侧馈矩形微带天线设计与仿真

（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：
w
c
(r

1)

1 2
2f 2
式中，c是光速。
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
=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
dB(S(P1,P1))
-20.00
-25.00
-30.00
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
Freq [GHz]
图4 不同L0对应的 S11 曲线
0.00 -5.00 -10.00 -15.00 -20.00
XY Plot 3
HFSSDesign1 ANSOFT
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。 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。
-30.00
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
Leabharlann Baidu
3.50
Freq [GHz]
MX1: 2.4500
图3 S11的扫频分析结果
0.00 -5.00 -10.00 -15.00
XY Plot 2
HFSSDesign1 ANSOFT
Curve Info
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='27mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='29mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='30mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='30.21mm'
h
)

1 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：
Yin
(z)

2G[cos2
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'
(
z)

G2 B Y02
sin2
(
z)

B Y0
sin(2
z)]1
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：
式中，
G I
120 2
I sin2 ( kw cos )tg2 sin d
0
2
kL B
3
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
Curve Info
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='0.9mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1mm'
dB(S(P1,P1)) Setup1 : Sw eep L0='28mm' W1='1.1mm'
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

f
c
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 2L
f e 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
2

r 1
2
(1 12
阻抗匹配条件为： Z1 Z0ZL
波长阻抗装换器的特性阻抗为 Z1 80.6 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 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 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
0.00 -5.00
XY Plot 1
HFSSDesign1 ANSOFT
Curve Info dB(S(P1,P1))
Setup1 : Sw eep
-10.00
-10.1056
dB(S(P1,P1))
-15.00
-20.00 -25.00
Name X
Y
m1 m1 2.4200 -25.1367
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：
D 8 ( w )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
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