矩形微带贴片天线设计及仿真

《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真单位（院、系）：信息工程学院学科专业:电子与通信工程学号：416114410159姓名：曾永安时间：2011.4.25矩形微带天线的设计与仿真学科专业：电子与通信工程学号：416114410159姓名：曾永安指导老师：吴毅强摘要：本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSSV10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。关键词：HFSS，微带线，天线DesignandSimulationofRectangularMicrostripAntennaAbstract:Thispaperintroducesarectangularmicrostripantennawhichworksatresonancefrequencyof2.45GHzandantennainputimpedanceof50Ωandisfedbycoaxialcable.ThemodeloftheantennaissetupandsimulatedbyANSOFTHFSSV10,andtheoptimalparametersofthemicrostripantennaareobtainedaswell.Keywords:HFSS,Microstrip,Antenna1.引言微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。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,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。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、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为RogersR04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。2.微带贴片天线理论分析图1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1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。图1微带天线的结构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总模式是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）微带天线侧视图图2微带天线示意图从图2（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（1）式中，λg表示导波波长，有0/ge(2)式中，0表示自由空间波长；e表示有效介电常数，且121111222rrehw（3）式中，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。由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有001/2222erecLLfLLL（4）式中，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，且有0.3/0.2640.4120.258/0.8eeWhLWh（5）矩形贴片的宽度W可由下式计算，120122rcWf（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。俯视图侧视图图3同轴线馈电的微带天线对于TM10模式，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（7）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(8)式中，121111222rrrehLL(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LGND和宽度WGND只需满足以下条件即可，即6hGNDL≥L（10）6hGNDW≥W（11）3.天线几何结构参数计算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、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为RogersR04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。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。1，矩形贴片的宽度W把83.010cm/s,02.45fGHz，3.38r代入（6）式可得微带天线的宽度，即W=41.4mm2，有效介电常数e把h=5mm，W=41.4mm，3.38r代入（3）式，可得有效介电常数，即εe=2.953,辐射缝隙的长度L把h=5mm，W=41.4mm，εe=2.95,e=2.95代入（5）式，可得缝隙的长度，即L=2.34mm4，矩形贴片的长度L把83.010cm/s,02.45fGHz，e=2.95，L=2.34mm代入（4）式，可得矩形微带贴片的长度，即L=31.0mm5，参考地的长度LGND和宽度WGND把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm分别代入（10）、（11）可以计算得到参考地长度和宽度，即LGND≥61.8mmWGND≥71.4mm6，同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf）把3.38r，W=41.4mm，L=31.0mm分别代入是（7）（8）（9），可以算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf），即Xf=9.5mmYf=0mm4.仿真分析根据上面得出的贴片天线结构参数，可以在HFSS中建立天线模型见图3所示。图中最外面的矩形代表辐射边界，材料为真空。辐射场里面的矩形板就是设计的微带天线的基板，基板上横向的矩形线就是微带天线。微带天线的一端为激励端口，该端口为同轴线馈电端口。经过仿真、优化后，最终确定的微带天线参数见表1。图3微带天线HFSS模型根据建立的微带天线模型，利用HFSS软件进行了性能仿真。经过仿真、优化后，最终确定的微带线天参数见表1。表1微带天线参数图4为S参数仿真曲线。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。图4天线S参数仿真曲线图5.是仿真得到的微带天线的驻波比特性曲线，在2.45GHz附近VSWR达到最小1.35，小于一般天线要求的2，说明天线的电抗分量较小，天线的匹配效果好，传输效率高。图5VSWR参数仿真曲线图6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-j0.254。图6仿真得到的smith圆图从图7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8为E面方向图。图73D增益方向图图8E平面增益方向图5.结论讨论了微带天线的设计原理，根据天线尺寸的计算公式，分析了不同尺寸参数对微带天线的性能影响。设计了谐振频率为2.45GHz的微带天线，利用HFSS软件建立天线模型，得出了天性特性的仿真曲线，与理论设计值吻合较好。说明了本设计的有效性。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