矩形微带天线的初步设计（下一篇为优化设计）

简介
矩形贴片天线介绍
设计要求
- 矩形微带贴片天线的尺寸计算
HFSS设计流程
- 天线建模
- - 1.创建一个矩形面作为参考地
  - 2.设置矩形面的大小：
  - 3.分配边界条件
  - 4.设计微带天线的介质层
  - 5.创建辐射元
  - 6.给辐射元设置边界条件
  - 7.创建圆柱体作为同轴馈线
  - 8.参考地上开一个孔
  - 9.设置小孔为集总端口激励
  - 10.观察建好的模型
免责声明

简介

本章节共分为两部分：初步设计以及优化设计
这篇主要是对天线进行初步的建模并设置相关的参数，下一篇为仿真和优化。

矩形贴片天线介绍

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。一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数εr和损耗正切、介质层的长度LC和宽度WG。
矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度方向上有的改变，而在宽度方向上保持不变。在长度方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小

在L中心点的输入阻抗为0，在两侧的输入阻抗增大。

设计要求

本例设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为 f 0 f_0 f0=2.5GHz,无线局域网(WLAN)，蓝牙，ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为RogersR04003,其相对介电常数 ε r \varepsilon_r εr=3.38,厚度 h h h=5mm;天线使用同轴线馈电。微带天线的3个关键参数如下：
工作频率 f 0 f_0 f0=2.5GHz
介质板材的相对介电常数 ε r \varepsilon_r εr=3.38
介质层厚度 h h h=5mm

矩形微带贴片天线的尺寸计算

在给定介质层厚度(h)，介电材科相对介电常数εr的情况下，矩形微带天线的工作顿率和辐射元的长度L、辐射元的宽度W相关，公式如下：
辐射元的长度：

辐射元的宽度：

有效介电常数：

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方向上电场有半波长的改变，因此从L的中心点到两侧，阻抗逐渐变大，天线输入阻抗为50Ω时方向上馈点的位置可以由下式计算：

馈点的位置：

这里可以使用Matlab编程进行计算，代码如下：

c=3e8;
f=2.45e9;
er=3.38;
h=5e-3;
W=c/(2*f)*sqrt(2/(er+1));
ereff=(er+1)/2+(er-1)/2*(1+12*h/W)^(-0.5);
dL=(0.412*(ereff+0.3)*(W/h+0.264)*h)/((ereff-0.258)*(W/h+0.8));
Leff=c/(2*f*sqrt(ereff));
L=Leff-2*dL;
erl=(er+1)/2+(er-1)/2*(1+12*h/L)^(-0.5);
Xf=L/(2*sqrt(erl));
Lgnd=L+6*h;
Wgnd=W+6*h;

改变已知量 f 0 f_0 f0, e r e_r er, h h h的数值，可以得到不同的 W W W， L L L， X f X_f Xf值
此设计中， f 0 f_0 f0=2.5GHz，
ε r \varepsilon_r εr=3.38,
h h h=5mm.
其输出为

HFSS设计流程

因为是使用同轴线馈电的微带天线结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。
具体步骤：
详情请参考基础篇(一)中的准备工作
将工程重命名为MSAtenna，下一级的设计文件（蓝色方块）重命名为Patch
设置模式驱动类型并设置为单位为mm；PS:此操作在基础篇（一）中有讲解，不会的可以看

天线建模

1）模型的中心位于坐标原点，参考地和微带贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体；
2）参考地放置于坐标系中Z=0的XOY面上，长度和宽度都取90mm；
3）介质层位于参考地的正上方，其高度为5mm，长度和宽度都取80mm；
4）微带贴片放置于Z=5的XOY平面上，长度L=31.0mm，宽度W=41.4mm，长度沿着X轴方向，宽度沿着Y轴方向；
5）使用半径为0.5mm的圆柱体模拟同轴馈线的内芯，圆柱体在XOY面的中心于（9.5mm，0），设置圆柱体材质为理想导体（pec）；圆柱体顶部与微带贴片相接，底部与参考地相接，在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励；
6）对于天线类问题的分析设计，在模型建好之后，用户不要忘记设置辐射边界条件，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长，2.45GHz时自由空间波长的1/4波长约为35mm，所以这里设置的辐射边界表面离微带天线模型的距离为35mm，整个微带天线模型（包括参考地、介质层和微带贴片）的长 ∗ * ∗宽 ∗ * ∗高可以设置为90mm ∗ * ∗ 90mm ∗ * ∗ 5mm,所以辐射边界表面的长 ∗ * ∗宽 ∗ * ∗高可以设置为160mm ∗ * ∗ 160mm ∗ * ∗ 75mm;
7)为了方便后续参数扫描分析和优化设计，在建模时分别定义变量 L e n g t h Length Length、 W i d t h Width Width和 X f X_f Xf来表示微带贴片的长度、宽度和同轴馈线的馈电位置。
具体步骤：

1.创建一个矩形面作为参考地

点击黄色的矩形小方块然后选择起始点和终点可以创建矩形面，这个可以粗略点因为后面可以设置具体的起始坐标和大小

在弹出窗口中进行重命名为GND，设置透明度为0.6（可随意）

若没有弹出说明没有做准备工作，可以参考基础篇（一），或者也可以自己点击创建好的Rectangle1

2.设置矩形面的大小：

点击CreateRectangle

因为尺寸为 90 ∗ 90 90*90 90∗90所以设置起始点坐标为(-45，-45，0)（因为起始点为左上角）长和宽都为90mm

3.分配边界条件

因为这个矩形面是用作参考地，所以需要分配理想导体边界条件（Perfect E）
创建好之后在工程树的Boundaries里面就能够看到这个就边界条件

4.设计微带天线的介质层

点击长方体模型进行创建

编辑刚创建的长方体的属性：
重命名为Substrate；
材料设置为要求的Rogers RO4003;
颜色更改为了墨绿色；（选做）
透明度设置为0.6；（选做）

再来设置长方体介质层的起始点和大小：

点击CreateBox：
根据要求介质层为 80 m m ∗ 80 m m ∗ 5 m m 80mm*80mm*5mm 80mm∗80mm∗5mm，所以起始点设置为(-40，-40，0)，长和宽都为80mm，高5mm创建好的介质层和参考地如图所示：

5.创建辐射元

创建一个矩形面，对其进行修改
重命名为Patch；
颜色改为橙色;
透明度改为0.4。

对其尺寸就行修改：根据要求长宽高为 31 ∗ 41.4 ∗ 5 31*41.4*5 31∗41.4∗5,所以其起始点位置为（-15.5，-20.7，5），长宽高分别为31mm,41.4mm，5mm

创建好的模型如下图所示：

6.给辐射元设置边界条件

操作同3，重命名为Perf_Patch

创建好的模型如图所示：

7.创建圆柱体作为同轴馈线

点击圆柱图标创建圆柱体

将其重命名为Feed
设置其材质为理想导体（pec）

设置该圆柱体的参数：

8.参考地上开一个孔

因为地段连接参考地，为理想导体，所以信号能量就会被参考地阻隔，不能输入输出，所以为了能量可以流过，要在底部开一个孔（空的半径要比圆柱稍大）
点击创建圆面的快捷按钮：

重命名为Port：

设置圆面的参数：圆心位置与圆柱体相同，半径比圆柱体大

用参考地减去圆面就相当于在参考地上开孔：这里使用布尔操作
同时选中GND和Port，点击相减操作的快捷按钮（如下图所示）

或者点击菜单栏的Moduler→Boolean实现该相减操作：

出现如下界面，其中左面的是被减数，右面的是减数，当然被减数要是大的面，GND减去Port是我们想要的，操作如图所示：
点击选中clone tool objects before operation，使相减操作后Port仍被保留。

9.设置小孔为集总端口激励

因为小孔为信号输入输出的端口，要为其设置端口激励
点击选中圆面：
=
点击工具栏中的小放大镜，将该圆面放大观看：
右键点击Assign Excitation→Lumped Port：选择集总端口激励

设置激励端口名字为P1，阻抗为 50 Ω 50Ω 50Ω，

点击下一步：设置积分校准线,点击New Line,

设置下方的起始点位置为（10,0,0)点击回车

使dX=1,dY=0,dZ=0
点击回车，积分校准线创建完成

创建完成后，在工程树中就能够看到该端口激励：

10.观察建好的模型

Ctrl+D能够在整个页面中显示建好的模型：

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本学习笔记为观看李明洋教学所记笔记，供本人自己和学习天线设计的小伙伴使用，如有侵权请联系我删除。

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