摘 要

近年来，无线通信技术的发展造成频谱资源日益紧缺，毫米波以及太赫兹波波段因其丰富的频谱资源受到越来越多的关注，天线作为通信系统中的关键部分也获得了较为迅速的发展。基于毫米波及太赫兹波段的天线的设计与优化对推动未来无线通信的发展起着关键的作用，并且与下一代5G通信的发展有着紧密的联系。

本文针对77 GHz频段的天线进行优化与设计，首先基于微带天线的理论知识对贴片天线的尺寸进行计算并且确定微带馈线的宽度，在此基础上通过阻抗匹配以及四分之一波长的阻抗重复性对馈线的长度进行确定。而环形馈线的设计则是与天线小型化、集成化的要求相呼应。外环形馈线对多支天线进行组阵集成，不仅提高了天线的增益，也减少的天线的尺寸。而内环形馈线则是用于进一步精确的阻抗匹配，并且通过该设计可以有效减少外环形馈线的半径，极大的促进了天线小型化的发展。最终通过使用电磁仿真软件FEKO进行建模仿真，得到谐振频率位于77 GHz，并且增益为11.4 dBi反射系数为-28.9 dBi的微带天线结构。

关键词：77 GHz，微带天线，双环形馈线，阵列天线

Abstract

In recent years, the development of wireless communication technology caused by spectrum resources is becoming scarce. Both millimeter wave and terahertz wave has attracted more and more attention because of its rich spectrum resources. As a key part of the communication system, antenna has gained relatively rapid development. The design and optimization of antennas based on millimeter wave and terahertz wave band plays a key role in the development of future wireless communications. Also it’s closely related to the development of the next generation of 5G communications.

In this paper, the antenna resonated at 77 GHz band is optimized and designed. First the size of patch antenna has been calculated based on the knowledge of Microstrip antenna. Then the width of Microstrip feeder has been calculated based on the impedance matching and the length of the 1/4 wavelength repeatability of impedance feeder. The design of the ring feeder is agreed with the requirements of miniaturization and integration of the antenna. The outer loop feeder can integrate the multi antenna array. It can not only increase the antenna gain, but also reduce the size of the antenna. The inner loop feeder is used for further accurate impedance matching. And through this design, the radius of the outer ring feeder can be effectively reduced, which greatly promotes the development of the antenna miniaturization. Finally, the electromagnetic simulation software FEKO is used to simulate and obtain a Microstrip antenna structure with a resonant frequency of 77 GHz. Also the antenna has a gain of 11.4 dBi and a reflection coefficient of -28.9 dB.

Key Words：77 GHz，Microstrip antenna，Double ring feeder，Array antenna

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状及分析 1

1.3 主要研究内容 3

第2章 微带天线的基本理论 4

2.1 引言 4

2.2 微带天线的工作原理 4

2.3 微带天线的馈电方法 5

2.3.1 微带线馈电 5

2.3.2 同轴线馈电 6

2.3.3 电磁耦合型馈电 7

2.4 微带阵列天线的馈电网络 7

2.4.1 串联馈电 8

2.4.2 并联馈电 9

2.5 微带天线的分析方法 9

2.6 微带天线的性能指标 10

2.6.1天线的方向系数和增益 10

2.6.2天线的输入阻抗和带宽 10

2.6.3天线的极化 11

2.7 本章小结 11

第3章 77 GHz频段微带天线的设计 12

3.1 贴片天线的设计 12

3.2 单支天线阵列的阻抗匹配 13

3.4 加外环形馈线的优化设计 15

3.5 加外环形馈线的优化设计 17

3.6 两种天线结构的对比 19

3.7 本章小结 20

第4章 结论 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

现在公认最早的天线是由赫兹在1886年为证明电磁波理论而设计的，当时还只是存在于实验阶段，并没有投入商业使用。而其商业应用则是在二十世纪初由马可尼实现的，他在赫兹所搭建的天线系统基础上，增加调谐电路调制信号，使发射出的电磁波可以携带信息^[1]。随着电磁计算的发展，各种电磁仿真软件的出现给天线的仿真与设计带来了极大的便利，使得天线的设计周期变短，天线的谐振频率也就不再局限于低频频段，逐渐由米波发展到厘米波、毫米波波段。

毫米波段的波长为1~ 10 mm，其对应的频率为30~300 GHz，这个频段的电磁波具有颇多优点，不仅有厘米波段全天候的特点，还有红外波的高分辨率的优点。同时，毫米波具有很好的穿透性和抗干扰能力，在雾雨等恶劣天气时所受影响也较小。而且，毫米波天线波束窄，角分辨力高，频带宽^[2]。因此，谐振于毫米波频段的天线应用领域相当广泛，如雷达、制导、遥感、医学等方面都需要它的支持。