右旋圆极化矩形微带天线设计
右旋圆极化矩形微带天线设计
右旋圆极化矩形微带天线设计一、引言大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。
圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。
矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。
本文采用单点馈电。
我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。
在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。
若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。
其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B 点时，产生左旋圆极化波。
图1-1 单馈点圆极化矩形微带天线结构二、结构设计设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度：21212-+=)ε(fcW r(1)其中，c是光速。
辐射贴片的长度一把取为2cλ，其中cλ是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为：LfcLe∆-=22ε(2)其中，eε是有效介电常数，L∆是等效辐射缝隙长度，它们可以分别用下式计算，即为：211212121-+-++=)(wh r r e εεε).)(.().)(.(.8025802640304120+-++=∆h w h w L e e εε对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈电的位置会影响输入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。
圆极化微带天线的设计与实现 (1)
2004年4月重庆大学学报Apr.2004 第27卷第4期Journal of Chongqing UniversityVol.27 No.4 文章编号:1000-582X (2004)04-0057-04圆极化微带天线的设计与实现Ξ韩庆文,易念学,李忠诚,雷剑梅(重庆大学通信学院,重庆 400030)摘 要:圆极化微带天线是一种低剖面的天线元,研究圆极化微带天线的特性在天线设计中显得十分重要,而微带贴片天线的馈电位置的确定是设计的关键。
针对单端侧馈五边形圆极化微带天线进行了详细分析和论述;简要介绍了微带天线的实现方法,并介绍了一种用于分析多边形微带天线的有效方法———有限元分析法;通过对一个5.6GHz 的五边形圆极化微带天线的研究设计,给出了圆极化微带天线的设计过程,找到了确定馈电点位置的合理方法,采用HFSS 软件进行优化设计,进行仿真,给出了合理的仿真结果。
关键词:微带天线;圆极化;轴比;五边形;方向图;电压驻波比;带宽 中图分类号:TN820.11文献标识码:A 目前简单的线极化天线已很难满足人们的需求,这就使得圆极化微带天线倍受青睐。
但在微带天线的分析中,近似处理较多,使得天线的设计准确性并不太好,微带贴片天线的馈电位置的确定往往需要实验调整的方法进行研究。
另外由于微带天线的频带窄,设计尺寸的微小误差都会造成天线谐振频率的偏离,极化特性也会变差。
在实际工作中由于介质基片的离散性,也影响了谐振频率的准确性[1]。
针对上述问题,特别对圆极化微带天线的设计过程进行了深入的分析;通过应用HFSS 高频结构软件仿真,使天线的性能得到了优化。
1 微带天线微带天线是一种基于微带传输线的天线。
它有多种形式,按结构特征,可把微带天线分为两大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线;常用的一类,是贴片微带天线。
贴片可以是矩形、圆形、椭圆形及其它形状,在此选用五边形贴片。
微带天线的辐射,是由微带天线边沿和接地板之间的边缘场产生的。
微带天线仿真设计
微带天线（圆形贴片）仿真设计一.设计要求矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。
二．设计目的1.理解和掌握微带天线的设计原理。
2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置。
3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型。
4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图。
5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响。
三．实验原理矩形贴片天线如下图一所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。
现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。
在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。
因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。
缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L ≈λ/2。
这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
图一矩形贴片天线示意图四．贴片天线仿真步骤1、建立新的工程运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。
2、设置求解类型（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中（a）选择Driven Modal。
设计4：圆极化微带天线设计
分析结果：①谐振频率随Lc的变大而降低 ；
②当Lc在
44.4mm~44.5mm之间时，谐振频率在1.58GHz~1.57GHz之间
查看输入阻抗和馈电位置的关系
查看当Lc=44.45mm时的输入阻抗
实部 虚部
当工作频率为1.575GHz时，输入阻抗为（32.34+j8.51）Ω， 要使输入阻抗为50 Ω左右，则L1的值必须大于初始值6.9mm。
查看输入阻抗和馈电位置的关系
添加L1的参扫：范围7.4mm~9mm，间隔0.2mm
分析结果：①输入阻抗随L1的变大而变大 ； ②当L1=8.8mm时，输入阻抗约为50Ω
优化分析
优化变量
Lc
8mm~9mm 44mm~45mm
dB(S(1,1))
目标函数 dB(AxialRatioVa lue)
单馈电圆极化天线实现原理
同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发 TM10和TM01两个模式如果让辐射贴片的长宽相同，这样激发 的两个模式的频率相同、强度相等，而且两个模式电场的相位 差为零。若辐射贴片谐振长度Lc，微调谐振长度：L=Lc+a W=Lc-a。前者对应容抗，后者对应感抗，调节a的值，使每一 个阻抗实部和虚部相等（B=G），则两阻抗大小相等，相位分 别为-45和+45，这就满足了圆极化条件
1.6mm Lc-Delta Lc+Delta 6.9mm
50mm L1
46.1mm 0.0143*Lc
查看天线的谐振点
m
f 1.53GHz
S11 -16.89dB
在初始尺寸下的谐振频率为1.53GHz，而设计要求中心频率为 1.575GHz，因此需要参数扫描分析谐振频率和Lc的关系
高频段右旋圆极化天线的设计与优化
高频段右旋圆极化天线的设计与优化在当今高科技领域，通信技术的发展日新月异，高频段右旋圆极化天线作为无线通信系统中的关键组成部分，其设计与优化显得尤为重要。
本文将探讨高频段右旋圆极化天线的设计原理、优化方法以及应用前景。
一、设计原理高频段右旋圆极化天线的设计原理主要基于电磁波的传播理论和天线结构的特性。
通过合理设计天线的结构和参数，使其能够有效地发射和接收右旋圆极化的电磁波信号。
常见的设计方法包括利用天线长度、宽度和导体形状等参数来调节天线的工作频率和极化特性，以实现对信号的有效辐射和接收。
二、优化方法1. 材料选择：选择合适的导电材料对天线的性能影响巨大。
常用的材料包括铜、铝等，其导电性能和机械强度直接影响到天线的工作频率和性能稳定性。
2. 结构优化：通过优化天线的结构参数，如长度、宽度、曲率等，可以调节天线的阻抗匹配和辐射特性，提高天线的性能和效率。
3. 天线阵列设计：采用天线阵列结构可以进一步提高天线的增益和方向性，增强信号的传输和接收能力。
4. 仿真模拟：利用电磁场仿真软件对天线进行仿真模拟，分析其电磁场分布和辐射特性，指导优化设计过程。
三、应用前景高频段右旋圆极化天线在通信领域有着广泛的应用前景。
其可应用于卫星通信、无线网络、雷达系统等领域，实现高速数据传输、远距离通信和目标探测等功能。
随着5G、6G等新一代通信技术的不断发展，对天线性能的要求也越来越高，高频段右旋圆极化天线将在未来的通信系统中发挥更加重要的作用。
综上所述，高频段右旋圆极化天线的设计与优化是一个复杂而又关键的技术问题，通过合理的设计和优化可以提高天线的性能和稳定性，推动通信技术的发展进步。
车载通信系统中右旋圆极化天线的设计与实现
车载通信系统中右旋圆极化天线的设计与实现近年来，随着汽车智能化水平的不断提高，车载通信系统已经成为一种趋势。
车载通信系统需要天线来进行信号传输，而天线的设计和实现则是车载通信系统中最重要的部分之一。
本文将针对右旋圆极化天线的设计和实现进行介绍。
一、右旋圆极化天线的原理天线的工作原理是利用电磁波与其结构相互作用，将无线电信号转换成电流或反过来。
而右旋圆极化天线则是通过发射或接受垂直于天线传播方向的同时具有环形极化状态的电磁波。
右旋圆极化天线的优点在于其在自由空间中的传输距离比线性极化天线更长，且在多径传播的环境中的抗干扰性和信号质量更好。
二、右旋圆极化天线的设计1. 天线尺寸的确定天线尺寸的确定是天线设计的第一步。
在一般情况下，天线的尺寸与频率是相关的。
要想在固定的频率下获得较优的天线性能，就需要根据频率来选取天线的尺寸。
2. 天线型式的确定根据车载通信系统的特点和要求，选用适合的天线型式。
在车载通信系统中，右旋圆极化天线较常用。
3. 材料的选取从性能、经济和加工工艺等各个方面考虑，选用合适的材料进行天线的制作。
4. 天线参数的选择根据车载通信系统的要求，选用合适的天线参数。
需要考虑的天线参数包括：工作频率、频带宽度、天线增益等。
三、右旋圆极化天线的实现1. 天线制作根据天线的设计方案进行具体的制作。
天线的制作过程包括材料的切割、弯曲、组装等。
2. 天线调试天线制作完成后需要进行调试。
调试的内容包括：检查天线连接的正确性、反射系数和驻波比等各项参数的检测、天线在不同的频率下的响应测试等。
四、结论通过对右旋圆极化天线的设计和实现进行介绍，可以得到以下结论：1. 右旋圆极化天线具有更好的信号质量和抗干扰性。
2. 右旋圆极化天线的设计需要综合考虑多方面因素，包括天线尺寸的确定、天线型式的选择、材料的选取以及天线参数的确定。
3. 右旋圆极化天线制作完成后需要进行有效的调试，以确保其正常工作。
总之，右旋圆极化天线是车载通信系统中重要的部分，其设计和实现对车载通信系统的性能和稳定性都有着重要的影响，因此，在设计和实现天线过程中需要充分考虑天线的各个方面因素。
一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计
一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计引言在通信领域中，天线是不可或缺的一个设备，而微带天线因其结构简单、成本低廉、易于集成等优点，已经成为了现代通信领域中应用广泛的一种天线。
在微波领域中，圆极化天线通常被用来避免天线之间的互干扰和提高通信质量。
然而，许多微带圆极化天线的带宽是有限的，这使得这些圆极化天线的通信传输性能大大受到限制。
因此，本文提出了一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计方案，旨在解决微带圆极化天线带宽狭窄的问题。
设计原理本设计方案采用了一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线。
其中，天线由一个正方形微带辐射片和一个环形贴片构成。
其工作原理基于微带线馈电的正方形微带辐射片，是以TM模式的耦合方式进行馈电的。
正方形微带辐射片的一边通过一条微带线馈电导线与馈电点相连，另一边则用接地板连接。
环形贴片作为一个反射器，通过正方形微带辐射片的边缘和接地板之间的短接实现电路的反射。
设计步骤1.计算天线的工作频率和所需圆极化方式。
根据这些参数确定天线的尺寸和形状。
2.设计并确定微带线馈电导线和连接设备的点。
3.添加环形贴片，并在模拟软件中进行必要的优化，以提高天线的性能。
4.按照所需的角度选择天线的旋转方向，并调整微带线馈电导线与天线的尺寸，以实现所需的圆极化方向。
仿真结果为了验证设计的性能，我们使用了一款天线仿真软件进行模拟实验。
仿真过程中，我们使用S参数和体表波图形来评估天线的性能。
以下是一些关键指标的仿真结果：•工作频率：4.4GHz•带宽：360~630MHz，VSWR小于2•圆极化方向：左旋•Gain：6.5dB•Axial Ratio: 1.1dB结论本文提出的一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线设计方案，能够在4.4GHz 的频率范围内实现左旋或右旋的圆极化方式。
其带宽可达到360~630MHz，在这个带宽范围内可以实现VSWR小于2的传输性能。
此外，天线具有高增益和低轴比等优点。
因此，这种设计方案具有较好的前景和实际应用价值。
新型右旋圆极化天线在雷达系统中的应用研究
新型右旋圆极化天线在雷达系统中的应用研究在雷达系统中，天线是至关重要的一个组成部分。
天线的性能直接影响着雷达系统的探测能力和性能。
在天线的设计中，圆极化天线的应用越来越广泛，其中又以右旋圆极化天线为主。
本文将对新型右旋圆极化天线在雷达系统中的应用进行研究和分析。
一、新型右旋圆极化天线的设计原理右旋圆极化天线是一种用于产生圆极化电磁波的天线。
它的工作原理是通过将水平和垂直方向的电场分量合成，从而在天线的辐射方向上形成一个旋转的电场。
右旋圆极化天线所产生的电磁波旋转方向为右旋，这种天线具有优异的性能，如相位稳定性好、电子注跟踪能力强、空间极化复合方便等。
新型右旋圆极化天线相对于传统的右旋圆极化天线，其设计原理和结构都有所改进。
其主要特征是在天线中加入了分布式反射面和旋转环。
在天线的发射端，通过反射面把天线所发射的电磁波进行反射，从而形成一个反相的电场，使得信号的发射效果更加优秀。
旋转环的作用是对线极化电磁波进行旋转，从而在发射端产生右旋圆极化电磁波，具备较好的方向性和空间分辨率。
二、新型右旋圆极化天线在雷达系统中的应用在雷达系统中，新型右旋圆极化天线的应用较为广泛。
主要体现在以下方面：1. 目标探测方面新型右旋圆极化天线的应用可以有效地提高雷达系统的探测效率和精度。
由于其具备优异的空间极化复合方便和电子注跟踪能力强的特点，可以对目标进行高精度的探测和跟踪。
同时，由于其相位稳定性好，可以提高雷达系统的抗多径干扰能力，从而提高雷达系统的探测效率。
2. 地形测量方面新型右旋圆极化天线的应用可以在地形测量方面起到很好的作用。
由于其较为优异的方向性和空间分辨率，可以对地形进行高精度的测量和分析。
同时，由于其具备较好的相位稳定性，可以减小地形平移对雷达系统测量精度的影响。
3. 目标分类方面新型右旋圆极化天线的应用可以在雷达目标分类方面起到很好的作用。
由于其具备较好的环境适应性和探测精度，可以在目标分类时对不同目标进行区分和分类。
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右旋圆极化矩形微带天线设计
一、引言
大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。
圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。
矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。
本文采用单点馈电。
我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。
在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。
若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。
其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B 点时，产生左旋圆极化波。
图1-1 单馈点圆极化矩形微带天线结构
二、结构设计
设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度：
2
1
2
1
2
-
+
=)
ε
(
f
c
W r(1)
其中，c是光速。
辐射贴片的长度一把取为2
c
λ，
其中
c
λ是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为：
L
f
c
L
e
∆
-
=2
2ε
(2)
其中，
e
ε是有效介电常数，L
∆是等效辐射缝隙长度，它们可以分别用下式计算，即为：
2
112121
2
1
-+-+
+=
)(w
h r r e εεε
)
.)(.().)(.(.802580264030412
0+-++=∆h w h w L e e εε
对于同轴馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈电的位置会影响输入阻抗，通常要求是50Ω阻抗匹配。
根据相关研究和实际经验可以得到，图示1-1结构的50Ω馈电点位于辐射贴片对角线上，且馈电点和辐射贴片顶点的距离在(0.35~0.39)d 之间，也即馈电点距离辐射贴片中心的距离在（0.11~0.15）L (W )之间。
上述分析都是基于无限大参考地平面的基础之上，经过理论分析，实际中当参考地平面比微带贴片大出6h 的距离时，计算结果就可以达到足够的精确。
三、HFSS 模型建立与仿真结果 本文要求设计一个工作于3.72Ghz 的右旋圆极化矩形微带天线，其中介质基板的厚度为3mm ，相对介电常数为4.53，要求50Ω同轴馈电，实验中设定损耗角正切为0.001。
根据上述公式的计算，得到微带贴片的初始尺寸为L=17.7mm ，同轴内导体半径设置为0.65mm ，为标准SMA 接头。
仿真中，设定变量L0、W0分别表示辐射贴片的长与宽，（L1，W1）表示馈电点坐标，且L1=-0.14L0，W1=0.14W0，仿真模型如图3-1所示。
图3-1 HFSS 模型
通过参数扫描与优化设计模块操作，确定最终的参数为：
贴片长宽之比为1.08，相差很小。
天线的S
11
参数结果如3-2所示：
图3-2 天线S 11参数
从S 11参数看以看到，贴片的中心频率为 3.82Ghz ，与设计所要求的3.72Ghz 有100Mhz 的频差，其原因将在后文阐述。
图3-3为该贴片天线的轴比图，从图中可以看到，其轴比最小点正好位于3.72Ghz ，且数值为0.35dB ，是一个纯净的圆极化波，一般工程中轴比小于3dB 即可当作为圆极化波，可以看
到，轴比带宽为：
%
...
.
)(88172
368
3753=-=
AR BW
图3-3 轴比扫频结果
图示3-4反应了增益的仿真结果，从图中可以得到，天线总增益为6.5367dB ，右旋圆极化增益为6.5329dB ，Theta 在-1100~900范围内，天线总增益与右旋圆极化波增益几乎相等，这也表明了天线辐射的是右旋圆极化波，同时最大辐射方向的左旋圆极化增益为-23.9541dB ，可见交叉极化很小，满足设计要求。
图3-4 增益方向图
图3-5显示了天线电压驻波随频率的变
化情况，从图中可以得到，其带宽为：
%....)(87872
360
3933=-=
VSWR BW
由此可见，对于圆极化天线，我们更加关注的是轴比(AR )带宽，而不是电压驻波比(VSWR )带宽，因为其更能反映该天线的工作特性。
图3-5 VSWR 扫频结果
图3-6显示了天线在xz 平面与yz 平面的右旋增益方向图。
图3-6 xz 和yz 平面右旋增益方向图
四、结果分析
从仿真结果中我们可以发现一个事实，就是如果天线谐振到 3.72Ghz ，那么它的轴比将会非常差，所以只能调整天线尺寸，使其稍微偏离谐振频点，从而激发两个正交的模式，实现天线的圆极化工作。