摘 要

随着信息技术的不断发展和无线网络设备的不断增加，频谱资源稀缺的问题也日渐突出。如今微波频段的频谱越发拥挤，毫米波频段的开发成为了热门。毫米波波长短，频率高，带宽大，已经被广泛应用到通信、雷达、军事等各个领域当中，毫米波天线也成为近年来科研人员研究的重点。

本文针对毫米波天线展开研究，基于平面单极子圆形贴片天线，设计了两款带宽较大、辐射特性好、增益较高的毫米波天线，对于毫米波通信技术的发展具有重要意义，具体如下：

1. 设计了一款心形毫米波天线，天线的整体结构由位于下方的介质基板、馈电结构单元和一块心形的辐射贴片组成，天线采用共面波导结构进行馈电，经过CST仿真测试，这种天线的相对带宽为37.67%，增益接近4.8dB。
2. 设计了一款C形毫米波天线，天线的整体结构由介质基板、馈电结构单元和一块C形的辐射贴片耦合一块小圆形金属贴片组成，天线同样采用共面波导结构进行馈电，C形辐射贴片和金属贴片之间通过缝隙耦合馈电。经过CST仿真测试，这种天线的带宽为58.11%，增益接近5.5dB。

关键词：毫米波天线；共面波导；单极子天线；带宽；驻波比

Abstract

With the continuous development of information technology and the continuous increase of wireless network equipment, the problem of scarcity of spectrum resources is also increasingly prominent. Now that the spectrum of the microwave frequency band is becoming more crowded, the development of the millimeter wave frequency band has become popular. The millimeter wave has short wavelength, high frequency and large bandwidth. It has been widely used in various fields such as communication, radar and military. The millimeter wave antenna has also become the focus of research in recent years.

Based on the planar monopole circular patch antenna, this paper designs two millimeter wave antennas with large bandwidth, good radiation characteristics and high gain, which are of great significance for the development of millimeter wave communication technology. The details is as follows：

1. A heart-shaped millimeter-wave antenna is designed. The overall structure of the antenna is composed of a dielectric substrate, a feeding structure unit and a heart-shaped radiation patch located below. The antenna is fed by a coplanar waveguide structure, which is simulated by CST Tested, the relative bandwidth of this antenna is 37.67%, and the gain is close to 4.8dB.
2. A C-shaped millimeter-wave antenna is designed. The overall structure of the antenna is composed of a dielectric substrate, a feeding structure unit and a C-shaped radiating patch coupled with a small round metal patch. The antenna also uses a coplanar waveguide structure. For feeding, the C-shaped radiating patch and the metal patch are fed by a gap coupling. After CST simulation test, the bandwidth of this antenna is 58.11%, and the gain is close to 5.5dB.

Key words: millimeter wave antenna；coplanar waveguide；monopole antenna；bandwidth；standing wave ratio

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 毫米波信息领域的研究与发展 1

1.2 毫米波通信的优点 2

1.3 毫米波天线的国内外研究现状 2

1.4 课题研究内容 4

第2章 天线理论 5

2.1 天线的定义及功能 5

2.2 天线的基本电参数 5

2.2.1 方向性函数和方向图 5

2.2.2 天线的方向性系数和增益 6

2.2.3 天线的输入阻抗和带宽 8

2.2.4 电压驻波比和阻抗匹配效率 8

2.2.5 主瓣宽度和副瓣电平 9

2.3 天线的基本分析方法 9

2.3.1 有限元法 10

2.3.2 时域有限差分法 11

2.3.3 矩量法 12

2.4 平面单极子天线 12

2.4.1 平面单极子天线的结构 12

2.4.2 平面单极子天线的优点 13

第3章 毫米波天线设计方案 14

3.1 基本方案概述 14

3.2 毫米波天线的馈电结构设计 14

3.3 心形毫米波天线方案设计 15

3.3.1 心形毫米波天线的结构 16

3.3.2 心形毫米波天线的仿真与调试 17

3.4 C形毫米波天线方案设计 22

3.4.1 C形毫米波天线的结构 22

3.4.2 C形毫米波天线的仿真与调试 23

3.5 小结 26

第4章 工作总结和发展期望 27

4.1 工作总结 27

4.2 发展期望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 毫米波信息领域的研究与发展

上个世纪五十年代，英国物理学家麦克斯韦在法拉第的实验依据之后，根据自己的研究提出了麦克斯韦方程组，首次提出了电磁波理论^[1]。在这以后，德国科学家赫兹在实验室证明了真实存在的电磁波，并补充了麦克斯韦方程组。接着，无线电工程师马可尼成功完成了无线电通讯实验。从此人类迎来了无线信息传播的时期，近几年人们对信息质量和信息传输速率的要求越来越高，无线通信领域的理论与技术也开始迅猛发展^[2]。

从上世纪末到二十一世纪初，电子技术的发展和通信系统的便利逐渐改变了人们的生活，几乎每一个人都携带着多个电子产品，手机、电脑、电视等电子产品配备在每个人的家里，无线通信也融入到社会生活的每一个角落，也给世界各地的人们带来了更加优质的生活体验。在当前这个日新月异的时代，科学技术每一秒都在进步与发展，而无线通信技术作为信息潮流的中心支柱，逐渐发展成为覆盖面积最广、用途最多的高新科学技术领域，同时带动着医疗、军事、交通、雷达等等各个领域的发展。

最近几年来，伴随着移动通信的飞速崛起，无线通信电子设备呈现阶梯式的增长，包含有移动通信、雷达测量和卫星导航在内的各种信息产品已经把微波频段的频谱资源大量占据，可以使用的频率波段日渐稀缺。虽然各国的研究人员研究出了各种提高带宽和频带利用率的办法，但是由于人们对高质量通信和高速率通信的要求更加迫切，微波频段的频谱已经枯竭，于是人们把目光投向了频率更高、带宽更宽的毫米波，对毫米波通信技术的开发和应用显得刻不容缓，毫米波天线也成为通信领域研究的重点。