側(cè)饋矩形微帶天線設(shè)計(jì)與仿真

1、天線理論姓名：*專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào)：*主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 本文首先介紹了微帶天線的理論基礎(chǔ)和工作原理，然后以矩形微帶天線為例，講解了側(cè)饋微帶天線的工作原理、設(shè)計(jì)過程，以及在HFSS中的仿真實(shí)現(xiàn)。一、微帶天線概述一、微帶天線概述1 1、微帶天線的饋電、微帶天線的饋電 微帶天線有多種饋電方式，如微帶線饋電、同軸線饋電、耦合饋電（Coupled Feed）和縫隙饋電（Slot Feed）等，其中，最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式。微帶線饋電 微帶線饋電方式又稱為側(cè)饋，它用與微帶輻射貼片集成在一起的微帶傳輸線經(jīng)行饋電。它可以中心饋電，也可以偏心饋電，如下圖，饋電點(diǎn)的位置取決于激勵(lì)哪

2、種模式。對(duì)于微帶傳輸線的饋電方式，當(dāng)微帶天線的尺寸確定以后，可以用以下方法進(jìn)行阻抗匹配：先將中心饋電天線輻射貼片同50饋電一起光刻，測(cè)量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出阻抗匹配變換器，然后在天線輻射貼片與饋線直接接入該阻抗匹配器，重新作出天線。（a）中心饋電 （b）偏心饋電 圖1 微帶線饋電二、矩形微帶天線的特性參數(shù)二、矩形微帶天線的特性參數(shù)1 1、微帶輻射貼片尺寸估算、微帶輻射貼片尺寸估算 設(shè)計(jì)微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為 ，對(duì)于工作頻率 的矩形微帶天線，可以用下式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的寬帶 ，即為： rfw121()22rcwf式中，c是光速。輻射貼片的長(zhǎng)度一般取為 ；這里

3、是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長(zhǎng)，即為：/2eeeecf 考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實(shí)際上的輻射單元長(zhǎng)度 應(yīng)為： 式中， 是有效介電常數(shù)， 是等效輻射縫隙長(zhǎng)度。它們可以分別用下式計(jì)算，即為：L2ecLLf eL12311(1 12 )222rrh(0.3)(/0.264)0.412(0.258)(/0.8)eew hLhw h2 2、輸入導(dǎo)納、輸入導(dǎo)納 如果天線采用圖1所示的微帶線饋電方式，假設(shè)饋電點(diǎn)到輻射貼片邊緣拐角處的距離為z，則微帶天線的輸入導(dǎo)納可以由下式計(jì)算： 式中， 是把天線視作傳輸線時(shí)的特性導(dǎo)納， 是介質(zhì)中的相位常數(shù)， 是輻射電導(dǎo)， 是等效電納，且有： 式中，2221200( )2 cos ()si

4、n ()sin(2)inGBBYzGzzzYY2120IG220sin (cos )sin2kwItgd 0YGB 式中， 是把天線視作傳輸線時(shí)的特性阻抗。 3 3、方向性系數(shù)、方向性系數(shù) 根據(jù)方向性系數(shù)的定義，可以給出微帶天線的方向性系數(shù)為：30k LBZ0Z28()wDI三、側(cè)饋矩形微帶天線設(shè)計(jì)與仿真1 1、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)要求 使用HFSS設(shè)計(jì)中心頻率為2.45GHz的矩形微帶天線，并給出其天線參數(shù)。介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹脂（FR4 Epoxy）板，天線饋電方式為微帶線饋電。2 2、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)步驟 計(jì)算天線尺寸：微帶天線的介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹脂

5、板，所以厚度h=1.6mm，介質(zhì)的介電常數(shù) 。輻射貼片寬度：w=37.26mm，輻射貼片長(zhǎng)度：L=30.21mm，有效介電常數(shù)：=3.37mm，等效縫隙寬度： =0.75mm。4.4reL饋電點(diǎn)位置和輸入阻抗阻抗匹配 阻抗匹配條件為： 波長(zhǎng)阻抗裝換器的特性阻抗為微帶線的尺寸 對(duì)于介質(zhì)基片厚度1.6mm的FR4環(huán)氧樹脂板的微帶線，我們可以計(jì)算出特性阻抗為50時(shí)對(duì)應(yīng)的微帶天線寬度為2.98mm，特性阻抗為80.6時(shí)對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為1.16mm，微帶線在2.45GHz時(shí)1/4波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為16.45mm。10LZZ Z180.6Z 圖2 側(cè)饋矩形微帶天線的HFSS設(shè)計(jì)模型1.501.752.00

6、2.252.502.753.003.253.50Freq GHz-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(P1,P1)HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTMX1: 2.4500m1-10.1056Curve InfodB(S(P1,P1)Setup1 : SweepNameXYm12.4200 -25.1367圖3 的掃頻分析結(jié)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)HFSSDe

7、sign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=27mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=29mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=30mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=30.21mm圖4 不同L0對(duì)應(yīng)的 曲線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,

8、P1)HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=0.9mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.1mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.16mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.2mmdB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.3mmdB(S(P1,P1)Setup

9、1 : SweepL0=28mm W1=1.4mm圖5 不同w1對(duì)應(yīng)的 曲線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)HFSSDesign1XY Plot 4ANSOFTm1Curve InfodB(S(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.1mmNameXYm12.4200 -25.1367圖6 掃頻分析結(jié)果11S5.002.001.000.500.200.005.00-5.002.00-2.001.00-1.00

10、0.50-0.500.20-0.200.000102030405060708090100110120130140150160170180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10HFSSDesign1Smith Chart 1ANSOFTCurve InfoS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=27mm W1=1.16mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.16mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=29mm W1=1.16mmS(P1,P1)Setup1 :

11、 SweepL0=30mm W1=1.16mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=30.21mm W1=1.16mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=0.9mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.1mmS(P1,P1)Setup1 : SweepL0=28mm W1=1.2mmS(P1,P1)圖7 的Smith圓圖結(jié)果11S-30.00-20.00-10.000.009060300-30-60-90-120-150-180150120HFSSDesign1Radiation Pattern 1ANSOFTCurve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq=2.45GHz L0=28mm Phi=0deg W1=1.1mmdB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq=2.45GHz L0=28mm Phi=90deg W1=1.1mm