矩形微带天线设计

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微波技术基础与天线报告 矩形微带天线设计

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Le，则有

Le=λg/2 式中，λg表示导波波长，有

λg=λ0/ 式中，λ0表示自由空间波长；εe表示有效介电常数，且

εe=2

1)121(2121wh

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=Le-2ΔL=λ0/e-2ΔL=2102efcΔL

式中，c表示真空中的光速；f0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hW

hW



矩形贴片的宽度W可以由下式计算， W=2

1

2102fc

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（xf，yf）表示馈点的位置坐标。 对于TM10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TM1n模式，在W方向上的馈点的位置一般取在中心点，即

yf=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，

xf=)(2L

L



式中，

)121(212121)(lhL



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LGND和宽度WGND只需要满足以下条件即可，

LGND≥L+6h WGND≥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f0=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=3.0×108m/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 2.有效介电常数εr 把h=5mm，W=41.4mm，εr=3.38带入，可以计算出有效介电常数，即

εe=2.95 3.辐射缝隙的长度ΔL

把h=5mm，W=41.4mm，εe=2.95带入，可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即

ΔL=2.34mm 4.矩形贴片的长度L

把c=3.0×108

m/s，f0=2.45GHz，εe=2.95，ΔL=2.34mm带入可以计算出微带天线矩形贴

片的长度，即 L=31.0mm 5.参考地的长度LGND和宽度WGND

把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm分别带入，可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即 LGND≥61.8mm WGND≥71.4mm 6.同轴线馈点的位置坐标（xf，yf）

把εr=3.38，W=41.4mm，L=31.0mm分别带入，可以计算出微带天线同轴线馈点的位

置坐标（xf，yf），即

xf =9.5mm yf =0mm 3新建HFSS工程

3.1运行HFSS并新建工程 双击桌面上的HFSS快捷方式，启动HFSS软件。HFSS运行后，会自动新建一个工程文件，选择主菜单【File】>【Save As】命令，从弹出的菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件重新命名为weidaitx。

图3-1新建项目 3.2设置求解类型 设置当前设计为驱动求解类型。 从主菜单栏选择【HFSS】>【Solution Type】，打开如图所示的对话框，选择Driven Modal单选按钮，然后单击ok按钮，退出对话框，完成设置。

图3-2设置求解类型 3.3创建微带天线模型

3.3.1设置默认长度单位 设置当前设计在创建模型时使用的默认长度单位为毫米。 从主菜单栏选择【3D Modeler】>【Unite】命令，打开如图所示的“模型长度单位设置”对话框。在该对话框中，Select unite项选择毫米单位（mm），然后单击ok按钮，退出对话框，完成设置。

图3-3设置单位 3.3.2建模相关选项设置 从主菜单栏选择【Tools】>【Options】>【Modeler Options】命令，打开 Modeler Options对话框，选中Drawing选项卡界面的Edit properties of new primitive复选框，如图所示。然后单击确定按钮，退出对话框，完成设置。

图3-4设置选项 3.3.3创建参靠地 在z=0的xOy面上创建一个顶点位于（-45mm，-45mm），大小为90mm×90mm的矩形面作为参考地，命名为GND，并分配理想导体边界条件。 (1)查看工具栏，确认三维模型窗口的当前工作平面为xOy面。 (2)从主菜单栏选择【Draw】>【Rectangle】命令，进入创建矩形面模型的状态。在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出矩形面“属性”对话框。 (3)单击该对话框的Command选项卡，在Position项对应的Value值处输入矩形面起始点坐标（-45，-45，0），在XSize项对应的Value处输入矩形面的长度90，YSize项对应的Value值输入矩形面的宽度90；然后单击对话框的Attribute选修卡，在Name项对应的Value值处输入矩形面的名称GND，单击Transparent项对应的Value值按钮，设置模型透明度为0.6，单击确定按钮结束。

图3-5创建参考地 (4)在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【Assign Boundary】>【Perfect】打开如图所示的对话框，为选中的矩形面GND分配理想导体边界条件。 (5)在打开的对话框中，Name项对应的文本框处输入PerfE_GND，将理想导体边界命名为PerfE_GND，然后单击ok按钮结束。此时理想导体边界条件的名称会添加到工程树的Boundaries节点下。 图3-6理想导体边界 3.3.4创建介质板层 创建一个80mm×80mm×5mm的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上，其顶点坐标为（-40，-40，0）介质板的材料为R04003，介质板命名为Substrate。 (1)从主菜单栏选择【Draw】>【Box】命令，画好一个矩形。此时弹出长方体的“属性”对话框。 (2)单击对话框Command选项卡，输入顶点坐标（-40，-40，0）长、宽和高80、80和5。 (3)单击对话框的Attribute选项卡，修改名字为Substrate，单击Material项对应的Value值按钮，打开如下所示的对话框，搜索并选中介质材料Rogers R04003，然后单击确定按钮；单击Color项对应的Edit按钮，修改模型的颜色；单击Transparent项对应的Value值按钮，设置透明度为0.6；最后单击确定按钮，完成设置。 图3-7设置材料 3.3.5创建微带贴片 在z=0的xOy面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm，-20.7mm，5mm），大小为31.0mm×41.4mm的矩形面作为贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。 (1)从主菜单栏选择【Draw】>【Rectange】命令，画出一个矩形面，弹出矩形面“属性”对话框。 (2)单击该对话框的Command选项卡，修改起始坐标（-15.5，-20.7，5），输入矩形面的长度31.0和宽度41.4.然后单击对话框的Attribute选项卡，修改名字为Patch；修改颜色；设置透明度为0.4；最后单击确定按钮。