矩形微帶貼片天線設(shè)計(jì)及仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 現(xiàn)代電子電路課程設(shè)計(jì) 題 目 矩形微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真單位（院、系）： 信息工程學(xué)院 學(xué) 科 專(zhuān) 業(yè) : 電子與通信工程 學(xué) 號(hào)： 9 姓 名： 曾永安 時(shí) 間： 2011.4.25 矩形微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)科專(zhuān)業(yè)：電子與通信工程 學(xué)號(hào)：9 姓名：曾永安 指導(dǎo)老師：吳毅強(qiáng)摘 要：本文介紹了一種謝振頻率為2.45GHz，天線輸入阻抗為50的使用同軸線饋電的矩形微帶天線。通過(guò)HFSS V10軟件對(duì)該天線進(jìn)行仿真、優(yōu)化，最終得到最佳性能。關(guān)鍵詞：HFSS，微帶線，天線Design and Simulation of Rectangular Microstrip Ante

2、nna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50 and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up and simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna a

3、re obtained as well.Key words:HFSS,Microstrip,Antenna1.引言微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來(lái)的，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀(jì)70年代初期制造了實(shí)際的微帶天線。微帶天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,能與載體共形, 能和有源器件、電路等集成為統(tǒng)一的整體,已被大量應(yīng)用于100MHz100GHz寬頻域上的無(wú)線電設(shè)備中, 特別是在飛行器和地面便攜式設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。微帶天線的特征是: 比通常的微波天線有更多的物理參數(shù), 可以有任意的幾何形狀和尺寸；能夠提供50輸入阻抗,不需要匹配電路或變換器；比較容易精確

4、制造, 可重復(fù)性較好；可通過(guò)耦合饋電, 天線和RF電路不需要物理連接；較易將發(fā)射和接收信號(hào)頻段分開(kāi)；輻射方向圖具有各向同性。本文設(shè)計(jì)的矩形微帶天線工作于ISM頻段，其中心頻率為2.45GHz；無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均可工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為Rogers R04003，其相對(duì)介電常數(shù)r=3.38,厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。2.微帶貼片天線理論分析 圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射元、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長(zhǎng)度L、輻射元的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r和損耗角正切tan、介質(zhì)層的長(zhǎng)度LG和寬度WG。圖

5、1所示的微帶貼片天線采用微帶線饋電，本文將要設(shè)計(jì)的矩形微帶天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線街頭的內(nèi)芯線穿過(guò)參考點(diǎn)和介質(zhì)層與輻射元相連接。圖1 微帶天線的結(jié)構(gòu)對(duì)于矩形貼片微帶天線，理論分析時(shí)可以采用傳輸線模型來(lái)分析其性能。矩形貼片微帶天線的工總模式是TM10模，意味著電場(chǎng)在長(zhǎng)度L方向有g(shù)/2的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖2（a）所示，在長(zhǎng)度L方向上可以看作成有兩個(gè)終端開(kāi)路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣處由于終端開(kāi)路，所以電壓值最大電流值最小。 （a）微帶天線俯視圖 （b）微帶天線側(cè)視圖圖2 微帶天線示意圖從圖2（b）可以看出，微帶線邊緣的電場(chǎng)可以分解為垂直于參考地的分量和

6、平行于參考地的分量?jī)刹糠?，兩個(gè)邊緣的垂直電場(chǎng)分量大小相等、方向相反，平行電場(chǎng)分量大小相等、方向相反；因此，遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)垂直風(fēng)量相互抵消，輻射電場(chǎng)平行于天線表面。假設(shè)矩形貼片天線的有效長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)e，則有 （1）式中，g表示導(dǎo)波波長(zhǎng)，有 (2)式中，表示自由空間波長(zhǎng)；表示有效介電常數(shù)，且 （3）式中，表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；h表示介質(zhì)層厚度；W表示微帶貼片的寬度。由此，可計(jì)算出矩形貼片的實(shí)際長(zhǎng)度L，有 （4）式中，c表示真空中光速；f0表示天線工作頻率；表示圖2a中所示的等效輻射縫隙的長(zhǎng)度，且有 （5）矩形貼片的寬度W可由下式計(jì)算， （6）對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長(zhǎng)度L和寬度W之

7、后，還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。在微帶應(yīng)用中通常是使用50的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，因此需要確定饋點(diǎn)的位置使天線的輸入阻抗等于50。對(duì)于如圖3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點(diǎn)位于貼片的中心，以（Xf，Yf）表示饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)。 俯視圖 側(cè)視圖圖3同軸線饋電的微帶天線對(duì)于TM10模式，在W方向上電場(chǎng)強(qiáng)度不變，因此理論上W方向上的任一點(diǎn)都可以作為饋點(diǎn)，為了避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上饋點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)，即 （7）在L方向上電場(chǎng)有g(shù)/2的改變，因此在長(zhǎng)度L方向上，從中心點(diǎn)到兩側(cè)，阻抗逐漸變大；輸入阻抗等于50是的饋點(diǎn)位置可由下式計(jì)算而得， (8)式中， (9)上述

8、分析都是基于參考地平面是無(wú)限大的基礎(chǔ)上的，然而實(shí)際設(shè)計(jì)中，參考地都是有限面積的，理論分析證明了當(dāng)參考地平面比微帶貼片大出6h的距離時(shí)，計(jì)算結(jié)果就可以達(dá)到足夠的準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)中參考地的長(zhǎng)度LGND和寬度WGND只需滿足以下條件即可，即 （10） （11）3.天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算本文設(shè)計(jì)的矩形微帶天線工作于ISM頻段，其中心頻率為2.45GHz；無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均可工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為Rogers R04003，其相對(duì)介電常數(shù)r=3.38,厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。根據(jù)前文給出的理論分析可以計(jì)算出微帶天線的幾何尺寸，包括貼片的長(zhǎng)度L和寬度W、同軸線饋點(diǎn)

9、的位置坐標(biāo)（Xf，Yf），以及參考地的長(zhǎng)度LGND和WGND。1，矩形貼片的寬度W把m/s,，代入（6）式可得微帶天線的寬度，即 W=41.4mm2，有效介電常數(shù)把h=5mm，W=41.4mm，代入（3）式，可得有效介電常數(shù)，即e = 2.953,輻射縫隙的長(zhǎng)度把h=5mm，W=41.4mm，e = 2.95,=2.95代入（5）式，可得縫隙的長(zhǎng)度，即=2.34mm4，矩形貼片的長(zhǎng)度L把m/s,，=2.95，=2.34mm代入（4）式，可得矩形微帶貼片的長(zhǎng)度，即L=31.0mm5，參考地的長(zhǎng)度LGND和寬度WGND把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm分別代入（10）、（11）可以計(jì)

10、算得到參考地長(zhǎng)度和寬度，即LGND61.8mm WGND71.4mm6，同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（Xf，Yf）把，W=41.4mm，L=31.0mm分別代入是（7）（8）（9），可以算出微帶天線同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（Xf，Yf），即Xf=9.5mm Yf=0mm4.仿真分析根據(jù)上面得出的貼片天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在HFSS中建立天線模型見(jiàn)圖3所示。圖中最外面的矩形代表輻射邊界，材料為真空。輻射場(chǎng)里面的矩形板就是設(shè)計(jì)的微帶天線的基板，基板上橫向的矩形線就是微帶天線。微帶天線的一端為激勵(lì)端口，該端口為同軸線饋電端口。經(jīng)過(guò)仿真、優(yōu)化后，最終確定的微帶天線參數(shù)見(jiàn)表1。圖3 微帶天線HFSS模型根據(jù)建立的微帶天

11、線模型，利用HFSS軟件進(jìn)行了性能仿真。經(jīng)過(guò)仿真、優(yōu)化后，最終確定的微帶線天參數(shù)見(jiàn)表1。表1 微帶天線參數(shù)圖4為S參數(shù)仿真曲線。從圖4中可以看出，曲線在2.45GHz左右反射系數(shù)最大，達(dá)到-16.745dB，說(shuō)明在該頻率匹配最佳。從圖4中還可以看出，S曲線開(kāi)口窄，表現(xiàn)出了微帶天線頻帶窄的特點(diǎn)。圖4 天線S參數(shù)仿真曲線 圖5.是仿真得到的微帶天線的駐波比特性曲線，在2.45GHz附近VSWR達(dá)到最小1.35，小于一般天線要求的2，說(shuō)明天線的電抗分量較小，天線的匹配效果好，傳輸效率高。圖5 VSWR參數(shù)仿真曲線圖6是仿真得到的smith圓圖，可以看出該天線完全滿足設(shè)計(jì)要求。在2.448GHz時(shí)歸一化阻抗為0.954-j0.254。圖6 仿真得到的smith圓圖從圖7可以看出該微帶天線最大輻射方向是微帶貼片的法向方向,即Z軸正向，最大增益為7.54dB。圖8為E面方向圖。 圖7 3D增益方向圖 圖8 E平面增益方向圖5.結(jié)論討論了微帶天線的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)天線尺寸的計(jì)算公式，分析了不同尺寸參數(shù)對(duì)微帶天線的性能影響。設(shè)計(jì)了諧振頻率為2.45GHz的微帶天線，利用HFSS軟件建立天線模型，得出了天性特性的仿真曲線，與理論設(shè)計(jì)值吻合較好。說(shuō)明了本設(shè)計(jì)的有效性。參考文獻(xiàn)：1 美Joh