同轴馈电矩形微带天线设计与分析

同轴馈电矩形微带天线设计与分析摘要：本文使用HFSS软件，设计了一种具有损耗低、稳定性好的同轴馈电矩形微带天线。该新型微带天线射频频率2、45GHz，输入阻抗50Ω，利用矩形同轴线馈电(RCL)结构网络和微带天线子矩阵的基本原理和设计方法，运用HFSS对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能，达到了频段范围内S11=16.745dB，尺寸27.9mm*37.26mm*1.6mm，最大辐射方向为Xz=0，Yz=90，达到良好的设计要求。关键词：HFSS，同轴馈电，微带天线1、前言在1953年Deschaps提出微带天线的理论，经过20年多的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。传统的手工计算设计天线采用的是尝试法，设计和研发周期长，费用高。随着计算水平的提高，可以采用成熟的电磁仿真软件设计。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形，能和有源器件、电路等集成为统一的整体，具有体积小、重量轻、低剖面、易于集成和制造等点，在卫星通信、卫星定位系统等多个领域获得了广泛应用。已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中,特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是:比通常的微波天线有更多的物理参数,可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造,可重复性较好；可通过耦合馈电,天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。设计的圆极化微带天线具有较宽的频带或者是双频堆叠结构且采用同轴线馈电，一般天线厚度尺寸较大，因此馈电同轴长加大，导电感抗加大，天线的性能随之恶化。通常，单层厚天线采用L形或T形同轴探针馈电；对于双层厚天线，通过在层间增加空气层以改善天线的驻波特性J。这两种结构给天线的制造带来了困难，前者需要在介质层内增加金属片来实现T形或L形探针馈电，制作不便，增加了制造代价；后者需要在两层天线中间添加空气层，由于空气层厚度对天线性能影响突出，厚度不易控制，因此也不是好的选择，而同轴馈电矩形微带电线成为了性能良好的天线选择之一。本文设计的同轴馈电矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为FR4，其相对介电常数εr=2.33,厚度h=1.6mm；天线使用同轴线馈电。2．结构模型1．微带天线结构设计的理论分析如图是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、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元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图中所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。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模式是TM10模，意味着电场在长度L方向有λg/2的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图（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方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。（a）微带天线俯视图（b）微带天线侧视图从图（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解为垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直风量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。假设矩形贴片天线的有效长度设为Le，则有/2egL其中λg表示导波波长，有0/ge0表示自由空间波长；e表示有效介电常数，且121111222rrehwr表示介质的相对介电常数；h表示介质层厚度；W表示微带贴片的宽度。矩形贴片的实际长度L有001/2222erecLLfLLLc表示真空中光速；f0表示天线工作频率；L表示图2a中所示的等效辐射缝隙的长度0.3/0.2640.4120.258/0.8eeWhLWh矩形贴片的宽度W可由下式计算，120122rcWf2．同轴馈电矩形微带天线结构具体参数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点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微带应用中通常是使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω。对于如图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（Xf，Yf）表示馈点的位置坐标。俯视图侧视图同轴线馈电的微带天线对于工作模式时，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发TM1n模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即0fY，在L方向上电场有λg/2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50Ω是的馈点位置可由下式计算而得，2freLXL式中，121111222rrrehLL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LGND和宽度WGND只需满足以下条件即可，即6hGNDL≥L6hGNDW≥W根据前文给出的理论分析可以计算出微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L和宽度W、同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf），以及参考地的长度LGND和WGND。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为FR4，其相对介电常数εr=2.33,厚度h=1.6mm；天线使用同轴线馈电。1．矩形贴片的宽度W把83.010cm/s,02.45fGHz，εr=2.33,计算可得微带天线的宽度，即W=37.26mm2．有效介电常数e把h=1.6mm，W=37.26mm，3.38r代入（3）式，可得有效介电常数，即e=2.2053．辐射缝隙的长度L=0.829mm4．矩形贴片的长度L已知83.010cm/s,02.45fGHz，e=2.95，L=0.829mm，可得L=27.9mm5，参考地的长度LGND和宽度WGND分别为LGND≥37.5mm，WGND≥46.86mm。6，同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf）有：Xf=9.3944mm，Yf=0mm3．天线结构仿真示意图模型fRεrLWhXfYf2.45GHz502.3327.9mm.37.26mm1.6mm9.394403．结果与讨论1．图(c)为S参数仿真曲线，是S11在范围为1.5~3.5GHz的扫频分析图。从图4中可以看出，曲线在2.45GHz左右反射系数最大，达到16.745dB，说明在该频率匹配最佳。从图4中还可以看出，S曲线开口窄，表现出了微带天线频带窄的特点。(c)S参数仿真曲线图2．图（c）是仿真得到的smith圆图，可以看出该天线完全满足设计要求。在2.448GHz时归一化阻抗为0.954-j0.25。图（d）仿真得到的smith圆图3．从图（e）可以看出该微带天线最大辐射方向是微带贴片的法向方向,即Z轴正向，最大增益为7.54dB。图（f）为E面方向图。图图（e）增益方向图图（f）平面增益方向图4．总结该新型微带天线射频频率2.45GHz，输入阻抗50Ω，利用矩形同轴线馈电(RCL)结构网络和微带天线子矩阵的基本原理和设计方法，是具有损耗低、稳定性好的同轴馈电矩形微带天线，达到良好的设计要求。同轴探针插座设置在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上，对指定的模同轴插座的位置由经验确定，以便产生最好的匹配。同轴探针馈电是十分良好的微带天线设计，馈电点可以选在贴片内任何位置且避免了对天线辐射的影响，旁瓣少，且增益大，但设计比较复杂，为了得到合适的匹配，馈电点的选取比较困难。探针长度L越大，谐振频率越低，输入阻抗越大。探针据中心位置b越大，谐振频率越低，输入阻抗越大。馈电对天线的辐射影响最小，但是馈电点的选取对匹配的影响较大必须选择合适的馈电点和天线尺寸参考文献[1][美]JohnD.Kraus,RonaldJ.Marhefka著，天线[M].电子工业出版社2004[2]李明洋.HFSS电磁仿真软件应用详解[M].人民邮电出版社2010[3]黄玉兰.射频电路理论与设计[M].人民邮电出版社2008[4]马小玲,丁丁.宽频带微带天线技术及其应用[M].人民邮电出版社2006[5]李莉.天线与电波传播[M].科学出版社2009