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1、制造业信息化机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第10期基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计李艳，戴亚文（武汉理工大学理学院，湖北武汉430070）摘要：根据微带天线的辐射原理和实际修正，设计了一种谐振频率为7．55GHz的矩形微带天线，利用Ansoft公司的HFSS10．0对其进行了建模并对其进行仿真，分析了天线的S参数图，驻波比以及方向图。仿真结果跟理论结果很吻合，证明了方法的可行性，同时也证明了HFSS是一种对微带天线有效的仿真工具。关键词：微带天线；矩形；仿真；HFSS中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1009－9492(2010)10－0040－02微带贴
2、片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它具有剖面低、体积小、重量轻、可共形、易集成、馈电方式灵活、便于获得线极化和圆极化等优点。目前已在移动通信、卫星通讯、导弹遥测、多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用［1］。其中矩形微带贴片天线是应用最为广泛的。本文通过Ansoft公司的HFSS10．0软件对一种谐振频率为7．55GHz的矩形微带贴片天线进行设计和仿真，并对其结果进行分析。1矩形微带天线介绍以及辐射原理图1微带天线1．1矩形微带天线的结构微带天线的结构比较简单，它是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片构成的，一般介质基片的相对介电常数不超过10，即εr≤10。贴片上导体通常
3、是铜和金，它可也做成任意形状，常见的形状有矩形、方形、圆形等，通常为了便于分析和预测其性能都用较为简单的几何形状［2］，本文研究对象的形状选为矩形。为了增强辐射的边场效应，通常要求介质基片的相对介电常数较低，文中（a）侧面馈电（b）背馈介质材料选为RogersRT／duroid5880（tm），其相对介电常数为2．2，满足了设计要求。矩形微带贴片天线有两种图2馈电方式馈电方式，一种是微带线馈线，又称侧面馈电，另一种是同轴馈线，又称背馈［3］，本文选用微带线馈电。用微带线1．2矩形微带天线的辐射原理馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便的一起光矩形微带天线的辐射是由微带天线导体边沿
4、和地板之刻，制作简便。但馈线本身也会引起辐射，从而干扰天线间的边缘场产生的。这可以从图3（a）简单说明，该图是方向图，降低增益。在理论计算中，微带馈源的模型可等本文研究的侧向馈电的矩形微带贴片天线，与地板相距高效为沿Z轴方向的一个薄电流片，其背后为空腔磁壁。图度为h。假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，1和图2分别为微带天线形状以及馈电方式图。则辐射器的电场仅仅沿约为半波长（λ／2）的贴片长度方收稿日期：2010－04－2840机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第10期制造业信息化（a）矩形微带贴片天线（b）等效辐射场图（c）辐射场分布图图3矩形微带贴片天线辐射图向变
5、化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。Sub（0,0,0）dxdydz（28．1,32,－0．79）Box在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因为贴Gnd（0,0,－0．79）dxdydz（28．1,32,0）Rectangle片长度为λ／2，所以法向分量反相，由它们产生的远区场Patch（7．03,8,0）dxdydz（12．45,16,0．05）Box在正面方向上互相抵消［4］。平行于地板的切向分量同相，Microstripline（10．13,0,0）dxdydz（2．49,8,0．05）Box因此合成场增强，从而使垂直于地板的切向分量同相，因Port（10．1
6、3,0,－0．79）dxdydz（2．49,0,0．79）Rectangle此合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最Air（－5,－5,－5．79）dxdydz（38．1,42,10．79）Box强，如图3（b）所示。根据以上分析，贴片可以等效为两2．3用HFSS仿真分析个相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙，基于以上微带贴片天线的参数，可以很快建立出矩形如图3（c）所示。对微带贴片沿宽度方向的电场变化也可微带贴片天线的模型，如图4所示，在这里采用的求解方以采用同样的方法等效为同样的缝隙。这样，微带贴片天式是终端驱动（DrivenTerminal），单位都采用mm
7、。把Air线的辐射就等效为微带天线周围的四个缝隙的辐射。这种的六个面设为辐射边界，对Port的激励方式采用Lump-分析方法不仅适用于微带矩形贴片天线，同样也适于其他port，在此基础上设置求解频率为7．55GHz，然后添加扫形状微带天线［5］。频，采用快速扫频模式（fast），在做好以上准备工作后，2运用HFSS软件仿真矩形微带贴片天线就可以运行HFSS来进行仿真求解，最终可以得到S参数2．1HFSS软件简介以及仿真设计过程图、驻波比图、方向图等，如图5
