2.4 GHz RFID阅读器微带天线设计

东 莞 理 工 学 院

本 科 毕 业 设 计

毕业设计题目：2.4 GHz RFID阅读器微带天线设计 学生姓名：XXX 学 号：200741302XXX 系 别：电子工程学院 专业班级：通信工程2班

指导教师姓名及职称：赖颖昕（讲师） 起止时间：2010年10月—— 2011年5月

摘 要

本文研究的是微带天线的设计，讨论了矩形微带天线工作原理、结构及其应用。Ansoft HFSS12的使用是本设计研究的重点，它适用于射频/无线通信天线及其他任意形状三维电磁场仿真。HFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器，拥有空前电性能分析能力的功能强人后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。 本文给出了设计矩形微带线贴片的设计公式，然后，详细描述了设计中心频率为2.4GHz矩形微带天线的整个的流程：第一步根据设计公式计算出初步的微带天线的物理尺寸，由于计算天线的物理尺寸使用的计算公式都是经验公式，与实际中有所误差，所以它的物理尺寸需要调整，这种工作在电磁场仿真软件HFSS中来完成，第二步在HFSS中根据2.4GHz微带天线的初步物理参数和天线的具体形状，建立天线模型，来模仿实际中的天线，最后对天线辐射特性进行仿真，并通过不断调整天线模型的各个参数，来使天线的辐射特性能够符合设计要求，从而得到天线的最佳物理参数。

仿真结果表明，这几款设计出来的微带天线有较好的辐射特性和阻抗特性，能适用于RFID无线通信场。

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关键词 矩形微带天线； HFSS软件；仿真

Abstract

The basic operation principle，structural characteristics and application of the rectangular microstrip antenna are discussed. The emphasis of study is how to use the software of Ansoft HFSS12 and 3D (three-dimensional) electromagnetic simulator which is used in RF/wireless communication antennas, packages and photoelectron designs. HFSS is a well-known standard 3D electromagnetic simulator. It provides a simple designing interface and an accurate sell-adapted field solver, which also has a powerful backup processor for unique electricity analysis. It can compute the S-parameters and full-wave electromagnetic of various structures.

At this thesis, the design formulas of rectangular microstrip patch antenna are involved.

According to the design formula, the initial parameters of 2.4GHz rectangular microstrip patch antenna are calculated. But there are a little difference between the initial parameters and the real antenna parameters so that the initial parameters should be rectified. The antenna's model is set up in HFSS which is electromagnetic simulation software. The antenna's radiating

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character is simulated by HFSS, so we can adjust the antenna's parameters until its radiating character fits in with the designing demands. The antenna's optimization parameters are gained in this way.

The simulation result indicates that the microstrip antennas designs have good radiation characteristics and impedance characteristics, which can be used in RFID system.

Key words：rectangular microstrip antenna； HFSS software； simulation

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目录

1、 绪论 ·································································································· - 1 -

1．1论文的研究背景及意义········································································································ - 1 - 1．2 RFID系统的主要应用 ·········································································································· - 1 - 1．3论文的主要内容 ······················································································································· - 2 -

2．天线主要特性参数 ············································································ - 1 -

2．1 2.4G信道的意义 ······························································································· - 1 - 2．2方向图及方向系数 ····························································································· - 1 - 2．3天线的效率 ·········································································································· - 2 - 2．4天线增益及增益系数 ························································································· - 2 - 2．5天线的阻抗特性 ·································································································· - 3 - 2．6天线的驻波比 ······································································································ - 3 - 2．7天线的带宽 ·········································································································· - 3 -

3．矩形微带贴片天线的设计 ······························································· - 4 -

3．1 HFSS简介 ············································································································ - 4 - 3.2基片材料的选取 ···································································································· - 5 - 3.3辐射贴片的大小 ···································································································· - 5 - 3.4馈电方式的选择 ···································································································· - 6 - 3.5介质基板的大小以及选择 ··················································································· - 6 - 3.6 2.4GHz微带天线参数计算 ················································································· - 7 -

4．2.4GHZ RFID阅读器微带天线的实现 ··········································· - 7 -

4．1建模 ······················································································································ - 7 -

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4．2材料定义 ·············································································································· - 8 - 4．3定义馈电端口 ······································································································ - 8 - 4．4定义边界 ·············································································································· - 9 - 4．5设置求解参数 ···································································································· - 10 - 4．6设置扫描设定并进行求解 ··············································································· - 10 - 4.7天线参数显示设置 ····························································································· - 11 -

5．天线仿真结果分析 ··········································································· - 11 -

5. 1单个辐射源的特性 ··························································································· - 11 - 5. 2四单元辐射源I的特性 ··················································································· - 12 - 5.3四单元辐射源II的特性 ··················································································· - 14 -

6．结论 ··································································································· - 18 -

参考文献 ·················································································· - 19 -

致 谢 ····················································································· - 20 -

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引言

随着现代无线电通信技术的不断发展，现在各种各样的通信设备无论是大到雷达导弹飞机卫星还是小到手持移动电话都希望装置体积越小越薄，重量越轻越好，来方便生产、布置及携带。为了迎合这种潮流，通信装置中的重点——天线的设计也越发注重小而薄的特性。而微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻、造价低，可与微波集成电路一起集成，且易于制成共形天线等诸多优点而得到广泛的应用。

本文为东莞理工学院09年院“创新人才培养计划”项目的后续设计。由于之前的设计存在着增益较小、带宽不大和结构相对复杂的缺点，故本文将重新设计一组2*2阵元的基于HFSS的2.4 GHz 高增益、宽频带和结构简单的RFID阅读器微带天线。

本文采用Ansoft HFSS 12电磁场仿真软件设计一组新型2.4 GHz RFID阅读器微带天线。天线采用FR4介质层，通过微带线连结四个矩形微带贴片辐射源，并在脊形接地板顶端用同轴探针对匹配微带线进行馈电。

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1、 绪论

1．1论文的研究背景及意义

微带贴片天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。常用的一类微带贴片天线是在一个薄介质（如FR4、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制作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，这就构成了微带贴片天线。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形或者其它形状。馈电方式有：微带线侧馈、同轴线地馈、电磁耦合、口径耦合等。微带贴片天线结构上的特点是体积小、重量轻、薄的平面结构，能与飞行器共形，制造工艺简单，成本低；电气上的特点是能得到单方向的宽方向图，最大辐射基本上在平面的方向，易于实现线极化或圆极化和双频率工作。其主要缺点是频带窄，效率低。这是因为微带贴片天线实质上接近封闭的谐振系统。微带贴片天线已大量应用于100MHz~100GHz的宽广频域上，包括卫星通信、雷达、遥感、导弹、遥测遥控、环境监测、生物医学、便携式无线电设备等。

综上，微带天线的电尺寸小，能在不同的环境中很好的工作。因此，成为天线应用的首选。虽然用一个天线单元也能获得所要求的天线特性，但要想获得高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性，就必须将离散的辐射单元组成阵列的形式。所以在微带天线的实际应用中，常采用由微带辐射单元组成的微带天线阵。

单元天线构成的阵列天线又称为天线阵，是由多个形式相同并按一定规律排布的离散或连续辐射单元所组成的辐射系统。系统中的每个辐射单元称为阵元或单元天线。组成阵列的天线单元可以是不同形式的，如缝隙、贴片、印刷振子等。在同一阵列辐射平面内也可以采用不同形式的辐射单元，但大多数情况下，还是采用相同形式的单元。天线阵可排成多种几何形状，常见的有矩形、菱形、圆形等。阵列规模是由具体的设计要求决定的，阵列包含的单元数目越多，阵列的辐射增益越大。内部的网格可以是矩形、三角形等。 1．2 RFID系统的主要应用

我国政府在1993年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的10年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在，射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，正在中国很快地普及。RFID技术可以广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，因此，RFID系统有着广阔的应用前景。

（1）高速公路运输管理。将RFID系统用于高速公路自动收费，我们称之为电子收费系统，安装射频卡的汽车可以120km /h以内的速度通过收费口，读出设备可快速、准确地记录通过车辆的编号或帐号信息，实现高速公路通行费的自动征收与管理，提高了公路的运行效率，克服了人工收费所造成的交通堵塞等

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弊端。通过采用ETC系统，中国的公路基础设施将会得到改善。此项应用也即是本课题进行研究的基础和背景。

（2）车辆出入管理。射频识别系统可应用于大型停车场、军事重地、金融系统等地方的车辆自动管理。将电子标签贴在汽车的挡风玻璃上，当车辆经过读写器时，读写器可快速、准确地记录下所通过的车辆信息及通过的时间，同时还可对是否允许通过做出判断，自动控制出入大门开关，作到出入严格管理。

（3）铁路运输监控及列车、机车定位系统。由于火车是按既定路线运行，所以可以在沿途安放读写器以便监控火车的运行。将货车车号信息存放在射频卡里，并将射频卡附着在货车车体的表面，当货车通过读出点时，读写器通过天线接收射频卡反射回的带有货车车号信息的电子信号，经过计算机处理后，自动显示或打印出来，从而实现了货车车号的自动识别，克服了人工抄录造成的劳动强度高、出错概率大、工作效率低等缺点，并能够辨认火车的身份，监控火车的运行安全，及火车的完整性，以防遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故，同时在车站还能将车厢重新编组。

（4）集装箱运输管理。发达国家的货运，包括海洋运输和铁路、公路运输，主要采用集装箱运输，既安全又便于物流管理。由于集装箱运输种类繁多、复杂，采用射频识别系统后就可做到对各类集装箱进行自动登记、抄录。在集装箱上安装射频卡，在卡中写入集装箱号及箱内货物编号、数量、发货地及到货站。集装箱随船(汽车或火车甚至飞机)启运或到达港站时，RFID系统对其进行识别和数据信息交换。

（5）仓储管理。RFID系统用于智能仓库货物管理，有效地解决了仓储货物信息管理。对于大型仓储基地来说，采用RF工D系统，管理中心就可以实时了解货物位置、货物存储的情况，对于提高仓储效率、反馈产品信息、指导生产都有很重要的意义。

这里仅仅罗列了RFID技术一些可行性很大的应用。可以毫不夸张的预测，任何一种应用如果成为现实，都将会孕育一个庞大的市场。RFID将是未来一个新的经济增长点。 1．3论文的主要内容

本论文回顾了微带贴片天线和天线阵列的发展历程以及它的意义，介绍了天线的各项基本参数，在此基础上，进一步介绍微带贴片天线的结构和工作其原理，并使用电磁波仿真软件Ansoft HFSS 12对微带贴片天线进行建模和仿真，分析微带贴片天线的几何参数和馈点位置参数与输入阻抗的关系。

本文的主要内容安排如下：

第一章：绪论。首先简要介绍了微带贴片天线和天线阵列的发展历程和它的意义，最后阐述了本文的主要内容的安排。

第二章：天线的主要特性参数。介绍天线的主要特性参数，方向特性及方向图、效率增益、阻抗特性、驻波比、频带宽度等。以及影响特性参数的因数。 第三章：详细介绍了矩形微带贴片天线的各个天线特性参数。

第四章：详细介绍了2.4GHz的矩形微带贴片的物理参数的计算步骤，利用电

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磁场仿真软件HFSS根据天线的初步物理参数和天线的具体形状，设计了一组2*2个阵元的微带贴片天线。并进行仿真。

第五章：给出三种贴片天线的仿真结果，并对其进行必要的分析。 第六章：结论。总结了整个论文的的实验过程及主要成果，在此基础上提出本论文的不足之处并对今后进一步研究方向进行展望。

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2．天线主要特性参数

2．1 2.4G信道的意义

影响现代无线通信发展的一个重要因素，就是不可再生的频谱资源。通常，为保证通讯的正常进行，该资源由一国政府统一管理。各国政府的电信管理部门组成ITU,负责对全球无线电频谱的使用进行协调和分配，其下属的全球无线电管理委员会(WARC)专门负责频谱资源的划分。在第二代移动通信系统(800/900MHz)大量发展的基础上，为扩大容量并兼顾成本和市场，1992年，WARC为未来的移动通信业务和卫星移动通信业务划分和扩展了新的工作频段，以支持无线通信的发展。其中，对未来移动通信频谱分段的决定如下:

1710MHz-2690MHz，在世界范围内灵活应用，鼓励移动业务使用;

1885MNz-2025MHz和2110MHz-2200MHz，用于IMT2000协调和发展世界范围的移动通信。

1980MHz-2010MHz(上行)和2170MHz-2200MHz(下行)用于第三代移动通信的移动卫星通信业务。为了促进无线局域通信应用的发展，美国联邦通信委员会(FCC)于1985年开放了9.02GHz, 5.8GHz及2.4GHz三个ISM(工业、科学和医疗)频段，允许在低发射功率下无执照使用这些频段。1991年，欧洲无线电委员会(ERC)也公布了一组无线局域网建议频段，分别是:2.4GHz, 5.8GHz, 17.1GHz, 24GHz和60.2GHz ISM频段。我国无线电委员会也规定了2.4GHz-2.5GHz频段将应用于未来移动通信和无线接入应用。 2．2方向图及方向系数

（1）方向图

离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数;把方向性函数用图形表示出来就是方向图。E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图;H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。

最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。方向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。一般是方向图越宽，增益越低;方向图越窄，增益越高。 （2）.方向系数

上述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。方向系数就能够定量地表示天线定向辐射能力的电参数。

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方向系数定义为:在同一距离及相同辐射功率的条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度S max和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0之比。则方向系数D： SmaxDS02．3天线的效率

（2-1） 由于入射波反射的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输入给它的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波引起的损耗等。

天线效率定义为：天线辐射功率P与输入到天线的总功率Pi之比，记为A，即：

PPAPiPPL2．4天线增益及增益系数

（2-2）

（1）天线增益

天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。

天线增益的定义是：在输入功率相等（PiPi0）的条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率密度和理想的无方向性天线在同一点处的功率密度（或场强振幅的平方值）之比，即

2SmaxEmaxG2S0E0（2）增益系数 （2-3）PiPi0 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积，记为G，即

GDA （2-4）

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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。 2．5天线的阻抗特性

天线输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流之比，即 ZinUinIin （2-5） 天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏，致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。 2．6天线的驻波比

在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅，形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为VSWR，其值在1到无穷大之间。

（2-6）

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。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。

2．7天线的带宽

天线的频带宽度的定义为：中心频率两侧，天线的特性下降到还能接受的最低限（一般取3dB）时两频率间的差值。

在天线频宽度的范围里，天线的各种特性参数应满足一定的要求标准。当工作频率偏离设计频离时，往往会引起天线参数的变化，例如主瓣宽度增大、副瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏、输入阻抗与馈线失配加剧、方向性系数和辐射效率下降等等。

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3．矩形微带贴片天线的设计

3．1 HFSS简介

HFSS（High Frequency Simulator Structure）是美国Ansoft公司开发的一个用于任意三维无源器件的高性能的全波电磁(EM)场仿真器，它采用类似于Microsoft Windows的图形用户界面。它集成了实体模型输入、自动设置网格、精确仿真和图形化处理等功能。HFSS有一个易学、易用的环境，并且能够快速、准确地得到三维电磁问题的解，[参考文献3]中有关于HFSS的使用方法，Ansoft HFSS使用有限元法(FEM )，自适应划分网格和杰出的图形界面。

HFSS 具有精确的场仿真器，强大的电性能分析和后处理功能可以用于分析、计算并显示下列参数。

*S、Y、Z等参数矩阵； *电压驻波比（VSWR）； *端口阻抗和传播常数； *电磁发布和电流发布；

*天线辐射方向图和各种天线参数，如增益、方向性、波束宽度等。 HFSS能进行全面的全参数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软体强大的参数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节省了工程师的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。利用 Optimetrics可自动实现最优化和参数化扫瞄设计，且很容易在桌面上同一项目树中直接访问进入。在优化设计分析技术中增强了敏感性分析和统计分析功能，其利用HFSS参数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能变化。另外，通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记录，可以用来定义参数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个设计流程。

经过二十多年的发展，现今HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、稳定成熟的自适应网络剖分技术，已经成为三维电磁仿真设计的首选和行业标准，其已经被广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计各种微波结构。

HFSS软件的一般仿真流程图如图3-1:

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建模 定义材料 建立边界条件和馈电端口 设置参数 解算 观看仿真结果 结束 图3-1 仿真流程图 3.2基片材料的选取

设计微带天线的第一步是选择合适的基片，基片材料一般由低损耗介质单面或双面铜、敷铝或敷金组成。基片材料一般有聚四氟乙烯（FR4）、聚苯乙烯、陶瓷等。本文选取的基片材料为：FR4。 3.3辐射贴片的大小

基片选择合适后，根据天线要求的中心频率fr和基片介电常数r;厚度h 可用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W，即 1W2frr121/2c （4-1） 其中，c为光速。 当选用小于式(4-1)的宽度时，辐射元的效率将降低;而选用大于式(4-1)的宽度时，虽然辐射效率较高，但这时产生高次模，进而引起场的畸变。 - 5 -

再综合考虑边缘缩短效应等情况后，也可以用以下公式设计出高效率辐射贴片的长度L，即 Lc12efr2l （4-2） 其中， e11210h12W1/2 (4-3) l0.412e0.3W/h0.264he0.258W/h0.8 (4-4) 3.4馈电方式的选择

目前，主要的馈电方式有两种：侧馈方式和同轴馈电方式。其中，同轴线直接与天线接触，并且与贴片隔离，故辐射效率稍高一些，带宽也较前者大一些。但是同轴线与贴片的焊接比较容易断裂，并且同轴线只能用于单个贴片。另一方面， 传统的微带线侧馈微带天线在增益、阻抗带宽和轴比带宽上有固有的缺陷，无法获得带宽较高的高增益天线。因此，本论文将仿照天线阵列的方式，将各个贴片通过微带线连接组成阵列，再在恰当的位置运用同轴馈电方式对天线进行馈电。

3.5介质基板的大小以及选择

介质基板的过多向外延伸对这种电磁场分布没有明显影响。在较低频段工作 时，从减小天线重量及安装面积和降低成本着眼，基片宽度WG和基片长度LG的尺寸应尽可能小，试验表明沿辐射元各边向外延伸g/10就可以了。因此，背馈情况下， 介质基板长度LG: (4-5) 介质基板宽度WG： （4-6） 其中， g0/e

（4-7） - 6 -

3.6 2.4GHz微带天线参数计算

此矩形微带贴片天线选用微带天线的介质基板为FR4(聚四氟乙烯)，此介质的相对介电常数:r=4.4，基板的厚度h = 5 mm，微带天线的中心频率f0=2.4GHz。

把以上参数代入本章上面的的设计公式计算得到初步的矩形微带贴片天线的参数:

单个辐射元长度L=27.8mm； 单个辐射元宽度W=38mm；

介质内波长g=59.6mm;

介质板长度为Ls=160mm； 介质板宽度为Ws=160mm。

4．2.4GHz RFID阅读器微带天线的实现

4．1建模

打开HFSS，新建一个工程文件，三维模型窗口(3D Modeler Window)是用户绘制模型结构的窗口，天线模型的建立在此窗口中完成，建模是按一比一的比例来进行的，首先要根据以上计算出的微带贴片天线理论参数进行建模，但这个核型是要不断调整的。 因为设计中使用的计算公式都是经验公式，而仿真的结果是基于实际情况的。因此，仿真结果与理论情况有偏差，这种偏差可以通过对天线模型的调整加以改善。中心频率与贴片长度密切相关。经过实验，当贴片长度调整到L = 26.8mm时，将中心频率调整到2.4GHz上，实现最佳。在HFSS 12中建立模型（如图5-1），微带贴片天线具体参数如下表，这些参数都是通过HFSS对天线模型进行多次仿真，反复分析其天线特性，最终得到满足最佳天线特性的天线物理参数，如表4-1： 表4-1 图 形 起 点 坐 标 尺 寸 材 料 边 界 （dx*dy*dz）（mm） 160*160*5 160*160*0 FR4 Perfect E Perfect E 介质板（Substrate） 接地面（GND） -80，-80，-5 -80，-80，-5 贴片1（Patch_1） -50.65，-56.25,0 26.8*38*0

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贴片2（Patch_2） -50.65，56.25,0 贴片3（Patch_3） 50.65，56.25,0 贴片4（Patch_4） 50.65，-56.25,0 微带线1（Mic_1） -23.85,-37.75,0 微带线2（Mic_2） -23.85,37.75,0 微带线3（Mic_3） -1.2 ,-36.75 ,0 同轴线（Pin） 馈电面（Prot） 0,0,-5 0,0,-5 26.8*-38*0 -26.8*38*0 47.7*1*0 47.7*-1*0 2.4*73.5*0 0.5*0*5 1.5*0*0 0.5*0*0 240*240*70 Perfect E Perfect E Perfect E Perfect E Perfect E Perfect E pec Lumped RLC Perfect E Radiation -26.8*-38*0 馈电面内环（Cut） 0,0,-5 辐射边界（Air） -120 ,-120 ,-35 4．2材料定义

右击介质板(Substrate)，选择assign material，弹出select definition窗口，在里面选择FR4，单击ADD material，把的介质板材料定义为了FR4, FR4的介电常数为4.4。

4．3定义馈电端口

激励端口是一种允许能量进入或导出几何结构的边界条件。 选定馈电面(Prot)，右击选择assign excitation，在里面选择Lumped port,而后会弹出画积分线的窗口，积分线是从馈电圆环外园指向内园，采用的是同轴馈电方式，如图4-1

图4-1

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4．4定义边界

1边界种类○

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理想电边界(Perfect E )—Perfect E是一种理想电导体或简称为理想导体。这种边界条件的电场(E-Field )垂直于表面。有两种边界被自动地赋值为理想电边界。

理想磁边界(Perfect H )— Perfect H是一种理想的磁边界。边界面上的电场方向与表面相切。

自然边界(Natural )—当理想电边界与理想磁边界出现交叠时，理想磁边界也被称为Natural边界。

有限电导率(Finite Conductivity)边界—有限电导率边界将使你把物体表面定义为有耗(非理想)的导体。它是非理想的电导体边界条件。

分层阻抗(Layered Impedance)边界—在结构中多层薄层可以模拟为阻抗表面。使用分层阻抗边界条件进一步的信息可以在在线帮助中寻找。

集总RLC (Lumped RLC)边界—一组并联的电阻、电感和电容组成的表面。这种仿真类似于阻抗边界，只是软件利用用户提供的R, L和C值计算出以ohms/square为单位的阻抗值。

无限地平面(Infinite Ground Plane)—通常，地面可以看成是无限的、理想电壁、有限电导率或者是阻抗的边界条件。

辐射边界(Radiation)—辐射边界也被称为吸收边界。辐射边界使你能够模拟开放的表面。即波能够朝着辐射边界的方向辐射出去。系统在辐射边界处吸收电磁波，本质上就可把边界看成是延伸到空间无限远处。辐射边界可以是任意形状并且靠近结构。这就排除了对球形边界的需要。对包含辐射边界的结构，计算的S参数包含辐射损耗。当结构中包含辐射边界时，远区场计算作为仿真的一部分被完成。

2设置边界 ○

右点击接地面GND，选择assign boundary，在里面选择有限电导率(Perfect E)边界。

同理，贴片(Patch)，微带线(Mic)的边界都设置为有限电导率(Perfect E)边界。

辐射边界(Air)的边界设置为辐射边界(Radiation)。

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4．5设置求解参数

进入设置求解参数菜单，自适应中心频率设为2.4GHz，迭代误差设为0. 02 ,迭代次数设为15，设置如图4-2:

图4-2

4．6设置扫描设定并进行求解

○1右击Analysis列表下的Setup1，选择Add Frequency Sweep，进入Edit Sweep界面进行扫描设定，具体设定如下图4-3所示。然后点击OK按钮。

图4-3

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2点击Validate按钮，检验天线模型的设置是否正确，不正确会有错误提○

示，重新设置，正确后，点击Analyze按钮进行求解。 4.7天线参数显示设置

出于天线参数的特殊的计算设置确定计算场的区域，所以，天线参数的显示需要分两个步骤：

1创建无限大球的设置 ○

选择HFSS>Radiation > Insert Far Field Setup > Infinite Sphere，修改其中的角度数据，以满足希望的方向性图辐射模式。

2选择HFSS > Results > Create Modal Solution Data Report(或者Create ○

Far Fields Report)，然后选择所需报表类型，绘图种类，最后在Traces对话框中选择绘图的数目，选择New Report和Apply trace,最后点击close完成操作。

以上两步基本完成天线参数的显示，下面将对矩形微带天线的特性参数进行分析。

5．天线仿真结果分析

5. 1单个辐射源的特性

1天线模型 ○

图5-1 单辐射源天线模型

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2三维方向性图： ○

图5-2 3D增益

由上图5-2可见，单个辐射源在Z轴发现上有很好的方向性。同时，我们也可以看出其辐射强度比较小，最大方向上的辐射强度也低于6dB。因此，下面我们需要运用矩阵的方法提高增益。

5. 2四单元辐射源I的特性 1天线模型 ○

图5-3四单元辐射源天线模型

采用最原始的四个辐射源对称排列，再用适当阻抗的微带线连接起来。

2三维方向性图： ○

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图5-4 天线方向图

由上图5-4可以看出，虽然天线阵的增益提高了，但是在方向性上仿真效果依然不理想，在正Z轴方向上增益比较低。 二维天线增益图：

图5-5 2D天线增益

从天线的增益图(图5-5)上，可以看到最大增益为8.3363dB。虽然微带贴片因为功率容量较小，有损耗，因而增益较低，但是由于本文选用了四个辐射源阵列，故而也达到了预想的增益。但是，由于增益图中主瓣、副瓣不明显，增益系数不高。

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3天线的输入反射系数图： ○Ansoft LLC0.00XY Plot 1Patch_4Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep1-2.00-4.00dB(S(1,1))-6.00-8.00NameXY-10.00m12.3500-12.6801-12.00m1-14.001.001.502.002.50Freq [GHz]3.003.504.00 图5-6 天线反射系数 在扫描频率范围为1GHz-4GHz时，由图6-2，可以看出反射系数的最小值处即是天线的中心频率为2.4GHz，在中心频率上的反射系数为-12.6801dB。 5.3四单元辐射源II的特性

1天线模型 ○

图5-7 四单元辐射源II天线模型

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2三维方向性图： ○ 图5-8 3D增益图 由上图5-8可以看出，天线阵的增益提高了，但是在方向性上仿真效果比较理想，在正Z轴方向上增益也达到了要求。 二维天线增益图： Ansoft LLCNameThetam1m2m3m4m50.0000-6.0000AngMagRadiation Pattern 10-30m1m3m2m48.00m5HFSSDesign1Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='2.4GHz' Phi='90deg'0.000011.9234-6.000011.7587-12.0000-12.000011.2736-18.0000-18.000010.4822-22.0000-22.00009.7936301.00-60-6.00-13.00-909060-120120-150-180150 图5-9 2D增益图 从天线的增益图5-9上，可以看到在天线Theta等于0deg处有最大增益11.9234dB。虽然微带贴片因为功率容量较小，有损耗，因而增益较低，但是由于本文选用了四个辐射源阵列，故而也达到了预想的增益。 3天线的S11参数： ○ - 15 -

Ansoft LLC0.00XY Plot 2HFSSDesign1Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep1-2.00-4.00-6.00dB(S(1,1))-8.00-10.00Namem1XY-12.002.4000-15.5755-14.00m1-16.001.001.502.002.50Freq [GHz]3.003.504.00 图5-10 输入发射系数 在扫描频率范围为1GHz-4GHz时，由图5-10，可以看出反射系数的最小值处即是天线的中心频率为2.4GHz，在中心频率上的反射系数为-15.577dB，这也满足在一般通信系统中反射系数小于-14dB的要求。 ○4驻波比 图5-11 驻波比 从驻波比图5-11得到，在微带天线的中心频率为2.4GHz时的驻波比为 1.2415，满足天线系统中驻波比小于1.5的要求。 ○5天线输入阻抗 图6-5 输入阻抗 - 16 -

从输入阻抗图5-12得到，在2.4GHz时天线输入阻抗实部为57.68139，虚部为0.142。天线的虚部以及接近于0，实部与50欧姆馈电端口也比较接近了，因此，可以省略了繁琐的匹配网络。

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6．结论

随着卫星通信，个人移动通信等无线通信系统的迅猛发展，由于微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，易共形以及便于和电路集成，再加上各种工艺技术的完善和天线的小型化的优点，微带天线越来越备受人们的青睐，它的应用将会涉及越来越广的领域，但同时对天线性能的要求也会越来越高。借助于当今的多种电磁场仿真软件，使得微带天线的设计更简单、更快捷、更准确，打破了传统的微带天线设计方法。这也大大缩短了微带天线的设计周期，降低了研制成本，为微带天线的研究工作人员提供了一个方便而有力的设计工具。

本文设计了1种4单元微带贴片天线阵，用HFSS进行了仿真并制作了天线阵。仿真结果表明，这种天线阵都能较好作为工作在2.4GHz无线通讯产品的天线，且天线阵的方向性和增益都较强。需要指出的是，由于天线阵制作精度有限，并且仿真没有考虑接头的影响，这些都导致测量结果和仿真结果存在一定误差。 由于存在多个辐射源仿真特性曲线的参数，通过仿真对比我们可以知道： （一） 辐射源的尺寸跟中心频率有关。其中，辐射源的宽度越大中心频率越小，

辐射源的长度对中心频率影响不大。

（二） 可以通过增加辐射源的个数，组成矩阵的形式提高天线增益。相同条件

下，辐射源个数越多增益越大。 （三） 四单元天线阵要注意各个单元之间的入射角度。完全对称容易相互抵消，

无法达到最大增益。

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参考文献

1.《电磁场与电磁波》（第四版），谢处方 饶克谨编，高等教育出版

社（重点看第8章电磁辐射）。

2.《HFSS原理与工程应用》，谢拥军等编，科学出版社。 3. 李明洋，《HFSS电磁仿真设计应用详解》，人民邮电出版社。 4. 《天线技术》，许学梅 杨延嵩编，西安电子科技大学出版社。 5．《微带天线理论与应用》，钟顺时编。西安电子科技大学出版社。 6.“矩形微带天线设计与阻抗匹配网络”，宋旭亮，大连海事大学硕士论文，2008。

7. “移动通信直放站微带贴片天线分析与设计”，赵鹏，大连海事大学硕士论文，2008。

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致 谢

在论文完成之际，我要向指导老师赖颖昕博士表示最衷心的感谢。自从两年前认识赖赖老师以来，我一直跟着赖老师学习各方面的知识。其中，在电磁波等射频的知识几乎全部是源于赖老师的教导。在两年多的学习、生活中，赖老师给予了精心的指导和热情的关怀，为我提供了良好的学习环境和各方面的条件。同时，赖老师学识渊博、才思敏捷、治学严谨、辛勤耕耘，不仅在学习上指导我，还在生活上关心我。特别是他为人正直、平易近人、严于律己、宽以待人的高尚品德以及不断进取的精神，将是我终生学习的楷模。

感谢在研究期间给予我帮助的洪壁津同学以及刘伟江同学。 感谢答辩委员会的各位专家与老师，感谢他们于百忙中审阅论文、出席答辩并提出具体的、指导性的建议。

由于本人能力有限，论文中难免出现疏漏之处，敬请各位老师和同学批评斧正，本人不胜感激。

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