微帶天線參考地設置及貼片寬度對諧振頻率影響的分析驗證

摘 要：為了保證微帶天線的HFSS模型更加準確地模擬仿真實際加工的微帶天線性能，文章提供了微帶天線參考地設置標準。同時以貼片寬度為單一變量，通過仿真軟件HFSS建模，分析了貼片寬度對微帶天線諧振頻率的影響趨勢。

關鍵詞：微帶天線；HFSS；參考地；貼片；諧振頻率

微帶天線因其低剖面，易于加工，低成本且方便與其他設備集成等優點而廣泛應用在天線性能提升、電力傳輸效率提高等領域中[1-3]。微帶傳輸線分析模型是分析微帶天線的常見模型[4]，但是一般的分析都是基于參考地無限大的情形來考慮，但是在仿真建模中并不方便。針對此問題，文章提供了微帶天線參考地設置標準，有利于仿真建模的設置。并以一個微帶天線的貼片寬度為單一分析變量，分析其對天線諧振頻率影響，為進一步深入理解微帶天線性能提供有益參考。

1 微帶天線參考地設置

傳輸線模型分析方法一般都是基于參考地平面是無限大的基礎上[4]，但是在微帶天線設計參數計算和HFSS建模過程中，需要考慮到實際加工制造時接地面就是介質基板的底面，因此在設計需要加工的微帶天線時，參考地的尺寸實際上就是介質基板的底面的尺寸。有限參考地的尺寸對微帶天線的遠場輻射和其他性能有一定的影響。因此要綜合考慮參考地的尺寸，理論分析證明當參考地平面比微帶貼片大出6倍介質基板厚度的距離時[5]，HFSS仿真計算就可以達到足夠的精度。式中L和W分別代表貼片的長度和寬度，h代表介質基板的厚度。

LGND=L+6h （1）

WGND=W+6h（2）

2 仿真結果驗證

為了更加深入地理解貼片的設計尺寸對微帶天線性能的影響，我們按照參考書籍[5]上面的公式來計算諧振頻率2.45GHz的微帶天線設計參數。計算結果是貼片的長度為31毫米，寬度為41.4毫米。在此我們以貼片的寬度為分析對象，將貼片寬度從40毫米到42毫米的區間進行仿真，增加步長為0.5毫米，其仿真設置如圖1所示。

我們將上面的仿真設置完成后在電磁仿真軟件HFSS中進行建模仿真，其結果如圖2所示。我們可以清楚地從圖2中讀出數據結果，貼片寬度的增加或減少對微帶天線的中心諧振頻率的影響幾乎微乎其微，其中心諧振頻率幾乎沒有偏移，但是對諧振的強度有少許影響，表現出反射系數的幅值有一定的變化。

3 結束語

文章提出了微帶天線參考地的設置標準來更加準確地保證HFSS模型仿真結果和實際加工天線的良好吻合，并且通過HFSS建模仿真的方法驗證了貼片寬度的變化對微帶天線諧振頻率幾乎沒有影響的結論。

參考文獻

[1]馬波，陽小明，李天倩，等.箭頭型超材料模型及其在無線電力傳輸中的應用[J].西華大學學報（自然科學版），2015，34（5）：47-50.

[2]馬波，陽小明，等.梯形超材料對微帶天線增益指標的改善[J].西華大學學報（自然科學版），2016，35（2）：34-38.

[3]Ma Bo，Yang Xiao-ming，Li Tian-qian，et al. Gain and directivity enhancement of microstrip antenna loaded with multiple splits octagon-shaped metamaterial superstrate[J].International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2016，50（1）：201-213.

[4]Munson R E.Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays[J]. Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，1974，22（1）：74-78.

[5]李明洋.HFSS應用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.