侧馈矩形微带天线

侧馈矩形微带天线设计与分析

摘要：近些年来，天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都发了巨大变化。在国内，幅域广阔，虽然有线网发展迅速，但对于广大的农村以及偏远的地区，无线传输可能是唯一的选择。在广播电视技术领域，随着广播电视在农村的普及，微带天线的发展和应用有着广阔的市场和光明的前途。尤其在移动广播电视中，微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。

本设计使用HFSS软件，设计具有一种具有低阻抗特性的微带天线。该天线在2.42GHZ~2.48GHZ频段范围内S11小于-20dB，该天线长90.45mm,宽97.26mm,高31.6mm，达到谐振频率为2.45GHZ的设计要求。

关键词：无线传输 HFSS 微带天线

一．前言

微带天线的概念首先是有Deschaps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线【4】。微带天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中，侧馈一般指的是用微带线馈电，背馈是用同轴线馈电。同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。

研究目的：与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线。同时微带天线以这些特性受到广泛的关注。随着移动通信系统业务的不断发展，通信设备不断向小型化发展，对天线的体积，集成度等要求越来越高。随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。因此，研制微带天线具有很大的实际价值。

研究意义：近些年来，天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都发了巨大变化。而且微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；而微带天线分为侧馈矩形微带天线、同轴馈电矩形微带天线、双频微带天线和圆极性微带天线。本文主要是对侧馈矩形天线的设计和分析，侧馈一般指的是用微带线馈电，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电，因此研究侧馈矩形天线也是非常有意义的。

国内外研究进展：早在二十世纪五十年代尚德（G.A.Dcschamps）就提出了利用微带线的辐射制成微波天线的概念，但是在随后的20年里，对此只有一点零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切要求，芒森（R.E.Munson）和豪威尔（J.Q.Howell）等研究者研制成功了一批实用的微带天线【4】。之后，随着科学技术的迅猛发展，微带天线无论在理论上还是在应用上都取得了进一步的发展，并已经显示了它的巨大潜力。微带天线最初是作为火箭和导弹上的全向共行天线而得到应用与发展的。目前在国内外的研究中，军事领域的微带天线已大量应用于100MHz·100GHz的宽广频域上的无线电设备中，例如卫星通信、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信等无线电系统。目前，微带天线还广泛应用于现代移动通信、个人通信、医疗器件和环境保护等许多民用科研领域，并且得到了空前的发展。可见，微带天线的发展正方心未艾，应用前景十分广阔。

我们的工作主要是设计出设计具有一种具有低阻抗特性的侧馈矩形微带天线。该天线中心频率2.42GHZ~2.48GHZ频段范围内，介质基片采用厚度为1.6mm 的FR4环氧树脂板，天线的馈电方式为微带线馈电【3】。利用HFSS做出仿真并根据结果优化进行性能分析和总结，从而得到我们所需要的天线。

二 .结构模型

在天线模型图的设计中除了要注意尺寸及变量的设计还有最重要的一点就是边界条件的设定了，ＨＦＳＳ中的边界条件有十一种，分别是：理想导体边界条件、有限导体边界条件、辐射边界条件、对称边界条件、阻抗边界条件、集总ＲＣＬ边界条件、无限地平面、主从边界条件、理想匹配层和分层阻抗边界条件。

以下是天线的整体模型图：

图１微波天线结构图

1. 天线组成介绍：

我们设计的微波天线由以下六部分组成：

（1）辐射贴片：模型材料为FR4

（2）1/4波长阻抗转换器：它使得电路中的反射电压波变少，从而损耗减少。同时，匹配网络对器件的增益，噪声，输出功率还有着重要的影响。在微波传输系统，

它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性，关系到微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器件的质量等一系列问题。

（3

）微带传输线（50欧姆）：传输线起阻抗变换作用，辅助放大器前的传输线起相位平衡作用。

（4）端口平面：端口负载为50欧姆，端口激励设为波端口激励，与此同时还需设定积分线以确定电场方向和端口电压积分方向。在上图中没有显示出积分线。

（5）介质基片：我们设置为理想边界条件。

（6）辐射边界：即空气盒子，在这里需要注意的问题是：表面距离辐射体通常需要不小于1/4个工作波长。在模型图中我们设置为辐射边界。

2. 天线尺寸：

（1）、（2）、（3）号尺寸如下图所示：

图２ 辐射贴片、1/4波长阻抗转换器、微带传输线尺寸图

（4）端口平面、（6）辐射边界尺寸如下图所示

图３端口平面、辐射边界尺寸图

(5)介质基片尺寸如下：

图４ 介质基片尺寸 三、优化方案： 优化设计就是HFSS 在一定的约束条件下根据特定的优化算法对设计的某些参数进行调整。从而在所有可能的变化中寻找一个满足设计要求的值。

由于我们设计的是2.45GHZ 的微波天线，刚开始仿真出来的频率是小于这个值的，所以针对这个问题进行了优化。

１、优化步骤如下：

X: 90.45mm

Z:1.6mm

初始设计——>添加优化变量——>添加优化设计项——>运行优化分析

以下是我们所做天线的全部可以添加为优化变量的变量。我们添加的优化变量是L0和1/4波长阻抗转换器的宽度W1

图5

２、优化算法的种类：

优化算法共有5种：非线性顺序编程算法、混合整数非线性顺序编程算法、拟牛顿法、模式搜索法、遗传算法。用得较多的是非线性顺序编程算法和拟牛顿法。我们选择的优化算法是拟牛顿法。

以下是优化后，不同L0的对应的S11曲线，从图上可以看出随着L0的增加频率是降低的。且L0为28mm的时候得到的波形频率最接近2.45GHz

图６不同L0的对应的S11曲线图

以下是L0为28mm时不同W1对应的S11曲线。可以看出改变1/4波长阻