矩形微带天线介绍

微带天线尺寸计算

 

设计指标和天线尺寸计算

 

HFSS设计流程

 

 

创建物体模型

设置为模式驱动求解类型，单位设置为mm

1. 创建参考地

给参考GND设置理想导体边界条件

 

1. 创建长方体（介质层）

 

 

1. 创建微带天线的辐射源

创建矩形面

 

因为这个平面为辐射源，所以需要为其设置理想导体边界条件

 

1. 创建材质为理想导体的圆柱体

目前来说，圆柱体的信号被参考地阻隔（因为参考地是被设置为理想导体边界条件的），为了让信号圆柱体自由的输入输出，因此需要在参考地上开一个孔，孔的半径需要设置的比圆柱体大，这边设置为1.5mm

1. 创建圆面

   通过参考地减去圆孔，就相当于在参考地上开了一个小孔，

   依次选中参考GND和圆孔，利用bollean->substract操作，因为还需要Port面作为集总端口平面，因此需要勾选clone按钮，保留Port面

 

将圆孔设置为集总端口激励

 

在底部窗口x y z输入 10 0 0

积分校准线dx dy dz输入 1 0 0

 

 

设置辐射边界条件

     辐射表面距离辐射源通常需要大于1/4工作波长（2.45GHz情况下，1/4波长约为35mm），所以在此创建一个长方体，把它表面设置为辐射表面，因此该长方体的表面需要大于1/4工作波长

       创建长方体模型

设置长方体的辐射边界条件

 

添加求解设置项

 

添加扫频设置项

一、设计指标

• 中心频率：2.45GHz
• 介质板相对介电常数：4.4
• 介质板厚度：1.6mm
• 馈电方式：50$\Omega$同轴线馈电

二、同轴馈电微带天线设计

同轴线馈电的矩形微带天线结构如下图所示

其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。在阻抗匹配方面，使用同轴线馈电时，在主模$T{M}_{10}$工作模式下，馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处$(x=\pm L/2)$ 的输人阻抗最高，约为100$\Omega$ ~ 400$\Omega$。馈电点在宽度$w$方向的位移对输人阻抗的影响很小，但在宽度方向上偏离中心位置时，会激发$T{M}_{1n}$模式，增加天线的交叉极化辐射，因此，宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点(y=0)；而在辐射贴片的几何中心点(x=0,y=0) 处的输人阻抗则为0,亦即此时无法激发$T{M}_{10}$模式。由下式也可以直接近似计算出输人阻抗为50$\Omega$时的馈电点的位置。$$L_1=\frac{L}{2}\left(1-\frac{1}{\sqrt{{\xi }_{\mathrm{r}\mathrm{e}}}}\right)$$式中$${\xi }_{\mathrm{r}\mathrm{e}}(L)=\frac{{\epsilon }_r+1}{2}+\frac{{\epsilon }_r-1}{2}{\left(1+12\frac{h}{L}\right)}^{-1/2}$$
计算的出50$\Omega$匹配点：$L_1=7mm$
其他参数参照侧馈矩形微带天线，最终参量如下表

参量意义	参量名	参量值（单位：mm）
介质板厚度	H	1.6
辐射贴片长度	L0	27.9
辐射贴片宽度	W0	37.26
馈电点距离贴片中心距离	L1	7
四分之一工作波长	length	30

三、模型创建与仿真

首先将上表中的参量添加进HFSS的设计属性，如下图所示

模型创建完成后如下图

馈电设置为一个半径0.6mm的馈针，并且在GND上裁去与馈针同圆心，半径为1.5mm的圆片，如下图所示

设置过程如下

模型创建完成后进行仿真，仿真结果如下

从结果报告中可以看出，采用同轴线馈电，微带天线的谐振频率为2. 45GHz。此时，$S_{11}$值约为- 24.2dB，说明天线已经达到了良好的阻抗匹配状态，从而也验证了使用所计算50$\Omega$输人阻抗位置的准确性。
接下来，我们在其他参量不变的情况下，利用HFSS的参数扫描分析功能，分析同轴线馈电点的位置和天线输入阻抗之间的关系。

四、分析同轴馈电馈电点位置和输入阻抗的关系

1、首先添加参数扫描分析项L1，从0mm到12mm间隔1mm扫描，设置如下图所示

查看结果时将主要扫描项【Primary Sweep】设置为L1，将查看频率设置为2.45GHz在，如下图所示

分析结果如下图

从结果报告中可以看出，馈电点位置变量L1的值在6mm ~ 8mm之间时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。

2、查看2.45GHz频点的输入阻抗和同轴线馈电点位置的变化关系如下

从结果报告中可以看出，同轴线馈电点从辐射贴片的中心向边缘移动时，输入电阻由0逐渐变大到100$\Omega$左右，输入电抗由15$\Omega$逐渐减小到-25$\Omega$左右。当L1移动到6.6mm位置时，输入阻抗约为(50.0-j1) $\Omega$。

3、在Smith圆图上查看2.45GHz频点的$S_{11}$和同轴线馈电点位置的变化关系

4、优化设计找到最佳阻抗匹配点

从前面的参数扫描分析结果可知，当馈电点位置变量L1在6mm ~ 7mm之间时，天线在中心频率2.45GHz处的回波损耗最小，阻抗匹配最好。下面使用HFSS的优化设计功能，分析并给出最佳阻抗匹配点。优化变量为馈电点的位置变量L1,优化范围为6mm~7mm。优化目标是在2.45GHz时$S_{11}$<-30dB。
在设计属性【Design Properties】中选中L1为分析最优化值的参量

调出最优化的设置

设置分析最优化


最后优化得出在L1=6.6mm为最优解，相应的仿真结果如下

一、应用背景

微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。虽然在1953年就提出了微带天线的概念，但并没有在工程界的引起重视。从20世纪50年代到60年代也只是做一些零星的研究，直到20世纪70年代初期，在微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来。  为适应现代通信设备的需求，天线的研发方向主要往几个方面进行，即减小天线的尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也变得越来越小，这时天线尺寸就需要越来越小了。然而，在减小天线的尺寸的同时又不明显影响天线的增益和效率是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。微带天线由于重量轻、体积小、成本低、制作工艺简单、易与有源器件和电路集成等诸多优点，所以得到广泛的应用和重视。

早期的微带天线具有频带窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大、功率容量有限等不足。因此微带天线的大部分大部分研究工作都是为了克服这些缺点，以便满足系统对天线愈来愈苛刻的要求。这些工作所取得的进展使得微带天线的发展和应用前景变得更为广阔。

现在微带天线已经广泛的应用于移动通信系统，有源集成天线，卫星导航，卫星通信和雷达等。微带天线得到如此广泛的应用，主要是因为微带天线具有造价低，低剖面，体积小，重量轻等特点。但是微带天线一个主要缺点就是它的窄频带特性。

二、设计指标

天线的工作频率f0=5.8GHz 

天线反射系数S11<=-10dB

带宽B=200MHz 或者5%

最大增益>=5dB

三、设计难点

1、天线的输入阻抗与微带线的特性阻抗匹配

2、工作频率f0处的反射系数S11小于-20db

3、下降10db处的带宽要达到200MHz或者5%

四、结构与工作原理

1、结构

此次设计采用矩形微带天线结构，馈电方式选择中心馈电（这种方式馈电，微带贴片与馈线是在一个平面上的，制作起来比较简单，但缺点是馈线本身也会辐射，从而干扰方向图使增益降低).

矩形微带天线由以下六部分组成：

（1）介质基片：设置为理想边界条件

（2）辐射贴片：模型材料为FR4

（3）1/4波长阻抗转换器:它使得电路中的反射电压波变少，从而损耗减少，提   高系统的传输效率

（4）微带传输线（50欧姆）：传输线起阻抗变换作用

（5）端口平面：端口激励设置为波端口激励

（6）辐射边界：即空气盒子。表面距离辐射体通常需要不小于1/4个工作波长

2、工作原理

设辐射元长为L，宽为W,介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，如下图所示。

根据微带传输线理论，由于基片厚度h《λ,场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度w方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2）有变化，其场分布如下图所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

由上图可见，在两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同相叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，如下图所示，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边W均与分布。缝的宽度ΔL≈h，长度为W，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

五、仿真研究过程

结构参数与性能参数的关系

设计用PCB板参数：厚度1.6mm，相对介电常数4.4 

 

（1）贴片宽度的确定

确定好介质板的材料和厚度以后，接下来要确定贴片的宽度。首先通过理

论公式计算出贴片的宽度为15.8mm，这个值是辐射贴片的最大值，

因为贴片的宽度大于这个值时，就会产生畸变场，所以我们调整辐射贴片的 宽度时，只能小于15.8mm。下图是不同贴片宽度的Sll仿真图，可以看出 宽度不同，中心频率也不同。

 

 

 

从表中可以看出当宽度调整到15.75mm时，天线的中心频率为5.8GHz，

S11=-32db。由此，贴片的宽度确定为15.75mm。

宽度的尺寸影响着微带天线的辐射电阻、输入阻抗以及方向性函数，从而就会影响辐射效率和频带的宽度

(2)贴片长度的确定

通过理论公式计算出贴片的长度为12mm，要找出长度的最佳值，同样用上述方法，在不改变其他参数的条件下，改变贴片的宽度，利用HFSS仿真，可以得到S1l参数图，如下图，从图中可以看出，长度的改变，会引起天线中心频率的改变。

 

 

从表中可以看出当长度调整到11.8时，天线的中心频率为5.79GHz，S11=-34db。由此，贴片的长度确定为11.8mm。

谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，长度越短，谐振频率越高。

（3）1/4波长阻抗转换器

先计算理论值，然后参数扫描，最后选择相对理想的值

 

 

从表中可以看出当长度调整到17.45mm，宽度为15mm时，天线的中心频率为5.8GHz，达到匹配状态（中心匹配点处理论值为1+j0,实际值为0.97+j0.03）。

。

 

 

六、结论与结果

在5.8GHz处，S11=-34dB，VSWR=1.04<2.在驻波比小于2的条件下，绝对频带宽度达到了220MHz，达到了设计初期200MHz的要求,或者天线的-10dB带宽约为（5.9-5.68）/5.8=3.79%,满足设计指标。此时S11图如下：

 

 

三维方向增益图：

 

从图中看可以看出矩形微带贴片天线的方向性很好，没有波瓣产生，在Z轴方向上辐射强度最大，其他方向辐射分散(红色表示辐射强度大，黄色部分表示辐射强度较低，绿色部分辐射强度最低)，还可以看出矩形微带贴片天线的对称性也是很好的,此时最大增益为红色部分显示>5dB,满足设计要求。

 

  

七、问题与分析

通过实物图测得实际的回波损耗S11只有-16dB,和仿真有着相当大的差距。

原因可能当时仿真时传输线没有达到匹配状态，造成回波损耗变大。

 

八、体会

 在本次设计中，我们要求设计谐振频率为5,8GHz的微带天线。我们首先讨论了微带天线的设计原理，翻阅了许多资料，了解微带天线的设计原理后才开始工作。在设计过程中，我们根据老师所发的资料中天线尺寸的计算公式，但是理论值和仿真还是有差距的，我们经过过不断地讨论和实验，分析了不同尺寸参数对微带天线的性能影响，最终确定了相对理想的值。我们在实验过程中学习并利用HFSS软件去建立天线模型，经过多次试验后得出了天线特性的仿真曲线，令我们高兴的事，设计的模型参数与理论设计值吻合比较好，只有很少一部分的误差，这对于第一次做天线模型的我们来说已经是很知足了。吻合较好的数据也说明了本设计的有效性。当然在本次设计过程中，遇到了大大小小的许多困难，我们三个人经过许多次的在一起学习老师所给的资料和讨论分析，会得出一些解决方法，去克服苦难。因为扫描参量会花费很多时间，我们一开始不会使用familys那一栏需要确定准确的参数，所以每次画图都要重新跑一次，所以有时候只有找到合适的方法才能事半功倍。