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1. 案例背景

微带贴片天线因其剖面低、重量轻、易于共形和批量制造等优点，广泛应用于无线通信、雷达和卫星导航系统。同轴馈电（探针馈电）是微带贴片天线最常用的馈电方式之一，其结构简单、便于与有源电路集成，但设计时需重点关注阻抗匹配和馈电点位置对谐振频率的影响。

本案例以 2.45 GHz 频段（ISM 频段）为目标，设计并仿真一款同轴馈电矩形微带贴片天线，通过电磁仿真软件验证其回波损耗、输入阻抗、方向图和增益等关键指标。

2. 设计目标与参数

本案例的设计目标如下：

• 中心频率：2.45 GHz
• 介质基板：FR4 环氧树脂（FR4Epoxy），相对介电常数 4.4，厚度 1.6 mm
• 馈电方式：50 欧姆同轴线馈电
• 回波损耗：S11 小于 -10 dB（即 VSWR 小于 2）
• 输入阻抗：接近 50 欧姆
• 辐射方向：法向（宽边）方向为主辐射方向

矩形微带贴片的初始尺寸可通过经典传输线模型估算。贴片宽度 W 和长度 L 的计算公式如下：

W = c / (2 * f0 * sqrt((er + 1) / 2)) L = c / (2 * f0 * sqrt(ereff)) - 2 * deltaL

其中 c 为真空中光速，f0 为中心频率，er 为相对介电常数，ereff 为有效介电常数，deltaL 为边缘场引起的等效延伸长度。根据上述公式估算，2.45 GHz 下贴片初始尺寸约为 37.26 mm × 28 mm，后续需在仿真中微调。

3. 仿真模型搭建

在电磁仿真软件中建立同轴馈电微带贴片天线模型，主要包含以下部分：

• 介质基板：FR4 材料，尺寸略大于贴片，通常向外延伸 5 至 10 mm。
• 辐射贴片：矩形铜箔贴片，位于基板上表面。
• 接地板：覆盖基板下表面的完整铜箔。
• 同轴探针：内导体穿过基板连接贴片，外导体连接接地板，馈电点位于贴片中心线上。

同轴馈电点的位置对输入阻抗影响显著。沿贴片宽度方向的中心线上移动馈电点，可以调节输入阻抗使其接近 50 欧姆。初始馈电点可设置在贴片中心附近，再通过参数扫描优化。

4. 仿真设置与求解

仿真求解设置如下：

• 求解频率：2.45 GHz
• 扫频范围：1.5 GHz 至 3.5 GHz，用于观察谐振特性
• 边界条件：辐射边界
• 激励方式：集总端口，端口阻抗设为 50 欧姆

网格剖分采用自适应加密，重点关注贴片边缘和探针附近的电场集中区域，以保证求解精度。

5. 仿真结果分析

5.1 回波损耗

仿真得到的 S11 曲线显示，天线在 2.45 GHz 附近出现明显谐振，S11约 -31.4896dB，小于 -10 dB ，满足设计要求。

5.2 输入阻抗

在谐振频率处，输入阻抗实部接近 50 欧姆，虚部值较小，表明馈电点位置选择合理。若阻抗失配，可沿中心线微调馈电点位置。

5.3 方向图与增益

天线的 E 面和 H 面方向图呈现宽边辐射特性，最大辐射方向指向贴片法向，仿真增益约为 3.8dBi

6. 参数优化与讨论

为进一步改善性能，可对以下参数进行优化：

• 贴片尺寸：微调 L0 和 W0 以精确对准中心频率。
• 馈电点位置：沿中心线移动以优化阻抗匹配。
• 基板厚度与介电常数：增大基板厚度可提高带宽，但会增大表面波损耗。
• 接地板尺寸：适当增大接地板可改善辐射特性和前后比。

需要注意的是，FR4 基板在 2.45 GHz 下损耗角正切较大，天线效率会有所下降。若对效率要求较高，可考虑改用 Rogers 等低损耗材料。

7. 总结

本案例完成了同轴馈电微带贴片天线的设计、建模与仿真验证。通过合理选择贴片尺寸和馈电点位置，实现了 2.45 GHz 频段下的良好阻抗匹配和辐射性能。该设计流程可推广至其他频段和不同形状的微带贴片天线设计，为工程实践提供了参考。

第一篇文章
HFSS 2024R1 天线仿真入门全解析(1)

第二篇文章

天线仿真案例一：2.45GHz矩形微带贴片天线设计