433MHz天线小型化设计

论文总字数：17085字

目 录

第一章 绪论 2

1.1 课题研究背景和意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题的主要工作及章节安排 3

第二章 天线基本参数及微带贴片天线 4

2.1 天线基本参数 4

2.2 微带贴片天线 6

第三章 微带天线小型化及平面倒F（PIFA）天线 8

3.1 微带天线小型化 8

3.2 平面倒F（PIFA）天线 9

第四章 电磁仿真软件介绍 13

4.1 FEKO软件简介 13

第五章 433MHZ小型化天线设计及仿真 15

5.1 433MHZ小型化天线设计 15

5.2 433MHZ小型化天线仿真 15

第六章 结论与讨论 25

参考文献： 26

致谢 27

第一章 绪论

• 1. 课题研究背景及意义

天线长期在各种民用和军用无线电领域扮演重要的角色。尤其是进入21世纪，伴随着信息产业的蓬勃发展，天线越来越广泛地运用于我们日常生活的方方面面,大到大型单位的卫星通信、军事领域中的雷达探测，小到我们普通百姓日常的电视信号的传输、移动电话通讯以及家用的无线路由器等等，天线都在其中发挥着不可或缺的作用。

1887年德国青年学者海因里希·赫兹（Herinrich R.Hertz）的著名实验证实了电磁波的存在。他那时设计的电偶极子谐振器便是世界上最早的发射天线，因此天线发明和研究领域可以说还是一个相对新兴的领域,到现在还只有不到130年。之后，意大利科学家古利莫·马可尼（Guglielmo Marconi）在研究和改进赫兹试验之后，在1895年成功地在2.5km的距离内传送了无线电报。最初,无线电发射大多使用的都是火花式发射机，工作频率主要集中于米波和微波频率;后来,天线家族又发展壮大，针对不同的需求又出现了环形天线、抛物柱面天线、喇叭天线和介质圆柱透镜天线等形状和功能各不相同的新式天线。1901年马可尼在加拿大纽芬兰岛和英国康泛尔半岛之间进行的 “s”字母信息传输开启了天线广泛应用的新纪元，从此天线的发展经历了线天线（19世纪末至20世纪30年代初）、面天线（20世纪30年代初至50年代末）、大发展（20世纪50年代末至今）三个主要的发展阶段。

当今，天线技术虽然已建立起较为成熟的理论体系，但它仍然有着极大的发展空间。尽管当今世界电子技术的发展日新月异,发展突破口也非常的多,但大致是为了能够使一副天线具有多副甚至很多天线的功能，并且适应电磁兼容要求（多功能化）、具有更高的信息处理能力(智能化）、具有更宽的频带、更高的增益等更加优秀的性能、集成化及小型化。

• 1. 国内外研究现状

在1887年赫兹（Herinrich R.Hertz）设计发明出第一副天线后，一代又一代的天线工程师都在不断地探索着缩小天线尺寸的方法。上世纪四十年代，工程师为了适应二战作战过程中隐蔽和便携的需求，将天线的高度和尺寸都进行了缩小。20世纪70年代以后，半导体技术的迅猛发展使得电子设备的尺寸越来越小，而天线则相对落后，成为了制约无线通信系统进一步小型化的器件。20世纪80年代起，天线的尺寸能够取得进一步的缩小还要得益于匹配技术和自谐振技术的发展，并且运用这两项技术不影响效率和带宽，这是天线小型化的一大进步，同时使得天线不再单独存在于系统的外部，实现了集成化。上世纪90年代以来，随着信息化程度的提高，以手机为代表的各式移动通信设备和电子产品在日常生活中的普及度大大地提升，这也使得传统的天线再一次站到了更新换代、技术革新的十字路口。这时，微带天线的小型化研究应运而生，成为了天线小型化研究中的最为重要，也是最为热门的方向。实际上，各式各样的微带天线已经潜移默化地渗透进我们日常生活的各个角落。移动电话、路由器、定位仪器中都可以见到微带天线的身影。

然而，在天线小型化的设计中，天线尺寸的减小也会影响到其他一些参数的下降（例如增益的下降），因此，在设计中，不能一味地追求缩小尺寸，还要兼顾其他各项参数，达到系统的平衡。

在天线的设计开发领域中，计算机性能的提高也起到了举足轻重的推动作用。可运行于个人计算机上的电磁仿真软件，比如FEKO，HFSS，ADS，CST等等大大方便了设计人员的开发工作。这些软件不光设计界面易于操作，而且借助于当今计算机的优秀性能，可以快速输出模型仿真结果，同时图表的形式清晰明了，极大地减轻了设计者的工作量，减少了天线设计开发的时间，进而推动了天线技术的发展。

而433MHz作为最为常用的民用无线电频率之一，433MHz天线也广泛运用于无线通信、医疗、交通等诸多领域。市面上，433MHz的天线种类也是十分繁多，比如手持式、车载式，还有的固定使用或作基地台使用。针对其不同的功能有的采用拉杆型设计；有的采用吸盘式设计；还有的使用同轴共线式天线阵，即GP天线；内置式则多使用螺旋天线等等。这些天线根据其具体的作用，增益从几dBi到几十dBi不等，价格也相差较多。

• 1. 课题的主要工作及章节安排

本文的主要工作是设计一款工作于433MHz的小型化天线，结合天线理论和具体参考文献选择一种最为合适的小型化技术，利用FEKO电磁仿真软件建立天线模型，通过仿真软件给出模型的相关电参数，根据结果调节天线的尺寸将天线谐振于433MHz,并且尺寸相比矩形微带天线有所缩小，最后进行验证等相关测试。

本文内容安排如下：

第一章是绪论，对课题研究的背景及意义，天线小型化研究的发展历程和现状进行简要的介绍。

第二章阐明几个天线常用参数的定义，并且对微带贴片天线的相关理论基础进行说明。

第三章介绍几种减小天线尺寸的具体方法，详细说明本课题所选取的短路加载法（PIFA天线）。

第四章介绍本课题所选用的的电磁仿真软件FEKO。

第五章使用FEKO软件设计一款工作于433MHz，天线尺寸为12cm*9cm*2cm的倒F型天线。对天线模型进行仿真，测量天线基本电参数，分析天线的总体性能。

第六章是总结，对本文进行总结，提出可改进和提高之处。

第二章 天线基本参数及微带天线

2.1天线的基本参数

描述天线的性能是一个非常复杂的过程，由于天线是将通信系统中的信号以电磁波的形式辐射到自由空间中(发),或是接收自由空间中的电磁波信号并且传输进入通信系统(收),因此天线大致可分为两端，一端与通信系统中连接，另一端与自由空间连接，基于天线这样的功能和特性，我们可以把天线的基本参数分为两个方面，一个是辐射特性，一个是阻抗特性。阻抗特性反映天线在通信系统（电路）中的特性，辐射特性则反映天线与自由空间中电磁波的关系；另外从实际应用方面出发引入了带宽这一参数。可以用输入阻抗来描述天线阻抗特性;用方向图、增益、极化、效率来描述天线辐射特性。

2.1.1天线的输入阻抗、反射系数及驻波比

通常情况下天线的输入阻抗可以由天线在馈电点处电压除以电流得到：

Z=V/I (2-1)

天线的输入阻抗由实部（电阻）和虚部（电抗）组成，即：

Z=R jX (2-2)

为了使能量尽可能多地传输到天线辐射单元而不是反射回发射源，用馈线连接天线时，要使馈线与天线匹配（即馈线的特性阻抗与天线的输入阻抗相等）

天线的反射系数可以由反射波电压除以入射波电压得到，它可以反映天线与传输线之间的匹配情况，其定义为：

(2-3)

其中Z代表天线的输入阻抗，Z0代表馈线的特性阻抗。

天线的电压驻波比可以用波腹点电压振幅除以波节点电压振幅得到，它也可反映天线的匹配情况，其定义为：

（2-4）

从（2-3）和（2-4）可以看出反射系数和电压驻波比越小，能量能够更好地传输到天线的辐射单元，天线匹配性越好。

而由于天线是单端口元件，所以天线的反射系数即是天线的S11参数。通常情况下，在天线设计中要求S11参数小于-10dB。

2.1.2天线的方向图

天线在不同方向的辐射场强度一般是不同的，为了能够直观地反映出辐射场在每个方向的强度等特征通常使用天线方向图来描述天线辐射特性。在分析天线时通常可以将天线等效为很多个小的辐射单元，每个辐射单元都向空间辐射电磁波；但这些辐射单元辐射的电磁波在某一方向的累加不同，有的方向相互叠加变强了；而有的方向相互抵消变弱了。因此一般情况下考虑到这一复杂特性，通常使用三维立体方向图或是水平面和垂直面方向曲线将问题化繁为简。

图2-1 天线3D方向图

2.1.3天线的增益

通常情况下用天线的方向性系数D来反映天线的方向性，它的定义是当有向天线与全向天线在等距离处获得相同场强时，全向天线的辐射功率Pr0与有向天线辐射功率Pr的比值：

(2-5)

方向性系数值与方向性正相关。

由于天线自身存在损耗，因此它的输入输出功率存在差值，可以定义天线效率来表示它损耗的程度，用辐射功率Pr除以输入功率Pa，即：

（2-6）

同时定义天线在某一方向上的增益:

G=D* (2-7)

根据上式可知若是想提高增益可以从提高方向性系数以及提高效率这两个思路入手。

通常情况下我们说的增益就是指天线在辐射最强的方向上的增益，定义为在最大辐射方向上远区某点功率密度与输入功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比，根据不同的参考(无方向性天线或半波振子天线)天线的增益单位有dBi和dBd两种,dBd值 2.15=dBi值。

2.1.4极化方式

天线的极化是指天线在给定方向上（默认为最大场强方向上）所辐射电磁波的极化：而电磁波的极化所描述的是在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特征（由于已知电场可由MAXWELL方程解出磁场，所以通常说的极化都是描述的电场的方向），并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。若轨迹是直线，则称为直线极化；若轨迹是圆，则称为圆极化；若轨迹是椭圆，则成为椭圆极化。

线极化天线又可分为水平极化天线和垂直极化天线，这是以地面为参考平进行划分的。

2.2 微带贴片天线

1953年德尚（G.A.Deschamps）第一次提出利用微带线来辐射并制作成天线的设想，经过20多年的发展，芒森(R.E.Munson)和豪威尔（J.Q.Howell）于20世纪70年代初期将这一概念成为现实。由于微带天线相比一些其他天线尺寸更小、重量更轻、性价比也相对较高，同时安装简单，因此在通信、航空航天等许多的领域中都有十分广泛的运用。这种天线的结构相对规整且薄，因此在体积上具有优势，可以通过改变贴片的形状和馈电方式或在贴片和介质基片间加负载来获得所需的谐振频率、极化方式、模式、输入阻抗等电参数。

微带贴片天线是微带天线家族中最基本和最常用的形式。它主要由接地的介质基板以及在基板上贴加的金属贴片（天线的辐射单元）组成，再利用微带线或是同轴线馈电，通过金属贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射电磁波。这里需要注意，要求基板的厚度应当远远小于天线的谐振波长。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17085字

相关图片展示：