小型双频微带平面天线的设计和实现

论文总字数：15907字

目 录

1绪论 3

1.1 课题的背景和意义 3

1.2 国内外的研究现状 3

1.2.1天线的小型化 3

1.2.2共形天线 3

1.2.3天线的多极化 4

1.2.4多频带天线 4

1.2.4天线的圆极化 4

1.3 本文的主要研究内容 4

1.3.1微带天线的小型化和多频化技术 4

1.3.2小型双频平面天线的设计和分析 4

2天线的分析和设计方法 5

2.1 天线的主要参数 5

2.2 项目天线的设计目标 6

2.3微带天线的设计与仿真 6

2.3.1微带天线的设计 6

2.3.2微带天线的仿真 7

2.4 天线的馈电方式 8

2.4.1同轴馈电 8

2.4.2缝隙耦合馈电 8

2.4.3单独激励 8

2.5 微带天线的圆极化实现 8

2.6 天线的结构设计 9

2.7双频天线的性能分析 11

2.7.1天线的回波损耗 11

2.7.2天线的驻波 12

2.7.3天线的辐射特性 12

3微带天线的制作与测试 14

3.1天线的制作 14

3.2 天线测试与仿真结果对比 15

4总结与展望 17

4.1 本文的主要成果与创新 17

4.2未来工作展望 18

参考文献 18

致谢 19

基于北斗一代的小型双频微带天线的制作与测试

刘鹏

ABSTRACT：This paper analyzes and studies the microstrip antenna dual-band performance and designed a small dual-frequency microstrip antenna based Compass generation.This paper design dual frequency microstrip patch antenna one-layer structure, the antenna can operate in L-band uplink generation Beidou (1.610 ~ 1.626GHz) and downlink S-band (2.483 ~ 2.500GHz), start-stop frequency to 1.5GHz 3GHz, 1.62GHz frequency points and 2.49GHz.The antenna uses 50Ω coaxial probe feed structure, using a single probe-fed antenna, and the use of a square microstrip patch as the radiating element. Compared with the general structure of the double-patch antenna, the antenna feed point to adjust the position of the use of dual-band.Because of the use of a single patch.The antenna is smaller in size and more conducive to the use and production.Since the circularly polarized satellite antenna is not very understanding, in the simulation process also encountered difficulties. Therefore, this article uses linear polarization instead of circular polarization. Use HFSS software simulation and found a frequency of 1.62GHz and 2.49GHz when reaching the minimum return loss, then the input impedance is 50Ω, the design requirements are meeted.Finally,we produce the real model according to the simulation model.The test of real model compared with the simulation results.It is proved that the design of the paper is feasible.

KEYWORD:microstrip antenna double frequency Miniaturizatio HFSS

1绪论

1.1 课题的背景和意义

当前世界上主要的几种卫星导航系统都需要接收端天线是圆极化形式^[1]。圆极化天线能够接收所有其他极化的来波，其他所有极化天线也能够接收到它的辐射波。在导航设备中采用，不但能保证在激烈摆动或滚动的飞行器上收到信息，还可以减小信号漏失。

由于移动通信业务的成熟和进步，通信设备有向便携化发展的趋势，需要天线的体积更小，工作频段更大，集成化水平更高，而且要求其能具有同时在不同频段工作的能力^[2]。在理论研究之外，随着通信产业的高速发展，未来的天线的研究方向应该着重于提升它的多频工作能力和频带宽度的提高。

在过去的研究中已经出现了很多设计方法，但是都不是很理想，有很多缺陷。例如使用厚介质基片材料来增加天线频宽的同时，会使天线体积增大，将天线体积减小后，又会产生减小带宽或使天线增益降低的缺点。

因此，本文将对在保持天线小型化的同时，对其在双频段工作的性能进行分析和研究，同时设计一款满足指标要求的小型双频微带天线。

1.2 国内外的研究现状

微带天线的概念首次出现在20世纪50年代，经过一段时间的缓慢发展，最终在70年代期间获得了重大进展，人们发现，微带天线具有重量轻、体积小、成本低、便于制作等优点^[3]。就实际应用需求而言，圆极化、多频段、宽波瓣是目前最主要的几个研究方向。

1.2.1天线的小型化

小型化：由于当前社会的生活节奏越来越快，人们不会像以前一样使用固定式的体积大的通讯设备，更需要能够携带在身边的小型设备，作为大部分通讯系统的终端，因此，以后的天线设计和制作需要越来越小型化。在一些特殊的条件下，比如航天航空通信方面，尤其是在飞机之类的需要压缩设备物理空间的情况下，小型化天线的需求显得更加重要。

1.2.2共形天线

共形：在保持天线小型化的同时确保其性能不被过分降低，同时也要保证天线附着的载体的形状和大小不被影响，是天线在实际应用中的一个很难被解决的问题。而共形天线的研究方向就是将微带天线附着贴合在固定物体的表面，比如在航空航天应用中，将微带天线附着在飞机的表面上，从而不改变飞机的形状，进而避免对飞机的气动布局的影响。

1.2.3天线的多极化

由于更多高新技术的出现和社会节奏的加快，人们更加青睐于采用多极化天线。就当前的使用背景而言，双极化天线是最被大量采用的一种多极化天线类型。双极化天线一般被分为垂直与水平极化和度极化两种方式，后者的性能较之前者更加优越，而且能够工作在收发双工模式下，就实际应用方面来说，这样的极化方式可以大大减小集体社区内的天线数量，这也是其被大量采用的具体原因。而且由于其采用的是正交极化的方式，分集接收的效果更加优秀，最高可以提升到单极化天线的两倍。

1.2.4多频带天线

多频带：在当今世界，使用通讯终端设备的人们越来越希望所持有的设备能够在多个不同的频段上工作，并且能够实现多种不同的功能。GSM手机、WLAN、GPS等通信系统就是典型的例子。因此需要终端天线可以实现同时在多个不同频段上工作的能力。

1.3 本文的主要研究内容

1.3.1微带天线的小型化和多频化技术

小型化技术主要有增大净空、使用高的介电常数的基板、在天线上开槽、在天线上覆盖介质层、添加短路针（这是最直接有效的方式，但是代价就是会使天线的增益降低）、曲流技术等。

多频化技术有使用一个贴片，使用多种不同的模来实现多频功能；采用单一贴片，通过加载或者开槽的方式改变贴片的场分布，来干扰谐振频率从而实现双频工作；采用单层基板，多个贴片的结构（各个贴片的谐振频率不同从而形成双谐振或者多频谐振的特性）；采用多个各自馈电的圆形贴片结构得到具有多频工作特性的天线结构等方法^[4]。

探讨以上所述的各种技术的优缺点，在设计天线结构时寻找一个使天线性能得到最大发挥且方便设计和制作的方法。

1.3.2小型双频平面天线的设计和分析

对天线进行分析，根据公式计算天线各个参数数据，来探讨所要设计的天线特性，进一步改良各方面参数。通过理论计算和仿真结果探讨介质基片、同轴馈、贴片开槽等方面对天线性能的影响。根据分析结果，设计制作一款基于北斗一代的新型小型双频天线。

最终，根据以上要求，本文的主要工作就是：利用Ansoft HFSS软件建立一个微带贴片天线结构模型，使其能够分别工作在北斗一代的2.49GHz和1.62GHz这两个频段上，然后使用Ansoft HFSS对最终的结构模型进行仿真和分析，并且通过将仿真结果与设计要求对比来对模型结构进行进一步优化。

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