目  录

摘  要

Abstract

第一章 绪论

1.1 微带天线的定义

1.2 微带天线的的发展状况

1.3 本文主要内容

第二章 微带天线的基本理论

2.1 微带天线的特点

2.2 微带天线的工作原理

2.3 微带天线的结构

2.4 微带天线的分析方法

2.4.1 解析方法

2.4.2 数值方法

第三章 双频微带天线设计分析

3.1 微带天线的小型化技术

3.2 微带天线双频技术

第四章  设计仿真

4.1 HFSS基本简介

4.2结构设计

4.3仿真结果

第五章  结论

致  谢

参考文献

摘  要

近年来 ，随着个人通讯和移动通讯技术的迅速发展，在天线的设计上提出了小型化和多频带的要求。而微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻等优点，得到广泛的应用。但是，低增益、单一带宽的缺点也限制了微带天线的应用。本此设计对微带天线最基本的小型化技术和双频带技术进行了研究和分析。在设计过程中，采用ANSOFT公司的电磁仿真软件——Ansoft HFSS，利用短路探针和插入馈电点的方法，设计出一款简单的双频微带天线。

关键词：微带天线;双频带;小型化;HFSS

Abstract

In recent years， the demand form miniaturization and multiband has been presented with rapid development of mobile communications. Therefore， the size of the antenna is required to be as small as possible.Microstrip antennas have several advantages over conventional monopole-like antenna for mobile handsets. They are less prone to damage， compact in total size and aesthetic from the appearance point of view. Unfortunately， some shortcomings of Microstrip antennas such as low gain，multiwidth， etc， make them unfit for practical application. Therefore this paper， the basic microstrip antenna miniaturization technologies， broadband technologies are discussed， analyzed and summarized.During the design process， The use of electromagnetic simulation software of ANSOFT company—Ansoft HFSS，Made a number of simple microstrip antenna structure combination of multiband design method.

Keywords:  Microstripantenna ， Smaller ；multiband；HFSS

第一章 绪论

当今，随着全球通信业务的迅速发展，无线移动通信系统己引起了极大的关注，而对于整个无线通信系统来说，商业和军事上的应用也变得尤为重要。在无线通信系统中，天线设计是一个至关重要的环节，它是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其设计的优良程度完全决定了整个无线通信系统的性能。在天线的发展中，天线逐渐从大型、窄带功能单一转变成微型化、宽频带、多功能的天线，微带天线就是这种变化的一个产物，经过近几十年的发展，已经对微带天线有了一套成熟的设计方法，但是这种天线具有一个致命的缺点，就是窄带特性，这种缺点使其不能在所有的外部环境下使用，为了增加信道数量常常要求采用新的频段，而考虑到兼容性又常常要求采用一台设备就可以工作于双频甚至多频，因此也要求天线具有双频或者多频功能，所以设计出一种具有双频带小型化的微带天线也成为当前国际天线界研究的热点之一。本论文的主要工作就是对这类天线进行理论分析，通过仿真得到的一个简单设计方法。

1.1 微带天线的定义

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。在1953年箔尚(G．A．DcDhamps )教授提出了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，研究者们部分制成了第一批实用的微带天线。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支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。

微带天线就是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分两种：一种为贴片形状是一细长带条，叫做微带振子天线。另一种贴片是一个面积单元时，叫做微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。

1.2 微带天线的的发展状况

为适应现代通信设备的需求，天线的研发主要朝几个方面进行，即减小尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也越来越小，这时天线对于整个设备就显的过大，这就需要天线减小自身尺寸。然而，在不明显影响天线的增益和效率的同时减小天线的尺寸却是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。

1、尺寸越来越小

手提电话越来越小，收发机已经集成到一个芯片中，小尺寸天线已经必不可少。在天线的尺寸、带宽和效率之间有一个基本的联系，天线尺寸变小，工作频段和效率就会降低；除了移动终端设备需要小尺寸天线外，固定无线系统也同样需要这样的天线。许多地区为了社区美观对天线塔和天线都有严格的限制，小尺寸天线正好可以适应这样的要求。另外，小尺寸天线的风力载荷也较小，这意味着天线的支撑结构也可以做的较小，这样不但安装费用得到降低，也增强了天线在恶劣环境中的耐用性。短加载螺旋天线（SLH）是适用于固定设备的高性能小尺寸天线，它是从轴式螺旋天线演化而来的，极化方式为圆极化且增益较高。SLH使用了独特的几何结构，能够提供比轴式螺旋天线大的多的增益，而尺寸却缩到其四分之一。这种小尺寸和高性能的结合使得SLH天线对不影响环境美观的点对点连接和点对多覆盖应用有很强的吸引力。SLH天线已经在2.4GHz的WLAN系统中得到了应用，工作在2.4GHz的8英寸长的SLH天线增益一般可以达到10dB。

2、宽带和多频带天线

多频带天线通常要在两个或两个以上特定的窄频带上提供较好的阻抗匹配和性能。随着各种服务和频率的要求日益增多，多频带天线是一种比较经济的解决方法。宽带天线在一个频率范围之内的性能都保持不变。目前有一种全新的可调天线可以在很宽的频带上进行调谐，这个频带要比天线的瞬时带宽宽的多。

Motorola公司推出了一种典型的多频带天线产品，这是一种螺旋天线，它利用天线各段的螺距的不同从而实现在不同的频段谐振，主要工作在150.8～174MHz和765～870MHz这两个频段。这种天线的方向图与偶极子天线的方向图是等效的，天线在160MHz附近和800MHz附近的回波损耗较小，而增益相对要大的多。最近有一些更小的宽带天线问世，比如正方形天线和四角天线。正方形天线在1.8：1的带宽上的驻波比为2：1，四角天线的带宽可以达到3：1。这两种天线都能提供双正交线性极化，天线上的正方形贴片的长度是最低工作波长的0.3或0.4倍。背部有接地平面的正方形天线在工作带宽上的增益是7～9dB，同时可以利用更多的单元得到更高的增益和更窄的波束。

3、阵列天线和智能天线

未来的无线通信系统将更广泛地使用阵列天线，智能天线也是阵列天线的一种，它是智能无线电和天线的结合。几十年来阵列天线在军事中得到来广泛的应用并逐渐用于民用。阵列天线就是用多个天线单元来提高包括高增益在内的天线性能。由于军舰和军用飞机上面的空间有限，这就需要阵列天线来在较宽频带内支持通信、雷达、情报交换和导航。对于民用的交通工具也需要这样的天线来支持通信、导航和娱乐服务，但是设计这些宽频带多功能的阵列天线却并不简单。宽频带的天线单元是阵列天线的构成基础，并且这些单元要合理布局以使天线的主波束能在带宽范围内的每个频率上都能进行宽角度扫描。如果单元间距过大，在调制天线主波束的时候就会出

现较大的副瓣，同时这个间距也要保证天线单元在最低的工作频率上正常工作。临近单元之间的电磁干扰会破坏单元的方向图，从而影响整个阵列天线的方向图，在设计阵列天线的时候必须考虑互耦和频率之间相关影响。当一个阵列天线结构不能满足实际应用时，就可以使用可调的阵列天线。较早应用的是Wullenweber阵列天线，它可以使用呈向外辐射状分布的全向或是有方向性的天线单元，这些单元数一般为30～100个，且均匀分布，利用其中相邻的大约1/3可以形成从天线阵向外辐射的波束。一种称为天线方向性调制器的开关网络用来把对应的天线单元和通信设备连接起来，它也可能包括用来控制天线方向图的附加幅度。较新的方法是利用PIN二极管或微电机系统开关在特定的频段或工作模式下调整天线结构或天线单元阵列天线可以与空间或空－时自适应处理的信号处理技术结合起来，从而能够动态控制天线的方向图来优化接收信号。对于空－时处理，可以结合信道均等来控制方向图以抑制宽带信号在多路通道传输时出现的信号间的干扰。另一个比较先进的利用阵列天线的技术是空－时编码。在发射和接收设备使用阵列天线，空－时编码的通信系统能有效的利用多信道来支持以超过单一信道香农限制所预计的传输速率进行数据传输的通信。天线单元不但可以结合起来以形成单一波束，并能分别在由于多路干扰而衰减的信道中提供不同的增益。阵列天线可以用在移动基站，在进行发射和接收的时候提供不同的增益，这是为了增强蜂窝单元的覆盖和可靠性。为了减小不同天线间信号衰减包烙的互相影响，基站上使用的天线单元间距通常较大（10～20个波长）这对于提高增益相异性也是很有必要的。最近的研究表明在一个手持无线电设备上将几个天线靠的很近可以实现不等增益。由于工作在复杂环境中的手持终端设备的多路元件的宽角度分布，这样做是可行的。

智能基站天线试验台可以对空间、极化和角度的相异性进行直接测量。除了多通道的基站接收器和数据分析仪，试验台还配有可以手持或装在车上的发射机，能在距离基站天线665～2670m的市区或郊区测量不等增益，使用空间分布、极化和角度可调的天线结构可以得到1％概率水平的4.6～10.9dB的不等增益。

本章是对双频带微带天线进行设计，一个双频带微带天线要求有两个频带或更多的频带功能，那么宽频带就是其中一个频带，微带天线的固有缺点就是阻抗频带窄，展宽频带是最困难也是最富有挑战性的技术之一，随着移动通信系统、全球定位系统(GPS)、卫星通信系统的发展，宽频带微带贴片天线的研究己成为了非常热门的课题，同时宽带微带贴片天线将逐渐向着小型化，简单化同时具有多功能、多用途的方向发展。

1.3 本文主要内容

本论文主要针对如何实现微带天线双频带、小型化进行了分析和研究，同时提出了几种新型结构的微带天线设计，全文共分为以下几个方面：

第一章 绪论。主要是简单的介绍了当前微带天线定义以及微带天线的发展状况和存在的问题，在此调研的基础上提出了自己的研究方向。

第二章 微带天线基本理论。简单的介绍了微带天线的基本理论和双频微带天线的定义以及分析方法。

第三章 微带天线设计。介绍了几种微带双频天线的设计方法，具体提出了一种设计方法并附有设计与分析。

第四章 设计仿真。通过理论分析以及仿真软件辅助设计，主要是应用Ansoft HFSS仿真分析软件，对于天线的重要参数以及这些参数对增加天线带宽的影响都给出了具体定量的分析，最后得到了比较理想的结果。

第五章 结论。主要是对本论文的工作进行总结和展望，希望本论文的工作对于以后相关研究能提供一点借鉴和启示。

第二章 微带天线的基本理论

本章主要介绍了微带天线基本理论，对微带天线的各种结构形式进行分析。讨论了微带双频天线的结构和设计方法。

2.1 微带天线的特点

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结构如图2-1所示

图2-1微带天线模型

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称之为微带线型天线，这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如带状线)对其馈电，称之为微带行波天线。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。

微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点：

(1)、体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形

(2)、电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化

(3)、易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。

(5)、便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作；

虽然微带天线有许多优点，但是与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：

1)、频带窄；

2)、有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；

3)、功率容量较小，适用于中、小功率场合；

4)、性能受基片材料影响大；

5)、馈线与辐射元之间的隔离差；

这些缺点可以用一些方法来减小。例如，采用一些宽频带技术可以有效地展宽频带。在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用需求，微带天线变得更加小型化、易集成、多功能，因此他的应用前景非常好，尤其使在无线电中得到广泛的应用。例如国外某型炮弹引信，该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。除了这个应用以外还有卫星通讯、指挥和控制系统、卫星导航接收天线等等。

2.2 微带天线的工作原理

对不同的微带天线的机构和工作原理对我们进行微带天线单元的设计起到很重要的指导作用。

天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。LC是发信机的振荡回路，在电场集中在电容器的两个极板之中，而磁场则分布在电感线圈的有限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的范围，这就创造了有利于辐射的条件；于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射。磁波的能量从发信天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在交变电磁场中放置一导线，由于磁力线切割导线，就在导线两端激励一定的交变电压——电动势，其频率与发信频率相同。若将该导线通过馈线与收信机相连，在收信机中就可以获得已调波信号的电流。因此，这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用，所以称此导线为收信天线。无论是发信天线还是收信天线，它们都属于能量变换器，“可逆性”是一般能量变换器的特性。同样一副天线，它既可作为发信天线使用，也可作为收信天线使用，通信设备一般都是收、发共同用一根天线。因此，同一根天线既关系到发信系统的有效能量输出，又直接影响着收信系统的电性能。天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线，收信天线可以用作发信天线，并且表现在天线用作发信天线时的参数，与用作收信天线时的参数保持不变，这就是天线的互易原理.  为便于讨论，常将天线作为发信天线来分析，所得结论同样适用于该天线用作收信天线的情况

2.3 微带天线的结构

微带天线根据结构的不同而大体上可以分为三类：微带贴片天线、微带振子天线、微带线型天线和微带缝隙天线。它们具有不同的特点和使用范围，其中贴片天线由于其分析和设计方便且具有很多优良的电特性而在实际中应用最广。

（1）、微带贴片天线

微带贴片天线的最基本的结构模型便是薄的介质基片加其两侧的微带贴片和地板。它通过贴片和地板上的电流或等效为贴片四周与地板之间的缝隙上分布的等效磁流来辐射能量。微带贴片天线具有很多优点：分析和设计简单，可以实现各种极化形式，可以多频段工作，制作方便，等等。故一般的微带天线多是这种形式，我们将在第三节对它进行详细的介绍。

（2）、微带振子天线

对于微带贴片天线，当贴片的宽度变窄时，其输入阻抗随之增加。因此当贴片的宽度接近微带馈线的宽度时，贴片天线则难于匹配使得天线的辐射特性变得很差。而微带振子天线则利用耦合馈线很好地解决了这一问题。

图2-2给出了一种利用微带线来进行耦合馈电的微带振子天线，微带振子的长度约为半个波长，宽度与微带馈线的宽度相同。微带振子与其下方的微带馈线有一部分相互交叠从而耦合能量，调整此交叠部分的面积从而改变馈线与微带振子的耦合量便可以调整天线谐振时的输入阻抗。对于此微带振子天线，我们也可以将馈线变化为槽线。此外，还可以将微带振子弯折以构成微带折合振子从而减小天线的尺寸。

当微带振子很窄且基片厚度远小于介质波长或微带振子的长度等于谐振长度时，我们可以假设微带振子上的电流满足余弦分布，从而得到其辐射特性。对于更一般的情况，则可以采用矩量法得出关于微带振子和地板上更准确的电流分布从而计算天线的辐射场。

图2-2 微带阵子天线模型

（3）微带缝隙天线

微带缝隙天线是利用在微带结构的地板上刻蚀的缝隙来辐射能量。对于窄缝（缝宽比缝长小很多）结构，可以看作与微带振子天线互补。与微带贴片天线相比，其优点是交叉极化电平低。但由于缝隙本身电抗的影响，其驻波带宽一般比较窄，且是双向辐射的，不过这可以通过在介质基片的另一侧增加地板来消除背向辐射。微带缝隙天线的分析可以由等效磁流利用矢位法来计算辐射场，进而得到其它的天线电参数。

2.4 微带天线的分析方法

微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。本章将主要阐述两种分析方法，一种为解析分析方法，另一种为数值分析方法。

2.4.1 解析方法

天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应用。

（1）、传输线模型

传输线模型很简单，并且有助于理解微带天线的基本特性，因此首先介绍这种模型方法。在这种模型中，微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。

（2）、腔体模型

如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在一维下近似的话，那么腔体模型就可以称为二维近似。因为腔体模型基于一维电小的基本假设（即介质基片的厚度远小于波长），将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是电壁而四周是磁壁的谐振空腔。在腔体中，场沿基片厚度方向保持不变，并且它是该等效的二维谐振器中所有谐振模式之和。天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔四周的等效磁流来得到。

（3）、多端网络模型

多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展，在这种模型中，贴片被等效为一个具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。通过二维格林函数可以计算出该网络的多端阻抗矩阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和辐射场联系起来，然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵，由贴片四周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效磁流计算出辐射场。利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片天线中获得应用。

2.4.2 数值方法

虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义，但是它们不能用来分析任意形状的微带天线，同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方法提出了考验。然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路，即依据微带天线的电磁场边值问题，将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代数方程。由此也产生了多种数值方法，它们各具有一些优缺点和适用性，这里我们仅介绍几种典型的分析方法。矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板上的表面电流的积分方程，然后利用函数展开法将此积分方程转化为矩阵方程，利用计算机便可得出近似解。矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高的精度。

（1）、有限元法

有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元（如在二维结构中选取三角形单元，在三维结构中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电磁场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的插值，根据变分原理或迦略金方法便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程，利用计算机便可方便求解该代数方程。有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点，但是其求解精度要受求解区域剖分精细程度的影响。

（2）、时域有限差分法

时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件，便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间的频域解。时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带范围内特性。但是其数值解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。

第三章 双频微带天线设计分析

本章是要设计出一个小型化的，双频带的微带天线，所以要分别对如何实现小型化进行分析和研究得到实现小型化的方案。然后对双频带技术进行分析，使此微带天线实现双频带的功能。

3.1 微带天线的小型化技术

现代电磁学历经三百多年的发展，日臻成熟完善。天线作为实现无线电应用的关键设备，顺应通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展。今昔对比，天线在功能、设计及制造工艺上都发生巨大变化。然而微电子技术与大规模集成电路迅猛发展，使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题日渐突出，因而对能与设备大小协调且具有有效电性能的小天线的需求愈加迫切。

以移动通信和个人通信为例，目前广泛应用于移动通信设备的单极天线和螺旋天线有许多缺点:

(1) 不能集成到设备外壳上，尺寸大，易损坏；

(2)辐射效率低，难于屏蔽，人体对天线的性能影响较大；

(3) 天线对人体尤其是脑部有较大幅射，局部峰值甚至超出ANSI/ IEEE C95. 121992 标准规定的限制；

(4) 仅有一种极化特性，电气性能较差；

(5) 需要匹配电路，损耗大，成本高。

而若采用微带天线，则拥有以下颇具特色的优点:

(1) 便于与机身共形，集成到设备的印制电路板或外壳上，制成内置式，不易损坏，不额外增加设备尺寸；

(2) 可采用高水平的屏蔽技术来屏蔽天线，使天线几乎不受人体的影响，同时大大削减天线辐射对人体的危害；

(3) 馈电方方式多样化，易获得阻抗匹配，不需匹配电路或平衡转换器，不存在天线与射频电路之间的物理限制；

(4) 易设计出移动电话使用的双频或多频天线。此外，小型化微带天线还可用于PCMCIA 通信卡和无线调制解调器中，为笔记本电脑等便携设备提供通信能力。然而遗憾的是，在较低频段，传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。这样，实用化小型微带天线的研制，特别是用作第三代移动通信系统、蓝牙系统及无线定位系统的天线，成为国内外研究热点。

与普通微波天线相比，微带天线实现了一维小型化，具有低轮廓、可共形、易集成，以及便于获得圆极化，实现双频段、双极化工作等多项优点。然而任何事件都具有两面性。小天线的Q 值极高，因此辐射效率低、频带窄。微带天线是一维小天线，必须经恰当设计才能获得良好性能。目前，微带天线小型化方法主要有以下几种：

1、天线加载

在微带天线上加载短路探针(shorting post) ，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。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置，天线尺寸可缩减50 %以上。其缺点有两个一个是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，这给制造公差提出了苛刻要求。另一个缺点是是带宽窄。

图3-1加载短路探针的微带天线

将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip re2sistor) ，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。随加载电阻增大，天线品质因素降低，带宽展宽，制造公差降低，但这些性能的提高以牺牲增益为代价。一般地，若加载1Ω 切片电阻，增益下降约1. 5dB。此外，加载切片电容(chip capacitor) 也可有效降低谐振频率，减小天线尺寸，但带宽有所减小。

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) 。

图3-2采用高εr 的多层介质微带天线

采用铁氧体材料制成的微带天线实现小型化的同时，且在较宽频带范围内频率可调(可达40 %) ，但铁氧体在微波频段损耗很大。有机高分子磁性材料在宽温度范围内电感和磁性能稳定，由其设计成的微带天线可显著减小尺寸，但损耗大，增益低。高温超导材料HTS ( high temperature superconductor)基片以及“光电子带阵”PGB (photonic band2gap) 基片有极低的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，兼奏提高天线增益，减弱阵元间互耦之效。

3、表面开槽（slot）

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天线。

图33-3表面开槽的小型化微带天线

图3-4 小型口径耦合圆极化微带

本次论文设计就是采取的表面开槽技术，这类天线结构简单，成本低廉，加工比较方便，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，其中带宽与增益尤为明显，而方向性影响不大。基于此类天线的实现比较简单，所以为微带天线采取表面开槽技术。为了使天线尺寸变得跟小,本次设计还对微带天线加载了短路探针,这样能够在天线工作频率不变的情况下大大减小微带天线的尺寸。

3.2 微带天线双频技术

要做出一个性能良好的双频带的微带天线，就要考虑频率的带宽，那么首先要进行基片的选型，为了更好地实现宽带特性，本次设计选用的是介质基片。因为微带贴片天线是一种谐振式天线，它的谐振特性可等效为一个高Q并联谐振电路。  对于薄微带天线，其驻波比带宽不大于

 的相对带宽的计算公式为

                  

因此展宽频带的方法可以通过降低Q值的各种因素去寻找，选择合适的基片就是一种措施。从物理意义上讲， 增大基片厚度使频带加宽的原因是由于厚度增加， 辐射电导也随之增大， 从而辐射所对应的Q值下降。该方法容易实现。

使天线宽带展开后，我们就使用多模谐振技术，这是设计宽带微带天线的一项非常成功的技术。此项技术的基本设计思想是借鉴了耦合谐振器的基本原理。耦合谐振器一般由2个或多个谐振器组成，对他们进行参差调谐以覆盖感兴趣的频率范围，此项技术已经应用于各种形状的微带天线。在采用多模技术的天线设计中，有的使用了2个或者多个谐振单元，他们的谐振频率略有不同，彼此间近距离耦合，通过控制耦合来提高带宽。

通过寄生耦合实现宽频带的方法很多，常见的有层叠天线单元提高带宽，采用共面寄生单元展宽带宽等。典型的层叠贴片微带天线有双贴片结构，在这种结构中，有许多变量，例如基片厚度和介电常数，贴片中心的偏移，贴片尺寸和溃源位置等。这种结构不仅可以实现宽频带，还可以实现多频带。不同的应用选择不同的变量。

本次设计通过在贴片上开一个十字槽和加载两个短路探针来实现小型化和通过多模谐振技术使微带天线实现双频工作。

第四章  设计仿真

本章主要是在HFSS软件的基础上，对一个双频微带天线进行设计和仿真，对得到的结果进行分析。

4.1 HFSS基本简介

HFSS – High Frequency Structure Simulator, Ansoft​ 公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：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；③ S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。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

HFSS是当今天线设计最流行的设计软件。他在许多领域都有所应用，例如射频、电真空、天线、光电等领域均得到了应用。

（1）、射频设计

HFSS能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配/合成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。

（2）、电真空器件设计

在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS本征模式求解器结合周期性边界条件，能够准确地仿真器件的色散特性，得到归一化相速与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括H场和E场，为这类器件的设计提供了强有力的设计手段。

（3）、天线设计仿真

HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确仿真计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。

（4）、高频互联结构设计

随着频率的不断提高和信息传输速度的不断提高，互连结构的寄生效应对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC、或高速数字系统需要精确的互联结构特性分析参数抽取、HFSS能够自动和精确地提取高速互联结构、片上无源不见及版图寄生效应。

（5）、光电设计仿真

HFSS的应用频率能够达到光波波段、精确仿真光电器件的特性。

本章主要是利用HFSS软件对天线进行构造以及仿真。HFSS对微带天线的仿真具体过程如下:

（1）、设定HFSS软件运行参数,如设定解算类型、是否复制几何图形的边界、是否打开各工具窗口等。

（2）、打开新的工程,并在工程中插入一个或多个HFSS设计。

（3）、根据天线设计时的技术指标以及计算所得到的天线参数,如天线的尺寸、材料、激励、边界等,来获得仿真天线的模型。

（4）、设置仿真天线的分析参数,如插入远场设置、解算频率、起始频率、扫频模式、扫描次数,并进行校验分析。

（5）、根据仿真天线获得天线的S参数图、方向图、阻抗图。

4.2结构设计

本文提出一种新颖的轻便双频微带天线的设计。通过在贴片上开一个十字槽和加载两个短路探针来实现小型化和双频工作。与传统的微带天线相比，两个频段的带宽都得到了较大程度的展宽，并且短路探针和馈电探针相隔较远，易于加工。

首先在HFSS里划出一个正方形的贴片，再在正方形贴片的中间开了十字形槽，这样做可以降低天线的谐振频率和增加天线带宽。所采用的介质板材料的相对介电常数为e=2.33 ，厚度为h =1.575 mm ，方形贴片的长度为a = 39.05 mm ，缝隙的宽度为w = 2.13 mm，缝隙与贴片边缘相距g =1.42 mm ，贴片沿对角线方向采用同轴探针馈电，探针半径为r= 0.5mm 。加载了两个短路探针，探针半径也都为r= 0.5mm，馈电探针和第一个短路探针相距14mm ，两个短路探针之间相距12 mm，相隔较远，便于加工。分别在贴边的两侧放上两个激励信号，激励信号分别为6GHZ和7GHZ两个频段，这样就成为了一个双频带的微带信号。

4.3仿真结果

通过以上条件，在软件HFSS中建立双贴片模型，如图4-1所示：

                        图 4-1 双频微带天线模型图

对其进行仿真得出以下结果：

天线的反射损耗曲线如图4-2所示，也即为S11的曲线图，由图可知在低频段6.7GHz附近，有较小的反射损耗，其工作范围是6.6GHz～6.8GHz，在低频段的绝对带宽为800MHz，其中心频率为6.5GHz，其相对带宽为13.5%。在高频段有反射损耗小于-10dB，其工作频率范围为7.3GHz～7.6GHz，其绝对带宽为300MHz,中心频率为7.491GHz，相对带宽为7.2%。

图4-2  天线的反射损耗

天线的场强方向图如图4-3所示，方向图是指与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。由图可知在低频段即在6.4GHz附近时在θ=-20°是其最大辐射方向，且并没有副瓣产生说明参加辐射的辐射元多。能看到，仿真出来结果增益能达到7.6以上，符合要求

图4-3 磁场方向图

本设计中只提出了一种简单的双频带的设计方法，结果也不是很完美。但双频带微带天线在现代社会中应用越来越广泛，在条件允许下我相信能设计出更好的，更适合要求的天线。

第五章  结论

 微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。但通常的微带天线主要是一种谐振式天线，相对带宽较窄。同时，随着通讯技术的发展，宽带的应用越来越受到重视，新的标准相继提出，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又一研究热点。如何设计出同时具有小型化、多频带以及宽频带的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。

（1）、本文提出了一种实现双频微带天线的简单方法. 该设计一款微带天线. 应用HFSS软件对所提出的天线进行了电磁仿真。天线结构简单，易于制作，特别适用于对天线尺度要求比较苛刻便携式通讯设备等.。

（2）、利用Ansoft公司的HFSS仿真软件制作并分析了一种微带天线的双频带方式，通过分析与修改，基本达到了两个频带的要求，虽然不够完美，但是也体现了一种实现双频带的方法。

现在无线通信的日益发展，令微带天线有着非常广阔的发展和应用的空间。研制出一个实用的小型化、双频带的天线是一项非常有意义的课题。本论文所做的工作只是做了一个简单的设计，通过这次设计对微带天线进行了系统的了解，对以后的工作进行铺垫，相信未来的工作会更加艰巨也将更有实际意义。