侧馈矩形微带天线设计与仿真

天线理论姓名：**专业：电子科学与技术学号：*********主要内容：本文首先介绍了微带天线的理论基础和工作原理，然后以矩形微带天线为例，讲解了侧馈微带天线的工作原理、设计过程，以及在HFSS中的仿真实现。一、微带天线概述1、微带天线的馈电微带天线有多种馈电方式，如微带线馈电、同轴线馈电、耦合馈电（CoupledFeed）和缝隙馈电（SlotFeed）等，其中，最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。微带线馈电微带线馈电方式又称为侧馈，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线经行馈电。它可以中心馈电，也可以偏心馈电，如下图，馈电点的位置取决于激励哪种模式。对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定以后，可以用以下方法进行阻抗匹配：先将中心馈电天线辐射贴片同50Ω馈电一起光刻，测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴片与馈线直接接入该阻抗匹配器，重新作出天线。（a）中心馈电（b）偏心馈电图1微带线馈电二、矩形微带天线的特性参数1、微带辐射贴片尺寸估算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为，对于工作频率的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽带，即为：rfw121()22rcwf式中，c是光速。辐射贴片的长度一般取为；这里是介质内的导波波长，即为：/2eeeecf考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度应为：式中，是有效介电常数，是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为：L2ecLLfeL12311(112)222rrh(0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)eewhLhwh2、输入导纳如果天线采用图1所示的微带线馈电方式，假设馈电点到辐射贴片边缘拐角处的距离为z，则微带天线的输入导纳可以由下式计算：式中，是把天线视作传输线时的特性导纳，是介质中的相位常数，是辐射电导，是等效电纳，且有：式中，2221200()2[cos()sin()sin(2)]inGBBYzGzzzYY2120IG220sin(cos)sin2kwItgd0YGB式中，是把天线视作传输线时的特性阻抗。3、方向性系数根据方向性系数的定义，可以给出微带天线的方向性系数为：30kLBZ0Z28()wDI三、侧馈矩形微带天线设计与仿真1、设计要求使用HFSS设计中心频率为2.45GHz的矩形微带天线，并给出其天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂（FR4Epoxy）板，天线馈电方式为微带线馈电。2、设计步骤①计算天线尺寸：微带天线的介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂板，所以厚度h=1.6mm，介质的介电常数。辐射贴片宽度：w=37.26mm，辐射贴片长度：L=30.21mm，有效介电常数：=3.37mm，等效缝隙宽度：=0.75mm。4.4reL②馈电点位置和输入阻抗③阻抗匹配阻抗匹配条件为：波长阻抗装换器的特性阻抗为④微带线的尺寸对于介质基片厚度1.6mm的FR4环氧树脂板的微带线，我们可以计算出特性阻抗为50Ω时对应的微带天线宽度为2.98mm，特性阻抗为80.6Ω时对应的微带线宽度为1.16mm，微带线在2.45GHz时1/4波长对应的长度为16.45mm。10LZZZ180.6Z图2侧馈矩形微带天线的HFSS设计模型1.501.752.002.252.502.753.003.253.50Freq[GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(P1,P1))HFSSDesign1XYPlot1ANSOFTMX1:2.4500m1-10.1056CurveInfodB(S(P1,P1))Setup1:SweepNameXYm12.4200-25.1367图3的扫频分析结果11S1.501.752.002.252.502.753.003.253.50Freq[GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(P1,P1))HFSSDesign1XYPlot2ANSOFTCurveInfodB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='27mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='29mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='30mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='30.21mm'图4不同L0对应的曲线11S1.501.752.002.252.502.753.003.253.50Freq[GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(P1,P1))HFSSDesign1XYPlot3ANSOFTCurveInfodB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='0.9mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.1mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.16mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.2mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.3mm'dB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.4mm'图5不同w1对应的曲线11S1.501.752.002.252.502.753.003.253.50Freq[GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(P1,P1))HFSSDesign1XYPlot4ANSOFTm1CurveInfodB(S(P1,P1))Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.1mm'NameXYm12.4200-25.1367图6扫频分析结果11S5.002.001.000.500.200.005.00-5.002.00-2.001.00-1.000.50-0.500.20-0.200.000102030405060708090100110120130140150160170180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10HFSSDesign1SmithChart1ANSOFTCurveInfoS(P1,P1)Setup1:SweepL0='27mm'W1='1.16mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.16mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='29mm'W1='1.16mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='30mm'W1='1.16mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='30.21mm'W1='1.16mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='28mm'W1='0.9mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='28mm'W1='1mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.1mm'S(P1,P1)Setup1:SweepL0='28mm'W1='1.2mm'S(P1,P1)图7的Smith圆图结果11S-30.00-20.00-10.000.009060300-30-60-90-120-150-180150120HFSSDesign1RadiationPattern1ANSOFTCurveInfodB(GainTotal)Setup1:LastAdaptiveFreq='2.45GHz'L0='28mm'Phi='0deg'W1='1.1mm'dB(GainTotal)Setup1:LastAdaptiveFreq='2.45GHz'L0='28mm'Phi='90deg'W1='1.1mm'dB(GainTotal)Setup1:LastAdaptiveFreq='2.45GHz'L0='30.21mm'Phi='0deg'W1='1.16mm'dB(GainTotal)Setup1:LastAdaptiveFreq='2.45GHz'L0='30.21mm'Phi='90deg'W1='1.16mm'图8天线在xz和yz截面上的增益方向图图9三维增益方向图