HFSS - 同轴馈电矩形微带天线设计与仿真

一、设计指标

中心频率：2.45GHz
介质板相对介电常数：4.4
介质板厚度：1.6mm
馈电方式：50Ω\OmegaΩ同轴线馈电

二、同轴馈电微带天线设计

同轴线馈电的矩形微带天线结构如下图所示

其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。在阻抗匹配方面，使用同轴线馈电时，在主模TM10TM_{10}TM10工作模式下，馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处(x=±L/2)(x= ±L/2)(x=±L/2) 的输人阻抗最高，约为100Ω\OmegaΩ ~ 400Ω\OmegaΩ。馈电点在宽度www方向的位移对输人阻抗的影响很小，但在宽度方向上偏离中心位置时，会激发TM1nTM_{1n}TM1n模式，增加天线的交叉极化辐射，因此，宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点(y=0)；而在辐射贴片的几何中心点(x=0,y=0) 处的输人阻抗则为0,亦即此时无法激发TM10TM_{10}TM10模式。由下式也可以直接近似计算出输人阻抗为50Ω\OmegaΩ时的馈电点的位置。L1=L2(1−1ξre)L_{1}=\frac{L}{2}\left(1-\frac{1}{\sqrt{\xi_{\mathrm{re}}}}\right)L1=2L(1−ξre1)式中ξre(L)=εr+12+εr−12(1+12hL)−1/2\xi_{\mathrm{re}}(L)=\frac{\varepsilon_{r}+1}{2}+\frac{\varepsilon_{r}-1}{2}\left(1+12 \frac{h}{L}\right)^{-1 / 2}ξre(L)=2εr+1+2εr−1(1+12Lh)−1/2
计算的出50Ω\OmegaΩ匹配点：L1=7mmL_1=7mmL1=7mm
其他参数参照侧馈矩形微带天线，最终参量如下表

参量意义	参量名	参量值（单位：mm）
介质板厚度	H	1.6
辐射贴片长度	L0	27.9
辐射贴片宽度	W0	37.26
馈电点距离贴片中心距离	L1	7
四分之一工作波长	length	30

三、模型创建与仿真

首先将上表中的参量添加进HFSS的设计属性，如下图所示

模型创建完成后如下图

馈电设置为一个半径0.6mm的馈针，并且在GND上裁去与馈针同圆心，半径为1.5mm的圆片，如下图所示

设置过程如下

模型创建完成后进行仿真，仿真结果如下

从结果报告中可以看出，采用同轴线馈电，微带天线的谐振频率为2. 45GHz。此时，S11S_{11}S11值约为- 24.2dB，说明天线已经达到了良好的阻抗匹配状态，从而也验证了使用所计算50Ω\OmegaΩ输人阻抗位置的准确性。
接下来，我们在其他参量不变的情况下，利用HFSS的参数扫描分析功能，分析同轴线馈电点的位置和天线输入阻抗之间的关系。

四、分析同轴馈电馈电点位置和输入阻抗的关系

1、首先添加参数扫描分析项L1，从0mm到12mm间隔1mm扫描，设置如下图所示

查看结果时将主要扫描项【Primary Sweep】设置为L1，将查看频率设置为2.45GHz在，如下图所示

分析结果如下图

从结果报告中可以看出，馈电点位置变量L1的值在6mm ~ 8mm之间时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。

2、查看2.45GHz频点的输入阻抗和同轴线馈电点位置的变化关系如下

从结果报告中可以看出，同轴线馈电点从辐射贴片的中心向边缘移动时，输入电阻由0逐渐变大到100Ω\OmegaΩ左右，输入电抗由15Ω\OmegaΩ逐渐减小到-25Ω\OmegaΩ左右。当L1移动到6.6mm位置时，输入阻抗约为(50.0-j1) Ω\OmegaΩ。

3、在Smith圆图上查看2.45GHz频点的S11S_{11}S11和同轴线馈电点位置的变化关系

4、优化设计找到最佳阻抗匹配点

从前面的参数扫描分析结果可知，当馈电点位置变量L1在6mm ~ 7mm之间时，天线在中心频率2.45GHz处的回波损耗最小，阻抗匹配最好。下面使用HFSS的优化设计功能，分析并给出最佳阻抗匹配点。优化变量为馈电点的位置变量L1,优化范围为6mm~7mm。优化目标是在2.45GHz时S11S_{11}S11<-30dB。
在设计属性【Design Properties】中选中L1为分析最优化值的参量

调出最优化的设置

设置分析最优化

最后优化得出在L1=6.6mm为最优解，相应的仿真结果如下