HFSS的天线课程设计

基于 HFSS 的天线设计

一、实验目的

●利用电磁软件Ansoft 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。

实验报告

（ a ）俯视图

（b ）侧视图

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

L e

g / 2

（1-1）

式中，

g 表示波导波长，有

g

0 /

e

（1-2）

式中， 0 表示自由空间波长，

e 表示有效介电常数，且

1

1 h

1

r

r

（1-3）

e

2

(1

12 )

2

2

W

式中， r 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。由此，可计算出矩形贴片的实际长度

L ，有

L L e 2 L

2 L

c 2 L （1-4）

2 f 0 e 2

e

式中， c 表示真空中的光速，

f 0 表示天线的工作频率， L 表示图 2（ a ）

中所示的等效辐射缝隙的长度，且有

L 0.412h ( e

( e

矩形贴片的宽度W 可以由下式计算：

0.3)(W / h 0.264) （1-5）

0.258)(W / h 0.8)

基于 HFSS 的天线设计

c11

r2 W

2（1-6）

2 f 0

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：

x f L

（1-8）

2re ( L)

式中，

re (L)

r

1

r

1

h

22

(112)

L

1

2（1-9）

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 GND和宽度 W GND 只需满足以下两式即可，即

实验报告

L

GND L6h（1-10）

W

GND W6h（1-11）

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

把

c 3.0 108/ , 2.5,

r

3.55代入式

（

1-6

），可以计算出微带天m s f0GHz

线矩形贴片的宽度，即

W 0.03978 m 39.78mm

(2)、有效介电常数e

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，即

e 3.08

(3) 、辐射缝隙的长度L

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

缝隙的长度，即

L 2.32 mm

(4)、矩形贴片的长度 L

把 c

3.08 m s f

GHz

3.08,

L

2.32

mm代入式

（

1-4

），可以10 /, 2.5, e

计算出微带天线矩形贴片的长度，即

L29.55mm

(5)、参考地的长度 L GND和宽度 W GND

把 h 5mm,W 39.78mm, L29.55mm 分别代入式（1-10）和（1-11），可