矩形微带天线及其匹配电路设计 （毕业设计56页、21372字）

摘要：微带天线具有许多优点，如体积小、重量轻、剖面薄、容易与载体共形、与集成电路的兼容性好、易于大批量制作等，在近几十年中得到了广泛的应用。本论文的主要工作是首先对矩形微带天线进行匹配网络设计，并运用Smith圆图软件设计出相关的匹配网络方案和分析、选择最佳方案。本文论述了微带天线的辐射原理，同时，采用 阻抗变换器、单节短截线匹配网络设计等多种方法设计出了输出电阻为50 的相关匹配网络，并且运用了Smith圆图等相关软件优化设计了匹配网络中的S参数，相应地给出了一些特性参数的仿真结果，通过结果的比较，选出了最佳方案。从HFSS仿真软件仿真的微带天线的结果看，增益达到了8.36dB。最后对结合了微带天线的匹配网络用ADS仿真软件进行仿真分析，得出了一些结果。从整个仿真设计的结果来看，基本上都满足了设计的要求。

关键词：  微带天线；传输线；匹配网络；Smith圆图

Rectangular Microstrip Antenna and
Matching Circuit Design

Abstract: Microstrip antenna has been widely used in recent decades for its many advantages, such as small size, light weight and thin profile, easy vector conformal, good compatibility with integrated circuits, and easy to mass production. The main work of this paper is first to do the matching network design of rectangular microstrip antenna, then use Smith Chart software to design the relevant matching network programs and analyze which option is the best. This paper has discussed the microstrip antenna radiation theory, at the same time, using the quarter of wavelength impedance converter, single heading back matching network design and other methods, has designed the output resistance of 50 Ω matching networks, and used the Smith Chart and other related software to optimize and design the S-parameters of the matching network. According to the given characteristics of the simulation results, the best option is achieved. By using the HFSS simulation software, the gain of 8.36 dB is got from the microstrip antenna simulation results. Finally, simulation analysis of the combination of microstrip antenna and the matching network by the ADS simulation software, some conclusions are drawn out. Seen from the results of whole simulation design, basically design requirements are satisfied.

Key words:  microstrip antenna; transmission line; matching network; Smith Chart

 
目  录
第1章  绪  论 1
1.1  研究背景 1
1.2  微带天线的特点及发展状况 1
1.3  研究目的和意义 2
1.4  本文主要内容安排 3
第2章  微带天线的基本理论 4
2.1  概述 4
2.2  传输线模型理论 4
2.3  微带天线结构及其馈电点 5
2.3.1  微带线馈电 5
2.3.2  同轴线馈电 6
2.3.3  电磁耦合馈电 6
2.4  微带天线的辐射场 7
2.4.1  微带天线的辐射原理 7
2.4.2  辐射方向图 8
2.5  微带天线的基本参数 9
2.5.1  辐射电导 9
2.5.2  输入导纳 10
2.5.3  辐射电阻、品质因数和天线效率 10
2.5.4  方向性系数、增益 11
2.5.5  频带宽度 12
2.6  章节小结 12
第3章  匹配电路的基本理论 13
3.1  阻抗匹配 13
3.1.1  传输线的三种匹配状态 13
3.1.2  阻抗匹配的方法 14
3.2  史密斯圆图基本知识 16
3.2.1  阻抗变换 16
3.2.2  导纳变换 18
3.2.3  阻抗的特殊变换条件 19
3.2.4  任意阻抗的匹配 21
3.3  章节小结 22
第4章  具体设计与仿真 23
4.1  基本仿真软件介绍 23
4.1.1  HFSS仿真软件 23
4.1.2  Smith圆图演示软件 23
4.1.3  ADS仿真软件 23
4.2  矩形微带天线的设计 24
4.2.1  设计的技术指标 24
4.2.2  宽度的实现 24
4.2.3  介质基片的选取 25
4.2.4  介质基片的尺寸选择 25
4.2.5  辐射元尺寸的确定 26
4.2.6  馈电方式的确定 27
4.3  指标参数的计算与仿真 27
4.3.1  方向性系数、方向图和波瓣宽度 27
4.3.2  辐射电阻、效率和增益 28
4.3.3  品质因数和带宽 28
4.3.4  天线如何扩展频带 28
4.4  匹配电路的设计 29
4.4.1   阻抗变换器法 29
4.4.2  单节短截线匹配网络设计法 32
4.4.3  LC射频电路匹配法 37
4.5  微带天线以及其匹配电路 40
4.6  章节小结 46
第5章  结  论 47
致    谢 49
参考文献 50
 
第1章  绪  论
1.1  研究背景
微带天线的概念早在二十世纪就已经提出来了，但是并没有引起工程界的重视。在五十年代和六十年代只有一些零星脱的研究，真正的发展和实用是在七十年代。由于微波集成技术的发展以及各种低耗材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证：而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线元，1970年出现了第一批实用的微带天线。这之后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版集，这表明微带天线终于成为天线研究中的一个重要课题，受到各方面的注意，由于它独特的结构和多样化的性能它比将在广阔波段内的各种无线电设备上得到越来越广的应用。
微带天线同常规的微波天线相比具有一些突出的优点。因而，在大约100MHz到100GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通用的微带天线相比，微带天线的一些主要优点有： 重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，因此，不打扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作打的变动，天线就能很容易地装载在导弹、火箭和卫星上;天线的散射截面较小;稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和有右旋）；比较容易制成双频工作地天线；不需要背腔；微带天线适合与组合式设计；馈线和匹配网络可以和天线结构相同制作。
1.2  微带天线的特点及发展状况
    通常的微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电。
    按照结构特征可以将微带天线分为两大类:微带贴片天线和微带缝隙天线。按照形状可以分成矩形，圆形，三角形，环形微带天线等。按照工作原理可以分成谐振型(驻波型)和非谐振型(行波型)微带天线。近年来还有将分形技术应用于微带天线设计的，设计出的分形微带天线具有超宽带，多频段工作的特点。
    在天线领域专家经过广泛的研究下，已经形成了自己独自的理论体系，微带天线的应用也日趋广泛。如在卫星通信方面美国的公司已研制成有源微带阵列，并用于了直播卫星天线；日本邮政省电波研究所己制成卫星多波束微带阵列天线的样机; Lorch Microwave公司新近推出步进旋转器衰减器(SCR)，其中就利用到了细长薄片型微带天线装置；目前，国内外各大著名的通信公司竞相斥巨资开发研究的蓝牙技术，其天线部分即为微带天线；医院里的医用微波辐射计也是利用微带天线作检测装置。
但是微带天线在拥有如此多优点的同时，和普通的微波天线相比，还存在一些缺点：频带窄；有损耗，因而增益较低；介质基片对性能影响大；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受限制；馈线与辐射元之间的隔离差；消射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。这些缺点制约了微带天线更为广泛的应用。
1.3  研究目的和意义
在无线电技术领域，对于信息的传输，天线的作用是不可缺少的。随着社会的发展和进步，对信息传输的要求也越来越高。因此，天线的发展方兴未艾。微带天线由于其低剖面、价钱便宜，并可制成多功能、可共形的天线，其尺寸可大可小，大的微带天线其长宽可到十几米，小的只有几毫米。显然，其优势是明显的。
现有的微带天线还不能完全满足现代无线通信系统的需求。然而，微带天线有很多设计参量可供调整优化，以便进一步减少天线尺寸和造价。增加带宽，使之对垂直极化渡和水平极化渡都敏感，提高其各项同性的辐射参数，减小天线与人体的相互作用。此外，天线是馈线的端接元件，相当一个单端口网络，因此可以直接采用集总参数测量、微波测量中的各种阻抗测量技术，从普通的谐振法到先进的自动网络分析仪法。但是天线作为一个特殊的辐射元件，可以不通过导线与周围物体产生复杂的关系。这些关系可能使理想实验时条件下测量的阻抗数值难以置信。因此在实际天线的使用中，如移动车载天线、飞机的机载天线、舰载天线等的工作环境就是天线的一部，如果只根据实验室、工厂测量的天线阻抗数值，在实际工作状态下可能因为多种误差源的存在而影响发射机输出与天线的匹配效果。所以天线阻抗测试在实际工程中，特别是在移动的情况下是有必要根据工作环境的改变对天线的阻抗进行重新测试，以保证天线的工作效率。
在宽带短波天线系统中，由于短波天线的物理尺寸不可能自然谐振于短波的全频带（1—30MHz），因此在设计全频带短波天线系统时就必须通过适当的匹配网络使天线的阻抗与发射机的输出阻抗相匹配，同时由于天线的阻抗测量与其工作环境有一定关系，各种短波电台在移动情况下也需要对不同工作环境时的天线阻抗进行匹配。微带天线的阻抗一般是复数，因此，在射频波段，把该阻抗匹配到50Ω是个很困难的事情，进而才能和接收机或发射机相连接，从而形成通信系统。因此，研究具有一定的工程意义。
对微带天线的性能进行理论分析，利用计算机软件地辅助，用陶瓷基片（ ＝9.8），厚度h＝1.27mm，设计出一个中心频率在3GHz附近的矩形微带天线。本文的研究将为矩形微带天线及其匹配电路的设计做一个初步的探索。
1.4  本文主要内容安排
第一章讲述了微带天线的历史和优缺点，叙述了微带天线国内外的发展动态以及广泛的应用前景。
    第二章阐述了微带天线的基本理论，其中传输线理论是为下一步的理论基础，并且详细论述了微带天线辐射的基本原理，还有介绍了微带天线常用的馈电方法。
    第三章简单介绍了匹配电路的一些基本理论，其中包括阻抗匹配的状态和方法。最后介绍了史密斯圆图基本知识，其中有阻抗、导纳的变换，还有史密斯圆图的用法。
    第四章简单介绍了本文需要用到的仿真软件，而且根据本文的要求设计出矩形微带天线，并加以仿真分析得到一些结果。最主要的是详尽地介绍了电路匹配的过程，分别给出了采用几种方法来对电路进行匹配的方案，并相应给出了一些仿真结果。最后就是介绍了对结合微带天线和匹配网络的设计进行仿真分析，同样得到了一些仿真结果。