基于cst仿真的6GHz圓極化微帶貼片天線設(shè)計(jì)

1、絡(luò)熏甫74上岸HarbinInstituteofTechnology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書論文課程名稱：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：XX工業(yè)大學(xué).word.zl.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6GHz,并且將滿足一下技術(shù)指標(biāo)：1、反射系數(shù)S11<10dBVSWR<2；2、天線軸比小于3dB;3

2、、絕對(duì)帶寬100MHz;4、增益大于5dB;5、輸入阻抗50Q;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)逐漸開展起來(lái)的一類新型天線。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，真正的開展和使用是在70年代。常用的一類微帶天線是在一個(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)步正在研究克制，因此它有廣闊的應(yīng)用前景。一般說(shuō)來(lái)，它在飛行器上

3、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擬，它有以下一些突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)重量較輕，體積比擬小，剖面低，能與飛行器等載體共形。(2)容易制作和調(diào)制，制作本錢較低，適合大批量生產(chǎn)。(3)容易集成化的性能，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

4、也有一些缺乏之處，主要表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：(1)損耗比擬大，從而導(dǎo)致效率也不高。.word.zl.(2)相對(duì)帶寬比擬窄，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擬小。目前，微帶天線的缺點(diǎn)正在研究克制中，有的已經(jīng)得到改善，盡管微帶天線存在著諸多缺乏，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)用意義主要表達(dá)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)抗等應(yīng)用中廣泛利用圓極化天線的旋向正

5、交性；(3)圓極化波入射到對(duì)稱目標(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CSTMICROWAVESTUDIO簡(jiǎn)稱CSTMWS,中文名稱“CST微波工作室"是CST公司出品的CST工作室套裝軟彳之一，是CSK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)展雷擊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。CSTMICROWAVESTUDIO集成有七個(gè)時(shí)域和頻

6、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MORSPICE提??；支持各類二維和三維格式的導(dǎo)入甚至HFSSa式；支持PBA六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格和外表三角網(wǎng)格；內(nèi)嵌EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)FCC認(rèn)可的SAR十算。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)工作室的開放性體系構(gòu)造能為其它仿真軟件提供，使微波工作室與其它設(shè)計(jì)環(huán)境相集成。CST次件

7、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)(FiniteIntegrationTechnique-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)鍵之處在于FIT可被用于所有頻段的電磁仿.word.zl.

8、真問(wèn)題中。在CST微波工作室和電磁工作室中，引入了CST的專有技術(shù)一理想邊界近似（PerfectBoundaryApproximationPBA）。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)，CS儂件不但保持了通常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)題到達(dá)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)展工程設(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)展預(yù)算，這種做法可以使天線的制作質(zhì)量和效率大大提高，并且可以

9、使研制本錢大大的降低。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。如今比擬成熟的分析微帶天線的方法有很多，比方格林函數(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)展微帶天線的設(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開展起來(lái)的，因?yàn)槲еC振腔與諧振式的微帶天線在形狀上沒有很大的差異，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)算出諧振頻率和輸入阻抗等，這種方法應(yīng)用在微帶天線上，我

10、們稱之為單模理論。與傳輸線法一樣，單模理論的應(yīng)用也是有限制的，為了改良，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擬準(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：fmn上式中，l和w分別為矩形貼片的長(zhǎng)度和寬度，e為等效介電常數(shù)，c為光速。本設(shè)計(jì)中，設(shè)定基板厚度為h1mm,r2.2,利用CST中宏計(jì)算，可知其e2

11、.0。另本設(shè)計(jì)中，將在頻率f6GHz時(shí)，同時(shí)鼓勵(lì)起TM01模和TM10模。所以，易得.word.zl.2f,e17.68mm據(jù)此，設(shè)置基板大小為25mm25mm1mm2、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：?jiǎn)勿伔?、多饋法、多元法：?jiǎn)勿伔?，基于空腔模型理論利用?jiǎn)并模別離元產(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“s”,從而使微帶天線的簡(jiǎn)并模別離元產(chǎn)生兩個(gè)輻射正交極化的簡(jiǎn)并模工作。且，圓極化效果

12、與微擾面積s大小有關(guān)。故在仿真過(guò)程中將針對(duì)切角大小進(jìn)展屢次仿真，并確定最正確尺寸。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：276,2D,lgT(假設(shè)填充介質(zhì)2.2,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mmGHzns4-8GHzOpenNormal表1根本設(shè)置2建立模型根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)展建模，并添加同軸饋線，為了與實(shí)際情

13、況更貼近，我們選擇了力=22,并且有損耗的材料RogersRT5880(lossy)作為天線的基板，然后進(jìn)展仿真。所建模型如下，.word.zl.材料長(zhǎng)(mm)寬mm高mm基板RogersRT5880(lossy)50501接地板PEC50500.015貼片PEC34340.015表2天線根本構(gòu)造材料半徑（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)RogersRT5880(lossy)0.5（內(nèi)徑）1.72外徑5表3同軸線根本尺寸3設(shè)置端口將同軸線的一端設(shè)置為端口，如下列圖,(4)軸比.word.zl.怙I吊E(f=G)IW)1Fi/u

14、ensyTMan則rfwqrrtude2、對(duì)結(jié)果進(jìn)展優(yōu)化第一步，改變貼片切角的大小，通過(guò)軸比選擇最正確切角大小可以得到，當(dāng)?shù)怪苯菍抌=3時(shí)，效果最好第二步，通過(guò)調(diào)整同軸線的位置，選擇入1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)展參量掃描，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)，與工的效果最好，此時(shí)的軸比也非常小，軸比方下列圖所示,綜上，圓極化微

15、帶天線的最終構(gòu)造尺寸如下,材料長(zhǎng)(mm)寬mm高mm切角度數(shù)。倒直角寬mm.word.zl.基板RogersRT5880(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)6mmo七、仿真結(jié)果與分析1、H面方向圖FhiFIDerrevs曲FarUd8力Abi(Ph-M)Thttas'Dtkcvsc®ilrwuwcv=3Hanlobemaritude-3,3勺南Manhbedaear口i>-142-0deg.2、E面方向圖farfed(f=03.0'

16、0>H：Fr&imeftcy=3Maplobennacjncu加=?.1SdBMaolobedhreewn=-1J)日用AnquhiiwtMi(3dB)-BJ.2deg.Sdflobelevd-LB.b由HA4E2cf52、反射系數(shù)4、方向性系數(shù)fwFrti(f=030000)fl由上圖可知，主瓣幅度7,a5dBF班皿所柝ph-軸Thta/DryecvtldB嚀0-S_-如,由方向性系數(shù)的定義可知,Fi&qu日ncy=3Mankib«magncude-7ASdBManlobedv?dhan-1,0de.Angubrwidth(3dB)=B3-2defrSdebb

17、etewl-郎6國(guó)D=7,15.word.zl.5、輸入阻抗J=50f!6、效率“DUAppraxinationritnilcr。叩山*帆DHtprl-Froq.ERad.effIt.Ivt.E-FfiFieldnjhlBd(kH>31)FieId"他小曲3小3-,1M?4fldUtjilh以=Eff紀(jì)能蹩cy=l0.1687dfl7、增益IffptflppraxinationtltrijternatprrFripqHiPBcyeffit.1vt.cffic.*加FaiFirldnjhlpddA1)fjrFlptd1皿3.3-%,UdUT1M?修修G=7.149dB8、波瓣寬度f(wàn)arfcti(f-03Wh»H.FarUdGamM-i(Ph-W)ThetaJDegrrvsdBFC3CF-3Manlo