设计实验1微带贴片天线设计

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。

（2）在弹出的Solution Type窗口中(a)选择Driven Modal。

(b)点击OK按钮。

3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。

（2）在设置单位窗口中选择：mm。

微波技术与天线实验报告姓名张思洋学号411109060103 实验日期2014.04.11 实验名称微带贴片天线设计实验实验类型设计性实验目的1、熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。

2、掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。

实验内容使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解设置，设置求解频率为 2.45GHz，同时添加 1.5-3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算。

将谐振频率落在2.45GHz频点上。

最后进行相关的数据后处理。

实验原理微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。

微带天线的基本参数：工作频率 2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度5mm，矩形贴片宽度41.4mm，辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm，参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标（9.5，0）。

要求设计的天线最大增益大于7dB。

前后比大于5dB。

实验步骤及结果一、新建HFSS工程1.新建一个名为MSAntenna.hfss的工程文件。

2.将求解类型设置为Driven Model二、创建微带天线模型1.将模型的默认长度设置为毫米mm2.创建参考地在Z=0的XOY面上创建一个顶点位于（-45mm,-45mm）,大小为90mm*90mm的矩形面作为参考面，并把它命名为GND,并为其分配理想导体边界条件。

然后将此边界命名为PerfE_GND3.创建介质板层创建一个80mm*80mm*5mm的长方体作为介质板层，介质板层位于参考地面上，顶点坐标为（-40，-40，0），介质的材料为R04003。

4.创建微带贴片在z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm，-20.7mm，5mm），大小为31.0mm*41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。

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。

外形小、成本低的天线可用于许多现代通信系统中。

微带贴片天线代表一系列的小型天线，它们具有等角性质和已与通信系统的印刷电路集成在一起的优点。

通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电(inset-fed)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50Ω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。

对于这两种情况，探针的位置或嵌入的长度都将决定输入阻抗的大小。

已通过各种各样的模型，包括传输线模型和空腔模型，以及通过全波分析对同轴探针馈电的贴片天线分输入阻抗特性进行了分析。

无论从实验上还是从理论上，都证明了同轴探针馈电贴片天线的输入阻抗特性遵守三角函数：cos2[π(y0/L)]，其中，L等于贴片长度，y0等于从边缘沿着贴片长度L方向的馈电位置。

另一方面，从实验上也证明在低介电常数材料上，嵌入馈电的探针天线的输入阻抗表现为以下函数的4阶特性：cos4[π(y0/L)]。

幸运的是，现已开发出一种简单的分析方法，该方法利用传输线模型来获得嵌入馈电微带贴片天线的输入阻抗。

利用这种方法，在使用现代薄介电电路板材料时，可引用曲线拟合公式来确定嵌入长度，以便实现50Ω的输入阻抗。

图1是嵌入馈电微带贴片天线的图示。

参数εr、h、L、W、w< SUB >f< /SUB >和y0分别代表基板的介电常数、厚度、贴片长度、贴片宽度、馈线宽度和馈线嵌入距离。

嵌入馈电微带贴片天线的输入阻抗主要取决于嵌入距离y0，并在某种程度上取决于嵌入宽度(馈线与贴片导线之间的间距)。

嵌入长度的变化不会在谐振频率上产生任何改变，但是嵌入宽度的变化却会导致谐振频率的改变。

因此，在下面的讨论中，贴片导线与馈线之间的间距是保持不变，等于馈线宽度。

---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---摘要根据矩形贴片天线相关知识，设计出一款1×4的24GHz阵列贴片天线，此天线可以应用于交通测速以及汽车智能驾驶等方面。

首先是使用微带线馈电的方法建立单元贴片天线模型，进行优化仿真后得到最佳的单元贴片天线模型，然后在单元贴片天线的基础上，设计出合适的馈电馈电网络。

再通过仿真优化得到最佳的参数，从而设计出24GHz的阵列贴片天线。

并对天线设计进一步展望。

通过HFSS软件仿真设计，得到了一款1×4的阵列天线，回波损耗S11<-20dB,馈电点的输入阻抗值为50Ω，驻波比约为1.2，最大增益方向的增益为13.6dB，和之前所定的设计指标比较符合。

关键词：微带贴片天线；阵列天线；阻抗匹配; 方向图AbstractAccording to the knowledge of the rectangular patch antenna, a 1×4 24 GHz array patch antenna was designed. This antenna can be used in traffic speed measurement and intelligent driving of automobiles. The first is to use the method of microstrip line feeding to establish the unit patch antenna model, optimize the simulation to obtain the best unit patch antenna model, and then design a suitable feed power feed network based on the unit patch antenna. . Then the optimal parameters are obtained through simulation optimization to design a 24 GHz array patch antenna.Through the HFSS software simulation design, a 1×4 array antenna was obtained with a return loss S11<-20dB, a feed point input impedance of 50Ω, a standing wave ratio of approximately 1.2, and a maximum gain gain of 13.6dB. To meet the requirements of design indicators.Keywords: microstrip patch antenna; array antenna; Impedance matching;Direction pattern第1章绪论1.1论文的研究背景及意义毫米波（millimeter wave ）是波长为1～10毫米的电磁波，它的波长处于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以同时具有两种波谱的特点。

0 引言20世纪70年代中期，微带天线理论得到重大发展。

微带天线由于体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于目标共形等优点而深受人们亲睐，在移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）、无线局域网通信等领域得到了大力推广和广泛应用。

然而随着卫星通讯、运载火箭测控通讯技术的不断发展，雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下的跟踪测量需要，单一极化方式很满足要求，圆极化天线的应用研究就显得十分重要[1-2]。

圆极化天线具有旋向正交性，即圆极化波入射到对称目标（平面、球面等）具有旋向逆转的特性，这一特性在通信、电子对抗中得到广泛应用，尤其是在移动通信和GPS 领域中用来抗雨雾干扰和多径反射；圆极化天线能够接收任意极化的来波，其辐射波也可被任意极化的天线接收，这一特性在电子对抗中用来干扰侦察敌方的各种线极化、椭圆极化的无线电波，在微波探测领域用来减少信号漏失并提高探测灵敏度[3]。

基于微带圆极化天线的优点，为一谐波探测雷达设计了中心频率为2.4GHz 的圆极化微带贴片发射天线，使得谐波探测雷达在探测时不需考虑扫描角度的影响，提高了探测的速度和灵敏度，文中将给出天线的详细设计方案和实测性能。

1 微带贴片天线工作原理1.1 辐射机理微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加金属薄片而形成的天线[4]。

通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，属于电小天线。

微带天线结构比较简单，实际上就是一块印刷电路板，全部功率分配器、匹配网络、辐射器都可以刻在介质基片的一侧，另一侧为金属地板。

导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形、三角形、椭圆形或其它形状，其中矩形贴片较为常用。

其馈电方式也是多种多样，除微带线馈电和同轴线馈电两种基本方式外，还有临近耦合馈电、口径耦合馈电、共面波导馈电等技术。

常用的微带天线是由微带传输线馈电的矩形贴片天线[5]。

在贴片和接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射，因此微带天线也可看作是一种缝隙天线。

微带贴片天线阵列的研究与设计随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组件，其性能和设计受到了广泛。

微带贴片天线作为一种常见的平面天线，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，被广泛应用于现代通信系统中。

本文将重点探讨微带贴片天线阵列的研究与设计。

微带贴片天线的基本原理是利用微带线来传输信号，并在贴片表面形成电磁场，从而实现电磁波的辐射和接收。

微带贴片天线的应用范围广泛，如移动通信、卫星通信、雷达等领域。

为了满足现代通信系统的需求，微带贴片天线阵列的研究与设计成为了关键。

微带贴片天线阵列的研究与设计方法包括理论分析、实验测试和数据分析。

理论分析是研究微带贴片天线阵列的基础，通过建立模型来分析天线的辐射特性和性能参数。

常用的分析方法包括电磁场理论和有限元法等。

实验测试是研究微带贴片天线阵列的重要环节，通过测试数据来验证理论分析的正确性。

实验测试包括天线性能参数的测量和辐射特性的测试等。

数据分析是对实验测试结果进行处理和解释的过程，通过对比不同数据来优化天线阵列的设计。

实验结果表明，微带贴片天线阵列具有优良的性能特点和优势。

微带贴片天线阵列的辐射性能较强，能够实现方向性和增益的控制。

微带贴片天线阵列的带宽较宽，有利于实现多频段通信。

微带贴片天线阵列易于集成和制造，具有较低的成本和较高的可靠性。

这些优点使得微带贴片天线阵列在未来通信领域中具有广泛的应用前景。

本文通过对微带贴片天线阵列的研究与设计，总结了其性能特点和优势，并指出了微带贴片天线阵列在技术创新和应用推广方面的意义。

微带贴片天线阵列作为一种重要的平面天线，具有广泛的应用前景。

在未来的研究中，可以进一步探索微带贴片天线阵列的高效设计和优化方法，提高其性能和可靠性，以满足不断发展的无线通信需求。

随着无线通信技术的快速发展，天线作为通信系统中关键的组成部分，其性能和设计受到了广泛。

特别是高性能宽带双极化微带贴片天线，其在无线通信领域具有广泛的应用前景。

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基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计-、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。

建立微带天线模型Sf W41Vhi t |Ev«l i Qftttdl ¥D«1CTkptLi9in"ordintl 吉GlebaFoil ti DBL o B o■■O M魯Oto * …ISlEt2S 1M 2& iwttiit32—321--Q 05■-Q CO**修改名称为GND，修改材料属性为pec ,LJCwhna | I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。

⑴点击创建GND起始点：x:0 , y:0 , z:-0.79 dx:28.1,dy:32,dz:-0.05ITIN1fT11 11Or a rht * 般z心lh ■>!看fi...UnTruiiptrtiit.0 21Ut4"«hljr厂厂厂厂厂厂厂厂(2)介质基片：点击，:x:0，y:0，z:0。

dx: 28.1，dy: 32，dz: - 0.794，点击OK(3) 建立天线模型patch , 匚gag]C^crdiMlt .7 03 #812 «5-»TSi m命名为patch ，点击OK£弹・・^扌 ikt-lir iIMSLine,dx:2.46 , dy: 8 , dz: 0.05 ,点击： ,x:7.03,y: 8, z:0,dx: 12.45 , dy: 16 , dz: 0.05(4)建立天线模型微带线点击：,x:10.13,y: 0, ,z: 0V AI IP«ICTiptLMCcMtniCrtktitBtiGUbtlPtiili m10 13 H 0』p> 10 1A d 0t 炸■A tIStnB MA MZSi r«4 «0 ffiM命名为MSLine,材料pec,透明度0.4班“啊叶¥Dwfcripti Mt R4*4-«JyKi lEUn.r V^lerial■p -W**p«*厂 lEkiidltF厂Ori GlobdLr B«4*lr厂r Ccl^T* Edit rTrimjspw*»t0 *r选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite(5)、建立端口。