微带天线

基于HFSS的无线局域网微带天线设计
设计要求：
天线的工作频率f0=2.44GHz
在工作频率f0处S11<-20dB
天线-10dB的带宽B>=40MHz
带宽内驻波比VSWR<2
工作频率f0处的增益Gain>8dB
微带天线的设计步骤：
a）对于介质基板厚度h、相对介电常数εr，天线的中心工作频率f0，矩形贴片的实用宽度W为：
其中，c为真空中的光速。

当然，也可以选择其它的宽度。

但是，当选用大于上式的宽度时，虽然天线的辐射效率会提高，但天线将可能产生高次模，从而引起场的畸变，恶化辐射方向图，如果选用小于上式的宽度，则会引起天线辐射效率的降低，故一般情况下矩形贴片单元的宽度最好选取上式确定的值。

b）确定了矩形微带贴片的宽度W后，则介质基板的相对有效介电常数εre为：
c）确定微带贴片天线边缘场引起的等效伸长长度，此长度可以由下式确定：
d）微带天线长度的确定
矩形贴片天线单元的长度在理论上选取有效波长的一半凡，但由于天线边缘场的影响，单元长度的经验值应从礼中减去此，即
e）馈电方式的确定及阻抗匹配
对微带天线的直接馈电方式基本上分成如下图一所示的背馈和侧馈两种。

一般情况下，当工作于相同的频率时，侧馈所需的面积大于背馈。

这是因为侧馈时，微带单元的谐振输入阻抗Rin至少都在100以上，为使和特性阻抗为50欧姆的馈线系统相匹配，阻抗变换器是不可缺少的，这样一来就增加了天线的面积。

因此，当天线单元的面积受到限制时以选背馈为宜。

a 背馈
b 侧馈
当选定了馈电方式后，我们就要着手实现馈源与天线间的阻抗匹配。

这对于背馈来说就是选择馈电点的位置。

由下式可以知道矩形微带天线沿长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值到中心时变为零，式中R e in为侧馈时的输入电阻，Y0是背馈点距离侧边的距离。

由传输线法可知在侧边牙已知情况下，谐振输入电阻为:
结合上面两式可以估算出背馈点的位置Y0：
f）介质板尺寸的确定
微带贴片天线辐射的口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质板的过多向外延伸对场的分布没有明显的影响，因此介质板的尺寸不必取的过大，实验表明沿辐射元各边向外延
伸λ0/10即可，所以介质板的宽度为：
对于利用同轴线底馈的情况，介质板的长度为：
这里我们选择聚四氟乙烯类材料，因为聚四氟乙烯类材料是目前比较常用的基片材料，这种基片材料的特点是价格比较便宜且性能比较稳定。

本设计用到的介质基片特性参数是εr=2.2; h=3.2mm; tanδ=0.0005。

根据以上设计步骤可以粗略计算出微带天线的长度L，宽度W，馈电位置Y0。

按计算的结果用HFSS建模，并进行优化后的微带天线的尺寸为：
L=38.6mm; W=29mm; Y0=5mm; Lg=50mm; Wg=40mm
微带天线的模型如下图所示：
天线的各项性能参数的仿真结果如下：
天线的S11仿真结果
天线的驻波比VSWR仿真结果
2.44GHz处天线的总辐射方向图
2.44GHz处天线的E面辐射方向图
2.44GHz处天线的H面辐射方向图
2.44GHz处天线的总的3D辐射方向图
2.44GHz处天线的E面3D辐射方向图
2.44GHz处天线的H面3D辐射方向图
2.44GHz处天线的增益仿真结果
结论：由S11仿真结果可以看到，天线的工作频率f0=2.44GHz，工作频率处反射系数S11=-27.78 dB，S11<10dB的带宽为45MHz,符合设计要求；由驻波比仿真结果，可以看出在2.42GHz-2.46GHz频率范围内，驻波比VSWR<2，符合设计要求；由天线的增益仿真结
果，可以看出天线在工作频率处的增益略小于8dB，基本符合设计要求。