侧馈矩形微带天线设计与仿真

式中，c是光速。 辐射贴片的长度一般取为 e / 2 ；这里 e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 L 应为：
L
c f e
2L
式中， e 是有效介电常数， L 是等效辐射缝隙长度。它们可以 分别用下式计算，即为：
3
r 1 r 1
ANSOFT
-10.00 -60 -20.00 60
-30.00
-90
90
-120
120
-150 -180
150
图8 天线在xz和yz截面上的增益方向图
图9 三维增益方向图
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.1mm'
-5.00
-10.00
dB(S(P1,P1))
-15.00
-20.00
Name
X
Y
-25.00
m1
2.4200 -25.1367
m1
-30.00 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 Freq [GHz] 2.75 3.00 3.25 3.50
-10.00
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.16mm' dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.2mm' dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.3mm' dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.4mm'
=3.37mm，等效缝隙宽度： L =0.75mm。
②馈电点位置和输入阻抗
③阻抗匹配 阻抗匹配条件为： ④微带线的尺寸 对于介质基片厚度1.6mm的FR4环氧树脂板的微带线，我们可
Z1 Z0 Z L
波长阻抗装换器的特性阻抗为 Z1 80.6
以计算出特性阻抗为50Ω时对应的微带天线宽度为2.98mm，特性阻
图6 S11扫频分析结果
Smith Chart 1
110 120 130 140 150 160 0.20 170 180 0.00 0.00 0.20 0.50 1.00 2.00 5.00 0.50 100 90 1.00 80 70 60 2.00 50 40 30 5.00 20 10
HFSSDesign1
（a）中心馈电
（b）偏心馈电
图1 微带线馈电
二、矩形微带天线的特性参数
1、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 电常数为 r ，对于工作频率 f 的矩形微带天线，可以用下式设计出
高效率辐射贴片的宽带 w，即为：
c r 1 1 w ( ) 2 2f 2
ANSOFT
0
-170 -160 -0.20 -150 -140 -130 -0.50 -120 -110 -100 -1.00 -90 -80 -70 -2.00 -60 -50 -40
-10 -5.00 -20 -30
图7 S11 的Smith圆图结果
Radiation Pattern 1
0 -30 0.00 30
微带线馈电
微带线馈电方式又称为侧馈，它用与微带辐射贴片集成在一起 的微带传输线经行馈电。它可以中心馈电，也可以偏心馈电，如下
图，馈电点的位置取决于激励哪种模式。
对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定以后，可以用
以下方法进行阻抗匹配：先将中心馈电天线辐射贴片同50Ω馈电一起
光刻，测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴 片与馈线直接接入该阻抗匹配器，重新作出天线。
天线理论
姓名：**
专业：电子科学与技术
学号：*********
主要内容：
本文首先介绍了微带天线的理论基础和工作原理，然后以矩形 微带天线为例，讲解了侧馈微带天线的工作原理、设计过程，以及 在HFSS中的仿真实现。
一、微带天线概述
1、微带天线的馈电 微带天线有多种馈电方式，如微带线馈电、同轴线馈电、耦合 馈电（Coupled Feed）和缝隙馈电（Slot Feed）等，其中，最常用的 是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。
图4 不同L0对应的 S11 曲线
XY Plot 3
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='0.9mm'
-5.00
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1mm' dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.1mm'
0

kw cos )tg 2 sin d 2
B
k L 3 Z0
式中，Z0是把天线视作传输线时的特性阻抗。
3、方向性系数
根据方向性系数的定义，可以给出微带天线的方向性系数为：
8 w D ( )2 I
三、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2.45GHz的矩形微带天线，并给出其
2
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、输入导纳 如果天线采用图1所示的微带线馈电方式，假设馈电点到辐射贴 片边缘拐角处的距离为z，则微带天线的输入导纳可以由下式计算：
XY Plot 2
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='27mm'
-5.00
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='29mm'
Curve Info S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='27mm' W1='1.16mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.16mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='29mm' W1='1.16mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='30mm' W1='1.16mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='30.21mm' W1='1.16mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='0.9mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.1mm' S(P1,P1) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.2mm' S(P1,P1)
dB(S(P1,P1))
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 Freq [GHz] 2.75 3.00 3.25 3.50
图5 不同w1对应的 S11 曲线
XY Plot 4
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
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
Curve Info
HFSSDesign1
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' L0='28mm' Phi='0deg' W1='1.1mm' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' L0='28mm' Phi='90deg' W1='1.1mm' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' L0='30.21mm' Phi='0deg' W1='1.16mm' dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' L0='30.21mm' Phi='90deg' W1='1.16mm'
G 2 B 2 B Yin ( z ) 2G[cos ( z ) sin ( z) sin(2 z)]1 Y02 Y0
2
式中，Y0 是把天线视作传输线时的特性导纳， 是介质中的相位 常数，G 是辐射电导，B 是等效电纳，且有：
G
式中，
I 120 2
I sin 2 (
抗为80.6Ω时对应的微带线宽度为1.16mm，微带线在2.45GHz时1/4 波长对应的长度为16.45mm。
图2 侧馈矩形微带天线的HFSS设计模型
XY Plot 1
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep
-5.00
-10.00
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='30mm' dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='30.21mm'
dB(S(P1,P1))
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 Freq [GHz] 2.75 3.00 3.25 3.50
-10.00
-10.1056
dB(S(P1,P1))
Hale Waihona Puke Baidu-15.00
-20.00
Name m1 m1 X Y
2.4200 -25.1367
-25.00
-30.00 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 Freq [GHz] MX1: 2.4500 2.75 3.00 3.25 3.50
图3
S11的扫频分析结果