CST仿真 6GHz 矩形贴片天线设计与分析
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- 背景介绍
- 设计理论
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- 初始化计算参数
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- 矩形贴片参数初始化
- 馈电传输线参数初始化
- 阻抗匹配
- 仿真优化
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- 阻抗匹配前的模拟
- 阻抗匹配后的模拟
- 最终仿真结果
- 参考文献
本文根据作者刚刚结束的电磁场与微波技术课程设计进行了改写。我们在课堂上没有谈论天线，但作者在寒假期间有一些在线课程，所以我选择了在课堂设计中的贴片天线设计。如果有任何问题，请纠正更多，互相学习和讨论，以获得更多的收获。
背景介绍
贴片天线，又称微带贴片天线，是微波频段常用的天线。随着各种便携式无线通信的不断涌现，贴片天线具有剖面低、成本低、形状可塑等特点。本设计以专业书籍为基础《Antenna Theory Analysis and Design》中贴片天线部分，以及作者参与的在线课程资料。利用模拟环境CST 202222学生版，如图1所示。本文将介绍矩形贴片天线的设计原理，主要针对参数初始化、阻抗匹配和模拟优化。矩形贴片天线的反射系数S11在6GHz能达到低于-20dB同时可以达到8的效果.18dB远场辐射增益。 
图1. 本文设计的天线结构图 设计理论
本文中的矩形贴片天线从上到下依次为矩形贴片和连接的微带传输线、介质层和金属地面（GND）。
初始化计算参数
矩形贴片参数初始化
为了获得更高的收益，天线的谐振频率通常接近天线的工作频率。因此，本文中矩形补丁天线参数的设计是基于谐振频率的计算公式，选择的介质是Rogers 5880，相对介电常数为CST中的值为ε=2.2。
k_mn^2=〖(mπ/W_pat )〗^2 〖(nπ/L_pat )〗^2 （1） f_mn=(k_mn c)/(2π√(ε_r )) （2）
参见图1，上述公式(1)中W_pat表示矩形贴片的宽度，L_pat表示矩形贴片的长度。在这个模拟中，TM01模式的电磁波作为激励波，因此m=0, n=1。根据设计要求的频段6GHz，电磁波在Rogers 5880中的波长约为33.7mm。矩形贴片的长度可以根据公式(1)和(2)大致估计L_pat=16.8mm，大约是波长的一半。为避免交叉极化，本文将矩形贴片的宽度设置为长度的1.5倍，即W_pat=1.5*L_pat=25.2mm。
馈电传输线参数初始化
在矩形贴片天线的设计中，我们需要使用微带传输线为贴片提供能量（输入信号）。一般情况下，传输线未与天线连接的一端需要与电源或信号发生器连接，因此需要在传输线末端添加连接器，如SMA。常用连接器的阻抗一般为50Ω，因此，本文设计的微带传输线的阻抗也是50Ω。根据以下公式(3)，可以更方便地计算50个阻抗Ω微带传输线的尺寸。
Z_0=120π/(√(ε_eff )×[W_trans/H_sub 1.393 2/3 ln(W_trans/H_sub 1.44)])（3）
其中，ε_eff为有效介电常数，可近似(ε_0 ε)/2；H_sub根据设计的贴片天线介质厚度Rogers公司提供的标准数据，H_sub=1.575mm。由上可得，微带传输线在6GHz频率和Rogers 5880作为介质，宽度为W_trans=4.9mm。想要简单方便，可以直接使用CST计算自己的天线参数计算器。
阻抗匹配
虽然我们在理论计算下获得了传输线和补丁参数，但如果微带传输线直接与矩形补丁连接，由于阻抗不匹配（阻抗不满足共轭对称），大量能量（信号）反射回微带传输线，形成驻波。因此，为了保证天线能辐射能量，必须进行阻抗匹配。传统的阻抗匹配方法有： 利用notch，使用同轴馈电和四分之一波长阻抗转换器。利用notch方法是在贴片上的传输线附近去除两个矩形，将传输线插入贴片。这是因为贴片边缘阻抗大，而贴片中心阻抗几乎为0。在将微带传输线延伸到贴片中心的过程中，微带传输线的输入阻抗微带传输线的输入阻抗等于接入贴片天线的阻抗，从而实现阻抗匹配。采用同轴进行馈电的方法，即通过调整同轴接入贴片的位置，找出贴片阻抗等于传输线阻抗的位置。本文采用四分之一波长转换器实现阻抗匹配。四分之一波长阻抗转换器用于微带贴片天线，相当于在原微带传输线和矩形贴片之间增加了另一条微带传输线。新增微带传输线(四分之一波长阻抗转换器)用于匹配馈电微带传输线的输入阻抗和贴片天线的阻抗。四分之一波长阻抗转换器的阻抗可以由公式组成
Z_1=√(Z_0 Z_L )
计算。Z_0输入阻抗为馈电微带传输线50Ω，Z_L为贴片天线未进行阻抗匹配时在6GHz阻抗。从上到下，四分之一波长阻抗转换器的长度和阻抗与频率有关。因此，需要模拟天线的谐振频率，而不匹配阻抗GHz，下一步模拟优化是根据计算得到所需波长阻抗转换器的阻抗和宽度。
仿真优化
阻抗匹配前的模拟
图2. 阻抗匹配前，将天线的谐振频率移动到6GHz 上图为未进行阻抗匹配时的天线阻抗图。图2中，蓝色曲线是根据公式(1)和(2)理论计算的天线阻抗图。蓝色曲线对应的谐振频率为5.8GHz附近，低于所需GHz，因此，需要将谐振频率移动谐振频率。由于贴片天线的长度约为波长的两分之一，因此需要减少矩形贴片的长度，以便向高频方向移动谐振频率。随着频率的增加，波长会减少。当矩形贴片长度为L_pat=16.1mm上图中的红色曲线显示谐振频率 被调整到了6GHz。由图中的红色曲线可得，此时天线的阻抗约为194.7Ω。根据上述公式(3)，四分之一波长阻抗转换器的阻抗可以得到阻抗匹配Z_1=100.2Ω，对应微带传输线的宽度为w_qwt=1.4mm。
阻抗匹配后的模拟
图3. 天线阻抗匹配后的调整 同样，谐振频率调整谐振频率，使其位于6GHz，如上图3所示。
最终模拟结果
图4. 仿真天线最终的S11图像 图5. 远场天线三维辐射图 图6. 天线远场辐射图二维E-plane平面图 如图所示在6GHz极示相应天线工作频率的极点。一般来说，天线的反射系数S11小于-10dB当能量辐射超过90%时，天线可以正常工作。天线的工作频率为5.9GHz~6.1GHz，占据了3.相对带宽3%，可达8%.18dB的增益。
参考文献
[1] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design. (Fourth ed.) 2016.