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摘要调频连续波雷达具有极好的距离分辨率和灵敏度，而天线作为任何无线电系统的基本部件，在雷达中有着非常重要的作用。微带贴片天线以其重量轻，体积小，成本低，能够和载体共形，易与固体器件结合，可以大量生产，且与集成电路有较好的兼容性等优点深受人们的亲睐，应用与日俱增。本文对微带天线的辐射机理和微带天线阵的阵因子进行了介绍，并基于中心频率为5.8GHz，基板材料为 RT5880 的微带天线，设计出 2×2 的微带天线阵，并用 HFSS 对其进行建模、仿真、调试，使各端口匹配，最后分析天线阵的性能。此外，我还用 HFSS对单缝隙天线进行了建模仿真，并观察了归一化谐振阻抗与缝隙偏移量的关系。27403
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毕业论文关键词 微带天线， 平面阵， HFSS， 单缝隙天线
Title Antenna Design Applied To Frequency-ModulatedContinuous-Wave RadarAbstractFrequency-modulated continuous-wave radar has excellent range resolution andsensitivity and antenna as an essential part of any radio system plays a veryimportant role in the radar.Microstrip patch antenna is popular owing to its lightweight, small volume, low cost, easy to conformal with the target, easy to combinewith solid state devices,etc.What's more，it can be produced in large quantitiesand have good compatibility with integrated circuits.So the application of it isincreasing day by day.The theory of the microstrip antenna radiation and microstripantenna array's array factor are introduced. and I design a 2x2 microstrip antennaarray based on the microstrip antenna with the center frequency for the 5.8GHzand substrate material with RT5880.What's more,I use the HFSS for modeling,simulation, debugging to make the port matched, analyzing the performance of theantenna array in the end.In addition, I also model and simulate single slot antennain the HFSS, and the relationship between the normalized resonant impedance andslot offset is observed.Keywords Microstrip Antenna； Planar Array； HFSS； Single Slot Antenna
目 次
1 绪论 1
1.1 调频连续波雷达天线的研究意义及前景 1
1.2 微带天线的国内外研究概况 2
1.2 论文主要工作和结构 2
2 微带天线的理论及性能分析 4
2.1 天线理论 4
2.2 微带天线的辐射机理 5
2.3 微带天线的 HFSS 仿真分析 5
3 微带天线阵的理论及性能分析 8
3.1 馈电网络 8
3.2 阵因子 9
3.3 互耦 13
3.4 微带天线阵的 HFSS 仿真分析 14
4 2×2 微带天线阵的设计 18
4.1 天线单元的仿真 18
4.2 1×2 天线阵的仿真 22
4.3 2×2 天线阵的仿真 24
4.4 天线综合 29
5 单缝隙天线的简单了解 32
5.1 归一化谐振导纳与偏置距离的关系 32
5.2 Matlab 仿真曲线 32
5.3 单缝隙天线的 HFSS 仿真 33
结论 35
致谢 36
参考文献 37
1 绪论1.1 调频连续波雷达天线的研究意义及前景对重要信号的监测近年来吸引了众多雷达研究者的注意，目标沿着雷达径向做不同的运动可以得到不同的多普勒频率，这成为所谓的目标“micro-Doppler”特性。利用多普勒的这种特性可以识别目标，例如，利用多普勒的信息和距离属性形成一个 ISAR 图像，这可以用来分析人的行走状态或对飞机进行分类。调频连续波雷达具有极好的距离分辨率和灵敏度，它的工作原理很简单，但具体实施起来却要考虑很多干扰因素。它对要发射的信号频率进行调制，接收回波信号，得到发射信号与回波信号的差拍，以此来估测目标距离，通过混频器输出的差拍信号是包含目标的距离信息的唯一信号。具体地，经调制后的信号分为两路，一路作为本振信号通过功率放大器或频率合成器耦合到混频器，另一路由天线向空间辐射，然后再通过天线进行接收输入到混频器中，这样，回波信号可看成本振信号的延迟，经过本振信号与回波信号的混频获得差拍信号。作为任何无线电系统的基本部件，天线在雷达中有着不可替代的地位。它不但是辐射和接受无线电波的装置，同时也是一个能量转换器，换句话说，天线实现了把传输线上的导波转换成“自由空间”波的功能（接收时相反）。我这次课题重点是对微带天线进行仿真学习，贴片天线是一种具有低轮廓结构、特性优良的辐射单元，由贴在接地介质基板上的薄金属片构成。它具有平面结构，重量轻，体积小，成本低，能够和载体共形，易与固体器件结合，可以大量生产，且与集成电路有较好的兼容性，因此受到广泛关注。该天线的馈电线可用微带线，也可用同轴线，馈电点的位置影响天线的工作状态，因此在设计时馈电方式和馈电点的选择很重要。微带贴片天线在工作时，导波通过馈电网络沿着微带线将能量传送到馈电点，然后能量扩散到贴片下面的区域，一般将基板底面和辐射贴片设置为理想导体，所以很多能量穿过贴片天线的边界向空间辐射。单个贴片天线频带窄、增益低，为了增大增益，达到特定方向性的要求，常常将它组成阵列。多个形式相同的辐射单元按照一定规律布置组建成天线阵，单个辐射单元叫做阵元，阵元的辐射场在有些方向互相抵消而在有些方向互相叠加，从而获得特定的方向图，改善了增益。阵元种类、数量、排布方式，激励电流的辐度及相位等因素会对天线阵列的辐射特性产生影响。天线阵具有增益高、波束控制及波束扫描等特点，且辐射贴片单元和馈电网络能集成在同一介质基板上，易于实现多极化，变极化或多频工作，因此在雷达目标精确识别、通信、电子对抗、遥测、遥控、地质勘探等众多军用和民用领域获得了广泛应用。但是，阵列天线往往会产生较大旁瓣，且设计复杂，因此，天线阵还是有很大的研究空间的。1.2 微带天线的国内外研究概况对于微带天线，最早可以追溯到 1953 年，德尚教授提出了用微带线的辐射来制作微波天线的概念。随后 20 年发展缓慢，直到豪威尔和芒森在 70 年代初期做出了第一批微带贴片天线。随后，众多学者及研究人员对辐射贴片的形状、基板的构造、馈电的选择和阵列的排布方式等方面进行大量的探讨，贴片天线获得进一步的发展。对微带天线进行分析时，除了使用早期的传输线模型、空腔模型等近似方法外，还有全波分析法，它严格考虑了介质基片的影响。近几年，商用软件发展迅速，怎样通过软件对贴片天线进行分析成为热门，将空间映射算法、遗传算法和粒子群等优化算法与商用软件相结合，使得贴片天线的设计周期大大缩短了。随着微带天线研究的深入，天线阵和相控阵列天线也逐渐发展起来，特别是相控天线阵在近年来的卫星直播天线中起到了独特的作用，它是基于阵列天线发展起来的。一般情况下，单个天线的增益较低，则将多个单元天线按一定的规则组阵，以提高增益，在此基础上，进行移相器及控制电路的设计，从而可以得到相控天线阵。因为相控阵天线的波束控制灵活，近年来，在移动卫星通信系统中有着很广阔的发展。随着信息技术的迅猛发展，大家对便携式移动通信的性能要求大大提高。微带天线的特性恰好能够满足人们在重量和外形上的需要，另外，微带天线可以印制光刻生产，且可以很容易地与微波射频电路集成在一起，逐渐成为个人移动通信系统中天线的最佳选择。短短数十载，微带天线就引起了极大地关注，被广泛应用在 PCS、GPS、DBS、WLANS 和 VHS 等市场。1.3 论文主要工作和结构本文研究应用于调频连续波雷达的天线设计，主要是对 2×2 的天线阵进行设计、仿真、调试，以达到最佳性能。我将毕业设计说明书分成五个章节进行阐述，逻辑上层层推进，每个章节的大致内容如下：第一章是讨论微带天线及微带天线阵的研究意义及前景， 并简单介绍了国内外研究概况，对微带天线的特性、优势、应用以及阵列的概念做了简单介绍，最后对本论文的大体架构进行简单的概括说明。第二章则先对微带天线做具体介绍，从最根本的天线性能参数，到贴片天线的辐射机理，最后通过用HFSS 对微带天线建模仿真来进一步了解天线的特性，为天线阵的提出埋下伏笔。第三章主要是对微带天线阵进行研究，阵元通过馈电网络进行激励，所以先介绍了馈电网络；阵因子是天线阵研究的重要因素，因此紧接着对阵因子做了具体分析，并通过 Matlab对均匀激励的等间距直线阵阵因子进行曲线拟合；随后对阵元间耦合现象做了简单扼要的介绍；最后用HFSS 对 1×4 的微带天线阵建模仿真，学习天线阵设计的一个大体流程。第四章也是我毕设最重要的一章，是对 2×2 的天线阵进行设计仿真，本章详细讲述了微带天线阵的设计流程，并对结果图进行分析。最后拓展了天线综合的知识，对大型天线阵的设计方法有一个初步概念。第五章是对单缝隙天线的简单了解，通过HFSS 对单缝隙天线进行仿真。