侧馈矩形微带天线
侧馈矩形微带天线设计与分析
摘要：近些年来，天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都发了巨大变化。在国内，幅域广阔，虽然有线网发展迅速，但对于广大的农村以及偏远的地区，无线传输可能是唯一的选择。在广播电视技术领域，随着广播电视在农村的普及，微带天线的发展和应用有着广阔的市场和光明的前途。尤其在移动广播电视中，微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。
本设计使用HFSS软件，设计具有一种具有低阻抗特性的微带天线。该天线在2.42GHZ~2.48GHZ频段范围内S11小于-20dB，该天线长90.45mm,宽97.26mm,高31.6mm，达到谐振频率为2.45GHZ的设计要求。
关键词：无线传输 HFSS 微带天线
一．前言
微带天线的概念首先是有Deschaps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线【4】。微带天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中，侧馈一般指的是用微带线馈电，背馈是用同轴线馈电。同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。
研究目的：与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线。同时微带天线以这些特性受到广泛的关注。随着移动通信系统业务的不断发展，通信设备不断向小型化发展，对天线的体积，集成度等要求越来越高。随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。因此，研制微带天线具有很大的实际价值。
研究意义：近些年来，天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关键设备在功能、设计及制造工艺上都发了巨大变化。而且微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；而微带天线分为侧馈矩形微带天线、同轴馈电矩形微带天线、双频微带天线和圆极性微带天线。本文主要是对侧馈矩形天线的设计和分析，侧馈一般指的是用微带线馈电，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电，因此研究侧馈矩形天线也是非常有意义的。
国内外研究进展：早在二十世纪五十年代尚德（G.A.Dcschamps）就提出了利用微带线的辐射制成微波天线的概念，但是在随后的20年里，对此只有一点零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切要求，芒森（R.E.Munson）和豪威尔（J.Q.Howell）等研究者研制成功了一批实用的微带天线【4】。之后，随着科学技术的迅猛发展，微带天线无论在理论上还是在应用上都取得了进一步的发展，并已经显示了它的巨大潜力。微带天线最初是作为火箭和导弹上的全向共行天线而得到应用与发展的。目前在国内外的研究中，军事领域的微带天线已大量应用于100MHz·100GHz的宽广频域上的无线电设备中，例如卫星通信、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信等无线电系统。目前，微带天线还广泛应用于现代移动通信、个人通信、医疗器件和环境保护等许多民用科研领域，并且得到了空前的发展。可见，微带天线的发展正方心未艾，应用前景十分广阔。
我们的工作主要是设计出设计具有一种具有低阻抗特性的侧馈矩形微带天线。该天线中心频率2.42GHZ~2.48GHZ频段范围内，介质基片采用厚度为1.6mm 的FR4环氧树脂板，天线的馈电方式为微带线馈电【3】。利用HFSS做出仿真并根据结果优化进行性能分析和总结，从而得到我们所需要的天线。
二 .结构模型
在天线模型图的设计中除了要注意尺寸及变量的设计还有最重要的一点就是边界条件的设定了，ＨＦＳＳ中的边界条件有十一种，分别是：理想导体边界条件、有限导体边界条件、辐射边界条件、对称边界条件、阻抗边界条件、集总ＲＣＬ边界条件、无限地平面、主从边界条件、理想匹配层和分层阻抗边界条件。
以下是天线的整体模型图：
图１微波天线结构图
1. 天线组成介绍：
我们设计的微波天线由以下六部分组成：
（1）辐射贴片：模型材料为FR4
（2）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。同时，匹配网络对器件的增益，噪声，输出功率还有着重要的影响。在微波传输系统，
它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性，关系到微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器件的质量等一系列问题。
（3
）微带传输线（50欧姆）：传输线起阻抗变换作用，辅助放大器前的传输线起相位平衡作用。
（4）端口平面：端口负载为50欧姆，端口激励设为波端口激励，与此同时还需设定积分线以确定电场方向和端口电压积分方向。在上图中没有显示出积分线。
（5）介质基片：我们设置为理想边界条件。
（6）辐射边界：即空气盒子，在这里需要注意的问题是：表面距离辐射体通常需要不小于1/4个工作波长。在模型图中我们设置为辐射边界。
2. 天线尺寸：
（1）、（2）、（3）号尺寸如下图所示：
图２ 辐射贴片、1/4波长阻抗转换器、微带传输线尺寸图
（4）端口平面、（6）辐射边界尺寸如下图所示
图３端口平面、辐射边界尺寸图
(5)介质基片尺寸如下：
图４ 介质基片尺寸 三、优化方案： 优化设计就是HFSS 在一定的约束条件下根据特定的优化算法对设计的某些参数进行调整。从而在所有可能的变化中寻找一个满足设计要求的值。
由于我们设计的是2.45GHZ 的微波天线，刚开始仿真出来的频率是小于这个值的，所以针对这个问题进行了优化。
１、优化步骤如下：
X: 90.45mm
Z:1.6mm
初始设计——>添加优化变量——>添加优化设计项——>运行优化分析
以下是我们所做天线的全部可以添加为优化变量的变量。我们添加的优化变量是L0和1/4波长阻抗转换器的宽度W1
图5
２、优化算法的种类：
优化算法共有5种：非线性顺序编程算法、混合整数非线性顺序编程算法、拟牛顿法、模式搜索法、遗传算法。用得较多的是非线性顺序编程算法和拟牛顿法。我们选择的优化算法是拟牛顿法。
以下是优化后，不同L0的对应的S11曲线，从图上可以看出随着L0的增加频率是降低的。且L0为28mm的时候得到的波形频率最接近2.45GHz
图６不同L0的对应的S11曲线图
以下是L0为28mm时不同W1对应的S11曲线。可以看出改变1/4波长阻
抗转换器的宽度W1是不会影响频率的。但是在W1为1mm时对应的S11最小。
图７不同W1对应的S11曲线图
S11的Smith圆周结果：
图８Smith圆周结果
四．结果与讨论
1、 S参数
S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗【1】。这些参数是天线设计中需要关注的重要参数，初次设计的S11参数如下图所示：
图9 初次S11的扫描分析结果
这次设计的结果得到的谐振频率为2.27GHZ，这与我们所需的2.45GHZ还有一定距离，所以我们对相关的参数进行了分析和实验，得到了所需的谐振频率。修改过后，得到了如下图：
图10 最终S11的扫描分析结果
由上图结果可知，天线的谐振频率落在2.45GHZ上，这与我们预期的效果一致。
2、方向图
天线的辐射场在固定距离上随球坐标系的角指标分布的图形被称为天线的辐射方向图或辐射波瓣图，简称方向图。方向图通常是在远区确定的。用辐射场表示的方向图称为场强方向图，用辐射功率密度表示的方向图称为功率方向图，用相位表示的方向图称为方向图[3]。以下图为天线在xz和yz截面上的增益方向图：
图11 天线在xz和yz截面上的增益方向图
该图为xz方向和yz方向的剖面图，从图上可以看到两个垂直剖面的图，这样可以更直观的看到不同面上的增益情况，同一图上的两个增益还便于比较和分析结果，其三维立体图如下图所示：
图12 三维增益方向图
该三维方向图将抽象的增益具体化，通过图上颜色的变化可以知道增益的大小和渐变情况。
3、场分布图
从场分布图中可以看出天线的电磁场分布，这是天线设计中重要的一步，本次设计得到的天线场分布图如下图所示：
图13 微带天线的电磁场分布图
4、种参数特征所使用的数学表达式
4.1 S11的表达式如下
S11=20lg(Г)[2]
上式中S11代表输入回波损耗，Г是天线馈电端口的反射系数。
4.2 S21的表达式如下
[2]
符号表示点积和时域卷积运算，信道传播这一项表达了系统的多径传播对整个系统的影响。
4.3 方向性系数
天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强
度之比，即：[3]
式中，平均辐射强度U0实际上是辐射功率除以球面积，即：
[3]
通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向系数，即：
[3]
4.4 天线增益
方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线将输入功率转换为辐射功率的效率，为了更完整地描述天线的特性，特以天线的输入功率为基点定义了一个增益。天线的增益是表征将输入给它的功率按特定方向辐射的能力，定义为在相同输入功率、相同距离的条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射，其表达式如下：
[3]
五．总结
总结工作内容，此处与摘要不同，需更为详细。基于仿真、性能分析与讨论，总结出了侧馈矩形微带天线的特点【3】
（1）由于矩形微带天线的谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，贴片的长度越短，谐振频率就越高。所以我们使用参数扫描分析功能分析谐振频率随着辐射贴片长度L0的变化关系，从而找到谐振频率为2.45GHz时对应的L0值。
（2）天线的阻抗匹配通用的是50欧，所以在设计微带线馈电的矩形微带天线时，可加上一段1/4波长阻抗转换器，使得微带天线的边缘阻抗与50欧阻抗达成匹配。根据仿真结果可知，所设计的天线的中心工作频率2.4GHz频点S11值最小，约—23.5dB。此时该天线长90.45mm,宽97.26mm,高31.6mm，达到谐振频率为2.45GHZ的设计要求。
（3）侧馈矩形微带天线是微带天线里最常见的一中天线结构。本文通过对矩形微带天线的设计和仿真，做出了频率工作在2.45GHz的天线。具体的选择参数大小和性能好坏还是要根据实际工程来判定的。
以上就是本文所做的全部工作。由于时间有限，本文还有许多的不足之处，希望老师能够对本文做出的工作提出宝贵的意见和建议。
参考文献
【1】程勇.吕文俊.程崇虎“一种小型平面超宽带天线的设计与研究[”期刊论文]-电波科学学报2006(04)
【2】钟顺时.梁仙灵.延晓荣“超宽带平面天线技术”[期刊论文]-电波科学学报 2007(02)
【3】李明洋刘敏杨放《HFSS天线设计》电子工业出版社
【4】https://www.360docs.net/doc/b411501490.html,/p-7156118139975.html李琴芳硕士学位论文《高增益微带天线的研究与发展》
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名
输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
微带天线仿真设计(5)讲解
太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师
专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… ……
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。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航
矩形微带天线的馈电点的位置z和馈线的宽度的计算公式
求矩形微带天线的在侧馈（微带线馈电）情况下，馈电点的位置z 和馈线的宽度的计算公式。 求矩形微带天线的在侧馈（微带线馈电）情况下，馈电点的位置z 和馈线的宽度的计算公式。 假设此微带贴片天线将与50欧姆的微带线链接。 急需相关公式，非常感谢高手赐教！ 已知：矩形贴片天线 辐射边沿可以看作用微带传输线连接起来的辐射槽,如图12 - 17 所示,单个辐射槽的辐射电导为 W ≤λ0 W>λ0 单个辐射槽的辐射电纳为 式中 k0=2π/λ0是自由空间的波数,Z0是宽度W 的微带特性阻抗,εe 是有效介电常数 , ΔL 是边沿电容引起的边沿延伸。由下图可看出,边沿电场盖住了微带边沿,等效为贴片的电长度增加。 微带贴片天线22 0220 90120W G W λλ???=????0B =()()01/21112122/0.2640.30.4120.258/0.8r r e e e Z h W W h L h W h εεεεε-?=???+-???=++? ???? ?++?=?-+??
Y in Y 0L L h G +j B G +j B ???? 为了计算天线的辐射阻抗,天线可以等效为槽阻抗和传输线级联。输入导纳为 式中Ys 为式（12 - 17）给出的辐射槽导纳,β=2πεe/λ0微带线内传播常数。谐振时, L+ΔL=λg/2=λ0/2εe, 式(12 - 19)仅剩两个电导,即 Y in=2G 微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W 不是很关键,通常按照下式确定: 000tan (2)tan (2) s in s s Y jY L L Y Y Y Y jY L L ββ++?=+++?02(2)e f L L ε=+?1/20221r c W f ε??= ?+??
实验一：微带天线的设计与仿真
实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 矩形微带天线设计与分析 万聪，沈诚诚, 王一平 2011级通信2、4班 沈诚诚：主要负责资料准备与整理 王一平：主要负责论文的格式与后期资料扩充 万聪：主要负责设计模型 三人共同学习hfss软件设计模型，共同参与讨论编写论文，发扬团结合作的精神，克服所遇到问题，完成好老师布置的作业。 摘要：微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视，已经被广泛应用在1OOMHz—1OOGHz的宽广频域上的大量的无线电设备中。本文介绍了一种谐振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。本论文给出了详细的设计流程：根据理论经验公式初步计算出矩形微带天线的尺寸，然后在HFSS里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离2.44GHz为止。微带天线固有的缺陷是窄带性，它的窄带性主要是受尺寸的影响，在不改变天线中心频率的前提下，通过理论经验公式与仿真软件的结合，给出了微带天线比较合理的尺寸。通过HFSS 13.0软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：微带天线、谐振频率、HFSS Abstract: the microstrip antenna has attracted wide attention from related fields with the advantages of small volume, light weight, low profile, unique, a lot of radio equipment has been widely applied in broad frequency range 1OOMHz - 1OOGHz of the. This paper introduces a 2.45GHz resonant frequency, input impedance of the antenna for the rectangular microstrip antenna using a 50 ohm coaxial feed. This paper gives a detailed design process: according to the theory of empirical formula calculated the size of rectangular microstrip antenna, then modeling and Simulation in HFSS, repeated adjustment according to the simulation results of the antenna size, until the simulation results in the center frequency antenna can not depart from the 2.44GHz to stop. The inherent defects of microstrip antenna is narrow, narrow band it is mainly affected by the size, in the premise of not changing the antenna center frequency, through a combination of theoretical formula and simulation software, the reasonable size of microstrip antenna. The antenna is simulated by HFSS 13 software, optimization, and ultimately get the best performance. Keywords: microstrip antenna, resonant frequency, HFSS 10.8线馈矩形微带天线的分析*、** 10.8.1三维有限差分法对线馈矩形微带天线的分析** 摘要：本文使用三维FDTD 算法实现文献《Application of the three_Dimensional Method to the analysis if Planar Microtrip Circuits 》IEEE trans. On MTT 1990 38(7)的一个矩形微带贴片天线的S11参数的计算。采用MA TLAB 编程完成数值计算，并与文中的结果进行了比较。 （1） 概述 文献《Application of the Three_Dimensional Finite Difference Time Domain Method to the Analysis of Planar Microtrip Circuits 》给出了详细的理论分析。本文主要是从该文出发，采用MA TLAB 程序完成数值计算过程，画出了时间步为200，400，600，800时介质内的电场分布图形。天线的尺寸如图10.65所示： 图10.70 线馈矩形微带天线结构 （2） 理论基础 支配方程： E t H ?-?=??μ H t E ??=??ε 由此推导出有限差分方程： * 由毕战红, 代子为, 韩春元, 白波, 赵洪涛, 路鹏同学完成 ** 由毕战红同学完成 2.09 2.46 16mm 12.45mm 0.794m 上视图 侧视图 )()(,1,,,,,1 ,,,,,,2 /1,,,2/1,,,n k j i z n k j i z n k j i y n k j i y n k j i x n k j i x E E y t E E z t H H ---+-??--??+ =μμ； )()(1,,,,,,,,1,,,,2 /1,,,2/1,,,n k j i x n k j i x n k j i z n k j i z n k j i y n k j i y E E z t E E x t H H ---+-??--??+ =μμ； )()(,,1,,,,,1,,,,,2 /1,,,2/1,,,n k j i y n k j i y n k j i x n k j i x n k j i z n k j i z E E x t E E y t H H ---+-??--??+ =μμ； )()(2 /1,,,2/11,,,2/1,,,2/1,1,,,,,1,,,+++++++-??--??+ =n k j i y n k j i y n k j i z n k j i z n k j i x n k j i x H H z t H H y t E E εε; )()(2 /1,,,2/1,,1,2/1,,,2/1,,1,,,,1,,,+++++++-??--??+ =n k j i z n k j i z n k j i x n k j i x n k j i y n k j i y H H x t H H z t E E εε; )()(2 /1,,,2/1,1,,2/1,,,2/1,,1,,,,1,,,+++++++-??--??+ =n k j i x n k j i x n k j i y n k j i y n k j i z n k j i z H H y t H H x t E E εε （3） 数值计算分析 A. 网格划分与时间步确定 由于感兴趣的频段范围是DC ——20GHz ，不妨将25GHz 取为频段的上限。则波长λ的最小值应该是mm f c 12max min ==λ 考虑到?的取值应该小于等于20min λ所以仅仅从频带的角度考虑，应该有： mm 6.020min max =≤?λ (10.8.1) z 方向上的介质厚度为0.794mm ，可以将其分为3个网格，z ?近似有mm z 265.0=?。符合max ?≤?z 的要求。Y 方向上的长度为16mm,可以将其分为40个网格或80个网格。如果分为80个网格，则mm y 2.0=?，由于Y 方向上的场分布不是我们特别感兴趣的所以不必要将其分的太细，取40个网格就可以。这样就有mm y 4.0=?，符合max ?≤?y 。 比较困难的是确定x ?的值，由于在x 方向上有三个尺寸，12.45mm,2.09mm,2.46mm 如果想将每一个尺寸都恰好分为整数个网格数，比较困难。考虑到天线的尺寸12.45mm 要尽量准确，因此先从这个入手。文献中给出的389.0=?x mm ，天线区域分为32个网格，这样有448.1232389.0=?，与实际的尺寸有0.002mm 的误差，而微带馈线的宽度为 mm 334.26389.0=?，误差为-0.126mm,微带馈线的位置为945.15389.0=?mm,误差为： -0.115mm.。 可以考虑的另外一种方法：取mm x 2075.0=?，这样天线区域刚好分为60个网格， 08通信 陆静晔0828401034 微带天线设计 一、实验目的： ● 利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线 ? 微带天线的要求：工作频率为2.5GHz ，带宽（S11<-10dB ）大于5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理： 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1-1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L 、辐射源的宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相 对介电常数εr 和损耗正切tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG 。图1-1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层 与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是TM 10模，意味着电场在长度L 方向上有λg /2的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图1-2（a ）所示，在长度L 方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图1-2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 图1-1 矩形微带天线的馈电点的位置z和馈线的宽 度的计算公式 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 求矩形微带天线的在侧馈（微带线馈电）情况下，馈电点的位置z 和馈线的宽度的计算公式。 求矩形微带天线的在侧馈（微带线馈电）情况下，馈电点的位置z 和馈线的宽度的计算公式。 假设此微带贴片天线将与50欧姆的微带线链接。 急需相关公式，非常感谢高手赐教！ 已知：矩形贴片天线 辐射边沿可以看作用微带传输线连接起来的辐射槽,如图12 - 17 所示,单个辐射槽的辐射电导为 W ≤λ0 W>λ0 单个辐射槽的辐射电纳为 式中 微带贴片天线22022090120W G W λλ???=?? ??0B =()()01/21112122/0.2640.30.4120.258/0.8r r e e e Z h W W h L h W h εεεεε-?=???+-???=++? ???? ?++?=?-+?? k0=2π/λ0是自由空间的波数,Z0是宽度W 的微带特性阻抗,εe 是有效介电常数, ΔL 是边沿电容引起的边沿延伸。由下图可看出,边沿电场盖住了微带边沿,等效为贴片的电长度增加。 Y in Y 0L L h G +j B G +j B ???? 为了计算天线的辐射阻抗,天线可以等效为槽阻抗和传输线级联。输入导纳为 式中Ys 为式（12 - 17）给出的辐射槽导纳,β=2πεe/λ0微带线内传播常数。谐振时, L+ΔL=λg/2=λ0/2εe, 式(12 - 19)仅剩两个电导,即 Y in=2G 微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W 不是很关键,通常按照下式确定: 000tan (2)tan (2) s in s s Y jY L L Y Y Y Y jY L L ββ++?=+++?02(2)e f L L ε=+?1/20221r c W f ε??= ? +?? 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=。 一.微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 上图是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介点常数ε和损耗正切tanδ、介质的长度LG和宽度WG。图中所示的天线是采用微带线来馈电的，本次我要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微 带天线的工作模式是TM 10模，意味着电场在长度L 方向上有λg /2的改变，而在 宽度W 方向上保持不变，如图所示，在长度方向上可以看成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图中可以看出微带线边缘的电场可以分解成垂直参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ，则有 L e =λg /2 式中，λg 表示导波波长，有 λg =λ0/ε 式中，λ0表示自由空间波长；εe 表示有效介电常数，且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中，εr 表示介质的相对介电常数；h 表示介质厚度；w 表示微带贴片的宽度。 因此，可计算出矩形贴片的实际长度L ，有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL= 2102-e f c εΔL 式中，c 表示真空中的光速；f 0表示 ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度，且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算， W=21 2102-??? ??+εf c 对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω. 对于如图所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心以 （x f ，y f ）表示馈点的位置坐标。 前段时间仿了一下5GHz的侧馈微带贴片天线，写下一些小心得。 一、切记要将贴片的高度设计在Z=0的高度，否则你转为.dxf时文件并不能打开。 二、功分器的关键参数是贴片的长度，它对谐振点的频率有影响。另外，1/4波长匹配器的长度对匹配有影响。 三、天线的最重要的指标是S11，低于-20dB最好，但是低于-15dB也可用。 在使用HFSS设计的过程中，如果使用波端口激励，那么端口应该在空气腔的边缘处。如果使用集总参数激励，那么端口应该在空气腔的内部。在这里使用波端口激励。 第一步：定义变量 第二步：建模 空气腔：airbox 介质：substrate，Rogers4003, 0.813mm 微带线：patch 波端口激励：port1, port2, port3 第三步：设置边界及波端口激励 一、边界的顺序是很重要的，在这里应该会设置微带线为perfectE, 之后再设计电阻为RLC。Substrate的底面应该要设为perfectE。Airbox的不与波端口和substrate接触的面应该要设为radiation。 二、波端口积分方向为从Z=-H到Z=7*H，正中间。 第四步：设置求解频率以及扫描频率 第五步：检查是否设计正确 第六步：查看仿真结果，若结果不理想，再进行参数扫描。如下图所示： 添加参数扫描范围parametric，查看它的变化规律，仿真出最好的实验结果。得到扫描范围后，可对其进行优化，optimization，得出理想的结果。 第七步：仿真结果如下图所示 问题：个人觉得S11参数还可以再小一点，因此加了优化变量在调试求得更好的现象。 若能求解出最好的值，那么就再选求得的值。 烟台大学 毕业论文（设计） 基于HFSS的微带天线设计 Microstrip antenna design based on HFSS 申请学位：工学学士学位 院系：光电科学技术与信息学院 烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：光电信息科学技术学院 [摘要]天线作为无线收发系统的一部分，其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。近年来内置天线在移动终端数量日益庞大的同时功能也日益强大，对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求。由于不同的通信网络间的频段差异较大，所以怎样使天线能够覆盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计内置天线的主要问题。微带天线具有体积小，重量轻，剖面薄，易于加工等诸多优点，得到广泛的研究与应用。微带天线的带宽通常小于3％，在无线通信技术中，对天线的带宽有了更高的要求；而电路集成度提高，系统对天线的体积有了更高的要求。 随着技术的进步，在不同领域对于天线的各个要求越来越高，所以对微带天线的尺寸与性能的分析有着重要的作用。对此，本文使用HFSS 软件研究了微带天线的设计方法，论文介绍及分析了天线的基本概念和相关性能参数，重点对微带天线进行了研究。 本文介绍了微带天线的分析方法，并使用HFSS 软件的天线仿真功能，对简单的微带天线进行了仿真和分析。 [关键词] 微带天线设计分析HFSS [Abstract]Antenna as part of the wireless transceiver system, its performance important impact on the overall performance of a system. Internal antenna in recent years an increasingly large number of mobile terminals while also increasingly powerful, and also network coverage and miniaturization of the antenna Band differences between the different communication networks, cover band and also problem of the design built-in antenna. Microstrip antenna with small size, light weight, thin profile, easy to process many advantages, extensive research and application. Microstrip antenna bandwidth is typically less than 3% the bandwidth of the antenna in wireless communication technology; improve the integration of the circuit the size of the antenna. As technology advances in different areas for various requirements of the antenna important role. Article uses HFSS microstrip antenna design, the paper introduces and analyzes the basic concepts and performance parameters of the antenna, with emphasis on the microstrip antenna. This article describes the analysis of the microstrip antenna and antenna simulation in HFSS simulation and analysis functions, simple microstrip antenna. [Key Words]Microstrip antenna design analysis HFSS 《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真 单位（院、系）：信息工程学院 学科专业: 电子与通信工程 学号：416114410159 姓名：曾永安 时间：2011.4.25 矩形微带天线的设计与仿真 学科专业：电子与通信工程学号：416114410159 姓名：曾永安指导老师：吴毅强 摘要：本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：HFSS，微带线，天线 Design and Simulation of Rectangular Microstrip Antenna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well. Key words:HFSS,Microstrip,Antenna 1.引言 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。 2.微带贴片天线理论分析 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 图1 微带天线的结构 天线CAD大作业 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程 微带天线设计 一、设计要求： （1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε = 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。 （2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤 计算天线几何尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为 h=5mm,中心频率为 f=1.15GHz,s m /103c 8?=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则 （1）辐射切片的宽度2 1 )2 1(2-+=r f c w ε=69.72mm （2）有效介电常数2 1)12 1(2 1 2 1 r e - +-+ += w h r εεε=5.33 （3）辐射缝隙的长度) 8.0/)(258.0() 264.0/)(3.0(h 412.0+-++=?h w e h w e L εε=2.20 （4）辐射切片的长度L e f c L ?-=22ε=52.10mm （5）同轴线馈电的位置L1 21 )121(21 2 1)(re - +-++= L h r r L εεξ=5.20 )1 1(21re L L ξ-= =14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述 为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下： 微带天线的HFSS设计模型如下： 立体图俯视图 模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。 （2） HFSS设计环境概述 ＊求解类型：模式驱动求解。 ＊建模操作 ①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。 ②模型操作：相减操作 ＊边界条件和激励 ①边界条件：理想导体边界、辐射边界。 ②端口激励：集总端口激励。 ＊求解设置： 班级： 姓名： 学号： 指导教师：徐维 成绩： 电子与信息工程学院 信息与通信工程系 1微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ，则有 L e =λg /2 式中，λg 表示导波波长，有 λg =λ0/ε 式中，λ0表示自由空间波长；εe 表示有效介电常数，且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中，εr 表示介质的相对介电常数；h 表示介质厚度；w 表示微带贴片的宽度。 因此，可计算出矩形贴片的实际长度L ，有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL=2102-e f c εΔL 式中，c 表示真空中的光速；f 0表示天线的工作频率；ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度，且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算， W=21 2102-??? ??+εf c 对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω.对于如图所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心以（x f ，y f ）表示馈点的位置坐标。 对于TM 10模式，在W 方向上的电场强度不变，因此理论上的W 方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发TM 1n 模式，在W 方向上的馈点的位置一般取在中心点，即 y f =0 在L 方向上电场有λg /2的改变，因此在长度L 方向上，从中心点到两侧，阻抗逐渐变大；输入阻抗等于50Ω时的馈点可以由下式计算， x f =) (2L L ξ 式中， )121(2121 21)(l h L +--++=εεξ 上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明来了当参考地平面比微带贴片大出6h 的距离时，计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度L GND 和宽度W GND 只需要满足以下条件即可， L GND ≥L+6h W GND ≥W+6h 2设计指标和天线结构参数计算 我这次设计的矩形微带天线工作于ISM 频段，其中心频率为 2.45GHz ；无线局域网（WLAN ）、蓝牙、ZigBee 的无线网络均可以工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr =3.38，厚度h=5mm ；天线使用同轴线馈电。微带天线的三个关键参数如下：工作频率f 0=2.45GHz ；介质板材的相对介电常数εr =3.38；介质厚到h=5mm 。 1.矩形贴片的宽度W 把c=3.0×108 m/s ，f0=2.45GHz ，εr =3.38带入，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即 W=0.0414m=41.4mm 燕山大学 课程设计说明书 题目: 基于ADS的矩形微带贴片天线的设计 学院（系）：理学院 年级专业：电子信息科学与技术13 学号： 学生姓名：张凤麒任春宇 指导教师：徐天赋 教师职称：副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：理学院基层教学单位：电子信息科学与技术13 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日燕山大学课程设计评审意见表 基于ADS的矩形微带贴片天线设计 The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS 摘要：本文研究了通信系统中的矩形微带贴片天线。首先介绍了矩形微带贴片的背景及微带馈电的设计考虑。使用了安捷伦辅助仿真工具ADS对2GHz矩形微带贴片天线结构及相应的参数进行了设置仿真及优化，尽可能达到其相应的技术指标。 Abstract：This paper studies the rectangular microstrip patch antenna in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are simulated and optimized by ADS, and the corresponding technical index is reached as far as possible. 关键词：矩形微带贴片天线 ADS 设计 Keyword：Rectangular microstrip patch antenna ADS design 一.矩形微带贴片天线的背景 微带贴片天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。本文选用矩形贴片来研究微带天线。矩形微带天线设计与分析
线馈矩形微带天线的分析
微带天线设计
矩形微带天线的馈电点的位置z和馈线的宽度的计算公式
900MHz同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS仿真
矩形微带天线
微带侧馈贴片天线单元的仿真与版图
(完整版)基于HFSS的微带天线设计毕业设计论文
矩形微带贴片天线设计及仿真
天线CAD大作业微带天线设计
矩形微带天线设计
GHz矩形微带贴片天线设计