微带天线设计

班级：通信13-3班*名：***学号：********** 指导教师：**成绩：电子与信息工程学院信息与通信工程系目录1微带天线设计 (3)1.1微带天线简介 (3)1.2设计要求 (3)1.3设计指标和天线几何结构参数计算 (4)2 HFSS 设计和建模概述 (5)2.1创建微带天线模型 (5)2.1.1新建HFSS 工程 (5)2.1.2建立模型 (6)2.2相关条件设置 (14)2.2.1设置激励端口 (14)2.2.2添加和使用变量 (15)2.2.3求解设置 (17)3设计检查和运行仿真分析 (19)3.1查看天线谐振点 (19)3.1变量Length、Width扫描分析 (21)3.2查看S11参数以及Smith圆图结果 (21)3.3查看驻波比 (22)3.4查看天线的三维增益方向图 (22)3.5查看平面方向图 (23)4总结体会 (23)1微带天线设计1.1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。

当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。

图1.1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、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εr 和损耗正切tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG。

图10.1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。

图1. 1微带天线的结构1.2设计要求设计一个矩形微带天线，工作频率为2.45Ghz ,天线使用同轴线馈电。

天线的中心频率为2.45GHz，因此设置HFSS 的求解频率（即自适应网格剖分频率）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 频段内的回波损耗或者电压驻波比。

如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示谐振频率没有落在2.45GHz 上，还需要添加参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置，以达到良好的天线性能。

1.3设计指标和天线几何结构参数计算本章设计的矩形微带天线工作于ISM 频段，其中心频率为 2.45GHz ；无线局域网（WLAN ）、蓝牙、ZigBee 等无线网络均可工作在该频段上。

选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr = 3.38，厚度h = 5mm ；天线使用同轴线馈电。

微带天线的3 个关键参数如下：工作频率f0 = 2.45GHz ；介质板材的相对介电常数εr = 3.38；介质层厚度h = 5mm 。

下面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（xf ，yf ），以及参考地的长度LGND 和宽度WGND 。

1．矩形贴片的宽度W根据公式1/201c ()22r W f ε-+= 把 c=3.0×108m/s ，f0=2.45GHz ， εr=3.38 代入，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即W = 0.0414m = 41.4mm2．有效介电常数εe根据公式1/211(112)22r r e h Wεεε-+-=++ 把 h=5mm ，W=41.4mm ， εr=3.38 代入，可以计算出有效介电常数，即εe= 2.953．辐射缝隙的长度ΔL根据公式(0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)e e W h L h W h εε++∆=-+ 把 h=5mm ，W=41.4mm ，εeff=2.95 代入，可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即ΔL =2.34mm4．矩形贴片的长度L根据公式2L L=-∆把c=3.0×108m/s，f0=2.45GHz，εe =2.95，ΔL=2.34mm 代入，可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即L = 31.0mm5．参考地的长度LGND 和宽度WGND根据公式6GNDL L h≥+6GNDW W h≥+把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm 分别代入，可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即LGND≥61.8mm, WGND≥71.4mm6．同轴线馈点的位置坐标（xf，yf）根据εr=3.38，W=41.4mm，L=31.0mm 很容易可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（xf，yf），即xf = 9.5mm, yf = 0mm。

2 HFSS 设计和建模概述本课程所设计的天线实例是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS 工程可以选择模式驱动求解类型。

在HFSS 中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML 边界表面，这里使用辐射边界条件。

为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。

因为使用了辐射边界表面，所以同轴馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。

2.1创建微带天线模型2.1.1新建HFSS 工程1.运行HFSS并新建工程启动HFSS 软件。

HFSS 运行后，会自动新建一个工程文件，选择主菜单【File】→【Save As】命令，把工程文件另存为MSAntenna.hfss；然后右键单击工程树下的设计文件名称HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件重新命名为Patch。

2.设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。

从主菜单栏选择【HFSS】→【Solution Type】，打开如图1.2所示的Solution Type 对话框，选中Driven Modal 单选按钮，然后单击OK按钮，退出对话框，完成设置。

图1.2设置求解类型3.设置默认的长度单位设置当前设计在创建模型时使用的默认长度单位为毫米。

从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】命令，打开“模型长度单位设置”对话框。

在该对话框中，Select units 项选择毫米单位（mm），然后单击按钮，退出对话框，完成设置。

4.建模相关选项设置从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【Modeler Options】命令，打开3D Modeler Options对话框，单击对话框Drawing 选项卡，选中Drawing 选项卡界面的Edit properties of newprimitive 复选框，然后单击“确定”按钮，退出对话框，完成设置。

2.1.2建立模型1.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 的矩形面作为参考地，命名为GND，并为其分配理想导体边界条件。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Rectangle】命令，进入创建矩形面模型的状态。

在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出矩形面“属性”对话框。

（2）单击该对话框的Command 选项卡，在Position 项对应的Value 值处输入矩形面起始点坐标（−45，−45，0），在XSize 项对应的Value 值处输入矩形面的长度90，YSize 项对应的Value 值输入矩形面的宽度90；然后单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value值处输入矩形面的名称GND，单击Transparent 项对应的Value 值按钮，设置模型透明度为0.6；如图1.3所示。

最后，单击按钮结束。

图1.3创建的参考地（3）在三维模型窗口，单击选中新建的矩形面模型，选中后的模型会高亮显示。

（4）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【Assign Boundary】→【Perfect E】，打开如图1.4所示的Perfect E Boundary 对话框，为选中的矩形面GND 分配理想导体边界条件。

在打开的对话框中，Name 项对应的文本框处输入PerfE_GND，将理想导体边界命名为PerfE_GND，然后单击对话框按钮结束。

此时理想导体边界条件的名称PerfE_GND添加到工程树的Boundaries 节点下。

图1.4Perfect E Boundary 设置对话框2.创建介质板层创建一个长×宽×高为80mm×80mm×5mm 的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上（即z=0 的xOy 面上），其顶点坐标为（−40，−40，0），介质板的材料为R04003，介质板层命名为Substrate。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Box】命令，进入创建长方体模型的状态，在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点；最后沿着z 轴方向移动鼠标光标，在绘制出一个长方体后单击鼠标左键确定第三个点。

此时，弹出长方体的“属性”对话框。

（2）单击对话框的Command 选项卡，在Position 项对应的Value 值处输入长方体的顶点坐标（−40，−40，0），在XSize、YSize 和ZXize 项对应的Value 值处分别输入长方体的长、宽和高80、80 和5。

（3）单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value 值处输入长方体的名称Substrate；单击Material 项对应的Value 值按钮，通过对话框左上方的Search By Name 项搜索并选中介质材料Rogers R04003，然后单击ok按钮，设置长方体的材料为Rogers 04003；单击Color 项对应的Edit 按钮，将模型的颜色设置为绿色；单击Transparent 项对应的Value 值按钮，设置模型透明度为0.6；最后单击“属性”对话框的按钮，完成设置，退出对话框。

图1.4创建好的介质板层3.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。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Rectangle】命令，或者单击工具栏按钮，进入创建矩形面模型的状态；在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点。