射頻微帶陣列天線設計畢業(yè)論文

1、<p>　　射頻微帶陣列天線設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　微帶天線是一種具有體積小、重量輕、剖面低、易于載體共形、易于與微波集成電路一起集成等諸多優(yōu)點的天線形式，目前已在無線通信、遙感、雷達等諸多領域得到了廣泛應用。同時研究也發(fā)現(xiàn)由于微帶天線其自身結構特點，存在一些缺點，例如頻帶窄、增益低、方向性差等。通常將若干單個微帶

2、天線單元按照一定規(guī)律排列起來組成微帶陣列天線，來增強天線的方向性，提高天線的增益。</p><p>　　本文在學習微帶天線和天線陣的原理和基本理論，加以分析，利用Ansoft 公司的高頻電磁場仿真軟件HFSS，設計了中心頻率在10GHz的4元均勻直線微帶陣列，優(yōu)化和調(diào)整了相關參數(shù)，然后分別對單個陣元和天線陣進行仿真，對仿真結果進行分析，對比兩者在相關參數(shù)的差異。最后得到的研究結果表明，微帶天線陣列相較于單個微帶天

3、線，由于陣元間存在互耦效應以及存在饋電網(wǎng)絡的影響，微帶陣列天線的回波損耗要大于單個陣元。但是天線陣列增益明顯大于單個微帶天線，且陣列天線比單個陣元具有更好的方向性。</p><p>　　關鍵詞：微帶天線 微帶陣列天線 方向性 增益 HFSS仿真</p><p>　　Design of  Radio-Frequency  Microstrip Array Anten

4、na </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy in

5、tegration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array have been wildly applied in the filed of wireless </p><p>　　communications, remote sensing and radar,and many other

6、filed. While some study also found that because of the microstrip antenna’s structural characteristics, there are some disadvantages, such as narrow-band, low gain,poor directivity.Typically we use microstrip antenna el

7、ements arranged in accordance with certain laws together to form a microstrip array antenna to enhance the directivity and improve the gain of the antenna.</p><p>　　In this paper, after learning the basic t

8、heory and principles about microstrip antenna and antenna array, I designed two kind of antenna models with 10GHz of center frequency,one is the single antenna,the other one is an antenna array with 4 single antenna .The

9、n using Ansoft's high frequency electromagnetic simulation software HFSS, optimize and adjust the relevant parameters .After that, we used the HFSS to simulate the single array element and an antenna array separately

10、.Then analyzed the simu</p><p>　　Key words: Microstrip Array Microstrip Array Antenna Directivity Gain HFSS Simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I<

11、/b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 微帶天線1</p><p>　　1.2 微帶天線陣1</p><p>　　1.3 設計目標和內(nèi)容安排2</p><p>　　第二章 微帶天線和微帶陣列天線的基本原理4</p>

12、<p>　　2.1 微帶天線的基本原理4</p><p>　　2.1.1 微帶天線的輻射機理4</p><p>　　2.1.2 微帶天線的饋電4</p><p>　　2.1.3 微帶天線的分析方法6</p><p>　　2.2 微帶陣列天線原理分析7</p><p>　　2.3 天線的性能參數(shù)分析

13、9</p><p>　　第三章　微帶陣元天線設計11</p><p>　　3.1 陣元設計11</p><p>　　3.1.1 介質(zhì)基片的選取11</p><p>　　3.1.2 計算微帶貼片的尺寸11</p><p>　　3.1.3 饋電與阻抗匹配12</p><p>　　3.2 H

14、FSS軟件簡介及設計步驟13</p><p>　　3.3 微帶陣列天線陣元的仿真過程14</p><p>　　3.3.1 設計陣元模型并仿真分析14</p><p>　　4.3 天線陣元的總結分析18</p><p>　　第四章 微帶陣列天線的設計20</p><p>　　4.1 陣元間距的選取20<

15、/p><p>　　4.2 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡設計21</p><p>　　4.3 微帶陣列天線的仿真結果及其分析22</p><p>　　4.4 微帶陣列天線的總結分析25</p><p>　　第五章 設計結論和工作總結26</p><p><b>　　參考文獻27</b></p>

16、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 微帶天線</b></p><p>　　天線是無線通信系統(tǒng)中重要的組成部分之一，而天線的微型化、集成化是無線通信領域中一項關鍵技術，也是現(xiàn)代科技對天線技術的不斷需求和走向，在此條件下人們提出了微帶天線的概念。最早于1953年提出，當時德尚（G.A.Descha

17、mps）教授提出的利用微帶線的輻射來制成微波天線的想法。但是由于缺乏更進一步的理論研究和當時制造工藝水平的限制，微帶天線在那時并未引起工程界的重視，沒有取得實質(zhì)性的發(fā)展。微帶天線真正發(fā)展、研究和應用開始于70年代。由于微波集成技術發(fā)展需要，加上制造工藝技術（介質(zhì)基片的光刻等技術）發(fā)展，使得微帶天線的研究不斷深入。最終芒森（R.E.Munson）和豪威爾（J.Q.Howell）等研究人員在1972年研制出了第一批真正意義上用于實際的微帶天

18、線，微帶天線的諸多優(yōu)點也被人們所認知。在近三四十年對微帶天線的探究不斷發(fā)展，許多科學家對微帶天線展開了廣泛的研究，將其研究成果應用在許多方面?，F(xiàn)如今微帶天線已成為科學家們爭相研究的熱門領域，并較之前的研究取得了相當多的成果，理論及應用都有了長足發(fā)展。相較于常用的微波天線，微帶天線主要體現(xiàn)了如下優(yōu)點：</p><p>　　體積小、重量輕、成本低，能夠與集成電路很好地兼容；</p><p>　

19、　微帶天線及其陣列天線剖面低，易于與載體共形；</p><p>　　微帶天線具有平面結構，可以設計成需要的形式和形狀；</p><p>　　便于獲得圓極化，實現(xiàn)雙頻段，雙極化等多功能工作需要；</p><p>　　能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件；易于大量生產(chǎn)等。</p><p>　　正是由于具有上述優(yōu)點，使得微帶天線的應用層面非常廣泛，例

20、如：雷達精確識別與探測、地質(zhì)地礦勘測、無線通信、衛(wèi)星通信、便攜式移動設備通信、軍事電子干擾對抗等諸多軍用和民用領域。同時，由于微帶天線的結構特性，存在頻帶窄、增益低、功率容量小、方向性差等缺點。因此，在克服和改善這些缺點的基礎上，充分發(fā)揮其優(yōu)點，使其能很好地應用在實際中，是微帶天線的主要研究方向。</p><p><b>　　1.2 微帶天線陣</b></p><p>

21、;　　將若干個相同的單個微帶天線按照一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，稱為微帶陣列天線。相較于單個微帶天線，微帶天線陣具有強方向性、高增益、方向圖易控制等優(yōu)點。在設計和研究陣列天線時，需要考慮天線陣陣元的類型、數(shù)目、排列方式、陣元間距、陣元上激勵電流的振幅和相位以及連接陣元的饋電網(wǎng)絡等，這些都決定著陣列天線的輻射特性。選擇合理的設計方案，可以得到滿足設計需要的天線性能。天線陣按照不同的分類條件有多種，可以按照以下幾種類型分類：</p&g

22、t;<p>　　按陣元單元排列形式可分為線陣和面陣。</p><p>　　線陣是最常用的一種排列方式，它是指各陣元單元的中心依次等距排列在一條直線上的直線陣，也叫均勻直線陣。也可以各單元的中心等間距地排列在一條曲線上，比如均勻地排列在圓周上，也是線陣。若干個線陣按照一定間隔排列在某個平面上，就構成了平面陣。陣元排列方式也可以是三維平面，例如各單元中心排列在某個球面上，則構成了球面陣。</p&g

23、t;<p>　　2、按最大輻射方向圖形指向可分為側射陣列天線、端射陣列天線、和非側射非端射陣列天線。</p><p>　　側射（也稱邊射）天線陣是指最大輻射方向為與陣元排列面垂直的方向的天線陣。端射陣列天線是指最大輻射方向指向與陣元排列平面平行方向的天線陣。非端射非側射天線的最大輻射方向則指向與上述兩方向不同的其他方向。</p><p>　　按照天線陣的在使用功能上的區(qū)別，可

24、以將天線陣劃分為同相水平天線、頻率掃描天線、相控陣天線、多波束天線、信號處理天線、自適應天線等。</p><p>　　由于天線陣的輻射電磁場是組成該陣列天線各個陣元單元輻射電磁場的矢量和，且各陣元單元的位置、饋電電流振幅和相位等可以獨立調(diào)整，我們可以調(diào)整陣元的距離和相位，使其方向圖在同一個方向有最大輻射，那么陣元的矢量疊加使得天線陣具有單向輻射的功能。</p><p>　　由于單個微帶天線

25、的增益通常都比較低，而且波束比較寬，方向性差，所以單個使用的效果不好。將若干微帶天線組成微帶陣列天線，可以很好解決這些缺點，從而應用在對性能要求更高的實際中。</p><p>　　在本文的天線設計中，主要運用了HFSS軟件對天線進行建模和對相關參數(shù)進行優(yōu)化，并仿真得到天線的性能參數(shù)和結果。借助該軟件，使我加深了對天線理論知識的理解，也使我學會運用軟件去分析天線的各個性能指標，從而對天線和天線陣的設計有了更深層次的

26、理解。</p><p>　　1.3 設計目標和內(nèi)容安排</p><p>　　本文在學習天線的相關理論基礎上，研究和設計了一個工作的中心頻率在10GHz的1×4均勻直線微帶陣列天線。在設計過程中，需要根據(jù)相關理論計算、優(yōu)化、確定單個陣元的相關參數(shù)設計出單個陣元，然后再選取合適的饋電網(wǎng)絡將單個陣元組成天線陣，最后分別對單個陣元和整個天線陣用HFSS進行仿真，運行得出結果，通過對比兩者

27、結果和性能參數(shù)，分析兩者的性能差異，從而得出結論。</p><p>　　在本文內(nèi)容安排上，第一章作為緒論首先簡單概述了微帶天線的發(fā)展歷程、性能優(yōu)缺點以及微帶天線在實際中的應用領域；然后簡單介紹了微帶陣列天線的定義、分類和特點；最后提到了此次設計用到的HFSS仿真軟件和所做的主要工作。</p><p>　　第二章主要介紹了微帶天線和微帶陣列天線的基本原理、分析方法和設計中需要得出的相關特性參

28、數(shù)。</p><p>　　第三章主要介紹了此次微帶陣列天線陣元的設計，包括選取材料，確定饋電方式，計算參數(shù)這幾個前期準備步驟；然后介紹了此次仿真設計采用的軟件HFSS并對所設計的陣元的相關參數(shù)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的陣元進行仿真，得出結果并進行分析。</p><p>　　第四章是對陣列天線的設計和仿真，包括陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡的設計、對仿真結果進行分析。</p><p

29、>　　第五章是對此次設計的總結，包括設計結論以及對所做工作內(nèi)容的簡述。</p><p>　　第二章 微帶天線和微帶陣列天線的基本原理</p><p>　　2.1 微帶天線的基本原理</p><p>　　圖2.1 微帶天線的示意圖</p><p>　　微帶天線的示意圖如上圖所示，是在一塊在厚度遠小于工作波長的介質(zhì)基片的一面敷上金屬輻射

30、貼片、另一面敷上金屬層作接地板而成，通過微帶線饋電或者同軸線饋電的方式，在輻射貼片與介質(zhì)基片的金屬接地層之間激勵起電磁場并向外輻射。由于微帶天線的輻射是場是由貼片和基片的接地板之間的縫隙產(chǎn)生的，因此從理論上說微帶天線也常常被視作一種縫隙天線。微帶貼片可以是矩形，圓形或者圓環(huán)形等規(guī)則面積單元，成為微帶貼片天線。</p><p>　　2.1.1 微帶天線的輻射機理</p><p>　　微帶天線

31、的輻射機理可以用微帶天線的最普遍一種形式：以微帶貼片天線為例來進行解釋說明。如圖2.1所示，微帶天線的輻射電場是由微帶貼片邊緣和介質(zhì)基片的接地層之間的邊緣場產(chǎn)生的。設輻射貼片的寬為w，長為半波長λ/2，介質(zhì)基片的厚度為h，這樣，輻射貼片和介質(zhì)基片和接地板可以被看作一段長為半波長的低阻抗微帶傳輸線。前面已知介質(zhì)基片厚度h遠小于工作波長λ，故可假定輻射電場沿微帶結構的寬度和介質(zhì)基片厚度的方向沒有變化，而是僅沿著長度為λ/2的貼片長度方向變化

32、。由于微帶天線的輻射基本上是由貼片邊沿的邊緣場引起的，那么就可以將輻射電場分解為垂直于接地板平面和平行于接地板平面的兩個分量。由于已知微帶貼片的長為λ/2，即半波長，故兩個垂直于接地板平面的分量反相，而他們在遠區(qū)場在正面方向上相互抵消；兩平行于接地板平面的分量則同相，故他們的合場強疊加增強。因此垂直于接地板平面方向的輻射場是最強的。所以微帶天線可以看作相距λ/2、長度為w、縫隙寬度為介質(zhì)基片厚度h的縫隙天線。</p>&l

33、t;p>　　2.1.2 微帶天線的饋電</p><p>　　微帶天線有多種饋電方式，如微帶線饋電、耦合饋電、同軸線饋電和縫隙饋電，其中微帶線饋電和同軸線饋電是最常用的兩種饋電方式。</p><p><b>　　微帶線饋電</b></p><p>　　微帶線饋電又稱側饋。所采用的是利用微帶線與輻射貼片相連作為傳輸線進行饋電的。由于微帶饋線與

34、微帶貼片是處在同一平面，制造時只需要將饋線和貼片一起光刻，操作簡單容易大量生產(chǎn)。微帶線饋電的缺點是饋線自身也有輻射會干擾天線方向圖，產(chǎn)生旁瓣電平，而且在一定程度上降低天線增益，使得天線性能降低。因在設計時要求微帶線線寬盡量窄且遠小于工作波長。</p><p>　　微帶線饋電需要考慮天線輸入阻抗與特性阻抗的匹配。常見方法有三種：1）可以通過選擇適當?shù)酿侂婞c的位置來實現(xiàn)；2）通過改變微帶貼片的寬度實現(xiàn)；3）通過設計阻

35、抗匹配器來實現(xiàn)。為達到最佳匹配效果通常會采用兩種或者三種方式來進行阻抗匹配。研究發(fā)現(xiàn)饋線與貼片在貼片寬上的連接位置（即饋電點位置）變化，則貼片的輸入阻抗隨之變化。由于饋線與微帶貼片之間的耦合效應，使得天線諧振頻率與工作的中心頻率之間有一個小的移位，可以通過稍加改變貼片尺寸，借助計算機軟件找到最合適的尺寸使得天線諧振頻率回到中心頻率上。根據(jù)饋電點的位置，可分為中心饋電（饋電點在貼片邊沿的中點）和偏心饋電（饋電點不在貼片邊沿中心）兩種。&l

36、t;/p><p><b>　　示意圖如下：</b></p><p>　　圖2.1.2.1 微帶線饋電 </p><p><b>　　同軸線饋電</b></p><p>　　同軸線饋電的示意圖如下：</p><p>　　圖2.1.2.2 同軸線饋電</p><

37、;p>　　同軸線饋電方式又稱為背饋，它是將同軸插座安裝在介質(zhì)基片的接地板上，同軸線內(nèi)的導體穿過介質(zhì)基片的中間層連接到輻射貼片上。同軸線饋電也需要考慮阻抗匹配。由于天線的輸入阻抗與饋電點位置有關，所以選擇合適的饋電點位置達到阻抗匹配的最佳效果。相較于微帶線饋電，同軸線饋電由于饋電點位置可以在貼片上任何位置，且由于沒有微帶線從而避免了對天線輻射的影響。但是在獲得阻抗匹配時對饋電點位置的確定比較復雜，且制作加工起來比較復雜。</p

38、><p>　　2.1.3 微帶天線的分析方法</p><p>　　為了得到天線的一些特性參數(shù)，比如天線的增益、輸入阻抗、回波損耗和方向圖等，需要對天線周圍空間的電磁場進行理論分析。目前對天線的分析方法有：傳輸線法、腔模理論、多端口網(wǎng)絡模型、數(shù)值分析法等，選擇合適的分析方法可以對天線的一些性能參數(shù)進行預先的估算處理，從而方便天線的設計的效率。下面將對此次設計用到的幾種分析方法進行解釋說明。<

39、;/p><p><b>　　傳輸線法</b></p><p>　　傳輸線法是一種簡單又比較常用的分析方法。前面在說明微帶天線的輻射機理時我們已經(jīng)知道天線的輻射場主要由開路端處的邊緣場產(chǎn)生，且沿垂直天線平面的駐波變化，在此基礎上將微帶貼片天線作為一種輻射場在平行天線平面方向沒有變化的諧振器進行分析。傳輸線法分析時需要基于以下幾兩個假設：1）微帶貼片跟介質(zhì)基片的接地層構成微帶

40、傳輸線，在介質(zhì)基片的中間傳輸TEM波，且波傳輸方向由饋電點的位置。微帶天線的輻射場是向上的駐波分布，在垂直方向是常數(shù)。2）傳輸線的兩個開口端等效為兩個輻射縫，縫口徑場即為傳輸線開口端場強?？p平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折轉 90 度，而開口場強也隨之折轉。</p><p>　　傳輸線模型理論分析方法計算量少，方法簡單，可以直觀地由其物理模型進行理解。但是也有其局限性。比如：傳輸線法只能用于矩

41、形微帶天線和微帶陣子天線，對其他形狀和形式的天線不適用，而且由于傳輸線法是一維上的分析模型，所以在考慮饋電點沿傳輸線寬度變化時的輸出阻抗時不準確（分析時改變饋電點位置輸出阻抗不變，但是在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，饋電輸出阻抗與饋電點在微帶貼片便于的位置有關）。</p><p><b>　　數(shù)值分析法</b></p><p>　　與傳輸線法的基于假設條件不同，數(shù)值分析法是對工作波

42、段中的具體數(shù)值進行理論計算分析。由給所設計天線給出的邊界條件列出場源特性分布的積分方程，再解方程得到源分布特性，再由一系列的積分方程的解來確定總場。需要說明的是，與傳輸線法的簡單模型分析相較，數(shù)值分析法是一種精確求解的分析方法。在數(shù)值分析過程中積分方程的求解和計算相當復雜，一般需要借助相關的計算機工具來完成，現(xiàn)在用來計算求解這些場分布特性的計算機輔助軟件有多種，使用這些軟件大大提高了分析的效率和精確度。數(shù)值分析法主要可以分為矩量法（MO

43、M）、時域差分法（FDTD）和有限元法（MEW）。此次設計用到的HFSS軟件所采用的就是上述數(shù)值分析方法中的一種：有限元法，因此下面對該方法進行解釋說明。</p><p>　　有限元法（Finite Element Method）是將需要求解的區(qū)域（由邊界條件確定）劃分為一個個的單元網(wǎng)格，給每個單元網(wǎng)格規(guī)定一個在各自單元區(qū)域內(nèi)解析、其他單元內(nèi)為零的基函數(shù)，這樣使得在分析每個單元時相互獨立，這樣在全區(qū)域的求解分析就

44、被離散為了對每個單元的求解分析，將得到的各個單元網(wǎng)格的求解整合就得到了整個區(qū)域內(nèi)的求解。劃分單元網(wǎng)格時，根據(jù)求解需要可以將其劃分為矩形、三角形等平面形狀。如果是求解區(qū)域為三維結構，則網(wǎng)格單元相應地可以是六面體、四面體等立體形狀。相關研究已經(jīng)證明，采用正三角形或正四面體劃分網(wǎng)格時，得到的求解結果最為精確。為了使求解過程盡量簡化，通常采用多項式來作為單元網(wǎng)格的基函數(shù)進行求解分析。比如設計用到的HFSS仿真軟件采用的是三角形的單元網(wǎng)格劃分時，

45、基函數(shù)為一次多項式。利用有限元法分析問題時可分為以下幾個步驟：1）將求解區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，確定網(wǎng)格單元的基函數(shù)；2）根據(jù)網(wǎng)格單元區(qū)域的邊界條件列出各個單元求解方程；3）將得到的網(wǎng)格單元方程整合，組成整個區(qū)域內(nèi)的方程組；4）求解所列方程組，根據(jù)求解結果得出輻射場的特性分布。</p><p>　　需要指出，為了減少計算機的計算量，并且使得出的結果更加精確，在設計時應使得輻射邊界不能過大，在滿足所需要的輻射區(qū)域的基礎上

46、盡量減小輻射邊界尺寸。</p><p>　　2.2 微帶陣列天線原理分析</p><p>　　由若干個相同的微帶天線按照一定方式排列成直線或者平面結構的天線系統(tǒng)稱為微帶陣列天線，要求組成天線陣的陣元結構和排列取向相同。本文采用的是4陣元的均勻直線陣，所以將重點說明均勻直線陣的原理分析。</p><p>　　圖2.2 均勻直線陣天線的原理圖</p>&l

47、t;p>　　均勻直線陣是指陣元按照相同的形式排列成一條直線，且其相位沿直線均勻遞減和或者遞增的電流饋電。上圖表示的就是一個N陣元均勻直線陣，圖中0—N-1表示Ｎ個陣元，延ｘ軸排成一條直線。這里要求每個陣元在結構形式與排列方式相同，天線陣方向圖函數(shù)為元因子與陣因子的乘積。于是需要考慮的是陣因子與因子關系式和相鄰元之間相位差ξ如何建立聯(lián)系，由原理圖分析得到陣列在 H 面（xoy）內(nèi)的歸一化陣因子關系式為：</p><

48、;p>　　（式2.2.1） </p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　?。ㄊ?.2.2）</b></p><p>　　上式為一幾何級數(shù)的多項式，可以得到其和為：</p><p><b>　?。ㄊ?.2.3）</b></p>&

49、lt;p>　　這樣上式就構成了均勻直線陣列天線的歸一化因子表達式。</p><p>　　根據(jù)想要得到的最大電場輻射與天線平面方向的關系，可以將均勻直線陣分為兩大類。</p><p><b>　　邊射陣</b></p><p>　　邊射陣得到的輻射電場的最大值方向在垂直于天線平面的方向，即各陣元的輻射場在垂直天線平面方向同相疊加。此時的陣元

50、的電流同相。即β=0.此時有：</p><p><b>　　（式2.2.4）</b></p><p>　　由上式可知，當時，，陣元在該方向上產(chǎn)生場的同相疊加。如果陣元的最大輻射方向也在該方向疊加，那么直線陣的最大輻射方向必然也是在此方向上。故構成了邊射式均勻直線陣。</p><p><b>　　端射陣</b></p&

51、gt;<p>　　端射陣跟邊射陣正好相反，端射陣的輻射電場最大方向在陣元排列的直線方向，此時α=0度，且，則由式2.2.4可知，此時 </p><p><b>　?。ㄊ?.2.5）</b></p><p>　　對于上式進行物理意義的分析：在此端射陣中，各個陣元的電流相位存在一個角度的滯后，此時我們已經(jīng)知道滯后的這個角度在數(shù)值上等于陣元間距在方

52、向上的相位差kd。當使得時，此時兩相鄰陣元產(chǎn)生的輻射場在α=0方向上引起的相位差為，即與陣元自身的電流相位相互抵消，這樣就使得所有陣元在方向上產(chǎn)生的輻射場同相疊加達到最大值。</p><p>　　此次設計的均勻直線陣就是采用的邊射式直線陣。</p><p>　　2.3 天線的性能參數(shù)分析</p><p><b>　?。?） 增益系數(shù)</b>&l

53、t;/p><p>　　天線的增益系數(shù)是指在相同的輸入功率下，在某一距離和角度天線在最大輻射方向上某處輻射功率密度與無方向性天線在同一處輻射功率密度之比，也可以用天線的方向系數(shù)和其效率的乘積來表示。天線的增益系數(shù)表明了天線在最大輻射方向上比理想的無方向性天線把輸入功率增大的倍數(shù)，因此，天線的增益系數(shù)可以很好地表征天線對功率集中輻射的能力。所以天線增益是一個衡量天線性能的重要參數(shù)，增益越大，代表天線在特定方向上的輻射效果

54、好。因此我們需要盡量得到增益高的天線。</p><p><b>　?。?）天線的方向圖</b></p><p>　　天線方向圖又叫輻射方向圖和遠場方向圖。是指在距離天線一定距離的輻射場的相對場強隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。輻射方向圖主要包括主瓣寬度、旁瓣電平和前后比等。由天線的方向圖可以直觀看出天線在某一特定方向的增益

55、和輻射強度。因此，天線的方向圖也是衡量天線性能的一個重要指標。</p><p>　　（3）回波損耗參數(shù)（S11參數(shù)）</p><p>　　回波損耗表示的是傳輸線端口的反射功率與入射功率的比值。用對數(shù)表示時單位是dB。S11參數(shù)可以看出天線工作時能量經(jīng)傳輸線后有多少被反射回了入射源，因此S11參數(shù)也是表明天線性能的重要指標，S11如果比較大，就表示反射回來的能量比較大，相應的發(fā)射出的功率就比

56、較小，從而使天線的效率就比較低了。因此，在設計天線時應盡可能使S11參數(shù)比較低，從而保證天線在工作時盡可能地把能量發(fā)射出去，使天線有比較高的效率，這是保障天線性能的一種方式。</p><p><b>　　天線的輸入阻抗</b></p><p>　　阻抗匹配是衡量輸入電路與輸出電路之間功率的差異的一項指標。換言之就是反映天線在工作時輸入端經(jīng)過傳輸線到達輸出端消耗了多少功

57、率，表示的是傳輸線的損耗。達到理想的輸入阻抗匹配時，沒有發(fā)生傳輸線損耗，則輸入端輸出的能量沒有損耗全部輸送到終端負載，表明在這一過程天線的能量被完全地利用到了，效率是百分之百，當然這是理想情況，在實際中都會發(fā)生損耗。在失配情況下，由于此時傳輸線上存在反射波，使得傳輸線輸送的功率的過程中發(fā)生損耗使得能量不能全部被負載吸收，因此會降低天線的效率。在天線的設計中，應盡量使輻射貼片的輸入阻抗與50Ω微帶線或者饋電網(wǎng)絡進行匹配，從而提高天線的效率

58、。 </p><p>　　第三章　微帶陣列天線設計</p><p>　　此次設計的目標是設計一個工作中心頻率為10GHz的1×4均勻直線陣。分兩個方面實現(xiàn)：一是設計陣元，二是將陣元組成陣列。在設計陣元過程中需要選取貼片和介質(zhì)基片材料、計算相關尺寸、選擇饋電方式，然后通過仿真優(yōu)化參數(shù)，最終確定參數(shù)進行仿真，得出結果進行分析。組成陣列設計時，需要設計連接陣元的饋電網(wǎng)絡，再設計

59、出整個陣列，進行仿真，得出結果并進行分析。</p><p><b>　　3.1 陣元設計</b></p><p>　　我們選取的是最為常見的矩形微帶貼片，采用微帶線饋電的方式的偏心饋電，將微帶饋線與導體貼片的左邊緣相連。這樣的陣元結構比較簡單，選取的饋電方式也方便了后來陣列天線中的饋電網(wǎng)絡設計。為了得到很好地天線性能，我們需要通過分析和計算來確定微帶天線陣元中的相關參

60、數(shù)。</p><p>　　3.1.1 介質(zhì)基片的選取</p><p>　　設計微帶天線時第一步需要選取合適的介質(zhì)基板，并經(jīng)過理論分析和計算確定介質(zhì)基片的厚度，因為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)和損耗正切值還有其厚度h決定了微帶天線其他參數(shù)和性能指標。研究發(fā)現(xiàn)，較厚的介質(zhì)基片可以增加輻射功率，降低導體損耗和提高阻抗帶寬，但是也會增加介質(zhì)損耗、表面波損耗和來自微帶線的輻射干擾，同時也增加了重量。而對于

61、相對介電常數(shù)，根據(jù)理論，低介電常數(shù)材料的介質(zhì)基片可以增加微帶貼片周圍的邊緣輻射場，從而提高天線的輻射功率，但是介電常數(shù)過低會使得微帶貼片的尺寸變得比較大。綜合以上考慮，本文選擇了聚四氟乙烯材料Arlon AD270，其介電常數(shù)=2.7,損耗正切值為0.0023，選擇基片厚度h為1.2mm。</p><p>　　3.1.2 計算微帶貼片的尺寸</p><p>　　經(jīng)過前人的研究以及理論推導，

62、微帶貼片天線的寬度w可由下面的公式計算得到：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.1）</b></p><p>　　式中c表示光速，f表示天線工作的中心頻率。接下來就是設計貼片的長度了，一般取貼片長度為，為介質(zhì)體內(nèi)部的導波波長，為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.2）</b></p><p

63、>　　式中的是有效介電常數(shù)，由介電常數(shù)和介質(zhì)基片厚度與貼片的寬w的比值共同決定，其關系式為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.3）</b></p><p>　　而實際中應考慮貼片的邊緣縮短效應，所以實際微帶貼片的長度應為：</p><p><b>　　（式3.1.3）</b></p><p

64、>　　式中表示的是等效輻射縫隙長度，由和貼片寬w與基片厚度h的比值決定，關系式如下：</p><p><b>　　（式3.1.4）</b></p><p>　　由于f=10GHz，=2.7，h=1.2mm，根據(jù)以上公式求得w=11.03mm，=2.18，=0.60，L=8.96mm。至此微帶天線的相關參數(shù)已經(jīng)初步確定。</p><p>　

65、　3.1.3 饋電與阻抗匹配</p><p>　　前面已經(jīng)介紹微帶天線的饋電方式有好幾種，我們選擇的是最常用也是結構最簡單的微帶線饋電的方式，饋電點位于貼片邊緣位置的偏心饋電方式。饋線是50Ω的微帶線，利用微帶線計算工具，輸入介質(zhì)基片的介電常數(shù)、厚度、貼片的厚度（35μm）、工作頻率，可計算出50Ω微帶線的寬度為3.02mm。</p><p>　　一般來說，微帶天線的邊緣阻抗為100Ω～4

66、00Ω，要想與50Ω的微帶饋線相匹配，則微帶天線與饋線之間需設計一個阻抗變換器，通常是一個長度1/4波長的阻抗轉換器。假設饋電點位置的輸出阻抗為，1/4波長阻抗轉換器的阻抗為，則阻抗匹配的條件為：</p><p><b>　?。ㄊ?.1.5）</b></p><p>　　式中=50Ω，與饋電點與貼片邊緣的距離有關，可根據(jù)相關公式求得。在設計單個微帶天線時，為充分發(fā)揮微

67、帶天線的性能，所以必須考慮阻抗匹配問題，因此必須設計一個1/4波長轉換器。但是在設計陣列天線時，作為陣元，在設計陣元的時候，我們暫不考慮阻抗匹配的問題直接將50Ω饋線與微帶貼片相連，故不設計阻抗轉換器。將在陣列的饋電網(wǎng)絡設計中用到相關理論。</p><p>　　3.2 HFSS軟件簡介及設計步驟</p><p>　　HFSS（High Frequency Structure Simulat

68、ion）是由美國Ansoft公司開發(fā)設計出的一款功能強大的三維電磁仿真軟件，該軟件涵蓋射頻和微波器件設計，天線、陣列天線和饋源設計，高頻 IC 設計，高速封裝設計，高速 PCB 板和 RF PCB 板設計等許多設計領域的仿真分析，幫助設計人員解決在設計過程中遇到的分析問題和優(yōu)化設計,現(xiàn)已在航空航天、電子、半導體、計算機、通信等眾多領域有著廣泛的應用，隨著該軟件的不斷更新升級，實現(xiàn)的功能也越來越大，因此有著很好的應用前景。該軟件采用的是基

69、于數(shù)值分析的有限元法，能對設計結果實現(xiàn)精確計算，并對其設計模型的方向圖、內(nèi)外場分布等性能進行精準預測，同時還可以優(yōu)化設計模型的相關參數(shù)，得到滿足設計需要的模型。應用在天線領域時，使用HFSS可以對設計的天線模型進行參數(shù)優(yōu)化，得到精確天線性能參數(shù)，包括二維和三維平面遠近場輻射方向圖、天線的方向系數(shù)、增益、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等。借助該軟件，能大大減少在天線設計時的誤差，提高所設計天線的性能，并幫助我們很好地對天線的

70、性能進行分析和理解。使用HFSS對天線進行仿真</p><p>　　設置求解類型。選擇模式驅(qū)動（Driven Modal）或者終端驅(qū)動(Driven Terminal)求解類型。</p><p>　　創(chuàng)建天線的結構模型。根據(jù)計算得到的相關尺寸參數(shù)和已確定的結構，在HFSS模型窗口設計出天線的參數(shù)化模型。也可以將事先在AutoCAD、Pro.E等繪圖軟件設計好的參數(shù)模型導入到HFSS窗口里。

71、</p><p>　　設置邊界條件。使用HFSS進行天線設計時，需要將與背景接觸的表面設置成理想導體邊界，這樣HFSS才會計算出天線的遠區(qū)輻射場。</p><p>　　設置激勵方式。天線通過傳輸線或波導傳播信號天線與傳輸線接口處即為饋電面或者激勵端口。設計時饋電面的激勵方式的選取主要有兩種：波端口激勵（Wave port）和集總端口激勵（Lumped Port），這兩者的區(qū)別體現(xiàn)在，一般與

72、背景相接觸的饋電面使用波端口激勵方式，在模型內(nèi)部的饋電面使用集總端口激勵。</p><p>　　設置掃頻分析參數(shù)，即設定天線工作的中心頻率和掃頻頻率范圍以及掃頻迭數(shù)。</p><p>　　求運行求解分析。在完成前面幾步之后，運行仿真。</p><p>　　查看運行結果。運行軟件仿真之后，在進行數(shù)據(jù)后處理部分可以查看運行結果中的各項性能參數(shù)。</p>&

73、lt;p>　　Optimetrics優(yōu)化設計。如果結果中的某些性能參數(shù)達不到設計要求，就需要對天線的相關結構尺寸進行優(yōu)化，得到符合設計性能要求的天線設計。</p><p>　　本次設計采用的HFSS v15.0版本。</p><p>　　3.3 微帶陣列天線陣元的仿真過程</p><p>　　在第三章中我們已經(jīng)確定了微帶天線的介質(zhì)基片材料、厚度、介電常數(shù)，通過

74、計算得到了貼片的長度和寬度、50Ω微帶線的寬度，選取微帶線饋電的方式，饋電點在貼片邊緣。下面以表格的形式將各參數(shù)列舉出來。</p><p>　　表4.2 設計陣元模型參數(shù)</p><p>　　3.3.1 設計陣元模型并仿真分析</p><p>　　設計模型如下圖所示：</p><p>　　圖3.3.1 陣元的三維設計模型</p>

75、<p>　　設計好模型之后，檢查和確認設計模型的準確性和完整性，運行仿真。待仿真完之后，對仿真結果進行查看分析。</p><p>　　回波損耗參數(shù)分析及參數(shù)優(yōu)化</p><p>　　陣元信號端口回波損耗（即）的掃頻結果分析，查看天線的諧振頻率是否在工作中心頻率10GHz上。的掃頻分析結果如下圖所示：</p><p>　　圖3.3.2 的掃頻結果分析<

76、;/p><p>　　由上圖看出天線的諧振頻率在9GHz以前，即小于9GHz，不在中心頻率10GHz上。而且在10GHz時，天線的回波損耗太大，為-4.14dB。達不到設計所需的高性能。所以我們需要對設計進行優(yōu)化，使得諧振頻率在設計的10GHz。</p><p>　　經(jīng)過相關理論分析，天線的諧振頻率跟輻射貼片的尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度決定。其中主要作用明顯的是輻射貼片的長度L。相關理論研究

77、發(fā)現(xiàn)，輻射貼片長度越短，則諧振頻率越高。為了盡量保留原有參數(shù)，我們通過改變輻射貼片的長L來獲得滿足設計需要的諧振頻率。利用HFSS軟件的Optimetrics模塊來得到改變輻射貼片長度L后的各參數(shù)掃頻分析圖。需要說明的是，要想得到精確的諧振頻率所對應的貼片長度L，往往需要經(jīng)過多次優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)越多，得到的結果更精確。前面通過計算得到額輻射貼片的長為8.96mm。這里設置L的長度分別為7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5

78、mm。得到一組掃頻分析圖，如下圖所示。</p><p>　　圖3.3.3 不同L所對應的參數(shù)曲線</p><p>　　由上圖可以看出，當改變輻射貼片長L=8mm時，陣元天線的諧振頻率為10GHz，且此時天線的回波損耗值為-19.84dB，較輻射貼片長為8.96時有了大幅度降低，性能較好。故我們將修改輻射貼片長為8mm。優(yōu)化完成，優(yōu)化后的掃頻分析結果圖如下：</p><p

79、>　　圖3.3.4優(yōu)化后的掃頻分析結果圖</p><p>　　對比優(yōu)化之前的掃頻分析圖，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后天線的諧振頻率為設計要求的中心頻率，同時大大減小了回波損耗，說明天線的大部分能量經(jīng)過微帶線傳輸出去了，從而很好地改善了天線的性能。</p><p>　　陣元的三維增益方向圖</p><p>　　天線的三維立體方向圖仿真結果如下圖所示：</p>

80、<p>　　圖3.3.5 天線的三維增益方向圖</p><p>　　從得出的仿真結果圖中可以看出，天線的最大輻射方向集中主要在Z方向一片，即垂直于天線平面方向。最大增益為7.76dB。但是方向性不明顯，這是由于微帶天線自身結構特性決定的。所以需要通過組成陣列天線等方式提高天線的方向性。</p><p>　　陣元的輸入阻抗及阻抗匹配</p><p>　　仿真

81、結果中天線的輸入阻抗特性曲線和史密斯圓圖如下圖所示，從圖中可以看出，在工作中心頻率10GHz對應的縱坐標為58，說明天線的輸入阻抗為58Ω，與微帶線的特性阻抗50Ω已經(jīng)非常接近了。再看史密斯圓圖中可以看出，在中心頻率10GHz處對應的阻抗匹配參數(shù)為1.1721-0.1398i。說明天線與微帶饋線已經(jīng)達成了很好地阻抗匹配效果，這也對應了前面天線的回波損耗分析的結果。說明設計的天線效率比較高，性能較好。</p><p&g

82、t;　　圖3.3.6陣元天線的輸入阻抗</p><p>　　圖3.3.6 陣元天線的史密斯圓圖</p><p>　　3.4 天線陣元的總結分析</p><p>　　由仿真結果得到的相關性能參數(shù)我們可以總結出，首先天線的尺寸參數(shù)影響著天線的諧振頻率和相關性能。通過優(yōu)化天線單元的尺寸，可以得到工作在中心頻率的諧振頻率。而且優(yōu)化尺寸后的天線的回波損耗參數(shù)大大降低，使天線的

83、性能得到很好地提升，也使得天線的輸入阻抗得到很好地匹配，從而使天線的利用效率提高了。但是在單個陣元天線中，從得到的方向圖來看，天線的方向性不強，增益也不高，這是由于天線的結構特性決定的，這是天線重要的性能指標，所以下一步的研究方向是增強的天線的方向性，提高天線的增益，使微帶天線充分發(fā)揮其作用。</p><p>　　第四章 微帶陣列天線的設計</p><p>　　從前面的陣元仿真結果我們已經(jīng)

84、知道，單個陣元天線使用起來方向性不強，增益低，往往達不到天線在實際應用的強方向性、高增益的性能指標。所以需要想辦法改善單個天線的方向性和增益問題。</p><p>　　將單個陣元按照一定規(guī)律排列組成陣列天線，可以很好地解決微帶天線方向性差、低增益的缺陷。陣列天線利用的是使陣元在遠區(qū)輻射場同相疊加的原理提高天線的方向性和增益系數(shù)。此次設計中，由于只是對陣列天線的性能和參數(shù)進行定性的分析，我們?yōu)榱耸乖O計簡單，設計的是

85、一個4元均勻直線陣列天線，采用的是陣元同相激勵電流，所以是一個4元的邊射陣，得到的最大輻射方向也是在垂直天線平面方向。陣元的饋電方式和饋電點的位置跟上一章陣元設計一樣。連接陣元的方式是設計一個并聯(lián)結構的饋電網(wǎng)絡，選用并聯(lián)結構的饋電網(wǎng)絡的理由是并聯(lián)結構可以保證陣元的電流相位一致，且陣元數(shù)較少，容易設計。微帶陣列天線的設計模型如下圖所示：</p><p>　　圖4-1 微帶陣列天線的結構模型</p>&

86、lt;p>　　在上章中我們已經(jīng)對陣元的相關尺寸參數(shù)進行計算和確定，在陣列天線設計我們直接使用上章陣元的參數(shù)，因此陣列天線設計時所需要做的相關參數(shù)選取和計算只有陣元間距的確定和饋電網(wǎng)絡的設計。</p><p>　　4.1 陣元間距的選取</p><p>　　根據(jù)相關理論研究，選擇合適的陣元間距可以提高天線的增益。陣元間距過小，由于陣元之間的耦合作用會降低天線的效率，從而使得陣列天線的增

87、益效果明顯。因此加大陣元間距有助于提高天線增益，但是如果陣元間距過大可能會使得陣列天線的副瓣比較大，也會影響天線的效率，其次從天線的集成效果來看，較大的陣元間距會使得陣列天線的長度也會變得很大，當陣元數(shù)目比較多時整個天線系統(tǒng)尺寸也就相當大，應用起來會不方便。一般認為，取陣元間距為0.6～0.8倍工作波長時，可以一定程度上減小陣元間的耦合作用，而此間距下的陣列天線長度也會比較合理。此次設計選取天線的陣元間距為0.75倍工作波長：</

88、p><p><b>　　（式4.1）</b></p><p>　　計算得陣元間距為22.5mm。</p><p>　　4.2 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡設計</p><p>　　并聯(lián)式的饋電網(wǎng)絡可以很好地使陣元電流相位一致，達到邊射陣的設計要求。需要說明由于是并聯(lián)結構，所以此饋電網(wǎng)絡只適用于陣元數(shù)為2的冪次數(shù)的陣列天線。饋電網(wǎng)絡模型如4

89、.2所示。</p><p>　　設計饋電網(wǎng)絡主要是考慮天線輸入電阻的阻抗匹配。由于選用的微帶線阻抗為50Ω，與天線的輸入阻抗一般情況下是不匹配的因此我們考慮利用饋電網(wǎng)絡使天線輸入阻抗與微帶線進行良好的匹配，所以連接陣元的饋電網(wǎng)絡就是一個大的四分之一物理波長阻抗轉換器。通過前面對阻抗匹配的介紹，我們知道阻抗匹配需滿足的條件是：。接下來我們就需要根據(jù)阻抗匹配條件來確定饋電網(wǎng)絡的尺寸。也就是每一段的長和寬。具體的確定方

90、法為：豎著（除了最下面的一段）的微帶線的長均為四分之一物理波長，也就是4.92mm。橫著的微帶線長分別為一倍間距和兩倍間距，即22.5mm和45mm。微帶線的寬的確定方法為：先由阻抗匹配條件公式確定特性阻抗，再借助微帶線計算工具由特性阻抗確定微帶線的寬度。</p><p>　　圖4.2 并聯(lián)式饋電網(wǎng)絡結構模型</p><p>　　設計好饋電網(wǎng)絡之后，把陣元設計進去，構建微帶陣列天線模型，用

91、HFSS進行仿真。</p><p>　　4.3 微帶陣列天線的仿真結果及其分析</p><p>　　微帶陣列天線的方向圖</p><p>　　微帶陣列天線的三維立體方向圖如圖5.3-1所示。從圖中我們可以看出，所設計的陣列天線的輻射場主要集中在垂直天線平面方向，即圖中所示的Z軸方向，與單個陣元的方向圖相比，陣列天線的輻射方向圖更有指向性，場強主要集中在Z軸方向。這是

92、陣元輻射場在該方向疊加的效果。</p><p>　　圖4.3.1 微帶陣列天線的三維立體方向圖</p><p>　　圖4.3.2 微帶天線的平面方向圖</p><p>　　圖4.3-2兩條曲線對應的是為天線在XOZ平面和YOZ平面的輻射方向圖，在圖上 可以看出，在XOY平面天線沒有明顯的方向性，主瓣寬度比較大，基本無旁瓣；而在YOZ平面，天線的方向性明顯，主瓣突

93、出而且比較窄，旁瓣電平多。這是由于陣列天線的排列結構影響的結果。因為陣元排列在XOY平面與Y軸平行的一條直線上，陣元在YOZ平面沿輻射電場同相疊加，由于陣元之間存在波程差，使得陣元在各個方向的疊加效果不一樣，因此產(chǎn)生較多的旁瓣；而在沿Z軸方向陣元的最大輻射電場相互疊加，得到陣列天線的最大輻射方向，因此主瓣突出。由于陣元在XOZ平面都是等相位的，因此陣列的輻射方向取決于陣元的輻射方向，陣元的方向性本身就不明顯，因此在陣列天線XOZ平面的方

94、向性也不明顯。但是綜合陣列天線的三維立體方向圖我們可以看出，陣列天線的方向性與單個陣元相比還是有很大的提高。</p><p>　　從圖中的標記還可以知道，天線的增益為13.2446dB,與單個陣元的7.76dB相比，提高了約3.5dB。理論研究表明，陣列天線的陣元數(shù)越多，天線的方向性更好，增益系數(shù)也越大，所以陣列天線的性能較單個天線更好。</p><p>　　天線的回波損耗參數(shù)S11<

95、;/p><p>　　微帶陣列天線的回波損耗分析圖如下圖所示。由圖中可以看出陣列天線的回波損耗較之前單個陣元的損耗要偏大，這是因為陣列天線中陣元之間存在耦合效應，使得天線的回波損耗比較大。但是在設置的頻率范圍內(nèi)，回波損耗有足夠的衰減，且在實際應用允許的回波損耗范圍內(nèi)，故此陣列天線還是有很好的性能。</p><p>　　圖4.3.3 微帶陣列天線的S11參數(shù)分析圖</p><p

96、>　　微帶陣列天線的輸入阻抗及阻抗匹配</p><p>　　天線的輸入阻抗分析圖和史密斯圓圖分別如圖4.3.4和4.3.5所示。</p><p>　　從圖4.3.4中可以看出，在中心頻率10GHz上陣列天線的輸入阻抗為55.56Ω，與微帶線的阻抗50Ω非常接近，說明陣列天線與微帶線達到了很好地匹配效果。從5.3.5的史密斯圓圖上可以看出在中心頻率10GHz上天線的阻抗匹配系數(shù)為1.1

97、112-0.8252i。從而也證明了天線與微帶線達成了很好的阻抗匹配效果。說明該設計的微帶陣列天線性能優(yōu)良。</p><p>　　圖4.3.4 微帶陣列天線的輸入阻抗分析圖</p><p>　　圖4.3.5 史密斯圓圖</p><p>　　4.4 微帶陣列天線的總結分析</p><p>　　通過設置合適的陣元間距，通過阻抗匹配的原理及公式計算

98、和設計符合設計要求的饋電網(wǎng)絡，用饋電網(wǎng)絡將陣元連接起來設計成微帶陣列天線。通過仿真結果可以看出，天線的方向圖明顯，增益高，回波損耗參數(shù)滿足實際工程需求，阻抗匹配效果良好，因此微帶陣列天線總體性能比較好，有很好的理論參考價值。</p><p>　　第五章 設計結論和工作總結</p><p>　　在了解微帶天線應用特點的背景下，知道微帶天線有著體積小、重量輕、易于集成和與載體共形等優(yōu)點使得微帶

99、天線在許多領域有著廣泛的應用。同時微帶天線存在增益小、方向圖不明顯等缺陷制約了其理論研究和實際應用。理論研究發(fā)現(xiàn)將若干微帶天線按照一定規(guī)律排列組成微帶陣列天線可以很好地解決這些問題。于是通過學習和了解天線和陣列天線的相關理論，分別設計出了工作中心頻率在10GHz的單個天線和4元均勻直線陣列天線，通過HFSS仿真軟件對相關參數(shù)進行優(yōu)化改進后分別對陣元天線和陣列天線進行仿真，從仿真結果得到的相關性能參數(shù)和圖示進行對比，驗證微帶陣列天線能提高

100、天線增益和方向性的結論。</p><p>　　針對此次設計目標，我主要做了如下工作：</p><p>　　學習微帶天線的相關理論，了解微帶天線的輻射機理和分析方法，并了解天線的特性參數(shù)。</p><p>　　根據(jù)相關理論和公式，通過分析和計算得到設計天線所需要的參數(shù)。設計出天線的結構模型。</p><p>　　利用HFSS軟件對構建的模型進行

101、仿真并對模型的相關參數(shù)進行優(yōu)化，得到性能更加具有理論分析價值的天線。</p><p>　　對所設計并完成優(yōu)化后的微帶天線單元和由其組成的微帶陣列天線進行仿真，對比仿真結果和相關性能參數(shù)，得出結論。</p><p>　　通過對陣元天線和陣列天線的仿真結果進行分析發(fā)現(xiàn)，所設計的4元微帶陣列天線增益系數(shù)比單個陣元曾大了3.5dB，同時陣列天線的方向圖比單個陣元的方向圖指向性更好，說明陣列天線的方

102、向性要強于單個天線陣元。于是可以得出結論：將單個微帶天線設計成微帶陣列天線可以提高增益，增強方向性。驗證了相關理論的正確性。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]. 惠鵬飛，夏穎，周喜全，淘佰瑞，苗鳳娟；基于HFSS的4×24微帶陣列天線的設計與研究[J]；齊齊哈爾大學學報；2010,26(5).</p>

103、<p>　　[2]. 汪濤，黃正峰，張鑒，張?zhí)鞎?；微帶陣列天線的設計與FDTD分析［J］；船檢電子工程；2013年第12期.</p><p>　　[3]. 汪濤，黃正峰；直線陣列天線的設計與性能分析[J]；信息技術；2014年第4期.</p><p>　　[4]. 夏穎，惠鵬飛；L波段平面微帶陣列天線的優(yōu)化設計[J]；高師理科學刊；2008,28(1).</p>

104、<p>　　[5] 郝欣欣，段耀鐸，徐海東，張懷武；64單元Ｘ波段高增益圓極化微帶陣列天線設計[J]；微波學報；2014,30(5).</p><p>　　[6] 韓國棟，武偉，杜彪；一種寬帶雙極化波導陣列天線的設計[J]；現(xiàn)代雷達；2013年，35(1).</p><p>　　[7] Sharma,P.;Gupta,S.Bandwidth and gain en

105、hancement in microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[J].Engineering and Systems(SCES),2014:1～6.</p><p>　　[8] Sabban,A.Ka band microstrip antenna arrays with high efficiency[J].Antennas and

106、 Propagation Society International Symposium1,999,4:2740～2743.</p><p>　　[9] Jagadish,M.;Ramya,T.Design and parametric analysis of microstrip antenna array for increased gain.Communications and Signal Proce

107、ssing(ICCSP).2014:622～626.</p><p>　　[10] 王新穩(wěn)，李延平，李萍；微波技術與天線（第三版）[M]；北京：電子工業(yè)出版社，2011:182～223.</p><p>　　[11] 李明洋，劉敏；HFSS天線設計（第2版）[M];北京：電子工業(yè)出版社，2014:268～295.</p><p>　　[12] 倪國旗，梁