微帶天線設(shè)計(jì)

1、微帶天線設(shè)計(jì) 08通信 陸靜曄 0828401034微帶天線設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簂 利用電磁軟件Ansoft HFSS設(shè)計(jì)一款微帶天線n 微帶天線的要求：工作頻率為2.5GHz，帶寬（S11<-10dB）大于5%。l 在仿真實(shí)驗(yàn)的幫助下對(duì)各種微波元件有個(gè)具體形象的了解。二、實(shí)驗(yàn)原理：微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，經(jīng)過20年左右的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀(jì)70年代初期制造出了實(shí)際的微帶天線。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無線通信中。圖1-1圖1-1是一個(gè)簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射源、介質(zhì)層和參考地三

2、部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射源的長度L、輻射源的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r和損耗正切tan、介質(zhì)層的長度LG和寬度WG。圖1-1所示的微帶貼片天線是采用微帶線來饋電的，本次將要設(shè)計(jì)的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線接頭的內(nèi)芯線穿過參考地和介質(zhì)層 與輻射源相連接。對(duì)于矩形貼片微帶天線，理論分析時(shí)可以采用傳輸線模型來分析其性能。矩形貼片微帶天線的工作主模式是TM10模，意味著電場在長度L方向上有g(shù)/2的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖1-2（a）所示，在長度L方向上可以看作成有兩個(gè)終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣由于終端開路，所以電

3、壓值最大電流值最小。從圖1-2（b）可以看出，微帶線邊緣的電場可以分解成垂直于參考地的分量和平行于參考地的分量兩部分，兩個(gè)邊緣的垂直分量大小相等、方向相反，平行電場分量大小相等、方向相反；因此，遠(yuǎn)區(qū)輻射電場垂直分量相互抵消，輻射電場平行于天線表面。圖1-2 矩形微帶天線俯視圖和側(cè)視圖假設(shè)矩形貼片的有效長度設(shè)為Le,則有Le=g2 （1-1）式中，g表示導(dǎo)波波長，有g(shù)=0e (1-2)式中，0表示自由空間波長；e表示有效介電常數(shù)，且e=r+12+r-121+12hW-12 (1-3) 式中，r表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；h表示介質(zhì)層厚度；W表示微帶貼片的厚度。由此，可計(jì)算出矩形貼片的實(shí)際長度L，有L

4、=Le-2L=0e-2L=c2f01e-2L (1-4)式中，c表示真空中的光速；f0表示天線的工作頻率；L表示圖1-2（a）中所示的等效輻射縫隙的長度，且有L=0.412he+0.3Wh+0.264e-0.258Wh+0.8 (1-5)矩形貼片的寬度W可以由下式計(jì)算：W=c2f0r+12-12 (1-6)對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋電的位置，饋電的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。在微波應(yīng)用中通常會(huì)使用50，對(duì)于圖1-3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點(diǎn)位于貼片的中心，以（xf,yf）表示饋電的位置坐標(biāo)。圖1-3 同軸線饋電的微帶天線對(duì)于TM

5、10模式，在W方向上電場長度不變，因此理論上W方向上的任一點(diǎn)都可以作為饋電，對(duì)于避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上饋電的位置一般取在中心點(diǎn)，即yf=0 (1-7)在L方向上電場有g(shù)2的改變，因此在長度L方向上，從中心點(diǎn)到兩側(cè)，阻抗逐漸變大，輸入阻抗等于50時(shí)的饋點(diǎn)位置可以由下式計(jì)算xf=L2reL (1-8)式中，reL=r+12+r-121+12hL-12 （1-9）上述分析都是基于參考地平面是無限大的基礎(chǔ)上的，然而實(shí)際設(shè)計(jì)中，參考地都是有限面積的，理論分析證明了當(dāng)參考地平面比微帶貼片大出6h的距離時(shí)，計(jì)算結(jié)果就可以達(dá)到足夠的準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)中參考地的長度LGND和寬度WGND只要滿足一下兩式即

6、可，即LGNDL+6h （1-10）WGNDW+6h (1-11)三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、設(shè)計(jì)指標(biāo)和天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)的矩形微帶天線中心頻率為2.5GHz，選用的介質(zhì)板材為Rogers R04003，其相對(duì)介電常數(shù)r=3.38，厚度h=5mm，天線使用同軸線饋電。微帶線的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)如下：工作頻率f0=2.5GHz；介質(zhì)板材的介電常數(shù)r=3.38；介質(zhì)層厚度h=5mm。（1）、矩形貼片的寬度W把c=3.0×108m/s,f0=2.5GHz，r=3.38代入式（1-1），可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度，即 W=0.04054m=40.6mm（2）、有效介電常數(shù)e把h=5mm，W=4

7、0.6mm，r=3.38代入式（1-6），可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度，即 e=2.95（3）輻射縫隙的長度L把h=5mm，W=40.6mm，e=2.95代入式（1-5），可以計(jì)算出微帶天線輻射縫隙的長度，即 L=2.34mm（4）矩形貼片的長度L把c=3.0×108m/s，f0=2.5GHz，e=2.95，L=2.34mm代入式（1-4），可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的長度，即 L=30.2mm(5)參考地的長度LGND和寬度WGND把h=5mm，W=40.6mm，L=30.2mm分別代入式（1-10）和式（1-11），可以計(jì)算出微帶天線參考地的長度和寬度，即 LGND60.3m

8、m WGND70.5mm（6）同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（Xf，Yf）把r=3.38，W=40.6mm，L=30.2mm分別代入式（1-7），式（1-8）和（1-9），可以計(jì)算出微帶天線同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（Xf，Yf），即 Xf=8.9mm Yf=0mm2、HFSS設(shè)計(jì)和建模概述本天線實(shí)例是使用同軸線饋電的微帶結(jié)構(gòu)，HFSS工程可以選擇模式驅(qū)動(dòng)求解類型。在HFSS中如果需要計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)輻射場，必須設(shè)置輻射邊界表面或者PML邊界表面，這里使用輻射邊界條件。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個(gè)波長。因?yàn)槭褂昧溯椛溥吔绫砻?，所以同軸線饋線的信號(hào)輸入輸出端口位于模型內(nèi)部，因此端口激

9、勵(lì)方式需要定義為集總端口激勵(lì)。天線的中心頻率2.5GHz，因此設(shè)置HFSS的求解頻率為2.5GHz，同時(shí)添加1.5G3.5GHz的掃描設(shè)置，分析天線在1.5G3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗或者電壓駐波比。如果天線的回波損耗或者電壓駐波比掃描結(jié)果顯示諧振頻率沒有落在2.5GHz，還需添加參數(shù)掃描分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點(diǎn)的位置，以達(dá)到良好的天線性能。（1） 求解類型：模式驅(qū)動(dòng)求解（2） 建模操作模型原型：長方形，圓柱體，矩形面，圓面模型操作：相減操作（3） 邊界條件和激勵(lì)邊界條件：理想導(dǎo)體邊界，輻射邊界端口激勵(lì)：集總端口激勵(lì)（4） 求解設(shè)置求解掃頻：2.5GHz掃頻設(shè)置：

10、快速掃描，頻率范圍為1.5GHz3.5GHz（5） Optimetrics參數(shù)掃描分析優(yōu)化設(shè)計(jì)（6）數(shù)據(jù)后處理：S參數(shù)掃描曲線，VSWR，Smith圓圖，天線方向圖，天線參數(shù)3、創(chuàng)建微帶天線模型（1）創(chuàng)建參考地在Z=0的XOY面上創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)位于（-45mm，-45mm），大小為90mm×90mm的矩形面作為參考地，命名為GND，并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。（2）創(chuàng)建介質(zhì)板層創(chuàng)建一個(gè)長×寬×高為80mm×80mm×5mm的長方形作為介質(zhì)板層，介質(zhì)板層的底部位于參考地上（即z=0的XOY面上），其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-40，-40, 0），介質(zhì)板的材料為

11、R04003，介質(zhì)板層命名為Substrate。（3）創(chuàng)建微帶貼片在z=5的XOY面上創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-15.1mm，-20.3mm，5mm），大小為30.2mm×40.6mm的矩形面作為微帶貼片，命名為Patch，并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。（4）創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯創(chuàng)建一個(gè)圓柱體作為同軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體的半徑為0.5mm，長度為5mm，圓柱體底部圓心坐標(biāo)為（8.9mm，0, 0），材料為理想導(dǎo)體，同軸饋線命名為Feed。（5）創(chuàng)建信號(hào)傳輸端口面同軸饋線需要穿過參考地面，傳輸信號(hào)能量。因此，需要在參考地面GND上開一個(gè)圓孔允許能量傳輸，圓孔的半徑為1.5mm，圓心坐標(biāo)為（8.9

12、mm，0, 0），并將其命名為Port。（6）創(chuàng)建輻射邊界表面創(chuàng)建一個(gè)長方體，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-80，-80，-35），長方形的長寬高為160mm160mm75mm，長方體模擬自由空間，因此材質(zhì)為真空，長方體命名為Air，創(chuàng)建好這樣的一個(gè)長方體之后，設(shè)置其四周表面為輻射邊界條件。（7） 設(shè)置激勵(lì)端口設(shè)置同軸線信號(hào)端口面（即圓面Port）的激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)。（8）添加和使用變量添加設(shè)計(jì)變量Length，初始值為30.2mm，用以表示激帶貼片的長度：添加設(shè)計(jì)變量Width，初始值為40.6mm，用以表示微帶貼片的寬度：添加設(shè)計(jì)變量Xf，初始值為8.9mm，用以表示同軸饋線的圓心點(diǎn)的x軸坐標(biāo)。4

13、、求解設(shè)置本章設(shè)計(jì)的微帶貼片天線中心頻率在2.5GHz,因?yàn)樵O(shè)置HFSS的求解頻率（即自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率）為2.5GHz;同時(shí)添加1.53.5GHz的掃描設(shè)置，選擇快速（Fast）掃頻類型，分析天線在1.53.5GHz頻段的回波損耗或者電壓駐波比。5、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分析通過前面的操作，我們已經(jīng)完成了模型創(chuàng)建和求解設(shè)置等HFSS設(shè)計(jì)的前期工作，接下來就可以運(yùn)行仿真計(jì)算，并查看分析結(jié)果了。在運(yùn)行仿真計(jì)算之前，通常需要進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，檢查設(shè)計(jì)的完整性和正確性。6、查看天線諧振點(diǎn)查看天線信號(hào)端口回波損耗（即S11）的掃頻分析結(jié)果，給出天線的諧振點(diǎn)。生成如圖所示的S11在1.53.5GHz的掃面曲線報(bào)

14、告。從圖中可以看出，當(dāng)頻率為2.4GHz時(shí)，S11最小，S11最小值約為-16.75dB。四、優(yōu)化設(shè)計(jì)由圖所示的S11掃頻曲線報(bào)告可知，根據(jù)以上計(jì)算的尺寸設(shè)計(jì)出的微帶天線諧振頻點(diǎn)在2.4GHz，與期望的中心頻率2.4GHz相比，存在一定的誤差。所以需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天線的諧振頻率落在2.5GHz上。根據(jù)理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率由微帶貼片的長度和寬度決定，貼片尺寸越小諧振頻率越高，接下來我們首先使用參數(shù)掃描分析功能進(jìn)行參數(shù)掃描分析，分析諧振頻率點(diǎn)分別隨著微帶貼片長度Length和寬度Width的變化關(guān)系；然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化微帶貼片長度Length和寬度Width，使天線的諧振頻

15、率落在2.5GHz.1、 變量Length的掃描分析從S11曲線報(bào)告可以看出，當(dāng)微帶貼片的寬度固定時(shí)，微帶天線的諧振頻率點(diǎn)隨著微帶貼片的長度Length的減小而變大。當(dāng)Length=28.5時(shí)，諧振頻點(diǎn)約為2.5GHz.2、 變量Width的掃描分析從S11曲線報(bào)告可以看出，當(dāng)微帶貼片的長度固定時(shí)，微帶貼片寬度Width的改變對(duì)矩形微帶天線諧振頻率點(diǎn)的影響很小。五、查看優(yōu)化后天線性能由以上優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可知，當(dāng)Length=28.5mm，Width=40.6mm時(shí)天線的諧振頻點(diǎn)在2.5GHZ。以下將變量設(shè)置為上述優(yōu)化值，仿真結(jié)果如下：1、查看S11參數(shù)Length=28.5 Width=40.6

16、 時(shí)S11的掃頻曲線由S11掃頻曲線報(bào)告可以看出，當(dāng)Length=28.5mm，Width=40.6mm時(shí)天線的諧振頻點(diǎn)在2.5GHZ，此時(shí)S11=-17.2dB。2、查看S11參數(shù)的Smith圓圖結(jié)果S11的Smith圓圖結(jié)果在標(biāo)記2.5GHZ處，天線的歸一化阻抗為(0.6995-0.0043j) 。3、查看電壓駐波比電壓駐波比報(bào)告圖在VSWR的報(bào)告圖的2.45GHZ和2.55GHZ位置做標(biāo)記，可見在2.45GHZ-2.55GHZ頻段，VSWR<1.98。4、查看天線的三維增益方向圖三維增益方向圖從三維增益方向圖中可以看出該微帶貼片最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，即Z軸方向，最大增益

17、約為7.4dB。5、查看平面方向圖E平面增益方向圖六、結(jié)果討論由原理公式計(jì)算出的長l和寬w并不能達(dá)到工作頻率在2.5GHz的要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。分別對(duì)Length和Width進(jìn)行掃描，可以從掃描圖中得到優(yōu)化后的長l。由于寬對(duì)微帶天線的影響不高，所以仍取原w值40.6mm。經(jīng)過小組成員的共同努力，此微帶線基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求：工作頻率為2.5GHz，帶寬（S11<-10dB）為6%，大于5%。七、心得體會(huì)在設(shè)計(jì)過程中，我們遇到了不少問題：如果只根據(jù)公式計(jì)算的微帶天線來設(shè)計(jì)，頻率是達(dá)不到要求的頻率的，所以需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)微帶貼片時(shí)，要給微帶貼片分配理想導(dǎo)體邊界條件。信號(hào)傳輸端口面的半徑要比同軸饋線內(nèi)芯的半徑大。信號(hào)傳輸端口面的模型建立是在參考地面的基礎(chǔ)上減去一個(gè)圓形的端口面，并保留原有的端口面模型。同軸線信號(hào)端口面的激勵(lì)方式是集總端口激勵(lì)，即對(duì)圓面進(jìn)行積分。掃描頻率