微带天线仿真

利用ADS和HFSS仿真微带天线案例01矩形微带天线设计原理在工程上，微带天线采用传输模法设计，在PCB板上实现，如图1(a)所示：L是微带天线长边，电场正弦变化；W是其宽边，天线的辐射槽便是宽边的边沿；ΔL是由边沿电容引起的边沿延伸。

图1(b)给出其等效电路图，可看成源阻抗通过长为L+2ΔL的传输线与负载阻抗ZL 相连，其中ZS=ZL是辐射槽的阻抗；Zin是从输入端口位置的辐射槽向里看的输入阻抗，即不包含第一个辐射槽阻抗在内的输入阻抗。

由具有任意负载阻抗的一段传输线的输入阻抗公式可得（微波工程51页）：其中，Z0为宽度W的微带线的特性阻抗，β为传播常数。

谐振时，把(2)带入(1)式得到：Zs=Zin=ZL。

这也表明半波长线不改变负载阻抗。

ΔL、εe由以下两个式子确定。

其中，W为微带天线的宽边；h为介质板的厚度；εr为相对介电常数。

W值不是很关键，通常按照下面的式子确定：02矩形微带天线ADS仿真设计。

要求：PCB基片εr=3.5，厚度h=1mm，导体厚度T=0.035mm，工作频率3GHz，输入阻抗50Ω。

2.1 几何参数计算根据式（2）-（5）计算天线几何参数。

2.2 馈线设计、ADS LineCalc工具使用（1）启动LineCalc,如图2所示。

（2）Substrate Parameters 栏中，设置PCB参数；Component Parameters 栏中，设置频率；Electrical 栏中设置阻抗和电长度。

具体设置如下：相对介电常数Er: 3.5介质厚度H: 1mm导体厚度T：0.035mm工作频率Freq:3GHz特征阻抗Z0=50Ω电长度E_Eff:180°其他为默认值。

（3）设置完成后，将Physical 栏中W和L的单位改成mm，然后点击Synthesize 栏下的“向上箭头”按钮，在Physical 栏中得到馈线的宽度为2.219360mm，长度为30.162200mm。

ETC系统5.8GHz微带二元天线阵列设计与仿真代玲玉1，张立华21. 武汉理工大学电信系，武汉（430070）2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200）E-mail：sunlit1986@摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。

并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。

关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.01 引言随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。

ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。

使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。

ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。

车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。

其中采用Ansoft HFSSV9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。

2天线天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。

IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。

”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。

天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。

Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称: 天线仿真设计题目: 圆极化微带天线的仿真院系：班级：设计者：学号：指导教师：设计时间:哈尔滨工业大学一、课程设计目的1、了解微带天线的辐射原理和分析方法，并掌握微带天线尺寸计算一般过程；2、了解微带天线圆极化的方法,并设计一种圆极化微带天线；3、学习并掌握CST软件的使用,熟悉天线仿真的流程，并完成天线的优化设计。

二、天线设计目标本文设计的圆极化矩形微带贴片天线的中心频率为6 GHz，并且将满足一下技术指标：1、反射系数S11〈10dB（VSWR<2）；2、天线轴比小于3dB；3、绝对带宽100MHz；4、增益大于5dB；5、输入阻抗50Ω；6、波瓣宽度大于70deg。

三、微带天线背景1、微带天线简介微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。

早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。

在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。

常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层）上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。

由于微带天线有独特的优点，而缺点随着科技的进步正在研究克服，因此它有广阔的应用前景。

一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于卫星通讯、天线电高度表、导弹测控设备、导引头、环境监测设备、共形相控阵等。

徽带天线在地面设备上应用也有其优势方面。

特别是较低功率的各种民用设备，例如医用微波探头，直播卫星的接收阵以及当前的蓝牙设备的收发天线等，由于微带带天线能集成化，它在毫米波段的优势非常明显。

当然它并不是完美无缺的，我们将其与微波天线相比，简单介绍它的优缺点。

微带天线和常用的微波天线相比较，它有以下一些突出的优点:(1）重量较轻，体积比较小,剖面低，能与飞行器等载体共形。

杭州电子科技大学
《通信天线实验》
课程实验报告
实验七 :微带缝隙天线仿真设计
微带缝隙天线仿真设计：
1.实验目的
1、了解微带缝隙天线的概念。

2、掌握MWO EM structure仿真方法。

3、掌握天线基本参数及优化设计方法。

2.实验内容
完成样例微带缝隙天线EM仿真设计。

1、创建 EM structure
2、建立 an enclosure
3、创建层
4、定义端口配置计算网格
5、观察电流密度和电场强度
6、观察smith圆图和方向图
7、执行频率扫描 (AFS)
8、将EM structure添加到原理图并仿真
3. 实验结果
（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。

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微带天线的HFSS 仿真一、实验目的微带天线由于其具有的诸多优点而得到广泛的应用。

它的介质基片厚度往往远小于波长，因此本身就实现了小型化。

与普通的微波天线相比，微带天线的剖面薄，体积小，重量轻；并且具有平面结构，可以制成和导弹、卫星等载体表面共形的结构；同时它的馈电网络可以和天线结构一起制成，便于印刷电路技术大批量生产；另外它能与有源器件和电路集成为单一的模件；而且便于获得线极化、圆极化，易实现双极化、多频段等多功能工作。

本次实验是利用HFSS 仿真一种简单的矩形贴片微带天线。

在四种不同厚度和介电常数的介质基片上，通过调整贴片的尺寸和馈电点位置实现这四个微带天线均在5.8GHz 附近工作，并讨论微带天线的各部分参数对其性能的影响。

二、实验原理常用的微带天线的辐射面积单元有矩形、圆形和三角形等，在相同相对介电常数和设计指标的前提下，无论从贴片的效率还是增益上，矩形微带天线都优于圆形微带天线，且结构简单，便于设计。

1、介质基片材料和厚度的选择微带天线设计首先要确定介质基片的材料和厚度h 。

常见的介质板有duroid （εr = 2.2）和氧化铝（εr = 10.2）为基片。

一般来说，通常按照下面的表面波抑制条件来选择基片，即h / λ0<0.09（εr ≈ 2.3的基片）和h / λ0 <0.03（εr ≈ 10的基片）。

辐射贴片的长度L 近似为/2g λ，g λ为介质内波长，其表达式为：0g λλ=0λ为自由空间波长，e ε为有效介电常数，e ε定义如下：1/21110(1)22r r e h Wεεε-+-=++。

由以上公式可以看出，贴片长度L 的值与基片的相对介电常数r ε和厚度h 也有着直接的关系。

2、单元宽度W 的选取当确定介质基板的材料和厚度以后，e ε的大小取决于W ，而单元长度 L 的大小又取决于e ε，所以应先确定贴片宽度W 。

单元宽度W 的大小影响着微带天线的带宽和效率。

用Sonnet & Agilent HFSS设计微带天线摘要：以一同轴线底馈微带贴片为题材，分别用Sonnet 软件及 Agilent Hfss 软件进行Simulate，分析其特性。

并根据结果对这两个软件作一比较。

天线模型：天线为微带贴片天线，馈电方式为50Ω同轴线底馈，中心频率3GHzξ=，尺寸 56mm*52mm*3.175mm基片采用Duroid材料 2.33rPatch ：30mm*30mm馈电点距Patch中心7mm处。

参见下图。

一.Sonnet参数设置如下图：介质层按照天线指标予以设置：画出Antenna Layout.Top viewBottom view其中箭头所指处为via ，并在GND 层加上via port. 即实现了对Patch 的底馈。

至此，Circuit Edit 完成。

下一步对其进行模拟。

模拟结果：S11，即反射系数图：可见中心频率在3G附近，。

进一步分析电流分布：在中心频率的附近，取3G，3.1G作表面电流分布图：可见，在中心频率的电流分布较为对称。

符合设计的要求。

远区场方向图：选取了若干个频率点绘制远区场增益图。

从中可以看到，中心频率的增益较边缘为大。

符合设计的要求。

二.Agilent HfssAgilent Hfss (high frequency structure simulator)是AGILENT公司的一个专门模拟高频无源器件的软件。

较现在广泛应用的ANSOFT HFSS功能类似，但操作简单明了。

能在平面结构上建模天线不同，Agilent Hfss可以精确地定义天线的立体结构。

并可将馈电部分考虑在模拟因素内，按要求设定辐射界面，等等。

可能在本文的例子中，由于结构比较简单，并不能充分体现这一点，但也应可见一斑。

本例与HFSS HELP中所附带的例子较为类似，因此我参照HELP文件，在HFSS5.6环境下较为顺利的完成了模拟。

用HFSS模拟天线，主要分Draw Model、Assign Material、Define Boundary、Solve、Post Process 五个步骤：⒈Draw Model：HFSS采用的是相当流行的AUTOCAD的ENGINE，因此绘制方法与AUTOCAD大同小异，这里不在赘述。

基于HFSS的微带天线仿真设计1 概述目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。

微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。

通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。

另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。

馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。

微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。

在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。

它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。

天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。

如下图1，图2所示。

图1 矩形微带天线开路段电场结构图2 场分布侧面图2 天线基础天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。

2.1 天线的极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。

根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。

(1) 水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。

(2) 垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。

垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

2.2 天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

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，对于工作频率的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度，即为：（1）式中，是光速，。

辐射贴片的长度一般取为，是介质内的导波波长，即为：（2）式中，是有效介电常数，即为：（3）考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为：（4）式中，是等效辐射缝隙长度，即为：（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：（6）式中，（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。

图1 同轴馈电俯视图天线初始尺寸的计算：辐射贴片宽度：辐射贴片长度：50Ω匹配点初始位置，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，。

4.HFSS设计表变量定义结构名称变量名变量值（mm）介质基片厚度H 2.0长度L0 78辐射贴片宽度W0 100同轴线馈电点离贴片中心距离L1 201/4工作波长Length 82注：波长与频率的关系式为。