1、介绍

本设计介绍一个S波段（2.4GHz）带有凹槽反馈的矩形微带贴片天线的过程，如图1所示。所设计的天线是使用快速成型的铣机制造。此天线利用矢量网络分析仪来表征，远场辐射图在EMAG公司建立的暗室里测量。使用EM.Cube的EM.Picasso模块来对贴片天线进行初始化设计和优化。该模块假设一个介质基片和一块无限横向尺寸完美电导体（PEC）衬底。也可以用EM.Cube的FDTD算法模块即EM.Tempo来做同样的计算分析，不过需要设计为有限的衬底。天线的回波损耗以及辐射图的计算数据和测量数据进行对比。也对贴片天线表面上方水平面上的近场电场、磁场分布进行了计算。该问题利用EM.Cube的EM.Picasso模块和EM.Tempo模块分别进行计算，并利用EMAG Technologies的场测量系统NeoScan测量贴片天线表面上的实际的电场分布图。之后利用数据通过近-远场的转换来评估远场辐射图。通过计算估计值和实际测量值进行比较并绘制对比图。

图1 带有凹槽反馈的矩形微带贴片天线的几何模型

2、利用EM.Picasso设计和优化贴片天线

如图1显示了贴片天线的几何尺寸（长L、宽W）以及微带线的几何尺寸（长Lf、宽Wf）,且 L1 = W/2。天线印制在厚度为1.58mm、相对介电常数εr = 3.38的Rogers 4003C电路板上。在此基板上，50Ω微带传输线的宽度WF=3.5mm，长度Lf = 30mm，凹槽长度为d，宽度为g。利用EM.Cube的EM.Picasso模块创建一个L×W的矩形非常简单，但是同时也要考虑几何模型的优化问题。首先考虑一个方形的贴片即W = L，其他三个参数L、d、g作为贴片天线的优化参数和阻抗匹配。图2显示了这三个优化参数L、D、G，初始值设置为35mm，10mm，2mm。

图2 参数化建模（ DX和DY分别表示X和Y尺寸。变量为L，D和G的馈线参数Wf和Lf是固定的）

EM.Picasso提供了几种贴片天线的激励方式，用于计算结构散射参数的蕞准确方式就是用嵌入端口（de-embedded port），它是用一种称为Prony算法对参数进行的计算。这个方法中设置反馈线长度约两个波长，并且把一个理想的间隙源（gap souce）放置到靠近反馈线的开路端。图3显示贴片天线的网格划分。经过计算和参数扫描的优化，蕞终找到参数的优化值分别为L = 34mm，D = 12mm，G = 2mm。

图3 贴片天线的表面网格

3、制作与表征S波段微带天线

基于以上的优化参数，用Rogers 4003 PCB板制作如图4的贴片天线。天线的频率响应用Agilent 5378高性能网络分析仪测量，所测量的回波损耗（| S11|）如图5所示。可以看出天线的蕞佳匹配频率是2.349GHz r而不是初始设置的2.4GHz。图6是计算回波损耗| S11|，共振频率是2.342GHz，误差为0.3%。图7、8分别是贴片天线在f = 2.35GHz下的表面电流分布和3D远场辐射图的计算值。图9、10显示了贴片天线在YZ、ZX面的2D极坐标辐射图。

图4 制作的贴片天线

图5 贴片天线测量的回波损耗（|S11|）

图6 频率扫描下[2.30GHz - 2.40GHz]贴片天线的回波损耗计算值

图7 贴片天线在f =2.35GHz下的电流分布计算值

图8 贴片天线在f =2.35GHz下3D远场辐射图的计算值

图9 贴片天线在f =2.35GHz下YZ面计算的2D极坐标辐射图

图10 贴片天线在f =2.35GHz下ZX面计算的2D极坐标辐射图

另外用EMAG公司的暗室对贴片天线的辐射图进行测量，如图11所示。图12、13所示是实际测量值绘制的图形。

图11 EMAG公司测量贴片天线示意图

图12 贴片天线在f =2.35GHz下YZ面计算的2D极坐标辐射图

图13 贴片天线在f =2.35GHz下ZX面计算的2D极坐标辐射图

4、使用EM.Tempo进行其他设计验证

制作的天线几何尺寸都是有限的，这将影响到天线的辐射图以及导致逆辐射如图12、13所示。为了计算具有有限衬底和有限底板的天线，我们可以用EM.Cube的EM.Tempo模块。图14所示是用EM.Tempo模块进行建模，并设置天线的反馈线长度为30mm，在微带线的开口端添置一个+Z方向的分布源（distributed source），如图14中的放大部分。时域激励源由高斯波形调制，结构的FDTD模拟是时域的，并且通过EM.Tempo计算的天线散射参数S11是用离散傅里叶变换得到。此天线的回波损耗如图15所示。可以看出，FDTD（EM.Tempo）求解器所得的共振频率为2.278GHz，与测量相比误差约为3%。之所以EM.Piasso计算值的误差小于EM.Tempo所求解值是因为Prony算法是受反馈线结构影响。

图14 利用EM.Tempo模块进行微带天线的几何模型设计

图15 利用EM.Tempo (FDTD)计算频率范围 [2.10GHz - 2.50GHz]的天线回波损耗(|S11|)

利用有限的几何尺寸计算所得的3D辐射图如图16所示，可以看出，所计算的辐射图结果具有比较高的方向性。图17、18是计算天线在YZ和ZX面的辐射图的2D极坐标图，图中都可以看到逆辐射的效果。这两幅图与实际测量值（图12、13）有着高度的一致性。图19、20分别是天线面上电场幅值和相位的X分量，图21、22分别是天线面上电场幅值和相位的Y分量。

图16 EM.Tempo计算天线的3D远场散射图

图17 f = 2.35GHz下EM.Tempo计算贴片天线YZ面的2D极坐标辐射图

图18 f = 2.35GHz下EM.Tempo计算贴片天线ZX面的2D极坐标辐射图

图19 天线表面上方水平方向1mm处的电场幅值X分量（EM.Tempo计算所得）

图20 天线表面上方水平方向1mm处的电场相位X分量（EM.Tempo计算所得）

图21 天线表面上方水平方向1mm处的电场幅值Y分量（EM.Tempo计算所得）

图22 天线表面上方水平方向1mm处的电场相位Y分量（EM.Tempo计算所得）

5、利用NeoScan测量贴片天线的近场

利用EMAG公司的NeoScan测量系统测量天线的近场，如图23所示。电光场探针在天线表面移动对水平面上的可同时对电场幅值和相位分量进行测量，如图24所示。图25显示了天线表面上方1mm处水平面上的电场幅值和相位的X分量，与图19、20的计算值相比，数据匹配高度一致。图26显示了天线表面上方1mm处水平面上的电场幅值和相位的Y分量，与图21、22的计算值相比，数据匹配高度一致。

图23 NeoScan测量系统                               图24 贴片天线上方XY移动平台上NeoScan系统电光场探针

图25 天线表面上方水平方向1mm处X分量的电场幅值和相位（NeoScan测量，与图19、20计算值相比高度一致）

图26 天线表面上方水平方向1mm处Y分量的电场幅值和相位（NeoScan测量，与图21、22计算值相比高度一致）