900MHz同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS仿真

900MHz 同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS 仿真

微带天线它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面敷以金属薄层做接地板而成。辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。

微带天线馈电有多种馈电方式，如微带线馈电、同轴线馈电、耦合馈电和缝隙馈电等。其中，最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。

同轴线馈电又称背馈，它是将同轴插座安装在接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上。若寻取正确的馈电点位置，就可以获得良好的匹配。 1 矩形微带天线的特性参数 1.1 微带辐射贴片尺寸估算

设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度ω，即为：

2

1

)2

1(2-+=r f c εω （1）

式中，c 是光速，8

10*3=c 。

辐射贴片的长度一般取为

2

e

λ，e λ是介质内的导波波长，即为： e

e f c

ελ=

（2） 式中，e ε是有效介电常数，即为：

2

1

)121(2

1

2

1

-+-+

+=

ω

εεεh r r e （3）

考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：

L f c

L e

∆-=

22ε （4）

式中，L ∆是等效辐射缝隙长度，即为：

)

8.0)(258.0()

264.0)(3.0(412.0+-++=∆h h h

L e e ωεωε （5）

2. 同轴馈电矩形微带天线设计

在使用同轴馈电时，在阻抗匹配方面，在主模10TM 工作模式下，馈电点在矩形辐射贴片长度L 方向边缘处（x=±L/2）的输入阻抗最高，约为100Ω-400Ω。馈电点在宽度ω方向的位移对输入阻抗的影响很小。但在宽度方向上偏离中心位置时，会激发n TM 1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。

由下式可以近似计算出输入阻抗为50Ω时的馈电点的位置：

)1

1(2

1re

L

L ξ-

=

（6）

式中，

2

1

)121(21

2

1

)(-+-+

+=

L

h L r r re εεξ （7）

3. 设计要求

使用HFSS 设计中心频率为915MHz 的矩形微带天线，并给出天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm 的RF4环氧树脂板，天线馈电方式采用50Ω同轴线馈电。

x

图1 同轴馈电俯视图

天线初始尺寸的计算： 辐射贴片宽度：mm 77.99=ω 辐射贴片长度：mm L 89.77=

50Ω匹配点初始位置1L ，计算出初始位置后，然后再使用HFSS 的参数扫描分析和优化设计功能，分析给出50Ω匹配点的实际位置即可，mm L 91.191=。

4. HFSS 设计

表 变量定义

注：波长与频率的关系式为f

c =

λ。 在设计矩形微带天线时，模型的中心位于坐标原点，辐射贴片的长度方向是沿着x 周方向，宽度方向是沿着y 轴方向。介质基片的大小是辐射贴片的2倍，参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS 中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。因为使用50Ω同轴线馈电，所以这里使用半径为0.6mm 、材质为理想导体（Pec ）的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。

最终尺寸：

5. HFSS导出加工文件