天线设计毕业汇报总结.docx
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天线设计毕业汇报总结
第一章绪论
、绪论
1.1课题的研究背景及意义
自古至今,通信无时无刻不在影响着人们的生活,
小到一次社会交际中的简单对话;大到进
行太空探索时,人造探测器与地球间的信息交换。
可以毫不保留地说,离开了通信技术,我
们的生活将会黯然失色。
近年来,随着光纤技术越来越成熟,应用范围越来越广。
在广播电
视领域,光纤作为广播电视信号传输的媒体,以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。
光纤传输系统具有的传输频带宽,容量大,损耗低,串扰小,抗干扰能力强等特点,已成为
城市最可靠的数字电视和数据传输的链路,也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送
方式。
随着全球通信业务的迅速发展,作为未来个人通信主要手段的现代通信技
术引起了人们的极大关注,我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力,我
目前,电力系统光
国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。
纤通信网已成为我国规模较大,发展较为完善的专用通信网,其数据、语音,宽带等业务及
电力生产专业业务都是由光纤通信承载,电力系统的生产生活,显然,已离不开光纤通信网。
无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属,无线通信技术了。
无线通信技术包括了移
3G时
动通信技术和无线局域网(WLAN)技术等两大主要方面。
移动通信就目前来讲是
代,数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。
目前,移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段。
无线局域网可以弥补以光纤通信为主的有线网络的不足,适用于无固定场所,或有线局域网架设受限制的场合,当然,同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。
WLAN,目前广泛应用IEEE802.11系列标准。
其中,工作于2.4GHZ频段的820.11可支持11Mbps的共享接入速率;而802.11a采用5GHZ频段,速率高达54Mbps,它比802.11b快上五倍,并和820.11b兼容。
给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。
在整个无线通信系统中,用来辐射或接收无线电波的装置成为天线,而通信、
雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的,均
需要有无线电波的辐射和接收,因此,同发射机和接收机一样,天线也是无线电
技术设备的一个重要组成部分,其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作
用。
天线的作用首先在于辐射和接收无线电波,但是能辐射或接收电磁波的东西
不一定都能作为天线。
任何高频电路,只要不被完全屏蔽,都可以向周围空间或
带天线作为天线家祖的重要一员,经过近几十年的发展,已经取得了可喜的进步,
在移动终端中采用内置微带天线,不但可以减小天线对于人体的辐射,还可使手
机的外形设计多样化,因此内置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一,设
计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值,
这也成为当前国际天线界研究的热点之一。
因此,一副实用且性能良好的天线既要满足系统易于集成化的要求,同时也
要满足各个系统的兼容性、可靠性要求,即为对天线小型化、宽频带、多频带的
设计要求,因此本文主要对现代无线通信系统的多频带、宽带、超宽带天线进行
研究和设计。
1.2微带天线的发展概述
早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天
线的概念。
但是,在接下来的近20年里,对此只有一些零星的研究。
直到1972
年,由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求,芒森
(R.E.Munson)和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天
线[1]。
随之,国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。
1979年在美国新墨
西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议,1981年IEEE天线与传播会刊在1
月号上刊载了微带天线专辑。
至此,微带天线已形成为天线领域中的一个专门分
到广泛的应用。
1.3小型化、多频带/宽频带天线的研究现状
1.3.1天线小型化、宽频带研究现状
天线作为无线收发系统的一部分,其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。
微带天线带宽相对较窄,通常低于3%,而无线通信技术的发展,特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展,要求天线具有更高的带宽。
同时在随着电路集成度的提高,系统对天线的体积有着更高的要求,尤其是一些军用和民用的领域,如导弹制导系统和手机等等,物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。
此外随着天线尺寸的减小,天线效率会显著降低,带宽也会随之变窄。
如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下,设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。
当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。
1.3.2多频带天线的研究现状
多频天线主要有多频振子天线[2]、多频缝隙天线[3]和多频微带天线[4,多频振子天线主要通过添加不同长度的谐振振子来实现多频带,多频缝隙天线主要通过在辐射单元以及辐射地结构上进行开缝改变电流流向来实现多频化,多频微带天线则主要通过调节微带线的长度、宽度以及不同微带线之间的距离来实现多频化。
随着
1.4论文的主要研究内容第二章微带天线理论(参看宝儿书)第三章多频带天线设计
3.1天线多频化实现技术
3.2基于分形结构的多频微带天线设计
3.1.1
三、微带天线的小型化技术
天线作为无线收发系统的一部分,其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。
微带天线带宽相对较窄,通常低于3%,而无线通信技术的发展,特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展,要求天线具有更高的带宽。
同时在随着电路集成度的提高,系统对天线的体积有着更高的要求,尤其是一些军用和民用的领域,如导弹制导系统和手机等等,物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。
此外随着天线尺寸的减小,天线效率会显著降低,带宽也会随之变窄。
如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下,设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。
当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。
3.1天线加载
在微带天线上加载短路探针[4],通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中
引入耦合电容以实现小型化,典型结构如图3.1所示。
其缺点是:
(1)阻抗匹配
极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离△,往往需要馈电点的精确定位和十分微小的△,这给制造公差提出了苛刻要求。
(2)带宽窄。
(3)H面的交
叉极化电平相对较高。
将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chiPresistor),在
进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。
图3.1加载短路探针的微带天线
3.2采用特殊材料基片
从天线谐振频率关系式可以知道,谐振频率与介质参数成反比,因此采用高介电常数(如陶瓷材料)或高磁导率(如磁性材料)的基片可降低谐振频率,从而
减小天线尺寸。
这类高介质天线的主要缺陷是:
(a)激励出较强的表面波,表面
损耗较大,使增益减小,效率降低。
(b)带宽窄。
为提高增益,常在天线表面覆盖介质(如图3.2所示)。
h?
h
图3.2采用高r的多层介质微带天线
3.3表面开槽(slot)[5]
当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3所示),切断了原先的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感。
由于槽很窄,它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。
选择适
当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90。
的极化简并模,还可形成圆极化
辐射,以及实现双频工作。
图3.4为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片
图3.4小型口径耦合圆极化微带
天线。
图3.3表面开槽的小型化微带天线
这类天线结构简单,成本低廉,加工方便,其特点是:
随槽的长度增加,天
线谐振频率降低,天线尺寸减小,但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化,其中带宽(一般约为1%)与增益尤为明显,而方向性影响不大。
如何破除增益和带
宽这两个限制,开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。
3.4附加有源网络
缩小无源天线的尺寸,会导致辐射电阻减小,效率降低。
可利用有源网络的
放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。
有源天线具有以下良好特性:
(1)工作频带宽。
利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗,天线带宽高低端频比可达20〜30。
(2)增益高(可达10dB以上),方向性好。
⑶
便于实现阻抗匹配。
(4)易实施天线方向图,包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。
(5)有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。
但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。
3.5采用特殊形式
这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度,以实现小型化目的。
近年来由于无线通信的需求,有大量方案提出,如蝶形(bow2tie)(如图3.5
所示)、倒F型(PIFA,planarinverted2Fantenna)(如图3.6所示)、L形、
er\"
四、结束语
各界的广泛研究与应用。
通讯产品越来越小型化,物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素,因此天线的小型化成为天线设计的一个研究热点。
如何设计出具有小型化的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。
第二章
1.课题的研究背景及意义
从马可尼横跨大西洋的无线电通信创举,到今天千百万用户随时随地畅通无阻的漫游,从现
代高科技战争中战略和战术武器使用,到日常生活中便携式通信设备普及,射频无线通信技
术取得了举世瞩目的成就,并且越来越紧密的影响和改变着我们的生活。
刚刚过去的十年无
疑是无线通信爆炸式发展和普及的十年,射频电子技术已经成为现代无线通信快速发展的基
础。
通过近十年的发展来看,无线电通信技术变得更加实用,
随着通信事业的飞速发展,射
频前端电路的集成度越来越高,宽带化要求日益增加,低成本、低功耗、小型化、重量轻等
设计要求越来越苛刻,因此射频前端电路与系统宽带化设计显得十分必要,
具有巨大的经济
效益和社会意义。
0
天线是无线电系统中的重要部件之一,其主要功能是辐射和接收电磁波[1],通信系统中的雷
达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。
随着现代通信技术的快速发展
基于分形结构的多频微带天线设计
1分形天线结构
多频天线主要有多频振子天线[2]、多频
缝隙天线[3]和多频微带天线[4],这些多频天线辐
射结构之间相互独立,没有特定变化规律,而分形几何结构独有空间填充性和自相似性的特
现多频工作的有Sierpinski三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、树状分形[8]结构等,
简化
的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。
随着现代通信技术的快速发展
个频段工作。
2G通话频段(GSM1800)、世界公开使用的无线频段(ISM2.4GHz)和用
于无线通信的城域网频段(WiMAX)是小型多功能手持设备工作的重要频段,因此设计出
能覆盖上述频段的天线具有实际意义
本文拟采用Sierpinski分形结构,利用加载谐振和匹配枝节的办法,设计一款应用于
全向辐射微带天线。
1设计原理
谐振点,随着天线分形结构迭代次数的不断增加,天线的生成元不断减小,而天线将保持原有
的谐振点不变并在高频处增加新的谐振点,谐振点的个数与分形的迭代次数相等,并且在各谐
振频点天线都具有相似的辐射性能。
Sierpinski三角形分形单元如图1所示。
图1Sierpinski三角形分形单元
Sierpinski三角形分形结构具有多频特性,且各个谐振频点成比例。
比例系数可通过改变垫片的形状来调节,但不能无限次分形,其存在的截断效应将导致第一谐振点与其它谐振
点不满足谐振频率[9]
表示式分别为[10]
2天线设计
1.7GHz和3.5GHz
2.1天线模型设计
该天线基于Sierpinski分形结构,采用两次三角形分形分别产生
振点后移至1.8GHz处,克服了低频谐振点因加入短谐振枝节以及耦合的影响出现前移的问题,背面采用2.3mm宽的反射参考地结构,保证天线各处辐射大小相等,实现全向辐射。
设计天线模型如图2所示。
(a)正面
(b)背面
图2天线模型
2.2模型参数设计
46.7mm
53.6mm
次分形后分形
由微带贴片理论公式
(2)、(3)计算加入短谐振枝节的尺寸如下。
短谐振枝节长度:
L5=24.9mm
短谐振枝节宽度:
W4=1mm
由于受介质均匀性、软件本身存在的仿真误差等影响,实际优化长度与理想计算长度会稍有偏差,最终设计天线以实际优化长度为主。
3仿真优化与结果分析
利用三维电磁仿真软件(AnsoftHFSS15.0)对天线结构、参数和辐射方向性进行仿真分析,仿真结果分别如图3、图4图5和图6所示。
图3为只有分形结构和在分形结构上分别加载短谐振枝节、长匹配枝节时天线谐振点
和回波损耗的对比。
频辜GHZr
图3加入不同枝节的天线回波损耗
由图3可知,当仅采用Sierpinski分形结构时,产生低频1.7GHz和高频3.5GHz两个
谐振点;加入短谐振枝节,可产生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz3个谐振点,与未加枝节
时相比,低频1.7GHz谐振点的位置发生前移,但产生了新的谐振点;加入长匹配枝节,产生1.8GHz、3.5GHz两个谐振点,与加入短枝节相比,低频谐振点则向后移动,频点位置
有所改善,但并没有产生更多的谐振点,因此,综合考虑加入短谐振枝节和长匹配枝节对频点位置的影响,若同时加入长短枝节则可以实现该天线多频化、小型化的设计。
图4为不同的耦合距离对天线谐振点和回波损耗的影响对比图。
2
tGHl>
图4耦合间距的优化
由图4看出,耦合距离的变化对天线谐振频率点位置的影响较小,但对回波损耗的大小
影响较大,综合考虑3个频段的回波损耗,当耦合距离S=0.6mm时,回波损耗在3个谐振点处均达到-25dB以下,达到最优。
图5为设计天线同时加入长短枝天线的谐振频点和回波损耗的变化图。
图5有无似对称枝节的天线结构仿真回波损耗对比
了低频1.7GHz的频点位置和高频谐振处的带宽。
图6为天线在1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz3个谐振点的E面、H面辐射方向。
(a)1.8GHz
(b)2.4GHz
(c)3.5GHz
图6天线的E面、H面方向
图6中,该天线具有良好的全向远场辐射特性,说明背面采用了较窄的地结构设计该
进行加工,加工实物如图7所示。
H'
(b)背面
图7天线加工实物
4实测结果与分析
将该天线通过SMA连接器连接到矢网仪(AgilentTechnologiesE5071C300
MHz~20GHz)进行测试,测试结果如图8所示。
图8天线测试环境
9所示。
将图8中测试结果导出并与仿真结果进行对比,对比结果如图
fl
'I
35-
图9天线仿真与测试回波损耗
图9中,天线仿真回波损耗在-10dB以下的频段为1・69GHz〜1・85GHz
1.65GHz~1.83GHz,2.37GHz~4.1GHz。
与仿真结果相比,天线测试结果中1.8GHz谐振
实测结果与仿真结果吻合。
频点稍向前偏移,在2.4GHz和3.5GHz时,测试带宽与仿真带宽相比都有所提高,这主要是由于材料及制作工艺存在误差引起的,在误差允许范围内
5结语
Ansoft
利用分形天线结构的空间填充性和自相似性的优点实现了天线的小型化设计,通过加入谐振枝节和匹配枝节实现了天线的多频化设计。
采用三维电磁仿真软件(
HFSS15.0)进行仿真,并将该天线通过SMA连接器连接到矢网仪(AgilentTechnologies
E5071C300MHz~20GHz)进行测试,仿真和测试天线回波损耗在-10dB以下的频率范围均覆盖了GSM1800(1710MHz~1850
MHz)、ISM(2.4GHz)、WIMAX(3.3GHz~3.6GHz)频段,实现了该多频化、小型化微带天线的设计。
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