射频谐振器天线的设计与仿真毕业论文.doc

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1、射频谐振器天线的设计与仿真摘 要 随着频谱资源使用的不断发展，射频谐振器天线凭借其特有的效率高、尺寸小等优点得到了广泛的应用。其中，圆柱形射频谐振器天线的使用最为普遍，其被应用于手机系统、卫星导航和雷达等多个领域。 本论文开始介绍了天线理论和谐振器理论，重点介绍了常用天线参数、谐振器参数以及天线的馈电方式等内容。接下来在相关理论的学习基础上，使用软件设计并优化了一个圆柱形射频谐振器天线，使其谐振频率满足设计要求。另外，也对其多个性能参数如回波损耗、输入阻抗、天线增益方向图进行了仿真分析，了解并完善了天线性能，为更复杂的射频谐振器天线的设计奠定了基础。关键词：馈电 射频谐振器天线 谐振频率 仿真

2、分析Design And Simulation Of The Radio Frequency Resonator AntennaABSTRACT With the development of the resources of frequency, the Radio Frequency Resonator Antennas have been widely used for its high efficiency, compact size and etc. Among all the RFRA, the cylindrical RFRA is the most popular one, w

3、hich is being used in a lot of fields, such as the Mobile System, GPS and Radar. At the beginning of this thesis, the theory of Antenna and Resonator is being talked. In addition, something important such as the antenna parameters, the resonator parameters and the feeding forms are detailed introduc

4、ed. Then the author designs and optimizes a Cylindrical Radio Frequency Resonator Antenna by HFSS. More over the thesis also analyzes the Antennas Return Loss, z parameter, the Gain Radiation Pattern and etc, which lays the foundation of the more complex ones.Key Words：Feeding Radio Frequency Resona

5、tor Antenna Resonant Frequency Simulation & Analysis目 录第一章 绪论11.1研究背景和意义11.2研究进展和状况11.3本文主要内容和工作安排3第二章 射频谐振器天线理论和分析42.1天线理论42.2天线特性参数42.2.1 方向图42.2.2 谐振频率52.2.3 方向性参数52.2.4 输入阻抗52.2.5 反射系数和驻波比62.2.6 定向性和增益62.2.7 带宽72.3射频谐振器原理72.4射频谐振器参数92.4.1 介电常数92.4.2 品质因数92.4.3 谐振波长10 2.5 射频谐振器天线工作原理.102.6 射频谐振器天

6、线的馈电方式102.6.1微带-槽耦合馈电112.6.2 微带线直接馈电122.6.3同轴探针馈电132.6.4共面波导馈电13第三章 HFSS软件简介15第四章 射频谐振器天线的设计与仿真154.1结构图及谐振频率164.2 天线的设计174.3 仿真结果及分析214.3.1回波损耗分析214.3.2 参数扫频分析224.3.3输入阻抗和同轴线馈电点位置的变化关系244.4天线的优化设计244.4.1设置优化变量254.4.2 优化后的S11扫频结果254.4.3 Smith Chart和输入阻抗264.4.4 天线的三维增益方向图274.4.5 天线的E面增益方向图28第五章 总结与展望3

7、0参考文献.31致谢.32第一章 绪论1.1 研究背景和意义随着最近十几年通信行业的不断发展，无线通信产品变得越来越普及，从1G时代的大哥大，寻呼机到2G、3G时代的无绳电话、移动电话以及最新出现的谷歌眼镜、苹果手表等等。而作为无线通信系统重要组成部分之一的天线，对于其功能的要求也是与日俱增。传统金属天线性能不够理想，主要原因是低频段时几何尺寸过大，而高频段时损耗过高。而射频谐振器天线（Radio Frequency Resonator Antenna）作为最近几年出现的新型天线，其自身具有特有的优势，如介电常数的选择范围很大；可以激励起多种模式；天线馈电方式较多；天线加工简单，成本低，而且对

8、于集成设计的使用而言较为方便。射频谐振器天线被广泛应用于移动通信、定位和导航系统、广播通信等领域，目前的谐振器所使用的材质还是局限于陶瓷。1.2研究进展和状况谐振器作为一种存储电磁能量的器件，其振荡过程主要是通过电能和磁能的相互转换来完成的。振荡的频率称为谐振频率。传统的谐振器是金属空腔，其谐振腔材质完全由以视为理想电壁的金属制成，此时电能与磁能在空腔内相互转换，而金属谐振腔不会向外界辐射能量。介质谐振器则是用具有高介电常数值（）和低损耗（以下）的材质制成，具有优秀的电磁特性，如果工作在辐射模式，就会向外辐射电磁波，从而作为天线使用。而射频谐振器天线则是在介质谐振器的基础上发展而来，它由低损耗

9、的微波介质材料制成，其谐振频率是介质形状、尺寸及相对介电常数的函数，具有许多突出的优点，其中包括：(1) 因为介质损耗较小，没有表面波损耗，所以具有高辐射效率（95%）；(2) 可以设计成多种常见的三维形状，因此具有很高的设计灵活度；(3) 馈电方式简单，可采用同轴探针馈电、微带-槽耦合馈电、微带线直接馈电及共面波导馈电等方式；(4) 介电常数选择范围大，从而可以根据设计需求调整带宽与天线尺寸大小；(5) 天线尺寸相对较小，大约为数量级。20世纪80年代，S.A.Long教授通过对谐振器的研究发现，当所选射频谐振器的形状、馈电方式和介电常数适当时，该射频谐振器可用作天线。20世纪90年代初，相

10、关研究人员又作了大量关于谐振器天线在不同模式的参数变化情况研究。专家们设计了不同形状的射频谐振器天线并且取得了很好的结果。国内对于射频谐振器天线的研究较少，主要研究局限于宽带圆极化谐振器天线单元及阵列的设计与性能分析，国外的许多高校和研究所对于射频谐振器的研究则更为深入。国外对于射频谐振器天线的研究主要集中在下述几点：（1） 复杂的谐振器结构由于谐振器的自由度和其几何参数相关，所以复杂的谐振器结构能够大大提高设计灵活度。通常情况下我们最常见的谐振器结构为半球形、圆柱形和矩形，他们可变量分别为一个（半径r）、两个（半径r和高h）、三个（长a、宽b和高c）。而从某种程度上讲，谐振器结构越复杂则其性

11、能越优异。所以很多更为复杂的结构被提出，如四面体、圆锥等等，这些结构的几何参数更多，从而满足我们的需要。（2） 复杂的馈电结构馈电结构就是把输入的电磁信号耦合到谐振器上的方式，通常使用的馈电结构包括微带线、同轴探针、微带-槽耦合馈电等。总体而言，参数越多，结构越复杂，就越有可能获得更好的性能。（3） 双频段工作在双频段下工作的天线拥有更高的集成度，可以同时满足两种不同制式的频率要求。目前使用的4G通信标准包括TD-LTE和FDD-LTE。使用双频段天线工作的设备，能够整合两种网络，从而增强设备竞争力。（4） 宽带射频谐振器天线目前常见的射频谐振器天线设计带宽为80MHz到几百MHz，也有设计可

12、以达到1GHz以上。在设计中增加射频谐振器天线带宽的方法有三种：第一种方法是在射频谐振器外表面上贴一个金属贴片，通过自身产生的分布电感以及与地板之间的分布电容，使得射频谐振器天线在不同频率产生谐振从而展宽频带。第二种方法是采用堆叠技术，增加多个射频谐振器天线单元，通过在主元天线的谐振频率附近产生谐振来展宽天线带宽。第三种方法是在单一射频谐振器天线的基础上加一个微带天线，使它们的工作频率接近，从而达到拓展带宽的目的。（5） 圆极化天线天线的极化是描述电磁波辐射时的矢量方向参数。电磁波的极化状态以其电场矢量的取向来区分。圆极化天线可以接受任意极化的来波，无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是

13、相同的，不会有什么差别。通过产生两个相互垂直、振幅相等、相位相差线极化电场分量即可以获得圆极化。圆极化的方法可分为三种，包括单馈法、多馈法和多元法。（6） 射频谐振器天线阵列单个射频谐振器天线的增益低，为了获得更高的天线增益，可以采取阵列方式。当前的主要阵列形式有直线阵和平面阵，其中平面阵多采用2*2的子阵列方式。1.3本文主要内容和工作安排射频谐振器天线是目前天线领域的研究热点，本文根据国内射频谐振器天线的研究趋势，通过对于天线理论和谐振器的学习研究，设计了一种同轴探针单点馈电方式的圆柱形射频谐振器天线并利用HFSS软件进行了仿真分析。本文内容安排如下：第1章 ，绪论，重点介绍射频谐振器天线

14、的一些主要特点以及当前国内外的研究进展情况。第2章 ，理论介绍，介绍了必备相关天线知识以及天线的特性参数。另外还介绍了谐振器和谐振器天线理论，主要包括相关参数、工作方式和主要馈电方式。第3章 ，仿真软件介绍，简要介绍了HFSS（High Frequency Simulation System）的基本特点和应用领域。第4章 ，射频谐振器天线的设计与仿真，设计了一个同轴探针馈电的圆柱形射频谐振器天线，并对其进行了一系列的性能分析，最后完成优化设计。第5章 ，总结与展望，总结了全文的内容，同时对于射频谐振器天线的发展前景以及未来的使用情况进行了探讨。第二章 射频谐振器天线理论和分析2.1天线理论辐射

15、通常产生于电荷的加速运动和电流随时间的变化，所产生的能量可以在外部空间中不断传播。天线能够定向辐射和接受电磁能量。根据基本辐射元的三种形式，天线可分为三种类型，包括基本辐射元为电流元的线天线；基本辐射元为磁流元的缝天线和基本辐射元为惠更斯元的口径天线。线天线应用在米波段而缝天线和口径天线应用在微波波段。考虑天线问题时所采用的方程就是经典的麦克斯韦方程组： （2.1） （2.2） （2.3）（2.4） 上述方程，就是麦克斯韦方程组的微分形式，四个式子分别是法拉第电磁感应定律、安培环路定则、高斯定理和连续性方程。 不论天线种类如何，都是通过变化的电荷产生辐射，辐射方程为：（2.5） 其中：表示电流

16、元长度；为时变电流；表示电荷量；为电荷加速度。2.2天线特性参数 在天线的设计和分析中，主要关心以下技术指标：方向图，谐振频率，方向性参数，输入阻抗，反射系数，驻波比，定向性和增益，带宽。 方向图 在不同方向上天线的空间辐射是有区别的，为了描述天线的方向性，可以用方向性函数来表示。将辐射场强和方向的关系用曲线表示出来，所绘制的天线辐射三维特性的图形简称为方向图。 绘制某一平面的方向图时，可以采用极坐标（Polar Plot）或直角坐标（Rectangular Plot）方式。方向图在形状上呈现类似于花瓣的形状状，所以也称波瓣图。其中包含最大值方向的称为主瓣，剩下的称为旁瓣或副瓣。其中主瓣是电场

17、最大值所在的波瓣。而在两边，主波束的宽度是在电场下降到最大值的时，对应的辐射方向之间的夹角。此时的功率为最大方向的一半。 谐振频率 对于天线而言，谐振频率表征了振荡最剧烈时刻天线的频率。在设计时，首先要确定的是谐振频率，否则会导致天线工作异常的情况发生。 方向性参数 发射天线的方向性参数定义为相同辐射功率情况下，天线在特定方向上的辐射强度与全方向上的平均辐射强度之比：（2.6）式中，是该天线在方向上的场强大小；是同一点处全方向天线产生的场强。 场强在全空间的分布情况可以确定方向性系数。接受天线的方向性系数可以表示天线接受电磁能量的能力，方向性系数越大，接受能力越强。对于发射天线而言，其方向性系

18、数在使用上和接受天线是相同的。在最大方向上，天线就是辐射功率的放大器，此放大器对辐射功率进行空间分配，从而增大最大方向的功率密度。因此，天线常常被要求具有较大的方向性系数。 输入阻抗 天线的输入阻抗定义为输入端电压与电流之比，即：（2.7） 其中：为天线的输入电抗，为天线的输入阻抗。在天线馈电时，最佳匹配是指天线阻抗和源阻抗达到共轭匹配，此时天线能够传输最大能量。天线的输入阻抗就是其馈线的负载阻抗，因此，输入阻抗值的大小可以决定馈线的驻波状态，体现了导行波和辐射波之间能量转换的好坏。天线的几何形状、材料以及外部环境条件都会影响天线的阻抗。 反射系数和驻波比 反射系数的定义是天线输入端口反射电压

19、和传输电压的比值，即：（2.8） 其中：为馈电线阻抗。 和反射系数相关的回波损耗RL是一个表征天线效率的参数，单位为dB。定义为：（2.9） 天线的驻波比S的基本定义为电压或电流在传输线上最大值与最小值之间的比值，这是在实际应用中我们更加关心的一个参数。驻波比S与反射系数具有如下关系式：（2.10） 驻波比所反映的是传输线与天线间的匹配程度。当驻波比为1时，天线处于完全匹配状态，反射系数为零。工程上的要求是驻波比小于2。 定向性和增益 天线的定向性是指天线在最大辐射方向远区某点上最大的辐射功率密度与辐射功率密度平均值之间的比值，可以写做：（2.11） 其中，球面平均功率密度计算公式为：（2.1

20、2） 与定向性D密切相关的一个量就是增益，增益G与定向性D之间的关系为：（2.13） 是天线辐射功率和输入功率的比值，即：（2.14） 上式中，是天线的辐射功率，是天线的输入功率。 带宽 每个天线都有其工作的中心频率，天线电参数在偏离中心工作频率的容许范围内的频率范围被称为天线的带宽。 在比较天线带宽指标时，绝对带宽和相对带宽是必须考虑的两个方面。绝对带宽的定义是天线最高和最低频率之间的差值，即：（2.15） 相对带宽的定义为天线绝对带宽和中心频率的比值，即：（2.16） 其中，为中心频率，计算公式为： （2.17）2.3射频谐振器原理 谐振器是的主要过程称为振荡，此时电能与磁能在腔内周期性的

21、相互转换。对于金属制成的传统谐振器而言，电能与磁能在腔内完成振荡过程，而射频谐振器则具有更加优良的电磁特性，原因是它所使用的材料为低损耗、高介电常数的微波介质。 通过电磁场理论我们可以知道，电壁是指电阻率为零的理想导体壁。在电壁上，由于电场的入射值与反射值大小相等、方向相反，所以其切向分量为零。此时入射波被电壁完全反射回腔内，而没有产生透射。因此，当有合适频率的电磁波透过电壁馈入谐振腔内时，电磁波将在电壁上形成驻波状态，此时即发生电磁谐振。如果存在损耗的非理想材质制成的谐振器，会由于阻尼振荡的而导致之前已产生的谐振随时间的推移而逐渐衰减，进而消失。此时的谐振是实际情况下的表现。 射频谐振器也是

22、谐振器的一种，它具有高Q值、小体积等特点。其原理和物理学上的斯涅尔定律类似。电磁波从高介电常数介质进入到低介电常数介质时，会发生反射和折射，而当入射角大于或等于计算出的临界角时，则会发生全反射现象。具体解释如下图所示：图2.1 介质表面上电磁波的入射和反射 假设平面上有一电磁波由介质向空气入射，入射角设为，在分界面上产生反射角为的反射波，并且。透过界面的电磁波形成折射波，折射角为。由斯涅尔定律可知，入射角和折射角之间的关系为（2.18）因为相对介电常数总大于1，所以。 当时，折射角，介质中的入射波能量全部反射回原介质，称为表面波。此时平均能流无法穿过介质界面，所以发生了全反射现象。 发生全反射

23、的入射角为，并被称为临界角，只有当入射角大于或等于临界角时，才会发生全反射。全反射现象也会发生在高介电常数值介质的表面。 在高介电常数值得介质表面上磁场的切向分量近似为零，此时的介质表面可近似为磁壁。而理想磁壁则是指时的磁壁，它与理想电壁互为对偶。之前的讨论得出，理想电壁可以作为谐振器而使用，那么理想磁壁自然也可以作为谐振器。高介电常数介质作为磁壁谐振器，电磁能量在介质中不断振荡，不会馈入空气中。2.4射频谐振器参数 射频谐振器最主要的参数有三个，分别是介电常数，品质因数和谐振波长。 介电常数 介电常数是一个很重要的参数，它与谐振器材料的物理特性有着密切联系。一般来讲为了实现设备小型化的目的，

24、常要求一个较大的介电常数。圆柱形射频谐振器的几个参数之间的关系为：（2.19） 其中c为真空中的光速，D为射频谐振器的直径。 品质因数 品质因数Q属于电路参数指标，它定义为：（2.20） 其中，是谐振角频率，是谐振器存储的电磁能量，是损耗功率。电路结构中射频谐振器的损耗功率由四部分构成：介质损耗、点到损耗、辐射损耗和外部损耗，可以记为：（2.21） 其中，为介质损耗，为导体损耗，为辐射损耗，为外部损耗。 另外我们也可以用材料的损耗角正切值来计算其品质因数，关系式为：（2.22） 谐振波长 谐振波长是用来表征射频谐振器内振荡存在条件的参数，它与谐振器的工作模式和具体尺寸有关。满足的关系式为： （

25、2.23） 其中，为电磁波在谐振器中的速度，为谐振频率。2.5 射频谐振器天线的工作原理 对于一个圆柱形射频谐振器天线而言，我们可以作如下结构示意图：zhyx图2.2 圆柱形射频谐振器天线单元 其基本内部归一化场方程满足： ：（2.24） ：（2.25） 上式中，为阶贝塞尔函数。而其中的和也可由下式求得： ：（2.26） ：（2.27） 其中为阶贝塞尔函数的导数。 不同模式下的谐振频率可以通过下式导出：（2.28） 其中，和表示射频谐振器天线内部沿径向和轴方向的波数。这两个参数满足：（2.29）（2.30） 代入式（2.28）可以得到谐振频率：（2.31） 和微带天线通过缝隙来进行辐射不同，射

26、频谐振器天线是通过除了地板部分之外的整个外表面进行辐射，因此具有比微带天线更宽的阻抗带宽。射频谐振器天线的主要分析方法包括简化解析法和数值分析法。2.6 射频谐振器天线的馈电方式 射频谐振器天线可采用的馈电方式很多，最常见的共有四种，分别是微带-槽耦合馈电、微带线直接馈电、同轴探针馈电和共面波导馈电。微带-槽耦合馈电 在射频谐振器天线馈电的几种结构中，微带-槽耦合馈电方式较为简单。在一个两门都附着有铜的基板上,将其中一个面作为地,在上面刻出一个缝隙，其长设为L，宽设为W,并将设计好射频谐振器天线垂直放置于缝隙的上方。大多数情况下,在槽的幅射阻抗最大时，微带线都垂直于槽并且通过槽的中心位置,能量

27、能够更多的进入到射频谐振器中,进而效率得到了改善。这种馈电方法的优点是:馈电网络结构与幅射单元结构之间相互隔开减弱了两者之间的干扰;与直接馈电比较的话,微带-槽耦合馈电方式具有更多的参数,所以设计更加灵活,选择更多;另外,和同轴线探针馈电方式相比的话,它不需要垂直连接,从而简化了制作工艺,降低了生产成本。地图2.3 微带-槽耦合馈电的侧视图天线基板馈电线图2.4 微带-槽耦合馈电俯视图LW 微带线直接馈电 微带线直接馈电也是一种射频谐振器常用的馈电方式，依据其与天线的位置关系可分为两种：接触型馈电结构和非接触型馈电结构。 对于接触型馈电结构，微带线直接平铺于介质板的上，末端微带线深入到射频谐振

28、器下方，利用微带线与射频谐振器的电磁场耦合产生需要的谐振模式，同时，通过调整介质谐振器下方微带线长度和宽度来改善天线输入端口的阻抗匹配。 对于非接触间接馈电结构，微带线位于射频谐振器天线的一侧，通过电磁耦合，使射频谐振器产生谐振。 微带线直接馈电的优点是馈电方式简单，容易达到匹配的目的。但是当介质谐振器天线所选介质材料相对介电常数较低时，射频谐振器对于电磁波的束缚能力有限，很难达到好的匹配效果，并且由于实际应用中射频谐振器和基板之间存在空气缝隙，从而使得射频谐振器难以固定，影响天线性能。同轴探针馈电 同轴探针馈电结构如下：2a图2.5 同轴探针馈电结构侧视图同轴线同轴探针地面d 同轴探针馈电是

29、一种经典的馈电方式，它需要在谐振器上钻孔，将同轴探针深入到射频谐振器内部。其主要优点是结构简单，不需要额外的匹配网络。但是它加工难度较大，使用起来不方便。同时探针上电流较大时将会导致天线的方向图不对称。该馈电方式通过调节探针在射频谐振器内部的伸入高度和径向上的位置坐标来完成较好的耦合。研究表明，天线的输入阻抗值大小将随探针伸入长度的增加而增大。共面波导馈电 共面波导CPW馈电是最近几年应用较多的一种馈电结构，尤其是在微波集成电路或微波单片集成电路之中的应用最为普遍。由中心导体、缝隙和地面三部分组成的传统共面波导，此结构可以很方便的作为馈线使用。共面波导馈电的输入阻抗和微带线类似，它的端口输入阻

30、抗也要求设计为50。研究表面，天线的工作频率、介电常数、接地基板的厚度、微带线的宽度以及波导缝的宽度等相关数据均会影响到特征阻抗。第三章 HFSS软件简介 Ansoft HFSS是一款基于有限元微波天线设计模拟仿真软件。它的应用领域很广，在计算机、通信、雷达上都有应用。HFSS软件具有以下特点：（1） 具有仿真、可视化、立体建模、自动控制的功能，使得3D全波电磁场问题能快速而准确的求解。（2） Ansoft HFSS使用有限元法、自适应网格划分和高性能的图形界面，便于研究三维全波电磁场问题。（3） Ansoft HFSS能用于诸如回波损耗、谐振频率和输入阻抗等的参数计算。（4） HFSS是基于

31、四面体网格元的交互式仿真系统，适合于解决有复杂曲线和曲面的问题。 第四章 射频谐振器天线的设计与仿真 在微波电路设计中，圆柱形射频谐振器是使用最为广泛的一种谐振器形式。圆柱形射频谐振器天线的性能由它的半径、高度以及所使用的材料的介电常数共同决定，因此具有较高的设计自由度和灵活性。 本文设计的射频谐振器天线采用同轴探针单点馈电线极化方式的圆柱形射频谐振器天线，该设计方法的优点在于设计简单，使用方便同时易于调整参数从而得到满足谐振条件的最佳设计尺寸，为天线的优化仿真和实际设计提供了数据支持。4.1结构图及谐振频率 圆柱形射频谐振器天线的结构图如下所示：图4.1 射频谐振器天线结构图基板同轴探针端口

32、接地面空气腔谐振器 射频谐振器天线的工作模式有三种：模式、模式和混合模式（模式）。在实际应用中，射频谐振器天线通常工作于模下，其谐振频率计算公式为：（4.1） 其中：c为真空中光速，为相对介电常数，为谐振器半径，为谐振器高度。 上式估计模的谐振频率有的误差，所以我们常使用的如下所示修正后的经验公式：（4.2） 另外，由于在HFSS中辐射边界距离辐射体通常需要不小于个工作波长，所以外部空气腔的尺寸可以由此计算。4.2 天线的设计 圆柱形射频谐振器天线设计如图所示：图4.2 射频谐振器天线设计图 最大的圆柱体为空气腔，扁平柱体为介质基底，内嵌小圆柱为介质谐振腔，基底上有一圆柱形探针。它们的具体位置

33、及材料设定为：表4.1 位置及材料设定名称中心位置坐标（x，y，z）材料相对介电常数空气腔（0mm，0mm，-30mm）Vacum1介质基底（0mm，0mm，0mm）Rogers RT/duroid 5880（tm）2.2介质谐振器（0mm，0mm，1.6mm）Rogers TMM 10(tm)9.2探针（0mm，0mm，0mm）pec1 圆柱形射频谐振器天线的具体参数设定如下图所示：图4.3 参数设置图 其中：r_P表示探针半径，值为0.5mm；h_P表示探针高度，值为1.6mm；r_Sub表示基底半径，值为25mm；h_Sub表示基底高度，值为1.6mm；r_Diel表示介质谐振腔半径，值

34、为12.8mm；h_Diel表示介质谐振腔高度，值为25.8mm。 由公式（4.2）可以算出天线谐振频率约为4.19GHz，谐振波长约为0.0716m。 r_Air表示空气腔半径，h_Air表示空气腔高度，它们值可以分别通过之前所提到的HFSS辐射边界条件算出，为使得介质谐振器部分上下底面和圆柱侧面距空气腔距离相同，所以设计空气腔也为圆柱形，其半径值为42.8mm，高度值为87.4mm。此时空气腔与谐振器的距离为30mm。 r_Cut表示接地板切除能量传输端口半径，值为1mm；L1表示端口在x轴上距原点的距离，设定为9.5mm。 将介质谐振器和参考地设置为理想电边界，空气腔设置为辐射边界。如下

35、图所示：图4.4 理想电边界设置图图4.5 辐射边界设置图 最后设置端口激励和求解。由于端口中心位置坐标为（9.5，0，0），同轴探针半径为0.5mm，端口半径为1mm，所以设置积分线起始点坐标X、Y、Z分别（10，0，0）；然后设置dX、dY、dZ为（0.5，0，0）。 在求解设置中，设置求解频率为谐振频率4.19GHz，最大迭代次数为20，收敛误差为0.02，如下图所示：图4.6 求解设置图 在扫频设置中，因为谐振频率的关系，设置扫频范围为1GHz-6GHz，步频为0.05GHz。如下图所示：图4.7 扫频设置图 射频谐振器天线的设计和边界条件、激励设置全部完成。4.3 仿真结果及分析回波

36、损耗分析 回波损耗图如下所示：图4.8 回波损耗图 如图所示，天线的谐振频率接近4.3GHz，和4.19Hz有一定差距，这会在接下来的参数扫频分析和优化设计中得到解决。在4.19GHz谐振点上，回波损耗值约为21.25dB。 参数扫频分析 由于谐振频率并不在4.19GHz，所以添加参数扫频分析项。由于射频谐振器天线的谐振频率和谐振腔半径与高度有关，因此可以将半径与高度设置为参数扫频变量。首先添加谐振腔半径，具体如下图所示：图4.9 半径扫频设置图 其中，由于初始半径设置为12.8mm，所以可以将参数扫频的起始值和终止值分别设置为11.8mm和13.8mm，步长设置为0.5mm，扫频方式设置为线

37、性扫频。扫频后的回波损耗图如下所示：图4.10 半径扫频图 由上图可知，当谐振腔半径在12.8mm-13.3mm之间时，谐振频率会落在4.19GHz上。 接下来再来分析谐振腔高度对谐振频率的影响，设置方式类似于半径，选取的初始值和终止值分别为24.8mm和26.8mm，步长为0.5mm。扫频分析图如下所示：图4.11 高度扫频图 由上图可知，当谐振腔高度在20.8mm-23.8mm之间时，谐振频率会落在4.19GHz上。输入阻抗和同轴线馈电点位置的变化关系 对于该圆柱形射频谐振器天线而言，其输入阻抗和同轴线馈电点位置之间存在一定的关系，将馈电点的位置L1设置为扫描分析项，起始值和终止值分别设为

38、0mm和10mm，步长设置为2mm。 输入阻抗实部和虚部与同轴线馈电点位置的变化关系曲线如下图所示：图4.12 输入阻抗实部和虚部与同轴线馈电点位置变化关系图 从结果报告可知，当同轴线馈电点从谐振器中心向边缘移动时，天线输入阻抗的电阻部分从1逐渐增大到52左右，电抗部分从22左右减小到10左右。当L1为9.5mm时，输入阻抗约为60。4.4天线的优化设计 图4.8回波损耗图显示，初始设计的射频谐振器天线在谐振频率4.19GHz时的回波损耗约为21.25dB，为了使天线的谐振频率正好在4.19GHz频点上，且进一步提高回波损耗，可继续对天线进行优化设计。 依据参数扫描分析结果可知，谐振器的半径会

39、影响天线的谐振频率，且长度在12.8mm-13.3mm之间时，天线的谐振频率会在4.19GHz附近，而谐振器的高度相对来说对谐振频率的影响较小。另外，同轴线探针馈电点位置会影响天线的输入阻抗。所以可以将谐振器的半径r_Diel和同轴线馈电点位置L1设为优化设计变量，同时设置优化分析时r_Diel和L1的变化范围为12.8mm-13.3mm和9.0mm-10.0mm。优化目标设定为4.19GHz时S11-25dB。设置优化变量 在优化过程分析中，通过观察每次优化分析的结果，可以观察到优化分析结果如图4.13所示。当进行到第8次迭代优化后，目标函数Cost值为0.36725，基本达到优化设计目标要

40、求，此时可以结束优化分析。达到优化目标时，r_Diel的值约为12.995mm，L1的值为9.977mm，该值即为优化结果。图4.13 查看优化分析结果 优化后的S11扫频结果 在设置中更改之前优化的谐振器半径和同轴馈电点位置后再次进行仿真，可以得到优化后的回波损耗图如下所示：图4.14 优化后的回波损耗图 可以观察到，此时的射频谐振器天线的谐振频率为4.19GHz，的值约为-25dB。 Smith Chart和输入阻抗 得到的Smith圆图如下所示：图4.15 的Smith圆图结果 从结果报告中可以看出，4.2GHz时的归一化阻抗为0.9491+0.0978i，因为归一化参考阻抗为60，所以

41、天线在4.2GHz频点的输入阻抗为56.946+0.5868，约为60。 天线的三维增益方向图 查看天线方向图等远场区等计算结果，首先需要定义辐射表面。三维立体空间在球坐标系下相当于、。具体设置如下图所示：图4.16 3D方向图设置图 3D增益方向图如下所示：图4.17 三维增益方向图 从三维增益方向图上可以看出，该射频谐振器天线的最大增益方向为z轴正向。由于极化方式为线极化，所以在x轴、y轴和z轴上增益的大小差别较大。 天线的E面增益方向图 E面即最大辐射电场所在平面，对于所设计的射频谐振器天线，因为其平行于平面，所以E面可以使平面上。球坐标系下面即为、的平面。所得的E面增益方向图如下：图4

42、.18 E面增益方向图 由该图可以看出，天线的E面增益图最大增益在上，但其在处也具有很大的增益值，总体而言其辐射特性有待改进。第五章 总结与展望 本文研究的是工作于4.19GHz的圆柱形射频谐振器天线。主要内容包括天线理论、馈电方式以及天线的软件设计实现与仿真分析。在天线理论部分，详细介绍了天线的相关参数，为设计提供了理论基础。在馈电方式部分，探讨了四种最为常见的馈电方式以及它们的优缺点，确定了同轴探针馈电作为设计的射频谐振器天线的馈电方式。最后通过天线的设计与仿真分析，得到了优化后的、满足谐振频率的天线尺寸，并得到了相关图样，通过对同样的分析得到了设计天线的一系列参数。 射频谐振器天线作为近

43、年来开始被广泛使用的一种天线，具有很多传统天线所没有的优点。它一般由低损耗、高介电常数的介质材料制成，在诸如蓝牙、无线网络等许多通信系统中都有着广泛的应用。在未来的发展中，射频谐振器天线还有许多方面值得探索研究：（1） 射频谐振器天线单元组成天线阵。研究表明，随着天线阵列元数目的增加，天线的方向性会增强，从而增大天线的增益。因此组成天线阵列对于射频谐振器天线来具有很大的优势。（2） 射频谐振器天线的带宽扩展问题。因为射频谐振器天线具有高Q值，相对应的其带宽较窄。在高Q值的基础上扩展带宽，现今的方法包括采用特殊的馈电结构以及在介质谐振器天线与基板之间加入空气缝隙等。随着介质材料的发展，以及对于设备小型化的要求，相信在未来的无线通信中，射