射频课设设计指导材料

课程设计

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学号：

学生姓名：

指导教师：

2015年

设计题目：圆极化微带天线仿真设计

(样稿仅供参考)

一、设计目的：

设计一种谐振频率为2.45GHz 的圆极化贴片天线，利用Ansoft 公司的HFSS13.0对其进行建模并对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。进一步理解微带天线的特性与应用，掌握基本的天线设计与仿真操作。

二、 设计原理：

1. 微带天线的定义

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而行成的天线。它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。它最早是由德尚（G.A.Dcschamps ）教授在1953年提出的。

2. 微带贴片天线的工作原理

微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。实际上，能计算其辐射特性的贴片图形是有限的。其中矩形微带贴片天线的分析方法比较成熟，适合初学者学习。

天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。前者要解决天线与馈线的匹配问题；后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。下面介绍微带天线的辐射机理。

微带天线的辐射可以用图2.1（a ）所示的简单情况来说明。假定介质基片厚度0h λ<<，可以认为电场沿微带结构的宽度W 与厚度h 方向没有变化，则贴片天

线的电场结构可由图2.1（b ）表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度L 方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长近似为/2e λ，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上相互抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，

合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以，贴片可以表示为相距/2e λ、同相激励的两个缝隙，如图2.1(c)所示。图2.2给出了矩形微带天线H 面和E 面辐射方向图，由于接地板的存在天线主要向上半空间辐射。

图2.1 矩形微带天线

图2.2 矩形微带天线方向图

选择天线的工作频率c f 和介质基板后，根据施奈德经验公式（2.1），（2.2），

（2.3），（2.4）可以计算出天线的长和宽。实验范例选择中心频率为 2.45GHz 设计天线。具体过程如下：选择适当厚度的介质基片。本实验选择介电常数为

3.55厚度h 为1.5mm 的介质片。介质基片参数r ε、tan δ和h 选定之后，由式（2.1）

计算贴片矩形贴片天线的宽度W 。

12

1w 22r c c f -ε+⎛⎫= ⎪⎝⎭ (2.1) 对于工作于TM 01模的矩形微带贴片天线长度近似为λg /2，而介质内波长

λg =λ0

c ε为介质基片的有效介电常数，考虑到边缘效应，c ε 用施奈德

等效介电常数e ε代替，用式（2.2）得到e ε。

()()12

1110122r r e h w εεε-+-⎛⎫

=++ ⎪⎝⎭ （2.2） 矩形微带贴片天线的长度L 在理论上近似为λg /2，但实际上由于边缘场的影响，在确定L 的尺寸时应从λg /2中减去2ΔL 。ΔL 的值由式（2.3）计算

()()()()

0.3/0.2640.4120.258/0.8e

e w h L h w h εε++∆=-+ （2.3） 于是

2L L =∆ （2.4）

3. 圆极化微带天线的基本知识

圆极化微带天线包括两种形式：谐振微带贴片与行波微带线型天线。谐振贴片辐射圆极化波的基本原理是：产生两个相互垂直的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。实现方法分为三类：单馈法，多馈法和多元法。本次采用单馈法进行设计。单馈法的产生机理是基于空腔模型理论，利用兼并分离单元产生的两个简并分析模工作。设计关键为确定几何微扰，即选择简并模分离单元的位置和大小，以及恰当的馈点。单馈法的优点是无需外加的相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。缺点是带宽窄，极化性能较差。

4. 设计过程

（1）设计目标：工作频率2.45GHz 的圆极化微带贴片天线。

（2）采用单馈法（同轴馈电），矩形采用的是正方形。

（3）将h=1.5mm ，r ε=3.55，中心频率为2.45GHz ，经过公式2.1计算得到W 约

等于40.5mm ，公式2.2计算得到e ε=3.364，公式2.3和2.4的计算可得L 约等

于30.5mm 。在实际的贴片天线中常采用正方形的形式，且实际仿真与理论计算之间的误差，所以初始的贴片尺寸设计为长宽均为32mm 的贴片。

（4）采用右旋圆极化，切角选用三角形。切角的大小在设计过程中采用仿真的方法确定。

三、贴片天线仿真步骤：

1. 双击桌面的HFSS 程序，打开后可以看到如图1所示的界面。

图1 程序界面

2.点击图1中红色方框标注project点击Insert HFSS Design或者直接点击快捷键创建一个新

的工程，如图2所示。图中标注了各窗口的名称，如果某一个窗口没有出现可以从VIEW中来将其显示。将工程保存为antenna design。保存路径中不能出现中文目录。如：D:\antenna design。

图2 所创建的新工程

3.设定求解类型：点击菜单栏中的[HFSS] \ [Solution Type] \ [Driven Modal]，可以看到如图3所

示。关于几种求解方式的差异感兴趣的同学可以使用如下方法来了解：HFSS提供一种on-line help方法，先按"Shift+F1"让滑鼠游标出现问号，然后点击菜单栏中的HFSS \ Solution Type 。