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1、一.微帶天線簡(jiǎn)介微帶天線的概念首先是有Deschaps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。上圖是一個(gè)簡(jiǎn)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(zhǎng)度L、輻射元的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對(duì)介點(diǎn)常數(shù)ε和損耗正切tanδ、介質(zhì)的長(zhǎng)度LG和寬度WG。圖中所示的天線是采用微帶線來饋電的，本次我要設(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
2、線接頭的內(nèi)芯線穿過參考地和介質(zhì)層與輻射元相連接。對(duì)于矩形貼片微帶天線，理論分析時(shí)采用傳輸線模型來分析其性能。矩形貼片微帶天線的工作模式是TM10模，意味著電場(chǎng)在長(zhǎng)度L方向上有λg/2的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖所示，在長(zhǎng)度方向上可以看成有兩個(gè)終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度方向的邊緣由于終端開路，所以電壓值最大電流值最小。從圖中可以看出微帶線邊緣的電場(chǎng)可以分解成垂直參考地的分量和平行于參考地的分量?jī)刹糠?，兩個(gè)邊緣的垂直電場(chǎng)分量大小相等、方向相反，平行電場(chǎng)分量大小相等、方向相反；因此，遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)垂直分量相互抵消，輻射電場(chǎng)平行于天線表面。假
3、設(shè)矩形貼片的有效長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)e，則有Le=λg/2式中，λg表示導(dǎo)波波長(zhǎng)，有λg=λ0/式中，λ0表示自由空間波長(zhǎng)；εe表示有效介電常數(shù)，且εe=式中，εr表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；h表示介質(zhì)厚度；w表示微帶貼片的寬度。因此，可計(jì)算出矩形貼片的實(shí)際長(zhǎng)度L，有L=Le-2ΔL=λ0/-2ΔL=ΔL式中，c表示真空中的光速；f0表示天線的工作頻率；ΔL表示等效的輻射縫隙的長(zhǎng)度，且有ΔL=0.412h矩形貼片的寬度W可以由下式計(jì)算，W=對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長(zhǎng)度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。在微波
4、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(diǎn)的位置使天線的輸入阻抗等于50Ω.對(duì)于如圖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）表示饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)。對(duì)于TM10模式，在W方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度不變，因此理論上的W方向上的任一點(diǎn)都可以作為饋點(diǎn)，為了避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上的饋點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)，即yf=0在L方向上電場(chǎng)有λg/2的改變，因此在長(zhǎng)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50Ω時(shí)的饋點(diǎn)可以由下式計(jì)算，xf=式中，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
5、積的，理論分析證明來了當(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(zhǎng)度LGND和寬度WGND只需要滿足以下條件即可，LGND≥L+6hWGND≥W+6h二.設(shè)計(jì)指標(biāo)和天線結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算我這次設(shè)計(jì)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)（WLAN）、藍(lán)牙、ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)均可以工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為RogersR04003，其相對(duì)介電常數(shù)εr=3.38，厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。微帶天線的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)如下：工作頻率f0=2.45GHz；介質(zhì)板材的相對(duì)介電常數(shù)
6、εr=3.38；介質(zhì)厚到h=5mm。1.矩形貼片的寬度W把c=3.0×m/s，f0=2.45GHz，εr=3.38帶入，可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度，即W=0.0414m=41.4mm2.有效介電常數(shù)εr把h=5mm，W=41.4mm，εr=3.38帶入，可以計(jì)算出有效介電常數(shù)，即εe=2.953.輻射縫隙的長(zhǎng)度ΔL把h=5mm，W=41.4mm，εe=2.95帶入，可以計(jì)算出微帶天線輻射縫隙的長(zhǎng)度，即ΔL=2.34mm4.矩形貼片的長(zhǎng)度L把c=3.0×m/s，f0=2.45GHz，εe=2.95，ΔL=2.34mm帶入可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的
7、長(zhǎng)度，即L=31.0mm5.參考地的長(zhǎng)度LGND和寬度WGND把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm分別帶入，可以計(jì)算出微帶天線參考地的長(zhǎng)度和寬度，即LGND≥61.8mmWGND≥71.4mm6.同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（xf，yf）把εr=3.38，W=41.4mm，L=31.0mm分別帶入，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=9.5mmyf=0mm三.HFSS設(shè)計(jì)與建模概述我本次所設(shè)計(jì)的天線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(chǎng)，必須設(shè)置輻射邊界或者PML
8、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要大于1/4個(gè)
