本科毕业论文（设计）
( 2013 届)
2.4GHz无线网桥天线设计
院系电子信息工程学院
专业电子信息工程
姓名 ****** 指导教师 ****** 职称 ******
2013年5月
2.4GHz无线网桥天线设计
摘要
当代人们生活越来越依赖通信网络，数据传输的方式分为有线传输和无线传输，对于有一定距离的局域网，比如一些相距几百米或者几十公里的建筑物内的局域网，往往需要通过光缆来传输巨大的数据量，然而光缆的成本比较高，施工也比较费钱费力。无线网桥的出现使无线传输可以代替有线传输，而且传输数据的速度也能得到保证。
本文主要通过分析无线网桥的传输的射频技术要求，设计出一款方向性较强，增益比较大的微带天线。并且在设计过程中采用了一些拓宽微带天线工作带宽和提高辐射增益的方法，通过优化设计采用了使用增加空气介质层和天线组阵的双层阵列的天线结构。该天线结构可以很好的满足无线网桥方向性比较强增益较大的工程技术要求。空气介质层的损耗较小，相对介电常数较低，可以很好的拓宽工作带宽和提高增益，可以降低工程中对优良介质板的要求，而且使用空气介质层更方便于调试。该天线具有很高的实用工程价值。
关键字：无线网桥微带天线工作带宽辐射增益
Abstract
Contemporary people's life more and more rely on communication networks, data transmission way is divided into cable transmission and wireless transmission, and local area network (LAN) for a certain distance, such as some several hundred meters or a few tens of kilometers away from the local area network (LAN) within the building, often need the cable to transfer huge amount of data, but cable is quite expensive and the cost of construction is also higher. The emergence of wireless bridge can replace wired transmission, wireless transmission and the speed of data transmission can be guaranteed.
This thesis is written mainly through the analysis of the transmission of radio frequency technology requirements of wireless bridge, designed a strong directivity, a bigger gain microstrip antenna. And in the design process adopts some working broadening bandwidth and enhance radiation gain method of microstrip antenna, increase air through optimization design adopted the use of dielectric layer and the antenna array of double arrays of antenna structure. The antenna structure can well meet the wireless bridge direction more gain larger engineering technical requirements. The loss of the air dielectric layer is small, the relative dielectric constant is low, can work well to broaden the bandwidth and enhance the gain and can reduce the engineering requirement for good medium plate, and the use of air medium layer is more convenient to debug. The antenna has high practical engineering value.
Key words: wireless bridge microstrip antenna radiation gain working bandwidth
目录
摘要...................................................... I Abstract................................................... II 目录.................................................... III 一绪论 (1)
1.1论文研究背景及意义 (1)
1.2微带天线的特点 (1)
1.3本文主要研究内容 (2)
二微带天线的基本理论和分析方法 (3)
2.1微带天线基本概念 (3)
2.2微带天线的分类 (3)
2.3微带天线的分析方法 (6)
2.4微带天线的馈电方法 (6)
2.5微带天线的基本电参数 (7)
2.5.1频率带宽BW (7)
2.5.2输入阻抗 (7)
2.5.3驻波比 (7)
2.5.4方向图 (7)
三 2.4G微带阵列天线设计 (8)
3.1微带贴片天线阵元设计 (8)
3.1.1微带天线辐射原理 (8)
3.1.2介质基片的选取 (8)
3.1.3辐射元宽度W的确定 (9)
3.1.4辐射元长度L的确定 (9)
3.1.5接地板尺寸的确定 (9)
3.2馈电网络的设计 (9)
3.2.1特定阻抗微带线尺寸的确定 (9)
3.2.2功分器的设计 (11)
四基于Ansoft HFSS软件的天线建模仿真 (13)
4.1 Ansoft HFSS简介 (13)
4.2模型创建步骤 (13)
4.2.1设置运行环境 (13)
4.2.2选择介质基板材料 (13)
4.2.3设定模型尺寸 (14)
4.3基于Ansoft HFSS的计算仿真 (15)
五天线仿真结果分析 (18)
5.1天线增益参数的分析 (18)
5.2天线反射参数的分析 (19)
六天线实物加工检测 (21)
6.1天线实物加工 (21)
6.2天线方向图实测 (21)
结束语 (23)
参考文献 (24)
致谢 (25)
一绪论
1.1论文研究背景及意义
近代电磁学的飞速发展和微电子产品的不断普及，特别是二者的结合使得电信行业的发展虽然经历了一个世纪但依旧充满盎然生机，由诸如计算机，手机，人造卫星等电子设备通过有线及无线电波互相连接起来所组成的网络日益成为人们生活不可少的一部分。虽然无线和有线都有各自的优点，但在很多系统中单纯的哪一种无线或有线传输方法都不好满足现实要求，而只有两者结合才能适合实际需要。因此有线传输和无线传输相结合才是当今及将来的主流。本论文主要针对无线网桥的功能及工程设计的要求，采用矩形微带贴片天线的形式，设计出一款能够连接不同网络的射频产品，实现无线和有线的互联，以及无线网络的点对点桥接和无线中继，掌握工程开发的相关流程以及当前的技术发展与需求。
无线网桥顾名思义就是无线电网络之间信息的桥接设备，它利用无线传输方式实现连接两个或多个独立网络。通常可以连接相距几百米到几十公里的局域网。无线网桥是射频技术、嵌入式技术等基于通信协议下融合的产物，具有很高的可靠性。无线网桥从通信机制上分为电路型网桥和数据型网桥。其天线的类型可谓多种多样，但总的特点是方向性比较强，增益比较大。本设计采用的是微带贴片天线。
微带天线的发展相对来讲发展的历史并不长，上世纪50年代G.A.Deschamps提出了微带天线的概念，接下来没有引起太大的关注，只有一些浅散的研究。到70年代由于印刷技术的发展和各种优良介质材料的出现，飞行器对低剖面天线的需求也很大，1972年
R.E.Munson和J.Q.Howell等研制成功了第一批能实际使用的微带天线。至此微带天线得到了广大研究者的重视。美国新墨西哥州大学在1979年举办了微带天线的研讨全球会议。1981年美国IEEE天线与传播会刊刊载了微带天线专集。至此开启了微带天线研究的新局面。
1.2微带天线的特点
微带天线由于其独特的结构特点，其具有其他微波天线所不具备的优势：
（1）小型化、剖面低、容易和其他载体共型；
（2）印制板制作便于和其他元器件加工成单一模件；
（3）设计灵活辐射元可以做成各种形状，容易实现各种极化方式；
（4）方向性好，在放射面以下辐射强度几乎可以忽略不计；
（5）馈电方式灵活，匹配网络可以和天线做成一体。
微带天线其缺点主要有：
（1）谐振结构微带天线频带较窄；
（2）介质损耗、导体损耗较大，对介质要求较高；
（3）功率容量较小，不适合大功率场合[1]。
1.3本文主要研究内容
无线网桥是实现无线传输的主要工具之一，是现在通信系统中必备的器件之一，应用极其普遍。在一定范围内使用无线传输相比于有线传输可以降低成本，可施工性较高，因此无线网桥的前景比较广阔。微带天线是近年来天线研究的热点，优点比较显著，但其频带较窄、损耗较大的缺点也很严重，本文提出的增加空气介质层和天线组阵的方法来改善，通过和普通微带天线对比可看出可以很好的拓宽工作带宽和提高增益。该论文所做的工作具有很大现实应用价值。
二 微带天线的基本理论和分析方法
2.1微带天线基本概念
微带天线是在微带板上加上有一定形状金属导体片和另一面全部镀金属相当于由两部分变形的导线，其两端的变化造成电波的辐射[2]。
其中全部镀金属的一面叫做接地板，另一面称为辐射元。微带板的厚度远小于波长，辐射元的长度约等于二分之一波长，微带线的馈电方式有微带线馈电的侧馈和同轴探针对贴片的背馈。这几部分构成了微带天线。
2.2 微带天线的分类
微带天线按照不同的角度可以有很多种分类，按工作原理分为谐振型天线和非谐振型天线，其中谐振型包括微带振子天线、微带缝隙天线、微带贴片天线。非谐振型包括微带行波天线，微带行波天线的终端要做匹配才能保证行波传输。
微带振子天线又分为细线振子天线和矩形微带振子天线，如图2-1（a ）细线振子天线是在比较薄的微带基片上印制细金属线。细金属线构成细线振子，其直径远小于波长，长度约等于一个波长。如图2-1（b ）矩形微带振子天线辐射元为矩形贴片，和微带贴片天线在形式上相近[3]。
图2-1 微带阵子天线
微带缝隙天线的结构是微带线和底板的缝隙和介质板构成，由缝隙构成辐射器，微带线起馈电的作用。缝隙也有和多种形状，可以按照窄缝和宽缝来分，和波长相近的称为宽缝，宽度远远不能和波长相比的称为窄缝天线。微带缝隙天线的工作带宽相比其他微带天线要宽，厚度大于微带贴片天线时其辐射方向为单方向。
图2-2 微带缝隙天线
微带行波天线类似于传输的导线，相当于工作在特殊传输模式的导线，周期结构便为其中的一种。在不稳定的传输模式下将电磁波辐射出去。常用的微带行波天线有： TE 10模微带行波天线，周期切割微带行波天线，链形微带行波天线，壁垒形天线等。
图2-3 TE 10模微带行波天线
图2-4周期切割微带行波天线
AC R
图2-5链形微带行波天线
图2-6 壁垒形天线
微带贴片天线和其他几种微带天线相同的都有全覆接地板和介质基片，不同的是辐射元由贴片构成，贴片可以做成很多种形状来实现不同的电性能，但只有一些规则的形状可以计算出其电性能，比如矩形和圆形，研究的也比较深入可以单独天线也可以作为阵元，但其他形状的天线可以达到矩形或圆形天线所达到不了的要求。下图为一些正在研究当中的微带贴片天线形状。微带天线的辐射方向一般都是垂直于基板的方向，应用的效率很高，
但频带比较窄。
图2-7 各种形状的微带天线
天线的计算求解主要是计算出周围空间的电磁场性质，进而计算出电磁场的方向图，增益等参数，一直以来的分析方法可以分为以下三种：传输线模型理论、空腔模型理论、积分方程法也称为全波理论。传输线模型理论的分析比较简便，从一维的角度，把天线看作特殊的导线适用于矩形微带贴片天线。空腔模型理论相对传输线模型理论比较准确也实用，从二维的角度把天线和周围空间看做一个腔体来分析。积分方程法是最严格的，相对来讲属于三维的分析方法，从该方法可以衍生出很多种微带分析方法。
现在也产生了很多新的分析方法，格林函数法(Green’S Function Approach，GFA)是基于积分方程法的简化；多端网络法(Multiport Network Approach，MNA)是来源于空腔模型理论的延伸；在工程上比较实用的是有限元法，又分为解析法、近似解析法和数值法。在工程上比较实用的软件Ansoft HFSS便是建立在有限元法的基础上的。
2.4微带天线的馈电方法
微带天线的馈电方法主要分为侧馈和背馈[4]，侧馈是会在辐射元的侧面用微带线延伸至介质基板边缘从而与外界连接，辐射元和微带线同在一个印制板上，制作比较方便易集成，但是这样一来微带线会产生辐射影响天线的增益，微带线的宽度和阻抗相关往往可以利用变换原理做成50Ω的匹配线。
背馈是采用同轴探针直接与辐射元相连馈电，探针与贴片相连，外屏蔽线与接地板相连。由于同轴线在天线辐射方向的下方，不会对辐射造成影响；二是调节馈电位置可以达到一定范围的输入阻抗，容易实现阻抗匹配。但这种方法较难集成。
（a）侧面馈电（b）背馈
图2-8微带天线的馈电方式
2.5.1 频率带宽BW
在实际应用当中往往要求天线可以在一定的频域范围内工作，这个频域范围就叫做带宽，带宽的定义有很多种，一种是以中心频率定义的：设f U 为上限频率，f L 为下限频率，f C 为中心频率。则
BW=%100?-C
L U f f f （2-1） 还有一种比较常用的定义，用小于电压驻波比给定值的范围来表示，设给定值为S ，则VSWR 小于S 的带宽为[5]
BW=
S Q S T 1- （2-2）
其中Q T 为天线的品质因数。 2.5.2 输入阻抗
由于微带天线是单端口系统，所以天线的输入阻抗定义较简单，就是从馈点看去的输入电压和输入电流之比，在射频领域中，为了获得最大的利用效率，要求输入阻抗与外界阻抗相等，否则影响功率效率、增益、驻波比等，再者反射回的电磁波会伤害功放和频率源等。谐振型微带天线属于窄带天线，输入阻抗是必须要考虑的参数之一。一般实际中有50Ω和75Ω两种。
2.5.3 驻波比
驻波比（VSWR ）全称电压驻波比，入射波和反射波相叠加，在方向相反处波峰和波谷相叠加形成波节点V min ，相位相同处叠加形成波腹点V max 。这种状态称为行驻波状态。波腹点和波节点的电压比值称为电压驻波比，理想匹配情况下其值为1，完全反射情况下为无穷大。
2.5.4 方向图
方向图可以表示天线在各个方向的电磁波辐射强度，可以测量天线的远区场来得到，方向图也有二维方向图和三维方向图，其中E 面和H 面相互垂直，通常分析E 面和H 面的方向图来研究天线的辐射特性[6]。
E 面的归一化方向系数为
()0c o s s i n 2E L f k θθ??= ???
（2-3） H 面的归一化方向系数为
()00sin sin cos 2sin 2
H W k f W k θθθθ?? ???= （2-4）
三 2.4G 微带阵列天线设计
3.1微带贴片天线阵元设计
3.1.1微带天线辐射原理
微带天线发射电磁波可以理解为终端形状突变而发生的电磁向空间散发[7]，如图3-1所示，矩形微带天线的长度为L ，宽度为W ，可以等效为一段传输线。L 约等于λg /2决定着微带天线的工作频率，W 方向为电场辐射方向。由于前端和后端相距λg /2，在开口端电场垂直方向由于相位相反而抵消，水平方向由于方向相同而叠加，因此贴片两端相当于两个相距二分之一波长的缝隙天线，微带天线相当于两个缝隙的二元阵列。微带天线的辐射方向垂直于贴片。电场平面是和W 垂直的面，而和L 垂直的面为磁场面。
图3-1微带天线辐射原理
3.1.2介质基片的选取
介质基片对微带天线的影响很大，其相对介电常数r ε，介质损耗tan δ，以及厚度h 影
响着微带天线的尺寸和性能。为了获得较大的增益通常选择损耗较小的微带板，本设计选择Rogers TMM4(TM)的介质板。相对介电常数r ε为4.5，介质损耗tanδ为0.002，是相对优良的介质板。
贴片长度L 近似的等于/2g λ，其中g λ为介质内波长:
e g ελλ0= （3-1）
e ε为有效介电常数： )101(21
21W h r r e +
-++=εεε （3-2） X
厚度和带宽的关系：
频带（MHz ）＝h f 204.5 （3-3）
对于本文中双层介质板的情况相对介电常数等效为：
r ε=2
21121εεh h h h ++ （3-4） h=h 1+h 2 （3-5）
可见厚度和高度宽度以及频率带宽有关系。本文选择厚度h 1为1.6mm.空气介质层厚度h 2为3.2mm.
3.1.3 辐射元宽度W 的确定
矩形微带贴片天线中W 值没有一定的值，但他影响着有效介电常数，从而影响长度L 和输入阻抗。根据经验当W 越大对阻抗匹配、带宽、效率都有好处，但大于下面给出值时会产生高次模，从而影响天线辐射场。
1/2122r r c W f ε-+??= ??? （3-6）
C 表示真空中电磁波的传输速度。本文选取W=56mm 。
3.1.4 辐射元长度L 的确定
L 约等于λg /2决定着微带天线的工作频率，理论上等于二分之一波长，但在实际当中受到边缘场的影响，应减去l ?2。
L L g ?-=25.0λ （3-7）
l ?为：
)
8.0)(258.0()264.0)(3.0(412.0+-++=?h W h W h L e e
εε （3-8） 也可以表示为：
L f c
L e r ?-=22ε （3-9）
3.1.5 接地板尺寸的确定
我们设接地板的宽度为WG ，长度为LG 。在实际当中，往往需要天线体积尽量小，由经验得出，接地板超出辐射元/10g λ就可以了。一般情况下：
g L LG λ2.0+= （3-10）
g W W G λ2.0+= （3-11）
由于侧馈时要加匹配线LG 可以适当的延长。
3.2 馈电网络的设计
3.2.1 特定阻抗微带线尺寸的确定
随着对微带线理论的研究的深入，对于微带线特性阻抗的计算公式也比较精确。公式
如下[8]： ?
???????????-+--+---=r r r R R R h w εεεπ517.0293.0)1ln(21)12ln(12 （3-12） 式中R=()
r Z επ02377。Z 0一般被定义为50Ω或100Ω.代表特性阻抗。本文在设计过程中用Ansoft HFSS 软件建模，并利用其自带的计算功能验证了上式的准确性，虽有些偏差，但还是很有参考价值的。下图为设计过程中需要的80Ω微带线，宽度W 为7.8mm
图3-2 微带线阻抗验证模型
图3-3 端口1的反射参数S11
如图3-3所示，当端口1的输入阻抗设置为80Ω时，S11在2G 至3G 频率范围内小于-40dB 。说明这种情况下的微带线阻抗非常接近于预定值。
图3-4 端口1到端口2的传输参数S21
如图3-4所示，同样设置端口2的输入阻抗也为80Ω时，2端口的出射波与1端口的入射波的比值S21在2G 至3G 频率范围内大于-0.19dB ，大部分能量均能传输出来，也能说明匹配效果很好，从侧面说明了微带线的阻抗和预定值相差不大。
3.2.2 功分器的设计
为了实现等幅同相馈电，所以选取的是并联馈电的方式，需要一个一分二的功分器，将功率分成两路分配到两个阵元上。在射频电路中功分器可以集成到元器件为一体，也有独立的功分器作为一个器件来用[9]。功分器也可以分为可无源功分器和有源功分器，有源功分器的特点就是有增益。本文中采用如图3-5结构。
图3-5 微带线功分器示意图
设端口1处上下两个交汇处的阻抗为R 1和R 2，由于等分则R 1=R 2，根据传输线原理，相距4λ的Z 0和R 1之间如果要达到良好的匹配[10]，则Z 1取Z 0和R 1的几何平均值：
Z 1=10R Z ? （3-12） 为了不发生反射，R 1和R 2并联应等于Z 0，于是R 1=02Z ，最终得出Z 1的值：
（2）
（3）
Z 1=10R Z ?=002Z Z ?=02Z （3-13） 一般选择Z 0=50Ω，Z 1约等于70Ω。图3-6为基于HFSS 软件的功分器模型。
图3-6 基于HFSS 的功分器建模
四基于Ansoft HFSS软件的天线建模仿真
4.1 Ansoft HFSS简介
Ansoft HFSS软件是ANSYS公司推出的基于自适应网格剖分技术的三维电磁场仿真软件。是目前高频设计的主要设计和分析工具，在射频产品研制过程中正日益发挥着越来越重要的作用。应用HFSS软件设计天线可以自动的得到各种天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图等[11]。协同其他ANSYS系列的仿真软件例如Ansoft Designer可以设计各种有源和无源的器件。Ansoft HFSS是目前微波工程设计的主流软件。利用Ansoft HFSS进行仿真设计可以在基于计算机的情况下就可以对设计的结果进行分析和优化，并且Ansoft HFSS软件自带的计算功能可以大大降低了设计难度。可以降低设计成本，缩短设计周期。
4.2模型创建步骤
4.2.1 设置运行环境
首先要设置运行环境，由于S参数是设计天线主要考虑的参数之一，要求功率的利用率和效率，这就要选择模式驱动（Driven modal），该模式所得到的S参数是通过计算入射功率和反射功率来得到的。
图4-1驱动模式选择
4.2.2选择介质基板材料
在Ansoft HFSS中选择介质基板的材料，根据表中提示Relative Permittivity表示相对介电常数。Dielectric Loss Tangent表示损耗正切。Relative Permeability表示相对穿透率。选择左下方View/Edit Materials选项卡还可以编辑介质的属性，选择Add Materials选项卡可以增加所需要的介质材料。本文选择Rogers TMM 4(TM)。点击确定。
图4-2选择介质材料
4.2.3设定模型尺寸
首先设置辐射元尺寸，设置W=56mm，L=41.55mm，坐标位置（-28mm，20.775mm，1.6mm）。如图4-3所示为设置窗口。
接下来建立馈电网络，W1为匹配线的宽度W1=2.5mm，W2为50Ω线的宽度W2=20.4mm，W3为70Ω线的宽度W3=6.2mm。
图4-3 基于HFSS的馈电网络建模
的长度。WG=218mm，LG=128mm。
最后创建接地板，接地板最少要超出辐射元/10
g
接地板距离介质基片的距离为3.2mm。
最终的天线模型如下，当中为了获得更好的对称效果添加了变量，起到了很好地效果，也方便了设计。
图4-4天线模型的侧视图
图4-5 基于HFSS的模型俯视图及电场分布
4.3基于Ansoft HFSS的计算仿真
Ansoft HFSS可以根据物理模型计算出天线的S参数、端口阻抗、辐射场等参数。是做射频器件的首选软件。
首先添加激励，在Wave Port的对话框下选择Modes，选择Integration Line下的New Line，然后在选择好的平面上画一条积分线。在Post Processing选项下设置输入阻抗为50Ω。
图4-6添加激励积分线