側(cè)饋矩形微帶天線設(shè)計與仿真

天線理論 姓名 專業(yè) 電子科學與技術(shù)學號 主要內(nèi)容 本文首先介紹了微帶天線的理論基礎(chǔ)和工作原理 然后以矩形微帶天線為例 講解了側(cè)饋微帶天線的工作原理 設(shè)計過程 以及在HFSS中的仿真實現(xiàn) 一 微帶天線概述 1 微帶天線的饋電微帶天線有多種饋電方式 如微帶線饋電 同軸線饋電 耦合饋電 CoupledFeed 和縫隙饋電 SlotFeed 等 其中 最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式 微帶線饋電微帶線饋電方式又稱為側(cè)饋 它用與微帶輻射貼片集成在一起的微帶傳輸線經(jīng)行饋電 它可以中心饋電 也可以偏心饋電 如下圖 饋電點的位置取決于激勵哪種模式 對于微帶傳輸線的饋電方式 當微帶天線的尺寸確定以后 可以用以下方法進行阻抗匹配 先將中心饋電天線輻射貼片同50 饋電一起光刻 測量輸入阻抗并設(shè)計出阻抗匹配變換器 然后在天線輻射貼片與饋線直接接入該阻抗匹配器 重新作出天線 a 中心饋電 b 偏心饋電圖1微帶線饋電 二 矩形微帶天線的特性參數(shù) 1 微帶輻射貼片尺寸估算設(shè)計微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片 假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為 對于工作頻率的矩形微帶天線 可以用下式設(shè)計出高效率輻射貼片的寬帶 即為 式中 c是光速 輻射貼片的長度一般取為 這里是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長 即為 考慮到邊緣縮短效應(yīng)后 實際上的輻射單元長度應(yīng)為 式中 是有效介電常數(shù) 是等效輻射縫隙長度 它們可以分別用下式計算 即為 2 輸入導(dǎo)納如果天線采用圖1所示的微帶線饋電方式 假設(shè)饋電點到輻射貼片邊緣拐角處的距離為z 則微帶天線的輸入導(dǎo)納可以由下式計算 式中 是把天線視作傳輸線時的特性導(dǎo)納 是介質(zhì)中的相位常數(shù) 是輻射電導(dǎo) 是等效電納 且有 式中 式中 是把天線視作傳輸線時的特性阻抗 3 方向性系數(shù)根據(jù)方向性系數(shù)的定義 可以給出微帶天線的方向性系數(shù)為 三 側(cè)饋矩形微帶天線設(shè)計與仿真 1 設(shè)計要求使用HFSS設(shè)計中心頻率為2 45GHz的矩形微帶天線 并給出其天線參數(shù) 介質(zhì)基片采用厚度為1 6mm的FR4環(huán)氧樹脂 FR4Epoxy 板 天線饋電方式為微帶線饋電 2 設(shè)計步驟 計算天線尺寸 微帶天線的介質(zhì)基片采用厚度為1 6mm的FR4環(huán)氧樹脂板 所以厚度h 1 6mm 介質(zhì)的介電常數(shù) 輻射貼片寬度 w 37 26mm 輻射貼片長度 L 30 21mm 有效介電常數(shù) 3 37mm 等效縫隙寬度 0 75mm 饋電點位置和輸入阻抗 阻抗匹配阻抗匹配條件為 波長阻抗裝換器的特性阻抗為 微帶線的尺寸對于介質(zhì)基片厚度1 6mm的FR4環(huán)氧樹脂板的微帶線 我們可以計算出特性阻抗為50 時對應(yīng)的微帶天線寬度為2 98mm 特性阻抗為80 6 時對應(yīng)的微帶線寬度為1 16mm 微帶線在2 45GHz時1 4波長對應(yīng)的長度為16 45mm 圖2側(cè)饋矩形微帶天線的HFSS設(shè)計模型 圖3的掃頻分析結(jié)果 圖4不同L0對應(yīng)的曲線 圖