矩形微带贴片天线的仿真研究与设计

摘要

微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视，已经被广泛应用在100MHz～100GHz的宽广频域上的大量的无线电设备中。微带贴片天线是微带天线的一种基本类型，是一种谐振型天线，通常只在谐振频率附近工作。设计这种天线首先要保证它的谐振频率不能发生偏离。贴片的形状可以是任意的，但是能计算出辐射特性的几何形状是很有限的，本文选用矩形贴片来研究微带天线。
　　 本文首先介绍了微带天线比较常用的几种分析方法以及辐射原理，然后根据已有的经验公式，再结合高频结构仿真器(High Frequency StructureSimulator)HFSS设计了一款中心频率为7.55GHz的矩形微带贴片天线。本论文给出了详细的设计流程：根据理论经验公式初步计算出矩形微带贴片天线的尺寸，然后在HFSS里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离7.55GHz为止。
　　 天线的尺寸确定后，由HFSS仿真得到天线的驻波比，反射系数，增益，输入阻抗等电参数。由输入阻抗仿真图，得知天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗并不匹配，这意味着在传输线的终端有功率被反射回来。阻抗匹配是天线系统中必须考虑的问题，针对这个问题，本文用了两种阻抗匹配方法：一种是电容电感法，是在由Winsmith应用程序提供的史密斯圆图下操作完成的，这里本文提出了两种电容电感的连接方式，从匹配结果来看，这两种连接方式都使驻波比值接近理想值1；另一种方法是微带线法，这种方法是在微波电路仿真软件-先进性设计系统(ADS-Advanced Design System)下以电路的形式完成阻抗匹配网络的设计，并用ADS对所设计电路进行仿真，仿真结果表明：在天线的中心频率处，天线的输入阻抗值由匹配前的83.64-j3.97欧姆匹配到了目标值50欧姆。
　　 微带天线固有的缺陷是窄带性，它的窄带性主要是受尺寸的影响，本文在不改变天线中心频率的前提下，通过理论经验公式与仿真软件的结合，给出了微带天线比较合理的尺寸，最后仿真结果表明：在驻波比小于2的条件下，在中心频率附近，绝对频带宽度达到了260MHz，达到了设计初期200MHz的要求。