微带天线设计..docx

微带天线设计 PAGE \* MERGEFORMAT 2 08通信 陆静晔 0828401034 微带天线设计 一、实验目的： 利用电磁软件Ansoft HFSS设计一款微带天线 微带天线的要求：工作频率为2.5GHz，带宽（S11-10dB）大于5%。 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理： 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制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。 图1-1图1-1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、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源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数εr和损耗正切tanδ 图1-1 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作主模式是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1-2（a）所示 图 图1-2 矩形微带天线俯视图和侧视图 假设矩形贴片的有效长度设为Le 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；ε εe=εr 式中，εr 由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有 L=Le 式中，c表示真空中的光速；f0表示天线的工作频率；?L ?L=0.412hεe 矩形贴片的宽度W可以由下式计算： W=c2 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电的位置，馈电的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常会使用50Ω，对于图1-3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 图 图1-3 同轴线馈电的微带天线 对于TM10模式，在W方向上电场长度不变，因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈电，对于避免激发TM yf 在L方向上电场有λg2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50 xf= 式中， ξreL=ε 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，参考地都是有限面积的，理论分析证明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只要满足一下 LGND≥L+6h WGND≥W+6h 三、实验步骤： 1、设计指标和天线几何结构参数计算 本实验的矩形微带天线中心频率为2.5GHz，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。微带线的三个关键参数如下：工作频率f0=2.5GHz；介质板材的介电常数ε （1）、矩形贴片的宽度W 把c=3.0×108 W=0.04054m=40.6mm （2）、有效介电常数ε 把h=5mm，W=40.6mm，εr εe （3）辐射缝隙的长度? 把h=5mm，W=40.6mm，εe ?L （4）矩形贴片的长度L 把c=3.0×108m/s，f0=2.5GHz， L=30.2mm (5)参考地的长度LGND和宽度 把h=5mm，W=40.6mm，L=30.2mm分别代入式（1-10）和式（1-11），可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即 LGND≥ （6）同轴线馈点的位置坐标（Xf，Yf） 把εr Xf=8.9mm Yf=0mm 2、HFSS设计和建模概述 本天线实例是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，必须设置辐射边界表面或者PML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需要大于1/4个波长。因为使用了辐射边界表面，所以同轴线馈线的信号输入输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。 天线的中心频率2.5GHz，因此设置HFSS的求解频率为2.5GHz，同时添加1.5G—3.5GHz的扫描设置，分析天线在1.5G—3.5GHz频段内的回波损耗或者电压驻波比。如果天线的回波损耗或者