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
压驻波比。

如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫描结果显示谐振频率没有落在2.5GHz，还需添加参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置，以达到良好的天线性能。

（1）求解类型：模式驱动求解
（2）建模操作
模型原型：长方形，圆柱体，矩形面，圆面
模型操作：相减操作
（3）边界条件和激励
边界条件：理想导体边界，辐射边界
端口激励：集总端口激励
（4）求解设置
求解扫频：2.5GHz
扫频设置：快速扫描，频率范围为1.5GHz—3.5GHz
（5）Optimetrics
参数扫描分析
优化设计
（6）数据后处理：S参数扫描曲线，VSWR，Smith圆图，天线方向图，天线参数3、创建微带天线模型
（1）创建参考地
在Z=0的XOY面上创建一个
顶点位于（-45mm，-45mm），大小
为90mm90mm的矩形面作为参
考地，命名为GND，并为其分配
理想导体边界条件。

（2）创建介质板层
创建一个长宽高为80mm80mm5mm的长方形作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上（即z=0的XOY面上），其顶点坐标为（-40，-40, 0），介质板的材料为R04003，介质板层命名为Substrate。

（3）创建微带贴片
在z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.1mm，-20.3mm，5mm），大小为30.2mm40.6mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。

（4）创建同轴馈线的内芯
创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为（8.9mm，0, 0），材料为理想导体，同轴馈线命名为Feed。

（5）创建信号传输端口面
同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量。

因此，需要在参考地面GND 上开一个圆孔允许能量传输，圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为（8.9mm，0, 0），并将其命名为Port。

（6）创建辐射边界表面
创建一个长方体，其顶点坐标为（-80，-80，-35），长方形的长宽高为160mm160mm75mm，长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air，创建好这样的一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。

（7）设置激励端口
设置同轴线信号端口面（即圆面Port）的激励方式为集总端口激励。

（8）添加和使用变量
添加设计变量Length，初始值为30.2mm，用以表示激带贴片的长度：添加设计变量Width，初始值为40.6mm，用以表示微带贴片的宽度：添加设计变量Xf，初始值为8.9mm，用以表示同轴馈线的圆心点的x轴坐标。

4、求解设置
本章设计的微带贴片天线中心频率在2.5GHz,因为设置HFSS的求解频率（即自适应网格剖分频率）为2.5GHz;同时添加1.5~3.5GHz的扫描设置，选择快速（Fast）扫频类型，分析天线在1.5~3.5GHz频段的回波损耗或者电压驻波比。

5、设计检查和运行仿真分析
通过前面的操作，我们已经完成了模型创建和求解设置等HFSS设计的前期工作，接下来就可以运行仿真计算，并查看分析结果了。

在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。

6、查看天线谐振点
查看天线信号端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果，给出天线的谐振点。

生成如图所示的S11在1.5~3.5GHz的扫面曲线报告。

从图中可以看出，当频率为2.4GHz时，S11最小，S11最小值约为-16.75dB。

四、优化设计
由图所示的S11扫频曲线报告可知，根据以上计算的尺寸设计出的微带天线谐振频点在2.4GHz，与期望的中心频率2.4GHz相比，存在一定的误差。

所以需要进行优化设计，使天线的谐振频率落在2.5GHz上。

根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率由微带贴片的长度和宽度决定，贴片尺寸越小谐振频率越高，接下来我们首先使用参数扫描分析功能进行参数扫描分析，分析谐振频率点分别随着微带贴片长度Length和宽度Width的变化关系；然后进行优化设计，优化微带贴片长度Length和宽度Width，使天线的谐振频率落在2.5GHz.
1、变量Length的扫描分析
从S11曲线报告可以看出，当微带贴片的宽度固定时，微带天线的谐振频率点随着微带贴片的长度Length的减小而变大。

当Length=28.5时，谐振频点约为2.5GHz.
2、变量Width的扫描分析
从S11曲线报告可以看出，当微带贴片的长度固定时，微带贴片宽度Width 的改变对矩形微带天线谐振频率点的影响很小。

五、查看优化后天线性能
由以上优化设计结果可知，当Length=28.5mm，Width=40.6mm时天线的谐振频点在2.5GHZ。

以下将变量设置为上述优化值，仿真结果如下：
1、查看S11参数
Length=28.5 Width=40.6 时S11的扫频曲线
由S11扫频曲线报告可以看出，当Length=28.5mm，Width=40.6mm时天线的谐振频点在2.5GHZ，此时S11=-17.2dB。

2、查看S11参数的Smith圆图结果
S11的Smith圆图结果
在标记2.5GHZ处，天线的归一化阻抗为(0.6995-0.0043j) 。

3、查看电压驻波比
电压驻波比报告图
在VSWR的报告图的 2.45GHZ和 2.55GHZ位置做标记，可见在2.45GHZ--2.55GHZ频段，VSWR<1.98。

4、查看天线的三维增益方向图
三维增益方向图
从三维增益方向图中可以看出该微带贴片最大辐射方向是微带贴片的法向
方向，即Z轴方向，最大增益约为7.4dB。

5、查看平面方向图
E平面增益方向图
六、结果讨论
由原理公式计算出的长l和宽w并不能达到工作频率在2.5GHz的要求，需要进行优化。

分别对Length和Width进行扫描，可以从扫描图中得到优化后的长l。

由于宽对微带天线的影响不高，所以仍取原w值40.6mm。

经过小组成员的共同努力，此微带线基本达到设计要求：工作频率为
2.5GHz，带宽（S11<-10dB）为6%，大于5%。

七、心得体会
在设计过程中，我们遇到了不少问题：如果只根据公式计算的微带天线来设计，频率是达不到要求的频率的，所以需要进行优化设计。

在设计微带贴片时，要给微带贴片分配理想导体边界条件。

信号传输端口面的半径要比同轴馈线内芯的半径大。

信号传输端口面的模型建立是在参考地面的基础上减去一个圆形的端口面，并保留原有的端口面模型。

同轴线信号端口面的激励方式是集总端口激励，即对圆面进行积分。

扫描频率要包含预计的工作频率，并且扫描次数要适中，若太多，则扫描时间过长；若太少，可能无法扫描到所需要的频率点。

在对长度的优化过程中，我们对不同长度的微带天线进行仿真，确实在28.5mm时达到了2.5GHz，而在修改参数以后，又一次进行了扫描，该长度扫描图则发生了向左偏移，在28.5mm处达不到2.5GHz，这令大家都非常疑惑（该问题尚未解决），但在最后的仿真中，还是达到了2.5GHz的工作频率。

但是天线在2.5GHz时，没有达到标准的50，天线的归一化阻抗为(0.6995-0.0043j) 。

在大家的共同努力下，我们基本完成了微波天线的设计。