基于MEMS硅基底L波段微带天线的研究与设计

论文摘要

空中通信节点技术是现代战争中重要的支撑技术,该技术先进与否,直接影响着战斗力的强弱,所以空中通信节点技术一直是军队急需。当今,空中通信节点设备的轻型化是人们关注的焦点。而于二十世纪九十年代起发展起来的微机电系统（MEMS）技术,为空中通信节点设备的轻型化提供了新的方向。MEMS技术最重要的应用领域之一是用于射频通信领域,可将目前难以集成的分立器件与电路芯片一起集成为轻、薄、小的芯片系统。微机电系统（MEMS）技术可将微带天线与RF-MEMS开关、射频前端集成在一起,这样就减小了系统的体积,达到了空中通信节点轻型化的目的。将MEMS应用于微带天线领域,已经成为微带天线发展的一个新的领域,前景十分广阔。微机电系统（MEMS）技术与微电子技术和精密加工技术的相互结合,合理使用,所制作的RF-MEMS天线与一般传统形式加工的微带天线相比,在几何尺寸、功能、物理性能、价格等许多方面都拥有无与伦比的优势,是未来技术发展的必然趋势。本课题来源于“十一五”军事预研项目“轻型空中通信节点技术”,是在X与C波段的基础上设计L波段的微带天线。L波段的频率范围是1GHz-2GHz,本文所设计的微带天线中心频率为1.9GHz,利用经典理论与公式设计了工作于L频段,中心频率为1.9GHz,带宽大于80MHz的基于MEMS硅基底微带天线。与C波段、X波段相比,L波段所设计的微带天线的最大的问题在于,由于其频率小,按照矩形微带天线设计的尺寸相对较大。由于硅的尺寸的限制,所设计的微带天线在现有的硅的尺寸上来讲,很难做到与C/X波段微带天线集成,所以小型化就是L波段微带天线研究的重点。本文采用了曲流的方式对微带天线进行小型化处理,设计了2种不同方式的曲流模型,对其进行仿真比较,最后采用了曲流与销钉加载相结合的方式完成了基于MEMS硅基底L波段微带天线单元的设计。所设计的L波段微带天线单元尺寸降低至原尺寸的18%,贴片尺寸降低至16%。由于设计的微带天线单元的功率和增益难以满足项目的需求,所以设计了微带天线阵列。根据项目的要求,计算了微带天线阵列需要的数目,设计了微带天线阵列的馈电网络,最后完成了2*2微带天线阵列。经过HFSS仿真,所设计的天线阵列满足项目设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外的研究现状和发展态势
• 1.3 主要工作
• 第二章 微带天线的研究背景
• 2.1 微带天线的结构与工作原理
• 2.1.1 微带天线的结构
• 2.1.2 微带天线的辐射机理
• 2.2 微带天线的特性参数
• 2.2.1 微带天线的辐射参数
• 2.2.2 微带天线的电路参数
• 2.2.3 微带天线的S 参数
• 2.3 微带天线的分析方法
• 2.3.1 传输线模型法
• 2.3.2 空腔模型法
• 2.3.3 全波模型法
• 2.3.4 有限元法
• 2.4 微带天线的馈电方式
• 2.5 本章小结
• 第三章 以硅基底L 波段微带天线辐射单元的设计
• 3.1 微尺度条件下的电磁场方程
• 3.1.1 尺度效应
• 3.1.2 微尺度下的电磁场方程
• 3.2 MEMS 硅基底L 波段微带天线的设计
• 3.2.1 介质基板的选取
• 3.2.2 微带天线贴片宽度W 的计算
• 3.2.3 微带天线贴片长度L 的计算
• 3.2.4 馈电设计与阻抗匹配
• 3.2.5 介质基板长度LG 和宽度WG 的计算确定
• 3.3 MEMS 硅基底L 波段微带天线单元仿真分析
• 3.4 影响MEMS 硅基底微带天线性能因素的分析
• 3.4.1 硅的阻抗大小对微带天线性能的影响
• 3.4.2 挖槽的空气腔的大小对微带天线性能的影响
• 3.4.3 挖槽的空气腔的高度对微带天线大小及性能的影响
• 3.4.4 影响微带天线辐射效率的因素
• 3.5 本章小结
• 第四章 微带天线小型化技术的研究
• 4.1 微带天线小型化常用的几种方式
• 4.1.1 采用高介电常数的基底材料
• 4.1.2 加载技术在微带天线小型化中的应用
• 4.1.3 曲流技术在微带天线小型化中的应用
• 4.1.4 应用PIF,PIL 结构
• 4.1.5 有源网络技术的应用
• 4.2 L 波段微带天线小型化设计
• 4.2.1 第一种形式的曲流模型
• 4.2.2 第二种形式的曲流模型
• 4.2.3 曲流与加载技术结合的微带天线模型
• 4.3 本章小结
• 第五章 硅基底L 波段微带天线阵列设计
• 5.1 微带天线阵列理论
• 5.1.1 直线天线阵列
• 5.1.2 平面天线阵列
• 5.2 L 波段天线阵列的馈电方式
• 5.2.1 串联馈电
• 5.2.2 并联馈电
• 5.3 L 波段微带天线阵列的设计
• 5.3.1 辐射单元数目的计算
• 5.3.2 微带天线阵列馈电网络设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果