GHz矩形微带贴片天线设计
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
.. .. ..矩形微带贴片天线的仿真设计实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz天线结构尺寸如表所示：名称起点尺寸类型材料Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pecPatch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pecPort -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 RectangleAir -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn一、新建文件、重命名、保存、环境设置。
（1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。
（2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。
（4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。
二、建立微带天线模型(1)、插入模型设计（2）、重命名输入0841(3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05修改名称为GND, 修改材料属性为 pec，(4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。
dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794，修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
矩形微带贴片天线设计及仿真设计
《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真单位（院、系）：信息工程学院学科专业 : 电子与通信工程学号： 9*名：***时间： 2011.4.25矩形微带天线的设计与仿真学科专业：电子与通信工程学号：9 ：曾永安指导老师：吴毅强摘要：本文介绍了一种振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。
通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。
关键词：HFSS，微带线，天线Design and Simulation of RectangularMicrostrip AntennaAbstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up and simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well.Key words:HFSS,Microstrip,Antenna1.引言微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。
微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。
微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。
微带贴片天线设计实验
微波技术与天线实验报告姓名张思洋学号411109060103 实验日期2014.04.11 实验名称微带贴片天线设计实验实验类型设计性实验目的1、熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。
2、掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。
实验内容使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解设置，设置求解频率为 2.45GHz，同时添加 1.5-3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算。
将谐振频率落在2.45GHz频点上。
最后进行相关的数据后处理。
实验原理微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。
微带天线的基本参数：工作频率 2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度5mm，矩形贴片宽度41.4mm，辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm，参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标（9.5，0）。
要求设计的天线最大增益大于7dB。
前后比大于5dB。
实验步骤及结果一、新建HFSS工程1.新建一个名为MSAntenna.hfss的工程文件。
2.将求解类型设置为Driven Model二、创建微带天线模型1.将模型的默认长度设置为毫米mm2.创建参考地在Z=0的XOY面上创建一个顶点位于（-45mm,-45mm）,大小为90mm*90mm的矩形面作为参考面，并把它命名为GND,并为其分配理想导体边界条件。
然后将此边界命名为PerfE_GND3.创建介质板层创建一个80mm*80mm*5mm的长方体作为介质板层，介质板层位于参考地面上，顶点坐标为（-40，-40，0），介质的材料为R04003。
4.创建微带贴片在z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm，-20.7mm，5mm），大小为31.0mm*41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。
2.45GHz四元微带天线阵设计方案
图 2 矩形微带天线单元坐标示意图
1.2.1 介质基板的选取 作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板并确定其厚度 h。这是因为基板材料的
r 和 tan 值及其厚度 h 直接影响这微带天线的一系列性能指标：
1. 对尺寸及体积重量的影响
工 作 于 主 模 TM01 模 矩 形 微 带 天 线 贴 片 长 度 近 似 为 g / 2 ，
(1)
可见 L 值与 r 直接相关。当 L、W 确定后，则 h 的取值决定着天线的体积和重量。 2. 对微带线特性阻抗的影响 本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相 关，为了使微带天线单元与传输线较好地匹配，需要特定阻抗的微带线对其进行馈电。微带 线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。 导体带宽度为 w， 介质基片厚度为 h， 相对介电常数为 r 。微带线传输准 TEM 模。当 r 及 h 已知时，微带线的特性阻抗 Z c 取决 于 w / h 比值，随 w / h 增大而减小。 给定特性阻抗 Z c ，可用下列公式求得所需微带线的宽度 w:
图 5 微带天线单元的 VSWR 与增益仿真结果图
2.阵列设计
在各种实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制 等特性。 由于天线阵或相控阵可能获得这些特性， 从而使得阵技术在实际中获得广泛的应用， 大大促进了阵技术和理论的发展。 70 年代以后，随着微带天线的出现与发展，人们对以微带线馈电的微带天线阵产生浓 厚兴趣。同一般微波天线一样，要得到高增益，波束扫描或波束控制等特性，只有将离散的 辐射元组成阵列才有可能。微带天线阵在下列诸方面具有独特的优势： （1）结构简单，易于 制作和生产； （2）重量轻、体积小和成本低； （3）容易同安装表面拱形或在安装表面有很薄 的凸起； （4）易于实现多极化、变极化或双频工作； （5）馈电网络可以与微带天线元集成在 同一介质板上。 本设计中天线阵元采用上面讨论的矩形贴片单元组成 2*2 四元阵， 增益和带宽都能较好 满足设计要求。 2.1 阵的馈电及结构 阵的馈电网络主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位， 以便形成所要求的方向 图，或者使天线性能某项指标最佳。对馈电网络的主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和 结构简单等。阵的馈电形式主要有并连和串联馈电两种形式。本设计采用并联馈电，将馈电 点的输入功率平均分配到各个阵元。 本设计要实现简单的同相阵， 可以利用各路馈线等长来 保证各元同相激励。图 6 所示为设计的四元微带天线阵列示意图。在馈电点处采用同轴线 背馈。
(完整word版)课程设计_基于.cst仿真的6GHz圆极化微带贴片天线设计说明书
Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称: 天线仿真设计题目: 圆极化微带天线的仿真院系：班级：设计者：学号：指导教师：设计时间:哈尔滨工业大学一、课程设计目的1、了解微带天线的辐射原理和分析方法，并掌握微带天线尺寸计算一般过程；2、了解微带天线圆极化的方法,并设计一种圆极化微带天线；3、学习并掌握CST软件的使用,熟悉天线仿真的流程，并完成天线的优化设计。
二、天线设计目标本文设计的圆极化矩形微带贴片天线的中心频率为6 GHz，并且将满足一下技术指标：1、反射系数S11〈10dB（VSWR<2）；2、天线轴比小于3dB；3、绝对带宽100MHz；4、增益大于5dB；5、输入阻抗50Ω；6、波瓣宽度大于70deg。
三、微带天线背景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。
常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层）上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。
由于微带天线有独特的优点，而缺点随着科技的进步正在研究克服，因此它有广阔的应用前景。
一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于卫星通讯、天线电高度表、导弹测控设备、导引头、环境监测设备、共形相控阵等。
徽带天线在地面设备上应用也有其优势方面。
特别是较低功率的各种民用设备，例如医用微波探头，直播卫星的接收阵以及当前的蓝牙设备的收发天线等，由于微带带天线能集成化，它在毫米波段的优势非常明显。
当然它并不是完美无缺的，我们将其与微波天线相比，简单介绍它的优缺点。
微带天线和常用的微波天线相比较，它有以下一些突出的优点:(1）重量较轻，体积比较小,剖面低，能与飞行器等载体共形。
矩形微带天线设计
矩形微带天线设计1、 技术参数：中心频率2.45GHz ，带宽60MHz 全向微带天线2、 参数计算： 1） 选择介质基片选择陶瓷基片εr ＝9.8，厚度h=1.27mm ，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。
2） 计算贴片宽度（1）通过公式（1）算出贴片宽度为w=0.02635m=26.35mm3） 计算贴片长度求得 8.9 ， =0.543mm ，L=19.44mm4） 馈电点的计算w=26.35mm 122.45mmG r =20901⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛λw =5.145×10-4β=153 cos 2(βz)=()z Y G2in = 5.145×10-2βz= cos -1(21045.15-⨯)=1.342求得：z=0.00877m=8.77mm 5）馈线的宽度和长度采用ADS 中的linecalc 工具来计算馈线的宽度和长度，计算结果为： 馈线的宽度应为：1.21mm ，长度应为：1.32mm 3、 建模及仿真 1） 建模在ADS 中建立矩形天线的模型2)仿真及结果分析Frequency M a g . [d B ]S11FrequencyP h a s e [d e g ]S11由上图可见，理论上的计算结果与实际的符合还是相当不错的，中心频率大约在2.45GHz 左右只是中心频率处反射系数S11还比较大，从而匹配不理想，在2.45GHz 处，m1距离圆图上的坐标原点还有相当的距离。
在2.45GHz 下的输入阻抗是：Z0*（0.147-j0.517）＝7.35－j25.85。
还需要对初始的设计图进行匹配优化设计工作，使其达到完全的匹配。
下图是天线总的2D 方向辐射图。
3）进行阻抗匹配为了进一步减小反射系数，达到较理想的匹配，并且使中心频率更加精确，可以在Schmatic 中进行匹配。
天线在3GHz 下的输入阻抗是：Z0*（0.147-j0.517）＝7.35－j25.85，这可以等效为一个电阻和电容的串连。
侧馈矩形微带贴片天线的仿真心得体会
侧馈矩形微带贴片天线的仿真心得体会前段时间仿了一下5GHz的侧馈微带贴片天线，写下一些小心得。
一、切记要将贴片的高度设计在Z=0的高度，否则你转为.def时文件并不能打开。
二、功分器的关键参数是贴片的长度，它对谐振点的频率有影响。
另外，1/4波长匹配器的长度对匹配有影响。
三、天线的最重要的指标是S11，低于-20dB最好，但是低于-15dB 也可用。
在使用HFSS设计的过程中，如果使用波端口激励，那么端口应该在空气腔的边缘处。
如果使用集总参数激励，那么端口应该在空气腔的内部。
在这里使用波端口激励。
第一步：定义变量第二步：建模空气腔：air box介质：substrate，Rogers4003,0.813mm微带线：patch波端口激励：port1,port2,port3第三步：设置边界及波端口激励一、边界的顺序是很重要的，在这里应该会设置微带线为perfect,之后再设计电阻为RLC。
Substrate的底面应该要设为perfect。
air box的不与波端口和substrate接触的面应该要设为radiation。
二、波端口积分方向为从Z=-H到Z=7*H，正中间。
第四步：设置求解频率以及扫描频率第五步：检查是否设计正确第六步：查看仿真结果，若结果不理想，再进行参数扫描。
如下图所示：添加参数扫描范围parametric，查看它的变化规律，仿真出最好的实验结果。
得到扫描范围后，可对其进行优化，optimization，得出理想的结果。
第七步：仿真结果如下图所示问题：个人觉得S11参数还可以再小一点，因此加了优化变量在调试求得更好的现象。
若能求解出最好的值，那么就再选求得的值前段时间仿了一下5GHz的侧馈微带贴片天线，写下一些小心得。
一、切记要将贴片的高度设计在Z=0的高度，否则你转为.def时文件并不能打开。
二、功分器的关键参数是贴片的长度，它对谐振点的频率有影响。
另外，1/4波长匹配器的长度对匹配有影响。
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（高频结构模拟软件）是一种专业的电磁场仿真软件，可以用于电磁场分析和天线设计。
在通信领域，天线设计是非常重要的工作，而微带天线是一种常用的天线结构之一。
本文将基于HFSS软件对矩形微带天线进行仿真与设计，以探讨其性能和特点。
矩形微带天线是一种常见的微带天线结构，其结构简单、制作方便，并且在通信系统中有着广泛的应用。
矩形微带天线的主要结构是由金属贴片和衬底组成，金属贴片通常被设计成矩形或正方形，可以直接在PCB（Printed Circuit Board）板上加工制作。
由于其结构简单并且性能良好，所以矩形微带天线备受研究者的关注。
在HFSS软件中进行微带天线的仿真与设计，需要按照以下步骤进行：1. 建立仿真模型：首先需要建立微带天线的三维模型，包括金属贴片和衬底。
在HFSS软件中，可以通过绘制结构、设置材料参数、定义边界条件等步骤来完成模型的建立。
2. 定义仿真参数：在建立好仿真模型后，需要定义仿真的频率范围、激励方式、网格密度等参数，以确保仿真的准确性和有效性。
3. 进行仿真分析：在设置好仿真参数后，可以进行频域分析或时域分析，得到微带天线的S参数、辐射场分布等重要信息，从而评估微带天线的性能。
4. 优化设计：根据仿真结果，可以对微带天线的结构参数进行调整和优化，以获得更好的性能指标，比如增益、带宽、驻波比等。
通过以上步骤，可以在HFSS软件中对矩形微带天线进行全面的仿真与设计，为微带天线的工程应用提供良好的设计基础和技术支持。
接下来，将从两个方面对基于HFSS的矩形微带天线仿真与设计进行详细介绍。
第一、HFSS仿真分析在HFSS软件中对矩形微带天线进行仿真分析，主要是评估其性能指标和辐射特性。
常见的性能指标包括带宽、增益、辐射方向图、驻波比等。
对于微带天线的带宽来说，是一个很重要的性能指标。
带宽的宽窄直接关系到天线的频率覆盖范围，在通信系统中有着重要的应用。
微带天线
基于HFSS的无线局域网微带天线设计设计要求：天线的工作频率f0=2.44GHz在工作频率f0处S11<-20dB天线-10dB的带宽B>=40MHz带宽内驻波比VSWR<2工作频率f0处的增益Gain>8dB微带天线的设计步骤：a）对于介质基板厚度h、相对介电常数εr，天线的中心工作频率f0，矩形贴片的实用宽度W为：其中，c为真空中的光速。
当然，也可以选择其它的宽度。
但是，当选用大于上式的宽度时，虽然天线的辐射效率会提高，但天线将可能产生高次模，从而引起场的畸变，恶化辐射方向图，如果选用小于上式的宽度，则会引起天线辐射效率的降低，故一般情况下矩形贴片单元的宽度最好选取上式确定的值。
b）确定了矩形微带贴片的宽度W后，则介质基板的相对有效介电常数εre为：c）确定微带贴片天线边缘场引起的等效伸长长度，此长度可以由下式确定：d）微带天线长度的确定矩形贴片天线单元的长度在理论上选取有效波长的一半凡，但由于天线边缘场的影响，单元长度的经验值应从礼中减去此，即e）馈电方式的确定及阻抗匹配对微带天线的直接馈电方式基本上分成如下图一所示的背馈和侧馈两种。
一般情况下，当工作于相同的频率时，侧馈所需的面积大于背馈。
这是因为侧馈时，微带单元的谐振输入阻抗Rin至少都在100以上，为使和特性阻抗为50欧姆的馈线系统相匹配，阻抗变换器是不可缺少的，这样一来就增加了天线的面积。
因此，当天线单元的面积受到限制时以选背馈为宜。
a 背馈b 侧馈当选定了馈电方式后，我们就要着手实现馈源与天线间的阻抗匹配。
这对于背馈来说就是选择馈电点的位置。
由下式可以知道矩形微带天线沿长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，式中R e in为侧馈时的输入电阻，Y0是背馈点距离侧边的距离。
由传输线法可知在侧边牙已知情况下，谐振输入电阻为:结合上面两式可以估算出背馈点的位置Y0：f）介质板尺寸的确定微带贴片天线辐射的口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质板的过多向外延伸对场的分布没有明显的影响，因此介质板的尺寸不必取的过大，实验表明沿辐射元各边向外延伸λ0/10即可，所以介质板的宽度为：对于利用同轴线底馈的情况，介质板的长度为：这里我们选择聚四氟乙烯类材料，因为聚四氟乙烯类材料是目前比较常用的基片材料，这种基片材料的特点是价格比较便宜且性能比较稳定。
HFSS-矩形微带贴片天线的仿真设计报告
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计-、新建文件、重命名、保存、环境设置。
(1) 、菜单栏File»save as,输入Antenna,点击保存。
(2).设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
(3)、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm，点击OK。
(4)、菜单栏Tools»Options>>Modeler Options,勾选"Edit properties of new pri ”,点击OK。
建立微带天线模型Sf W41Vhi t |Ev«l i Qftttdl ¥D«1CTkptLi9in"ordintl 吉GlebaFoil ti DBL o B o■■O M魯Oto * …ISlEt2S 1M 2& iwttiit32—321--Q 05■-Q CO**修改名称为GND，修改材料属性为pec ,LJCwhna | I修改名称为Sub,修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色透明度0.4。
⑴点击创建GND起始点：x:0 , y:0 , z:-0.79 dx:28.1,dy:32,dz:-0.05ITIN1fT11 11Or a rht * 般z心lh ■>!看fi...UnTruiiptrtiit.0 21Ut4"«hljr厂厂厂厂厂厂厂厂(2)介质基片：点击，:x:0，y:0，z:0。
dx: 28.1，dy: 32，dz: - 0.794，点击OK(3) 建立天线模型patch , 匚gag]C^crdiMlt .7 03 #812 «5-»TSi m命名为patch ，点击OK£弹・・^扌 ikt-lir iIMSLine,dx:2.46 , dy: 8 , dz: 0.05 ,点击： ,x:7.03,y: 8, z:0,dx: 12.45 , dy: 16 , dz: 0.05(4)建立天线模型微带线点击：,x:10.13,y: 0, ,z: 0V AI IP«ICTiptLMCcMtniCrtktitBtiGUbtlPtiili m10 13 H 0』p> 10 1A d 0t 炸■A tIStnB MA MZSi r«4 «0 ffiM命名为MSLine,材料pec,透明度0.4班“啊叶¥Dwfcripti Mt R4*4-«JyKi lEUn.r V^lerial■p -W**p«*厂 lEkiidltF厂Ori GlobdLr B«4*lr厂r Ccl^T* Edit rTrimjspw*»t0 *r选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite(5)、建立端口。
设计1：侧馈矩形微带天线
变量名称
L W LM WM LF WF H LG WG
变量值（mm）
30.21 37.26 17.45 1.16 15 2.98 1.6 1.5*L0+L1+L2 2*W0
介质基片
长度 宽度
二、HFSS仿真设计：2、定义设计变量
二、HFSS仿真设计：3、设计建模
介质基片的宽度取辐射贴片宽度的2倍，长度取1.5倍辐 射贴片长度、1/4波长阻抗转换器与50欧姆微带线的长度之和
背馈时
WG W 0.2g LG L 0.2g
侧馈时，基片宽度同上，长度要考虑馈线和匹配电路的配置而定
二、HFSS仿真设计：1、新建设计工程
二、HFSS仿真设计：2、定义设计变量
结构名称 辐射贴片 1/4波长阻抗 变换器 50Ω微带线 结构参数名称
长度 宽度 长度 宽度 长度 宽度 厚度
Z1 Z0 Z L 50 130
l1
g
c f0
0 63.4mm e e
g
4
15.85mm
w2
w1 W l1 L
一、设计步骤：3、介质板尺寸
WG 测试显示辐射口径场 集中在辐射边附近很 小的区域，介质板过 多对外延伸对这种场 没有明显影响， 在低频段工作时，WG 和LG应尽可能小（为 LG 什么？）。实验表明， 沿辐射元各边向外延伸 λg/10就可以了
1/2
37.26mm
1/2
有效介电常数
e
r 1 r 1
12h 1 2 2 W
3.73
等效缝隙宽度
L 0.412h
c 2 f0 e
e 0.258 W / h 0.8
侧馈矩形微带天线设计与仿真全文
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='0.9mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.1mm'
-30.00
1.50
Байду номын сангаас
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
Freq [GHz]
MX1: 2.4500
图3 S11的扫频分析结果
0.00 -5.00 -10.00 -15.00
XY Plot 2
HFSSDesign1 ANSOFT
Curve Info
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='27mm'
天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂（FR4 Epoxy） 板，天线馈电方式为微带线馈电。 2、设计步骤
①计算天线尺寸：微带天线的介质基片采用厚度为1.6mm的FR4 环氧树脂板，所以厚度h=1.6mm，介质的介电常数 r 4.4 。辐射贴 片宽度：w=37.26mm，辐射贴片长度：L=30.21mm，有效介电常数： e
dB(S(P1,P1))
-20.00
-25.00
-30.00
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
(整理)244GHz四元微带天线阵设计方案.
天线方案在设计2.4GHz 单向无线通信系统中，鉴于传输信号带宽较窄，对天线小型化要求不高（不大于250250mm mm ），因此收发天线采用设计制作简单、材料廉价易得的微带阵列天线，而且由于收发天线互易性，发射与接收天线采用同一设计方案。
天线单元采用矩形贴片设计，最后组成2*2的四元微带天线阵列。
该天线具体设计性能指标如下：工作频率：2.44~2.45GHz增益：>6dB下文介绍本微带阵列天线相关的设计理论与设计过程。
上世纪50年代微带辐射器的概念被人提出，70年代初出现了第一批使用的微带天线。
微带天线的最基本形式是在有金属导体接地的介质基片上贴加金属导体薄片。
贴片可以是任意形状，它是利用微带天线、同轴探针等结构对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片周围与接地板之间的缝隙向外辐射。
因此可认为微带天线是一种缝隙天线。
可用不同的天线单元来组成阵列天线，提高其性能来满足不同的需要。
1.贴片单元设计结构最简单的微带天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片所构成的。
贴片导体通常是铜或金，它可取任意形状。
但是通常都采用常规的形状以简化分析和预期其性能。
基片的介电常数应较低，这样可以增强产生辐射的边缘场。
微带天线单元货微带天线阵列其结构通常都比较简单，但其电磁场的分析却很复杂。
一方面，微带天线的品质因数很高，使得较难得到精确的阻抗特性；并且，戒指的各向异性、加载、损耗、表面波效应等影响也较严重。
另一方面，微带天线的几何结构也是多种多样的，包括不同的贴片形状、馈电方法，以及寄生单元或层叠单元的应用，共面馈电网络与有缘线路的集成等。
微带天线的分析方法主要氛围基于简化假设的近似方法和全波分析方法两大类。
全波分析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。
第一类方法包括传输线模型，空腔模型和分段模型。
这种方法将贴片单元当做一段传输线或是空腔谐振器，简化了分析和计算，提高了速度，并且物理概念清晰，可以提供设计的初始数据。
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计一、本文概述随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的关键组成部分，其性能对整个系统的性能具有决定性的影响。
微带贴片天线作为一种常见的天线类型，因其体积小、重量轻、易于集成和制造成本低等优点，在无线通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。
微带贴片天线的性能受到其形状、尺寸、介质基板等因素的影响，如何设计出具有优良性能的微带贴片天线成为了研究的热点。
本文旨在利用高频结构仿真器（HFSS）这一强大的电磁仿真工具，对不同形状微带贴片天线的性能进行仿真研究。
我们将对微带贴片天线的基本理论进行简要介绍，包括其工作原理、主要参数和性能评价指标等。
我们将设计并仿真几种不同形状（如圆形、方形、矩形、椭圆形等）的微带贴片天线，分析它们的性能特点，包括回波损耗、带宽、增益、方向性等。
我们将根据仿真结果，对不同形状微带贴片天线的性能进行比较和评价，以期为实际的天线设计提供有益的参考和指导。
通过本文的研究，我们期望能够为微带贴片天线的设计提供新的思路和方法，推动其在无线通信领域的应用和发展。
我们也期望通过本文的研究，能够加深对微带贴片天线性能影响因素的理解，为其他类型天线的设计提供借鉴和启示。
二、软件介绍及其在天线设计中的应用HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft 公司开发的一款三维电磁仿真软件，专门用于模拟分析高频结构中的电磁场问题。
该软件采用有限元法（FEM）进行求解，能够准确模拟包括微带天线在内的各种高频无源器件的三维电磁特性。
HFSS以其强大的仿真能力和广泛的适用性，在天线设计、微波电路、高速互连、电磁兼容等领域得到了广泛应用。
天线性能分析：通过HFSS，设计师可以分析天线的辐射性能，包括方向图、增益、效率等关键指标。
这对于优化天线设计，提高其性能至关重要。
天线结构优化：HFSS允许用户自由定义天线的几何形状和材料属性，通过参数化扫描和优化算法，找到最优的天线结构，从而提高其性能。
5.2GHZ侧馈矩形微带天线设计
h 1 (1 12 ) 2 2 2
L 0.412h
( e 0.3)( w / h 0.264) ( e 0.258)( w / h 0.8)
2. 侧馈矩形微带天线设计与仿真
1、设计要求
使用HFSS设计中心频率为5.2GHz的矩形微带天线，并给出其天线 参数。介质基片采用厚度为0.787mm的Rogers 5880介质板。
不同长度时 S （ 1,1 ）结果图
最终选择缝隙 5mm ， L=19mm ， S （ 1,1 ）结果 图
3D 和 2D 天线方向图
THANKS
侧馈馈电矩形微带天线设计
通信 01 班 学号 樊健 20154400118
1. 矩形微带天线的特性参数
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片，假设介质的介
f r 电常数为 ，对于工作频率 的矩形微带天线，可以用下式设计出高
w 效率辐射贴片的宽带 ，即为：
c r 1 1 w ( ) 2 2f 2
式中，c是光速。
2 e 辐射贴片的长度一般取为 e /；这里 是介质内的导波波长，即为：
e
c f e
考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度
应为： L
L
c f e
2L
e 式中， 是有效介电常数，
分别用下式计算，即为：
是等效辐射缝隙长度。它们可以 L
3
r 1 r 1
2、设计步骤
①计算天线尺寸：微带天线的介质基片采用厚度为0.787mm的 Rogers 5880，所以厚度h=0.787mm，介质的介电常数为2.2。计算辐
射贴片宽度：w=23.7mm，辐射贴片长度：L=18.4mm，有效介电常
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燕山大学课程设计说明书题目: 基于ADS的矩形微带贴片天线的设计学院（系）：理学院年级专业：电子信息科学与技术13学号：学生姓名：张凤麒任春宇指导教师：徐天赋教师职称：副教授燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：理学院基层教学单位：电子信息科学与技术13说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
年月日燕山大学课程设计评审意见表基于ADS的矩形微带贴片天线设计The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS摘要：本文研究了通信系统中的矩形微带贴片天线。
首先介绍了矩形微带贴片的背景及微带馈电的设计考虑。
使用了安捷伦辅助仿真工具ADS对2GHz矩形微带贴片天线结构及相应的参数进行了设置仿真及优化，尽可能达到其相应的技术指标。
Abstract：This paper studies the rectangular microstrip patch antenna in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are simulated and optimized by ADS, and the corresponding technical index is reached as far as possible.关键词：矩形微带贴片天线 ADS 设计Keyword：Rectangular microstrip patch antenna ADS design一.矩形微带贴片天线的背景微带贴片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。
微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。
当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。
本文选用矩形贴片来研究微带天线。
二.基本原理图1显示出了采用微带线进行馈电的矩形微带贴片天线几何和立体图形，主要由最下层的接地板、中间的介质基板和最上面的矩形辐射贴片以及微带阻抗变换节和微带馈线构成。
与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数r和损耗角正切tan δ。
矩形微带天线的长度L在理论上取值为λg/2。
W一般取值应小于λg/2，当W大于λg/2时将会产生高次模而导致场的畸变。
对于工作在的矩形微带线，其介质波长λg=λ/Er=,贴片的长度L=λg/2=，W<L取图1 矩形微带贴片天线几何和立体图形本文设计的矩形微带贴片天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带线或同轴线馈电。
该天线利用微带线进行馈，用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便的一起光刻，制作简便。
但馈线本身也有辐射，从而干扰天线方向图，降低增益，为此，一般要求微带线不能宽，希望微带线宽远小于波长。
因为天线输入阻抗不等于通常的50 欧姆传输线阻抗，所以需要匹配，选用一段微带线进行阻抗变换实现匹配。
基于ADS设计的矩形微带贴片天线如图2所示，包括最左边的矩形辐射贴片、中间的微带阻抗变换节和右边的任意长度的微带馈线。
图2 设计矩形微带贴片天线模型三.矩形微带贴片天线设计及仿真结果先利用天线工作频率及介质基板的参数，计算得出贴片的长度和宽度。
初步设计矩形贴片的模型，设置介质基板的厚度、相对介电常数和损耗角正切等参数，根据微带天线的技术指标：谐振频率（Resonace Frequency）带宽（Bandwidth）反射损耗（Return Loss）输入阻抗（Impedance）增益（Gain）用ADS电磁仿真软件进行仿真和调节，快速地设计出满足系统要求频带的天线。
本文设计的天线是设计在相对介电常数为，厚度为，损耗角正切值的基板上的中心频率为矩形微带贴片天线，贴片的长度为，宽度为30mm；微带阻抗变换节的长宽分别为、；微带馈线的长宽为、；激励端口P1的参考是GND地平面，端口阻抗设置为50Ohm。
（1）矩形微带贴片天线仿真过程1.建模层选择矩形微带贴片天线在设计中考虑是单面天线，该模型采用的是单面覆铜板，在Layout中设置cond层为贴片。
2.层定义通过层定义Momentum=>Substrate=>Create/Modify设置Substrate Layer及Metallization Layers相关参数。
3.端口定义通过端口定义即Moumentum=>Port Editor,设置cond层端口Port1可得在Layout中设计天线的全貌为：图3 在Layout中模拟矩形微带贴片天线全貌图参数仿真由Moumentum=>Simulation=>S-parameters设置扫描范围为—可得：图4 模拟矩形微带贴片天线的S参数从图中可以看出S参数的中心频率为，但是S（1,1）参数性能很差，远小于-10dB。
因此后续要进行匹配及优化设计。
5.匹配设计在原理图窗口中由Tools=>Smith Chart打开圆图匹配窗口，设置天线的阻抗参数impedance=*选择微带线匹配可得：图5Smith Chart用微带线匹配微带匹配线的特征阻抗Z0为125Ohm电长度Value=，由Linecalc计算匹配微带线的物理尺寸和馈线的宽度。
在原理图中设计匹配电路如图6：图6矩形微带贴片天线的原理图匹配6.原理图S参数仿真由Simulation可得S参数：S（1,1）=完全符合设计要求图7 原理图匹配电路的S参数7.设置匹配及馈线层Layout中添加微带匹配线及馈线，设置为cond层。
设计好的矩形微带贴片天线模型如图8图8 矩形微带贴片天线模型（2）天线模型S参数模拟通过对S参数的模拟可得：相对带宽（计算得到）回波损耗由Moumentum=>Simulation=>S-parameters可得：图9 矩形微带贴片天线的S参数谐振点频率基本满足2GHz附近，反射损耗为dB(S(1,1))为。
约在的工作频带范围内为天线带宽，天线的相对带宽约为%。
由Smith圆图输入阻抗为Z0*。
由以上参数可知设计矩形微带贴片天线完全符合设计要求。
（3）显示表面电流1. 矩形微带贴片天线由两段不同宽度的微带线及金属贴片构成，信号从微带馈线端点馈入，在天线的贴片上将产生一定的电流分布，这种电流分部就是在天线周围空间激发起的电磁场。
由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern,选择Current=>Set Port Solution Weights,单击OK,然后选择Current=>Plot Currents,分别选择0°、90°、180°、270°天线表面电流。
由图可知：由电流相位进行的不同相位扫描刷新得到的效果，电流分布受到相位常数的影响。
几何结构的对天线表面电流有影响。
电流是如何在贴片结构中运动从而激发起电磁场。
通过这种方法的修正比传统试探多次加工和调整贴片或不断进行切割要更为精确。
图10 天线表面电流模拟图2.天线的增益图11 天线的增益图由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>2D data display. 由图中可得天线增益的实部Gain ≈。
（4）天线的E面辐射方向图Momentum中使用的距量法(MOM)仿真技术假设介质平面是无限大的，大多数应用都近似满足这样的条件。
图12 天线的三维辐射图由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>Far Field=>Far Field Plot可得矩形微带贴片天线E面的三维方向图，由图可知呈现对称全向的方式向外进行辐射。
1.模拟测得天线各项参数及参数调试结论由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>Far Field=> Antenna parameters.测得的该矩形微带贴片天线的各项参数表如辐射功率为，增益为，方向性为等。
图13天线参数2. 通过Momentum=>Component=>Parameters对矩形微带贴片天线的各项参数的调试优化可得一些结论：微带贴片的长度增大，谐振频率在较大幅度内减小。
微带贴片的宽度增大，谐振频率也会减小。
介电常数越高则天线的谐振频率越低。
四.结束总结矩形微带贴片天线是一种宽带全向的平面天线在无线通信和WLAN中得到广泛的应用，这种天线以前的设计与分析是用等效电路粗略的计算，在利用实验的方法调试直到满足为止。
而通过辅助软件的设计，研究微带馈电结构的参数对天线宽频特性的影响，在理论计算的基础上选择合理的参数，试制微带贴片天线，得测试结果与计算结果吻合较好。
本文实现了一种频率高，相对带宽大，驻波小，方向性好的微带贴片天线，具有质量轻、体积小，易于制造易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点。
五.参考文献：[1]，拉德马内斯《射频与微波电子学》北京科学出版社[2] 联繓仪《微带天线》清华大学出版社[3] 毛乃宏、供新德《天线测量手册》国防工业出版社[4] 陈艳华《ADS应用详解》人民邮电出版社[5] 康行健《天线原理与设计》北京理工大学出版社。