微带天线的设计和阻抗匹配

1、微带天线的设计和阻抗匹配    摘 要：讨论了矩形微带天线工作原理、结构及其应用。介绍了设计中心频率为800 MHz矩形微带天线的整个流程,首先根据矩形微带天线设计公式计算出天线参数，然后在Ansoft公司的仿真软件HFSS中建立天线模型并对其仿真，通过调整天线模型得到最佳的天线参数使天线特性符合设计要求，最后利用Agilent公司的微波电路仿真软件先进设计系统ADS设计了微带天线的匹配网络。 关键词：矩形微带天线；HFSS软件；先进设计系统；匹配网络 中图分类号：TN82 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)0107303 Desig

2、n of Microstrip Antenna and Impedance Matching SONG Xuliang,ZHU Yisheng (College of Information Engineering,Dalian Maritime University,Dalian,116206,China) Abstract：The basic operation principle,structural characteristics and application of the rectangular microstrip antenna are discussed.The paper

3、introduces the design process of the rectangular microstrip antenna at the center frequency of 800 MHz.At first,the antennas parameters are calculated.Afterwards,the antennas model is set up and simulated by HFSS.The optimal antennas parameters are obtained and the antenna fit in with the demands of

4、 designing.Finally,ADS is applied to design the matching network for the antenna. Keywords：rectangular microstrip antenna;HFSS software;advanced design system;matching network 1 引 言 微带天线现已广泛应用于100 MHz100 GHz的无线电设备中,他是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的天线。导体薄片称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、 矩形、 圆形和椭圆形等。微带天线形状如图1所示，其馈电方式有两种：

5、一种是微带馈线又称侧面馈电，另一种是同轴馈线又称背馈，如图2所示。 本文设计一种中心频率为800 MHz的矩形微带天线(辐射元为矩形)，馈电方式选为中心侧馈。 2 矩形微带天线的分析 2.1 用传输线模型分析法分析矩形微带天线的辐射原理 设辐射元的长为L,宽为W,介质板的厚度为h,现将辐射元、介质板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。 根据微带线理论,介质板厚度h,场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下,场沿宽度W方向也没有变化,而仅在长度方向(L/2,为介质内波长)有变化。 在两开路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

6、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相叠加,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W均匀分布。 缝的宽度为lh,长度为W,两缝间距为L/2。所以,微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。 2.2 矩形微带天线的设计公式 设贴片长度L，贴片宽度W，介质板厚度h，介质板的长度LS和宽度WS，介质的相对介电常数r，有效介电常数e，c是光速，fr是中心频率，g为介质内波长，0为自由空间波长，延伸量l。 贴片宽度: 介质板长度LS随馈线及阻抗变换器的配置而定。 2.3 8

7、00 MHz微带天线参数的确定 采用介质板材料为FR4,相对介电常数r=45,厚度h=3 mm,fr=800 MHz。 未知参数由式(1)(6)和已知参数计算得到:辐射元长度L=88 mm,辐射元宽度W=113 mm,介质内波长g=181.4 mm，介质板的宽度WS=150 mm。 2.4 50 微带馈线宽度的计算 利用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)软件里面的微带线计算工具LineCalc计算微带线宽度,输入微带传输线参数，可得到微带馈线宽度为5613 78 mm，如图3所示。 3 HFSS对天线的仿真 3.1 微带天线模型的设定 用电磁仿真软件An

8、soft HFSS 92对天线进行仿真，HFSS是一个用于任意三维无源器件的高性能的全波电磁(EM)场仿真器，他使用有限元法(FEM)，自适应划分网格和杰出的图形界面，可用于计算S参数、谐振频率和场。因为设计中使用的计算公式都是经验公式，而仿真的结果是基于实际情况的。因此，仿真结果与理论情况有偏差,这种偏差可以通过对天线模型的调整加以改善。中心频率与贴片长度密切相关,经过实验，当贴片长度调整到L=816 mm时，将中心频率 3.2 微带天线仿真结果 (1) 从天线的三维方向性图(图5)中可以看出在z轴方向上方向性(红色表示辐射强度大)良好。 (2) 从天线的输入反射系数图(图6)中看出中心频率

9、为08 GHz，在中心频率上的反射系数为-2046 dB，满足在通信系统中反射系数小于-14 dB的要求。 (3) 从驻波比图(图7)得到08 GHz时的驻波比为1.21，满足天线系统中驻波比小于1.5的要求。 (4) 从仿真到的输入阻抗图得到，在08 GHz时天线输入阻抗实部为4049，虚部为-1235，他与50 馈电系统不相匹配，所以还需要进一步匹配。 4 天线的输入阻抗的匹配设计 4.1 阻抗匹配原理 利用Agilent公司的先进设计系统(Advanced Design System,ADS)软件对微带天线进行阻抗匹配，达到与50 馈电系统的匹配。在08 GHz时，天线输入阻抗为4049

10、j1235， (2) 在ADS的Smith Chart Utility(如图9所示)中进行阻抗的匹配，即在史密斯圆中将4049-j1235匹配到50+j*0，此时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波。经过匹配后得到的电容，电感值以及串并联方式如图10所示。 在图12中，Z0在为50 ，匹配后阻抗为50*(0999+j5194e-4),由此可见已达到相当良好的阻抗匹配效 果。图13中，经过匹配后的中心谐振频率为799 MHz,满足设计要求。 5 结 语 HFSS仿真结果表明天线的辐射特性基本符合设计要求，同时用ADS软件对天线的输入阻抗进行匹配电路设计，使其能与50 馈电系统很好地匹配。 参 考 文 献 1马小玲,丁丁.宽频带微带天线技术及其应用M.北京：人民邮电出版社,2006. 2钟顺时.微带天线理论与应用M.西安：西安电子科技大学出版社,1991. 3林昌禄,陈海.近代天线设计M.北京：人民邮电出版社,1987. 4ansoft公司.hfssCD#*2v9CD#*2overvieWCD#*2training(hfssv9培训教材)Z. 5Agilent公司.ADS全套培训教程(EDA教学网)Z. 作者简介 宋旭亮 1980年出生,大连海事大学信息学院在读研究生。 朱义胜 1945年出生,大连海事大学教授，博士生导师。 注：“本文中所涉及到