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基于HFSS的天线设计.pdf
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基于HFSS的天线设计.pdf
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•利用电磁软件
AnsoftHFSS
设计一款微带天线。
♦微带天线要求:工作频率为,带宽
(
回波损耗
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。
实验原理
1
、微带天线简介
微带天线的概念首先是由
DeschampsT1953
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
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 层
长度
L
、辐射源的宽度
W
介质
的厚 损耗
度
h
、介质的相对介电常数
r
和 切
正 度
WG
tan、介质层的长度
LG
和宽 图
1
所示
用微带
的微带贴片天线是采
带贴片天线采用的是同轴线馈电,也
图
1
:微带天线的结构
天线来馈电的,本次将要设计的
就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与 辐射源相连接。
矩形微
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
g
/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
方向上可以看做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。从图
2(b)
可以看出,微带线边缘的电场可以
分解成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,远区辐射电场垂直分量相互抵消,辐射电场平行于天线
表面。
(a)
俯视图
(b)
侧视图
图
2
矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图
2
、天线几何结构参数推导计算公式
假设矩形贴片的有效长度设为
L
e
e
,
则有
L
e g
/2
g0/,e
(1-1)
式中,
g
表示波导波长,有
(1-2)
式中,
0
表示自由空间波长,
e
表示有效介电常数,且
e
1
r
1h
x
or
(112)
2 2W
e
1
2
(1-3)
式中,
r
表示介质的相对介电常数,
h
表示介质层厚度,
W
表示微带贴片的宽度
由此,可计算出矩形贴片的实际长度
L,
有
LL
e
2L
e
式中,
c
表示真空中的光速,
0
2\
e
2L
(1-4)
L
表示图
2(a)
中所示的
f
0
表示天线的工作频率,
等效辐射缝隙的长度,且有
L0412h(
e。⑶州
2
0
.
264)
(1-5)
(
e
0.258)(W/h0.8)
矩形贴片的宽度
W
可以由下式计算:
1
,一、
c
r
12
W---------------
r
—
2f
0
2
(1-6)
L
和宽度
W
之后,还需要确定对于同轴线馈电的微带贴片天线,在确定了贴片长度
同轴线馈点的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗, 在微波应用中通常是使用
50
的标准阻抗,因此
炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于
50
。对于图
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(
x
f
,y
f
)
表示馈点的位置坐
标。
图
3
同轴线馈电的微带天线
对于
TM10
模式,在
W
方向上电场强度不变,因此理论上
W
方向上的任一点都可以作 为馈点,为
了避免激发
TM1n
奠式,在
Wf
向上馈点的位置一般取在中心点,即
y
f
0
(1-7)
在
L
方向上电场有 0/2 的改变,因此在长度
L
方向上,从中心到两侧,阻抗逐渐
g
变大,输入阻抗等于
50
的馈点位置可由下式计算:
式中,
re
(L)
X
f
1h
、
-(112-)
2
re
(L)
L
(1-9)
(1-8)
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
以达到足够的准确,因此设计中参考地的长度
可,即
6h
的距离时。计算结果就可
L
GND
和宽度 W
GND
只需满足以下两式即
L
GND
L6h
(1-10)
(1-11)
W
GND
W6h
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的中心频率为,选用的介质板材为
RogersRO4003,
其相对
介电常数「
3.55,
厚度
h=5mm
天线使用同轴线馈电。根据上面的推导公式来计算微
带天线的几何尺寸,包括贴片的长度
L
和宽度 W 同轴线馈点白^位置坐标(
X
f
,y
f
),
以
及参考地的长度
L
GND
和宽度
W
GND
°
(1)
、矩形贴片的宽度
W
把
c3.010
8
m/s,f
0
2.5GHz,
r
3.55
代入式
(1-6),
可以计算出微带天线矩形 贴片的宽度,即
(2)
、有效介电常数
e
把
h5mm,W39.78mm,
r
3.55
代入式
(1-3),
可以计算出有效介电常数,即
(3)
、辐射缝隙的长度
L
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