同軸饋電矩形微帶天線設(shè)計與分析 2

1、同軸饋電矩形微帶天線設(shè)計與分析摘要：本文使用hfss軟件，設(shè)計了一種具有損耗低、穩(wěn)定性好的同軸饋電矩形微帶天線。該新型c波段微帶天線射頻頻率2、45ghz，輸入阻抗50，利用矩形同軸線饋電(rcl)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和微帶天線子矩陣的基本原理和設(shè)計方法，運用hfss對該天線進行仿真、優(yōu)化，最終得到最佳性能，達到了頻段范圍內(nèi)s11小于xxx，尺寸xxx，方向性xxx，達到xxx的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：hfss，微帶線，天線請在摘要中寫明該天線的性能，點明創(chuàng)新性或所做的工作重點。1、前言在1953年deschaps提出微帶天線的理論，經(jīng)過20年多的發(fā)展，munson和howell于20世紀70年代初期制造了實際

2、的微帶天線。傳統(tǒng)的手工計算設(shè)計天線采用的是嘗試法， 設(shè)計和研發(fā)周期長，費用高。隨著計算水平的提高，可以采用成熟的電磁仿真軟件設(shè)計 。微帶天線結(jié)構(gòu)簡單,體積小,能與載體共形，能和有源器件、電路等集成為統(tǒng)一的整體，具有體積小、重量輕、低剖面、易于集成和制造等點，在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位 系統(tǒng)等多個領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。已被大量應(yīng)用于100mhz100ghz寬頻域上的無線電設(shè)備中, 特別是在飛行器和地面便攜式設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。微帶天線的特征是: 比通常的微波天線有更多的物理參數(shù), 可以有任意的幾何形狀和尺寸；能夠提供50輸入阻抗,不需要匹配電路或變換器；比較容易精確制造, 可重復(fù)性較好；可通過耦合饋電

3、, 天線和rf電路不需要物理連接；較易將發(fā)射和接收信號頻段分開；輻射方向圖具有各向同性。設(shè)計的圓極化微帶天線具有較寬的頻帶或者是雙頻堆疊結(jié)構(gòu)且采用同軸線饋電 ，一般天線厚度尺 寸較大，因此饋電同軸長加大，導(dǎo)電感抗加大，天線的性能隨之惡化。通常，單層厚天線采用l形或t形同軸探針饋電；對于雙層厚天線 ，通過在層間增加空氣層以改善天線的駐 波特性j。這兩種結(jié)構(gòu)給天線的制造帶來了困難，前者需要在介質(zhì)層內(nèi)增加金屬片來實現(xiàn)t形或l形探針饋電，制作不便，增加了制造代價；后者需要在兩層天線中間添加空氣層，由于空氣層厚度對天線性能影響突出，厚度不易控制，因此也不是好的選擇，而同軸饋電矩形微帶電線成為了性能良好的

4、天線選擇之一。本文設(shè)計的同軸饋電矩形微帶天線工作于ism頻段，其中心頻率為2.45ghz；無線局域網(wǎng)、藍牙等無線網(wǎng)絡(luò)均可工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為rogers r04003，其相對介電常數(shù)r=3.38,厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。 2結(jié)構(gòu)模型畫出天線結(jié)構(gòu)示意圖，并標(biāo)明圖中的參數(shù)。圖1 xxx 天線結(jié)構(gòu)（位置居中） 根據(jù)建立的微帶天線模型，利用hfss軟件進行了性能仿真。經(jīng)過仿真、優(yōu)化后，最終確定的微帶線天參數(shù)見表1。圖4為s參數(shù)仿真曲線。從圖4中可以看出，曲線在2.45ghz左右反射系數(shù)最大，達到-16.745db，說明在該頻率匹配最佳。從圖4中還可以看出，s曲線開口窄，表現(xiàn)出了

5、微帶天線頻帶窄的特點。3結(jié)果與討論給出軟件仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果（s參數(shù)、方向圖、場分布圖），并進行討論。請寫出計算每種參數(shù)特征所使用的數(shù)學(xué)表達式。圖為s參數(shù)仿真曲線。從圖4中可以看出，曲線在2.45ghz左右反射系數(shù)最大，達到-16.745db，說明在該頻率匹配最佳。從圖4中還可以看出，s曲線開口窄，表現(xiàn)出了微帶天線頻帶窄的特點圖5.是仿真得到的微帶天線的駐波比特性曲線，在2.45ghz附近vswr達到最小1.35，小于一般天線要求的2，說明天線的電抗分量較小，天線的匹配效果好，傳輸效率高。圖5 vswr參數(shù)仿真曲線圖6是仿真得到的smith圓圖，可以看出該天線完全滿足設(shè)計要求。在2.448ghz時

6、歸一化阻抗為0.954-j0.254。圖6 仿真得到的smith圓圖從圖7可以看出該微帶天線最大輻射方向是微帶貼片的法向方向,即z軸正向，最大增益為7.54db。圖8為e面方向圖。 圖7 3d增益方向圖 圖8 e平面增益方向圖5.結(jié)論討論了微帶天線的設(shè)計原理，根據(jù)天線尺寸的計算公式，分析了不同尺寸參數(shù)對微帶天線的性能影響。設(shè)計了諧振頻率為2.45ghz的微帶天線，利用hfss軟件建立天線模型，得出了天性特性的仿真曲線，與理論設(shè)計值吻合較好。說明了本設(shè)計的有效性。參考文獻：1 美john d. kraus,ronald j.marhefka著，天線m. 電子工業(yè)出版社 20042 李明洋. hf

7、ss電磁仿真軟件應(yīng)用詳解m. 人民郵電出版社 20103 黃玉蘭. 射頻電路理論與設(shè)計m. 人民郵電出版社 20084 馬小玲,丁丁. 寬頻帶微帶天線技術(shù)及其應(yīng)用m. 人民郵電出版社 20065 李莉. 天線與電波傳播m. 科學(xué)出版社 2009例如：s11=s21=天線方向性系數(shù)=天線增益=4總結(jié) 總結(jié)工作內(nèi)容，此處與摘要不同，需更為詳細。2.微帶貼片天線理論分析 圖1是一個簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射元、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長度l、輻射元的寬度w、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對介電常數(shù)r和損耗角正切tan、介質(zhì)層的長度lg和寬度wg。圖1所示的微帶貼片天

8、線采用微帶線饋電，本文將要設(shè)計的矩形微帶天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線街頭的內(nèi)芯線穿過參考點和介質(zhì)層與輻射元相連接。圖1 微帶天線的結(jié)構(gòu)對于矩形貼片微帶天線，理論分析時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總模式是tm10模，意味著電場在長度l方向有g(shù)/2的改變，而在寬度w方向上保持不變，如圖2（a）所示，在長度l方向上可以看作成有兩個終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度w方向的邊緣處由于終端開路，所以電壓值最大電流值最小。 （a）微帶天線俯視圖 （b）微帶天線側(cè)視圖圖2 微帶天線示意圖從圖2（b）可以看出，微帶線邊緣的電場可以分解為垂直于參考地的分量和平行于參考地的分量

9、兩部分，兩個邊緣的垂直電場分量大小相等、方向相反，平行電場分量大小相等、方向相反；因此，遠區(qū)輻射電場垂直風(fēng)量相互抵消，輻射電場平行于天線表面。假設(shè)矩形貼片天線的有效長度設(shè)為le，則有 （1）式中，g表示導(dǎo)波波長，有 (2)式中，表示自由空間波長；表示有效介電常數(shù)，且 （3）式中，表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)；h表示介質(zhì)層厚度；w表示微帶貼片的寬度。由此，可計算出矩形貼片的實際長度l，有 （4）式中，c表示真空中光速；f0表示天線工作頻率；表示圖2a中所示的等效輻射縫隙的長度，且有 （5）矩形貼片的寬度w可由下式計算， （6）對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

10、線饋點的位置，饋點的位置會影響天線的輸入阻抗。在微帶應(yīng)用中通常是使用50的標(biāo)準阻抗，因此需要確定饋點的位置使天線的輸入阻抗等于50。對于如圖3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點位于貼片的中心，以（xf，yf）表示饋點的位置坐標(biāo)。 俯視圖 側(cè)視圖圖3同軸線饋電的微帶天線對于tm10模式，在w方向上電場強度不變，因此理論上w方向上的任一點都可以作為饋點，為了避免激發(fā)tm1n模式，在w方向上饋點的位置一般取在中心點，即 （7）在l方向上電場有g(shù)/2的改變，因此在長度l方向上，從中心點到兩側(cè)，阻抗逐漸變大；輸入阻抗等于50是的饋點位置可由下式計算而得， (8)式中， (9)上述分析都是基于參考地

11、平面是無限大的基礎(chǔ)上的，然而實際設(shè)計中，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，計算結(jié)果就可以達到足夠的準確，因此設(shè)計中參考地的長度lgnd和寬度wgnd只需滿足以下條件即可，即 （10） （11）3.天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計算本文設(shè)計的矩形微帶天線工作于ism頻段，其中心頻率為2.45ghz；無線局域網(wǎng)、藍牙、zigbee等無線網(wǎng)絡(luò)均可工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為rogers r04003，其相對介電常數(shù)r=3.38,厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。根據(jù)前文給出的理論分析可以計算出微帶天線的幾何尺寸，包括貼片的長度l和寬度w、同軸線饋點的位置坐標(biāo)（xf，

12、yf），以及參考地的長度lgnd和wgnd。1，矩形貼片的寬度w把m/s,，代入（6）式可得微帶天線的寬度，即 w=41.4mm2，有效介電常數(shù)把h=5mm，w=41.4mm，代入（3）式，可得有效介電常數(shù)，即e = 2.953,輻射縫隙的長度把h=5mm，w=41.4mm，e = 2.95,=2.95代入（5）式，可得縫隙的長度，即=2.34mm4，矩形貼片的長度l把m/s,，=2.95，=2.34mm代入（4）式，可得矩形微帶貼片的長度，即l=31.0mm5，參考地的長度lgnd和寬度wgnd把h=5mm，w=41.4mm，l=31.0mm分別代入（10）、（11）可以計算得到參考地長度和寬度，即lgnd61.8mm wgnd71.4mm6，同軸線饋點的位置坐標(biāo)（xf，yf）把，w=41.4mm，l=31.0mm分別代入是（7）（8）（9