一种新型双频微带天线的分析与设计

一种新型双频微带天线的分析与设计

张申1赵志超2 刘淑芳1 史小卫1

（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安710071）1

（西安电子科技大学电子工程学院电路CAD研究所，西安710071）2

摘要：本文设计了一种小型微带正方形贴片开槽天线，通过在贴片上开一对L槽实现双频功能并且达到了大于3的频比。文中给出了Ansoft HFSS11的仿真结果和实物的测试结果。仿真与测试结果表明，这种新型微带天线具有较好的双频特性和大频比特性，可以应用于无线通讯与卫星通信领域。

关键词：微带天线，圆极化，宽频带

Analysis and design of a novel dual-frequency microstrip antenna

ZHANG Shen1，LIU Shu-fang1，SHI Xiao-wei1，ZHAO Zhi-chao2（National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology，Xidian University，Xi’an 710071）1（Institute of electronic CAD，Xidian University，Xi’an 710071）2

Abstract：In this paper，A novel small microstrip antenna with a pair of L-shaped slots is proposed to achieve dual-frequency and can realize a significant frequency ratio（above3）. Simulation and experimental results are presented and it is demonstrated that this design is valid．The proposed antenna demonstrates useful features for wireless communication applications．

Keywords：Microstrip antenna; Dual-frequency; big frequency ratio;

1 引言

微带天线因其重量轻、体积小、易于集成等令人瞩目的特点在无线移动通信设计中得到了广泛的应用[1，2]。由于微带天线的诸多优点，微带天线在现代通信中得到了广泛的应用，特别是在微带天线的设计中，两个或多个频段的通信系统是无线通信发展的一个重要方向，因此双频（或多频）微带天线成为微带天线近年来的研究热点。通过在单一贴片上加载电抗性负载来获取双频是目前使用最为广泛的贴片天线双频技术。加载的电抗性负载包括以下一些类型：短截线、开设槽口、销钉和电容以及缝隙等[3，4]。当在贴片上加载

基金项目：国家自然科学基金（61072021）短截线或开设槽口来实现双频时，贴片尺寸将有所缩减。但是频率因子通常只能设计在不大于2的范围内，否则交叉极化将变大，方向图恶化。所以当需要大频比的天线时要用双层贴片[5]或者设计较为复杂的微带网络。本文设计了一种新型单层双频微带天线并得到了大于3的频比。

2 双频微带天线结构设计

通常缝隙加载可以降低天线的频率，减小天线的尺寸，实现天线的小型化。在贴片上开双缝可以引入天线的第二个频率，使天线良好的工作在双频段。如图1给出了该微带天线的结构。矩形贴片的尺寸为：长L宽W，介质层的介电常数

r

ε=4.6，高度h，馈电方式为同轴馈电，馈电点位于宽边中

·10·

·11·

心轴线上。在贴片上开了两个同等大小的L 型槽，对此模型，我们采用软件Ansoft HFSS11 进行了仿真，根据经验公式并通过调整槽的大小与位置，经过优化后各参数为：

W=24mm ，L=31mm ，h=3mm ，L1=17mm ，W1=2mm ，L2=4.5mm ，S=18mm ，d=6.8mm

。

图1

微带天线仿真模型

图2 天线实物图

3 实现实例与测试结果

如图2为这种新型天线的实物图。图3为仿真与测量的反射系数对比曲线，从图中可以看出实测结果的略优于仿真结果，高频段略高于仿真结果，使得频比更大（达到8.7/2.7=3.2），两个结果基本吻合。实测结果显示在S 11<-10dB 时天线的低频带宽大于200MHz ，高频带宽大于550MHz ，实现了很好的宽带特性。图4-7所示为天线的辐射方向图，结果可以看出，在 2.7GHz 时天线主辐射方向最大增益为8.4dB 。在8.7GHz 时天线主辐射方向最大增益为10.5dB 。此天线得到了较好的双频特性。

接着我们研究缝隙长度L1对天线频率的影响规律，其余参数固定不变。缝隙长度L1的变化范围为18mm 到20mm 。图8给出了不同长度下对应的天线的反射系数曲线。

图3 反射系数曲线

图4 f=2.7GHz 时天线E 面辐射方向图

图5 f=2.7GHz 时天线H 面辐射方向图

图6 f=8.7GHz 时天线E 面辐射方向图

·12

·

图7 f=8.7GHz 时天线H 面辐射方向图

图8 不同缝隙长度对应的天线反射系数

由以上结果可以看出，改变缝隙长度L1可以改变第二个谐振点f2的大小，从而可以改变频比。

4 结论

本文提出了一种新型单层双频微带贴片天线，通过在贴片上开两个L 型槽实现双频大频比特性。文中给出了天线的仿真和实测结果，结果表明这种天线可以实现大于3的频比，并有较好的双频特性。最后研究了缝隙的长度对天线频率的影响规律，发现缝隙的长度对天线频率影响较大，通过改变缝隙长度可以调整频比大小。

参 考 文 献

[1] Antar Y M M ，Ittipiboon A I ，Bhattachatyya A K ，A dual-frequency antenna using a single patch and an inclined slot. 1995（06）. [2] Gao S C ，Li L W ，Yeo T S ，Leong M S ，Small dual-frequency microstrip antennas. 2002（01）. [3] Zhong S S ，Lo Y T ，Single element rectangular microstrip antenna for dual-frequency operation1983（08） [4] Wong K L ，Chen W S ，Compact microstrip antenna with dual-frequency operation. 1997（08）

[5] Mirshekar-Syankal D ，Hassani H R ，Characteristics of stacked rectangular and triangular patch antenna for dual band

application. 1993

[6] 陈斌，梁昌洪，大频差单馈双频双层微带天线研究[期刊论文]-空间电子技术.2008（01）

作者简介：

张申，女，硕士，主要研究领域为天线设计及双频微带阵研究；刘淑芳，女，硕士生导师，主要研究领域为微波器件设计技术和天线阵列设计技术。

基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告

.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。

（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名

输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。

实验七 微带贴片天线的设计与仿真

实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型： （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。

矩形微带天线设计与分析

矩形微带天线设计与分析 万聪，沈诚诚, 王一平 2011级通信2、4班 沈诚诚：主要负责资料准备与整理 王一平：主要负责论文的格式与后期资料扩充 万聪：主要负责设计模型 三人共同学习hfss软件设计模型，共同参与讨论编写论文，发扬团结合作的精神，克服所遇到问题，完成好老师布置的作业。 摘要：微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视，已经被广泛应用在1OOMHz—1OOGHz的宽广频域上的大量的无线电设备中。本文介绍了一种谐振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。本论文给出了详细的设计流程：根据理论经验公式初步计算出矩形微带天线的尺寸，然后在HFSS里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离2.44GHz为止。微带天线固有的缺陷是窄带性，它的窄带性主要是受尺寸的影响，在不改变天线中心频率的前提下，通过理论经验公式与仿真软件的结合，给出了微带天线比较合理的尺寸。通过HFSS 13.0软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：微带天线、谐振频率、HFSS

Abstract: the microstrip antenna has attracted wide attention from related fields with the advantages of small volume, light weight, low profile, unique, a lot of radio equipment has been widely applied in broad frequency range 1OOMHz - 1OOGHz of the. This paper introduces a 2.45GHz resonant frequency, input impedance of the antenna for the rectangular microstrip antenna using a 50 ohm coaxial feed. This paper gives a detailed design process: according to the theory of empirical formula calculated the size of rectangular microstrip antenna, then modeling and Simulation in HFSS, repeated adjustment according to the simulation results of the antenna size, until the simulation results in the center frequency antenna can not depart from the 2.44GHz to stop. The inherent defects of microstrip antenna is narrow, narrow band it is mainly affected by the size, in the premise of not changing the antenna center frequency, through a combination of theoretical formula and simulation software, the reasonable size of microstrip antenna. The antenna is simulated by HFSS 13 software, optimization, and ultimately get the best performance. Keywords: microstrip antenna, resonant frequency, HFSS

实验一：微带天线的设计与仿真

实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ<

计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ<

微带天线设计

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tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG 。图1-1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层 与辐射源相连接。 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TM 10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，在长度L 方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图1-2（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。 图1-1

用ADS设计微带天线.

用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ<

计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下：

S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ<

基于HFSS的双频微带天线仿真及设计

基于HFSS的双频微带天线仿真及设计 随着无线通信技术的快速发展，无线通信已经广泛应用到雷达"移动通信"卫星定位"无线局域网络"卫星电视等诸多领域!而天线则是无线通信系统中信号发射和接收的关键部分，它直接影响着无线通信的性。随着移动通信中跳频"扩频等通信技术的发展，同时为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。因此天线的多频段通信技术成为现代无线通信领域迫切需要研究的问题。 微带天线有多种馈电方式，其中同轴线馈电是一种最常用的馈电方式!同轴线馈电是将同轴插座安装在接地板上，本文在一种常用的2.45GHz同轴馈电微带天线的基础上，利用HFSS三维电磁仿真软件合理设计同轴馈电的位置及改变辐射贴片的尺寸，使天线获得一个新的谐振频率，大小为 1.9GHz，且输入阻抗为50Ω左右，并且对仿真结果进行了详细的分析。最后根据仿真结果制作天线实物，在实际的电磁环境下对天线的驻波比进行测试，得到较好的效果。 1 2. 45 GHz同轴馈电微带天线参数 一种常用的2. 45 GHz同轴馈电微带天线的原理图如图1和图2所示

图1 中L0为辐射贴片X轴长度，L0= 27．9 mm; W0为辐射贴片Y 轴长度宽度，W0= 40 mm; L1为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L1 = 6.6 mm。图 2 中介质基片厚度H = 1． 6 mm; 介质基片介电常数ε = 4.4。 2双频微带天线设计 在 2． 45 GHz 微带天线中的辐射贴片在 X 轴方向的长度为 27． 9 mm，同轴线馈电点( A 点) 离辐射贴片中心距离为 6． 6 mm。只需在此基础上分析给出微带天线的辐射贴片在Y轴方向的长度和同轴线馈电点 ( B 点) 的位置，能够使天线能够工作于9 GHz，然后过 A 点和 B 点的垂直相交点( C 点) 即为需要找到的双频馈电点。X轴上的 A 点为激发2． 45 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为 50 Ω左右，由于 A 点位于辐射贴片Y轴方向的中心线上，因此不会激发Y轴上的工作频率。同时，Y轴上的 B 点为激发 1． 9 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为50 Ω左右，由于位于辐射贴片X方向的中心线上，因此不会激发X轴上的工作频率。如果将馈电点放置于C点位置，此时天线可以同时激发X轴的工作频率和Y轴的工作频率，且在这两种模式下均能得到50 Ω左右的输入阻抗，那么此时天线就可以实现双频工作。 扩展1. 95 GHz谐振频率后的馈电点(C点)位置如图3所示。

900MHz同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS仿真

900MHz 同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS 仿真 微带天线它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面敷以金属薄层做接地板而成。辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。 微带天线馈电有多种馈电方式，如微带线馈电、同轴线馈电、耦合馈电和缝隙馈电等。其中，最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。 同轴线馈电又称背馈，它是将同轴插座安装在接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上。若寻取正确的馈电点位置，就可以获得良好的匹配。 1 矩形微带天线的特性参数 1.1 微带辐射贴片尺寸估算 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度ω，即为： 2 1 )2 1(2-+=r f c εω（1） 式中，c 是光速，8 10*3=c 。 辐射贴片的长度一般取为 2 e λ，e λ是介质内的导波波长，即为： e e f c ελ= （2） 式中，e ε是有效介电常数，即为： 2 1 )121(2 1 2 1 -+-+ += ω εεεh r r e （3） 考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为： L f c L e ?-= 22ε（4） 式中，L ?是等效辐射缝隙长度，即为： ) 8.0)(258.0() 264.0)(3.0(412.0+-++=?h h h L e e ωεωε（5）

2. 同轴馈电矩形微带天线设计 在使用同轴馈电时，在阻抗匹配方面，在主模10TM 工作模式下，馈电点在矩形辐射贴片长度L 方向边缘处（x=±L/2）的输入阻抗最高，约为100Ω-400Ω。馈电点在宽度ω方向的位移对输入阻抗的影响很小。但在宽度方向上偏离中心位置时，会激发n TM 1模式，增加天线的交叉极化辐射。因此，宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点。 由下式可以近似计算出输入阻抗为50Ω时的馈电点的位置： )1 1(2 1re L L ξ- = （6） 式中， 2 1 )121(21 2 1 )(-+-+ += L h L r r re εεξ（7） 3. 设计要求 使用HFSS 设计中心频率为915MHz 的矩形微带天线，并给出天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm 的RF4环氧树脂板，天线馈电方式采用50Ω同轴线馈电。 x 图1 同轴馈电俯视图 天线初始尺寸的计算： 辐射贴片宽度：mm 77.99=ω 辐射贴片长度：mm L 89.77= 50Ω匹配点初始位置1L ，计算出初始位置后，然后再使用HFSS 的参数扫描分析和优化设计功能，分析给出50Ω匹配点的实际位置即可，mm L 91.191=。

微带天线仿真设计(5)讲解

太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师

专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… ……

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航

矩形微带天线设计

班级： 姓名： 学号： 指导教师：徐维 成绩： 电子与信息工程学院 信息与通信工程系

1微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps 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。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ，则有 L e =λg /2 式中，λg 表示导波波长，有 λg =λ0/ε 式中，λ0表示自由空间波长；εe 表示有效介电常数，且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中，εr 表示介质的相对介电常数；h 表示介质厚度；w 表示微带贴片的宽度。 因此，可计算出矩形贴片的实际长度L ，有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL=2102-e f c εΔL 式中，c 表示真空中的光速；f 0表示天线的工作频率；ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度，且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算， W=21 2102-??? ??+εf c 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50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω.对于如图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。

对于TM 10模式，在W 方向上的电场强度不变，因此理论上的W 方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发TM 1n 模式，在W 方向上的馈点的位置一般取在中心点，即 y f =0 在L 方向上电场有λg /2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50Ω时的馈点可以由下式计算， x f =) (2L L ξ 式中， )121(2121 21)(l h L +--++=εεξ 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，理论分析证明来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L GND 和宽度W GND 只需要满足以下条件即可， L GND ≥L+6h W GND ≥W+6h 2设计指标和天线结构参数计算 我这次设计的矩形微带天线工作于ISM 频段，其中心频率为 2.45GHz ；无线局域网（WLAN ）、蓝牙、ZigBee 的无线网络均可以工作在该频段上。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。微带天线的三个关键参数如下：工作频率f 0=2.45GHz ；介质板材的相对介电常数εr =3.38；介质厚到h=5mm 。 1.矩形贴片的宽度W 把c=3.0×108 m/s ，f0=2.45GHz ，εr =3.38带入，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即 W=0.0414m=41.4mm

HFSS双频微带天线设计说明

一设计容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度 方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质 为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。

2.添加和定义设计变量 在HF SS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。 图3-1介质基片模型 （2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为L0，W0。如图3-2所示。这时就创建好了名称为patch辐射贴片模型。然后按Ctrl D 全屏显示物体。

(完整版)基于HFSS的微带天线设计毕业设计论文

烟台大学 毕业论文（设计） 基于HFSS的微带天线设计 Microstrip antenna design based on HFSS 申请学位：工学学士学位 院系：光电科学技术与信息学院

烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：光电信息科学技术学院

[摘要]天线作为无线收发系统的一部分，其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。近年来内置天线在移动终端数量日益庞大的同时功能也日益强大，对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求。由于不同的通信网络间的频段差异较大，所以怎样使天线能够覆盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计内置天线的主要问题。微带天线具有体积小，重量轻，剖面薄，易于加工等诸多优点，得到广泛的研究与应用。微带天线的带宽通常小于3％，在无线通信技术中，对天线的带宽有了更高的要求；而电路集成度提高，系统对天线的体积有了更高的要求。 随着技术的进步，在不同领域对于天线的各个要求越来越高，所以对微带天线的尺寸与性能的分析有着重要的作用。对此，本文使用HFSS 软件研究了微带天线的设计方法，论文介绍及分析了天线的基本概念和相关性能参数，重点对微带天线进行了研究。 本文介绍了微带天线的分析方法，并使用HFSS 软件的天线仿真功能，对简单的微带天线进行了仿真和分析。 [关键词] 微带天线设计分析HFSS [Abstract]Antenna as part of the wireless transceiver system, its performance important impact on the overall performance of a system. Internal antenna in recent years an increasingly large number of mobile terminals while also increasingly powerful, and also network coverage and miniaturization of the antenna Band differences between the different communication networks, cover band and also problem of the design built-in antenna. Microstrip antenna with small size, light weight, thin profile, easy to process many advantages, extensive research and application. Microstrip antenna bandwidth is typically less than 3% the bandwidth of the antenna in wireless communication technology; improve the integration of the circuit the size of the antenna. As technology advances in different areas for various requirements of the antenna important role. Article uses HFSS microstrip antenna design, the paper introduces and analyzes the basic concepts and performance parameters of the antenna, with emphasis on the microstrip antenna. This article describes the analysis of the microstrip antenna and antenna simulation in HFSS simulation and analysis functions, simple microstrip antenna. [Key Words]Microstrip antenna design analysis HFSS

HFSS双频微带天线设计

一设计内容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度 方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使 用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质 为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口 归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。

（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。 2.添加和定义设计变量 在HFSS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。 图3-1介质基片模型 （2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在

天线CAD大作业微带天线设计

天线CAD大作业 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程

微带天线设计 一、设计要求： （1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε = 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。 （2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤 计算天线几何尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为 h=5mm,中心频率为 f=1.15GHz,s m /103c 8?=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则 （1）辐射切片的宽度2 1 )2 1(2-+=r f c w ε=69.72mm （2）有效介电常数2 1)12 1(2 1 2 1 r e - +-+ += w h r εεε=5.33 （3）辐射缝隙的长度) 8.0/)(258.0() 264.0/)(3.0(h 412.0+-++=?h w e h w e L εε=2.20 （4）辐射切片的长度L e f c L ?-=22ε=52.10mm （5）同轴线馈电的位置L1 21 )121(21 2 1)(re - +-++= L h r r L εεξ=5.20 )1 1(21re L L ξ-= =14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述 为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：

微带天线的HFSS设计模型如下： 立体图俯视图 模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。 （2） HFSS设计环境概述 ＊求解类型：模式驱动求解。 ＊建模操作 ①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。 ②模型操作：相减操作 ＊边界条件和激励 ①边界条件：理想导体边界、辐射边界。 ②端口激励：集总端口激励。 ＊求解设置：

HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告

基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz:

(2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec ,

矩形微带天线

一.微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps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。 上图是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、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元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介点常数ε和损耗正切tanδ、介质的长度LG和宽度WG。图中所示的天线是采用微带线来馈电的，本次我要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微

带天线的工作模式是TM 10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，如图所示，在长度方向上可以看成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图中可以看出微带线边缘的电场可以分解成垂直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。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ，则有 L e =λg /2 式中，λg 表示导波波长，有 λg =λ0/ε 式中，λ0表示自由空间波长；εe 表示有效介电常数，且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中，εr 表示介质的相对介电常数；h 表示介质厚度；w 表示微带贴片的宽度。 因此，可计算出矩形贴片的实际长度L ，有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL= 2102-e f c εΔL 式中，c 表示真空中的光速；f 0表示 ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度，且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算， W=21 2102-??? ??+εf c 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50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω. 对于如图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。