4侧馈矩形
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附录:
3D模型
回波损耗(S11)曲线
不同L0值对应的S11曲线
不同W1值对应的S11曲线
参数扫描后的回波损耗(S11)曲线
S11的Smith圆图结果
E面和H面的增益方向图
三维增益方向图
侧馈矩形微带天线设计
一、实验目的
1、了解侧馈矩形微带天线的馈电方式;
2、了解侧馈矩形微带天线的辐射机理;
3、掌握天线尺寸的估算方法。
二、实验原理
此次设计为设计中心频率为2.45GHZ的矩形微带天线,并给出其天线
参数。介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧脂(FR4 Epoxy)板,天线馈
电方式为微带线馈电。
1. 计算天线尺寸
微带天线的介质基片采用厚度为l.6mm的FR4环氧树脂板,所以厚度
H=1.6mm,介质的介电常数为4.4。
由(4-1-1)和(4-1-3)~(4-1-5)的表达式求得天线辐射贴片的宽度
和长度,以及有效的介电常数和等效缝隙宽度分别如下:
辐射贴片宽度:w = 37.26mm
辐射贴片长度:L =30.21mm
有效介电常数: =3.73
等效缝隙宽度: =0.75mm
2. 馈电点位置和输入阻抗
微带线馈电点的位置选在辐射贴片的中点。此时馈电点和辐射贴片边
缘距离为w/2=18.63mm,由式(4-1-15 )可以计算出此时天线的输入导纳,
从而推算出 天线的输入阻抗值。其输入阻抗Zin =130Ω。
3.阻抗匹配
一般而言,微带天线的边缘阻抗为100Ω〜400Ω,并不符合微波器件
通用的50Ω系统,所以在设计微带线馈电的矩形微带天线时,可加上一段
1/4波长阻抗转换器, 使得微带天线的边缘阻抗与50Ω阻抗达成匹配。图
4.2.2所示为一个1/4波长阻抗转换器,假设天线的边缘阻抗为ZL,微带
线特性阻抗为Z0,1 /4波长阻抗转换器的特性阻抗为Z1。阻抗匹配的条件
为:
微带线特性阻抗为Z0=50Ω,天线边缘阻抗上面计算为Zl =Zin=130Ω,
所以波长阻抗转换器的特性阻抗为Z1=80.6Ω。
4.微带线尺寸的估算
对于介质基片厚度为1.6mm的FR4环氧树脂板的微带线,我们可以计
算出特性阻抗为50Ω时对应的微带线宽度为2.98mm,特性阻80.6Ω时对
应的微带线宽度和 1/4波长分别为1.16mm和17.45mm。
三、实验步骤
1. 新建设计工程
(1)运行HFSS并新建工程
(2)设置求解类型
(3)设置模型长度单位
2.添加和定义设计变量
3. 设计建模
(1)创建介质基片
(2)创建辐射贴片
(3)创建1/4波长阻抗转换器
(4)创建50Ω微带传输线
(5)使用合并操作把3个矩形面合并成一个整体
4. 设置边界条件
(1)把新生成的Patch设置成理想导体边界
(2)设置辐射边界条件
(3)把介质基片的底面设置成理想导体边界
5. 设置端口激励
(1)创建端口平面
(2)设置波端口激励
6. 求解设置
(1)求解频率和网格剖分设置
设置求解频率为2.45GHz,自适应网格剖分的最大迭代次数
为20,收敛误差为0.02。
(2)扫频设置
扫频类型选择快速扫频,扫频频率范围l.GHz ~ 3.5GHz,
频率步进为0.0lGHz。
7. 设计检查和运行仿真计算
8. 查看天线的谐振频率
查看天线信号端口回波损耗(即S11)的扫频分析结果,给出天线
的谐振频率。
9. 参数扫描分析寻找谐振频率
(1)添加参数扫描分析项
(2)运行参数扫描分析
(3)查看分析结果
10.调节阻抗匹配获得最佳匹配性能
(1)添加参数扫描分析项
(2)运行参数扫描分析
(3)查看分析结果;
11.查看最终天线的性能
(1)重新运行仿真分析
(2)查看S11分析结果
(3)查看S11的Smith圆图结果
(4)xz yz截面上增益方向图
a. 定义ψ=0和ψ=90的平面为辐射表面
b. 查看在E面和H面截面上的增益方向图
(5)三维增益方向图
①定义三维立体球面为辐射表面;
②查看三维增益方向图。
四、实验结果
见附录
五、实验总结
通过本次实验,我学会了矩形微带天线尺寸的估算方法,并认识到理论
上得到的数据和实际仿真计算出来的数据是有一定的差距的,实际中总
要考虑各种因素的影响,这与理论计算有一定的差距。