矩形微带天线.doc

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1、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

2、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TM10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

3、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=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/-2ΔL=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矩形贴片的宽度W可以由下式计算，W=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

4、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=式中，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

5、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+6hWGND≥W+6h二.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RogersR04003，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

6、εr=3.38；介质厚到h=5mm。1.矩形贴片的宽度W把c=3.0×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=41.4mm2.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=2.953.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=2.34mm4.矩形贴片的长度L把c=3.0×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

7、长度，即L=31.0mm5.参考地的长度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≥61.8mmWGND≥71.4mm6.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=9.5mmyf=0mm三.HFSS设计与建模概述我本次所设计的天线使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界或者PML

8、边界表面，这里使用辐射边界条件。为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常要大于1/4个