一、設(shè)計(jì)指標(biāo)

• 中心頻率：1.9GHz、2.45GHz
• 匹配情況：中心頻率處$S_{11}$參數(shù)小于-20dB
• 介質(zhì)板厚度：1.6mm
• 介質(zhì)板介電常數(shù)：4.4
• 饋電方式：50$\Omega$同軸線饋電

二、雙頻微帶天線

獲得雙頻工作的一種最簡(jiǎn)單的方法是輻射貼片的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)-一個(gè)頻率諧振，其寬度對(duì)應(yīng)另一個(gè)頻率諧振，然后從對(duì)角線的一角饋電，就能使同一個(gè)輻射貼片工作于兩個(gè)頻率上。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

從圖中可以得知，x軸上的A點(diǎn)（x,0）為激發(fā)TM${}_{10}$模式的50$\Omega$饋電點(diǎn)，由于A點(diǎn)位于輻射貼片y方向的中心線上，因此不會(huì)激發(fā)其他TM${}_{0n}$模式（n=1, 3，5，…）。另一方面，y軸上的B點(diǎn)(0,y) 為激發(fā)TM${}_{10}$模式的50$\Omega$饋電點(diǎn)，B點(diǎn)由于位于輻射貼片x方向的中心線上，因此不會(huì)激發(fā)其他TM${}_{m0}$模式（m=1，3，5，…）。然后，如果將饋電點(diǎn)放置于(x,y) 位置的C點(diǎn)，則此時(shí)天線可以同時(shí)激發(fā)TM${}_{01}$模式和TM${}_{10}$模式，且在這兩種模式下均能得到50$\Omega$的輸入阻抗。
這里直接使用同軸線饋電矩形微帶天線中的矩形微帶天線設(shè)計(jì)模型，在該模型的基礎(chǔ)，上設(shè)計(jì)出一個(gè)工作于1.9GHz和2.45GHz的同軸線饋電的雙頻微帶天線。

三、模型創(chuàng)建與仿真

在原來模型的基礎(chǔ)上刪除工程樹Results節(jié)點(diǎn)下的所有結(jié)果報(bào)告、Optimetrics節(jié)點(diǎn)下的所有優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)和參數(shù)掃描分析項(xiàng)以及Radiation 節(jié)點(diǎn)下定義的輻射表面名稱。同時(shí)，打開該設(shè)計(jì)文件所在的文件夾，刪除其中的Coax_Patch.aedtresults文件夾。如下圖所示

添加L2參量如下圖

將饋電點(diǎn)移動(dòng)至如下位置

注意通知修改饋針與圓切片的參數(shù),即將饋電點(diǎn)移動(dòng)至如下圖所示位置

仿真結(jié)果如下：

從結(jié)果報(bào)告中可以看出，移動(dòng)同軸線饋電點(diǎn)到輻射貼片的對(duì)角線位置后，矩形微帶天線出現(xiàn)兩個(gè)諧振點(diǎn)，一個(gè)諧振頻率為2. 44GHz，另一個(gè)諧振頻率為1. 77GHz。微帶天線輻射貼片在x軸方向的長(zhǎng)度以及饋電點(diǎn)在x軸方向的位置是在同軸饋電矩形微帶天線中優(yōu)化分析后的結(jié)果，把饋電點(diǎn)由輻射貼片的中心位置移動(dòng)到對(duì)角線位置后，阻抗匹配良好，諧振頻率稍微有所改變，由2.45GHz變成2.44GHz。微調(diào)輻射貼片的長(zhǎng)度，將長(zhǎng)度變量L0的值由27. 9mm改為27.7mm,再運(yùn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下：

從上圖所示的結(jié)果報(bào)告中可以看出，移動(dòng)同軸線饋電點(diǎn)到輻射貼片對(duì)角線位置后，當(dāng)輻射貼片的長(zhǎng)度L0=27.7mm時(shí)，微帶天線的諧振頻率為2. 45GHz，且此時(shí)$S_{11}$的值約為- 28dB。
下面來重點(diǎn)分析輻射貼片在y軸方向的長(zhǎng)度(變量W0)和天線第二個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系，以及同軸線饋電點(diǎn)的y坐標(biāo)( 變量L2)和輸入阻抗之間的關(guān)系，從而給出中心工作頻率為1. 9GHz時(shí)對(duì)應(yīng)的Wo值和L2值，并設(shè)計(jì)出1. 9GHz和2.45GHz雙頻工作的矩形微帶天線。

四、分析諧振頻率與W0以及饋電點(diǎn)位置在W0方向上的關(guān)系

添加W0的參數(shù)掃描分析如下

分析結(jié)果如下圖所示：

從參數(shù)掃描分析結(jié)果中可以看出，TM${}_{01}$模式的諧振頻率2.45GHz不會(huì)隨著W0的改變而改變，TM${}_{10}$模式的諧振頻率會(huì)隨著W0的變大而降低。當(dāng)W0 =37mm時(shí)，諧振頻率約為1. 91GHz，當(dāng)W0 =37.5mm時(shí)，諧振頻率約為1. 88GHz。這樣，我們可以粗略估算當(dāng)諧振頻率為1. 9GHz時(shí)，W0 約為37. 1mm。

五、分析TM${}_{10}$模輸入阻抗和饋電點(diǎn)y坐標(biāo)之間的關(guān)系

首先將W0改為37.1mm如下

運(yùn)行仿真后查看輸入阻抗的初始值如下

從結(jié)果報(bào)告中可以看出，在1. 9GHz工作頻點(diǎn)上，輸入阻抗為(82.7 -j27.1) $\Omega$。根據(jù)之前的理論分析可知，要想使輸入阻抗在50$\Omega$左右，則L2的值需要小于初始值10mm。下面使用HFSS參數(shù)掃描分析功能來分析TM${}_{10}$模在諧振頻點(diǎn)(1. 9GHz)處的輸入阻抗與同軸線饋電點(diǎn)y坐標(biāo)(即變量L2)的變化關(guān)系，從而找出50N輸入阻抗點(diǎn)。這里，添加L2為參數(shù)掃描變量，掃描范圍設(shè)置為5mm~9mm，掃描步進(jìn)值設(shè)置為0.5mm。如下圖所示

查看掃描結(jié)果時(shí)，將Trace【軌跡】選項(xiàng)卡下的Primary Sweep【主要掃描】下拉列表中選擇L2，如下圖所示

結(jié)果如下圖所示

從結(jié)果報(bào)告中可以看出，當(dāng)L2移動(dòng)到7.1mm位置時(shí)，輸入阻抗約為(50.1 -j6.6) $\Omega$。

六、設(shè)計(jì)結(jié)果

$S_{11}$結(jié)果

Smith圓圖結(jié)果

2.45GHz增益方向圖

1.9GHz增益方向圖

總結(jié)

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