论文总字数：18306字

目 录

1绪论 5

1.1研究的背景及意义 5

1.2国内外研究现状 5

1.3本课题研究内容 7

2基本理论 8

2.1 贴片天线 8

2.2 贴片天线的馈电方式 8

2.3 贴片天线的辐射机理 8

2.4 贴片天线的基本性能参数 9

2.4.1 方向图/方向性系数 9

2.4.2 天线效率 9

2.4.3 增益 10

2.4.4 输入阻抗及其相关特性 10

2.4.5 频带宽度 10

2.5 传统微带贴片天线模型 11

2.6 本章小结 12

3蝶形天线设计 13

3.1 Ansoft HFSS仿真软件的介绍 13

3.2传统蝶形天线 13

3.2.1 天线的基本结构 13

3.2.2 仿真结果及讨论 14

3.3天线参数的影响 16

3.3.1天线边长的影响 16

3.3.2顶角大小的影响 18

3.4 本章小结 20

4透明天线设计 21

4.1 传统透明天线 21

4.2网状结构透明化 21

4.3传统贴片天线网状透明化 24

4.3.1天线的基本结构 24

4.3.2仿真结果及讨论 25

4.4蝶形天线透明化 26

4.4.1天线的基本结构 26

4.4.2仿真结果及讨论 26

4.5 本章小结 28

5工作总结 29

参考文献 30

致谢 32

透明天线设计

李纵

,China

Abstract:With the rapid development of wireless communication technology, the demand for antenna performance is getting higher and higher, while the design of antenna is also becoming increasing difficult. Transparent antenna can better application in many occasions because of its miniaturization, light penetration and resistance to deformation characteristics. It's been studied extensively. This essay mainly studies the method of replacing the transparent film with a grid metal structural patch to improve the efficiency of antenna and achieve the transparency and miniaturization of it.

This paper firstly summarizes the research status of the patch antenna, as well as its radiation mechanism, basic structure, feed form and so on. Then, the design process of the bow-tie transparent antenna is described in detail. Firstly, the design scheme of the traditional bow-tie antenna is improved. Secondly, the transparent structure of the bow-tie structure is improved, and the simulation is optimized in HFSS. Analyze the S11 diagram, the directional pattern and the gain graph, and analyze the advantages and disadvantages of each scheme.

Key words:Grid metal structural Transparent antenna Bow-tie antenna Miniaturization

1绪论

1.1研究的背景及意义

1997年，美国国家航空和航天管理局的两位科学家提出了光学透明天线技术的概念，他们分别是Simmons和Lee。他们的目的是利用这项技术使得天线在某些领域获得更加的便捷和有效的应用，并通过实验初步验证了利用光透明薄膜材料制作天线的可行性。

在过去的十年中，光学透明天线一直是研究应用的课题，减少天线的视觉或空间影响是透明天线的一大优势，光透明材料能有效减少视觉影响，而网格状天线就能很好的解决空间影响，小型化以及良好的抗风性使其能应用于更多场合。

迄今为止，用于透明天线的最常见材料是铟锡氧化物(ITO)。然而，由于世界范围内的资源短缺和价格上涨，铟锡氧化物的可用性是非常令人担忧的，因此需要对替代材料及设计方法进行探索。

本文研究了蝶形天线的透明化，详细分析了这种结构的各种参数对于天线的阻抗带宽等性能产生的影响，其中，在透明化的同时如何保持天线辐射特性是本文的重点研究工作。

1.2国内外研究现状

1989年，Lodge提出了蝶形天线的雏形^[1]，由三角形电容表面组成，如图1-1 所示。

图1-1蝶形天线的雏形

后来，Brown和Woodward又研究了蝶形天线，并一起讨论了蝶形天线的优点，例如稳定的极化、没有高频截止的带宽等等。与此同时，蝶形天线自身具有许多优点，比如平面结构易于加工和制造、面积小节约材料等，这些优点极大程度上促进了工程应用。

蝶形天线初期较多的应用主要是脉冲天线、超宽带通信天线以及探测雷达天线等。

1994年，文献^[2]中报导的天线就是基于蝶形天线的超宽带特性，用作于脉冲天线。文中的扇面角取158deg，通过50Ω同轴线进行馈电，最终得到大约50Ω的输入阻抗。

1998年，采用微带通过阻抗变换器对蝶形天线进行馈电，其中的阻抗变换器为四分之一波长阻抗变换器^[3]。但是这种馈电方式没有发挥出蝶形天线无高频截止和宽带结构的特性，阻抗变换器的带宽限制了天线的带宽。

2001年，蝶形天线在探地雷达方面使用RC加载来提高天线的带宽^[4]。电磁波吸收材料放置在天线辐射表面的缝隙处，其中缝隙相对于加载电容，电磁波吸收材料相对于加载电阻。天线由50Ω同轴线馈电，得到的天线阻抗波动很小。

2002年，蝶形天线用于探地雷达。对不同张角的蝶形天线和圆弧形蝶形天线进行研究^[5]。对蝶形天线自身的阻抗特性进行了比较深入的研究。

2004年，蝶形天线采用RC加载技术^[6]，相比文献^[4]而言，它的辐射面上没有径向的槽。测试得到的天线增益方向图在较低的频率是很稳定的，但高于3.5GHz的时候，方向图会发生变形。

2004年，蝶形天线选用了高介电常数的介质，由于高介电常数的影响，天线的点长度只有0.205λ^[7]。

2005年，提出了导入圆角改变天线性能的方法。在方形蝶形天线上导入圆角，该结构中，圆角的半径对阻抗有明显影响，通过半径的变化，能使天线具有较好的反射损耗^[8]。

2005年，在蝶形天线外部设置了弓形的环^[9]。通过耦合增加带宽，通过改变弓形环宽度改变电感，改变扇形部分张角改变电容。

2006年，在蝶形天线外部添加了金属片，金属片内部挖出一个半圆形的孔，使其边缘与蝶形天线耦合^[10]，大大提高了单翼蝶形天线的带宽。

2007年，讨论了开口振子缝隙天线，通过共面波导馈电。利用蝶形天线的宽带特性以及振子天线的高增益，使天线性能得到提高^[11]。同时分析了介质厚度对天线的带宽影响不大。

2008年，采用FDTD法对蝶形天线进行数值模拟^[12]，优化了天线尺寸和馈电方式。

2010年，在蝶形天线的基础上添加了吸波材料填充式背腔^[13]，克服了传统蝶形天线在H面全向辐射带来的缺点。

2012年，使用蝶形天线设计了一种平面超宽带天线，通过同轴线进行馈电^[14]。在介质材料两侧附上半圆形金属，上层腐蚀掉两个正方形图案，下层腐蚀掉两个半圆形图案。使天线具有很好的全向辐射方向图和良好的线性相位响应，能满足超宽带的要求。

2014年，针对通信与雷达系统对宽带天线的要求，提出了一种基于带状线馈电的双极化蝶形天线^[15]。天线通过相互正交的蝶形阵子实现双极化，并采用微带线转异面带状线的巴伦给两对正交蝶形阵子平衡馈电。

关于透明天线，因为光透明薄膜具有导电特性的同时，还有很好的光透明特性，所以可以用来设计光透明天线，这种光透明天线可以在实际应用中为很多天线难题提供有效的解决方案，如手机天线、车载天线和卫星天线等应用中。

2000年，法国N.Outaleb的研究团队提出了利用铟锡氧化物（ITO）来制作光透明薄膜天线^[16]。铟锡氧化物薄膜使用镀膜技术在透明玻璃或塑料上镀上一层金属氧化物薄膜，具有很高的透光度，透光率能够达到百分之八十以上，同时还具有高频导电特性。

2000年，加拿大的Mias使用几种不同的透明导电材料制作了微带线偶极子天线^[17]。他使用金、银、铜、铝和铟锡氧化物这物种材料制作天线，并比较他们的性能。比较发现，金属材料效率较高但透光度较低，而铟锡氧化物制作的天线拥有较高的透光度但是效率较低。两种材料的结合还有待研究。

2007年，日本Koichi Ito教授研究了阻抗天线的性能有什么样的影响^[18]。课题组采用单极子天线结构，将蝶形的单极子辐射片竖直安置在接地面上，其中辐射片是将ITO材料涂在透明玻璃上形成的。研究中使用了铜制相同尺寸的天线进行对比，最终得出的结论是：光透明薄膜天线的透光率和增益是相互矛盾的。

2015年，E.R. Escobar，N.J. Kirsch，G.Kontopidis和B.Turner四位专家在以前的光学透明材料天线的基础上提出了工作在5-6GHz频带的网格状透明天线^[19]。研究表明天线阻抗可以通过调节网格线宽度来改变，同时网格的宽度也影响了天线的透光率。另外透明网状天线没有尖锐的共振。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18306字

相关图片展示：