毕业设计（论文） 微带天线设计与仿真 院 别 计 算 机 与 通 信 工 程 学 院 专业名称 通 信 工 程 班级学号 4110907 学生姓名 席 凯 指导教师 喇 东 升 2015 年 6 月 10 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 微带天线设计与仿真 摘 要 微带天线 （microstrip antenna） 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。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。微带天线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 2 种：贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线；贴片是一个面积单元时，则为微带天线。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。 贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。例如，国外某型炮弹引信天线要求半球覆盖的方向图，即 E 面和 H 面方向图在端射方向的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。因此，为使微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。 本文首先简单介绍了微带天线的研究背景及发展现状，随后对微带天线的特点及应用作了分析，然后就本文的研究内容及其意义做了一定分析。并分析了各种特征参数对天线的影响，成功对微带天线进行了仿真，并对仿真结果做出了简要分析，最后全面总结了本文内容。 关键词：关键词：微带天线，仿真，HFSS 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 Microstrip Antenna Design and Simulation Author：Xi Kai Tutor：La Dongsheng Abstract Microstrip antenna in the last 30 years, gradually developed a new type of antenna. As early as in 1953 he proposed the concept of microstrip antenna, but did not attract the attention of engineering. In the 1950s and 1960s, only a few scattered studies, real development and use in the 1970s. Common type of microstrip antenna is a thin dielectric substrate (such as Teflon fiberglass laminate) on the one hand, the thin metal layer as a ground plate attached on one side with a photolithographic etching and other methods to make certain shape metal stick tablets, the use of microstrip lines and axis probe fed patch, which constitutes a microstrip antenna. When the patch is an area of the unit, called microstrip antenna; if the patch is a thin strip called it a microstrip dipole antenna. Microstrip antenna on a thin dielectric substrate attached thin metal layer on one side as a ground plate, the other surface formed by photolithography etching method for a metal shaped patch using microstrip line or coaxial probe fed patches constituting the antenna. Microstrip antenna divided into two kinds: Chip shape is an elongated strip, for the microstrip antenna elements; when the patch is an area unit, compared with the microstrip antenna. If the ground plate carved slit, and on the other side of the dielectric substrate printed a microstrip line, slot feed, constitutes a slot antenna. This paper introduces the research background and present situation of the microstrip antenna, then the characteristics and applications of microstrip antenna is analyzed, and then the content and significance of this study do some analysis. And the effects of various characteristic parameters of the antenna, the success of the microstrip antenna simulation, and made a brief analysis of simulation results, and finally a comprehensive summary of this article. Key Words: microstrip antenna, Simulation,HFSS 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目 录 1 绪论 1 1.1 微带天线背景及发展现状 . 1 1.2 本文研究内容和安排 . 2 2 矩形宽带微带天线 3 2.1 贴片微带天线 RMSAs 的参数研究 . 9 2.1.1 馈点位置的影响 . 9 2.1.2 W 的影响 11 2.1.3 h 的影响 12 2.1.4 r 的影响 14 2.1.5 探头直径的影响 . 14 2.1.6 有限接地平面的影响 . 15 2.1.7 损耗角正切的影响 . 16 2.1.8 覆盖层的影响 . 18 2.2 RMSA 高阶模式 20 2.3 双极化的正交反馈 . 23 2.4 宽带悬浮 RMSA 24 2.5 使用各种探针的厚宽带 RMSA 27 2.5.1 悬浮空气中的举行贴片 . 28 2.5.2 有探头补偿的 RMSA 28 2.5.3 三维反馈. 29 2.6 RMSA 频率和阻抗尺度 31 3 圆形宽带微带天线 32 3.1 共振频率 32 3.2 输入阻抗和电压分布 . 34 3.3 辐射方向图 34 3.4 损耗角正切的影响 . 35 3.5 宽带 CMSAs . 36 3.6 高阶模式分析. 36 4 半圆形宽带微带天线. 39 4.1 输入阻抗和电压分布 . 39 4.2 辐射方向图 39 4.3 宽带 SCMSAs 40 4.4 SCMSA 的高阶模式分析 42 5 微带天线仿真 44 5.1 概述 44 5.2 天线结构与参数. 44 5.3 矩形宽带微带天线仿真 . 46 结 论 47 致 谢 48 参考文献 49 附 录 51 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页 附录 A . 51 附录 B . 54 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 1.1 微带天线背景及发展现状 微带天线早在 1953 年被提出，然而成熟的天线是由 Munson 和 Howell 在 1970 年代推广，第一个微带天线于 1974 年制造出来，此时已经是原理提出后的 20 余年1。微带天线有很多优点，包括重量轻，噪音小，而且它们可以制成并匹配到主机表面，所以它被设计成不同结构用于不同用途。此外 MSAs 可以使用印刷电路技术制造，所以可以实现低成本的集中生产。随着个人和移动交流需求的增加，体积小且轻薄的天线的需求将MSA 推到了最前线。 MSAs 可以用于国防和商业用途，正在取代传统天线。然而，这些种类的 MSAs 受限于天线固有的较窄的带宽。因此，增加 MSA 的带宽是该领域的主要目标。事实上，有一些宽带 MSA 结构已经在过去十年中报道过。本文的目的是详细阐述不同的宽带MSA 结构，收集了散落在众多期刊、杂志和书中的信息。 微带天线简单的结构是，在薄绝缘基板上，一侧是辐射贴片，另一面是接地平面。辐射贴片可以做成任何随意形状，但是通常选择使用规则的外形，以便更容易地进行分析和更好地理解天线的一些特征。本文主要研究了不同规则外形的微带天线，例如如矩形，圆形，以及半圆形贴片。除此之外，描述了他们的特征，例如输入阻抗，带宽，辐射方向图和使用不同种类的基板的增益。 较厚且具有低介电常数的基板通常用于得到更宽的带宽。微带天线常用的基板是玻璃纤维增强的合成基板。 它的介电常数的范围在 2.12.6。 此基板具有低介电损耗 （tan d 在 0.00060.002） ，因此具备更高的效率。通常选用廉价的玻璃环氧基板（介电常数在 3.8 到 4.7 的范围内）来应对低成本或用于初始设计和测试的情况。有时，用空气或泡沫基板（ =11.1）增强带宽。此外，可以使用悬浮微带结构；这增加了总厚度，并减少贴片的有效介电常数。 MSAs 与传统的微波天线相比有许多优势，例如它们更容易与 MICs 集成到同一块基板上，允许线性极化，可以集成在个人移动通信终端和允许双、三频率运转。但是和传统微波天线相比也存在一些劣势， 包括窄带宽， 较低的增益和低功率处理能力。 MSAs具有窄带宽，是这些天线广泛应用的主要限制因素。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 MSAs 的优势使得它们适宜数目众多的应用。导弹上的遥测装置和通信天线需要轻薄所以通常选用 MSAs。雷达高度计使用微带天线组成的小型阵列。其它飞行设备相关的应用包括电话与人造卫星通信。微带天线阵列也用于了雷达成像系统。贴片天线还用于了船、救生圈与人在卫星之间的通信连接。智能武器系统也采用了 MSAs 因为它们拥有较薄的侧面。携带型传呼器，全球移动通信系统（GSM） ，和全球定位系统（GPS）也是 MSAs 的主要使用者2。一些 MSAs 的应用展示