微帶天線的設(shè)計(jì)和阻抗匹配

摘 要：討論了矩形微帶天線工作原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。介紹了設(shè)計(jì)中心頻率為800 MHz矩形微帶天線的整個(gè)流程，首先根據(jù)矩形微帶天線設(shè)計(jì)公式計(jì)算出天線參數(shù)，然后在Ansoft公司的仿真軟件HFSS中建立天線模型并對(duì)其仿真，通過調(diào)整天線模型得到最佳的天線參數(shù)使天線特性符合設(shè)計(jì)要求，最后利用Agilent公司的微波電路仿真軟件先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)ADS設(shè)計(jì)了微帶天線的匹配網(wǎng)絡(luò)。

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關(guān)鍵詞：矩形微帶天線；HFSS軟件；先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；匹配網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0107303

Design of Microstrip Antenna and Impedance Matching

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SONG Xuliang，ZHU Yisheng

(College of Information Engineering，Dalian Maritime University，Dalian，116206，China)

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Abstract：The basic operation principle，structural characteristics and application of the rectangular microstrip antenna are discussed.The paper introduces the design process of the rectangular microstrip antenna at the center frequency of 800 MHz.At first，the antenna′s parameters are calculated.Afterwards，the antenna′s model is set up and simulated by HFSS.The optimal antenna′s parameters are obtained and the antenna fit in with the demands of designing.Finally，ADS is applied to design the matching network for the antenna.

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Keywords：rectangular microstrip antenna;HFSS software;advanced design system;matching network

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1 引 言

微帶天線現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于100 MHz~100 GHz的無線電設(shè)備中，他是由導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)板上形成的天線。導(dǎo)體薄片稱為輻射元，輻射元的形狀可以是方形、 矩形、 圓形和橢圓形等。微帶天線形狀如圖1所示，其饋電方式有兩種：一種是微帶饋線又稱側(cè)面饋電，另一種是同軸饋線又稱背饋，如圖2所示。 

本文設(shè)計(jì)一種中心頻率為800 MHz的矩形微帶天線(輻射元為矩形)，饋電方式選為中心側(cè)饋。

2 矩形微帶天線的分析

2.1 用傳輸線模型分析法分析矩形微帶天線的輻射原理

設(shè)輻射元的長為L，寬為W，介質(zhì)板的厚度為h，現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)板和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路。

根據(jù)微帶線理論，介質(zhì)板厚度h，場(chǎng)沿h方向均勻分布。在最簡(jiǎn)單的情況下，場(chǎng)沿寬度W方向也沒有變化，而僅在長度方向(Lλ/2，λ為介質(zhì)內(nèi)波長)有變化。

在兩開路端的電場(chǎng)均可以分解為相對(duì)于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場(chǎng)所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)同相疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場(chǎng)反相相消。 因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，縫的電場(chǎng)方向與長邊垂直，并沿長邊W均勻分布。 縫的寬度為Δlh，長度為W，兩縫間距為Lλ/2。所以，微帶天線的輻射可以等效為由兩個(gè)縫隙所組成的二元陣列。

2.2 矩形微帶天線的設(shè)計(jì)公式

設(shè)貼片長度L，貼片寬度W，介質(zhì)板厚度h，介質(zhì)板的長度LS和寬度WS，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr，有效介電常數(shù)εe，c是光速，fr是中心頻率，λg為介質(zhì)內(nèi)波長，λ0為自由空間波長，延伸量Δl。

貼片寬度:

介質(zhì)板長度LS隨饋線及阻抗變換器的配置而定。

2.3 800 MHz微帶天線參數(shù)的確定

采用介質(zhì)板材料為FR4，相對(duì)介電常數(shù)εr=45，厚度h=3 mm，fr=800 MHz。

未知參數(shù)由式(1)~(6)和已知參數(shù)計(jì)算得到:輻射元長度L=88 mm，輻射元寬度W=113 mm，介質(zhì)內(nèi)波長λg=181.4 mm，介質(zhì)板的寬度WS=150 mm。

2.4 50 Ω微帶饋線寬度的計(jì)算

利用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)軟件里面的微帶線計(jì)算工具LineCalc計(jì)算微帶線寬度，輸入微帶傳輸線參數(shù)，可得到微帶饋線寬度為5613 78 mm，如圖3所示。

3 HFSS對(duì)天線的仿真

3.1 微帶天線模型的設(shè)定

用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 92對(duì)天線進(jìn)行仿真，HFSS是一個(gè)用于任意三維無源器件的高性能的全波電磁(EM)場(chǎng)仿真器，他使用有限元法(FEM)，自適應(yīng)劃分網(wǎng)格和杰出的圖形界面，可用于計(jì)算S參數(shù)、諧振頻率和場(chǎng)。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)中使用的計(jì)算公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，而仿真的結(jié)果是基于實(shí)際情況的。因此，仿真結(jié)果與理論情況有偏差，這種偏差可以通過對(duì)天線模型的調(diào)整加以改善。中心頻率與貼片長度密切相關(guān)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)貼片長度調(diào)整到L=816 mm時(shí)，將中心頻率

3.2 微帶天線仿真結(jié)果

(1) 從天線的三維方向性圖(圖5)中可以看出在z軸方向上方向性(紅色表示輻射強(qiáng)度大)良好。

(2) 從天線的輸入反射系數(shù)圖(圖6)中看出中心頻率為08 GHz，在中心頻率上的反射系數(shù)為-2046 dB，滿足在通信系統(tǒng)中反射系數(shù)小于-14 dB的要求。

(3) 從駐波比圖(圖7)得到08 GHz時(shí)的駐波比為1.21，滿足天線系統(tǒng)中駐波比小于1.5的要求。

(4) 從仿真到的輸入阻抗圖得到，在08 GHz時(shí)天線輸入阻抗實(shí)部為4049，虛部為-1235，他與50 Ω饋電系統(tǒng)不相匹配，所以還需要進(jìn)一步匹配。

4 天線的輸入阻抗的匹配設(shè)計(jì)

4.1 阻抗匹配原理

利用Agilent公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Design System，ADS)軟件對(duì)微帶天線進(jìn)行阻抗匹配，達(dá)到與50 Ω饋電系統(tǒng)的匹配。在08 GHz時(shí)，天線輸入阻抗為4049－j1235，

(2) 在ADS的Smith Chart Utility(如圖9所示)中進(jìn)行阻抗的匹配，即在史密斯圓中將4049-j1235匹配到50+j*0，此時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波。經(jīng)過匹配后得到的電容，電感值以及串并聯(lián)方式如圖10所示。

在圖12中，Z0在為50 Ω，匹配后阻抗為50*(0999+j5194e-4)，由此可見已達(dá)到相當(dāng)良好的阻抗匹配效

果。圖13中，經(jīng)過匹配后的中心諧振頻率為799 MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

HFSS仿真結(jié)果表明天線的輻射特性基本符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)用ADS軟件對(duì)天線的輸入阻抗進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，使其能與50 Ω饋電系統(tǒng)很好地匹配。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］馬小玲，丁丁.寬頻帶微帶天線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

［2］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

［3］林昌祿，陳海.近代天線設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，1987.

［4］ansoft公司.hfss[CD#*2]v9[CD#*2]overvieW[CD#*2]training(hfssv9培訓(xùn)教材)[Z].

［5］Agilent公司.ADS全套培訓(xùn)教程(EDA教學(xué)網(wǎng))[Z].

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作者簡(jiǎn)介 宋旭亮 1980年出生，大連海事大學(xué)信息學(xué)院在讀研究生。

朱義勝 1945年出生，大連海事大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”