2017微带天线实验讲义-本科
实验五-微带天线设计_图文_图文
• 把Layout层映射到金属层，也就是把Cond层粘贴到Sub介质板上，如下图所 示，选择“Layout Layer”标签，在“Name”下拉列表中选择贴片所在的Layout层 cond，单击【Strip】按钮完成贴片的粘贴。设置金属层参数，单击【Applay】 ，然后单击“OK”
（4）添加端口
end Zt=sqrt(50*Zin) %计话框
优化目标对话框
• 进行优化仿真，下图为优化后的仿真结果。
• 打开前面仿真过的微带贴片的Layout文件，按照原理图尺寸在Layout中划出 匹配结的图形，然后设置板材参数，插入端口。
• S参数仿真。 中心频率还是发生了偏移！ 改进方法：减少匹配线长度，减少贴片长度
板材参数：
H:基板厚度(1.5 mm)，
Er:基板相对介电常数(2.65)
Mur:磁导率(1)，
Cond:金属电导率(5.88E+7)
Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)
TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)
报告要求：
（1）简单叙述微带天线工作原理； （2）给出微带天线的版图尺寸； （3）给出版图仿真结果，并对其结果进行分析； （4）制作该天线，进行测试，给出天线的驻波测试结果，分析误差原因。
使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可 能小。阻抗、驻波比与反射系数的关系为
(5) 辐射效率 Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W 。 天线增益、方向性系数和辐射效率的关系： (6) 半功率角
(a) 按电场定义； (b) 按功率定义
1.3 常见的天线类型
北大天线理论课件：第六章 微带天线
第六章缝隙天线与微带天线§6.1 缝隙天线缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。
6.1.1 理想缝隙天线理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。
For personal use only in study and research; not for commercial useFor personal use only in study and research; not for commercial use假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω（λω<<）、长度2/2λ=l 的缝隙。
缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：()()[]y m ez l k E z E ˆsin --=m E ---缝隙中间波腹处的场强值。
缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⨯-==0,ˆsin 0,ˆsin ˆ0x e z l k E x ez l k E E nJ z m z m z m等效磁流强度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⋅=⎰0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。
根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。
对于电对称阵子，电流分布为：)(sin )(z l k I z I -=辐射场表达式：θθθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为：()()ϑϑπωϕsin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m--=- ()ϑϑμεπωθsin cos cos cos klkl re E jH jkrm m-=- 在0<x 的半空间，电场和磁场的符号与上式相反。
微波天线培训资料2017
ZHANG TIEJUN
天线基础
电磁波的传播
振 子
电场
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
ZHANG TIEJUN
天线基础
接收天线
可逆性
互易原理
发射天线
ZHANG TIEJUN
天线基础
1.发射天线 2.接收天线
工作 性质
结构 形式
1.线天线 2.面天线
1.超长波天线 2.长波天线 3.中波天线 4.短波天线 5.超短波天线 6.微波天线
全向天线增益与垂直波瓣宽度
ZHANG TIEJUN
天线基础
定向天线增益
dBi vs. dBd
dipole isotropic
定向天线
dB Gain ref Dipole (dBD)
dB Gain ref isotropic (dBi)
0dBi (ref)
0dBD (ref)
PLAN VIEW
ZHANG TIEJUN
0
10
20
30
40
50
60 (GHz)
Range Frequency
1 3-14
2 14-20
3 20-24
4 24-30
5 30-47
6 47-60
ZHANG TIEJUN
微波天线
增益与半功率角
G=20.417+20*logD(m)+20*logf(GHz)+10*log%
θ= 70 *
λ(m) D (m)
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB 到无 穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射， 无穷大表示完全匹配。 对于微波天线，一般要求回波损耗大于17.7dB。
天线原理第十四章微带天线
(14.10)
(14.11)
291
《天线原理与设计》讲稿
王建
FH (θ ) = sin θ
sin(
βh
2 βh sin θ 2
sin θ ) sin(
cos θ ) 2 βW cos θ 2
βW
(14.12)
由式(14.11)和式(14.12)可绘出矩形贴片微带天线的 E 面和 H 面方向图，如 图 14-7 所示。图中还给出了矩量法计算结果和实测结果。
14.2 微带天线结构及工作原理
14.2.1 微带天线结构
微带天线由很薄( t λ0 ， λ0 是自由空间中的波长)的金属带(贴片)以远小于 波长的间隔( h λ0 ，通常取 0.003λ0 ≤ h ≤ 0.05λ0 )置于一接地面上而成，如下图 14-1 所示。 微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射， 这可以通 过选择不同的贴片形状激励方式来实现。 选择不同的贴片组形状还可以实现端射 辐射。对于矩形贴片，贴片长度 L 一般取 λ0 3 < L < λ0 2 。微带贴片与接地面之 间有一介质薄片(称为基片)隔开。
14.2.3 馈电方式
286
287
《天线原理与设计》讲稿
王建
微带天线有许多种馈电装置形式，但主要分为三类，一是微带传输线馈电， 二是同轴线探针馈电，三是耦合馈电，如图 14-3 所示。
■微带传输线馈电
见图 14-3(a)。微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。 微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模，但是会产生更多的表面波和 寄生辐射，在实际应用中限制了带宽(一般 2～5%)。
(a) 微带传输线馈电
(b) 同轴线探针馈电
第四讲 微带天线
第四講微帶天線一、引言上一講介紹了對稱振子和接地單極子天線。
這兩種天線本质上屬於線天線。
但是手機內置天線往往都不是線天線的形式，常見的PIFA天線和單極子變形天線往往都是平面天線的形式。
儘管在某種程度上它們也和對稱振子或接地單極子天線有某种程度的相似性。
在現有理論基礎下，由於专門對手機天線進行嚴格理論分析的論著還很少，所以為更加深入地理解手機天線，我们還有必要瞭解幾種其他類型的天線的一般特性。
這一講主要介绍微帶天線的概念和基本原理。
二、微帶天線的結構如下圖所示，結構最簡單的微帶天線是由貼在帶有金屬地板的介質基片（）上的輻射貼片所構成的。
貼片上導體通常是銅和金，它可以為任意形狀。
但通常為便於分析和便於預測其性能都用较為簡單的幾何形狀。
為增強輻射的邊緣场，通常要求基片的介电場數較低。
三、微帶天線的特點微帶天線的典型優點是：1．重量輕、体積小、剖面薄；2．製造成本低，適於大量生產；3．通過改變馈點的位置就可以獲得線極化和圓極化；4．易於實現双頻工作。
但微帶天線也有如下缺點：1．工作頻帶窄；2．損耗大，增益低；3．大多微帶天線只在半空間輻射；4．端射性能差；5．功率容量低。
四、微帶天線的輻射機理微帶天線的輻射是由微帶天線導體邊沿和地板之間的邊緣场產生的。
這可以從以下圖中的情況簡單說明，這個圖是一個側向饋電的矩形微帶貼片，與地板相距高度為h。
假設電場沿微帶結構的宽度和厚度方向沒有变化，則輻射器的電場仅僅沿約為半波長（）的貼片长度方向變化。
輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的。
在兩端的場相對地板可以分解為法向和切向分量，因為貼片長度为，所以法向份量反相，由它们產生的遠區場在正面方向上互相抵消。
平行於地板的切向分量同相，因此合成場增強，從而使垂直於地板的切向份量同相，因此合成場增強，从而使垂直於結構表面的方向上輻射場最強。
根據以上分析，貼片可以等效为兩個相距、同相激励並向地板以上半空间輻射的兩個縫隙。
對微帶貼片沿寬度方向的電場變化也可以采用同樣的方法等效為同样的縫隙。
微带天线课件.共76页文档
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76
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪Байду номын сангаас
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
微带天线课件.
1、 舟 遥 遥 以 轻飏， 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色，裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去，有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉，不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ，并怡 然自乐 。
▪
缝隙天线和微带天线教育课件
(a)
(b)
(a)圆突—矩形波导缝隙天线； (b)扇面波导缝隙天线
其主要的研究热点为精确地计算相应缝隙的等效阻抗。
5.2 微带天线(Microstrip Antennas)
沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成， 它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消； 而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而 在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消， 在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消， 但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。
微带天线工作原理—辐射机理
矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的 缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接 地板的存在，天线主要向上半空间辐射。 对上半空间而言，接地板的效应近似等 效于引入磁流 M s 的正镜像。由于 h<<0 ， 因此它只相当于将 M s 加倍，辐射图形基 本不变。
g/2
图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵，适当地调整缝隙对中线的偏移x1和 斜角δ，可使得缝隙所等效的归一化输入电导为1，其电纳部分由缝隙中心附近 的电抗振子补偿，各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。
带宽
匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与 波导有较好的匹配，带宽主要受增益改变的 限制，通常是5%~10%。其缺点是调配元件 使波方导向图功率容量降低。
缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数 展开式表示，略去高阶项后可得近似结 果如下：
1
90
a 0
2
G
s
1
120
a 0
1 60
2
1 a 120 0
实验五 微带天线设计
四．ADS 仿真步骤： 1.新建一个工程，并命名 Patch,长度单位为 mm (1)打开新的 Degisn，命名为 patch_antenna
或者在工程开始界面中选 New Layout 快捷按钮
选择当前的 Layout 层位 cond 层
(2)创建贴片模型
单击工具栏中的矩形工具
（4）添加端口 执行菜单命令【Insert】 【Port 】 执行菜单命令【Momentum】 【Port Edit】,选择端口 1，设置端口参数
（5）S 参数仿真 执行菜单命令【Momentum】 【Simulation】 【S-Parameters】，参数设置 完成后，单击“Update”按钮，然后单击“Simulate”按钮，开始仿真
1 2
r
1 r
11
10
h
1 /
2
w
缝隙两端间有一辐射电导 Gs：
1
90
W 0
2
2
Gs
1 120
W 0
1 60
2
1 120
W 0
2
(w 0.350 ) (0.350 w 20 ) (w 20 )
开路端缝隙的等效导纳还有一电容部分。可用延伸长度Δl 来表示：哈默斯塔德
给出Δl 的经验公式如下：
r
归一化方向性因子 F ( ,) f ( ,) fmax
（2）E 面和 H 面方向图 工程上常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方
向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为 E 面 和 H 面。
E 面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H 面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 （3）主瓣宽度 方向图主瓣上两个半功率点之间的夹角，记为 2θ0.5。又称为半功率波束宽 度或 3dB 波束宽度。一般情况下，天线的 E 面和 H 面方向图的主瓣宽度不等， 可分别记为 2θ0.5E 和 2θ0.5H。可以描述天线波束在空间的覆盖范围，主瓣瓣 宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。
第六章-微带天线
郭景丽 邹艳林
第六章 微带天线
微带辐射器的概念首先由 Deschamps 于 1953 年提出来。但是，过了 20 年， 到了 20 世纪 70 年代初，当较好的理论模型以及对敷铜或敷金的介质基片的光刻 技术发展之后，实际的微带天线才制造出来，此后这种新型的天线得到长足的发 展。
微带天线可以分为三种基本 类型：微带贴片天线、微带行波天 线和微带缝隙天线。微带行波天线 （MTA）是由基片、在基片一面 上的链形周期结构或普通的长 TEM 波传输线（也维持一个 TE 模）和基片另一面上的地板组成。 TEM 波传输线的末端接匹配负 载，当天线上维持行波时，可从天 线结构设计上使主波束位于从边 射到端射的任意方向。
−h / 2 m
(6-1-3) (6-1-4)
将上式转化到球坐标系下应为：
∫ ∫ r
F
=
(−rˆ cosϕ
+ θˆ sinθ
)
1
4πr
W2 −W 2
J e dzdx h / 2
− jk (r − x sin θ cosϕ + z cosθ )
−h / 2 m
(6-1-5)
设磁流沿
x
和
z
的分布都是均匀的，则由
sin
θ
cosϕ ⎟⎞ sinθ ⎠
(6-1-8)
2
2
当介质厚度非常小时 kh << 1，上式可化简为：
Ev
= ϕˆ
jUkW
e − jkr πr
sin( kW cosθ 2
kW cosθ
)
cos⎜⎛ ⎝
1 2
kL
sin
θ
cosϕ ⎟⎞ sinθ ⎠
第10章讲义-微带天线
1 f n 2 cos kL sin sin 2
矩形微带天线远区辐射场为：
(10-7)
kh sin sin sin sin( kW cos ) e 1 2 2 ˆ jUkW cos kL sin sin sin (10-8) E kh kW r 2 sin sin cos 2 2
10.1.4
场的求解
微带天线的分析有许多方法，如传输线模型法(Transmission Line Model)，谐 振腔模型法(Cavity Model)，各种电磁场数值算法等。传输线模型法是所有方法 中最简单的，而且物理意义清晰明了，但是精度不够高且不易于模式耦合。谐振 腔模型法相对于传输线模型法精度要高，但比较复杂。同时它也清晰明了的表达 了物理意义且也不易于模式耦合。一般电磁场数值算是非常精确的，也是非常通 用的，但它模型复杂且物理意义不明显。 这里我们用传输线理论方法求解矩形微带天线的辐射场。
ˆ sin cos x ˆ sin sin y ˆ cos z ˆ r
ˆ， ˆ zz ˆ ，因此 R r r 'r 源点在缝隙处，其坐标为： r ' yy
(10-3)
电位为：
1 W 2 h/2 ˆ F z J m e jk r y sin sin - z cos dydz W 2 h / 2 4r
10.1
10.1.1
矩形微带天线
天线结构
微带天线由很薄( t 0 ， 0 是自由空间中的波长)的金属带(贴片)以远小于 波长的间隔( h 0 ，通常取 0.0030 h 0.050 )置于一接地面上而成，对于矩 形贴片，贴片长度 L 的典型值为 L / 2， 0 / r 。微带贴片与接地面之间 由一介质薄片(称为基片)隔开。矩形微带贴片可看作宽为 W、长为 L 的一段微带 传输线，其终端（ y L ）处呈现开路，是电压波幅和电流波节面，贴片和接地 板之间的电场分布如图 10.4 所示。
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微带天线的HFSS 仿真
一、实验目的
微带天线由于其具有的诸多优点而得到广泛的应用。
它的介质基片厚度往往远小于波长，因此本身就实现了小型化。
与普通的微波天线相比，微带天线的剖面薄，体积小，重量轻；并且具有平面结构，可以制成和导弹、卫星等载体表面共形的结构；同时它的馈电网络可以和天线结构一起制成，便于印刷电路技术大批量生产；另外它能与有源器件和电路集成为单一的模件；而且便于获得线极化、圆极化，易实现双极化、多频段等多功能工作。
本次实验是利用HFSS 仿真一种简单的矩形贴片微带天线。
在四种不同厚度和介电常数的介质基片上，通过调整贴片的尺寸和馈电点位置实现这四个微带天线均在5.8GHz 附近工作，并讨论微带天线的各部分参数对其性能的影响。
二、实验原理
常用的微带天线的辐射面积单元有矩形、圆形和三角形等，在相同相对介电常数和设计指标的前提下，无论从贴片的效率还是增益上，矩形微带天线都优于圆形微带天线，且结构简单，便于设计。
1、介质基片材料和厚度的选择
微带天线设计首先要确定介质基片的材料和厚度h 。
常见的介质板有duroid （εr = 2.2）和氧化铝（εr = 10.2）为基片。
一般来说，通常按照下面的表面波抑制条件来选择基片，即h / λ0<0.09（εr ≈ 2.3的基片）和h / λ0 <0.03（εr ≈ 10的基片）。
辐射贴片的长度L 近似为/2g λ，g λ为介质内波长，
其表达式为：0g λλ=0
λ为自由空间波长，e ε为有效介电常数，e ε定义如下：1/2
1
1
10(1)22r r e h W
εεε-+-=
+
+。
由
以上公式可以看出，贴片长度L 的值与基片的相对介电常数r ε和厚度h 也有着直接的关系。
2、单元宽度W 的选取
当确定介质基板的材料和厚度以后，e ε的大小取决于W ，而单元长度 L 的大小又取决于e ε，所以应先确定贴片宽度W 。
单元宽度W 的大小影响着微带天线的带宽和效率。
并且，W 的大小直接决定着微带天线的总体积，当辐射单元的宽带W 大于一定值时，又会产生高
次模，引起辐射场的畸变，因此尽量保持，1/2
0122r c W f ε-+⎛⎫≤ ⎪
⎝⎭。
3、单元长度L 的选取
矩形微带天线的长度 L 理论上取/2g λ，但考虑到有辐射缝隙场的存在，缝隙延伸长度用l ∆表示，则辐射单元的长度L 略小于半波长：/22g L l λ=-∆，l ∆经验公式为
0.2640.30.412.
0.2580.8
e e W
h l h W h
εε++∆=-+
4、馈电方式和馈电点位置的选择
对于采用同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片的长度L 和宽度W 之后，还需要确定馈电点的位置，馈电点的位置会影响天线的输入阻抗。
在微带天线应用中通常采用50Ω的标准阻抗，因此只需找到天线馈电点的位置使其输入阻抗等于50 Ω 即可。
三、仿真实例
本次实验将利用HFSS电磁仿真平台仿真一组中心频率5.8GHz的矩形微带天线实例，通过改变天线介质板厚度和介电常数，观察并验证微带天线各尺寸参数对天线性能的影响。
1、选择求解方式为驱动求解类型
2、创建介质板材料
从工程树中鼠标单击【Definitions】→【Materials】，右键后进入【Edit Library】。
打开后点击左下角【Add Material…】，创建两种材料1和材料2，相对介电常数分别设置为2.2和10.2，其他保留默认。
3、创建微带天线模型
1）、创建介质板
创建长40mm，宽40mm，高2mm的介质板长方体，内部设置为材料1。
其中设置了变量Gnd_L、Gnd_W、h，并将长方体更名为“substrate”，尺寸参数和位置坐标如下
将介质板底面独立，并将边界条件设置为pec。
即选中介质板的底面，鼠标右键单击【Edit】→【Surface】→【Create Object From Face】命令，获得一个未经过设置材料的平面。
将此平面选中后，鼠标右键单击【Assign Boundary】→【Perfect E…】后，OK确认。
2）、创建金属贴片
创建长16mm，宽9mm，以坐标原点为中心的长方形，其中设置了变量L、W，并将长方形更名为“patch”，尺寸参数和位置坐标如下，同样将边界条件设置为pec。
3）、创建馈电同轴
创建一个圆柱体，材料选为理想导体“pec”，坐标位置、半径设置如下，
此圆柱体即为馈电同轴内导体，半径0.65mm，pf为x轴方向上馈电点到原点的距离。
创建完成后选中，再复制两个圆柱体，半径分别设置为2.05mm和2.2mm，坐标和长度修改如下，并将半径为2.05mm的圆柱体材料修改为特氟龙，做同轴线内部填充介质使用，即0.65*2mm为同轴线外导体内径，根据同轴线阻抗计算公式可知。
0.65*2
50
2.05*2
b
R
a
==≈Ω
然后利用相减操作，使模型与实际情况相符。
利用“减“操作时，如下所示，注意勾选“Clone tool objects…”，以保留被减物体内部的结构。
4、设置集总端口激励
选中同轴线内填充介质的底面，创建集总端口【Lumped Port…】，并设置如下积分线，单击下一步至完成。
5、求解设置
求解扫频和迭代次数设置如下，
6、辐射边界条件设置
创建空气盒子，使盒子边界与微带天线边界相距四分之一个波长。
选中空气盒子，并将其外表面设置为辐射边界。
7、设置辐射远场
工程树中鼠标右键单击【Radiation】→【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere…】命令，在弹出的窗口中，设置如下
8、设计检查并运行仿真
9、查看仿真结果并分析
1）、查看S11参数
仿真完成后，从工程树中鼠标右键单击【Results】→【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】命令，在弹出的窗口中设置如下后，点击【New Report】获得结果。
在结果图的界面，单击鼠标右键，选中【Marker】→【Add Y Marker】设置标记线，并将Y value设置为“-10”。
2）、查看天线方向图
仿真完成后，从工程树中鼠标右键单击【Results】→【Create Far Fields Report】→【Radiation Pattern】命令，在弹出的窗口中设置如下，点击【New Report】获得结果。
10、优化
从工程树中鼠标右键单击【Optimetrics】→【Add Parametric…】，添加参数扫描，以实现天线性能最优。
举例如下图，
四、实验内容
按照第三部分中的步骤完成矩形微带天线实例的仿真。
五、实验要求
利用HFSS完成实验内容中的矩形微带天线的仿真，完整记录实验结果（S11和方向图）。