空气贴片微带天线的设计学位论文Word文档下载推荐.docx
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greaterthan5dBi;
VSWR:
lessthan2.0;
Polarizationmode:
circularpolarizationalsoithastobesimulatedbyAnsoftsoftware.
KeyWords:
MicrostripAntenna;
AnsoftSoftware;
CircularlyPolarization
主要符号表
εr介电常数
Q介质材料的品质因素
ƒ天线的工作频率
c自由空间的光速
︱r︱轴比
fmax(θ,φ)方向函数的最大值
θ子午角
φ方位角
dB分贝
P辐射功率
ηA天线效率
G增益系数
S辐射功率密
1绪论
1.1课题研究背景及意义
微带天线技术技术最早起源于雷达技术的发展及应用,其历史可追溯到20世纪初期。
微带天线技术正在成为全球贸易、制造业和供应链管理的基础,对全球各行业的生产、流通和管理模式都将带来深刻的变革。
微带天线技术即将成为继互联网和手机之后,全球信息产业的又一场技术革命。
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。
1.2微带天线技术概述
对于阵列天线而言,可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等[1]。
结合我们近年来实验室的科研项和实验研究。
单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵元进行组阵研究。
重点的研究对象为微带天线。
因为微带天线固有的特点,它很适合进行天线组阵的研究。
在天线组阵中,目前己有本实验室研制的圆环背射天线的二元阵列投入工程应用,并有相应产品面世[2]。
但主要的研究方向还是集中于微带天线的组阵方案,现对微带天线进行理论和实验的分析。
微带辐射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。
这种基片介电常数范围较宽,具有吸热特性和机械特性及低损耗角正切。
最早的实际的微带天线是Howen和Munsno在二十世纪七十年代初期研制成的。
在此之后,由于微带天线的许多优点,诸如重量轻、体积小、成本低,平面结构可以和集成电路兼容等,微带天线得到了广泛的研究和发展,从而使微带天线获得了多种应用,并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展[3]。
目前,已研制成了各种类型平面结构的印制天线,例如,微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。
而一般所指的微带天线,可分为三种基本类型:
微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线。
它们的辐射机理是由微带贴片、或准TEM模传输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。
同常规的微波天线相比,微带天线具有一些优点。
因而,在大约10OMHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。
与通常的微波天线相比,微带天线具有很多优点:
a.重量轻、体积小、剖面薄的平面结构,可以做成共形天线;
b.制造成本低,易于大量生产;
c.可以做得很薄,因此,可以较小扰动装载的宇宙飞船等飞行器的空气动力学性能;
d.无需作大的变动,天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上;
e.天线的散射截面较小;
f.稍微改变馈电位置就可获得线极化和圆极化(左旋和右旋);
g.不需要背腔,微带天线适合于组合式设计(固体器件如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上。
微带天线与通常的微波天线相比,也有一些缺点:
a.频带窄;
b.有损耗,因而增益较低;
c.大多数微带天线只向半空间辐射;
d.最大增益实际上受限制(约为20dB);
e.馈线与辐射元之间的隔离差;
f.可能存在表面波,功率容量较低。
但是,采取一些办法可减少某些缺点,例如,只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。
在实际应用中,微带天线的优点远远超过它的缺点。
微带天线已广泛应用于各个领域,其主要应用范围如下:
卫星通信、多普勒及其
它雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、便携装置、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、卫星导航接收机、生物医学辐射器等[4]。
但在目前,由于各个领域技术的飞速发展,微带天线在无线通信中已获得广泛应用,它还将继续发挥重要的作用,而且将进一步扩大其应用领域。
1.3本文主要研究工作
本次毕业设计主要基于对现有阅读器天线仿真研究,设计适用于UHF频段的阅读器天线。
要求体积小,增益高,用AnsoftHFSS软件对天线进行仿真,具体指标如下:
a.工作频率:
902-928MHz
b.增益:
大于5dBi
c.驻波比:
小于2
d.极化方式:
2微带天线
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。
它利用微带线或同轴线等馈电,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。
导体贴片一般是铅和金,可取任意形状,但是,通常都用规则的形状,如矩形、圆形或圆环形等以简化分析和预期其性能。
基片的介电常数应较低,这样可增强产生辐射的边缘场,但是,也有其它的一些性能则要求使用介电常数较大的基片材料[5]。
目前已研制成了介电常数范围较大和损耗角正切低的各种类型的基片。
2.1微带天线研究现状
2.1.1微带天线的发展近况
近些年来,天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都发生了巨大变化。
尤其微带天线以其重量轻、可共形、易集成、便于匹配等优点获得了更多青睐,发挥了其得天独厚的优势。
尤其在移动通信和射频识别中,微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。
人们历经几十年的努力,在克服其固有缺点方面得到了长足进展,主要体现在以下方面。
a.频带特性
一般单层微带天线的带宽只有0.7%-7%,频带窄这一主要缺点制约了它的发展。
目前,很多的研究人员致力于展宽微带天线带宽的研究,使得天线单元的带宽达到了20%甚至更高。
近年来所开发并经优化设计的双层贴片和U形槽贴片,无论在探针或槽孔耦合的馈电方式下都获得了高达40%的阻抗匹配微带,使制约贴片频带的因素转化为辐射效率和极化特性(20%以上)[6]。
此外,微带贴片结构可实现(较窄频带的)双频或多频工作,其下一目标是获得大频率比和可控频率比的宽频带特性。
b.小型化
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,较低频段(VHF、UHF)[7],传统的半波长微带天线尺寸仍然很大。
这样,实用化小型微带天线的研制,成为国内外研究热点。
在系统中,高介电常数的基片使贴片的几何尺寸进一步缩小,困难转化为如何抑制基片中存在的表面波效应。
近年来出现的光子带隙PBG(PhotonicBand-Gap)基片材料可以有效地抑制表面波,解除了用较厚基片的限制,并可提高天线的增益、减弱阵元之间的互耦。
c.馈线网络
采用探针或槽孔耦合的背馈方式将辐射部分与馈线部分接地板隔开,是优先考虑的结构方案。
微带线馈电网络会引入明显的导电损耗和色散性;
非色散的带状线不便与电路集成一体;
介质波导馈电的方案则另辟蹊径而受到重视。
空间功率合成的有源阵将各辐射单元直接与传输广接收组件连接,减少了馈线长度,接收通道的放大器还可补偿其传输损耗,将成为大规模阵列系统的发展主流。
2.1.2天线设计的主要工作
当前,空气介质层技术研究工作主要集中在天线设计、频率选择、防冲突技术等方面。
低频频段绕开障碍物能力强但覆盖范围相对较小、能量低、数据传输率小、方向性不强、穿透能力较弱,高频频段覆盖范围大、能量高、数据传输率大、方向性和穿透能力都相对较强但却易被障碍物阻挡,频率选择影响着标签的性能和尺寸大小,关系着标签与读写器的价格,而且为了产品的通用,还必须考虑着各国对无线电频段使用和发射功率的规定,所以选好频率很重要。
受应用场合的限制,空气介质层通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面,甚至需要嵌入到物体内部。
要求低成本的同时,还要求有高的可靠性。
此外,天线还承担接收能量和发射能量的作用,这些因素对天线的设计提出了严格要求。
当前对微带天线天线的研究主要集中在研究天线结构以提高辐射效率上,而要提高辐射效率,一方面要增强天线对恶劣环境的抗干扰能力,比如电磁干扰和金属屏蔽,另一方面要控制能量损失,比如要抑制表面波提高增益。
天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性[8]。
方向性天线由于具有较少回波损耗,比较适合电子标签应用。
天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响。
如金属物体对电磁信号有衰减作用,金属表面对信号有反射作用,物体尺寸对天线大小有一定限制等。
人们根据天线的以上特性提出了多种解决方案,如采用曲折型天线解决尺寸限制,采用倒F型天线解决金属表面的反射问题等[9]。
天线特性还受天线周围物体和环境的影响。
2.2微带天线特点
由于空间技术发展与对低剖面天线的需要,使这种新型的天线得到进一步发展。
微带天线的发展是现代微波集成电路技术和实践在天线领域的重要应用。
2.2.1优点
和常用的微波天线(抛物面天线和相控阵天线)相比,微带天线主要优点有:
体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形;
易于实现线极化和圆极化,容易实现双频段、双极化等多功能工作天线的散射截面较小:
能得到单方向的宽瓣方向图,最大辐射方向在平面的法线方向;
易于和微带线路集成,制造成本低,易于批量生产。
微带天线己得到愈来愈广泛的重视,已用于大约100MHz-1000MHz的宽广频域上,包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。
相同结构的微带天线组成微带天线阵可以获得更高的增益和更大的带宽[10]。
2.2.2缺点
微带天线的主要缺点是:
频带窄;
有导体和介质损耗,并且会激励表面波,导致辐射效率降低;
方向系数较低;
单个微带天线的功率容量小;
性能受基片材料影响大等。
在许多实际设计中,微带天线的优点远远超过它的缺点,甚至在处于它的发展早期,微带天线己有许多不同的和成功的应用。
随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用,可以预料,对于大多数的应用,它将最终取代常规的天线。
2.3天线的参数
描述天线工作特性的参数称为天线电参数(Basicantennaparameters),又称为电指标。
它们是定量衡量天线性能的尺度。
为了正确设计或选择天线,需要射频识别系统微带天线的研究了解发射天线的电参数[11]。
大多数天线电参数是针对发射状态规定的,以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。
下面介绍发射天线的主要电参数。
2.3.1方向性
天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波,但却不是均匀球面波,因此,任何一个天线的辐射场都具有方向性。
所谓方向性,就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向(子午角θ、方位角φ)的关系。
常采用归一化函数F(θ,φ)表示,即
(2.1)
其中,fmax(θ,φ)为方向函数的最大值;
Emax为最大辐射方向上的电场强度;
E(θ,φ)为同一距离(θ,φ)方向上的电场强度。
2.3.2方向图
a.方向图
将方向函数用曲线描绘出来,称之为方向图(FieldPattern)。
方向图就是与天线等距离处,天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。
依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。
辐射强度与辐射方向有关,这种关系以相对刻度描绘:
线性(功率方向图),平方根(场强方向图),分贝(dB)。
b.方向图参数
实际天线的方向图通常有多个波瓣,它可细分为主瓣、副瓣和后瓣。
(1)零功率点波瓣宽度(BeamWidthbetweenFirstNulls,BWFN):
指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
(2)半功率点波瓣宽度(HalfPowerBeamWidth,HPBW):
指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍(或等于最大功率密度的一半)的两辐射方向之间的夹角,又叫3分贝波束宽度。
如果天线的方向图只有一个强的主瓣,其他副瓣均较弱,则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。
(3)副瓣电平(SideLobeLever,SLL):
指副瓣最大值与主瓣最大值之比,一般以分贝来表示。
(4)前后比:
指主瓣最大值与后瓣最大值之比,通常也用分贝表示。
c.方向系数
方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态,但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度,未能反映辐射在全空间的分布状态,因而不能单独体现天线的定向辐射能力[12]。
方向系数能够定量地表示天线定向辐射能力的电参数。
方向系数定义为:
在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强∣Emax∣的平方)和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0(或场强∣E0∣的平方)。
(2.2)
式中Pr、Pr0分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。
从式子可知方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关[13]。
要使天线的方向系数大,不仅要求主瓣窄,而且要求全空间的副瓣电平小。
2.3.3天线效率
一般来说,载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗,因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。
可以用天线效率来表示这种能量转换的有效程度。
天线效率定义为天线辐射功率Pr,与输入功率Pin之比,记为ηA,即
(2.3)
2.3.4增益系数
方向系数衡量天线方向辐射特性的参数,它只决定于方向图;
天线效率则表示了天线在能量上的转换效能;
而增益系数(Gain)则表示了天线的定向增益程度。
增益系数等于在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向的辐射功率密度Smax和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0之比,记为G0。
(2.4)
(2.5)增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数,它是方向系数与天线效率的乘积。
在实际中,天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量,即使它们密切相关。
2.3.5天线的极化
天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度方向。
一般而言,特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向[14]。
实际上,天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变,天线不同辐射方向可以有不同的极化。
辐射场的极化,即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹,按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化。
媒质中某点的电场作为时间的函数沿直线振荡时称之为线极化波。
电场端点沿圆运动,称圆极化波。
电场沿
椭圆路径,则称椭圆极化波。
当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直
极化波;
当电场强度方向平行于地面时,此电波称为水平极化波。
水平极化波因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。
一般移动通信系统中采用垂直极化的传播方式。
随着新技术的发展,出现了一种双极化天线。
一般分为垂直与水平极化和±
45º
[15]。
极化两种方式,性能上一般后者优于前者,因此月前大部分采用±
极化方式。
双极化天线组合了+45º
和-45º
两副极化方向相互正交的天线,并同时工作在收发双工模式,大大节省了小区的天线数量。
任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆。
极化椭圆的长轴2A和短轴2B之比,称为轴比AR(AxialRatio)。
圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比︱r︱,一般是指其最大增益方向上的轴比。
对于纯圆极化波,︱r︱=1,即0dB。
轴比︱r︱不大于3dB的带宽,定义为天线的圆极化带宽。
2.3.6频带的宽度
当天线工作频率变化时,天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内,此时对应的频率范围称为频带宽度(bandwidth)。
根据频带宽度的不同,可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。
若天线的最高工作频率为fmax,最低工作频率为fmin,对于窄频带天线,采用相对带宽。
而对于超宽频带天线,常用绝对带宽。
通常,相对带宽只有百分之几的为窄频带天线,例如引向天线;
相对带宽达百分之几十的为宽频带天线,例如螺旋天线;
绝对带宽可达到几个倍频的称为超宽频带天线,例如对数周期天线。
2.3.7天线的输入阻抗和驻波比
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。
天线与馈线的连接,最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗,这时馈线终端没有功率反射,馈线上没有驻波,天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。
匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数、行波系数,驻波比和回波损耗。
用的较多的是驻波比和回波损耗。
电压驻波比(VSWR)用来评价负载接至无损耗传输线的不匹配程度。
其值在1到无穷大之间。
驻波比为1,表示完全匹配;
驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。
回波损耗等于反射系数绝对值的倒数(单位为dB)。
回波损耗的值在0dB到无穷大之间,回波损耗越小表示匹配越差,回波损耗越大表示匹配越好。
0表示全反射,无穷大表示完全匹配。
在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB。
2.3.8参数
散射矩阵S参数可以完全反映高频器件的反射与传输特性。
只需测得S参数,便可得到以上所需测量的参数。
2.4微带天线的馈电方法
大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元,因此,可以用微带天线或同轴线馈电。
因为天线输入阻抗不等于通常的50
传输线阻抗,所以需要匹
配。
匹配可由适当地选取馈电的位置来做到。
但是,馈电的位置也影响辐射特性。
因此,可用格林函数法来确定微带线馈电和同轴馈电位置的影响。
微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电结构示于。
馈电点的位置也决定激励哪种模式。
当天线元的尺寸确定后可按下法进行匹配:
先将中心馈电天线的贴片同50
的馈线一起光刻,测量输入阻抗并设计出匹配变阻器;
再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器,重新作成天线。
另外,如果天线的几何图形只维持主模,则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。
特定的天线模可用许多方法激励。
如果场沿矩形贴片的宽度变化,则当馈线沿宽度变化时,输入阻抗随之改变,从而提供了一种阻抗匹配的简单方法。
馈电位置的改变,使得馈线和天线之间的耦合改变,因而使谐振频率产生一个小的漂移,而辐射方向图仍然保持不变。
不过稍加改变贴片尺寸或天线尺寸,可补偿谐振频率的漂移。
2.5典型的微带天线和贴片材料
2.5.1微带天线的基本类型
微带天线基本类型有:
微带振子天线、微带行波天线、微带缝隙天线和微带阵列天线。
微带振子天线由介质基片、在基片一面贴有任意平面几何形状的导电体以及在基片的另一面敷以平面金属片所构成。
平面几何形状常见的有正方形、矩形、圆形、椭圆形,以及其他图案。
微带线行波天线是根据行波天线原理,在微带基础上做成的天线。
微带缝隙天线是由微带馈线和开在地片上的缝隙所组成,缝隙可以是矩形、圆形或环形,根据缝隙天线的原理来设计。
微带阵列天线用微带振子构成阵列天线,具有高增益、波束扫描和波束控制等特性。
2.5.2矩形微带天线
矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。
通常利用微带传输线或同轴探针来馈电,使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场,并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。
微带贴片如图2.1也可看作为宽为W、长为l的一段微带传输线,其终端处(y=l边)因为呈现开路,将形成电压波腹和电流的波节。
一般取l=λg/2,λg为微带线上波长。
于是另一端(y=0边)也呈现电压波腹和电流的波节。
图2.1矩形微带贴片天线示意图
2.5.3圆极化标签天线
由于RFID系统常用于待识别物体位置不固定的情况,标签天线要求共形、重量轻、体积小且又成本低的圆极化天线。
圆极化天线的意义体现在:
a.圆极化天线可接收任意线极化的来波,其辐射波也可由任意线极化天线收到。
这是标签天线普遍采用圆极化波工作的原因。
b.天线若辐射左旋圆极化波,则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波;
若天线辐射右旋圆极化波,则只接收右旋圆极化波。
c.圆极化波入射到对成目标(如平面、球
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