雙頻單極子天線畢業(yè)論文

1、摘 要本設(shè)計(jì)介紹了射頻雙頻單極子天線的基本原理以及基于HFSS的射頻雙頻單極子天線的設(shè)計(jì)過程。雙頻天線一個(gè)最為簡(jiǎn)單的頒發(fā)就是采用印刷單極子天線來實(shí)現(xiàn)，這類天線所需成本極低，而且結(jié)構(gòu)和加工都極為簡(jiǎn)易，是目前為止眾多學(xué)者的研究方向。本篇論文主要設(shè)計(jì)與仿真射頻雙頻單極子天線。 半波偶極子天線和單極子天線是迄今為止應(yīng)用較為廣泛的天線。利用鏡像原理，引入接地面可以將半波偶極子天線的長度減少一半，即1/4波長單極子天線。然后，文中設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)單極子天線，能夠使用在無線局域網(wǎng)中。其L 型單極子天線由微帶線直接饋電，天線工作于IEEE802.11a和802.11b兩個(gè)工作頻段，實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻工作特性。仿

2、真結(jié)果表明，該天線低頻單極子天線垂直方向長度等于19mm時(shí)，該單極子天線的雙頻振點(diǎn)，也就是高頻振點(diǎn)對(duì)應(yīng)IEEE802.11a（5.15GHz5.825GHz），低頻振點(diǎn)對(duì)應(yīng)IEEE802.11b（2.4GHz2.4825GHz），能夠應(yīng)用在無線局域網(wǎng)所涉及到到相關(guān)頻段力，同時(shí)具備較佳的輻射方向圖性質(zhì)。 關(guān)鍵詞：雙頻單極子； 射頻； WLAN； HFSSDesign of Radio-FrequencyMonopole AntennaABSTRACT窗體頂端 窗體頂端This design introduces the basic principles of radio dual-band mo

3、nopole antenna and a dual-band radio-based HFSS monopole antenna design process. Printed monopole antenna as a dual-band antenna in the form of a simple structure, easy processing, low cost, is also a hot topic in the antenna field. In this thesis, dual-band monopole antenna RF.The use of image theo

4、ry, the introduction of ground plane can reduce the length of the half-wave dipole antenna half, or a quarter-wave monopole antenna. Then, the paper applied to the design and production of a dual-band WLAN printed monopole antenna. The antennaThe L-type monopole microstrip line directly fed antenna

5、operating in the frequency band IEEE802.11a and 802.11b both work to achieve the characteristics.Measured results show that the low-frequency monopole antenna vertical length equal to 19mm, high frequency and low frequency resonance point of the dual-band monopole antenna design were falling IEEE802

6、.11a (5.15GHz 5.825GHz) and IEEE802.11b (2.4GHz 2.4825GHz) work on the band, meet the requirements of WLAN band, and has a good radiation pattern characteristics.窗體底端窗體頂端Keywords: dual-band monopole; RF; WLAN; HFSS 目錄摘 要IIABSTRACTIII第1章 緒 論11.1本論文的研究背景11.2課題意義11.3雙頻天線研究現(xiàn)狀21.4天線設(shè)計(jì)中的軟件介紹31.5印刷天線與微帶天線的

7、差異41.6本論文主要工作及內(nèi)容安排4第2章 射頻雙頻單極子天線相關(guān)理論52.1天線的概述52.2天線的電參數(shù)52.3半波偶極子天線82.4單極子天線82.5印刷天線92.6雙頻天線技術(shù)概述102.7雙頻天線采用單一貼片的實(shí)現(xiàn)方法10第3章 射頻雙頻單極子天線設(shè)計(jì)與仿真113.1.雙頻單極子天線的結(jié)構(gòu)123.2 天線初始尺寸和HFSS設(shè)計(jì)概述123.3 HFSS仿真設(shè)計(jì)14添加和定義設(shè)計(jì)變量14添加新的介質(zhì)材料14設(shè)計(jì)建模15設(shè)置邊界條件16設(shè)置激勵(lì)方式16求解設(shè)置173.4天線性能結(jié)果分析及優(yōu)化17仿真設(shè)計(jì)結(jié)果17參數(shù)掃頻分析R2對(duì)低頻段諧振頻率的影響18查看最終優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果19第4章 結(jié)

8、論194.1全文總結(jié)194.2展 望20參考文獻(xiàn)20致 謝21第1章 緒 論1.1本論文的研究背景 單極子天線十幾年發(fā)展迅速，隨著其技術(shù)的改進(jìn)，使得單極子天線在實(shí)際生活中應(yīng)用得越來越廣。 利用線天線的簡(jiǎn)便和靈活設(shè)計(jì)，研制圓極化、雙極化和雙頻段等多功能的單極子線天線在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信基站與手機(jī)、車載設(shè)備、雷達(dá)、微波遙測(cè)遙感等領(lǐng)域具有重要意義。 目前，許多國家都在致力于數(shù)兆Hz的轉(zhuǎn)換器的實(shí)踐研究。為了滿足現(xiàn)代通訊設(shè)備，科研和天線的朝向幾個(gè)方面發(fā)展，即，體積小，寬帶和多波段操作，智能控制模式的需求。隨著電子設(shè)備的集成的不斷增加，通信設(shè)備的體積越來越小，這就要求其自己的天線的尺寸盡可能減小。在不損害

9、天線增益和效率，同時(shí)減少該天線尺寸可以是一個(gè)艱巨的任務(wù)。提高集成的電子設(shè)備，經(jīng)常需要在一個(gè)寬的頻率范圍內(nèi)的天線，以支持兩個(gè)或更多的無線服務(wù)，寬帶和多頻帶天線可滿足這些需求。 WLAN天線通常使用單極子天線。單極子天線因其輻射能力強(qiáng)、波長短、高度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于使用、攜帶方便、牢固可靠，常被用于制作無線局域網(wǎng)的天線系統(tǒng)。單極子天線不算天線家族的鼻祖，事實(shí)上，它是在水平天線之后產(chǎn)生的。由于在水平天線的長波和中波波段，波長較長，天線的架設(shè)高度受到限制，受地面的影響，天線的輻射能力弱，而且在此波段主要采取地面波傳播，造成水平極化波的衰減遠(yuǎn)大于垂直極化波。為了解決以上問題，人們?cè)陂L波與中波波段主要適用

10、垂直地面的直立天線，即單極子天線。單極子天線一經(jīng)產(chǎn)生，就產(chǎn)生較大的效果，在車輛、飛機(jī)、艦船上都有用到。1.2課題意義電基本振子（電流元）天線在實(shí)際應(yīng)用中不存在，并且其輻射電阻很小，效率非常差。在實(shí)踐時(shí)，天線大小和波長大小如果接近度越高，那么該天線就會(huì)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射能。半波偶極子和單極子天線是迄今為止應(yīng)用較為廣泛的天線。利用鏡像原理，引入接地面可以將半波偶極子天線的長度減少一半，即1/4波長單極子天線。利用線天線的簡(jiǎn)便和靈活設(shè)計(jì)，研制圓極化、雙極化和雙頻段等多功能的偶極子線天線在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信基站與手機(jī)、車載設(shè)備、雷達(dá)、微波遙測(cè)遙感等領(lǐng)域具有重要意義。對(duì)本課題的探究有利于解決科學(xué)中的實(shí)際

11、問題，而且實(shí)用性較強(qiáng)，可以獲得方向性強(qiáng)，頻帶寬，輻射效率高的雙頻單極子天線。提高思維能力和動(dòng)手能力。鞏固所學(xué)的知識(shí)。1.3雙頻天線研究現(xiàn)狀伴隨著近年來無線通信技術(shù)逐步的優(yōu)化與發(fā)展，至今為止有很多種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)雙頻段工作天線。用微帶天線和印刷單極子天線相結(jié)合的天線設(shè)計(jì)手法可以實(shí)現(xiàn)天線在不同的兩個(gè)頻段上的工作。印刷單極子天線比較容易能實(shí)現(xiàn)天線的雙頻帶工作，目前為止在許多無線通信領(lǐng)域中都很普及的在使用。實(shí)現(xiàn)雙頻帶工作的單極子天線形式多種多樣。圖1.1展示出了目前比較流行的單極子天線的形式，其中有T形單極子天線，L形單極子天線，折線形單極子天線，矩形環(huán)單極子天線等多種實(shí)現(xiàn)方式。以上所提及到的天線在目前

12、的無線通信領(lǐng)域中用到的都很廣泛。綜上所述，射頻雙頻單極子天線的研究設(shè)計(jì)與仿真對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說要很重要的應(yīng)用意義。在無線通信領(lǐng)域中，微帶天線是使用頻率較高的天線。通過GADeschamps教授于1953年提出的微帶天線的概念，經(jīng)過十年的發(fā)展，微帶天線現(xiàn)在已經(jīng)成為了天線研究中的一個(gè)必不可少的組成部分。微帶天線（microstrip antenna）的構(gòu)成是建立在較薄的介質(zhì)之上。其中一個(gè)方向面和金屬薄層進(jìn)行連接并作為這類天線的接地板，而對(duì)立面則使用光刻技術(shù)將其蝕刻成金屬材質(zhì)的貼片，接著利用同軸探針或者微帶線和具體形狀下的金屬貼片形成饋電構(gòu)成的天線。容易實(shí)現(xiàn)雙頻微帶天線，目前主要的方法有：多功能貼片散

13、熱槽負(fù)荷和集總元件加載。槽負(fù)載指的是補(bǔ)丁各種形狀的槽，改變貼片電流分布，從而產(chǎn)生一個(gè)新的共振頻率，雙頻工作。大致U形的槽，L形槽，I形管道。集總元件載荷加入某些貼片上的無功負(fù)載的，更改的補(bǔ)丁的電流分布，從而使該補(bǔ)丁不表現(xiàn)出相同的特性原。 （1） （2） （3） （4）圖 1.1 印刷單極子天線模型本論文設(shè)計(jì)的射頻雙頻單極子天線用印刷單極子天線實(shí)現(xiàn)，下面做具體介紹。1.4天線設(shè)計(jì)中的軟件介紹由研發(fā)的其英文全稱為，也就是所謂的高頻仿真元件。屬于當(dāng)前較為知名且是第一個(gè)的3D電磁仿真系統(tǒng)。不過目前已經(jīng)被企業(yè)成功購入。經(jīng)過多年的發(fā)展，如今成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為使用者提供了極為直觀且簡(jiǎn)單的可視化界面，

14、內(nèi)置精確場(chǎng)解器，這種場(chǎng)解器還具有自適應(yīng)功能，具有極強(qiáng)的電性解析力，同時(shí)內(nèi)置的后處理單元功能強(qiáng)勁，能夠?qū)Ω黝?D無源結(jié)構(gòu)下的參量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)于全波電磁場(chǎng)也能夠進(jìn)行計(jì)算。另外這款軟件具有較強(qiáng)的天線設(shè)計(jì)能力，針對(duì)天線的諸多參數(shù)如方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)的圖以及方向圖剖面以及帶寬能夠進(jìn)行精確的計(jì)算，并且能夠?qū)O化性能進(jìn)行繪制，比如繪制圓極以及球形的分量。此外還可以使用這個(gè)軟件按對(duì)軸比進(jìn)行計(jì)算。 另外將公司研發(fā)的以及軟件進(jìn)行融合應(yīng)用，就能夠完成對(duì)高頻問題進(jìn)行解決，并提供相應(yīng)的基于物理原型為重要前提的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)從最原始的系統(tǒng)需求及相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，再到部件級(jí)別的精確設(shè)計(jì)，涉及到整個(gè)高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。運(yùn)用軟

15、件系統(tǒng)進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的主要過程是： 1.5印刷天線與微帶天線的差異 印刷天線：印刷天線設(shè)置于PCB基層印刷版之上，其主要部為信號(hào)饋入部件和輻射部件。其中饋入部件的職責(zé)是實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的饋入。而輻射部件的職責(zé)就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。微帶天線：這種天線其結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)易，不過和印刷天線差異還是比較顯著，這種天線需要在較薄的介質(zhì)之上進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中一個(gè)方向面和金屬薄層進(jìn)行連接并作為這類天線的接地板，而對(duì)立面則使用光刻技術(shù)將其蝕刻成金屬材質(zhì)的貼片，接著利用同軸探針或者微帶線和具體形狀下的金屬貼片形成饋電構(gòu)成的天線。1.6本論文主要工作及內(nèi)容安排本文用于無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)小型化的雙波段印刷單極天線。此天線具有在一個(gè)頻

16、帶RF應(yīng)用良好阻抗匹配和放射模式特性。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書詳細(xì)如下：第一章，緒論，這個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容主要涉及到本文所研究的意義，并對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的主要研究現(xiàn)狀分別從國內(nèi)和國外兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述，接著簡(jiǎn)要說明了重要的仿真系統(tǒng)軟件HFSS。第二章，有關(guān)天線設(shè)計(jì)的理論。重點(diǎn)對(duì)于涉及到天線設(shè)計(jì)參數(shù)和單極子以及有關(guān)的偶極子等概念進(jìn)行了闡述。 第三章，雙頻天線技術(shù)，簡(jiǎn)述了目前雙頻技術(shù)的幾種實(shí)現(xiàn)方法。 第四章，射頻雙頻單極子天線的設(shè)計(jì)與仿真，以及將得到的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。 第五章，全文總結(jié)與展望，對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié)，并提出有待于進(jìn)一步研究和解決的問題。第2章 射頻雙頻單極子天線相關(guān)理論2.1天線的概

17、述天線也就是所謂的，該設(shè)備從本質(zhì)上來說屬于變換設(shè)備。天線的職責(zé)就是將具體使用設(shè)備上行走的導(dǎo)行波進(jìn)行轉(zhuǎn)換構(gòu)成能夠在不同空間中穿行的電磁波，同時(shí)也能夠?qū)⒋┬械碾姶挪ㄟM(jìn)行轉(zhuǎn)換成設(shè)備使用到的導(dǎo)行波。對(duì)于無線傳播設(shè)備中，屬于電磁波的接受和發(fā)出元器件。當(dāng)前諸多無線應(yīng)用領(lǐng)域的信號(hào)傳輸都是基于電磁波進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，比如常見的廣播、導(dǎo)航以及無線通信等領(lǐng)域。只要是基于電磁波進(jìn)行信號(hào)的傳遞，必然要使用到相應(yīng)的天線部件進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)收發(fā)。另外電磁波還可以實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，而至于這方面的應(yīng)用同樣需要通過天線來實(shí)現(xiàn)。2.2天線的電參數(shù)1天線方向性 天線發(fā)射出的電磁波在各個(gè)方向上并不相同，有大有小，甚至還有0點(diǎn)，稱為方向性。發(fā)射功率

18、最大的方向也是接收效果最好的方向，叫做“互易性”。發(fā)射出的電磁波電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向是互相垂直的，天線的極化方向以電場(chǎng)方向定義，如果電場(chǎng)方向垂直于地面（磁場(chǎng)必定水平與地面），叫垂直極化波，反之叫水平極化波。天線架設(shè)方向必須與極化方向相同，否則不能接收信號(hào)，或者效率很差。收音機(jī)的天線通常豎著拉出，因?yàn)槭谴怪睒O化波；電視機(jī)天線通常水平架設(shè)，因?yàn)槭撬綐O化波；室內(nèi)無線電波幾經(jīng)反射，極化方向不再那么規(guī)范，所以有時(shí)要調(diào)整天線角度。2諧振點(diǎn)與諧振頻率我們知道半波長的對(duì)稱振子(當(dāng)然是指線徑很細(xì)的對(duì)稱振子，對(duì)于線徑較大的對(duì)稱振子，分析方法有所不同，比如用矩量法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算)的輸入阻抗是(73.1+j42.5)歐

19、姆，看得出，實(shí)際上在天線長度等于半個(gè)波長時(shí)，天線的輸入阻抗是感性的，這時(shí)，適當(dāng)縮短天線的長度，可以使得天線的輸入阻抗變?yōu)榧冸娮?，此時(shí)天線就達(dá)到了諧振。實(shí)際上，振子越粗，達(dá)到諧振縮短的長度越大，這也就是波長縮短效應(yīng)，是由于天線上的電流損耗和天線的末端效應(yīng)引起的。簡(jiǎn)單說，諧振點(diǎn)就是輸入電抗為0的點(diǎn)。諧振頻率顧名思義就是諧振點(diǎn)頻率，在這里主要指的是天線在該點(diǎn)上的頻率。3增益該參量能夠?qū)μ炀€收發(fā)信號(hào)功能進(jìn)行衡量，而這也是針對(duì)基站天線進(jìn)行配置的重要參考指標(biāo)。如果想要提升該參數(shù)值，就需要將輻射的薄瓣寬度，而且是垂直面方向的輻射進(jìn)行縮小，同時(shí)還需要將水平面方向的輻射能量進(jìn)行保持。該參數(shù)對(duì)于通信質(zhì)量產(chǎn)生極為關(guān)

20、鍵的影響，該參數(shù)可以對(duì)蜂窩邊緣信號(hào)電平產(chǎn)生影響，如果增益上升，那么在某個(gè)方向上的覆蓋范圍就會(huì)被擴(kuò)大。對(duì)于蜂窩系統(tǒng)而言，具有雙向特性，如果增益增加，那么對(duì)應(yīng)的雙向系統(tǒng)增算余量就會(huì)被減小。4帶寬阻抗帶寬同樣是一個(gè)非常重要的參數(shù)，針對(duì)阻抗的匹配情況可是使用駐波比來進(jìn)行映射，而這點(diǎn)和阻抗帶寬相比具有一定的近似性。不過要明確一點(diǎn)，阻抗貸款和增益并沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。增益主要是針對(duì)輻射參量的反饋。在天線設(shè)計(jì)之時(shí)，最先參考的標(biāo)量是阻抗帶寬，從而明確該天線的工頻范圍。在工頻范圍里工作才能夠促進(jìn)天線效率的提升，當(dāng)完成該前提設(shè)計(jì)之后，再優(yōu)化其增益，就能夠進(jìn)一步提升天線的性能。5阻抗天線阻抗這個(gè)參數(shù)值可以進(jìn)一步細(xì)分成輻射

21、和輸入兩種阻抗。針對(duì)輻射阻抗而言，作為天線本身可以被當(dāng)做輻射之源，其輻射功率和被電阻吸收的功率可以視作等效關(guān)系，因此該電阻就是所謂的輻射電阻。而對(duì)于輻射電阻的分析算法主要可以使用感應(yīng)電勢(shì)算法以及波印廷算法。其中對(duì)于后者而言，只需要獲得天線的表面積就能夠?qū)⑵漭椛潆娮枨蠼獬?，可是卻不能夠?qū)﹄娍故褂迷摲椒ㄓ?jì)算。運(yùn)用前者的計(jì)算方法，則能夠完成阻抗和電抗的求解。對(duì)于輸入阻抗而言，該參量主要和輸入端的電流關(guān)系密切，同時(shí)也和輻射阻抗也存在部分關(guān)聯(lián)。假設(shè)來自于天線輸入端的電流是波腹點(diǎn)前面的電流，此時(shí)這兩種阻抗大小就具有一致關(guān)系?？墒禽斎攵说碾娏魍⒉皇遣ǜ闺娏?，那么此時(shí)兩種阻抗大小就會(huì)不一致，此時(shí)計(jì)算輸入阻

22、抗除了上面兩種計(jì)算辦法之外，還可以使用等效傳輸線算法，只是這種算法也具有一定的缺陷，在一些應(yīng)用環(huán)境中往往需要進(jìn)行修正處理。而這對(duì)輸入阻抗的科學(xué)化配置就是為了促進(jìn)天線和饋電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線整體效率的提升。在理想的狀態(tài)下，天線諧振對(duì)應(yīng)的輸入阻抗能夠轉(zhuǎn)換成純電阻，此時(shí)就能夠和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更加良好的兼容匹配。6. 輻射方向圖當(dāng)和天線相隔一定距離之后，輻射場(chǎng)將會(huì)隨著場(chǎng)強(qiáng)方向改變而形成變化，而這個(gè)變化的圖形就是輻射方向圖。通常的表示辦法就是運(yùn)用天線產(chǎn)生的輻射量最大時(shí)，此方向上的垂直和水平方向圖來表示。7. 工作頻率空中有很多無線電波，但是他們的頻率不一樣，速度不一樣，波長也就不一樣。頻

23、率越高，波長越短。線是一種自由空間波與導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換的器件。自由空間波就是空間中的無線電波，導(dǎo)行波就是在導(dǎo)體中傳播的波，也就是交變電流和電壓。天線在設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)需要接收的頻率的無線電波的波長來設(shè)計(jì)的。頻率越低的波，波長就長，設(shè)計(jì)出來的天線尺寸就大。反之尺寸就小。另外他們的結(jié)構(gòu)也是不一樣的。頻率不匹配的話，天線不能有效轉(zhuǎn)換能量，也就是不能有效的把空中的無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體中的電流電壓波，也就不能激勵(lì)電子設(shè)備。就好比wifi頻率為2.4GHz，手機(jī)GSM頻率為900M，所以他們的天線尺寸及構(gòu)造是不一樣的。手機(jī)天線不能有效轉(zhuǎn)換wifi頻率的無線電波為電流，wifi天線不能轉(zhuǎn)換手機(jī)頻率的波為電流。所以相互之

24、間不會(huì)干擾。2.3半波偶極子天線半波偶極天線的是基本線天線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性，它是一個(gè)典型的，迄今為止最廣泛使用的天線中的一種。半波偶極天線的物理構(gòu)成是通過兩個(gè)導(dǎo)線連接而成，而這兩個(gè)導(dǎo)線的直徑及長度都保持一致，同時(shí)導(dǎo)線長度和波長長度存在著1:4的關(guān)系，而導(dǎo)線直徑必須極低，顯著小于天線的激勵(lì)的工作波長。兩個(gè)相鄰中間天線的端部之間的距離是比工作波長小很多的，可以忽略不計(jì)。圖2.1 半波偶極子天線2.4單極子天線上文提到有兩條一致的導(dǎo)線構(gòu)建的天線，如果以地面為平面，形成鏡像關(guān)系，就可以將半波偶極天線大小進(jìn)行削減，于是只需要比波長小四倍的天線即可，于是就構(gòu)成單極子天線，具體可以參見下圖2.2。圖2.

25、2 對(duì)于如圖2.2（a）所示的1/4波長導(dǎo)線就是所謂的單極子天線，該天線主要是基于半波偶極天線的鏡像來獲取，正是如此由于其中的下半部的導(dǎo)線和地連接，那么該接地的導(dǎo)線就不會(huì)產(chǎn)生輻射，于是這種單極子天線只能夠和地方向相反才會(huì)產(chǎn)生輻射，并且輻射能量也是半波偶極天線的一般。與此同時(shí)對(duì)應(yīng)的輻射電阻同樣也是非鏡像天線的一般，也就是單極子天線的輻射電阻大小大約在。不過針對(duì)方向性系數(shù)來說，這個(gè)系數(shù)的定義在于將方向圖上的最大函數(shù)值和最小函數(shù)值進(jìn)行相除運(yùn)算獲得，那么從方向系數(shù)來看，這兩種天線都具有一致性，大小是。2.5印刷天線對(duì)于普通的廣播接收器而言，其天線能夠收集所有電磁波信號(hào)，其構(gòu)成為一個(gè)金屬元件，唯一廣播接

26、收器的外圍。針對(duì)這種設(shè)備從形狀來看，具有拉桿天線模式，有拖線模式。而從頻率角度來區(qū)分，具有調(diào)幅和調(diào)頻兩種，其中前者為磁性天線，而后者則是拉桿天線。通常頻率越高，那么對(duì)應(yīng)的波長就會(huì)越短，天線的長度也會(huì)越短。傳統(tǒng)的磚頭型移動(dòng)通話設(shè)備因?yàn)轭l率高度不夠，所以廣泛使用拉桿天線。而目前的智能型手機(jī)，其頻率較高，所以只需要內(nèi)置天線即可。那么可以對(duì)天線進(jìn)一步優(yōu)化，將其進(jìn)行印刷，和PCB印刷版進(jìn)行連接，并呈現(xiàn)回字形。這種天線具有較低的體積，而且極薄，重量輕，成本低，全向輻射，最重要的是可以與電路板相結(jié)合，并有良好的合作形設(shè)計(jì)的潛力，很容易和饋電的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備集成到塊，密切集成了微電子技術(shù)，功能強(qiáng)大，這些優(yōu)勢(shì)已證明

27、應(yīng)刷天線強(qiáng)大的功能，印刷天線成為了新一代強(qiáng)大的生命力天線。現(xiàn)有的印刷天線和微帶天線，雖然存在區(qū)別但是相關(guān)的，在圖2.3中的黑色圖形上，其中陰影饋線以及輻射貼片就存在著顯著區(qū)別。當(dāng)前這兩種天線結(jié)構(gòu)是當(dāng)前最常用的。不同之處在于，印刷天線輻射貼片的底部是不存在底板問題，只需要在饋線地板之下即可，因此就能夠讓這種天線具有全方向性，這是相比于微帶印刷的重要優(yōu)勢(shì)。圖2.3微帶天線與印刷天線對(duì)于單極子天線或者基于直立模式的單極子天線的印刷而言，并不需要導(dǎo)體和地面進(jìn)行垂直，那么這就進(jìn)一步簡(jiǎn)化該天線和其他電路系統(tǒng)進(jìn)行集成。2.6雙頻天線技術(shù)概述在實(shí)際應(yīng)用中許多地方需要用到可以在多波段工作的天線，實(shí)現(xiàn)多重頻段工作

28、，不僅僅可以完成規(guī)定要達(dá)到的功能，還可以降低天線成本，并且有利于天線的集成。雙頻天線現(xiàn)在處于發(fā)展的高峰期，隨著用途越來越廣，雙頻天線的研究也越來越廣泛。從雙頻帶和多頻帶的具體分類辦法來看，對(duì)于雙頻以及多頻天線的實(shí)現(xiàn)可以使用以下辦法：第一，運(yùn)用單一化的貼片模式，能夠運(yùn)用不同激勵(lì)模式，比如常見的模式以及模式來構(gòu)建矩形貼片，進(jìn)而達(dá)到雙頻甚至多頻功能。第二，運(yùn)用單一化的貼片模式，不過此時(shí)需要通過開槽或者加載的頒發(fā)來對(duì)諧振頻率進(jìn)行消除，進(jìn)而達(dá)到多頻或者雙頻功能。在這種方式的實(shí)現(xiàn)是由一個(gè)印制單極子天線在雙頻WLAN系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的。第三，基于單層PCB基板，然后使用多個(gè)貼片來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)運(yùn)用諧振頻率具有差異性的

29、多個(gè)貼片來構(gòu)成雙諧振，或者使用具有多頻諧振功能的微帶天線作為其不同頻率下的輻射部件。第四，使用多層重疊式貼片結(jié)構(gòu)。也就是運(yùn)用多個(gè)貼片進(jìn)行重疊進(jìn)而構(gòu)成多頻諧振裝置，從而實(shí)現(xiàn)多頻輻射功能。2.7雙頻天線采用單一貼片的實(shí)現(xiàn)方法使用矩形貼片模式下的微帶天線，是構(gòu)建雙頻天線最為簡(jiǎn)單的辦法，以方便在兩個(gè)正交方向，TMl0和TM01-低階諧振模矩形貼片的工作。頻率比約等于這種情況在垂直和水平放置的兩側(cè)的比例。這種方法的明顯缺陷是兩個(gè)不同的頻率激勵(lì)在兩個(gè)正交極化。第3章 射頻雙頻單極子天線設(shè)計(jì)與仿真對(duì)于2.4節(jié)提及具有一半的半偶極天線長度的單極子天線，其實(shí)現(xiàn)方式可以采用下圖左a所顯示的微帶線。為了進(jìn)一步縮小天

30、線的尺寸，還可以將天線折成如圖3.1（b）所示的L形。圖3.1 微帶線結(jié)構(gòu)1/4波長單極子天線在這個(gè)單元里，將設(shè)計(jì)L型的單極子天線，通過微帶線構(gòu)成，該天線支持以及兩個(gè)當(dāng)前在無線局域網(wǎng)應(yīng)用較廣的頻端，其中通信標(biāo)準(zhǔn)最早是在1999年明確頒布，該標(biāo)準(zhǔn)將無線局域網(wǎng)的工作頻段設(shè)定為5.15Ghz至之間，中心點(diǎn)的頻率大小則是，而后者通信標(biāo)準(zhǔn)則是前者的重要補(bǔ)充，同樣也是在1999年被頒布，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支持的頻段為，其中中心頻段大小則是。3.1.雙頻單極子天線的結(jié)構(gòu)圖3.2 單極子天線結(jié)構(gòu)模型圖3.2則顯示了基于微帶的雙頻單極子天線的主要構(gòu)成情況，從圖中可知這種天線包括了介質(zhì)、高、低兩個(gè)頻段的單極子天線、微帶考地

31、。其中介質(zhì)材料主要為Rogers RO4003，是一種進(jìn)口的板材，其介電常數(shù)大小為3.38，而其耗損的正切函數(shù)也就是大小為0.0027，整個(gè)基層材料的厚度達(dá)到1.52毫米，在該基層的最下方對(duì)應(yīng)的是參考地，而基層的上層則布置了微帶饋線以及相應(yīng)的單極子天線。其中左邊的L型天線支持高頻，而右邊的L型天線則能夠支持低頻。3.2 天線初始尺寸和HFSS設(shè)計(jì)概述因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的是雙頻單極子天線，所以能夠支持高頻和低頻。其中高頻對(duì)應(yīng)的波長大小為122毫米，而低頻的波長大小則是55毫米。假設(shè)PCB基層的介電常數(shù)為3.38，擁有這個(gè)介電常數(shù)的材料就是Rogers RO4003。通過換算，那么對(duì)應(yīng)高頻對(duì)應(yīng)的波長就是

32、66.4毫米，而低頻對(duì)應(yīng)的柏章就是30毫米，對(duì)于低頻段的中心頻率，也就是所對(duì)應(yīng)的波長大小則是30.5毫米，如果換算在介質(zhì)中，那么就是16.6毫米。對(duì)于高頻下的中心頻率而言，換算成天線的長度就是13.8毫米，而對(duì)應(yīng)的介質(zhì)下的天線長度則是7.5毫米。在介質(zhì)上布置的天線，電磁波必須要通過介質(zhì)也需要通過空中進(jìn)行傳播，所以那么導(dǎo)波波長就應(yīng)該處于介質(zhì)波長和空中波長之間的位置。對(duì)于低頻段而言，其波長就應(yīng)該處于16.6mm30.5mm之間，而對(duì)于高頻端而言，波長則是在之間。為了更好的研究后續(xù)的參數(shù)設(shè)置，也就是基于參數(shù)來分析天線的葛總性能，此時(shí)需要在軟件中，將涉及到的參數(shù)進(jìn)行變量定義，并完成對(duì)天線結(jié)構(gòu)的描述。在

33、使用已經(jīng)定義后的變量對(duì)天線的參數(shù)模型表述情況可以參看下圖3.3。而涉及到的變量名以及相應(yīng)的初始值和結(jié)構(gòu)參量則可以參看下列3.1表。3.3 HFSS仿真設(shè)計(jì)3.3.1添加和定義設(shè)計(jì)變量3.3.2添加新的介質(zhì)材料在材料倉庫中引入介質(zhì)材料，這個(gè)介質(zhì)的介電常數(shù)大小為3.38，而且對(duì)應(yīng)的耗損正切函數(shù)，也就是tan大小設(shè)置為0.0027。接著再將該材料命名為My_RO4003。圖3.5 添加新的介質(zhì)材料3.3.3設(shè)計(jì)建模圖3.6 微帶單極子天線模型3.3.4設(shè)置邊界條件3.3.4.1分配理想道題邊界條件由于在介質(zhì)材料的上下底面中，對(duì)應(yīng)的平面模型以及GND都屬于金屬片，因此需要為它配置合理的邊界條件。3.3

34、.4.2設(shè)置輻射邊界條件（AirBox）在軟件中設(shè)計(jì)天線時(shí)，就需要對(duì)輻射范圍提供參數(shù)設(shè)計(jì)，另外輻射面于輻射體之家分離距離不得比電磁波長大，由于在時(shí)，對(duì)應(yīng)的波長大小是31cm，因此需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)長方體模型，在該模型下需要將不同的表面以及對(duì)應(yīng)的介質(zhì)表明距離設(shè)置為40毫米，而此時(shí)這個(gè)長方體也就是成了該天線的輻射范圍輪廓。3.3.5設(shè)置激勵(lì)方式天線底端和介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行連接，因此要在集總端口進(jìn)行激烈，另外在天線饋線端口位置構(gòu)建一個(gè)饋電面，而這個(gè)面同樣屬于矩形。然后將該面設(shè)置成集總端口激勵(lì)模式。圖3.7添加激勵(lì)后的單極子天線模型于是就能夠在上述表面上構(gòu)建一個(gè)長方形表面，這個(gè)表面能夠和以及Rectangle1進(jìn)

35、行連接，而且這兩個(gè)位置都屬于金屬片。同時(shí)要把這個(gè)長方形以集總端口激勵(lì)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置端口激勵(lì)的端口阻抗為50，終端線的歸一化阻抗也為50。3.3.6求解設(shè)置基于本設(shè)計(jì)的單極子天線能夠工作在高頻和低頻上，那么針對(duì)高頻的計(jì)算方面，也就是5.8GHz，那么就需要采用進(jìn)行頻段掃描，接著使用這種掃描模型進(jìn)行掃描，不能夠分析在該頻率段下的回波損耗情況，或者是電壓駐波比。當(dāng)將頻率設(shè)置為高頻時(shí)，然后使用自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剖分，設(shè)置其最大的迭代次數(shù)為20，而收斂的誤差可以設(shè)置為0.02，接著掃描類型可以設(shè)置成快速掃頻，并將其范圍設(shè)置成，同時(shí)步進(jìn)大小設(shè)置成。3.4天線性能結(jié)果分析及優(yōu)化3.4.1仿真設(shè)計(jì)結(jié)果結(jié)合分析可

36、以發(fā)現(xiàn)，在高頻段中，S11的輻射量要比-14dB低，而在低頻段中，那么其對(duì)應(yīng)的輻射量則要-10dB大，由此可以看出這時(shí)并不能夠滿足天線的性能。因?yàn)榇藭r(shí)在低頻段，該天線的長度要明顯較長，于是對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)的頻率變得較低，那么此時(shí)就需要在軟件中將長度變量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而讓該單極子天線的諧振頻點(diǎn)處于之間。3.4.2參數(shù)掃頻分析R2對(duì)低頻段諧振頻率的影響綜合上面的闡述可以發(fā)現(xiàn)，在除此設(shè)計(jì)該雙頻單極子天線時(shí)，其在低頻段所獲得的諧振頻率較低，而對(duì)于這類天線而言，該頻率和天線的長度大小成反相關(guān)關(guān)系，那么就需要對(duì)R2變量進(jìn)行調(diào)整，將其諧振頻點(diǎn)處于這區(qū)間范圍里。要想實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，就需要借助軟件中的參數(shù)掃面，對(duì)R2變量

37、以及諧振頻率關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而不斷調(diào)整該R2的數(shù)值，通過這種循環(huán)調(diào)整的方式最終讓低頻段的諧振頻率增大，處于區(qū)間。圖3.9 不同R2對(duì)應(yīng)的回波損耗曲線上圖中展示了回波耗損的結(jié)果分析情況，在該結(jié)果分析中，各條S11曲線和R2值都有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)回波耗損進(jìn)行掃描分析，可以看出該諧振頻率會(huì)受到R2變量影響而出現(xiàn)變化，也就是當(dāng)R2變短時(shí)，其頻率就會(huì)上升。然后結(jié)合計(jì)算，當(dāng)R2的數(shù)值為19毫米時(shí)，此時(shí)的諧振頻率最大，達(dá)到2.45Ghz。所以此時(shí)R2數(shù)值大小可以設(shè)置成19毫米。3.4.3查看最終優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果從上面的3.10圖，可以看出本文設(shè)計(jì)的這種類型的天線無論是低頻還是高頻，都處于以及之間，所以最終

38、的設(shè)計(jì)滿足了既定的功能。第4章 結(jié) 論4.1全文總結(jié)本文介紹了射頻雙頻單極子天線的研究意義以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)使用的軟件做了簡(jiǎn)短的說明，天線理論基礎(chǔ)，主要介紹了天線的一切電參數(shù)以及偶極子和單極子的概念等，然后簡(jiǎn)述了目前雙頻技術(shù)的幾種實(shí)現(xiàn)方法，施加到WLAN的雙頻單極天線系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和模擬說明。研究設(shè)計(jì)出雙頻帶印刷單極子天線，使用HFSS軟件仿真，最后得到滿足在2.4GHz5.825GHz頻帶的頻帶IEEE802.11a和IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)和滿足回波損耗不到-l0dB阻抗帶寬，設(shè)計(jì)與仿真中，最后得到的結(jié)果與預(yù)先一致，實(shí)現(xiàn)了預(yù)先的目標(biāo)。 4.2展 望本文設(shè)計(jì)的射頻雙頻單極子天線，

39、雖然滿足了預(yù)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但由于邊緣效應(yīng)，實(shí)際生產(chǎn)出來的實(shí)物天線和預(yù)期的效果還是會(huì)有一定的偏差，這是我們后續(xù)應(yīng)該繼續(xù)研究的問題。除了這點(diǎn)之外，雙頻天線還有許多地方需要我們?nèi)ド钊氲你@研，隨著科技的發(fā)展，以及軟件的不斷更新，設(shè)計(jì)的成本會(huì)越來越低，效率也會(huì)越來越高，相信在不久的將來，會(huì)有更簡(jiǎn)便的算法設(shè)計(jì)天線使得天線的參數(shù)更為理想化。參考文獻(xiàn)1. 呂飛； 應(yīng)用于WLAN的雙頻單極子微帶天線的設(shè)計(jì)J. 四川大學(xué)電子信息學(xué)院學(xué)報(bào)； 2010,23(6)：107-1092. 王國超 許家棟； 改進(jìn)共面波導(dǎo)饋電的雙頻單極子天線設(shè)計(jì)J西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)；2003年S1期：109-123. 3. 胡俊 ；雙頻印刷天

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