论文分类号 TN828 单 位 代 码 1 0 1 8 3 密 级 公 开 研 究 生 学 号 2006512013
吉 林 大 学
硕 士 学 位 论 文
短路针加载对微带天线性能影响规律的研究
Research on the Effect Regularity of Shorting Pins on Microstrip Antennas
作者姓名：张 薇
专 业：电磁场与微波技术
学位类别：工学硕士
论文起止年月：2007 年03 月 至 2008 年05 月
短路针加载对微带天线性能影响规律的研究.pdf
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吉林大学硕士学位论文原创性声明
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学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
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研究生院：
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论文级别：■硕士 □博士
学科专业：电磁场与微波技术
论文题目：短路针加载对微带天线性能影响规律的研究
作者签名： 指导教师签名：
作者联系地址（邮编）：吉林省长春市前进大街 2699 号 吉林大学电子科学与工程学院 邮编：130012
作者联系电话：13504413158
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| 作者姓名 | 张 薇 | 论文分类号 | TN828 |
|---|---|---|---|
| 保密级别 | 公 开 | 研究生学号 | 2006512013 |
| 学位类别 | 工学硕士 | 授予学位单位 | 吉 林 大 学 |
| 专业名称 | 电磁场与微波技术 |
培养单位 （院、所、中心） |
电子科学 与工程学院 |
| 研究方向 | 微带天线 | 学习时间 | 2006 年09 月 至2008 年06 月 |
| 论文中文题目 | 短路针加载对 | 微带天线性能影 | 响规律的研究 |
| 论文英文题目 | Research on the Pins on |
Effect Regulari Microstrip Ant |
ty of Shorting ennas |
| 关键词(3-8 个) | 微带天线、 | 短路针、小型化 | 、DCS1800 |
| 姓 导师情况 |
名 张 爽 |
职称 | 副教授 |
学历 |
学位 博 士 |
工作单位 | 吉林大学 |
| 论文提交日期 | 2008 年4 月25 日 | 答辩日期 200 |
8 年5 月20 日 |
| 是否基金 资助项目 出版地（城 市名、省名） |
否 基金 如已经出版，请 出版者 |
类别及编号 填写以下内容 （机构）名称 |
|
| 出版日期 | 出版者地 | 址（包括邮编） |
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内 容 提 要
随着移动通信技术的不断进步，天线做为通信设备的重要组成部分 不断向小型化发展，同时天线在体积、集成化及工作带宽等方面的要求 也越来越高。微带天线以其体积小、剖面低、易集成、造价低等优点以 及良好的性能受到广泛的关注。
本文在对微带天线小型化技术进行详细的分析和归纳的基础上，着 重研究了通过短路针加载实现微带天线小型化的原理和设计方法，以 Ansoft公司的三维电磁场仿真软件HFSS为仿真平台，对短路针加载对微 带天线性能的影响规律做了全面的分析和总结。并在较全面的掌握短路 针加载技术和规律的基础上，设计了一款应用于DCS1800频段的小型化宽 频带微带天线，该天线在保证较宽的工作带宽的前提下有效的实现了小 型化，可以很好的满足该通信频段应用的需求。
关键词： 微带天线、短路针、小型化、DCS1800
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目 录
| 第一章 | 绪论....................................................................................................1 |
|---|---|
| 1.1 | 概述....................................................................................................1 |
| 1.2 | 本文的研究背景和意义....................................................................1 |
| 1.3 | 微带天线技术的发展及课题研究现状............................................2 |
| 1.4 | 本文研究方法介绍............................................................................3 |
| 1.5 | 本文主要研究工作及组织结构........................................................4 |
| 第二章 | 微带天线理论基础............................................................................6 |
| 2.1 | 微带天线的基本理论........................................................................6 |
| 2.2 | 微带天线的基本参数......................................................................11 |
| 2.3 | 微带天线的分析方法......................................................................14 |
| 2.4 | 本章小结..........................................................................................16 |
| 第三章 | 微带天线的小型化技术..................................................................17 |
| 3.1 | 概述..................................................................................................17 |
| 3.2 | 小型化天线介绍..............................................................................17 |
| 3.3 | 常用的微带天线小型化方法..........................................................18 |
| 3.3.1采用高介电常数材料的介质板............................................18 | |
| 3.3.2采用加载技术........................................................................20 | |
| 3.3.3曲流技术................................................................................21 | |
| 3.3.4采用PIF、PIL结构..............................................................22 | |
| 3.3.5有源加载................................................................................23 | |
| 3.4 | 短路针加载技术的原理分析..........................................................24 |
| 3.5 | 本章小结..........................................................................................26 |
| 第四章 | 短路针加载对微带天线性能的影响规律......................................27 |
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| 4.1概述..................................................................................................27 |
|---|
| 4.2短路针加载的小型化微带天线的研究..........................................27 |
| 4.2.1半波微带天线设计及仿真结果分析.....................................27 |
| 4.2.2短路针加载的小型化微带天线设计....................................30 |
| 4.3短路针相关参数对天线性能影响规律的研究..............................36 |
| 4.3.1短路针数量对天线性能影响的研究及理论分析................37 |
| 4.3.2短路针间距对天线性能影响的研究....................................38 |
| 4.3.3短路针半径对天线性能的影响............................................40 |
| 4.3.4介质板厚度对天线性能的影响............................................41 |
| 4.4本章小结..........................................................................................43 |
| 第五章 短路针加载的小型化宽频带微带天线设计..................................44 |
| 5.1概述..................................................................................................44 |
| 5.2 DCS通信系统介绍..........................................................................44 |
| 5.3微带天线频带展宽技术简述..........................................................45 |
| 5.4设计思路及天线模型......................................................................46 |
| 5.4.1设计思路................................................................................46 |
| 5.4.2天线模型................................................................................48 |
| 5.5天线模型的仿真结果及分析..........................................................49 |
| 5.5本章小结..........................................................................................55 |
| 第六章 结束语..............................................................................................56 |
| 参考文献........................................................................................................58 |
| 摘 要...........................................................................................................I |
| Abstract ..........................................................................................................IV |
| 致 谢 |
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第一章 绪论
1.1 概述
随着社会的进步和移动通信的发展，与之相应的天线技术也随之迅 速发展起来。天线作为无线收发系统的重要组成部分，其主要功能是将 电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波，天线性能的优劣对整个系 统的性能有着至关重要的影响。
在这一章节中，首先说明了本文内容的研究背景和意义，简要回顾 了微带天线技术发展的历史及该课题在国内外的研究现状，并介绍了本 论文中选用的仿真软件主要功能和具体应用，最后引出了本论文的主要 研究工作及组织结构，按章节对本文的具体研究内容做了较详细的介绍。
1.2 本文的研究背景和意义[1-3]
微带天线普遍应用于大约 100MHz～100GHz 的宽广频域，有许多种 形式，其中主要包括微带贴片天线、微带振子天线、微带行波天线和微 带缝隙天线等。而微带贴片天线是在带有导体接地板的介质基片上附加 导体贴片构成的天线，常用的贴片是矩形或圆形等规则形状，现已广泛 的应用于无线电设备尤其是各种小型化移动终端中。
微带天线在诸多领域有着很广泛的应用，由于和常用的微波天线相 比，微带天线有如下一些优点：
(1) 体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形，除了在馈电点处要开 出引线孔外，不破坏载体的机械结构，对于高速飞行器特别有利。
(2) 电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射 到端射范围内调整，易于得到各种极化，特殊设计的微带元还可 以在双频或多频工作。
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- (3) 能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产， 简化了整体的制作和调试，大大降低了成本。
随着无线电技术的发展，由于微带天线具有以上的众多有点，使微 带天线在众多领域得到越来越广泛的应用，简略介绍如下：
(1) 无线通讯技术，包括手机、蓝牙、无线局域网(WLAN)等终端；
(2) 小型化卫星通讯、多普勒及其它制式雷达、无线电测高计；
(3) 指挥和控制系统、导弹遥测、无线电引信；
(4) 环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元；
(5) GPS 卫星导航接收机；
(6) 生物医学辐射器。
然而微带天线与其他天线相比具有相对带宽较窄[4] 、单个天线的功率 容量较小、在较低频段处体积仍较大等缺点，在很多场合限制了它的应 用。但由于微带天线的众多优点和广泛应用，利用改进方法研究开发出 性能优良的天线以便更好的满足实际应用的需求有着重要的现实意义。
现代无线通信系统对天线尺寸的要求越来越高，而在实现微带天线 小型化的方法中，通过短路针加载是较重要的方法之一。因而，研究短 路针加载缩减微带天线尺寸的原理及短路针对微带天线性能的影响规律 有着很重要的科研价值，并对实际生产小型化天线有指导作用。
另一方面，微带天线相对带宽很窄，虽然现有的很多的设计方法在 天线的带宽上有所改善[5,6] ，但单方面的追求宽频带，致使天线其他性能 不能很好的满足应用的需求，因而在尽量保证天线其它特性的同时改善 微带天线窄频带特性的设计仍为重要的研究课题之一。
1.3 微带天线技术的发展及课题研究现状[3,7]
早在1953年德尚(G.A.Deschamp)教授就己经提出利用微带线的辐射
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来制成微带微波天线的概念。但是在随后的近20年里，对此只有一些零 星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面 天线的迫切需要，芒森(R.E .Munson)和豪维尔(J.Q .Howell)等研究者制 成了第一批实用的微带天线。在80年代，微带天线无论是在理论与应用 的深度和广度上都获得了进一步的发展。之后，世界各国的研究人员对 微带天线的贴片形状、馈电技术、基板构造和阵列排列等方面作了深入 的研究。基于其许多优点，微带天线得到了广泛的应用，并且在微波天 线这个广阔的领域里，构成了一门具有自己特色的新研究领域。今天这 一新型天线己经趋于成熟，其应用正在与日俱增。
近年来微带天线技术迅速发展，微带天线设计上的多样性可能超过 了其他任何一种天线形式。70年代，微带天线的出现，将天线的传统三 维结构变成了二维结构，实现了一维小型化，这可以看作是天线小型化 的一个新突破。但对于在较低频段(VHF/UHF)的应用，微带天线的尺寸 仍较大，不能满足实际应用中对天线尺寸的要求，使得其在使用上受到 很大限制。无线通信设备的小型化趋势要求进一步缩小微带天线的尺寸， 微带天线的小型化研究逐渐成为国际上的一个新热点。在过去近30年里， 研究者己经开发了多种减小微带天线尺寸的方法，并有很多的文献介绍 [8-11]，如采用电阻加载的小型化微带天线尺寸不超过60mm×90mm[12]；短 路探针加载技术可以使微带天线尺寸缩减到20mm×30mm[13] ；接地面上 开槽(缝)的圆形贴片天线直径可缩减为20mm[14] 。
1.4 本文研究方法介绍
目前，国际上主流的三维高频电磁场仿真软件有德国 CST 公司的 MicroWave Studio(微波工作室)、美国 Ansoft 公司的 HFSS(高频电磁场 仿真)等，而诸如 Zeland 等软件则最多只能算作 2.5 维的。
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