基于5.8GHZ的平板天线设计和及应用.docxVIP

基于5.8GHZ的平板天线设计和及应用

摘要；无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。本文设计了一款工作频率为5.8GHZ的平板天线，应用于微波感应器当中。天线的辐射源设计为方形，边长是四分之一波长，可以使得微波感应器的各个方向的感应距离近乎相等。通过使用金属墙对天线的处理，可以达到拓展波束角宽度的目的，从而实现微波感应器方向性的变化。在微波感应器中，天线是一个至关作用的组成部件。拓宽天线的波束角，对于微波感应器的感应区域控制将会进一步提升，增加其的适用范围。

关键词：天线；波束角；微波

引言

近年来，研究人员对于天线波束角的研究越来越深入，对于如何拓宽天线波束角，也取得了很大的进展。在微波感应器中，天线的主瓣宽度很大程度决定了其辐射区域。因此，展开天线的波束角在工程中也是非常具有实际意义。目前，在控制波束角的天线中，透镜天线可以取得比较好的效果。透镜天线是利用透镜的聚焦特性，将点源或线源发出的球面波或柱面波转换为平面波束的天线，通过合理设计透镜表面形状和折射率，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。依靠表面形状实现聚焦功能的透镜主要包括介质减速透镜和金属加速透镜，其制作材料是均一的，通过改变不同路径光束在透镜中行走的距离来改变光程。还有一类是渐变折射率透镜，其中最引人注目的当属龙伯透镜{1}。

本文中，制作设计了一款工作频率在5.8GHZ的平板天线，通过对天线的辐射源的周边进行金属（铜）墙处理，以此来改变波束角。同时，这种天线可以非常适用于微波感应器当中。

1平板天线的仿真设计

1.1天线结构设计

本文采用的平板天线工作频率在5.8GHZ，结构由一层接地面，一层介质层，一层辐射源构成，接地面和辐射源采用铜皮，介质层采用FR_4材料（玻璃纤维环氧树脂）。通过高频电磁仿真软件来确定天线的增益、损耗、波束角等参数。天线工作在5.8GHZ，辐射源在极化方向的长度应设计为四分之一波长，即：边长为四分之一波长的方形铜片。通过高频电磁仿真软件（HFSS），可以得出天线各项参数。

下图为仿真结果：图一为天线增益，该天线的增益接近7dB,可以保证最基本的感应距离；图二为天线回波损耗，可以得出天线的最佳点工作频点是5.83GHZ，s（1,1）为-23.34；图三为史密斯园图，通过该图，可以看出来天线的阻抗匹配也到达了一个不错的状态；图四可以清楚得看出天线辐射的方向图，波束角（主瓣宽度）。

.

图1：天线辐射图

图2：s（1,1）图3：史密斯圆图

图4：天线方向图

2平板天线波束角（主瓣宽度）展开

天线的主瓣宽度：是指方向图主瓣上两个半功率点，即场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点之间的夹角，有时又称为3dB波束宽度或半功率波束宽度（Half-PowerBeamWidth，HPBW）。

如今，众多天线工作者致力研究宽波束微带天线，1997年，TokoAmericaInc提出采用高介电常数的微带介质天线。2002年，国内何海丹提出的微带介质天线，将介质板延伸至接地面，天线方向图有基板末端辐射和贴片产生的辐射构成{3}。2012年，C.Wu等人提出在圆极化微带天线单元的两个轴线方向分别加载金属柱，并与地连接，通过圆极化微带天线单元与金属柱之间的电磁耦合提高天线的半功率波束宽度{4}。2014年，华南理工大学ZKPan利用寄生圆环形成双层结构，利用圆形辐射环的最大辐射方向在水平方向，结合微带天线最大辐射方向在竖直方向的特性，使得天线具备140°的波束空间覆盖能力{5}。此外，展开波束角的方法还有：加载三维接地板结构、螺旋槽天线、Sinuous天线{7}、加载金属线结构、微带天线阵等。

2.1辐射源周围加金属墙展开波束角

上面介绍的平板天线辐射源的尺寸是小于基板和接地面的尺寸，附加的金属墙有足够的空间接在基板上面。将两片厚度为0.5mm、高度为13mm的金属墙加在平板天线极化方向的两端。如图五。

图五：加金属墙的平板天线模型

通过高频电磁仿真软件（HFSS）对图五模型进行仿真的结果分析，可以得出来经过金属墙处理后，增益基本上未发生变化，如图六。金属墙加在极化方向，有助于增强能量的汇集度，同时也对主瓣宽度。

图六：加金属墙的平板天线辐射图

图七：经过金属墙处理的天线方向图

通过图六，图七可以看出天线增益没有发现明显变化，但是天线的整体辐射图发生变化，可以形象得把辐射图看成一个“苹果”。很显然，经过金属墙处理之后的天线，它对应的“苹果”变扁了，由此可以得出波束角确实发生了变化。再通过HFSS，观测一下其他参数。

图八：经过金属墙处理s（1,1）

图八得出再加入金