畢業(yè)設計-一種用于wlan的雙頻微帶天線的設計與分析(編輯修改稿)
2025-01-05 13:35 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 通訊系統(tǒng)也需要寬頻帶來實現(xiàn)多媒體信息無線傳輸和接收的高速率。 因此，研究雙頻帶天線具有重要意義。 7 第二章 雙頻帶微帶天線的設計及方案論證 雙頻帶微帶天線設計任務 利用 Ansoft HFSS 設計一個微帶貼片天線結(jié)構，使其分別工作在 個頻段，并利用 Ansoft HFSS 軟件對所設計的天線進行仿真和優(yōu)化設計。 微帶雙頻帶微帶設計的基本要求 要求：所設計的天線結(jié)構具有雙頻帶特性，其工作的中心頻率分別是 GHZ這兩個頻段，相對帶寬能夠大于 5%，且天線可以實現(xiàn)寬帶工作的特性。 雙頻帶微帶天線設計方案論證 通常，微帶天線的設計的主要目標是在指定的工作頻率上得到要求的工作特性。為了使微帶天線達到這個目標。首先是選擇貼片合適的幾何形狀，在沒有特別要求的情況下，我們一般選擇矩形貼片，這是因為矩形微帶天線不僅容易設計，制作也比較簡單， 并且還有一系列比較成熟的理論作為研究依據(jù)，如分析矩形貼片天線的傳輸線法，空腔模型法等等。 其次，確定天線介質(zhì)基板的材料和厚度 h，這是因為介質(zhì)板的介電常數(shù)，厚度等會直接影響著天線的性能和尺寸。當確定介質(zhì)基板后，就需要設計的參量為 :矩形貼片的長度 L 和寬帶W，雙縫的位置和長度 l，雙縫的寬度 w。最后根據(jù)所要求的帶寬和增益來確定介質(zhì)板的材料及厚度。 實現(xiàn)雙頻帶工作，對于矩形貼片較多的是利用激勵多模來獲得雙頻，如圖 21所示，在矩形貼片非輻射邊開兩條長度不相等、寬帶一樣的平行縫隙，該平行雙縫分割了矩形貼片上的電流，從而 改變了其電流的分布，使這個貼片具有雙頻效應。由于這個模型采用對角線同軸結(jié)構饋電，饋電點到四個輻射邊的電流路徑由于雙縫隙的存在而被延長，從而降低理論天線貼片的諧振頻率。從同軸線饋送到輻射片的電流因為受到雙縫的阻擋，則由這個平行的雙縫所圍成的區(qū)域產(chǎn)生了一個假想的輻射貼片，所以可以通過改變輻射貼片的尺寸大小來改變天線的雙頻特性 [5]。 Ansoft HFSS 軟件的介紹 因為微波工程在分析計算和實際設計中具有很大的難度，傳統(tǒng)的分析方法只能用來解決少數(shù)的簡單問題，所以對于高復雜的當代電磁系統(tǒng)微波工程問題，往 往是采用近似分析和實驗驗證，這使得設計的過程通常需要經(jīng)過反復的設計、計算和調(diào)試過程，才能得到比較滿意 8 的結(jié)果，但卻需要一個時間非常長的設計周期。眾所周知，當今科技發(fā)展的速度如此迅猛，漫長的設計周期顯然不能滿足工程設計的要求。 20世紀六十年代微波分析數(shù)值方法的出現(xiàn)，美國 Ansoft公司利用該方法，設計了第一款微波電子設計自動化軟件 HFSS（ High Frequency Simulator Structure ）。該軟件利用電磁場的有限元法來分析微波工程問題，具有精度高、仿真速度快、可靠性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，由 于其自適用網(wǎng)絡剖分技術，使 HFSS 軟件成為天線結(jié)構設計的首選工具。廣泛的應用于航空、航天、電子、半導體和通信等多個領域，幫助工程師們高效地設計各種微波結(jié)構[6]。 HFSS采用 Windows圖形用戶界面簡潔直觀； HFSS 的使用簡單，首先用戶只需創(chuàng)建或?qū)朐O計模型，其次指定模型的材料屬性，然后正確分配模型的邊界條件和激勵，最后準確定義求解設置，仿真軟件就可以根據(jù)模型參數(shù)計算出輸出用戶需要的設計結(jié)果。用戶還可以根據(jù)設計的需要對模型進行優(yōu)化設計、靈敏度分析、參數(shù)掃描分析和統(tǒng)計分析等操作。 圖 21 Ansoft HFSS 的用戶界面 HFSS 設計流程 [7] （ 1） 啟動 HFSS軟件，新建一個設計工程，保存路徑必須全英文； （ 2） 選擇求解類型，包括模式驅(qū)動求解（ Driven Modal）、終端驅(qū)動求解 (Driven Terminal)、本征模求解 (Eigenmode)； （ 3） 創(chuàng)建設計模型，構造準確的結(jié)構模型、設定好模型的材料屬性； （ 4） 設置邊界條件和激勵；邊界條件主要包括：理想導體邊界（ Perfect E）、輻射邊界條件（ Radiation)；激勵主要包括波端口激勵、集總端口激勵； （ 5） 求解設置包括定義求解頻率，掃頻范圍 ； 9 （ 6） 設計檢查、運行仿真計算； （ 7） 數(shù)據(jù)處理，查看計算結(jié)果，包括 S參數(shù)、增益大小、場分布、輻射方向圖； （ 8） 進行優(yōu)化設計得到最優(yōu)解； 自適應網(wǎng)格剖分和求解過程 否 是 是 否 圖 22 HFSS 設計的流程 Ansoft HFSS 可顯示的參數(shù)： （ 1） S、 Y、 Z等參數(shù)矩陣； （ 2）電壓駐波比（ VSWR）； （ 3）端口阻抗和傳播常數(shù)； （ 4）電磁場分布和電流分布； （ 5）諧振頻率和品質(zhì)因素 Q； （ 6）天線輻射方向圖和各種天線的參數(shù)：增益、方向性、回波損耗、波束寬度； （ 7）比吸收率（ SAR）； 雙頻帶微帶天線的設計過程 （ 1） 選擇介質(zhì)板 新建 HFSS設計工程 設置求解類型 創(chuàng)建設計模型 設置邊界條件 設置端口激勵 確定材料屬性 求解設置 定義求 解頻率，掃頻范圍 網(wǎng)格剖分細化 求解 結(jié)果是否收斂 ? 是否需要掃頻分析 掃描分析 數(shù)據(jù)后處理，查看 S參數(shù)、場分布圖等計算結(jié)果 10 該天線介質(zhì)板材料為 Rogers RT/duroid 5880，相對介電常數(shù)為 ，從理論上分析，接地板可以看做無限大，但是在實際設計中，考慮到天線的重量、尺寸及其制作成本等諸多因素，接地板的尺寸應該盡可能小，所以介質(zhì)尺寸為 60mm*50mm*3mm。 （ 2） 尺寸的計算 [8] 在普通的矩形微帶天線的設計中，一般可以根據(jù)所要求的帶寬和增益來確定介質(zhì)板的
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