LS频段的圆极化双频单贴片天线设计-hjj

题目：L/S频段的圆极化双频单贴片天线设计1.所设计天线的应用背景通信设备的不断更新和扩容，需减小天线之间的相互干扰，这就要求天线朝着宽频带方向发展。为了充分利用越来越拥挤的微波频段，通常希望多个系统共用一副天线或者天线收发共用，这一现状促使了天线的双频甚至多频技术的出现。现在市场上普遍流行的多模手机就是很好的例证。圆极化天线具有可接收任意极化的来波、旋向正交性、圆极化波入射到对称目标时旋向逆转等极化特性，在面对云雨干扰、剧烈震动、影响重叠等外来因素干扰时表现优异，能满足在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格、更精密的探测或是传输要求，而小型化是集成电路的发展趋势。近年来，宽带多频的圆极化微带天线发展迅速，广泛应用于军事和民用通信的多个领域。本设计旨在介绍一种单贴片的双频圆极化天线的实现，该方法适用于设计工作于L/S频段的双频天线，具体应用领域包括卫星导航（GPS/BeiDou）、WLAN、RFID等。2.设计天线的关键或主要指标等的介绍该天线采用单贴片的微扰法来实现双频，即通过单一贴片激励两个主要的横磁波模式实现双频，这里主要是TM10和TM30模；采用简单的单同轴馈电实现圆极化，尺寸小结构紧凑。天线的设计指标：中心频率：1.54GHz，2.98GHz反射系数：-15dB增益：1dBi交叉极化：-15dB3.该类天线发展情况微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、平面结构、可共形、易集成、功能多样化、成本低、易于批量生产等一系列颇具特色的优点。近年来国内外研究者在圆极化天线能与设备大小协调、多频工作等方面取得了一系列成果。实现微带天线小型化的尝试繁多，具体有贴片表面狭缝加载,即通过在天线贴片中加载十字形狭缝、弯折的狭缝或Y形狭缝;贴片边缘加载狭长切口；方形和三角形贴片切角、圆形贴片边缘切割；贴片外加调谐枝节以及利用分形技术在贴片或者地板上加载特定尺寸的EBG结构等。多频天线通常采用单贴片的多模谐振和贴片层叠的方法来实现。本设计通过单贴片的缝隙加载来实现了双频小型化的目的，但简单的结构和馈电网络也带来了阻抗带宽和3dB轴比带宽较窄的缺陷，仿真过程中后期的优化处理要求较高。4.天线结构介绍，包括图，VISIO画的平面三维图等TddSwSlSWLlhrGroundFeedxyxz图4.1天线结构示意图天线结构如上图所示，天线的工作频率为1.54GHz（000194.842mm）和2.98GHz。该天线由一层辐射贴片、一层介质基板、地板、一个同轴馈电探针构成。其中贴片四边切出四个T型缝隙，左右下三条边上的缝隙尺寸完全一致，上边的T型缝隙除了竖线部分宽度为，其它尺寸也和前三者一样；馈电位置如图所示。地板尺寸27575LLLLmm，介质基板选用介电常数4.4r，损耗正切tan0.02的FR4介质，厚度1.6hmm。馈电点位置,9,9xpypmmmm，其它的建模参数40L，32l，13.5d，11Td，1Sw，13Sl，1s，2w单位都为mm。同轴线内芯半径10.635rmm，外层半径1.4605RRmm。这里采用加载缝隙的方形单层贴片来实现小尺寸的双频圆极化天线，贴片的边长仅为40mm，这里贴片激励的主要模式为TM10和TM30模，T型缝隙增大了TM10模的贴片表面电流路径，中间的一字型缝隙除了增大TM30模的表面电流路径外，同时使其三叶草形的辐射方向图变为心形图，两个工作模式表面电流路径的增加有效地减小了贴片尺寸。圆极化的实现主要和馈电点位置的选取有关。5.仿真分析的过程及结果，包括一步一步由HFSS（13）仿真的过程，达到有点基本知识的人都可以按照该步骤达到仿真的结果1.新建设计工程（1）运行HFSS并新建工程双击桌面上的HFSS快捷方式图标，启动HFSS软件。HFSS运行后，它会自动新建一个工程文件，选择【file】→【saveas】命令，把工程文件另存为T-shaped.hfss文件。点击图标，在工程里添加一个设计。（2）设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。从主菜单栏中选择【HFSS】→【solutiontype】命令，打开如图5.1所示的solutiontype对话框，选中drivenmodel单选按钮，然后单击按钮，完成设置。图5.1设置求解类型（3）设置模型长度单位设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度单位为mm。从主菜单栏中选择【modeler】→【units】命令，打开如图5.2所示的setmodelunits对话框。从该对话框中将selectunits选项设为mm。然后单击按钮，完成设置。图5.2设置长度单位2.添加和定义设置变量从主菜单栏中选择【HFSS】→【DesignProperties】命令，打开设计属性对话框。在该对话框中单击按钮，打开AddProperty对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称h，在Value文本框中输入该变量的初始值1.6mm，然后单击按钮，即可添加变量w到设计属性对话框中。变量定义和添加的过程如图5.3所示。图5.3定义变量使用相同的操作方法，完成其他变量的定义。定义完成后，确认设计属性对话框如图5.4所示。变量名变量值图5.4定义所有设计变量后的设计属性对话框最后单击设计属性对话框中的按钮，完成所有变量的定义和添加工作。3.设计建模（1）创建辐射贴片首先创建一个中心位于坐标原点，长、宽分别用变量w和l表示的矩形面，并将其命名为Patch。从主菜单中选择【Draw】→【Rectangle】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建矩形面的状态，然后在三维模型窗口的xy面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Rectangle1。双击操作历史树Sheets节点下的Rectangle1，打开新建矩形面属性对话框中的Attribute选项卡，如图5.5所示。把矩形面的名称修改为Patch，设置其颜色为铜黄色，透明度为0.4，然后单击按钮退出。图5.5矩形面属性对话框中的Attribute选项卡在双击操作历史树Patch下的CreateRectangle节点，打开新建矩形面属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。在Position文本框中输入顶点位置坐标为(-L/2,-L/2,h)，在XSize和YSize文本框中分别输入矩形面的长度和宽度为L和L，显然选定了贴片的几何中心在坐标原点处，如图5.6所示，然后单击按钮退出。图5.6矩形面属性对话框中的Command选项卡接下来创建缝隙，首先创建上边的T型缝隙。先在XY面内画两个任意长方形，定点位置坐标和长、宽分别为(-L/2,-dT/2,h)，w，dT；(-L/2+w,-l1/2,h)，s，l1，这些参数根据贴片尺寸及贴片与坐标系的相对关系容易得到；在历史树或者三维视图中，同时选中（借助ctrl或者shift键）这两个方形，然后点击右键【Edit】→【Boolean】→【Unite】，这样上边的T形缝隙就创建好了。另外三个T型缝隙及中间的一字型缝隙创建就不在赘述，创建过程中注意保证坐标点及相对尺寸的正确性，为了便于后面参数扫描与优化，尽量双击此处双击此处都用变量表示。然后通过布尔运算的减操作实现贴片裁剪缝隙，同时选中贴片及5个缝隙（或者9个方形，即上面T型缝隙不作合并操作也可以）右键【Edit】→【Boolean】→【subtract】，如下图所示，确保patch在左边，其它在右边，选中后用箭头调整，点OK即可。图5.7布尔运算减操作选项卡此时就创建好的名称为Patch的辐射贴片模型，见图4.1绿色部分。然后按快捷键Ctrl+D全屏显示创建的物体模型。（2）创建介质基片创建一个长方体模型用以表示介质基片，模型的材质为FR4，该模型默认命名为Box1。从主菜单中选择【Draw】→【Box】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建长方体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体。新建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树Solids节点下的Box1，打开新建长方体属性对话框中的Attribute选项卡，把长方体的名称修改为Substrate，设置其材质为FR4_epoxy，设置其透明度为0.8，如图5.8所示，然后单击按钮退出。图5.8长方体属性对话框中的Attribute选项卡再双击操作历史树Substrate节点下的CreateBox，打开新建长方体属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标为(-LL/2,-LL/2,0)，在XSize、YSize和ZSize文本框中分别输入长方体的长、宽和高LL、LL和h，如图5.9所示，然后单击按钮退出。图5.9长方体属性对方框中的Command选项卡接下来在介质基片上创建馈电探针过孔。【Draw】→【Cylinder】或者单击画z轴向的任意圆柱体，双击历史树中圆柱体项目名称，打开属性窗口，更改中心坐标、半径、高度分别为（xp,yp,0）、r1、h，确定即可。然后进行布尔运算的减操作，选中介质基片和创建的圆柱体，右键【Edit】→【Boolean】→【subtract】，介质基片Box1在BlankParts，Cylinder在ToolParts部分，点击OK过孔的创建完成。（3）创建参考地双击此处双击此处在距离贴片下方h处创建方形参考地，其属性窗口如图5.10所示，具体创建过程不再赘述。图5.10方形地板属性窗口接下来在地板上创建馈电探针过孔。同轴馈线需要穿过参考地面来传输信号能量，因此，需要在参考地面gnd上开一个圆孔允许能量传输。从主菜单中选择【Draw】→【Circle】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆面的状态，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆面。新建的圆面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认名称为Circle1。双击操作历史树Circle1节点下的CreatCircle，打开新建圆面属性对话框的Command选项卡，在该界面下设置圆面的圆心坐标和半径。在CenterPosition文本框中输入圆心坐标为(xp,yp,0)，在Radius文本框中输入半径值RR，如图5.11所示，然后单击按钮，完成Circle1的创建。图5.11圆面属性对话框中的Command选项卡双击此处按住Ctrl，分别选中gnd和Circle1，单击右键选择【Edit】→【Boolean】→【Substact】，进入Substact选项卡，如图5.12所示，确认BlankParts里面是gnd，ToolParts下面是Circle1，单击按钮退出。图5.12Substract选项卡至此，地板上的馈电孔创建完毕。（5）创建探针和同轴馈线创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为r1，高度为h+3mm，圆柱体底部圆心坐标为(xp，yp，-3mm)，材质为理想导体，并命名为inner。从主菜单选择【Draw】→【Cylinder】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆柱体的状态，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体。新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1。双击操作历史树Solids节点下的Cylinder1，打开新建圆柱体属性对话框中的Attribute选项卡。把圆柱体的名称修改为inner，设置其材质为pec，然后单击按钮退出。再双击操作历史树inner节点下的CreatCylinder，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体圆心坐标、半径和长度。接下来创建同轴线外层部分，创建两个圆柱体，分别命名为inner0，outer，材料默认为vacuum不作更改。坐标、半径、长度分别为(xp，yp，-3mm)、r1、3mm，(xp，yp，-3mm)、RR、3mm。然后进行布尔运算，用outer减去inner0，具体过