矩形微带贴片天线设计及仿真

《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：************

*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：416114410159 姓名：曾永安指导老师：吴毅强

摘要：本文介绍了一种谢振频率为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 Rectangular

Microstrip Antenna

Abstract: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 a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well.

Key words:HFSS,Microstrip,Antenna

1.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。本文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、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。

2.微带贴片天线理论分析

图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 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。

图1 微带天线的结构

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总模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向有λg/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 方向上可以看作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。

（a ）微带天线俯视图 （b ）微带天线侧视图

图2 微带天线示意图

从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解为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，远区辐射电场垂直风量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 假设矩形贴片天线的有效长度设为Le ，则有

/2

e g L λ= （1）

式中，λg 表示导波波长，有

0/g e λλε= (2)

式中，0λ表示自由空间波长；e ε表示有效介电常数，且

12

1111222r

r

e h w

εεε-

+-⎛⎫

++ ⎪

⎝

⎭= （3）

式中，

r

ε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

02222e

r e

L L

f L L L εελ∆∆-∆== （4）

式中，c 表示真空中光速；f 0表示天线工作频率；L ∆表示图2a 中所示的等效辐射缝隙的长

度，且有

()()()()0.3/0.2640.412

0.258/0.8e e W h L W h εε++∆=-+ （5）

矩形贴片的宽度W 可由下式计算，

12

0122r c W f ε-

+⎛⎫=

⎪

⎝⎭ （6）

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。在微带应用中通常是使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω。对于如图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（Xf ，Yf ）表示馈点的位置坐标。

俯视图 侧视图

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

f Y = （7）

在L 方向上电场有λg/2的改变，因此在长度L 方向上，从中心点到两侧，阻抗逐渐变大；输入阻抗等于50Ω是的馈点位置可由下式计算而得，

()

2f re X L ε=

(8)

式中，

()12

1111222r r re h L L εεε

-

+-⎛

⎫=

+

+ ⎪⎝⎭ (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LGND 和宽度WGND 只需满足以下条件即可，即

6h

GND L +≥L （10）