同轴馈电矩形微带天线

同轴馈电矩形微带天线

一、实验目的

1.熟悉同轴馈电矩形微带天线的辐射机理

2.学会估算馈电点的位置

二、实验原理

同轴线馈电的矩形微带天线结构下图所示，其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。在阻抗匹配方面，使用同轴线馈电时，在主模TM10工作模式下，馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处（X= ±L/2)的输入阻抗最高，约为 100Ω-400Ω。馈电点在宽度w方向的位移对输入阻抗的影响很小，但在宽度方向上偏离中心位置时，会激发了TM1n模式，增加天线的交叉极化辐射，因此，宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点（y=0);而在辐射贴片的几何中心点（x=0，y=0)处的输入阻抗则为0，亦即此时无法激发TM10模式。

在y=0时，x轴上的阻抗分布下式可以直接近似计算出输入阻抗为50n时的馈电点的置为：

式中：

本次设计为中心频率为2.45GHz的矩形微带天线，并给出其天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂（FR4 Epoxy）板，天线馈电方式选择50Ω同轴线馈电。

天线尺寸的估算：

辐射贴片宽度：w=37.26mm

辐射贴片长度：L=28mm

50Ω匹配点初始位置：L1=7mm

模型的中心位于坐标原点，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y 轴方向。介质基片的大小是辐射贴片的2倍，参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。因为使用50Ω同轴线馈电，所以这里使用半径为0.6mm、材质为理想导体（pec)的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。圆柱体与z轴平行放置，其底面圆心坐标为（L1，0，0)。圆柱体顶部与辐射贴片相接，底部与参考地相接，则其高度为H。在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径为1. 5mm的圆孔，将其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。求解频率，这里选择天线的中心频率2.45GHz，扫频范围设置为1.5GHz〜 3.5GHz，使用快速扫频。

三、实验步骤

1、新建设计工程

a．运行HFSS并新建工程

b．设置求解类型

c．设置模型长度单位

2、添加和定义设计变量

3、设计建模

a.创建介质基片

b.创建辐射贴片

c.创建参考地

d.创建同轴线的内芯

e.创建信号传输端口面

p.创建圆面Port

o.使用相减操作在参考地面挖一个圆孔

模型如下：

4、求解设置

a.把辐射贴片Patch和参考地GND设置为理想导体边界

b.设置辐射边界条件

5、设置端口激励

因为同轴线馈电端口在设计模型的内部，所以需要使用集总端口激励。

在设计中，我们可以把端口平面Port设置集总端口激励，端口阻抗设置为50Ω。

6、求解设置

a.求解频率和网格剖分设置

b.扫频设置

7、设计检查和运行仿真计算

8、查看天线的谐振频率

9、分析同轴馈电点位置和输入阻抗的关系

a．添加参数扫描分析项

b．运行参数扫描分析

c．查看分析结果

10、优化设计找到最佳阻抗匹配点

11、查看优化后的天线性能

a．查看S11分析结果

b．查看S11的Smith圆图结果

c．E面和H面的增益方向图

12、保存设计

四、实验结果

根据参数设计的模型

S11参数

2.45GHz处S11随馈电点变量L1的关系曲线

输入阻抗实部和虚部与L1的关系曲线

S11的Smith圆图

五、实验总结

通过此次实验，我学会了同轴馈电法，馈电点位置的计算，了解到除了天线尺寸对天线有极大的影响外，采用同轴馈电时，馈电点的位置对天线也有极大的影响，并且学会通过仿真计算的报告分析天线的各性能，准确的修改天线接够，使其能够达标。