24GHz微带贴片天线设计

摘要

本论文围绕矩形贴片天线的设计原理与优化技术，提出了一款中心频率为24GHz的1×4微带阵列天线，旨在解决交通测速与智能驾驶应用中的关键问题。通过采用微带线馈电模式，完成单元天线模型的搭建和优化，并在此基础上设计阵列天线及其馈电网络。经HFSS仿真验证，该天线性能表现优异。结果显示：天线在24GHz频率处的回波损耗（S11）低于-20dB，输入阻抗约50Ω，驻波比约1.2，主瓣方向增益为13.6dB，基本达到设计预期。

关键词： 微带贴片天线；阵列天线；回波损耗；方向图

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Abstract

This study develops a 1×4 array microstrip patch antenna with a central frequency of 24GHz, aimed at addressing key challenges in traffic speed monitoring and intelligent driving systems. By employing a microstrip line feeding method, the design involves modeling and optimizing a unit patch antenna, followed by the development of the array structure and feeding network. Simulation results from HFSS confirm excellent performance, with return loss (S11) below -20dB, input impedance near 50Ω, VSWR around 1.2, and a peak directional gain of 13.6dB. The antenna meets the design requirements effectively.

Keywords: Microstrip patch antenna; Array antenna; Return loss; Radiation pattern

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

毫米波（millimeter wave）因其频率高、波长短的特点，在通信、交通和雷达领域应用广泛。作为毫米波的核心部件，微带天线以其低成本、轻量化和易于批量生产的优势备受青睐。然而，传统微带天线面临带宽窄、辐射效率低等瓶颈。如何在满足高频性能要求的同时，实现紧凑化和低成本化设计，已成为微带天线研究的重点方向。

此外，交通测速和自动驾驶技术的快速发展对毫米波天线提出了更高要求。这种背景下，本文设计了一款基于24GHz的高性能微带贴片天线，为解决这些实际问题提供了新思路。

1.2 研究目标与方法

本文的研究目标包括：

1. 单元天线设计： 探讨矩形贴片天线的理论模型，并通过HFSS仿真优化其性能。
2. 阵列天线设计： 在单元天线基础上，优化馈电网络，完成1×4阵列天线设计。
3. 性能验证： 通过仿真分析回波损耗、驻波比、输入阻抗及方向图等关键参数，确保设计满足实际应用需求。

研究方法主要包括理论建模、仿真优化与参数调优，旨在验证阵列天线的可行性与高效性。

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第2章 微带天线基本原理

2.1 微带天线概述

微带天线由贴片、介质基板和接地板组成，其工作原理依赖于贴片与接地板之间的电磁波辐射。因其结构简单、制作成本低，已广泛应用于通信与雷达系统。

2.2 阵列天线理论

阵列天线由多个单元天线按特定排列方式组合而成，通过合理设计馈电网络，可实现高增益和强方向性的特点，是大范围检测和远距离通信的理想选择。

2.3 微带天线关键参数

1. 方向图： 描述天线在不同方向的辐射特性，是设计天线增益和方向性的核心依据。
2. 输入阻抗： 阻抗匹配直接影响天线的能量传输效率。
3. 增益与效率： 决定天线的辐射能力，是天线性能的重要指标。

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第3章 单元贴片天线设计

3.1 材料选择与理论计算

选用Rogers RT/duroid 5880材料作为介质基板，其低损耗特性适用于高频应用。根据公式计算贴片尺寸与馈线宽度，确保满足阻抗匹配要求。

3.2 HFSS建模与优化

基于计算结果，利用HFSS软件建立模型并进行初步仿真。通过参数扫描与优化，调整贴片长度和宽度，最终实现回波损耗小于-20dB，驻波比接近1的优异性能。

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第4章 阵列贴片天线设计

4.1 阵元间距优化设计

根据天线阵列原理，选取阵元间距为自由空间波长的0.7倍，以减小互耦效应对性能的影响。

4.2 馈电网络布局

采用并联馈电方式，并通过四分之一波长阻抗匹配器调整馈线宽度，确保阵列天线的输入阻抗为50Ω。

4.3 仿真结果与分析

仿真结果显示，阵列天线在24GHz频率处的回波损耗为-22dB，驻波比为1.2，增益达到13.6dB，方向性良好，满足设计要求。

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第5章 结果与讨论

本研究通过HFSS仿真设计了一款1×4的24GHz阵列微带天线。设计过程包括单元天线的理论建模与优化、阵列布局的参数调整，以及馈电网络的精确设计。仿真验证显示，天线在目标频率下性能优异。

未来工作可在现有基础上增加阵元数量或优化阵列布局，以进一步提升增益与方向性，为毫米波通信与雷达系统提供更高性能的解决方案。