心點(diǎn)6mm。七、仿真結(jié)果與分析1、 H面方向圖2、E面方向