微波技术与天线课设-PCB微带天线的设计

目录

摘要 1

1.引言 2

2.PCB微带天线的基本原理 2

（1）微带线长度和宽度： 2

（2）地平面结构 3

(3)馈线设计 3

3.PCB微带天线的关键参数 4

（1）无源参数： 4

（2）有源参数： 5

4.PCB微带天线的设计步骤 5

5. 实例设计：2.4GHz全向蓝牙天线 6

6. 总结 11

摘要

本文介绍了PCB微带天线的设计原理和关键参数，着重探讨了微带天线的基本结构、无源和有源参数，以及常见微带天线的设计方法。文章通过具体实例，以2.4GHz全向蓝牙天线为例，详细阐述了设计步骤，包括选择材料、确定尺寸、优化馈线等。在设计过程中，考虑到天线的VSWR、效率、增益、方向性等性能指标，并使用MATLAB进行简单的仿真展示。最后，强调了微带天线设计的复杂性和综合考虑各参数的必要性。

关键词：PCB微带天线，无源参数，有源参数，天线设计，微带线宽度，地平面，馈线，阻抗匹配，MATLAB仿真。

1.引言

随着现代通信技术的迅猛发展，天线设计在无线通信系统中变得至关重要。其中，PCB微带天线因其小巧、轻量、低成本和易于集成等优势，成为许多应用领域的首选。本文将深入探讨PCB微带天线的设计原理、关键参数和优化方法，旨在为工程师和设计者提供在无线通信系统中实现卓越性能的实用指南。

2.PCB微带天线的基本原理

PCB微带天线是一种基于印刷电路板（PCB）的设计，采用微带线形成天线结构。微带天线的基本原理涉及电磁波的辐射和导引，其设计主要依赖于微带线的长度、宽度、地平面结构以及馈线等参数。

（1）微带线长度和宽度：

在微带天线设计中，确实工作频率与微带线的长度密切相关，通常选择四分之一波长的微带线来实现天线的谐振。这是因为在四分之一波长的长度上，微带线可以形成一个谐振结构，使得天线在特定频率下表现出较好的性能。

微带线的宽度对天线的输入阻抗和带宽也有显著的影响。

微带线的宽度直接影响天线的输入阻抗。输入阻抗的匹配对于天线与射频系统的连接至关重要。微带线宽度的选择可以调整输入阻抗，确保其与系统要求相匹配。微带线的宽度也影响天线的带宽。带宽是指天线能够有效工作的频率范围。较宽的微带线通常对应较宽的带宽，有助于天线适用于更广泛的通信频段。

微带线的宽度还会对天线的辐射模式产生影响。不同宽度的微带线可能导致天线在空间中辐射的方式有所不同，进而影响其方向性和增益。微带线的宽度与天线的阻抗匹配密切相关。合适选择微带线的宽度可以使天线更容易实现阻抗匹配，提高系统的效率。

因此，在微带天线设计中，合理选择微带线的宽度是至关重要的。这通常需要通过仿真工具进行调整和优化，以满足特定的性能指标和应用需求。设计者需要平衡微带线宽度对输入阻抗、带宽和辐射特性的影响，以实现最佳的天线性能。

（2）地平面结构：地平面在微带天线设计中起着关键的作用，对天线性能有显著的影响。

地平面的大小直接影响微带天线的辐射效率。较大的地平面可以提供更大的导地面，减小天线与地之间的耦合损耗，从而提高辐射效率。合理设计的地平面有助于确保更多的电磁能量被有效地辐射出去。地平面的大小和形状也影响天线的阻抗匹配。一个较大的地平面可以更好地支持天线的阻抗匹配，使得天线在设计频率附近能够更好地适应系统的输入阻抗要求。地平面的形状和大小对天线的方向性能有显著的影响。天线放置在一个较大的平面上可以实现更好的方向性，有助于控制辐射方向，减少信号在不必要的方向上的辐射。

地平面的形状还会影响微带天线的辐射模式的对称性。合理设计的地平面可以使天线的辐射模式更对称，提高天线在特定方向上的性能。地平面在微带天线设计中还起到共面波导的作用，可以改变天线的辐射特性。这个效应有助于微带天线实现特定方向上的辐射。

在实际设计中，通常需要通过仿真工具进行优化，以确定最佳的地平面大小和形状。这可能涉及到调整地平面的尺寸、与天线之间的间隙等参数。整体而言，合理设计地平面是微带天线性能优化的关键一步。

(3)馈线设计：

馈线在微带天线中起到连接天线和射频电路的作用，其长度和宽度是决定天线输入阻抗的重要因素。通过合理调整馈线的参数，可以实现天线的阻抗匹配，提高系统的效率。

馈线的长度是微带天线输入阻抗的主要影响因素之一。馈线的长度与天线的谐振频率直接相关。通常，馈线长度应为四分之一波长或者四分之二波长，以确保在工作频率下实现阻抗匹配。较短或较长的馈线长度可能导致天线的阻抗不匹配，影响性能。馈线的宽度同样对天线的输入阻抗产生影响。较宽的馈线可以降低馈线的电阻，从而降低输入阻抗。通过调整馈线宽度，可以实现对天线输入阻抗的精确控制。一般来说，较宽的馈线对应较低的电阻，适用于提高天线的效率。

馈线与地的连接方式也会影响天线的输入阻抗。合适的连接方式可以确保馈线和地之间有足够的电流路径，从而保证阻抗匹配。一些常见的连接方式包括直接连接、通过变压器等。

在微带天线设计中，设计者还可以考虑添加匹配网络来进一步调整输入阻抗。匹配网络可以通过电感、电容等元件实现对天线输入阻抗的调节，从而提高系统的效率。馈线的材料和厚度也会对输入阻抗产生影响。馈线材料的介电常数和损耗因子可能会改变馈线的电特性，需要在设计中进行考虑。

在微带天线设计过程中，设计者需要通过仿真工具进行参数优化，以找到最佳的馈线长度和宽度组合，以及可能的匹配网络。这样可以确保微带天线在设计频率附近实现最佳的阻抗匹配，提高系统性能。

3.PCB微带天线的关键参数

在PCB微带天线设计中，一些关键的无源和有源参数需要进行综合考虑。

（1）无源参数：

电压驻波比（VSWR）：衡量天线性能的一个重要指标，用于评估天线的阻抗匹配质量。

隔离度（Isolation）：表示天线之间的互相影响程度，关系到系统中多个天线的性能。

方向性系数（Directionality）：描述天线在特定方向上的辐射特性，影响通信系统的定向性能。

相对带宽：表示天线能够覆盖的频率范围，相对带宽越大，天线适用于更广泛的应用场景。

增益（Gain）：体现天线辐射效率，是指天线在某一方向上的电磁辐射能力。

效率(Efficiency）：反映天线将输入能量转化为辐射能量的效率，直接关系到通信系统的能效。

极化方向(Polarization)：天线的电场极化方向，可以影响信号的传播性能。

PIM无源互调(PassiveIntermodulation)：描述无源部件在多个载频大功率信号下产生的互调效应，影响系统的信号纯度。

（2）有源参数：

TRP总辐射功率(TotalRadiatedPower)：表示天线向空间辐射的总功率。

TIS总全向灵敏度(TotalIsotropicSensitivity)：描述天线接收信号的总灵敏度。

EIRP有效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower)：考虑了天线增益后的总辐射功率。

SAR比吸收率(1SpecificAbsorptionRate)：描述生物组织吸收电磁能量的程度，与天线辐射功率相关。

4.PCB微带天线的设计步骤

确定工作频率：根据应用需求确定微带天线的工作频率。

选择天线类型：根据应用场景和性能要求选择适当类型的微带天线，如贴片天线、缝隙天线或PIFA天线。

确定天线尺寸：根据工作频率和天线类型，计算并确定微带天线的长度、宽度、地平面结构等关键尺寸。

优化天线结构：利用仿真工具（如Matlab中的AntennaToolbox）对微带天线进行优化，调整参数以满足性能指标。

考虑天线与系统的匹配：确保微带天线的输入阻抗匹配系统要求，以提高能量传输效率。

性能仿真和测试：利用仿真工具进行性能仿真，然后通过实际测试验证设计的性能。

优化和调整：根据仿真和测试结果进行进一步的优化和调整，确保微带天线在实际应用中表现优越。

1. 实例设计：2.4GHz全向蓝牙天线

     因为平时接触各种单片机开发板较多，单片机常见的则是PCB微带天线，故我选择了设计设计一个2.4GHz全向蓝牙天线，如图5-1是国产的小熊派鸿蒙开发板，上边就有一个微带天线。

图5-1

在Matlab中设计微带天线需要使用电磁场仿真工具，其中一种常用的工具是MATLABAntennaToolbox。

%定义工作频率

freq=2.4e9;%2.4GHz

%创建微带贴片天线

antenna=design(patchMicrostrip,freq);

%绘制天线辐射图

figure;

pattern(antenna,freq);

%显示天线参数

disp(antenna);

%自定义微带贴片天线

antenna=design(patchMicrostrip,freq,'GroundPlaneLength',50e-3,'GroundPlaneWidth',50e-3,'SubstrateThickness',1.6e-3);

%绘制天线辐射图

figure;

pattern(antenna,freq);

%显示天线参数

disp(antenna);

在这个简单的示例中，我们使用了AntennaToolbox中的`design`函数创建了一个微带天线。你可以根据具体需求进一步设置天线的参数，例如天线的几何形状、介质材料等。接下来，我们使用`show`函数绘制了天线的图案，并使用`impedance`函数显示了阻抗匹配情况。下边是天线辐射图

-

你提供的参数是微带天线的一些关键几何特征和属性，这些参数对微带天线的设计和性能具有重要影响。

Length（长度）:微带天线的主体长度，通常是指微带线的长度，是天线谐振的关键参数。

Width（宽度）:微带天线的主体宽度，即微带线的宽度，对于天线的输入阻抗和带宽具有重要影响。

Height（高度）:微带天线的厚度，通常指介质的厚度。介质的选择和高度会影响微带线的特性和天线的性能。

Substrate（介质）:天线的基底介质，是微带天线的主要结构材料，介质的特性直接关联到天线的电气特性。

GroundPlaneLength（地平面长度）:地平面的长度，地平面是微带天线的重要组成部分，对天线的辐射效率和方向性有影响。

GroundPlaneWidth（地平面宽度）:地平面的宽度，同样是影响微带天线性能的重要参数。

PatchCenterOffset（贴片中心偏移）:贴片中心相对于地平面的偏移，影响微带线的位置。

FeedOffset（馈电点偏移）:馈电点相对于地平面的偏移，影响微带天线的馈电位置。

Conductor（导体）:天线的导体材料，通常是金属，包括微带线和地平面。

Tilt（倾斜）:微带天线的倾斜角度，可能影响天线的辐射模式。

TiltAxis（倾斜轴）:微带天线倾斜的轴向，指定了倾斜的方向。

Load（负载）:天线上的负载，通常是一个电感或电容，用于调节输入阻抗。

这些参数提供了设计和优化微带天线所需的基本信息，通过合理调整这些参数，可以实现对微带天线性能的控制和优化。

其中，可以通过更改天线形状来比较不同天线的性能

上者是一个普通微带天线，现在我们将天线改为微带缝隙天线

antenna = design(patchMicrostrip('PatchWidth', 30e-3, 'PatchLength', 40e-3, 'GroundPlaneLength', 60e-3, 'GroundPlaneWidth', 40e-3, 'SubstrateThickness', 1.2e-3), freq);



% 绘制天线辐射图

figure;

pattern(antenna, freq);



% 显示天线参数

disp(antenna);

绘制其天线辐射图及生成参数

通过matlab官方提供资料，我们可以设计出更实用的PCB微带天线，例如

sectorInvertedAmos天线

下边是构建代码

生成天线辐射图

生成参数

比较这两种天线的辐射图，可以发现，前者适合全向型通信，，但距离较近，后者可以实现特定角度的长距离通信，扇形覆盖。

1. 总结

微带天线作为一种在射频工程中广泛应用的天线类型，具有体积小、重量轻、易制造、成本低等优势，特别适用于集成在印刷电路板（PCB）上。本文对PCB微带天线的设计原理和关键参数进行了探讨，并以2.4GHz全向蓝牙天线为例进行了实际设计步骤的展示。以下是对微带天线设计的一些关键要点的总结：

基本原理：微带天线的设计基于天线的长度、宽度、地平面等参数，通过合理调整这些参数可以实现对天线性能的优化。

无源参数：VSWR、隔离度、方向性、相对带宽、增益等是微带天线的无源参数，这些参数直接影响着天线的性能。

有源参数：总辐射功率、总全向灵敏度、有效全向辐射功率等是微带天线的有源参数，它们与天线的效率和辐射特性相关。

设计步骤：微带天线的设计步骤包括选择天线材料、确定天线尺寸、优化馈线、考虑地平面等，通过MATLAB等仿真工具进行验证和优化。

地平面的重要性：地平面在微带天线设计中起着关键的作用，影响着天线的辐射效率、阻抗匹配和方向性。

馈线参数调整：馈线的长度和宽度对天线的输入阻抗和带宽有重要影响，通过调整这些参数可以实现阻抗匹配和提高系统效率。

实际设计考虑因素：实际微带天线设计中，还需考虑天线的工作频率、材料特性、边缘效应、地平面形状等因素，通过综合考虑这些因素，可以优化微带天线的性能。

微带天线的设计是一个综合性的工程任务，需要工程师深入理解电磁理论、天线原理和材料特性，通过仿真和实际测试不断优化，以满足特定应用的性能需求。随着射频技术的发展，微带天线将继续在通信、雷达、无线传感等领域发挥重要作用。