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
抗转换器的宽度W1是不会影响频率的。

但是在W1为1mm时对应的S11最小。

图７不同W1对应的S11曲线图
S11的Smith圆周结果：
图８Smith圆周结果
四．结果与讨论
1、 S参数
S12为反向传输系数，也就是隔离。

S21为正向传输系数，也就是增益。

S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗【1】。

这些参数是天线设计中需要关注的重要参数，初次设计的S11参数如下图所示：
图9 初次S11的扫描分析结果
这次设计的结果得到的谐振频率为2.27GHZ，这与我们所需的2.45GHZ还有一定距离，所以我们对相关的参数进行了分析和实验，得到了所需的谐振频率。

修改过后，得到了如下图：
图10 最终S11的扫描分析结果
由上图结果可知，天线的谐振频率落在2.45GHZ上，这与我们预期的效果一致。

2、方向图
天线的辐射场在固定距离上随球坐标系的角指标分布的图形被称为天线的辐射方向图或辐射波瓣图，简称方向图。

方向图通常是在远区确定的。

用辐射场表示的方向图称为场强方向图，用辐射功率密度表示的方向图称为功率方向图，用相位表示的方向图称为方向图[3]。

以下图为天线在xz和yz截面上的增益方向图：
图11 天线在xz和yz截面上的增益方向图
该图为xz方向和yz方向的剖面图，从图上可以看到两个垂直剖面的图，这样可以更直观的看到不同面上的增益情况，同一图上的两个增益还便于比较和分析结果，其三维立体图如下图所示：
图12 三维增益方向图
该三维方向图将抽象的增益具体化，通过图上颜色的变化可以知道增益的大小和渐变情况。

3、场分布图
从场分布图中可以看出天线的电磁场分布，这是天线设计中重要的一步，本次设计得到的天线场分布图如下图所示：
图13 微带天线的电磁场分布图
4、种参数特征所使用的数学表达式
4.1 S11的表达式如下
S11=20lg(Г)[2]
上式中S11代表输入回波损耗，Г是天线馈电端口的反射系数。

4.2 S21的表达式如下
[2]
符号表示点积和时域卷积运算，信道传播这一项表达了系统的多径传播对整个系统的影响。

4.3 方向性系数
天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强
度之比，即：[3]
式中，平均辐射强度U0实际上是辐射功率除以球面积，即：
[3]
通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向系数，即：
[3]
4.4 天线增益
方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线将输入功率转换为辐射功率的效率，为了更完整地描述天线的特性，特以天线的输入功率为基点定义了一个增益。

天线的增益是表征将输入给它的功率按特定方向辐射的能力，定义为在相同输入功率、相同距离的条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射，其表达式如下：
[3]
五．总结
总结工作内容，此处与摘要不同，需更为详细。

基于仿真、性能分析与讨论，总结出了侧馈矩形微带天线的特点【3】
（1）由于矩形微带天线的谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，贴片的长度越短，谐振频率就越高。

所以我们使用参数扫描分析功能分析谐振频率随着辐射贴片长度L0的变化关系，从而找到谐振频率为2.45GHz时对应的L0值。

（2）天线的阻抗匹配通用的是50欧，所以在设计微带线馈电的矩形微带天线时，可加上一段1/4波长阻抗转换器，使得微带天线的边缘阻抗与50欧阻抗达成匹配。

根据仿真结果可知，所设计的天线的中心工作频率2.4GHz频点S11值最小，约—23.5dB。

此时该天线长90.45mm,宽97.26mm,高31.6mm，达到谐振频率为2.45GHZ的设计要求。

（3）侧馈矩形微带天线是微带天线里最常见的一中天线结构。

本文通过对矩形微带天线的设计和仿真，做出了频率工作在2.45GHz的天线。

具体的选择参数大小和性能好坏还是要根据实际工程来判定的。

以上就是本文所做的全部工作。

由于时间有限，本文还有许多的不足之处，希望老师能够对本文做出的工作提出宝贵的意见和建议。

参考文献
【1】程勇.吕文俊.程崇虎“一种小型平面超宽带天线的设计与研究[”期刊论文]-电波科学学报2006(04)
【2】钟顺时.梁仙灵.延晓荣“超宽带平面天线技术”[期刊论文]-电波科学学报 2007(02)
【3】李明洋刘敏杨放《HFSS天线设计》电子工业出版社
【4】/p-7156118139975.html李琴芳硕士学位论文《高增益微带天线的研究与发展》。