矩形微帶貼片天線設(shè)計及仿真

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1、《現(xiàn)代電子電路》課程設(shè)計題目矩形微帶天線的設(shè)計與仿真單位（院、系）：信息工程學(xué)院學(xué)科專業(yè):電子與通信工程學(xué)號：416114410159姓名：曾永安時間：2011.4.25矩形微帶天線的設(shè)計與仿真學(xué)科專業(yè)：電子與通信工程學(xué)號：416114410159姓名：曾永安指導(dǎo)老師：吳毅強(qiáng)摘要：本文介紹了一種謝振頻率為2.45GHz，天線輸入阻抗為50Ω的使用同軸線饋電的矩形微帶天線。通過HFSSV10軟件對該天線進(jìn)行仿真、優(yōu)化，最終得到最佳性能。關(guān)鍵詞：HFSS，微帶線，天線DesignandSimulationofRectangularMicrostri

2、pAntennaAbstract:Thispaperintroducesarectangularmicrostripantennawhichworksatresonancefrequencyof2.45GHzandantennainputimpedanceof50Ωandisfedbycoaxialcable.ThemodeloftheantennaissetupandsimulatedbyANSOFTHFSSV10,andtheoptimalparametersofthemicrostripantennaareobtainedaswell.K

3、eywords:HFSS,Microstrip,Antenna1.引言微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀(jì)70年代初期制造了實際的微帶天線。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,已被大量應(yīng)用于100MHz～100GHz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50Ω輸入阻抗,不需要匹配電路或變換器；比較容易精

4、確制造,可重復(fù)性較好；可通過耦合饋電,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。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(lán)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RogersR04003，其相對介電常數(shù)εr=3.38,厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。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

5、耗角正切tanδ、介質(zhì)層的長度LG和寬度WG。圖1所示的微帶貼片天線采用微帶線饋電，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λg/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

6、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(yuǎn)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，λg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

7、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50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，因此需要確定饋點的位置使天線的輸入阻抗等于50Ω。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(qiáng)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

8、位置一般取在中心點，即（7）在L方向上電場有λg/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50Ω是的饋點位置可由下式計