同轴馈电矩形微带天线设计与分析 2.doc

同轴馈电矩形微带天线设计与分析 摘要：本文使用HFSS软件，设计了一种具有损耗低、稳定性好的同轴馈电矩形微带天线。该新型C波段微带2、GHz，50Ω，利用矩形同轴线馈电网络和微带天线子矩阵的基本原理和设计方法，运用HFSS 关键词：HFSS，微带线，天线 请在摘要中写明该天线的性能，点明创新性或所做的工作重点。 1、前言 在1953年Deschaps提出微带天线的理论，经过20年多的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。 微带天线结构简单,体积小,能与载体共形，能和有源器件、电路等集成为统一的整体，已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。 微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。 本文设计的同轴馈电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、蓝牙等无线网络均可工作在该频段上。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。 2．结构模型 画出天线结构示意图，并标明图中的参数。图1 XXX 天线结构（位置居中） 根据建立的微带天线模型，利用HFSS软件进行了性能仿真。经过仿真、优化后，最终确定的微带线天参数见表1。 图4为S参数仿真曲线。从图4中可以看出，曲线在2.45GHz左右反射系数最大，达到-16.745dB，说明在该频率匹配最佳。从图4中还可以看出，S曲线开口窄，表现出了微带天线频带窄的特点。 3．结果与讨论 给出软件仿真的数据结果（S参数、方向图、场分布图），并进行讨论。请写出计算每种参数特征所使用的数学表达式。 图为S参数仿真曲线。从图4中可以看出，曲线在2.45GHz左右反射系数最大，达到-16.745dB，说明在该频率匹配最佳。从图4中还可以看出，S曲线开口窄，表现出了微带天线频带窄的特点 图5.是仿真得到的微带天线的驻波比特性曲线，在2.45GHz附近VSWR达到最小1.35，小于一般天线要求的2，说明天线的电抗分量较小，天线的匹配效果好，传输效率高。 图5 VSWR参数仿真曲线 图6是仿真得到的smith圆图，可以看出该天线完全满足设计要求。在2.448GHz时归一化阻抗为0.954-j0.254。 图6仿真得到的smith圆图 7.54dB。图8为E面方向图。 图7 3D增益方向图[1] [美]John D. Kraus,Ronald J.Marhefka著，天线. 电子工业出版社 2004 [2] 李明洋. HFSS电磁仿真软件应用详解. 人民邮电出版社 2010 [3] 黄玉兰. 射频电路理论与设计. 人民邮电出版社 2008 [4] 马小玲,丁丁. 宽频带微带天线技术及其应用. 人民邮电出版社 2006 [5] 李莉. 天线与电波传播. 科学出版社 2009 2.微带贴片天线图1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、介质的相对介电常数r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 1 微带天线的结构 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工总模式是TM10模，意味着电场在长度L方向有λg/2的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。 （a）微带天线俯视图 （b）微带天线侧视图 图2 微带天线示意图 从图2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解为垂直于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，远区辐射电场垂直风量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 假设矩形贴片天线的有效长度设为Le，则有 （1