设计贴片天线
实验七-微带贴片天线的设计与仿真
实验七微带贴片天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个微带贴片天线2..查看并分析该微带贴片天线的二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示：设辐射元的长为L，宽为ω，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，根据微带传输线的理论，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ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。
在开路两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向叠加，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，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。
缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。
这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
四、实验内容利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。
中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。
最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。
五、实验步骤1.建立新工程了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。
2.将求解类型设置为激励求解类型：（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中(a)选择Driven Modal。
(b)点击OK按钮。
3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
（2）在设置单位窗口中选择：mm。
设计实验 微带贴片天线设计
设计实验微带贴片天线的设计一、实验目的Fig. 1 微带贴片天线设计思路1、通过HFSS仿真设计微带贴片天线，具体参数要求如下：✓工作频率为2.6GHz，使用材料为FR4（相对介电常数ε=4.4），厚度为1.6mm的双面覆铜板；✓辐射贴片采用夹角为180°的扇形贴片，利用50Ω的微带线进行馈电，用1/4波导微带匹配段对天线进行阻抗匹配；✓要求天线的血站频率在2.55GHz~2.65GHz范围内，且仿真参数S11在谐振频率出小于-13dB。
2、天线设计思路参考Fig.1，仿真成功后做出实物板。
二、实验原理1、HFSS仿真设计流程：建立模型→设置边界和激励（包括金属板、介质板和空气盒子）→建立优化→设置求解条件，并执行仿真→生成结果。
2、利用APPCAD计算微带线参数：介质板厚度为1.6mm，FR4材料的相对介电常数ε=4.4，中心频率为2.6GHz，根据APCAD计算，如图Fig.2所示，为使微带线馈电电阻为50.04Ω，微带线宽度应为W3=3.06mm，并且1/4波导微带匹配段的长度应为L=15.65mm.Fig. 2 扇形贴片天线参数计算同时，金属板尺寸为100mm×75mm，可初步估计扇形半径R=33mm，馈线长度L3=5mm，匹配段宽度W=1mm。
根据以上参数可绘制如图Fig.3所示。
Fig. 3 扇形贴片天线参数和设计示意图3、制板流程：导出图形→打印胶片→PCB板打孔穿线→将胶片固定在PCB板上进行曝光→显影→刻蚀→用酒精除去感光膜→焊接→测试。
三、仿真过程与分析正面示意图背面示意图Fig. 4 微带贴片天线设计金属板示意图1、建立模型（Fig.4）。
打开HFSS，绘制介质板，第一个点（-10，0，0），第二个点相对坐标为（100，75，-1.6），建立尺寸为100mm×75mm×1.6mm的长方体。
●绘制正面图形：绘制馈线：第一个点（38.475，0，0），第二个点相对坐标（3.06，5，0），建立3.06mm×5mm的矩形馈线。
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种常用于高频电磁场仿真的软件，可用于设计和优化天线等高频器件。
本文将对矩形微带贴片天线的仿真设计进行详细分析和报告。
1.研究目的本次仿真设计旨在设计一种结构简单、性能优越的矩形微带贴片天线。
希望通过HFSS软件的仿真分析，优化天线的频率特性、增益和辐射方向性。
2.设计细节首先，选择一种合适的基底材料和贴片形状。
常用的基底材料有FR-4、Rogers等，贴片形状一般选择矩形。
基于实际需求和设备限制，确定天线的工作频率范围和增益要求。
其次，根据工作频率计算出天线的尺寸。
根据微带天线的原理，通过公式计算出贴片的长度、宽度和介电常数。
可以利用尺寸调整和电气长度来调整频率响应和阻抗匹配。
然后，进行天线的仿真设计。
在HFSS软件中，建立仿真模型并进行电磁场分析。
可以通过调整尺寸、形状和介电常数等参数，优化天线的性能指标。
可以通过频率扫描和图形分析等方法，获得天线的频率响应、辐射特性、增益和辐射方向性等。
最后，评估和优化设计结果。
根据仿真结果对天线的性能进行评估，并进行合理的优化调整。
可以根据需求对天线的尺寸、形状和工艺参数进行调整，以达到最佳的性能指标。
3.仿真结果与分析通过分析仿真结果，可以总结出矩形微带贴片天线的设计优缺点：优点：1)结构简单，制造工艺成熟，易于实现和集成；2)在工作频率范围内具有较高的增益和辐射方向性；3)相对比较小的尺寸，适合应用于小型设备和多天线系统中。
缺点：1)工作频率受贴片尺寸和介电常数的影响较大，需要精确的尺寸控制和阻抗匹配设计。
4.结论与展望本文基于HFSS软件进行了矩形微带贴片天线的仿真设计和分析。
通过优化调整尺寸、形状和介电常数等参数，设计出了一种具有较高增益和辐射方向性的天线结构。
仿真结果表明，该设计满足了实际需求和性能指标。
然而，本文的仿真设计还存在一些改进空间。
微带贴片天线计算公式
微带贴片天线计算公式
微带贴片天线是一种常用的天线类型，在无线通信领域应用广泛。
它小巧轻便、易于制作和安装，具有较高的辐射效率和较好的方向性。
本文将介绍微带贴片天线的计算公式和一些相关知识。
我们需要了解微带贴片天线的基本结构。
它由一个金属贴片和一个地板构成，其中贴片是天线的辐射元件，地板则起到反射和支撑的作用。
贴片的形状和尺寸对天线的性能有很大影响，因此在设计微带贴片天线时，需要根据具体的应用需求选择合适的尺寸和形状。
对于常见的矩形微带贴片天线而言，其共振频率可以通过以下公式进行计算：
f = c / (2 * (L + Lr) * (W + Wr) * sqrt(εr))
其中，f为共振频率，c为光速，L和W分别为贴片的长度和宽度，Lr和Wr为贴片与地板之间的边缘长度补偿，εr为介电常数。
微带贴片天线的辐射功率也可以通过以下公式进行估算：
P_rad = (η * P_in * G) / (4 * π * R^2)
其中，P_rad为辐射功率，η为辐射效率，P_in为输入功率，G为天线的增益，R为接收点到天线的距离。
除了共振频率和辐射功率，还可以通过其他公式计算微带贴片天线
的输入阻抗、驻波比等参数。
不同类型的微带贴片天线可能有不同的计算公式，具体的设计方法和公式可以参考相关文献和专业书籍。
微带贴片天线的计算公式是设计和优化天线的基础，通过合理选择参数和使用适当的公式，可以得到性能良好的微带贴片天线。
希望本文能够帮助读者更好地理解和应用微带贴片天线技术。
微带贴片天线阵列的研究与设计
微带贴片天线阵列的研究与设计随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组件，其性能和设计受到了广泛。
微带贴片天线作为一种常见的平面天线，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，被广泛应用于现代通信系统中。
本文将重点探讨微带贴片天线阵列的研究与设计。
微带贴片天线的基本原理是利用微带线来传输信号，并在贴片表面形成电磁场，从而实现电磁波的辐射和接收。
微带贴片天线的应用范围广泛，如移动通信、卫星通信、雷达等领域。
为了满足现代通信系统的需求，微带贴片天线阵列的研究与设计成为了关键。
微带贴片天线阵列的研究与设计方法包括理论分析、实验测试和数据分析。
理论分析是研究微带贴片天线阵列的基础，通过建立模型来分析天线的辐射特性和性能参数。
常用的分析方法包括电磁场理论和有限元法等。
实验测试是研究微带贴片天线阵列的重要环节，通过测试数据来验证理论分析的正确性。
实验测试包括天线性能参数的测量和辐射特性的测试等。
数据分析是对实验测试结果进行处理和解释的过程，通过对比不同数据来优化天线阵列的设计。
实验结果表明，微带贴片天线阵列具有优良的性能特点和优势。
微带贴片天线阵列的辐射性能较强，能够实现方向性和增益的控制。
微带贴片天线阵列的带宽较宽，有利于实现多频段通信。
微带贴片天线阵列易于集成和制造，具有较低的成本和较高的可靠性。
这些优点使得微带贴片天线阵列在未来通信领域中具有广泛的应用前景。
本文通过对微带贴片天线阵列的研究与设计，总结了其性能特点和优势，并指出了微带贴片天线阵列在技术创新和应用推广方面的意义。
微带贴片天线阵列作为一种重要的平面天线，具有广泛的应用前景。
在未来的研究中，可以进一步探索微带贴片天线阵列的高效设计和优化方法，提高其性能和可靠性，以满足不断发展的无线通信需求。
随着无线通信技术的快速发展，天线作为通信系统中关键的组成部分，其性能和设计受到了广泛。
特别是高性能宽带双极化微带贴片天线，其在无线通信领域具有广泛的应用前景。
贴片天线原理
贴片天线原理
贴片天线是一种常用的无线通信天线，在许多小型电子设备中广泛应用。
它具有小型化、易制作、易集成和较高的工作频段等优点。
贴片天线的原理基于电磁感应和电磁辐射。
它由一个金属片做成，可以是铜片或铝片等导电材料。
这个金属片被粘贴或焊接在电路板的表面上，因此称为“贴片”天线。
当贴片天线与电路中的射频信号源相连时，电流会通过天线中的金属片。
这个电流会在金属片上产生电磁场，进而辐射出去。
根据安培法则，这个辐射出去的电磁场会形成一个类似于射频信号源的电磁波。
贴片天线的效果和性能取决于它的形状和尺寸。
在设计时，需要考虑天线的长度、宽度、厚度以及金属片与电路板的距离等因素。
这些参数的选择和调整可以使天线在特定的频段内工作，并获得最佳的匹配和辐射效果。
贴片天线可以用于不同的通信系统和频段，如蓝牙、Wi-Fi、GPS、无线电频段等。
由于它的小巧和易用性，贴片天线被广
泛应用于智能手机、平板电脑、智能手表、无线传感器等设备中。
总的来说，贴片天线通过电磁感应和电磁辐射实现无线通信。
它具有小型化、易制作和易集成等优点，在现代电子设备中发挥着重要的作用。
贴片天线设计实验报告
贴片天线设计实验报告1. 实验目的本实验的目的是设计并制作贴片天线，通过对贴片天线的参数进行调整和优化，使其在特定频率下具有良好的性能。
2. 实验原理贴片天线是一种常见的微型天线，广泛应用于无线通信领域。
其主要原理是通过改变贴片天线的尺寸和形状，使其在特定的频段内具有较低的驻波比，从而发挥得到良好的通信性能。
3. 实验步骤本实验的具体步骤如下：1. 根据所需频段，选择天线的材料和基底。
2. 根据天线的材料和基底参数，计算贴片天线的尺寸。
3. 利用计算机辅助设计软件，绘制出贴片天线的几何结构。
4. 将贴片天线的几何结构传输到制造设备上，进行打样制作。
5. 制作完成后，使用网络分析仪对贴片天线进行测试。
6. 根据测试结果调整贴片天线的尺寸和形状，使其性能达到要求。
7. 反复进行测试和调整，直至达到满意的性能。
4. 实验结果与分析在本实验中，我们选择了2.4GHz频段作为设计目标。
经过多次测试和调整，最终设计出了一种尺寸为10mm ×8mm的贴片天线。
在该尺寸下，贴片天线的驻波比在2.4GHz频段内保持在1.5以下，性能良好。
通过进一步的测试和分析，我们发现贴片天线的性能受到许多因素的影响，包括天线材料、基底材料、天线尺寸和形状等。
不同的参数组合会导致天线在不同频段下具有不同的性能。
因此，在实际应用中，需要根据具体的需求进行调整和优化。
5. 实验总结通过本次实验，我们学习到了贴片天线的设计原理和制作方法，并成功设计了一款在2.4GHz频段下性能良好的贴片天线。
实验结果表明，贴片天线的性能受到多种因素的影响，需要根据具体应用的需求进行调整和优化。
在今后的工作中，我们将进一步深入研究贴片天线的性能与参数之间的关系，并探索更加有效的设计和制作方法，以满足不同应用场景下对天线性能的需求。
参考文献- 张三, 李四, 王五. 贴片天线设计与制作. 通信技术, 2010(3): 50-55.。
带金属光栅缝隙的矩形微带贴片天线的设计
带金属光栅缝隙的矩形微带贴片天线的设计一、概述在电磁波通信领域中，微带天线是一种广泛应用的天线类型。
它具有结构简单、易于制作和安装、成本低廉等优点，因此被广泛应用于无线通信系统、雷达系统和卫星通信系统等领域。
而带金属光栅缝隙的矩形微带贴片天线作为一种改进型的微带天线，在实际应用中具有更好的性能表现。
二、研究背景传统的矩形微带贴片天线结构简单，但在频率调谐范围有限，而且辐射效率不高。
为了克服这些问题，学者们提出了多种改进型的微带贴片天线结构，其中带金属光栅缝隙的矩形微带贴片天线是一种新型的设计方案。
该设计通过在贴片天线的金属板上加工一定间距的金属光栅缝隙，可以有效地扩大其频率调谐范围，并提高辐射效率，因此备受研究者们的关注。
三、设计原理带金属光栅缝隙的矩形微带贴片天线的设计原理是通过金属光栅缝隙的添加，改变了原有的微带贴片天线的电磁场分布和谐振频率，从而实现了对天线性能的优化。
光栅缝隙的加入能够改变贴片天线的电磁场分布，从而使得天线在更宽的频率范围内拥有良好的谐振特性。
光栅缝隙的加入还可以提高天线的辐射效率，增强其信号传输性能。
四、设计步骤1. 设计天线的工作频率：首先需要确定天线所需工作的频率范围，通常可以根据具体的通信系统要求来确定。
2. 计算天线的尺寸和参数：根据所选定的工作频率，利用天线设计软件或者公式计算出天线的尺寸和参数，包括贴片的长度、宽度，介质板的相对介电常数等。
3. 设计金属光栅缝隙的结构：根据天线的设计要求，确定金属光栅缝隙的结构，包括光栅缝隙的宽度和间距等参数。
4. 制作天线样品并测试：根据设计好的尺寸参数，制作出天线样品，并进行频率特性测试和辐射效率测试。
根据测试结果，优化天线的设计参数，直至满足要求。
五、设计优化在设计过程中，可以通过优化光栅缝隙的结构和天线的尺寸参数来优化天线的性能。
具体的优化手段包括改变光栅缝隙的宽度和间距，调整贴片的尺寸和介质板的相对介电常数等。
六、应用前景带金属光栅缝隙的矩形微带贴片天线由于其优良的性能表现，具有广阔的应用前景。
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天线馈入方式：
1、传输线feed
图1所示是利用传输线来feed能量进入天线中。
Feed in 点深入平板天线中对谐振频率并不会有太大的影响，但却可以改变输入的阻抗值。
Feed in 点位置不同，输入阻抗就不同。
一般对传输线的要求和对电路的要求一样，均希望基板厚度要薄，介电常数要高才能把大部分的电磁场包在基板裡面。
但是对天线来说，却希望基板厚度要厚，介电常数要低才能使大部分的场幅射出去。
因此，两者之间有矛盾，须作一折衷，才能使得在不连续处有较少的幅射损失。
图 1
2、同轴线Feed
图2所示，是利用同轴线去feed能量到平板天线上。
和传输线Feed相同，可以在平板天线上找到一个feed in 点是想要的输入阻抗，在此把能量送到天线上发射出去。
同轴线和平板天线的排列成正交垂直，所以有很好的隔离度，但是利用同轴线来作feed in有一个缺点，就是製作不易，那是因為在基板上打洞，并且要把同轴线的中心针銲在天线上并不是一件简单的事，但因有好的隔离度，所以也广為大家使用。
图 2
3、Coupled Feed
图3所示，是利用coupled line 把能量藕合到天线上再幅射出去。
这种方式
藕合的能量通常较小，因此，若要有足够的能量幅射出去，便须把天线的一边当作coupling edge，藕合能量才够。
图3
4、Buried Feed
图4所示，是Coupled Feed的一种改良方式，利用多层板的架构来作能量的藕合。
Buried Feed是把天线做在上层，传输线做在下层，同时使这二个部分达到最佳化。
上层用较低的介电常数和较厚的板子来作以提高幅射，下层用较高的介电常数和较薄的板子来作以减少传输线幅射的產生，这是单层板所没有的优点。
但是因為结构较复杂，所以并没有简单的模型来模拟它。
使用多层板有另一个好处即是可以增加频宽，类似堆叠的结构，由於要对输入阻抗作匹配，因此若使用transmission line或coaxial cable来作feed in，通常均是以不对称的方式将能量藕合进去。
这种不对称的方式会產生higher order modes和cross-polarized radiation。
為了避免这种情况的发生，我们会使用Buried Feed 或Slot Feed 的藕合方式来作feed in 的工作。
图4
5、Slot Feed
图5所示，是改良自Buried Feed的架构，在传输线和天线中间放上接地面，使二者有很好的隔离，再在接地面上切出一个slot，利用这个slot来藕合能量到天线上。
但在接地面上切出一个slot，就像在传输线和天线之间又加入一个
magnetic dipole，会產生一个虚偽的幅射。
称為虚偽幅射是因為它并不是我们想要得到的，因此，有必要使slot远离平板天线的幅射边，以减少虚偽幅射的產生，且应适当的决定slot的尺寸，以避免在平板天线的操作频带中，发生谐振而影响到正常的操作。
图5
分析方法：
1、传输线Model
传统的微带线如图6所示，上下二个金属面所看到的介质的介电常数不同，所以有不同的波速。
若等效成一个均匀的介质来看，须引入一个有效的介电常数εeff。
εeff和基板的介电常数、微带线的长度、宽度有关，其关系如式(1)。
-------------------------(1)
图6
当宽度远大於基板的厚度时，电磁场大部分被包在基板内，所以εeff =εr 。
当宽度远小於基板的厚度时，电磁场不只会在基板上，也会飞到空中，所以εeff = εr +1/2 。
εeff 也是频率的函数，其关系如图7所示。
当操作频率上升，大部分的电磁场会被包在基板当中，因此有效的介电常数εeff 会接近基板本身的介电常数εr。
又由於fringing effect的效应使有效的长度大於实际的长度，因此，在设计天线时应把由於fringing effect所造成的影响△L加入设计的考量当中，如式(2)及式(3)所示。
-------------------(2)(3)
图7
△L為宽高比(W/h)和εeff 的函数，如图8所示。
假设这个rectangular patch antenna操作在基本的TM010 mode，则其谐振频率如式(4)。
-----------------------(4)
图8
c為光速，式(4)并没有考虑fringing effect，若考虑fringing effect则须做一些修正，如式(5)。
当基板的厚度增加时，fringing也会增加导致Leff会越大，即二个幅射边相距越远，根据式(5)可知，谐振频率也会下降。
------------(5) 2、Cavity Model
当能量feed in进入平板天线时，在平板天线的上下二个表面会有电荷的分佈，接地面也会有电荷的分佈，如图9所示。
有二种机制，一种是吸引，另一种则是排斥。
吸引机制是来自平板天线的下表面和接地面有不同的电荷极性所致，这个机制使电荷能集中在平板天线的下表面，而排斥机制来自於平板天线的下表面，此机制使下表面的电荷往上表面流，產生相对的电流密度JbandJt。
由於在大部分的实际应用中，h/W的比例通常都很小，所以主要為吸引机制，而且，大部分的电荷分佈和电流密度分佈在平板天线的下表面，Jt会随著h/W的比例越小而越小，最后近似於0。
因為Jt是0，所以在平板天线的四边并没有切线方向的磁场分佈，因此可以把这四边看成是perfectmagnetic conducting surfaces。
实际上。
h/W并非无限的小，所以这四边并非為perfect magnetic conducting surface，
但可以此作一很好的近似，且因為基板的厚度很小，所以fringing field也较小，因此可以把电场分佈想成均垂直导体表面而只考虑TM x field的传输模式。
最后这个cavity就可以把它看成是上下二个perfect electric conducting surfaces，前后左右為perfect magnetic conductingsurfaces。
图9
由於平板天线的厚度很薄，电磁波跑到平板天线的幅射边时会遭遇到很大的反射而使幅射效率变差。
透过解wave equations可以知晓电磁场的分佈，Vector potential Ax须满足式(6)：
----------------(6)
利用分离变数法可得式(7)：
一些基本的谐振模式如图10所示。
Cavity Model的等效电流密度如图11(a)，等效的电流及磁流密度如式(13)。
------------------------------13
图10
因為h/W很小，所以patch antenna的上表面电流密度是小於下表面的电流密度。
我们假设切线方向的磁场是０，因此等效的电流密度Js 将很小。
我们令其為０以利后面的计算，如图11(b)所示。
而由於接地面的关系，会使slot对地面產生一个image的效果，而使磁流变成二倍，即Ms=-2nXEa ，如图11(c)所示。
二个幅射边的磁流如图12所示，可以看成是二个dipole形成阵列天线彼此相距L的距离。
对TMx010 mode来说L=λ/2，中间平行板则形成低阻抗的转换器，在垂直天线的方向二个dipole同相位，所以有最大的幅射量(broadside)。
而平行天线的方向因相差180°，所以有一null產生。
二个不幅射边的磁流如图13所示，在每一边的磁流量值相同但方向相反因此互相抵消而不幅射，典型的E和H plane的场型如图14所示。
图11
图12
图13
图14。