微带天线设计

08通信陆静晔04

微带天线设计

一、实验目的：

● 利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线

⏹ 微带天线的要求：工作频率为2.5GHz ，带宽（S11<-10dB ）大于5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。

二、实验原理：

微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。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。

图1-1是一个简单的微带贴片

天线的结构，由辐射源、介质层和参

考地三部分组成。与天线性能相关的

参数包括辐射源的长度L 、辐射源的

宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相对介电常数和损耗正切、介质层的长度LG 和宽度WG 。图1-1所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层 与辐射源相连接。

对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是模，意味着电场在长度L 方向上有/2的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图1-2（a ）所示，在长度L 方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图1-2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 图

1-1

图1-2 矩形微带天线俯视图和侧视图

假设矩形贴片的有效长度设为,则有

（1-1）

式中，表示导波波长，有

(1-2)

式中，表示自由空间波长；表示有效介电常数，且

= (1-3)

式中，表示介质的相对介电常数；h表示介质层厚度；W表示微带贴片的厚度。由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有

(1-4)

式中，c 表示真空中的光速；表示天线的工作频率；表示图1-2（a）中所示的等效辐射缝隙的长度，且有

(1-5)

矩形贴片的宽度W可以由下式计算：

(1-6)

对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈电的位置，馈电的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常会使用50，对于图1-3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以（）表示馈电的位置坐标。

图1-3 同轴线馈电的微带天线

对于模式，在W方向上电场长度不变，因此理论上W方向上的任一点

都可以作为馈电，对于避免激发模式，在W方向上馈电的位置一般取在中心点，即

(1-7)

在L方向上电场有的改变，因此在长度L方向上，从中心点到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50时的馈点位置可以由下式计算

(1-8)

式中，

=（1-9）

上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时，计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度和宽度只要满足一下两式即可，即

（1-10）

(1-11)

三、实验步骤：

1、设计指标和天线几何结构参数计算

本实验的矩形微带天线中心频率为 2.5GHz，选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数=3.38，厚度h=5mm，天线使用同轴线馈电。微带线的三个关键参数如下：工作频率f0=2.5GHz；介质板材的介电常数=3.38；介质层厚度h=5mm。

（1）、矩形贴片的宽度W

把,f0=2.5GHz，=3.38代入式（1-1），可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即

W=0.04054m=40.6mm

（2）、有效介电常数

把h=5mm，W=40.6mm，=3.38代入式（1-6），可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即

=2.95

（3）辐射缝隙的长度

把h=5mm，W=40.6mm，=2.95代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即

=2.34mm

（4）矩形贴片的长度L

把，f0=2.5GHz，=2.95，=2.34mm代入式（1-4），可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即

L=30.2mm

(5)参考地的长度和宽度

把h=5mm，W=40.6mm，L=30.2mm分别代入式（1-10）和式（1-11），可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即

mm

（6）同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf）

把=3.38，W=40.6mm，L=30.2mm分别代入式（1-7），式（1-8）和（1-9），可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf），即

Xf=8.9mm Yf=0mm

2、HFSS设计和建模概述

本天线实例是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML 边界表面，这里使用辐射边界条件。为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。因为使用了辐射边界表面，所以同轴线馈线的信号输入输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。

天线的中心频率2.5GHz，因此设置HFSS的求解频率为2.5GHz，同时添加1.5G—3.5GHz的扫描设置，分析天线在1.5G—3.5GHz频段内的回波损耗或者电