当前位置：文档之家 › 2.45GHz四元微带天线阵设计方案

2.45GHz四元微带天线阵设计方案

  • 格式：pdf
  • 大小：2.24 MB
  • 文档页数：9

下载文档原格式

  / 9

合集下载

微波热疗阵列天线设计

微波热疗阵列天线设计

-10(2.505,-10) (2.45,-10-7916)2.4 2.6频率/GHz引言微波热疗指的是利用微波在生物组织中的热效应，使组 织升温将肿瘤细胞灭杀，达到治疗目的的技术方法。

微波热 疗n ]分为体内热疗和体外热疗两种，前者要求将天线插入人 体内，利用天线的热效应对肿瘤进行治疗；后者要求利用近 场聚焦天线121将微波能量聚集到较小区域。

聚焦天线可以将 电磁波聚焦到目标位置，而微带阵列天线具有结构简单，体 积较小，易于共形，成本较低等优点，并且可以通过移相器 控制传输相位实现近场聚焦，是微波热疗天线的优先选择。

本文设计了一种用于体外热疗的4x 4微带阵列天线， 天线总体尺寸为305m m x 310m m x 1.6m m ，结构简单，体积 较小。

_、微带阵列天线结构设计本文设计的近场聚焦微带天线阵列如图1所示。

图1近场聚焦微带阵列天线图1.1微带贴片单元设计选择U 形槽天线^作为阵列天线的阵元，中心频率为 2.45G H z 的医用电磁波频率。

在辐射贴片开槽可以改变贴片 中电流分布，激发相对较低的谐振频率，与较高谐振频率相互作用，扩展微带天线的带宽。

介质板材料为F R 4( ^=4.4)， 厚度为1.6m m 。

采用特性阻抗100欧姆的微带线对阵元进行 馈电。

图2为贴片单元的反射系数。

图2微带贴片单元的反射系数1.2近场聚焦微带阵列设计以上一小节微带贴片单元构建4 x 4阵元数的近场聚焦微带阵列，采用并馈的微带功分网络对阵元进行馈电。

为减小耦合效应，天线之间的距离需大于0.5倍波长。

为避免天 线方向图出现栅瓣，因此阵元间距要小于一个波长。

本文种 阵元之间的距离d 为0.7倍波长[4]。

通过改变阵元之间的传输线的距离来补偿各单元之间的 相位差，使各阵元之间的相位到达近场某个焦点时相差一个 波长的倍数实现聚焦m 。

各辐射阵元辐射场到焦点处的相位为+⑴其中为以聚焦点到天线表面投影点为中心横坐 标上第m 个，纵坐标上第n 个辐射单元的坐标，&为焦点激 励天线表面的距离。

设计1：侧馈矩形微带天线

设计1：侧馈矩形微带天线

背馈时
WG W 0.2g LG L 0.2g
侧馈时，基片宽度同上，长度要考虑馈线和匹配电路的配置而定
二、HFSS仿真设计：1、新建设计工程
二、HFSS仿真设计：2、定义设计变量
结构名称 辐射贴片 1/4波长阻抗 变换器 50Ω微带线 结构参数名称
长度 宽度 长度 宽度 长度 宽度 厚度
其中
Yin
2G G B 1, 1 2 Y Y T0 T0 cos ( z )
1 YT 0 ZT 0
Z为馈电点到天线边缘拐点处的距离，β是介质 中的相位常数
一、设计步骤：2、阻抗匹配
cos 2 ( z ) Z L Zin 2G
3.73
等效缝隙宽度
L 0.412h
c 2 f0 e
e 0.258 W / h 0.8
2L 30.21mm
e 0.3 W / h 0.264
0.75mm
辐射贴片长度
L
一、设计步骤：2、阻抗匹配
侧馈矩形微带天线输入阻抗计算公式 辐射电导
一、设计步骤：1、计算天线尺寸
由设计要求可知：f0=2.45GHz，εr=4.4，h=1.6mm 辐射贴片宽度
c 2 W 2 f0 r 1
1/2
37.26mm
1/2
有效介电常数
e
r 1 r 1
12h 1 2 2 W
1 G 120 2


0
k0W sin ( cos )tg 2 sin d 2
2
等效电纳
输入导纳
B
k0 L e ZT 0
ZT0是把天线视作传输线时的特性阻抗

2.4GHZ四单元阵列天线设计研究

2.4GHZ四单元阵列天线设计研究

天线增益变化分析
• 采用并联方式组成的四阵列天线的增益， 如图所示
结果分析
一：在一定范围内，阵元间隔越大，天线的相对带 宽越小 二：在一定范围内，增益随着阵元间隔距离的增大 而增大，超过一定的距离后增益下降。根据相关 的资料查阅， 经过大量的实验后，发现阵元间 d =0.83和0.76 方向性系数和增益分别达 隔在 到最大 三 由图可以看出单元天线增益约为2-3之间，双阵 列天线增益约为5-6之间，四单元阵列天线约为 11-12之间（调试阵元的匹配线和矩形贴片的L或 调试四分之一阻抗匹配线的长宽增益可再提升几 dB）
。
1.4微带天线的发展现状
常规设计带宽： 1%—6% 新一代典型带宽：15%—20%也已制成超宽频带微带天线 。
发 展 现 状
微带天线现已应用于大约100MHz—100GHz的宽广频域 上的大量无线电设备中，特别是在飞行器上和地面便携式 设备中。 在要求低剖面辐射器的场合，即使微带天线某些特性不 如正常天线，也往往被优先选用。 随着微带天线材料、设计和加工工艺的不断发展，其应用 正在与日俱增。微带天线将能替代不少常规天线，而成为 一些民用和军事装备，特别是便携式设备的更新换代产品。
75
46.9×37. 1 1.5×5.63
80
46.9×37. 1 1.5×7.8
85
46.9×37. 1 1.5×7.3
90
46.9×37. 1 1.5×5.3
95
46.9×37. 1 1.5×4
100
46.9×37. 1 1.5×4.2
3.165×20 3.165×20 3.165×20 3.165×20 3.165×20 3.165×20 .4 .4 .4 .4 .4 .4 5.4% 11.838 5% 12.1068 5.2% 12.355 2.9% 12.3805 2.9% 12.2065 2.9% 12.2761

2.4GHz四单元微带贴片天线阵的设计与仿真

2.4GHz四单元微带贴片天线阵的设计与仿真

ＧＨｚ，增 益 达 到 １１．５ ｄＢｉ。同 时 设 计 了 加 反 射 板 的 宽 频 带 四 单 元 平 面 单 极 天 线 阵 ，天 线 中心 频 率 为 ２．４ ＧＨｚ，ｌＳ、 ｌ＜
一 １４ ｄＢ为 ５００ ＭＨｚ，相 对 带 宽 是 ２Ｏ ％ ，增 益 达 １４．７ ｄＢｉ。
关 键 词 ：口径 耦 合 ；短 路 加 载 微 带 天 线 ；天 线 阵 ；平 面 单 极 天 线
（桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 与 通 信 学院 ，广 西 桂 林 ５４１００４）
摘 要 ：为满足 ２．４ ＧＨｚ ＩＳＭ 频段无线 宽带 定向通信要求 ，设计了一种 口径耦合 的小型四单元 短路 贴片天线 阵 ．采
用 短 路 面 加 载 辐 射 贴 片 ．使 单 元 贴 片 天 线 长 度 缩 小 一 半 ，仿 真 结 果 表 明 ，天 线 阵 工 作 于 ＩＳＭ 频 段 ２．４２～ ２．４８３５
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｐｅｒｔｕｒｅ—ｃｏｕｐｌｅｄ；ｓｈｏｒｔｅｄ ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａ；ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ ；ｐｌａｎｅ ｍｏｎｏｐｏｌｅ
微 带天 线是 ２Ｏ世 纪７Ｏ年 代 初期 研 制 成功 的一 种 天 线 ，大 约从 １ＯＯ～５０ ＧＨｚ的宽 频带 上 获 得 了大 量 的 应 用 ，具 有尺 寸 小 、重 量 轻 、成 本 低 、馈 电方 式 灵 活 和 工 艺 简 单 ，易于 电路 集成 等 优 点 ，因此 在 现代 天 线 技 术 领域 中得到 了广泛 的研 究 和应 用 。在 实 际 中 ，往 往 要 求 天线 应 具有 高增 益 、小型 化 ，宽 频带 ，定 向辐 射 等 特 点 ，单 个微 带天 线辐 射元 的增 益及 方 向性 均 很 难达 到 要求 ，而天 线 阵则 可获 得 上述 特性 。本 文设 计 的天 线 阵 选 用 的 介 质 板 都 是 介 电 常 数 为 ２．６５，厚 ｈ＝ １

2.45GHz四元微带天线阵设计方案

2.45GHz四元微带天线阵设计方案

(1)
可见 L 值与 r 直接相关。当 L、W 确定后，则 h 的取值决定着天线的体积和重量。 2. 对微带线特性阻抗的影响 本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相 关，为了使微带天线单元与传输线较好地匹配，需要特定阻抗的微带线对其进行馈电。微带 线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。 导体带宽度为 w， 介质基片厚度为 h， 相对介电常数为 r 。微带线传输准 TEM 模。当 r 及 h 已知时，微带线的特性阻抗 Z c 取决 于 w / h 比值，随 w / h 增大而减小。 给定特性阻抗 Z c ，可用下列公式求得所需微带线的宽度 w:
1 1 1 1 1 Q Qr Qd Qc Qsw
(9)
Qr、Qd、Qc、Qsw 分别对应于辐射损耗、介质损耗、导体损耗和表面波损耗的品质因
子值。
Qd
3 1 1 , Qc h 0 f 0 , Qr 0 r , Qsw ( 1)Qr h tan 8h 3.4 r 1
图 1 传输线法物理模型
利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图 1 所示为传 输线法物理模型。传输线模型的基本假设是：1）微带片和金属底板构成一段微带传输线， 传输准 TEM 波，博得传输方向决定于馈电点。线段长度 L g / 2 ， g 为准 TEM 波的波 长。常在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两 个辐射缝长为 W，宽为 h，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的 延伸面上，即是将开口面向上折转 90o,而开口场强随之折转。 由以上两条基本假设可以看出，当 L g / 2 时，二缝上切向电场均为 x 方向，且等幅 同相、它们等效为磁流，由于金属底板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射。缝上等 效磁流密度为 M s 2V / h ，式中，V 为传输线开口端电压。 由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按自由空间处理，这是这种方法的方便 之处。 1.2 微带天线单元设计 微带天线的贴片形状可采用矩形、圆形、环形、三角形等，他们都各有特点，但考虑到 制板以及微带线馈电和匹配， 通常大多采用矩形贴片。 一般矩形微带天线的馈电方式都是从 贴片某一边的中心点馈电由于馈电点所在的边和辐射边平行， 辐射边是均匀分布， 因此激励 的工作模为 TM01。这样形成的极化形式为线极化。矩形微带天线单元坐标示意图如图 2 所 示。其与设计有关参量包括：辐射元长度 L，辐射元宽度 W，介质板厚度 h，介质板的长度 LG 和宽度 WG，介质的相对介电常数 r 和损耗角正切 tan ，馈电方式及阻抗匹配。

矩形微带天线设计

矩形微带天线设计

矩形微带天线设计1、 技术参数：中心频率2.45GHz ，带宽60MHz 全向微带天线2、 参数计算： 1） 选择介质基片选择陶瓷基片εr ＝9.8，厚度h=1.27mm ，1.27mm 的基片有较高的天线效率，较宽 的带宽以及较高的增益。

2） 计算贴片宽度（1）通过公式（1）算出贴片宽度为w=0.02635m=26.35mm3） 计算贴片长度求得 8.9 ， =0.543mm ，L=19.44mm4） 馈电点的计算w=26.35mm 122.45mmG r =20901⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛λw =5.145×10-4β=153 cos 2(βz)=()z Y G2in = 5.145×10-2βz= cos -1(21045.15-⨯)=1.342求得：z=0.00877m=8.77mm 5）馈线的宽度和长度采用ADS 中的linecalc 工具来计算馈线的宽度和长度，计算结果为： 馈线的宽度应为：1.21mm ，长度应为：1.32mm 3、 建模及仿真 1） 建模在ADS 中建立矩形天线的模型2)仿真及结果分析Frequency M a g . [d B ]S11FrequencyP h a s e [d e g ]S11由上图可见，理论上的计算结果与实际的符合还是相当不错的，中心频率大约在2.45GHz 左右只是中心频率处反射系数S11还比较大，从而匹配不理想，在2.45GHz 处，m1距离圆图上的坐标原点还有相当的距离。

在2.45GHz 下的输入阻抗是：Z0*（0.147-j0.517）＝7.35－j25.85。

还需要对初始的设计图进行匹配优化设计工作，使其达到完全的匹配。

下图是天线总的2D 方向辐射图。

3）进行阻抗匹配为了进一步减小反射系数，达到较理想的匹配，并且使中心频率更加精确，可以在Schmatic 中进行匹配。

天线在3GHz 下的输入阻抗是：Z0*（0.147-j0.517）＝7.35－j25.85，这可以等效为一个电阻和电容的串连。

2.45 GHz紧凑型微带整流天线阵列

DOI: 10.11991/yykj.202003012网络出版地址：https:///kcms/detail/23.1191.U.20201202.1409.012.html2.45 GHz 紧凑型微带整流天线阵列李金城，林航，刘长军四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064摘 要：为了提升整流天线的微波功率容量与直流输出功率，本文提出了一款基于肖特基二极管的紧凑型微带整流天线阵列，工作频率为2.45 GHz ，采用HSMS-2700肖特基二极管作为整流器件，并采用倍压电路提升功率容量与直流输出功率。

在输入微波功率2 W 时，单支整流电路的最大输出直流功率为0.93 W 。

将整流电路集成到贴片天线后，形成整流天线阵列。

结果表明，天线阵列最大可输出14.03 W 的直流功率，尺寸为217 mm×275 mm×2 mm 。

整流天线阵列结构紧凑，输出直流达到了117.6 mW/cm 3。

关键词：微波无线能量传输；整流天线；功率容量；直流输出；整流电路；肖特基二极管；倍压电路；天线阵列中图分类号：TN455 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2021)02−0008−04A compact microstrip rectenna array at 2.45 GHzLI Jincheng, LIN Hang, LIU ChangjunSchool of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, ChinaAbstract : In order to improve the power capacity and the DC output power of a rectenna, a compact microstrip rectifier rectenna array at 2.45 GHz based on Schottky diode was designed and fabricated. HSMS-2700 Schottky diodes are applied with voltage doubler rectifying circuit to improve its microwave power capacity and DC output power. When the input microwave power is 2 W, the maximum DC output power of a single rectifier reaches 0.93 W. The DC output power of the whole rectenna reaches 14.03 W at most. Its dimension is 217 mm×275 mm×2 mm. The proposed rectenna array iscompact, with DC output power reaching 117.6 mW/cm 3.Keywords: microwave wireless power transmission; rectenna; power capacity; DC output power; rectifier; Schottky diode; voltage doubler; antenna array随着不可再生能源的日益减少，可再生清洁能源的获取问题亟待解决。

同轴馈电矩形微带天线设计与分析报告 2

同轴馈电矩形微带天线设计与分析摘要：本文使用HFSS软件，设计了一种具有损耗低、稳定性好的同轴馈电矩形微带天线。

该新型C波段微带天线射频频率2、45GHz，输入阻抗50Ω，利用矩形同轴线馈电(RCL)结构网络和微带天线子矩阵的基本原理和设计方法，运用HFSS对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能，达到了频段围S11小于XXX，尺寸XXX，方向性XXX，达到XXX的设计要求。

关键词：HFSS，微带线，天线请在摘要中写明该天线的性能，点明创新性或所做的工作重点。

1、前言在1953年Deschaps提出微带天线的理论，经过20年多的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。

传统的手工计算设计天线采用的是尝试法，设计和研发周期长，费用高。

随着计算水平的提高，可以采用成熟的电磁仿真软件设计。

微带天线结构简单,体积小,能与载体共形，能和有源器件、电路等集成为统一的整体，具有体积小、重量轻、低剖面、易于集成和制造等点，在卫星通信、卫星定位系统等多个领域获得了广泛应用。

已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。

微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。

设计的圆极化微带天线具有较宽的频带或者是双频堆叠结构且采用同轴线馈电，一般天线厚度尺寸较大，因此馈电同轴长加大，导电感抗加大，天线的性能随之恶化。

通常，单层厚天线采用L形或T形同轴探针馈电；对于双层厚天线，通过在层间增加空气层以改善天线的驻波特性J。

这两种结构给天线的制造带来了困难，前者需要在介质层增加金属片来实现T形或L形探针馈电，制作不便，增加了制造代价；后者需要在两层天线中间添加空气层，由于空气层厚度对天线性能影响突出，厚度不易控制，因此也不是好的选择，而同轴馈电矩形微带电线成为了性能良好的天线选择之一。

制作一个简单的2.425GHzGHz螺旋天线概要

制作一个简单的ISM 无线电频段的2.425GHz 螺旋天线怎样制作一个简单的ISM无线电频段的 2.425GHz螺旋天线【ISM（Industry Science Medical）频段即工业科学医疗频段，该频段在美国不受FCC（美国联邦通信委员会）限制，属于工业自由辐射频段，频段范围为2.4GHz～2.4835GHz。

——译者注】引言As some of the readers may know, an effort by members of the Canberra Linux Users Group has been launched to set up a Canberra-wide wireless LAN. This amateur experiment's existence is largely due to the acquisition of many cut-price old style Lucent WaveLAN cards being superseded by the IEEE 802.11 standard cards. The cards were cheap but the tile antennas that came with them are no good for long haul links of more than several hundred metres. On top of this, commercial aerials that can do the job are expensive, can get rather large and are ugly, especially the conifers. My Mum would not want one on her roof. 正如很多读者都知道的，由于堪培拉Linux 用户集团的成员不懈努力的结果，已经创办起了堪培拉宽带局域网。

一种基于高阻表面的2.45GHz频段读写器天线

中 图 分 类 号 ：Ｔ ８ Ｎ２ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：０ ５ — ９ ８ ２ １ ）０ ０ １ — ４ ２ ８ ７ ９ （０ ０ １ — １ ０ ０
２４ ． ５ＧＨｚ ａ ｄ ｒａ ｅ ｎ ｅ ｎ ａ ｅ ｎ ｈ ｇ —ｂ ｎ ｅ ｄ ｒａ ｔｎ ａ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉｈ—ｉ ｅ ａ ｃ ｕ ｆｃ ｍｐ ｄ ｎ ｅ ｓ ｒａ ｅ
２ ｎ ｅ ｇ ｎｏ ａｉｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｃ ． ｔ ，Ｓ ｅ ｚ ｅ ０ ７，Ｃｈｎ ） ．Ｉｖ ｎ ｏ Ｉｆｒ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｍ ｏ ｙ ｏ ，Ｌｄ ｈ ｎ ｈ ｎ ５ ５ １ ８ ｉａ
Ａｂ ｔ ｃ ： ２． ５ ＧＨｚ ｂ ｎ ｓ ｎ ｆ ｔｅ ｂ ｎ ｓ ｗ ｉｈ ｒ ｏ ｓｒ ｔ ａ ４ ａｄ ｉ ｏ ｅ ｏ ｈ ａ ｄ ｈ ｃ ａｅ ｃ ｍｍｏ ｌ ｓ ｄ ｎ Ｆ Ｄ．Ｉ ｒ ｅ ｏ ｃ ｉｖ ｎ ｎ ｅ ｎ ｔ ｏ ｄ ｎ ｙ ｕ ｅ ｉ Ｒ Ｉ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ａ ｈ ｅ ｅ ａ ａ ｔｎ ａ ｗｉ ｇ ｏ ｈ ｐ ｒｏ ａ ｃ ｉ ｈ ｓ ｂ ｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｄ，ｏ ｈ ａ ｉ ｆ ｉ ｒ ｖｎ ｈ ｐ ｒ ｒ ｃ ｕ ｌ ｄ ｅ ｄ ｎ ｅ ｎ ｓ ｕ ｔｒ ， ｗ ｎ ｒ ｄ ｃ ａ ｉ ｈ－ ｍｐ ｄ ｎ ｅ ｍ ｎ ｔ ｅ ｂ ｓ ｏ ｍｐ ｏ ｉｇ ｔ ｅ ａ ｅｔ ｅ－ ｏ ｐｅ ｆｅ ａ ｔ ｎ ａ ｔ ｃｕ ｅ ｓ ｕ ｒ ｅ ｉ ｔ ｕ ｅ ｈｇ ｉ ｅ ａ ｃ ｏ
摘 要 ：２４ Ｈｚ频 段 是 Ｒ Ｉ 常 用 的 频 段 之 一 。 为 了 实现 一 款 该 频 段 的 性 能 良 好 的 天 线 ， 改 ．５Ｇ ＦＤ 在
善 缝 隙耦 合 馈 电 天 线 结 构 的 基 础 上 ， 天 线 设 计 中 融 入 高 阻 表 面 型 微 波 光 子 晶 体 结 构 。 新 颖 的 天 线 在
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

图 2 矩形微带天线单元坐标示意图
1.2.1 介质基板的选取 作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板并确定其厚度 h。这是因为基板材料的
r 和 tan 值及其厚度 h 直接影响这微带天线的一系列性能指标：
1. 对尺寸及体积重量的影响
工 作 于 主 模 TM01 模 矩 形 微 带 天 线 贴 片 长 度 近 似 为 g / 2 ，
(1)
可见 L 值与 r 直接相关。当 L、W 确定后，则 h 的取值决定着天线的体积和重量。 2. 对微带线特性阻抗的影响 本设计中需要对给微带天线单元进行馈电的微带线的特性阻抗与微带线的宽度直接相 关，为了使微带天线单元与传输线较好地匹配，需要特定阻抗的微带线对其进行馈电。微带 线由一条导体带和背面有导体接地板的介质基片构成。 导体带宽度为 w， 介质基片厚度为 h， 相对介电常数为 r 。微带线传输准 TEM 模。当 r 及 h 已知时，微带线的特性阻抗 Z c 取决 于 w / h 比值，随 w / h 增大而减小。 给定特性阻抗 Z c ，可用下列公式求得所需微带线的宽度 w:
图 5 微带天线单元的 VSWR 与增益仿真结果图
2.阵列设计
在各种实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制 等特性。 由于天线阵或相控阵可能获得这些特性， 从而使得阵技术在实际中获得广泛的应用， 大大促进了阵技术和理论的发展。 70 年代以后，随着微带天线的出现与发展，人们对以微带线馈电的微带天线阵产生浓 厚兴趣。同一般微波天线一样，要得到高增益，波束扫描或波束控制等特性，只有将离散的 辐射元组成阵列才有可能。微带天线阵在下列诸方面具有独特的优势： （1）结构简单，易于 制作和生产； （2）重量轻、体积小和成本低； （3）容易同安装表面拱形或在安装表面有很薄 的凸起； （4）易于实现多极化、变极化或双频工作； （5）馈电网络可以与微带天线元集成在 同一介质板上。 本设计中天线阵元采用上面讨论的矩形贴片单元组成 2*2 四元阵， 增益和带宽都能较好 满足设计要求。 2.1 阵的馈电及结构 阵的馈电网络主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位， 以便形成所要求的方向 图，或者使天线性能某项指标最佳。对馈电网络的主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和 结构简单等。阵的馈电形式主要有并连和串联馈电两种形式。本设计采用并联馈电，将馈电 点的输入功率平均分配到各个阵元。 本设计要实现简单的同相阵， 可以利用各路馈线等长来 保证各元同相激励。图 6 所示为设计的四元微带天线阵列示意图。在馈电点处采用同轴线 背馈。
1 1 1 1 1 Q Qr Qd Qc Qsw
(9)
Qr、Qd、Qc、Qsw 分别对应于辐射损耗、介质损耗、导体损耗和表面波损耗的品质因
子值。
Qd
3 1 1 , Qc h 0 f 0 , Qr 0 r , Qsw ( 1)Qr h tan 8h 3.4 r 1
w 2 r 1 0.517 ln( R 1) 0.293 R 1 ln(2 R 1) r r h 377 R , Z c 44 2 r 2Z c r w 8exp H h exp(2 H ) 2 H Z c 2 r 1 r 1 0.1208 0.2558 , Z 44 2 r 120 r 1 r c
2.45GHz 四元微带天线阵设计方案
在设计 2.4GHz 单向无线通信系统中，鉴于传输信号带宽较窄，对天线小型化要求不高 （不大于 250mm 250mm ） ，因此收发天线采用设计制作简单、材料廉价易得的微带阵列 天线，而且由于收发天线互易性，发射与接收天线采用同一设计方案。天线单元采用矩形贴 片设计，最后组成 2*2 的四元微带天线阵列。 该天线具体设计性能指标如下： 工作频率：2.44~2.45GHz 增益：>6dB 下文介绍本微带阵列天线相关的设计理论与设计过程。 上世纪 50 年代微带辐射器的概念被人提出，70 年代初出现了第一批使用的微带天线。 微带天线的最基本形式是在有金属导体接地的介质基片上贴加金属导体薄片。 贴片可以是任 意形状，它是利用微带天线、同轴探针等结构对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起 射频电磁场， 并通过贴片周围与接地板之间的缝隙向外辐射。 因此可认为微带天线是一种缝 隙天线。可用不同的天线单元来组成阵列天线，提高其性能来满足不同的需要。
图 1 传输线法物理模型
利用传输线模式分析微带天线是比较早期的方法，也是最简单的方法。图 1 所示为传 输线法物理模型。传输线模型的基本假设是：1）微带片和金属底板构成一段微带传输线， 传输准 TEM 波，博得传输方向决定于馈电点。线段长度 L g / 2 ， g 为准 TEM 波的波 长。常在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向是常数。2）传输线的两个开口端等效为两 个辐射缝长为 W，宽为 h，缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的 延伸面上，即是将开口面向上折转 90o,而开口场强随之折转。 由以上两条基本假设可以看出，当 L g / 2 时，二缝上切向电场均为 x 方向，且等幅 同相、它们等效为磁流，由于金属底板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射。缝上等 效磁流密度为 M s 2V / h ，式中，V 为传输线开口端电压。 由于缝已放平，在计算上半空间辐射场时，就可按自由空间处理，这是这种方法的方便 之处。 1.2 微带天线单元设计 微带天线的贴片形状可采用矩形、圆形、环形、三角形等，他们都各有特点，但考虑到 制板以及微带线馈电和匹配， 通常大多采用矩形贴片。 一般矩形微带天线的馈电方式都是从 贴片某一边的中心点馈电由于馈电点所在的边和辐射边平行， 辐射边是均匀分布， 因此激励 的工作模为 TM01。这样形成的极化形式为线极化。矩形微带天线单元坐标示意图如图 2 所 示。其与设计有关参量包括：辐射元长度 L，辐射元宽度 W，介质板厚度 h，介质板的长度 LG 和宽度 WG，介质的相对介电常数 r 和损耗角正切 tan ，馈电方式及阻抗匹配。
L
c 2 fr e
2l
(6)
0.3W / h 0.264 l 0.412 e h e 0.258W / h 0.8
(7)
本设计天线工作频带在 2.44~2.45GHz，取 f r 2.445GHz 。由式( 5 )~( 7 )计算得天线设计 尺寸为 W 48.5mm, L 40.33mm 。使用电磁仿真软件 HFSS 实际仿真了该单元天线，如 图 3 所示为 HFSS 仿真微带天线单元结构示意图。 用 HFSS 对单元尺寸进行了优化， 优化尺 寸为 W 48.5mm, L 39mm 。
( 10 )
01
设计要求由式( 8 )、( 10 )确定的天线阻抗和式( 2 )传输线特性阻抗达到匹配，这样可以 使天线工作在最佳状态。 本设计中，可由上述经验公式得到天线实际的谐振阻抗约在 200Ω左右，则选取特性阻 抗为 200Ω左右的馈线对该贴片单元进行馈电可以实现较好的阻抗匹配。由公式( 2 )，结合 选取的介质基板材料及实际加工工艺精度 0.1mm，最后选定馈线宽度为 w 0.2mm ，特性 阻抗为 Z c 191.7 。用 HFSS 对该微带天线单元进行数值仿真分析，图 5 所示分别为微 带天线单元的 VSWR 与增益仿真结果图。 可以看出， 该天线单元的 VSWR 2 的带宽为 47M， 主瓣增益为 7.3dB。
(2)
3. 对方向特性的影响 如在传输线模型分析法中所述，矩形微带天线的 E 面方向图与两边辐射边间距 L 有关。 对于相同的工作频率采用不同 r 的基板则由式( 1 )知对应的 L 值不同，所以 E 面的波束宽 度也就不同。E 面波束宽度可根据二元阵公式算出，
s0 f ( ) 2 A cos sin 2
c r 1 W 2 fr 2

1 2
(5)
其中 f r 为天线的工作频率， c 为光速， r 为介质基片的相对介电常数。 2. 单元长度 矩形微带天线的长度 L 在理论上取 g / 2 ， 但实际上由于边缘场的影响在设计 L 的尺寸 时应减去 2l ，计算公式由式（6） （7）给出。
频带（MHz）= 5.04 f
2
h
(4)
式中，f 是以 GHz 为单位的频率，h 是以毫米为单位的基板厚度。 5. 基板厚度对效率的影响 实验证明基板厚度对辐射效率有显著的影响， h 的增大使辐射效率增大。 有文献中给出： 当采用的基板，工作于 400MHz 的天线，若 h=0.079cm，效率为 65%，当 h=0.318cm 时， 效 率为 85%。 上述诸因素中有的是相互制约的。例如为了展宽频带和提高效率而增大基板厚度 h， 但 h 的增加不但使重量增加而且破坏了低剖面特性这在某些飞行器天线的应用是很忌讳的。事 实上并不存在各个方面都理想的基板材料，而主要根据应用的具体要求来权衡选定。 本设计中决定基板材料与厚度最重要的因素是要保证天线各单元与微带线较好的匹配， 并且最终并联后与 50Ω的同轴接头良好匹配。最终决定选取 r 2.2, tan 0.0009 ，厚 度 h 2mm 的介质基板。 1.2.2 单元尺寸的选取 1. 单元宽度 在确定介质基板材料及其厚度 h 后，应先确定单元宽度 W 的尺寸。因为由式( 1 )知， 当 r 及 h 已知时 e 取决于 W，而单元长度 L 值又与 e 直接相关。W 的尺寸影响着微带天 线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而影响着频带宽度和辐射效率。另外，W 的尺 寸直接支配着微带天线的总尺寸。W 的计算公式由下式给出:
1.贴片单元设计
结构最简单的微带天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片所构成的。 贴片 导体通常是铜或金， 它可取任意形状。 但是通常都采用常规的形状以简化分析和预期其性能。 基片的介电常数应较低， 这样可以增强产生辐射的边缘场。 微带天线单元货微带天线阵列其 结构通常都比较简单，但其电磁场的分析却很复杂。一方面，微带天线的品质因数很高， 使 得较难得到精确的阻抗特性；并且，戒指的各向异性、加载、损耗、表面波效应等影响也较 严重。另一方面，微带天线的几何结构也是多种多样的，包括不同的贴片形状、馈电方法， 以及寄生单元或层叠单元的应用，共面馈电网络与有缘线路的集成等。 微带天线的分析方法主要氛围基于简化假设的近似方法和全波分析方法两大类。 全波分 析方法有更好的适应性和更高的精度，但速度较慢。第一类方法包括传输线模型，空腔模型 和分段模型。这种方法将贴片单元当做一段传输线或是空腔谐振器，简化了分析和计算， 提 高了速度，并且物理概念清晰，可以提供设计的初始数据。 1.1 微带天线的传输线模型