基于HFSS的天线设计
一、实验目的
?利用电磁软件An soft HFSS设计一款微带天线。
?微带天线要求：工作频率为2.5GHz带宽(回波损耗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
1、微带天线简介
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r和
损耗正切tan、介质层的长度LG和宽度WG
图1所示的微带贴片天线是
图1:微带天线的结构
采用微带天线来馈电的，本次将要设计的
矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心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TM10模，意味着电场在长度L方向上有g/2的
改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2 (a)所示，在长度L方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 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。
式中，c 表示真空中的光速，f 0表示天线的工作频率, 中所
示的等效辐射缝隙的长度，且有
L 0.412h (e 。亠心
°
264
)
(e 0.258)(W/h
0.8)
矩形贴片的宽度W 可以由下式计算:
图2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图
2、天线几何结构参数推导计算公式
假设矩形贴片的有效长度设为
L e ，
则有 式中,
g
表示波导波长，有
式中,
o 表示自由空间波长,
式中,
宽度。由此, L e
g
/2
(1-1)
(1-2)
e
表示有效介电常数，且
1亠J(1 12印 2 W
(1-3)
r
表示介质的相对介电常数，h 表示介质层厚度,
可计算出矩形贴片的实际长度 L ,有
L Le 2 L
2-
2 L
2f
0 e
W 表示微带贴片的
2 L (1-4)
L 表示图2( a )
(1-5)
(a )俯视图 (b )侧视图
4肘4
、
1
c
r
1 2
W
r
（1-6）
2f o 2
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50的标准阻抗，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于50 。对于图3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。
图3同轴线馈电的微带天线
对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点
都可以作为馈点，为了避免激发TM1n模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即
y f 0 （1-7）
在L方向上电场有g/2的改变，因此在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算:
L
X f ---------------
2 re(L)
式中,
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 G ND和宽度W G ND
(1-8)
re(L)
1
(1 12『(1-9)
只需满足以下两式即可，即
L GND L
6h
（ 1-10） W SND W 6h
（ i-ii ）
三、实验步骤
1、设计指标和天线几何结构参数计算
本实验的矩形微带天线的中心频率为 2.5GHz ,选用的介质板材为 Rogers
RO4003其相对介电常数 r 3.55，厚度h=5mm ，天线使用同轴线馈电。根据 上面的推
导公式来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度 L 和宽度W 、同
轴线馈点的位置坐标（X f ,y f ），以及参考地的长度L GND 和宽度W GND 。
（1）、矩形贴片的宽度W
3.0 108
m/s, f 0 2.5GHz, r 3.55代入式（1-6），可以计算出微带天
（2）、有效介电常数
e 3.08
（3）、辐射缝隙的长度 L
⑸、参考地的长度L GND 和宽度W SND
把 h 5mm,W 39.78mm, L 29.55mm 分别代入式（1-10 ）和（1-11），可 以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即
线矩形贴片的宽度, 即
W 0.03978m
39.78mm
把 h 5mm, W
39.78mm, r 3.55代入式（1-3），可以计算出有效介电常数,
把 h 5mm,W 39.78mm, 3.08代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射
缝隙的长度，即
2.32mm
（4）、矩形贴片的长度L
把 c 3.0 108
m/s, f 0
2.5GHz,
e
3.08, L 2.32mm 代入式（1-4），可以
计算出微带天线矩形贴片的长度，即
L 29.55mm