微带天线的课程设计

微带天线的仿真设计

一、设计目的及技术指标

学习和掌握HFSS软件，加强对相关知识的理解和掌握。本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHZ。创建切角，并设馈电位置在（-8,0,0），探针半径dx:0,dy:0,dz:5；端口面位置（-8，0,0），半径dx:1.5,dy:0,dz:0。

二、设计原理

1、微带天线的结构

微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。

微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。

微带天线的馈电（a）侧馈（b）底馈

2、微带天线的辐射原理

用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图：

矩形贴片天线示意图

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。

在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等。

在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计了各种高频结构。

三、设计步骤及内容

1、运行HFSS，建立新的工程，并设置求解类型Driven Modal，设置模型单位mm。

2、设置天线微带模型

首先创建地板GroundPlane。然后建立介质基片Substrate,贴片Patch。创建切角、探针、端口面等。

3、创建辐射边界，设置端口激励。并该问题设置求解频率及扫描频率范围。

4、设置无限大球面，确认设计后保存工程。

5、求解该工程，绘制该问题的反射系数曲线和2D辐射远场方向图。

四、设计仿真结果

下图是我在Ansoft HFSS界面下设计的一个右手圆极化矩形贴片天线。

1.接地板GroundPlane：90mm*90mm

2.介质基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003。

3.贴片天线Patch:32mm*32mm

4.探针Pin半径0.5mm*高5mm,材料Pec。

5.端口面Port半径1.5，最后用GroundPlane将Port减去。

6.空气框Air160mm*160mm*70mm,将辐射边界命名为Rad1。

7.馈电点距Patch中心8mm处。

如图：

绘制该问题的反射系数曲线

2D辐射远场方向图

其工作频率并不在2.45GHZ处，而是有点偏左。

从图中可以看出，设定的参数为2.45GHz，但工作位置却在2.42GHz，说明还需要对参数进行一定的改进。

①改变贴片Patch的大小，经过多次测试，当大小为31.7mm*31.7mm时，正好符合要求：反射系数曲线为

此时的2D辐射远场方向图为：

2D辐射远场方向图

此时的辐射图改变不大。发现改变贴片大小后，在工作频率处的回拨损耗几乎无变化。

②改变探针pin半径，当半径为0.24时，符合要求：

反射系数曲线为

此时的2D辐射远场方向图为：

发现改变探针半径后在工作频率处的回拨损耗为23db，有所改善。

③改变探针位置

（1）当探针位置在（-8.5,0,0）时

设计的图形如下：

反射系数曲线为

此时的2D辐射远场方向图为：

探针位置改变后，在工作频率处的回拨损耗减小刚过10DB不多，性能变差。（2）再次改变探针位置，使其在非切角的对角线上，如图：

改变探针位置（-4.33，-4.33,0）

反射系数曲线为

此时的2D辐射远场方向图为

改变后，在工作频率处衰减超过20db，性能有所改善。辐射图的背瓣变宽。

●改变探针位置（-4.1，-4.1,0）

反射系数曲线为

此时的2D辐射远场方向图为

在这个位置处，曲线变得尖锐，且在工作频率处衰减变大，而且背瓣也变窄，所以在这个位置处比较理想。

●再改变到其他位置处，如（-3.5，-3.5,0）处;

反射系数曲线为

此时的2D辐射远场方向图为

它的反射系数曲线和2D辐射远场方向图均不如（-4.1,-4.1,0）处的曲线。

讲过反复的尝试，改变多个参数，可以归纳出如下结论：

①当工作频率偏低时，可以减小贴片的尺寸。尺寸越小，它的工作频率越大。

②改变探针的半径时，适当减小时，会使工作频率变大，找到适当频率后再减小频率后，工作频率减小。

③改变探针位置，在原来方向上，工作频率达到了要求，但是衰减变小，性能变差。将探针放在对角线上时，工作频率不只在一个频率处，但是他们的衰减不同，得到的辐射图也不相同；在此设计中，在（-4.33，-4.33,0）处工作频率符合要求，将探针位置沿此对角线想中心移动时，工作频率左右不定偏移，在（-4.1，-4.1,0）处工作频率又符合要求，且衰减和辐射图都比较理想。