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毕业设计答辩准备(双频介质谐振器天线)

PPT讲稿

准备关键问题

预测天线毕业问题

1、应用场景

2.参数越低越好。

3.回波损失,S11、反射系数、驻波比

4.参数选择的依据(原因),优化参数的原因,以及对天线有影响的参数是如何影响天线的

5.阻抗匹配(阻抗匹配网络)

6.模拟步骤(建模开始),如何添加激励(如何给电,给电的地方),如何设置边界条件

7.求解频率设置

8.中心频率和工作频率不同。他们是什么?工作频段。

9.天线方向图怎么样?e方向图的意思是面和h面

10.主极化和交叉极化

11.在无线通信中,天线的优缺点

12、工作频段设置的原因/依据

13.区分单极子天线和偶极子天线的概念

14、电长度(180°)

谐振器天线的优点-toc" style="margin-left:80px;">15、介质谐振器天线的优点

16、TEM、TE、TM波的区别?

一般问题:


大家好,我来自XXX的XXX,我的论文题目是《双频介质谐振器天线》。

本文主要分为四部分

介绍介质谐振器天线和贴片天线的优缺点。

第二部分介绍了介质谐振器天线的相关理论

第三部分是本论文的关键内容

参数分析和结果分析设计了双频介质谐振器天线

是两层结构,下层介质基板底下是接地板,介质基板上是微带线馈电,然后通过介质谐振器向外发射电磁场与电磁波,并在介质谐振器的后方加入两个寄生贴片,上层结构是反射板,反射板是由介质基板和上层贴片共同组成,上层贴片附在上层介质基板的下方。

最先确定的是采用矩形介质谐振器并用微带线直接馈电。使用HFSS建模仿真之后发现将矩形介质谐振器旋转45度后激励出的两个工作频段更符合设计目标,因此决定侧放馈电

于是考虑增加两个寄生贴片,仿真后发现贴片的确有影响,但效果目前并不明显,所以我们之后还会继续分析寄生贴片这个影响因素。

从S11图中我们可以看到增加了反射板对介质谐振器的匹配性能有了大幅度的改善,并且使工作频段右移。

前面提到过我们还需要继续分析寄生贴片这个影响因素,在这里我们可以看到寄生贴片对天线高频的影响明显,增强了匹配性,也确定了采用1.2mm这个尺寸。

,我们可以使用相关计算软件算出宽度后,再使用HFSS仿真确定其长度,Lm的变化对应的是微带线伸入介质谐振器的深度,也对应着传输线与介质谐振器的耦合程度。观察S11图可看到,随着Lm增大,高频段左移,低频段右移,当Lm为80mm时阻抗匹配达到最佳。

其他参数

使用HFSS的参数扫描,得到上层贴片从78mm到82mm变化时,随着L0的增大,总体频率向左移动,仔细观察可以发现当上层贴片L0为80mm矩形贴片时,天线辐射性能较好。

接下来分析的是支柱高度的影响,Hp对应的也就是反射板与介质谐振器的距离,我们可以看到随着Hp的增大,天线工作频段整体向左移动,为了更符合我们的设计目标我们选择了最均衡的高度19.365mm

。该介质谐振器天线拥有两个工作频段,带宽分别是80MHz和140MHz,可以覆盖三个移动通信模式。两个中心频率对应的输入阻抗也接近50欧,阻抗匹配良好。

,以及2到2.8GHz范围内各频点的最大增益随频率变化的曲线,天线在目标工作频段的增益效果较好,均超过5.22dBi,在2.68GHz时达到增益的最大值8.05dBi。

最后我们做出总结与展望

覆盖多个移动通信模式的双频天线就能够在实际应用中节省成本,简化结构。我设计的天线就是拥有两个频段,覆盖三个移动通信模式的介质谐振器天线。

对于一般的双频天线而言,双频介质谐振器天线最大的优势就是低损耗,由于没有传统天线的金属损耗,这个特点在毫米波和亚毫米波的应用中尤为突出,因此介质谐振器、介质滤波器和介质谐振器天线在未来5G时代的应用很值得期待与研究。

我的演示完毕,感谢各位评委老师和同学们的倾听。

 

重点问题准备

就是本论文的第三部分,从结构设计到参数优化最终设计出一个双频介质谐振器天线

  1. 在完成这个毕业设计的过程中,我学到了在阅读论文学习、在建模仿真的过程中要善于将一个天线的结构进行拆解,理解每个单独结构对天线整体的影响。
  2. 在学习相关工作原理的时候可以采用对比的方式更有助于深入的理解

如:介质谐振器天线和贴片天线的优缺点

介质谐振器与介质谐振器天线的原理与金属腔谐振器的原理

1、在PPT中提到的,刚开始仿真出来的结果中寄生贴片对天线的影响很小,当时比较疑惑。请教老师后,考虑到有可能是天线此时的总体性能还不够好,所以影响并不明显,于是决定在后面继续分析这一个影响因素。最终结果也表明寄生贴片增强了天线的匹配性,其的高度对天线高频的影响明显。

2、在设计传输线的时候,查看了之前微波课程的第三章内容介绍的计算方式可以根据公式计算,也可以使用TXLine计算软件进行计算。可是算出来的1/4波长的物理长度和我实际仿真使用的长度对不上。询问同学和查询资料后发现,我们在TXLine主要计算得到的是微带线的宽度,这是主要的影响因素,而微带线的长度则需要在HFSS的参数扫描中确定。

 

是一种储存移动电磁能量的元件,电能和磁能在谐振器中周期性转换的过程称为振荡。振荡的频率称为谐振频率。简单的说,能够限定电磁能量在一定区域内振荡的结构,都可以构成电磁谐振器。

的理解过程,对比金属波导谐振腔。金属腔体不会向外辐射能量是因为理想电壁的存在,而介质谐振器在辐射模式时,会向外辐射电磁波,所以能够成为介质谐振器天线的辐射体单元。

(电阻率为0)通常定义为电壁,电场的切向分量为0,磁场的法向分量为0,电磁波入射到电壁上会被完全反射回来,这样的电壁就形成了一个封闭腔。

我们可以知道发生全反射与这一重要参数有关。当入射角固定时,介电常数越大,其折射角就越接近九十度,也就越容易产生全反射情况。当介电常数趋于无穷大时,其介质表面可以近似为磁壁。

那么就是因为介电常数无穷大在现实中无法达到,所以高介质常数的介质模型只是近似磁壁谐振器,腔内总有一部分的电磁波辐射到空气中,也就形成了辐射体。

对于介电常数而言,介电常数越大,越有利于小型化的设计,但是也会影响带宽变小,因此介质常数的值一般取大于20。

 

天线毕设问题预测

可应用到手持无线通信设备中,可以完整覆盖CDMA2000、WCDMA和TD-LTE移动通信模式。

 

1、对于而言是越低越好,因为S11是回波损耗的负数,而回波损耗(反射波和入射波的功率之比)趋近于无穷的时候表示完全匹配。

(反射系数【反射电压/入射电压】和驻波比越小越好【VSWR=(1+|Г|)/(1-|Г|)】)

2、对于而言是越高越好,因为天线增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线和理想辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。表示定向天线辐射集中程度的参数,影响天线发射信号覆盖范围和强度。

3、对而言是越高越好,因为由他的定义式可以知道其与功率损耗成反比,因此品质因数Q值越高越好。

 

3、

具体的定义与内容可以参考课本《微波技术与天线》

回波损耗(RL):入射功率/反射功率, 为dB数值;回波损耗的值在0dB的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射,无穷大表示完全匹配。

S参数:S12为反向传输系数,也就是隔离。S21为正向传输系数,也就是增益。S11为输入反射系数,也就是输入回波损耗,S22为输出反射系数,也就是输出回波损耗。

反射系数(Г):反射电压/入射电压

电压驻波比(VSWR): 波腹电压/波节电压;

关系及定义如下:

RL(dB)=10lg(输入功率/反射功率)= - 20lg|Г|

S11=-RL(dB)=20lg|Г|

Г=Vref/Vinc=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)          //Z0为突变前的瞬态阻抗,ZL为突变后的瞬态阻抗

VSWR=(1+|Г|)/(1-|Г|)

RL与S11,都是表示阻抗匹配性能的参数,一般指标要求:S11< - 10dB对应于VSWR<2(当S11高于-10db的时候,表明30%的信号被反射)

 

选择优化的参数是根据结构选择,在多次参数扫描中也可以发现上层贴片的长宽影响不大,寄生贴片的高度对高频段的影响明显,而支柱高度使频率左移,这时就需要根据我们的设计目标进行选择,对馈电传输线的宽度则通过计算软件进行计算,长度通过HFSS仿真确定。

介质谐振器的高度为主要影响因数,谐振频率的1/2波长,长宽则通过相关公式与工作频率进行估算,最后用HFSS仿真确定。

 

在电学中,常把对电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗单位为欧姆,常用Z表示,是一个复数Z= R+i( ωL–1/(ωC))。具体说来阻抗可分为两个部分,电阻(实部)和电抗(虚部)。其中电抗又包括容抗和感抗,由电容引起的电流阻碍称为容抗,由电感引起的电流阻碍称为感抗。

阻抗匹配的重要性 

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用,调整负载功率和抑制信号反射。

你的阻抗匹配怎么调的?

阻抗匹配的方法主要有两个,一是改变组抗力,二是调整传输线。

1、改变阻抗力就是通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值,以达到源和负载阻抗匹配。

2、调整传输线是加长源和负载间的距离,配合电容和电感把阻抗力调整为零。此时信号不会发生发射,能量都能被负载吸收。高速PCB布线中,一般把数字信号的走线阻抗设计为50欧姆。一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线(差分)为85-100欧姆。

3、那么对于此双频介质谐振器天线采用的微带线馈电,要让我们的微波信号尽可能地传输到负载点,而在传输的过程中减少信号的反射。那么我们可以通过调节微带线的长度Lm,对应的是微带线伸入介质谐振器底部的深度,观察S11图的变化情况,根据仿真结果我们可以看到回波损耗S11在Lm为80mm的时候,天线阻抗匹配最佳。

为什么常见的阻抗匹配都是选择50欧姆?

30欧姆的同轴电缆传输的功率最大,77欧姆的同轴电缆传输信号损耗最小。

目前实际应用中一般取50欧姆和75欧姆的阻抗匹配,其中50欧姆的匹配兼顾了耐压、功率传输和损耗等优势,而75欧姆匹配由于其损耗最小,多用于远距离传输。

 

设置求解模式(Modal模式驱动)——设置标准单位——创建天线的结构模型——设置边界条件(理想导体边界条件(馈电微带线、寄生贴片、反射板上的上层贴片)、辐射边界条件(空气盒子大于1/4波长))——设置激励条件(集总端口激励)——设置求解参数——运行求解分析——查看求解结果——参数扫描分析

【PEC 理想导体 perfect electric conducity】

 

7、

求解频率设置为低频谐振点2.16GHz,导出S11和阻抗匹配图的变化不大。

不过,导出方向图时就需要设置两个求解频率。

 

中心频率是通带之间的中点,共振最强点。而实际上,天线不是工作在某个频率点,而是在一个频率范围内的,这个工作频段也就是带宽,我们一般以-10db为界限划分。

 

所谓天线方向图,是指在离天线一定距离处,辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形,通常采用通 过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。天线方向图是用来表示天线的方向性的图,所谓的“天线方向性”,就是指在远区相同距离R的条件下,天线辐射场的相对值与空间方向的关系。

E面指的是电场方向 增益随θ变化的方向图 xz平面

H面指的是磁场方向 增益随ψ变化的方向图 xy平面

 

1、主极化方向是电场强度最大辐射方向,与参考源的场平行的场量称为共面极化或主极化

2、一般的交叉极化是指与主极化正交的极化分量,即与主极化垂直的方向,交叉极化是我们不希望产生的极化。

3、一般来说主极化与交叉极化相差越大越好;如果交叉极化相对主极化很小,那就可以直接用总的极化近似主极化了。所以在有的论文中作者会把主极化以及交叉极化的对比方向图放出来,以作天线性能分析。

4、在HFSS中,要查看主极化和交叉极化,首先必须确定电场最大辐射方向。如果最大辐射方向在Z轴,主极化和交叉极化比较容易观察,对线极化天线来说,就看GainTheta和GainPhi;如果是圆极化,就看GainRHCP和GainLHCP。

 

双频段,覆盖三个移动通信模式

损耗小:低频最低达到-36.8dB,高频达到-43.2dB。

增益高:工作频段内的最大增益均在5.22dBi以上;在2.68GHz时达到了增益的最大值8.05dBi。

(dBi和dBd是功率增益的单位,两者都是相对值,但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线;dBd的参考基准为偶极子。dBi=dBd+2.15)

 

为了对应三个移动通信模式

分别是CDMA2000的2.11-2.125GHz;WCDMA的2.13-2.145GHz;还有TD-LTE的2.575-2.635GHz。这三个分别是电信、联通、移动的(下行)频段。

 

单极子是从中心馈电切去一半并相对于地面馈电的偶极子。由于单极子接地面就是偶极子的对称面,因此输入电压只有偶极子的一半,又因为对称性,单极子和偶极子的电流大小相同,因此单极子的输入阻抗是偶极子的一半。同理,辐射电阻或辐射功率也是偶极子的一半。

由于单极子只辐射上半空间,而偶极子辐射整个空间,因此单极子的方向性是偶极子的2倍。

 

一个波长对应的电长度360度

1/4波长就90度

 

第一,介质谐振器天线可以为任意的立体形状,可变参数变多后也就增加了设计的自由度,如球形、圆柱形、矩形和棱台型等。

第二,介质谐振器的介质常数选择范围比较大,可以从6到100

第三,不存在导体的损耗,自身的介质损耗也比较小,可以通过五个表面向外辐射能量。

第四,由于介质材料本身决定了其可承受高功率,温度稳定性高

最后,是其各单元间的耦合较小,可以用作天线阵列中的单元

对于我们熟悉的贴片天线,它的优势就在于体积轻小、价格低,易于集成。

 

TEM波就是横波,电矢量H、磁矢量E与传播方向k三者相互垂直,其他方向都没有分量。但有的在波传播方向k上有H波或E波,这就产生了所谓的TE波或TM波。

TE波(即s波):在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Ey, Hx, Hz,传播方向为z方向。 

TM波(即p波):在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Hy, Ex, Ez,传播方向为z方向。 

三者可以这样记忆:横电磁波就是电和磁都是横着的,横电波只有电场是横的,横磁波就只有磁场是横的。

 

注意论文和PPT,看着论文和PPT进行提问(漏洞或者图形或者其他名词概念)

 

一般性问题:

1、自己为什么选择这个课题?

2、研究这个课题的意义和目的是什么?

3、全文的基本框架、基本结构是如何安排的?

4、全文的各部分之间逻辑关系如何?

5、在研究本课题的过程中,发现了那些不同见解?对这些不同的意见,自己是怎样逐步认识的?又是如何处理的?

6、论文虽未论及,但与其较密切相关的问题还有哪些?

7、还有哪些问题自己还没有搞清楚,在论文中论述得不够透彻?

8、写作论文时立论的主要依据是什么?

 

1.为什么选择这个课题(或题目),研究、写作它有什么学术价值或现实意义。

2.说明这个课题的历史和现状,即前人做过哪些研究,取得哪些成果,有哪些问题没有解决,自己有什么新的看法,提出并解决了哪些问题。

3.文章的基本观点和立论的基本依据。

4.学术界和社会上对某些问题的具体争论,自己的倾向性观点。

5.重要引文的具体出处。

6.本应涉及或解决但因力不从心而未接触的问题;因认为与本文中心关系不大而未写入的新见解。

7.本文提出的见解的可行性。

8.定稿交出后,自己重读审查新发现的缺陷。

9.写作毕业论文(作业)的体会。

10.本文的优缺点。总之,要作好口头表述的准备。

 

阚国锦.反射板结构介质谐振结构与贴片阵列天线研究与设计[D].西南交通大学,2018.

标签: xy贴片电阻

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