射频微带阵列天线设计毕业论文

射频微带阵列天线设计

摘要

微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。

本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS ，设计了中心频率在10GHz 的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。

关键词：微带天线 微带阵列天线 方向性 增益 HFSS 仿真

Design of Radio-Frequency Microstrip

Array Antenna

ABSTRACT

Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array have been wildly applied in the filed of wireless

communications, remote sensing and radar,and many other 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 elements arranged in accordance with certain laws together to form a microstrip array antenna to enhance the directivity and improve the gain of the antenna.

In this paper, after learning the basic theory 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 .Then 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.Then analyzed the simulation results, compared to the difference in the relevant parameters. The resulting suggested that because of the presence of mutual coupling effects and the impact of the presence of the feed network between the pickets, the return loss of microstrip antenna array is greater than the single microstrip antenna array, but antenna gain is significantly larger than a single array antenna, and the antenna array has a better directivity than the single microstrip antenna.

Key words: Microstrip Array Microstrip Array Antenna Directivity Gain HFSS Simulation

目录

摘要 ................................................................................................................................................... I

第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1

1.1 微带天线 ....................................................................................................................... 1

1.2 微带天线阵 . .................................................................................................................. 1

1.3 设计目标和内容安排 ................................................................................................ 2

第二章 微带天线和微带阵列天线的基本原理 . ............................................. 4

2.1 微带天线的基本原理 ................................................................................................ 4

2.1.1 微带天线的辐射机理 .................................................................................... 4 2.1.2 微带天线的馈电 ............................................................................................. 4

2.1.3 微带天线的分析方法 .................................................................................... 6

2.2 微带阵列天线原理分析 ............................................................................................ 7

2.3 天线的性能参数分析 ................................................................................................ 9

第三章 微带阵元天线设计 . ........................................................................................ 11

3.1 阵元设计 ..................................................................................................................... 11

3.1.1 介质基片的选取 ........................................................................................... 11

3.1.2 计算微带贴片的尺寸 .................................................................................. 11

3.1.3 馈电与阻抗匹配 ........................................................................................... 12

3.2 HFSS软件简介及设计步骤 .................................................................................... 13

3.3 微带阵列天线阵元的仿真过程 ............................................................................ 14

3.3.1 设计阵元模型并仿真分析 . ........................................................................ 14

4.3 天线阵元的总结分析 .............................................................................................. 18

第四章 微带阵列天线的设计 ...................................................................................... 20

4.1 阵元间距的选取 . ....................................................................................................... 20

4.2 并联式馈电网络设计 .............................................................................................. 21

4.3 微带阵列天线的仿真结果及其分析 ................................................................... 22

4.4 微带阵列天线的总结分析 ..................................................................................... 25

第五章 设计结论和工作总结 ...................................................................................... 26 参考文献 ................................................................................................................................... 27

第一章 绪论

1.1 微带天线

天线是无线通信系统中重要的组成部分之一，而天线的微型化、集成化是无线通信领域中一项关键技术，也是现代科技对天线技术的不断需求和走向，在此条件下人们提出了微带天线的概念。最早于1953年提出，当时德尚（G.A.Deschamps ）教授提出的利用微带线的辐射来制成微波天线的想法。但是由于缺乏更进一步的理论研究和当时制造工艺水平的限制，微带天线在那时并未引起工程界的重视，没有取得实质性的发展。微带天线真正发展、研究和应用开始于70年代。由于微波集成技术发展需要，加上制造工艺技术（介质基片的光刻等技术）发展，使得微带天线的研究不断深入。最终芒森（R.E.Munson ）和豪威尔（J.Q.Howell ）等研究人员在1972年研制出了第一批真正意义上用于实际的微带天线，微带天线的诸多优点也被人们所认知。在近三四十年对微带天线的探究不断发展，许多科学家对微带天线展开了广泛的研究，将其研究成果应用在许多方面。现如今微带天线已成为科学家们争相研究的热门领域，并较之前的研究取得了相当多的成果，理论及应用都有了长足发展。相较于常用的微波天线，微带天线主要体现了如下优点：

（1）体积小、重量轻、成本低，能够与集成电路很好地兼容；

（2）微带天线及其阵列天线剖面低，易于与载体共形；

（3）微带天线具有平面结构，可以设计成需要的形式和形状；

（4）便于获得圆极化，实现双频段，双极化等多功能工作需要；

（5）能和有源器件、电路集成为统一的组件；易于大量生产等。

正是由于具有上述优点，使得微带天线的应用层面非常广泛，例如：雷达精确识别与探测、地质地矿勘测、无线通信、卫星通信、便携式移动设备通信、军事电子干扰对抗等诸多军用和民用领域。同时，由于微带天线的结构特性，存在频带窄、增益低、功率容量小、方向性差等缺点。因此，在克服和改善这些缺点的基础上，充分发挥其优点，使其能很好地应用在实际中，是微带天线的主要研究方向。

1.2 微带天线阵

将若干个相同的单个微带天线按照一定规律排列组成的天线系统，称为微带阵列天线。相较于单个微带天线，微带天线阵具有强方向性、高增益、方向图易控制等优点。在设计和研究阵列天线时，需要考虑天线阵阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距、阵元上激励电流的振幅和相位以及连接阵元的馈电网络等，这些都决定着阵列天线的辐射特性。选择合理的设计方案，可以得到满足设计需

要的天线性能。天线阵按照不同的分类条件有多种，可以按照以下几种类型分类：

1、按阵元单元排列形式可分为线阵和面阵。

线阵是最常用的一种排列方式，它是指各阵元单元的中心依次等距排列在一条直线上的直线阵，也叫均匀直线阵。也可以各单元的中心等间距地排列在一条曲线上，比如均匀地排列在圆周上，也是线阵。若干个线阵按照一定间隔排列在某个平面上，就构成了平面阵。阵元排列方式也可以是三维平面，例如各单元中心排列在某个球面上，则构成了球面阵。

2、按最大辐射方向图形指向可分为侧射阵列天线、端射阵列天线、和非侧射非端射阵列天线。

侧射（也称边射）天线阵是指最大辐射方向为与阵元排列面垂直的方向的天线阵。端射阵列天线是指最大辐射方向指向与阵元排列平面平行方向的天线阵。非端射非侧射天线的最大辐射方向则指向与上述两方向不同的其他方向。

3、按照天线阵的在使用功能上的区别，可以将天线阵划分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。

由于天线阵的辐射电磁场是组成该阵列天线各个阵元单元辐射电磁场的矢量和，且各阵元单元的位置、馈电电流振幅和相位等可以独立调整，我们可以调整阵元的距离和相位，使其方向图在同一个方向有最大辐射，那么阵元的矢量叠加使得天线阵具有单向辐射的功能。

由于单个微带天线的增益通常都比较低，而且波束比较宽，方向性差，所以单个使用的效果不好。将若干微带天线组成微带阵列天线，可以很好解决这些缺点，从而应用在对性能要求更高的实际中。

在本文的天线设计中，主要运用了HFSS 软件对天线进行建模和对相关参数进行优化，并仿真得到天线的性能参数和结果。借助该软件，使我加深了对天线理论知识的理解，也使我学会运用软件去分析天线的各个性能指标，从而对天线和天线阵的设计有了更深层次的理解。

1.3 设计目标和内容安排

本文在学习天线的相关理论基础上，研究和设计了一个工作的中心频率在10GHz 的1×4均匀直线微带阵列天线。在设计过程中，需要根据相关理论计算、优化、确定单个阵元的相关参数设计出单个阵元，然后再选取合适的馈电网络将单个阵元组成天线阵，最后分别对单个阵元和整个天线阵用HFSS 进行仿真，运行得出结果，通过对比两者结果和性能参数，分析两者的性能差异，从而得出结论。

在本文内容安排上，第一章作为绪论首先简单概述了微带天线的发展历程、性能优缺点以及微带天线在实际中的应用领域；然后简单介绍了微带阵列天线的定义、分类和特点；最后提到了此次设计用到的HFSS 仿真软件和所做的主要工

作。

第二章主要介绍了微带天线和微带阵列天线的基本原理、分析方法和设计中需要得出的相关特性参数。

第三章主要介绍了此次微带阵列天线阵元的设计，包括选取材料，确定馈电方式，计算参数这几个前期准备步骤；然后介绍了此次仿真设计采用的软件HFSS 并对所设计的阵元的相关参数进行优化，并对优化后的阵元进行仿真，得出结果并进行分析。

第四章是对阵列天线的设计和仿真，包括阵元间距的确定和馈电网络的设计、对仿真结果进行分析。

第五章是对此次设计的总结，包括设计结论以及对所做工作内容的简述。

第二章 微带天线和微带阵列天线的基本原理

2.1 微带天线的基本原理

图2.1 微带天线的示意图

微带天线的示意图如上图所示，是在一块在厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷上金属辐射贴片、另一面敷上金属层作接地板而成，通过微带线馈电或者同轴线馈电的方式，在辐射贴片与介质基片的金属接地层之间激励起电磁场并向外辐射。由于微带天线的辐射是场是由贴片和基片的接地板之间的缝隙产生的，因此从理论上说微带天线也常常被视作一种缝隙天线。微带贴片可以是矩形，圆形或者圆环形等规则面积单元，成为微带贴片天线。

2.1.1 微带天线的辐射机理

微带天线的辐射机理可以用微带天线的最普遍一种形式：以微带贴片天线为例来进行解释说明。如图2.1所示，微带天线的辐射电场是由微带贴片边缘和介质基片的接地层之间的边缘场产生的。设辐射贴片的宽为w ，长为半波长λ/2，介质基片的厚度为h ，这样，辐射贴片和介质基片和接地板可以被看作一段长为半波长的低阻抗微带传输线。前面已知介质基片厚度h 远小于工作波长λ，故可假定辐射电场沿微带结构的宽度和介质基片厚度的方向没有变化，而是仅沿着长度为λ/2的贴片长度方向变化。由于微带天线的辐射基本上是由贴片边沿的边缘场引起的，那么就可以将辐射电场分解为垂直于接地板平面和平行于接地板平面的两个分量。由于已知微带贴片的长为λ/2，即半波长，故两个垂直于接地板平面的分量反相，而他们在远区场在正面方向上相互抵消；两平行于接地板平面的分量则同相，故他们的合场强叠加增强。因此垂直于接地板平面方向的辐射场是最强的。所以微带天线可以看作相距λ/2、长度为w 、缝隙宽度为介质基片厚度h 的缝隙天线。

2.1.2 微带天线的馈电

微带天线有多种馈电方式，如微带线馈电、耦合馈电、同轴线馈电和缝隙馈电，其中微带线馈电和同轴线馈电是最常用的两种馈电方式。

1、微带线馈电

微带线馈电又称侧馈。

所采用的是利用微带线与辐射贴片相连作为传输线进

行馈电的。由于微带馈线与微带贴片是处在同一平面，制造时只需要将馈线和贴片一起光刻，操作简单容易大量生产。微带线馈电的缺点是馈线自身也有辐射会干扰天线方向图，产生旁瓣电平，而且在一定程度上降低天线增益，使得天线性能降低。因在设计时要求微带线线宽尽量窄且远小于工作波长。

微带线馈电需要考虑天线输入阻抗与特性阻抗的匹配。常见方法有三种：1）可以通过选择适当的馈电点的位置来实现；2）通过改变微带贴片的宽度实现；3）通过设计阻抗匹配器来实现。为达到最佳匹配效果通常会采用两种或者三种方式来进行阻抗匹配。研究发现馈线与贴片在贴片宽上的连接位置（即馈电点位置）变化，则贴片的输入阻抗随之变化。由于馈线与微带贴片之间的耦合效应，使得天线谐振频率与工作的中心频率之间有一个小的移位，可以通过稍加改变贴片尺寸，借助计算机软件找到最合适的尺寸使得天线谐振频率回到中心频率上。根据馈电点的位置，可分为中心馈电（馈电点在贴片边沿的中点）和偏心馈电（馈电点不在贴片边沿中心）两种。

示意图如下：

图2.1.2.1 微带线馈电

2、同轴线馈电

同轴线馈电的示意图如下：

图2.1.2.2 同轴线馈电

同轴线馈电方式又称为背馈，它是将同轴插座安装在介质基片的接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片的中间层连接到辐射贴片上。同轴线馈电也需要考虑阻抗匹配。由于天线的输入阻抗与馈电点位置有关，所以选择合适的馈电点位置达到阻抗匹配的最佳效果。相较于微带线馈电，同轴线馈电由于馈电点位置可以在贴片上任何位置，且由于没有微带线从而避免了对天线辐射的影响。但是在获得阻抗匹配时对馈电点位置的确定比较复杂，且制作加工起来比较复杂。

2.1.3 微带天线的分析方法

为了得到天线的一些特性参数，比如天线的增益、输入阻抗、回波损耗和方向图等，需要对天线周围空间的电磁场进行理论分析。目前对天线的分析方法有：传输线法、腔模理论、多端口网络模型、数值分析法等，选择合适的分析方法可以对天线的一些性能参数进行预先的估算处理，从而方便天线的设计的效率。下面将对此次设计用到的几种分析方法进行解释说明。

（1）传输线法

传输线法是一种简单又比较常用的分析方法。前面在说明微带天线的辐射机理时我们已经知道天线的辐射场主要由开路端处的边缘场产生，且沿垂直天线平面的驻波变化，在此基础上将微带贴片天线作为一种辐射场在平行天线平面方向没有变化的谐振器进行分析。传输线法分析时需要基于以下几两个假设：1）微带贴片跟介质基片的接地层构成微带传输线，在介质基片的中间传输TEM 波，且波传输方向由馈电点的位置。微带天线的辐射场是向上的驻波分布，在垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两个辐射缝，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上，即是将开口面向上折转 90 度，而开口场强也随之折转。

传输线模型理论分析方法计算量少，方法简单，可以直观地由其物理模型进行理解。但是也有其局限性。比如：传输线法只能用于矩形微带天线和微带阵子天线，对其他形状和形式的天线不适用，而且由于传输线法是一维上的分析模型，所以在考虑馈电点沿传输线宽度变化时的输出阻抗时不准确（分析时改变馈电点位置输出阻抗不变，但是在实际实验中发现，馈电输出阻抗与馈电点在微带贴片便于的位置有关）。

2. 数值分析法

与传输线法的基于假设条件不同，数值分析法是对工作波段中的具体数值进行理论计算分析。由给所设计天线给出的边界条件列出场源特性分布的积分方

程，再解方程得到源分布特性，再由一系列的积分方程的解来确定总场。需要说明的是，与传输线法的简单模型分析相较，数值分析法是一种精确求解的分析方法。在数值分析过程中积分方程的求解和计算相当复杂，一般需要借助相关的计算机工具来完成，现在用来计算求解这些场分布特性的计算机辅助软件有多种，使用这些软件大大提高了分析的效率和精确度。数值分析法主要可以分为矩量法（MOM ）、时域差分法（FDTD ）和有限元法（MEW ）。此次设计用到的HFSS 软件所采用的就是上述数值分析方法中的一种：有限元法，因此下面对该方法进行解释说明。

有限元法（Finite Element Method）是将需要求解的区域（由边界条件确定）划分为一个个的单元网格，给每个单元网格规定一个在各自单元区域内解析、其他单元内为零的基函数，这样使得在分析每个单元时相互独立，这样在全区域的求解分析就被离散为了对每个单元的求解分析，将得到的各个单元网格的求解整合就得到了整个区域内的求解。划分单元网格时，根据求解需要可以将其划分为矩形、三角形等平面形状。如果是求解区域为三维结构，则网格单元相应地可以是六面体、四面体等立体形状。相关研究已经证明，采用正三角形或正四面体划分网格时，得到的求解结果最为精确。为了使求解过程尽量简化，通常采用多项式来作为单元网格的基函数进行求解分析。比如设计用到的HFSS 仿真软件采用的是三角形的单元网格划分时，基函数为一次多项式。利用有限元法分析问题时可分为以下几个步骤：1）将求解区域进行网格划分，确定网格单元的基函数；2）根据网格单元区域的边界条件列出各个单元求解方程；3）将得到的网格单元方程整合，组成整个区域内的方程组；4）求解所列方程组，根据求解结果得出辐射场的特性分布。

需要指出，为了减少计算机的计算量，并且使得出的结果更加精确，在设计时应使得辐射边界不能过大，在满足所需要的辐射区域的基础上尽量减小辐射边界尺寸。

2.2 微带阵列天线原理分析

由若干个相同的微带天线按照一定方式排列成直线或者平面结构的天线系统称为微带阵列天线，要求组成天线阵的阵元结构和排列取向相同。本文采用的是4阵元的均匀直线阵，所以将重点说明均匀直线阵的原理分析。

图2.2 均匀直线阵天线的原理图

均匀直线阵是指阵元按照相同的形式排列成一条直线，且其相位沿直线均匀递减和或者递增的电流馈电。上图表示的就是一个N 阵元均匀直线阵，图中0—N-1表示Ｎ个阵元，延ｘ轴排成一条直线。这里要求每个阵元在结构形式与排列方式相同，天线阵方向图函数为元因子与阵因子的乘积。于是需要考虑的是阵因子与因子关系式βd =2πd λ和相邻元之间相位差ξ如何建立联系，由原理图分析得到阵列在 H 面（xoy ）内的归一化阵因子关系式为：

式中

上式为一几何级数的多项式，可以得到其和为：

（式2.2.2） （式2.2.1）

（式2.2.3） 这样上式就构成了均匀直线阵列天线的归一化因子表达式。

根据想要得到的最大电场辐射与天线平面方向的关系，可以将均匀直线阵分为两大类。

1. 边射阵

边射阵得到的辐射电场的最大值方向在垂直于天线平面的方向，即各阵元的辐射场在垂直天线平面方向同相叠加。此时的阵元的电流同相。即β=0.此时有：

ψ=β+kd cos α=kd cos α （式2.2.4）

由上式可知，当α=±π

2时，ψ=0，阵元在该方向上产生场的同相叠加。如果

阵元的最大辐射方向也在该方向叠加，那么直线阵的最大辐射方向必然也是在此方向上。故构成了边射式均匀直线阵。

2. 端射阵

端射阵跟边射阵正好相反，端射阵的辐射电场最大方向在阵元排列的直线方向，此时α=0度，且ψ=0，则由式2.2.4可知，此时

β=-kd （式2.2.5） 对于上式进行物理意义的分析：在此端射阵中，各个阵元的电流相位存在一个角度的滞后，此时我们已经知道滞后的这个角度在数值上等于阵元间距在α=0方向上的相位差kd 。当使得β=-kd 时，此时两相邻阵元产生的辐射场在α=0方向上引起的相位差为kd ，即与阵元自身的电流相位β=-kd 相互抵消，这样就使得所有阵元在α=0方向上产生的辐射场同相叠加达到最大值。 此次设计的均匀直线阵就是采用的边射式直线阵。

2.3 天线的性能参数分析

（1） 增益系数

天线的增益系数是指在相同的输入功率下，在某一距离和角度天线在最大辐射方向上某处辐射功率密度与无方向性天线在同一处辐射功率密度之比，也可以用天线的方向系数和其效率的乘积来表示。天线的增益系数表明了天线在最大辐射方向上比理想的无方向性天线把输入功率增大的倍数，因此，天线的增益系数可以很好地表征天线对功率集中辐射的能力。所以天线增益是一个衡量天线性能的重要参数，增益越大，代表天线在特定方向上的辐射效果好。因此我们需要尽量得到增益高的天线。

（2）天线的方向图

天线方向图又叫辐射方向图和远场方向图。是指在距离天线一定距离的辐射场的相对场强随方向变化的图形，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。辐射方向图主要包括主瓣宽度、旁瓣电平和前后比等。由天线的方向图可以直观看出天线在某一特定方向的增益和辐射强度。因此，天线的方向图也是衡量天线性能的一个重要指标。

（3）回波损耗参数（S11参数）

回波损耗表示的是传输线端口的反射功率与入射功率的比值。用对数表示时单位是dB 。S11参数可以看出天线工作时能量经传输线后有多少被反射回了入射源，因此S11参数也是表明天线性能的重要指标，S11如果比较大，就表示反射回来的能量比较大，相应的发射出的功率就比较小，从而使天线的效率就比较低了。因此，在设计天线时应尽可能使S11参数比较低，从而保证天线在工作时尽可能地把能量发射出去，使天线有比较高的效率，这是保障天线性能的一种方式。

（4）天线的输入阻抗

阻抗匹配是衡量输入电路与输出电路之间功率的差异的一项指标。换言之就是反映天线在工作时输入端经过传输线到达输出端消耗了多少功率，表示的是传输线的损耗。达到理想的输入阻抗匹配时，没有发生传输线损耗，则输入端输出的能量没有损耗全部输送到终端负载，表明在这一过程天线的能量被完全地利用到了，效率是百分之百，当然这是理想情况，在实际中都会发生损耗。在失配情况下，由于此时传输线上存在反射波，使得传输线输送的功率的过程中发生损耗使得能量不能全部被负载吸收，因此会降低天线的效率。在天线的设计中，应尽量使辐射贴片的输入阻抗与50Ω微带线或者馈电网络进行匹配，从而提高天线的效率。

第三章 微带阵列天线设计

此次设计的目标是设计一个工作中心频率为10GHz 的1×4均匀直线阵。分两个方面实现：一是设计阵元，二是将阵元组成阵列。在设计阵元过程中需要选取贴片和介质基片材料、计算相关尺寸、选择馈电方式，然后通过仿真优化参数，最终确定参数进行仿真，得出结果进行分析。组成阵列设计时，需要设计连接阵元的馈电网络，再设计出整个阵列，进行仿真，得出结果并进行分析。

3.1 阵元设计

我们选取的是最为常见的矩形微带贴片，采用微带线馈电的方式的偏心馈电，将微带馈线与导体贴片的左边缘相连。这样的阵元结构比较简单，选取的馈电方式也方便了后来阵列天线中的馈电网络设计。为了得到很好地天线性能，我们需要通过分析和计算来确定微带天线阵元中的相关参数。

3.1.1 介质基片的选取

设计微带天线时第一步需要选取合适的介质基板，并经过理论分析和计算确定介质基片的厚度，因为介质基板的相对介电常数εr 和损耗正切值tan δ还有其厚度h 决定了微带天线其他参数和性能指标。研究发现，较厚的介质基片可以增加辐射功率，降低导体损耗和提高阻抗带宽，但是也会增加介质损耗、表面波损耗和来自微带线的辐射干扰，同时也增加了重量。而对于相对介电常数εr ，根据理论，低介电常数材料的介质基片可以增加微带贴片周围的边缘辐射场，从而提高天线的辐射功率，但是介电常数过低会使得微带贴片的尺寸变得比较大。综合以上考虑，本文选择了聚四氟乙烯材料Arlon AD270，其介电常数εr =2.7,损耗正切值为0.0023，选择基片厚度h 为1.2mm 。

3.1.2 计算微带贴片的尺寸

经过前人的研究以及理论推导，微带贴片天线的宽度w 可由下面的公式计算得到： w =c

2f ⎛r +1⎫ ⎪ 2⎪⎝⎭ -12 （式3.1.1）

式中c 表示光速，f 表示天线工作的中心频率。接下来就是设计贴片的长度了，

一般取贴片长度为λe ，λ

c e 为介质体内部的导波波长，为： λe =

f e （式3.1.2） 式中的εe 是有效介电常数，由介电常数εr 和介质基片厚度与贴片的宽w 的比值共同决定，其关系式为： +1-1h =+(1+12) ε22w r r

e -12 （式3.1.3）

而实际中应考虑贴片的边缘缩短效应，所以实际微带贴片的长度应为： L =

c 2f -2∆L

e （式3.1.3）

式中∆L 表示的是等效辐射缝隙长度，由εe 和贴片宽w 与基片厚度h 的比值决定，关系式如下： ∆L =0. 412h (e +0. 3)(h +0. 264)

(e -0. 258)(h +0. 8) （式3.1.4）

由于f=10GHz，εr =2.7，h=1.2mm，根据以上公式求得w=11.03mm，εe =2.18，∆L =0.60，L=8.96mm。至此微带天线的相关参数已经初步确定。

3.1.3 馈电与阻抗匹配

前面已经介绍微带天线的馈电方式有好几种，我们选择的是最常用也是结构最简单的微带线馈电的方式，馈电点位于贴片边缘位置的偏心馈电方式。馈线是50Ω的微带线，利用微带线计算工具，输入介质基片的介电常数、厚度、贴片的厚度（35μm ）、工作频率，可计算出50Ω微带线的宽度为3.02mm 。

一般来说，微带天线的边缘阻抗为100Ω～400Ω，要想与50Ω的微带馈线相匹配，则微带天线与馈线之间需设计一个阻抗变换器，通常是一个长度1/4波长的阻抗转换器。假设馈电点位置的输出阻抗为

为Z 1，则阻抗匹配的条件为： Z 1

式中Z 0=50Ω，=Z L ，1/4波长阻抗转换器的阻抗Z Z 0L （式3.1.5） Z L 与馈电点与贴片边缘的距离有关，可根据相关公式求得。在设计单个微带天线时，为充分发挥微带天线的性能，所以必须考虑阻抗匹配问题，

因此必须设计一个1/4波长转换器。但是在设计阵列天线时，作为阵元，在设计阵元的时候，我们暂不考虑阻抗匹配的问题直接将50Ω馈线与微带贴片相连，故不设计阻抗转换器。将在阵列的馈电网络设计中用到相关理论。

3.2 HFSS软件简介及设计步骤

HFSS （High Frequency Structure Simulation）是由美国Ansoft 公司开发设计出的一款功能强大的三维电磁仿真软件，该软件涵盖射频和微波器件设计，天线、阵列天线和馈源设计，高频 IC 设计，高速封装设计，高速 PCB 板和 RF PCB 板设计等许多设计领域的仿真分析，帮助设计人员解决在设计过程中遇到的分析问题和优化设计, 现已在航空航天、电子、半导体、计算机、通信等众多领域有着广泛的应用，随着该软件的不断更新升级，实现的功能也越来越大，因此有着很好的应用前景。该软件采用的是基于数值分析的有限元法，能对设计结果实现精确计算，并对其设计模型的方向图、内外场分布等性能进行精准预测，同时还可以优化设计模型的相关参数，得到满足设计需要的模型。应用在天线领域时，使用HFSS 可以对设计的天线模型进行参数优化，得到精确天线性能参数，包括二维和三维平面远近场辐射方向图、天线的方向系数、增益、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电压驻波比、S 参数等。借助该软件，能大大减少在天线设计时的误差，提高所设计天线的性能，并帮助我们很好地对天线的性能进行分析和理解。使用HFSS 对天线进行仿真包括以下几个步骤：

（1）设置求解类型。选择模式驱动（Driven Modal）或者终端驱动(Driven Terminal) 求解类型。

（2）创建天线的结构模型。根据计算得到的相关尺寸参数和已确定的结构，在HFSS 模型窗口设计出天线的参数化模型。也可以将事先在AutoCAD 、Pro.E 等绘图软件设计好的参数模型导入到HFSS 窗口里。

（3）设置边界条件。使用HFSS 进行天线设计时，需要将与背景接触的表面设置成理想导体边界，这样HFSS 才会计算出天线的远区辐射场。

（4）设置激励方式。天线通过传输线或波导传播信号天线与传输线接口处即为馈电面或者激励端口。设计时馈电面的激励方式的选取主要有两种：波端口激励（Wave port ）和集总端口激励（Lumped Port ），这两者的区别体现在，一般与背景相接触的馈电面使用波端口激励方式，在模型内部的馈电面使用集总端口激励。

（5）设置扫频分析参数，即设定天线工作的中心频率和扫频频率范围以及扫频迭数。

（6）求运行求解分析。在完成前面几步之后，运行仿真。

（7）查看运行结果。运行软件仿真之后，在进行数据后处理部分可以查看运行结果中的各项性能参数。

（8）Optimetrics 优化设计。如果结果中的某些性能参数达不到设计要求，就需要对天线的相关结构尺寸进行优化，得到符合设计性能要求的天线设计。 本次设计采用的HFSS v15.0版本。

3.3 微带阵列天线阵元的仿真过程

在第三章中我们已经确定了微带天线的介质基片材料、厚度、介电常数，通过计算得到了贴片的长度和宽度、50Ω微带线的宽度，选取微带线馈电的方式，馈电点在贴片边缘。下面以表格的形式将各参数列举出来。

表4.2 设计阵元模型参数

3.3.1 设计阵元模型并仿真分析

设计模型如下图所示：

图3.3.1 阵元的三维设计模型

设计好模型之后，检查和确认设计模型的准确性和完整性，运行仿真。待仿真完之后，对仿真结果进行查看分析。

（1）回波损耗参数分析及参数优化

阵元信号端口回波损耗（即S 11）的扫频结果分析，查看天线的谐振频率是否在工作中心频率10GHz 上。S 11的扫频分析结果如下图所示：

图3.3.2 S 11的扫频结果分析

由上图看出天线的谐振频率在9GHz 以前，即小于9GHz ，不在中心频率10GHz 上。而且在10GHz 时，天线的回波损耗太大，为-4.14dB 。达不到设计所需的高性能。所以我们需要对设计进行优化，使得谐振频率在设计的10GHz 。

经过相关理论分析，天线的谐振频率跟辐射贴片的尺寸、介质基片的介电常数和厚度决定。其中主要作用明显的是辐射贴片的长度L 。相关理论研究发现，辐射贴片长度越短，则谐振频率越高。为了尽量保留原有参数，我们通过改变辐射贴片的长L 来获得满足设计需要的谐振频率。利用HFSS 软件的Optimetrics 模块来得到改变辐射贴片长度L 后的各S 11参数扫频分析图。需要说明的是，要想得到精确的谐振频率所对应的贴片长度L ，往往需要经过多次优化，优化次数越多，得到的结果更精确。前面通过计算得到额辐射贴片的长为8.96mm 。这里设置L 的长度分别为7.5mm 、8.0mm 、8.5mm 、9.0mm 、9.5mm 。得到一组S 11扫频分析图，如下图所示。

图3.3.3 不同L 所对应的S 11参数曲线

由上图可以看出，当改变辐射贴片长L=8mm时，阵元天线的谐振频率为10GHz ，且此时天线的回波损耗值为-19.84dB ，较辐射贴片长为8.96时有了大幅度降低，性能较好。故我们将修改辐射贴片长为8mm 。优化完成，优化后的S 11扫频分析结果图如下：

图3.3.4优化后的S 11扫频分析结果图

对比优化之前的扫频分析图，可以发现优化之后天线的谐振频率为设计要求的中心频率，同时大大减小了回波损耗，说明天线的大部分能量经过微带线传输出去了，从而很好地改善了天线的性能。

（2）阵元的三维增益方向图

天线的三维立体方向图仿真结果如下图所示：

图3.3.5 天线的三维增益方向图

从得出的仿真结果图中可以看出，天线的最大辐射方向集中主要在Z 方向一片，即垂直于天线平面方向。最大增益为7.76dB 。但是方向性不明显，这是由于微带天线自身结构特性决定的。所以需要通过组成阵列天线等方式提高天线的方向性。

（3）阵元的输入阻抗及阻抗匹配

仿真结果中天线的输入阻抗特性曲线和史密斯圆图如下图所示，从图中可以看出，在工作中心频率10GHz 对应的纵坐标为58，说明天线的输入阻抗为58Ω，与微带线的特性阻抗50Ω已经非常接近了。再看史密斯圆图中可以看出，在中心频率10GHz 处对应的阻抗匹配参数为1.1721-0.1398i 。说明天线与微带馈线已经达成了很好地阻抗匹配效果，这也对应了前面天线的回波损耗分析的结果。说明设计的天线效率比较高，性能较好。

图3.3.6阵元天线的输入阻抗

图3.3.6 阵元天线的史密斯圆图

3.4 天线阵元的总结分析

由仿真结果得到的相关性能参数我们可以总结出，首先天线的尺寸参数影响着天线的谐振频率和相关性能。通过优化天线单元的尺寸，可以得到工作在中心频率的谐振频率。而且优化尺寸后的天线的回波损耗参数大大降低，使天线的性能得到很好地提升，也使得天线的输入阻抗得到很好地匹配，从而使天线的利用效率提高了。但是在单个阵元天线中，从得到的方向图来看，天线的方向性不强，

增益也不高，这是由于天线的结构特性决定的，这是天线重要的性能指标，所以下一步的研究方向是增强的天线的方向性，提高天线的增益，使微带天线充分发挥其作用。

第四章 微带阵列天线的设计

从前面的阵元仿真结果我们已经知道，单个阵元天线使用起来方向性不强，增益低，往往达不到天线在实际应用的强方向性、高增益的性能指标。所以需要想办法改善单个天线的方向性和增益问题。

将单个阵元按照一定规律排列组成阵列天线，可以很好地解决微带天线方向性差、低增益的缺陷。阵列天线利用的是使阵元在远区辐射场同相叠加的原理提高天线的方向性和增益系数。此次设计中，由于只是对阵列天线的性能和参数进行定性的分析，我们为了使设计简单，设计的是一个4元均匀直线阵列天线，采用的是阵元同相激励电流，所以是一个4元的边射阵，得到的最大辐射方向也是在垂直天线平面方向。阵元的馈电方式和馈电点的位置跟上一章阵元设计一样。连接阵元的方式是设计一个并联结构的馈电网络，选用并联结构的馈电网络的理由是并联结构可以保证阵元的电流相位一致，且阵元数较少，容易设计。微带阵列天线的设计模型如下图所示：

图4-1 微带阵列天线的结构模型

在上章中我们已经对阵元的相关尺寸参数进行计算和确定，在阵列天线设计我们直接使用上章阵元的参数，因此阵列天线设计时所需要做的相关参数选取和计算只有阵元间距的确定和馈电网络的设计。

4.1 阵元间距的选取

根据相关理论研究，选择合适的阵元间距可以提高天线的增益。阵元间距过

小，由于阵元之间的耦合作用会降低天线的效率，从而使得阵列天线的增益效果明显。因此加大阵元间距有助于提高天线增益，但是如果阵元间距过大可能会使得阵列天线的副瓣比较大，也会影响天线的效率，其次从天线的集成效果来看，较大的阵元间距会使得阵列天线的长度也会变得很大，当阵元数目比较多时整个天线系统尺寸也就相当大，应用起来会不方便。一般认为，取阵元间距为0.6～0.8倍工作波长时，可以一定程度上减小阵元间的耦合作用，而此间距下的阵列天线长度也会比较合理。此次设计选取天线的阵元间距为0.75倍工作波长：

d =0. 75

计算得阵元间距为22.5mm 。 c f （式4.1）

4.2 并联式馈电网络设计

并联式的馈电网络可以很好地使阵元电流相位一致，达到边射阵的设计要求。需要说明由于是并联结构，所以此馈电网络只适用于阵元数为2的幂次数的阵列天线。馈电网络模型如4.2所示。

设计馈电网络主要是考虑天线输入电阻的阻抗匹配。由于选用的微带线阻抗为50Ω，与天线的输入阻抗一般情况下是不匹配的因此我们考虑利用馈电网络使天线输入阻抗与微带线进行良好的匹配，所以连接阵元的馈电网络就是一个大的四分之一物理波长阻抗转换器。通过前面对阻抗匹配的介绍，我们知道阻抗匹配需满足的条件是：Z 1=0L 。接下来我们就需要根据阻抗匹配条件来确定馈电网络的尺寸。也就是每一段的长和宽。具体的确定方法为：竖着（除了最下面的一段）的微带线的长均为四分之一物理波长，也就是4.92mm 。横着的微带线长分别为一倍间距和两倍间距，即22.5mm 和45mm 。微带线的宽的确定方法为：先由阻抗匹配条件公式确定特性阻抗，再借助微带线计算工具由特性阻抗确定微带线的宽度。

图4.2 并联式馈电网络结构模型

设计好馈电网络之后，把阵元设计进去，构建微带阵列天线模型，用HFSS 进行仿真。

4.3 微带阵列天线的仿真结果及其分析

（1）微带阵列天线的方向图

微带阵列天线的三维立体方向图如图5.3-1所示。从图中我们可以看出，所设计的阵列天线的辐射场主要集中在垂直天线平面方向，即图中所示的Z 轴方向，与单个阵元的方向图相比，阵列天线的辐射方向图更有指向性，场强主要集中在Z 轴方向。这是阵元辐射场在该方向叠加的效果。

图4.3.1 微带阵列天线的三维立体方向图

图4.3.2 微带天线的平面方向图

图4.3-2两条曲线对应的是为天线在XOZ 平面和YOZ 平面的辐射方向图，在图上 可以看出，在XOY 平面天线没有明显的方向性，主瓣宽度比较大，基本无旁瓣；而在YOZ 平面，天线的方向性明显，主瓣突出而且比较窄，旁瓣电平多。这是由于阵列天线的排列结构影响的结果。因为阵元排列在XOY 平面与Y 轴平行的一条直线上，阵元在YOZ 平面沿辐射电场同相叠加，由于阵元之间存在波程差，使得阵元在各个方向的叠加效果不一样，因此产生较多的旁瓣；而在沿Z 轴方向阵元的最大辐射电场相互叠加，得到阵列天线的最大辐射方向，因此主瓣突出。由于阵元在XOZ 平面都是等相位的，因此阵列的辐射方向取决于阵元的辐射方向，阵元的方向性本身就不明显，因此在阵列天线XOZ 平面的方向性也不明显。但是综合阵列天线的三维立体方向图我们可以看出，阵列天线的方向性与单个阵元相比还是有很大的提高。

从图中的标记还可以知道，天线的增益为13.2446dB, 与单个阵元的7.76dB 相比，提高了约3.5dB 。理论研究表明，阵列天线的阵元数越多，天线的方向性更好，增益系数也越大，所以阵列天线的性能较单个天线更好。

（2）天线的回波损耗参数S11

微带阵列天线的回波损耗分析图如下图所示。由图中可以看出阵列天线的回波损耗较之前单个阵元的损耗要偏大，这是因为阵列天线中阵元之间存在耦合效应，使得天线的回波损耗比较大。但是在设置的频率范围内，回波损耗有足够的衰减，且在实际应用允许的回波损耗范围内，故此阵列天线还是有很好的性能。

图4.3.3 微带阵列天线的S11参数分析图

（3）微带阵列天线的输入阻抗及阻抗匹配

天线的输入阻抗分析图和史密斯圆图分别如图4.3.4和4.3.5所示。

从图4.3.4中可以看出，在中心频率10GHz 上阵列天线的输入阻抗为55.56Ω，与微带线的阻抗50Ω非常接近，说明阵列天线与微带线达到了很好地匹配效果。从5.3.5的史密斯圆图上可以看出在中心频率10GHz 上天线的阻抗匹配系数为

1.1112-0.8252i 。从而也证明了天线与微带线达成了很好的阻抗匹配效果。说明该设计的微带阵列天线性能优良。

图4.3.4 微带阵列天线的输入阻抗分析图

图4.3.5 史密斯圆图

4.4 微带阵列天线的总结分析

通过设置合适的阵元间距，通过阻抗匹配的原理及公式计算和设计符合设计要求的馈电网络，用馈电网络将阵元连接起来设计成微带阵列天线。通过仿真结果可以看出，天线的方向图明显，增益高，回波损耗参数满足实际工程需求，阻抗匹配效果良好，因此微带阵列天线总体性能比较好，有很好的理论参考价值。

第五章 设计结论和工作总结

在了解微带天线应用特点的背景下，知道微带天线有着体积小、重量轻、易于集成和与载体共形等优点使得微带天线在许多领域有着广泛的应用。同时微带天线存在增益小、方向图不明显等缺陷制约了其理论研究和实际应用。理论研究发现将若干微带天线按照一定规律排列组成微带阵列天线可以很好地解决这些问题。于是通过学习和了解天线和阵列天线的相关理论，分别设计出了工作中心频率在10GHz 的单个天线和4元均匀直线阵列天线，通过HFSS 仿真软件对相关参数进行优化改进后分别对阵元天线和阵列天线进行仿真，从仿真结果得到的相关性能参数和图示进行对比，验证微带阵列天线能提高天线增益和方向性的结论。

针对此次设计目标，我主要做了如下工作：

1. 学习微带天线的相关理论，了解微带天线的辐射机理和分析方法，并了解天线的特性参数。

2. 根据相关理论和公式，通过分析和计算得到设计天线所需要的参数。设计出天线的结构模型。

3. 利用HFSS 软件对构建的模型进行仿真并对模型的相关参数进行优化，得到性能更加具有理论分析价值的天线。

4. 对所设计并完成优化后的微带天线单元和由其组成的微带阵列天线进行仿真，对比仿真结果和相关性能参数，得出结论。

通过对阵元天线和阵列天线的仿真结果进行分析发现，所设计的4元微带阵列天线增益系数比单个阵元曾大了3.5dB ，同时阵列天线的方向图比单个阵元的方向图指向性更好，说明阵列天线的方向性要强于单个天线阵元。于是可以得出结论：将单个微带天线设计成微带阵列天线可以提高增益，增强方向性。验证了相关理论的正确性。

参考文献

[1]. 惠鹏飞，夏颖，周喜全，淘佰瑞，苗凤娟；基于HFSS 的4×24微带阵列天线的设计与研究[J]；齐齐哈尔大学学报；2010,26(5).

[2]. 汪涛，黄正峰，张鉴，张天畅；微带阵列天线的设计与FDTD 分析［J ］；船检电子工程；2013年第12期.

[3]. 汪涛，黄正峰；直线阵列天线的设计与性能分析[J]；信息技术；2014年第4期.

[4]. 夏颖，惠鹏飞；L 波段平面微带阵列天线的优化设计[J]；高师理科学刊；2008,28(1).

[5] 郝欣欣，段耀铎，徐海东，张怀武；64单元Ｘ波段高增益圆极化微带阵列天线设计[J]；微波学报；2014,30(5).

[6] 韩国栋，武伟，杜彪；一种宽带双极化波导阵列天线的设计[J]；现代雷达；2013年，35(1).

[7] Sharma,P.;Gupta,S.Bandwidth and gain enhancement in

microstrip antenna array for 8GHz frequency applications[J].Engineering and Systems(SCES),2014:1～6. [8] Sabban,A.Ka band microstrip antenna arrays with high efficiency[J].Antennas and Propagation Society International

Symposium1,999,4:2740～2743.

[9] Jagadish,M.;Ramya,T.Design and parametric analysis of

microstrip antenna array for increased gain.Communications and Signal Processing(ICCSP).2014:622～626.

[10] 王新稳，李延平，李萍；微波技术与天线（第三版）[M]；北京：电子工业出版社，2011:182～223.

[11] 李明洋，刘敏；HFSS 天线设计（第2版）[M];北京：电子工业出版社，2014:268～295.

[12] 倪国旗，梁军，余白平，张涛；一种宽频段高增益16单元微带天线

阵设计[J]；电讯技术；2013,53(6).

[13] 张明民，鄢泽洪；圆极化微带阵列天线的设计[J]；电子科技；2010，23(9).