电磁场作业

矩形微带贴片天线的原理研究及基于HFSS的仿真设计

一、研究问题

微带贴片天线的原理及基于HFSS的设计仿真。

二、研究目的

1.了解微带贴片天线的基本结构，掌握微带贴片天线的工作原理；

2.了解HFSS软件，掌握HFSS在电磁场仿真设计中的作用；

3.运用HFSS对矩形微带天线进行建模并对其进行仿真；

4.在仿真的基础上对微带天线的性能进行分析和优化设计。

三、预期效果

1.掌握微带贴片天线的基本结构和工作原理；

2.掌握HFSS在电磁场仿真设计中的基本操作；

3.用HFSS仿真中心频率为2.45GHz的矩形微带贴片天线，并进行优化分析得到优化参数，了解一些参数对天线性能的影响。

四、矩形微带天线原理

1.微带天线简介

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。微带天线是由贴在带有金属地板的

≤10。介质基片上的辐射贴片组成，一般介质基片的相对介电常数不超过10，即Ɛ

r

贴片上的导体通常是铜和金，也可以做成任意形状，常见的形状有矩形、方形、圆形等，通常为了便于分析和预测其性能都用较为简单的几何形状。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，有重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形，电性能多样化，易于得到各种极化，体积小，易于电路集成为统一的组件等优点，现今已经广泛应用于个人无限通信中。

2.矩形微带天线的结构与原理

矩形微带天线是一种简单的微带贴片天线，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。天线性能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

和损耗正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1 h、介质的相对介电常数Ɛ

r

所示是用微带线来馈电的。本次设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，即将同轴线接头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连。

图1 微带天线结构

对于矩形贴片微带天线，理论分析是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模式为TM 10模，所以电场在长度L 方向上有λg /2的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图2（1）所示在长度L 方向上可以看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，电压值最大电流最小。从图2（2）中可以看出，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、方向相同，则可知，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。

假设矩形贴片的有效长度为L e ，有

L e =λg /2 ①

式中，λg 代表导波波长，有

λg =λ0/√2 ② 式中，λ0是自由空间波长，Ɛ0是有效介电常数，且

ε0=εr +12+εr −12(1+12ℎW )−12 ③

式中，εr 表示介质的相对介电常数；h 表示介质层厚度，W 表示微带贴片的宽度。 计算出矩形切片的实际长度L ，有：

L =L e −2∆L =0

e −2∆L =c 2

f 0−e =−2∆L ④

式中，c 代表真空中光速；f 0表示天线的工作频率；∆L 表示图2.1中所示的等效辐射缝隙的长度，且有

∆L =

0.412h (εe +0.3)(W ℎ⁄+0.264)(εe −0.2588)(W ℎ⁄+0.8) ⑤ 矩形贴片的宽度为：

W =c 2f 0(εr +12)−12 ⑥

同轴线馈电的微带贴片天线，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置影响天线的输入阻抗。在微波应用中，通常使用50Ω，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω。 图2微带天线示意图 （1）

（2）

对于图3所示的同轴线馈电的微带天线，坐标原点位于贴片中心，以(x f ，y f )表示馈点坐标。

对于TM 10模式，在W 方向上电场强度不变，理论上W 方向上的任意一点都可以作为馈点，为了避免激发TM 1n 模式，在W 方向上馈点位置一般取在中心点，即：y f =0 ⑦ 在L 方向上电场有λg /2的改变，因此在长度L 的方向上，从中心到两侧，，阻抗逐渐增大，输入阻抗等于50Ω时的馈点位置可以由下式计算：

x f =re ⑧ 式中，

ξre (L )=εr +12+εr −12(1+12ℎL )−12 ⑨

上述分析是以参考地为无限大为基础，而实际参考地为有限的面积，理论证明在参考地平面比微带贴片大出6h 的距离，计算结果就比较准确。。所以设计中参考地的长度LG 和宽度WG 需满足：

LG ≥L +6ℎ

WG ≥W +6h

3.设计指标和天线几何参数的计算。

本次设计的矩形微带天线工作在ISM 段，其中心频率为2.45GHz ，无线局域网、蓝牙等无限网络均工作在该频段。选用介质材料板材为Rogers R04003，其相对介电常数为εr =3.38，厚度h =5mm ；天线使用同轴线馈电。

微带贴片天线设计参数计算如下：

1. 矩形贴片的宽度W =0..0414m =41.4mm

2. 有效介电常数εr =2.95

3. 辐射缝隙的长度∆L =2.34mm

4. 矩形贴片的长度L =31.0mm

5. 同轴线馈点的位子坐标(x f ，y f )=(9.5mm ，0)

6. 参考地的长度LG ≥61.8mm ，

WG ≥71.4mm

五、HFSS 仿真分析及参数优化

图3 同轴线馈电的微带天线