基于HFSS的天线设计

一、实验目的

•利用电磁软件An soft HFSS设计一款微带天线。

♦微带天线要求：工作频率为2.5GHz带宽(回波损耗S11<-10dB)大于5%

•在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。

二、实验原理

1、微带天线简介

微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20年左右的

发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。

图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分

组成。与天线性能相关的参数

包括辐射源的长度L、辐射源的宽度W介

质层的厚度h、介质的相对介电常数r和

损耗正切tan、介质层的长度LG和宽度WG

图1所示的微带贴片天线是

图1:微带天线的结构

采用微带天线来馈电的，本次将要设计的

矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。

对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有g/2的

改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2 (a)所示，在长度L方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 2 (b)可以看出，微带线边缘的电场可

以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

式中，c 表示真空中的光速，f 0表示天线的工作频率, 中所

示的等效辐射缝隙的长度，且有

L 0.412h (e 。亠心

°

264

)

(e 0.258)(W/h

0.8)

矩形贴片的宽度W 可以由下式计算:

图2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图

2、天线几何结构参数推导计算公式

假设矩形贴片的有效长度设为

L e ，

则有 式中,

g

表示波导波长，有

式中,

o 表示自由空间波长,

式中,

宽度。由此, L e

g

/2

(1-1)

(1-2)

e

表示有效介电常数，且

1亠J(1 12印 2 W

(1-3)

r

表示介质的相对介电常数，h 表示介质层厚度,

可计算出矩形贴片的实际长度 L ,有

L Le 2 L

2-

2 L

2f

0 e

W 表示微带贴片的

2 L (1-4)

L 表示图2( a )

(1-5)

(a )俯视图 (b )侧视图

4肘4

、

1

c

r

1 2

W

r

（1-6）

2f o 2

对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗，在微波应用中通常是使用50的标准阻抗，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于50 。对于图3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以（x f, y f）表示馈点的位置坐标。

图3同轴线馈电的微带天线

对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点

都可以作为馈点，为了避免激发TM1n模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即

y f 0 （1-7）

在L方向上电场有g/2的改变，因此在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算:

L

X f ---------------

2 re(L)

式中,

上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时。

计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度L G ND和宽度W G ND

(1-8)

re(L)

1

(1 12『(1-9)

只需满足以下两式即可，即

L GND L

6h

（ 1-10） W SND W 6h

（ i-ii ）

三、实验步骤

1、设计指标和天线几何结构参数计算

本实验的矩形微带天线的中心频率为 2.5GHz ,选用的介质板材为 Rogers

RO4003其相对介电常数 r 3.55，厚度h=5mm ，天线使用同轴线馈电。根据 上面的推

导公式来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度 L 和宽度W 、同

轴线馈点的位置坐标（X f ,y f ），以及参考地的长度L GND 和宽度W GND 。

（1）、矩形贴片的宽度W

3.0 108

m/s, f 0 2.5GHz, r 3.55代入式（1-6），可以计算出微带天

（2）、有效介电常数

e 3.08

（3）、辐射缝隙的长度 L

⑸、参考地的长度L GND 和宽度W SND

把 h 5mm,W 39.78mm, L 29.55mm 分别代入式（1-10 ）和（1-11），可 以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即

线矩形贴片的宽度, 即

W 0.03978m

39.78mm

把 h 5mm, W

39.78mm, r 3.55代入式（1-3），可以计算出有效介电常数,

把 h 5mm,W 39.78mm, 3.08代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射

缝隙的长度，即

2.32mm

（4）、矩形贴片的长度L

把 c 3.0 108

m/s, f 0

2.5GHz,

e

3.08, L 2.32mm 代入式（1-4），可以

计算出微带天线矩形贴片的长度，即

L 29.55mm