天线CAD大作业微带天线设计

天线CAD大作业

学院：电子工程学院

专业：电子信息工程

微带天线设计

一、设计要求：

（1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε

= 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。

（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤

计算天线几何尺寸

微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为

h=5mm,中心频率为

f=1.15GHz,s m /103c

8⨯=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则

（1）辐射切片的宽度2

1

)2

1(2-+=r f c w ε=69.72mm

（2）有效介电常数2

1)12

1(2

1

2

1

r e

-

+-+

+=

w

h

r εεε=5.33

（3）辐射缝隙的长度)

8.0/)(258.0()

264.0/)(3.0(h

412.0+-++=∆h w e h w e L εε=2.20

（4）辐射切片的长度L e

f c L ∆-=22ε=52.10mm

（5）同轴线馈电的位置L1 21

)121(21

2

1)(re -+-+

+=

L

h r r L εεξ=5.20 )1

1(21re

L L ξ-=

=14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述

为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：

微带天线的HFSS设计模型如下：

立体图俯视图

模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。

（2） HFSS设计环境概述

＊求解类型：模式驱动求解。

＊建模操作

①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。

②模型操作：相减操作

＊边界条件和激励

①边界条件：理想导体边界、辐射边界。

②端口激励：集总端口激励。

＊求解设置：

①求解频率：1.15GHz。

②扫频设置:快速扫描，频率范围：1~1.3GHz。

＊Optimetrics

①参数扫描分析。

②优化设计。

＊数据后处理：S参数扫频曲线、VSWR、天线方向图、天线参数。

（3）仿真结果

由图得天线的谐振频率为1.11GHz，不是1.15GHz。需要进行优化设计。

①先进行参数扫描分析

a、分析中心频率与辐射切片长度L0的变化关系，扫描分析范围为：49mm~54mm,扫描步进为0.2mm

仿真结果：

发现当L0=50mm时，谐振频率为1.15GHz。

b、分析1.15GHz谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：0mm~19mm,扫描步进为1mm

仿真结果：

发现L1=10mm时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。

②优化设计

优化结果得到：

当L0=49.8mm时，L1=10mm时，符合要求。

③查看优化后的天线性能

a、VSWR分析结果

在1.15GHz处，VSWR值为1.3832<2,符合要求。b、xz和yz截面上的增益方向图

从图得出：最大辐射方向为οο00==θϕ、，即辐射切片的正上方，最大增益约为5.7dB 。

c 、三维增益方向图

拓展要求：圆极化微带天线设计

一、微带天线实现圆极化的方法

采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片微带天线。圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圆极化波的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。

当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发TM 01和TM 10两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。在设计中，让辐射切片的长度L 和宽带W 相等，这样激发的TM 01和TM 10两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式电场的相位差为0，若辐射切片的长度为Lc ，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为Lc+a ，另一边长度为Lc-a ，前者对应一个容抗Y1=G-jB,后者对应一个感抗Y1=G+jB ，只要调整a 的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G ，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和45度，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线。其极化旋向取决于馈电点的接入位置。当馈电点在