微带天线仿真设计(5)讲解
实验五-微带天线设计_图文_图文
• 把Layout层映射到金属层，也就是把Cond层粘贴到Sub介质板上，如下图所 示，选择“Layout Layer”标签，在“Name”下拉列表中选择贴片所在的Layout层 cond，单击【Strip】按钮完成贴片的粘贴。设置金属层参数，单击【Applay】 ，然后单击“OK”
（4）添加端口
end Zt=sqrt(50*Zin) %计话框
优化目标对话框
• 进行优化仿真，下图为优化后的仿真结果。
• 打开前面仿真过的微带贴片的Layout文件，按照原理图尺寸在Layout中划出 匹配结的图形，然后设置板材参数，插入端口。
• S参数仿真。 中心频率还是发生了偏移！ 改进方法：减少匹配线长度，减少贴片长度
板材参数：
H:基板厚度(1.5 mm)，
Er:基板相对介电常数(2.65)
Mur:磁导率(1)，
Cond:金属电导率(5.88E+7)
Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)
TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)
报告要求：
（1）简单叙述微带天线工作原理； （2）给出微带天线的版图尺寸； （3）给出版图仿真结果，并对其结果进行分析； （4）制作该天线，进行测试，给出天线的驻波测试结果，分析误差原因。
使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可 能小。阻抗、驻波比与反射系数的关系为
(5) 辐射效率 Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W 。 天线增益、方向性系数和辐射效率的关系： (6) 半功率角
(a) 按电场定义； (b) 按功率定义
1.3 常见的天线类型
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
一、前言
微带天线，即微带感应力天线，是一种先进的电磁发射天线，它采用微细空心管及其他微带元件，广泛应用于宽带、多址无线通信、脉冲定位系统、脉冲探测系统等许多应用中。
以HFSS为工具，设计微带感应力天线，能够更加直观地分析微带天线的性能，从而帮助我们了解微带天线的传输特性，并根据实际应用需求实现天线高效性能设计。
二、微波仿真HFSS的设计步骤：
1、首先，选择好所采用的HFSS软件，确定需要分析的微带感应力天线的构型，并建立计算模型。
2、根据相关理论，计算出微带天线的基本参数，如振子长度、空心管半径和微带宽度等，以及天线的振荡频率、相位阶跃和频带宽等。
3、设置相应的仿真网格，根据天线实际的构形，划分仿真区域，确定网格大小和步长，以达到较高的空间分辨率，从而获得更准确的仿真结果。
4、设置仿真参考电路，根据计算出的微带天线振子长度、空心管半径和微带宽度等，及其传输特性，利用HFSS软件设置好参考模型，以及仿真频率。
5、开启仿真计算，间接计算和直接计算，从而获得微带感应力天线的S参数，用于评估微带天线的性能。
微带贴片天线的仿真与测量实验设计
ｆ 旦
。 第 四步 ，馈 电方式 的选择 。微
￡ 一 ０．２５８１（Ｗ／ｈ＋０．８） ’
。
‘… 。
。
带贴片天线常见 的馈 电方式有两种 ，在这一 步可 以对
两种馈 电方式 的优 缺点进 行讲 解 ，并 让 同学展 开讨
论 。微带馈 电 ，其 由微带线直接对贴 片进行馈 电。馈 电
点的位置可 以进行偏 移 。馈 电点 位置发生 变化 （尤其
是馈 电点在贴 片宽边 ），其对应 的输入 阻抗会 发生较
大变化 ，因此这也 提供 了一种 阻抗匹配 的方 法 。这种
馈 电方 式最 大 的优点 在于馈 电导 线与贴 片处 于 同于
平面 ，便于集成 。同轴馈 电 ，将 同轴线 的外导体 焊接在
１ ＼
／
阻抗 匹配。微 带矩形 贴片天线仿 真设计 步骤 ：
其宽度也 可 以选为其他尺 寸。当宽度过小 时 ，辐射效
率较 低 ；过大时 ，辐射效率 增高但会产生高 次模式 ，引
起场 畸变 。第 三步 ，贴片长度 的确定 。理论上贴 片长 度
为 入／２，但 由于边缘效应 的影 响，谐振单元 的长度要小
第二步 ，贴片宽度 的确定 。微带贴片天线 ，其贴片 的宽 实现 阻抗 匹配 。沿着贴 片宽度 方 向变 化时 ，其 阻抗变
１
／
ｌ １ ＼ ２
化最 为敏感 。微带线馈 电 ，可调整 其馈 电点在 贴片边
度可以由下面的式子确定：ｗ＝ｅ （ ） （２）当然 缘 的位置 ，并且还可 以通过在馈 电点开槽 的方 式进行
２０１８ 年 ６ 月 第 ２５ 期
教 育教 学论 坛
ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ ＴＥＡＣＨＩＮＧ ＦＯＲＵＨ
微带天线仿真设计(5)汇总
太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计设计题目：微带天线仿真设计（5）专业班级学号姓名指导老师专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。
微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。
一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。
微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。
矩形贴片天线如图： ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。
现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。
在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。
因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。
缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。
这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款广泛应用于天线设计领域的电磁仿真软件。
本文将基于HFSS进行双频微带天线的仿真和设计，包括仿真模型构建、参数设置、频率扫描、天线设计优化等内容。
以下是对于每个步骤的详细介绍。
首先，在HFSS软件中创建一个新的项目，然后选择"Design Type"为"Antenna"。
接下来，根据双频微带天线的特点，构建天线的几何结构。
双频微带天线通常由一个辐射贴片和一个馈电贴片组成。
辐射贴片的几何结构决定了辐射频率，馈电贴片的几何结构决定了馈电频率。
根据具体的设计要求，可以选择矩形、圆形或其他形状的贴片。
在构建天线的几何结构后，需要设置天线的材料属性。
可以选择常见的介质材料，如FR-4、Rogers等，然后设置其相对介电常数和损耗因子。
这些参数对天线的性能有重要影响，需要根据具体的设计需求进行调整。
完成材料属性设置后，需要定义辐射贴片和馈电贴片的端口。
通常，辐射贴片和馈电贴片的接地为共地，但其余部分分开。
可以通过选择适当的面来定义每个端口。
然后，设置端口的激励类型和激励参数。
常见的激励类型有电流激励和电压激励，而激励参数包括频率、幅度和相位等。
在设置好端口后，可以进行频率扫描，以获取天线的频率响应。
可以选择在一定范围内进行频率扫描，也可以单独指定感兴趣的频率点。
通过分析结果可以得到辐射和馈电贴片的共振频率，以及频率响应的带宽等信息。
如果设计的频率不满足要求，可以对几何结构和材料参数进行调整，然后重新进行频率扫描。
当天线的频率响应满足要求后，可以进行天线设计的优化。
优化的目标通常包括增加天线的增益、改善天线的辐射效率、扩展天线的带宽等。
可以通过对辐射贴片的长度、宽度、形状等进行调整，或者对馈电贴片的长度和宽度进行调整。
优化过程中，可以通过设置参数范围和优化目标，使用HFSS内置的优化算法进行自动优化。
天线工程设计基础课件：天线仿真技术
其中下标 i 是用于误差控制的预设数集。与有限差分相比，
MoM 仿真时间和内存都耗费较大。
目前，主流的基于矩量法的电磁仿真软件主要有 ADS 、
AnsoftDesigner 、 MicrowaveOffice 、 IE3D 、 FEKO 。这里
天线仿真技术
2. 2. 1 矩量法以及基于矩量法的软件
1. 矩量法
1968 年， Harrington 提出了一种数值计算方法称之为
矩量法( MethodofMoment ，MoM )。经过多年的发展和完
善，矩量法已经成为电磁计算和天线设计中非常重要的算法
之一。矩量法是一种将连续方程离散化成代数方程组的方法，
计算精度的控制，包括收敛控制的要求、迭代的最小和最大
步骤；其他的设置还包括是否使用并行、多线程、远程控制、
虚拟内存等。
(3)解后处理。大部分电磁计算软件计算所得的结果是
基于算法所获得的用基函数表示的电流分布，这些结果必须
经过解后处理来转换成设计人员所需要的参数。解后处理的
主要任务就是依据想获取的天线特性通过解后处理层面的设
重点介绍天线设计中常用的软件 IE3D 和 FEKO 。下面首先
对IE3D 进行详细的介绍。
天线仿真技术
2.IE3D 软件介绍
1 )基本介绍
IE3D 是一个基于全波分析的矩量法电磁场仿真工具，
可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。
它是通过各界面的边界条件和分层媒质中的并矢格林函数建
立起积分方程，然后导出阻抗矩阵和激励矩阵来求得电流系
天线仿真技术
假定两个函数 f 1 和 f 2 以及两个任意常数 a 1 和 a 2 有下
实验五 微带天线设计
四．ADS 仿真步骤： 1.新建一个工程，并命名 Patch,长度单位为 mm (1)打开新的 Degisn，命名为 patch_antenna
或者在工程开始界面中选 New Layout 快捷按钮
选择当前的 Layout 层位 cond 层
(2)创建贴片模型
单击工具栏中的矩形工具
（4）添加端口 执行菜单命令【Insert】 【Port 】 执行菜单命令【Momentum】 【Port Edit】,选择端口 1，设置端口参数
（5）S 参数仿真 执行菜单命令【Momentum】 【Simulation】 【S-Parameters】，参数设置 完成后，单击“Update”按钮，然后单击“Simulate”按钮，开始仿真
1 2
r
1 r
11
10
h
1 /
2
w
缝隙两端间有一辐射电导 Gs：
1
90
W 0
2
2
Gs
1 120
W 0
1 60
2
1 120
W 0
2
(w 0.350 ) (0.350 w 20 ) (w 20 )
开路端缝隙的等效导纳还有一电容部分。可用延伸长度Δl 来表示：哈默斯塔德
给出Δl 的经验公式如下：
r
归一化方向性因子 F ( ,) f ( ,) fmax
（2）E 面和 H 面方向图 工程上常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方
向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为 E 面 和 H 面。
E 面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H 面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 （3）主瓣宽度 方向图主瓣上两个半功率点之间的夹角，记为 2θ0.5。又称为半功率波束宽 度或 3dB 波束宽度。一般情况下，天线的 E 面和 H 面方向图的主瓣宽度不等， 可分别记为 2θ0.5E 和 2θ0.5H。可以描述天线波束在空间的覆盖范围，主瓣瓣 宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。
超宽带微带天线的仿真与设计
超宽带微带天线的仿真与设计摘要：天线是无线电系统组成中必需的组件，它是接收以及辐射无线电波的装置。
超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种近几年发展迅速的无线通信技术，也被叫做UWB技术。
它通过接收和发送极窄的脉冲来完成数据的传输，并且信号的带宽达到了GHz级别。
本文在阐述相关理论基础上，从一款天线入手，经过加载缝隙或者开槽设计了一种通过微带线馈电的超宽带天线。
通过使用电磁仿真软件HFSS对天线仿真，得到天线的S11、VSWR、极化方向图等参数。
并且验证了该天线覆盖的频段满足超宽带天线的设计要求。
关键字：超宽带技术；微带天线；仿真1 引言随着科学技术的不断进步，无线通信领域也随之快速发展。
无线频谱的资源是有限的，但是，人们对通信系统要求却日益增加。
因此，将可用频带拓宽就变得十分重要，而UWB技术的各种特性可以很好地解决这些问题，所以对超宽带天线的研究就变得非常有意义。
最初出现的超宽带无线电技术可以追溯到1960年左右，它当时主要是被应用于雷达检测、精确定位等其他领域，并不像当前的超宽带无线电技术被广泛地运用在通信领域。
美国国防部于1989年首次使用“超宽带”这个术语。
1992年，美国联邦通信委员会通过了一项议案。
该项议案重新定义了“超宽带”，并将3.1GHz到10.6GHz间的频段分配给了通信系统使用，允许了“超宽带”技术进入民用领域。
在此之前，该技术只有军方才能使用。
超宽带的定义方式分为绝对带宽和相对带宽两种，公式如下绝对带宽：BW=（1.1）相对带宽：（1.2）与分别表示-10dB带宽的上、下截止频率。
2基础理论概述2.1超宽带天线的性能参数下面介绍能够表征超宽带天线的一些常用性能参数，例如带宽、增益、极化等。
极化：天线的极化通俗来说指的天线工作时电流前进的方向，主要可以分为线极化和圆极化两种。
带宽：天线工作时所对应的频率范围就是天线的带宽。
一般情况下可以分为以下三种，分别是输入阻抗带宽、方向图带宽和相对带宽。
实验五-微带天线设计
(-33.4,39.5)
(-52.9,19.895) (-52.9,20.845)
w1=0.29mm w2=2.19mm
(-33.4,19.895) (-33.4,19.605)
(-52.9,18.655)
l1=19.5mm (-52.9,19.605) (-33.4,05) L=33.4mm
(0,39.5) W=39.5mm (0,0)
W / h 0.264 W / h 0.8
2W 2
Y in
2G
90 2W
2 0
2
120
2 0
W≤λ0 W>λ0
f0 2
c
e (L2L)
W
c 2 f0
r211/2
01.08.2020
MW & Opti. Commu. Lab, XJTU
14
矩形天线实例:
w2
w1
W
l1 L
01.08.2020
• 在数据显示窗口，执行菜单命令【Tool]->【Data File Tool】，弹出 “dttool/main Window”，利用此工具导出Momentum仿真后的S1P文件。
实验五 微带天线设计、仿 真、制作与测试
一、天线的基本知识
1.1 天线的概念
天线：向空间发射或从空间接收电磁波的装置
天线功能: （1）能量转换功能:进行导 行波(或高频电流)和自由空 间波之间的能量转换; （2）定向作用:向空间发射 或从空间接收电磁波具有一 定的方向性。对于发射天线， 是指将电磁波能量向一定方 向集中辐射; 对于接收天线， 是只接收特定方向来的电磁 波.
w1=0.40mm w2=2.31mm
(-33.4,19.95) (-33.4,19.55)
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种基于有限元法的高频电磁场仿真软件，常用于微带天线的仿真与设计。
微带天线是一种常见的高频天线，广泛应用于通信系统、雷达系统、航天航空领域等。
HFSS软件可以通过电磁场分析和仿真，帮助工程师进行微带天线的设计和优化。
以下是基于HFSS矩形微带天线仿真与设计的一般流程：1. 几何设计：确定微带天线的基本结构和尺寸。
对于矩形微带天线，需要确定矩形天线的长度和宽度。
2. 设置材料参数：选择合适的材料参数，包括介电常数和损耗 tangent。
3. 建立模型：使用HFSS软件中的设计工具，绘制微带天线的三维几何模型。
4. 设置边界条件：为模型设置适当的边界条件，包括射频端口（端口的位置和大小）和地面端口。
5. 网格划分：根据模型的尺寸和几何形状，进行网格划分。
合理的网格划分可以提高仿真结果的准确性和仿真速度。
6. 应用激励：给模型应用合适的电磁激励条件，电源电流或电压。
7. 运行仿真：通过HFSS软件运行电磁场仿真，得到微带天线的频率响应、辐射图案等关键参数。
8. 优化设计：根据仿真结果，对微带天线的参数进行优化。
可以通过调整天线的尺寸或形状，改变天线的工作频率和增益。
9. 评估性能：通过仿真结果评估微带天线的性能，包括工作频率带宽、谐振频率、辐射效率和辐射模式等。
10. 进行实验验证：对设计好的微带天线进行实际制造和测试，验证仿真结果的准确性。
HFSS矩形微带天线的仿真与设计流程主要包括几何设计、设置材料参数、建立模型、设置边界条件、网格划分、应用激励、运行仿真、优化设计、评估性能和实验验证。
通过HFSS软件的仿真和优化，可以帮助工程师设计出高性能的矩形微带天线。
实验三 微带天线的仿真设计与优化
实验三微带天线的仿真设计与优化一、设计目标设计一个谐振频率为2.45GHz的微带天线，讨论微带贴片的尺寸对谐振频率的影响，并分析馈电点位置对输入阻抗的影响，最后给出优化设计的天线尺寸和优化后的天线性能（给出S11、Smith圆图、E面增益方向图和三维增益方向图的仿真结果）。
二、设计步骤1、添加和定义设计变量：将天线的相应变量定义好，如图：2、设计建模（1）创建微带天线的模型：创建介质基片：创建一长方体模型用以表示介质基片，模型的底面位于xoy平面，中心位于坐标原点，设置模型的材质为“FR4_epoxy”、透明度为0.6、颜色为深绿色，并将其命名为“Substrate”;模型的长度、宽度和厚度分别为2*W0、2*L0和H（模型的顶点坐标设置为（-L0，-WO,0），在XSize、YSize和ZSize分别输入2*L0、2*W0和H）。
在z=plength的平面上创建一个中心位于z轴，长度和宽度用a1和b1表示的矩形面，并将其命名为Aperture，颜色设为深蓝色，顶点位置坐标为（-a1/2，-b1/2，plength）。
创建辐射贴片：在介质基片的上表面创建一个中心位于坐标原点，长度和宽度分别为W0和L0的矩形平面（顶点坐标设置为（-L0/2，-WO/2,H），在XSize和YSize分别输入L0和W0），设置模型的透明度为0.4、颜色为铜黄色，并将其命名为“Patch”。
创建参考地：在介质基片的底面创建一个中心位于坐标原点，大小与介质基片的底面相同的矩形面（顶点坐标设置为（-L0，-WO,0），在XSize和YSize分别输入2*L0、2*W0），设置模型的透明度为0.4、颜色为铜黄色，并将其命名为“GND”。
创建同轴馈线的内芯：创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体底部圆心位于X轴并且与坐标原点的距离为L1，半径为0.6mm,高度为H（圆心坐标（L1，0mm,0mm）,Radius为0.6mm,Height为H）,设置模型的材质为理想导体（“pec”）、颜色为铜黄色，并将其命名为“Feed”。
第五讲微带天线
reff
r
2
1
r
2
1
1
12
h W
1 2
W h 1 (2)
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
0 10
(12)
图6 矩形微带贴片天线及其传输线模型
EMW Propagation Engineering
微带天线的传输线模型
School of Electronic Engineering
事实上，单槽电导可由腔体模型法推导出的场表示
式进行计算
G1
2 Prad V0 2
(13)
辐射功率为
Prad
W 1
2 c0
2
(8)
2 fr 00 r 1 2 fr r 1
②利用（2）计算εreff ③利用（3）计算ΔL
④微带贴片的实际长度为
L
1
2L
(9)
2 fr reff 00
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
图4 典型的微带线有效介电常数随频率变化的曲线
EMW Propagation Engineering
微带天线的传输线模型
School of Electronic Engineering
有效长度、谐振频率 由于纵向的边缘效应，微带贴片的电尺寸比实际物
5g微带阵列天线仿真设计
要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。
评分标准： 良：带宽〈7%优：带宽〉7%且效率大于60%1微带辐射贴片尺寸估算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为：121()2r c w f ε-+=式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质内的导波波长，即为：e λ=考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：2L L =-∆式中，e ε是有效介电常数，L ∆是等效辐射缝隙长度。
它们可以分别用下式计算，即为：1211(112)22r r e h wεεε-+-=++ (0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)e e w h L hw h εε++∆=-+2.单元的仿真由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm 。
采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：图1 单元模型此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm 时，阻抗匹配最好。
另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm 。
仿真结果图如图2，图3所示。
3.504.00 4.505.00 5.506.00 6.50Freq [GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00d B (S (1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTm 1m 2m 3Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sw eepName XYm 1 4.9500-10.3381m 2 5.0600-10.1725m 35.0000-26.9508图2 S11参数-200.00-150.00-100.00-50.000.0050.00100.00150.00200.00Theta [deg]-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.00d B (G a i n T o t a l )HFSSDesign1XY Plot 2Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'图3 增益图从图中可以看出谐振点为5GHz ，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB 。
微带天线设计与仿真
实验4 微带天线设计与仿真实验目的：1.了解矩形微带天线的技术指标和设计方法；2.掌握在ADS的Layout中进行射频电路设计的方法。
实验内容：4.1 微带天线的基础知识4.2 矩形微带天线的设计与仿真4.1 微带天线的基础知识1.微带天线简介微带天线的概念是在1953年提出来的，但在近30年才逐步发展起来，是一种新型天线。
微带贴片天线：在一个薄的介质板基材上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用蚀刻的办法做出各种形状的贴片，利用微带或同轴对贴片进行馈电。
微带缝隙天线：在接地板上开各种各样的槽，通过微带线进行馈电。
微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。
和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形。
(2)电性能多样化。
不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化。
(3)易集成。
能和有源器件、电路集成为统一的组件。
2. 微带天线的主要技术指标●辐射方向图●方向性系数和天线增益●谐振频率处反射系数●天线效率●带宽●极化特性定义：在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度平方的比值。
通常取最大辐射方向上的方向性系数作为天线的方向性系数。
定义：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
3. 微带天线设计思路①根据指标要求和基片参数计算相关参数，如贴片宽度、长度、馈电位置、馈线宽度等。
②在ADS的布局图窗口Layout中初次仿真。
③在原理图窗口Schematic中进行匹配。
④修改Layout，再次仿真，完成天线设计。
基片选择的理由是：陶瓷基片是比较常用的介质基片，其常用的厚度是h＝1.27mm，0.635mm，0.254mm。
其中1.27mm的基片有较高的天线效率，较宽的带宽以及较高的增益。
微波天线的设计资料(微带天线)(MicrostripAntenna)
实验十三微带天线（Microstrip Antenna）一、实验目的1.了解天线之基本原理与微带天线的设计方法。
2.利用实验模组的实际测量得以了解微带天线的特性。
二、预习内容1．熟悉微带天线的理论知识。
2．熟悉天线设计的基本概念及理论知识。
三、实验设备四、理论分析天线基本原理：天线的主要功能是将电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波。
所以天线亦可视为射频发收电路与空气的信号耦合器。
在射频应用上，天线的类型与结构有许多种类。
就波长特性分有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分，常见有单极型（Monopole）、双极型（Dipole）、喇叭型（Horn）、抛物型（Parabolic Disc）、角型（Corrner）、螺旋型（Helix）、介电质平面型（Dielectric Patch）及阵列型（Array）天线，如图13-1所示。
就使用频宽来分别有窄频带型（Narrow-band,10%以下）及宽频带型（Broad-band,10%以上）。
图13-1 常见天线（一）天线特性参数1.天线增益（Antenna Gain’G）：isotropicPPG=其中 G——天线增益P——与测量天线距离R处所接收到的功率密度，Watt / m2Pisotropic——与全向性天线距离R处所接收到的功率密度,Watt / m2由此可推导出，与增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度：24RPGP txrec⋅⋅=π其中 G——天线增益P tx——发射功率，Watt / m2R——与天线的距离，m2.天线输入阻抗（Antenna Input Impedance’Zin）：IVZin=其中 Z in——天线输入阻抗V——在馈入点上的射频电压I——在馈入点上的射频电流以偶极天线为例，其阻抗由中心处73Ω变化到末端为2500Ω。
3.辐射阻抗（Radiation Resistance’Rrad）：(a)单极型(c)喇叭型(d)抛物面(e)螺旋型(f)阵列型2i P R av rad =其中Pav ——天线平均辐射功率，Wi ——馈入天线的有效电流，A I ——在馈入点上的射频电流对一半波长天线而言，其辐射阻抗为73Ω。
实验五.微带贴片天线的设计与仿真
实验五微带贴片天线的设计与仿真姓名：曾华兆班级：通信162班学号：6110116078 实验类型：设计实验日期：2019.6.1一．实验目的(1) 学习微带贴片天线的设计方法；(2) 掌握微带贴片结构的特性、反射系数等参数；(3)理解微带贴片天线的远区辐射场的特性、反射系数曲线和增益方向图。
二．实验设备(1) 装有Windows系统的PC一台(自备)(2) Ansoft HFSS13软件(3) 截图工具三、实验原理四．实验内容利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。
中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h=5mm。
最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。
五．实验结果仿真图如下：驻波比信息曲线如下:由上图可知，回波损耗在1.82dB 左右，工作频带在2.40GHz-2.60 GHz 3D 增益方向图：由上图可知该贴片天线辐射的最大方向为平面法向方向即正Z 方向，增益达到7.5dB ，而且可以得到该方向的宽方向图。
六．实验体会与建议当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点。
对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。
当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大通过，调整可以使贴片工作在频点。
通过本次实验，我进一步熟悉了如何利用HFSS 设计微带天线，并通过所形成的远区辐射场图和S 曲线分析矩形微带天线的特性。
最开始在实验时由于粗心设置模拟单位时没有设置成 mm，导致结果出不来，重新设置之后，问题解决。
做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。
这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。
微带天线仿真设计
太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计设计题目：微带天线仿真设计（5）专业班级学号姓名指导教师专业班级学号姓名成绩…………………设计题目：微带天线仿真设计（5）一、设计目的：通过仿真了解微带天线设计二、设计原理：一、微带天线的结构微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片组成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸能够和波长想比拟的另一片称为辐射元。
微带天线的馈电方式分为两种，如下图。
一种是侧面馈电，也确实是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，确实是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。
微带天线的馈电（a）侧馈（b）底馈二、微带天线的辐射原理用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。
矩形贴片天线如图：设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。
现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两头断开形成开路，依照微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀散布。
在最简单的情形下，场沿宽度ω方向也没有转变，而仅在长度方向（L ≈λ/2)有转变。
在开路两头的电场均能够分解为相关于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因此在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。
因此，两开路端的水平分量能够等效为无穷大平面上同相鼓励的两个裂缝，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀散布。
缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。
这确实是说，微带天线的辐射能够等效为有两个裂缝所组成的二元阵列。
通过查阅资料，能够明白微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在那个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。
5g微带阵列天线仿真设计
要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。
评分标准： 良：带宽〈7%优：带宽〉7%且效率大于60%1微带辐射贴片尺寸估算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为：121()2r c w f ε-+=式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质内的导波波长，即为：e λ=考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：2L L =-∆式中，e ε是有效介电常数，L ∆是等效辐射缝隙长度。
它们可以分别用下式计算，即为：1211(112)22r r e h wεεε-+-=++ (0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)e e w h L hw h εε++∆=-+2.单元的仿真由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm 。
采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：图1 单元模型此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm 时，阻抗匹配最好。
另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm 。
仿真结果图如图2，图3所示。
3.504.00 4.505.00 5.506.00 6.50Freq [GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00d B (S (1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTm 1m 2m 3Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sw eepName XYm 1 4.9500-10.3381m 2 5.0600-10.1725m 35.0000-26.9508图2 S11参数-200.00-150.00-100.00-50.000.0050.00100.00150.00200.00Theta [deg]-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.00d B (G a i n T o t a l )HFSSDesign1XY Plot 2Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'图3 增益图从图中可以看出谐振点为5GHz ，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB 。
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太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计设计题目：微带天线仿真设计（5）专业班级学号姓名指导老师专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。
微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。
一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。
微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。
矩形贴片天线如图： ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。
现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。
在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。
因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。
缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。
这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。
Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计了各种高频结构。
三、仿真步骤1、建立新的工程运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。
2、设置求解类型（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中（a）选择Driven Modal。
（b）点击OK按钮。
3. 设置模型单位将创建模型中的单位设置为毫米。
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
（2）设置模型单位：（a）在设置单位窗口中选择：mm。
（b）点击OK按钮。
4、创建微带天线模型（1）创建地板GroundPlane。
在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。
在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。
在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0按回车键。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为GroundPlane。
（2）为GroundPlane设置理想金属边界。
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。
在对话框中选择GroundPlane，点击OK确认。
在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。
在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_Ground，点击OK确认。
在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。
（3）建立介质基片。
在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮，创建长方体模型。
在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X: -22.5，Y：-22.5，Z：0。
按回车键结束输入。
输入各坐标时，可用Tab键来切换。
输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5按回车键结束输入。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Substrate。
点击Material选项后面的按钮，将材料设置为Rogers R04003。
点击Color后面的Edit按钮，将颜色设置为绿色，点击OK确认。
（4）建立贴片Patch。
在介质基片上创建贴片天线。
在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。
在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：-16，Y：-16，Z：5按回车键。
在坐标输入栏中输入长、宽：dX：32，dY：32，dZ：0按回车键。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Patch。
点击Corlor后面的Edit按钮，将颜色设置为黄色，点击OK确认。
（5）为Patch设置理想金属边界。
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。
在对话框中选择Patch，点击OK确认。
在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。
在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_Patch，点击OK确认。
（6）创建探针Pin。
在菜单栏中点击Draw>Cylinder。
在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标：X：0，Y：-8，Z：0按回车。
在坐标输入栏中输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0 按回车键。
在坐标栏中输入圆柱的高度：dX：0，dY：0，dZ：5；按回车键结束输入。
在特性（Porperty）窗口中选择Attributr标签，将该圆柱的名字修改为Pin。
点击Material后面的按钮，将材料设置为pec。
利用快捷键Ctrl+D将模型调整至合适大小。
（7）创建端口面Port。
在菜单键中点击Draw>Circle。
在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：X：0，Y：-8，Z：0按回车键。
在坐标输入栏输入半径：dX：0，dY：1.5，dZ：0按回车键。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将名字修改为Port。
（8）用GroundPlane 将Port减去。
在菜单栏中点击Eidt>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择GroundPlane和Port。
在菜单栏中点击3D Modeler>Boolean >Subtract ,在Subtract窗口中做以下设置：Blank Parts：GroundPlane；Tool Parts：Port；选中Clone tool objects before subtract 复选框。
点击OK按钮结束设置。
5、创建辐射边界创建Air，在菜单栏中点击Draw>Box,创建长方体模型。
在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；按回车键结束输入。
输入长方体的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70按回车键。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将长方体的名字修改为Air。
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name 。
在对话框中选择Air，点击OK确认。
在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation。
在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK按钮。
6、设置端口激励在菜单栏中点击Edit>Select>By Name，选中Port，在菜单HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port。
在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1，点击Next。
在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0。
按回车键，点击Next按钮直至结束。
总透视结构图1.接地板GroundPlane：90mm*90mm2.介质基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003。
3.贴片天线Patch:32mm*32mm4.探针Pin半径0.5mm*高5mm,材料Pec。
5.端口面Port半径1.5，最后用GroundPlane将Port减去。
6.空气框Air160mm*160mm*70mm,将辐射边界命名为Rad1。
7.馈电点距Patch中心8mm处。
7、求解设置为该问题设置求解频率及扫频范围（a）设置求解频率。
在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。
在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。
点击OK结束。
（b）设置扫频。
在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Sweep 。
选择Setup1，点击OK确认。
在扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中，点击OK确认。
8、设置无限大球面在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。
在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。
点击OK确认。
9、确认设计10.、保存工程在菜单栏中点击File>Save As,在弹出的窗口中将工程命名为hfss_Patch,并选择保存路径。
11、求解该工程在菜单栏点击HFSS>Analyze。