8倒F天线.doc

附录：3D模型回波损耗（S11）输入阻抗随频率变化的关系Smith圆图显示的输入阻抗结果三维增益方向图不同L值对应的S11曲线不同L值对应的阻抗曲线Smith圆图显示的不同L对应的输入阻抗不同H值对应的S11的扫频分析结果不同H值对应的输入阻抗曲线Smith圆图显示的不同H对应的输入阻抗不同S值对应的S11的扫频分析结果不同S值对应的输入阻抗曲线Smith圆图显示的不同S对应的输入阻抗倒F天线一、实验目的1.了解倒F天线的结构和工作原理2.了解倒F天线的辐射机理3.学会分析倒F天线的各种参数和结果二、实验原理1、 倒F天线概述倒F天线是单极子天线的一种变形结构，其衍变发展的过程可以看成是从1/4波 长单极子天线到倒L天线再到倒F天线的过程，如下图所示。首先，将单极子天线进行90弯曲，就能得到倒L天线，其总长度仍然是约为1/4个波长，单极子天线做这一变形的目的是有效地减少天线的高度。然而对于倒L天线，其上半部分平行于地面，这样在减小高度的同时增加了天线的容性，为了保持天线的谐振特性，我们就需要增加天线的感性，通常是在天线的拐角处增加一个倒L形贴片，贴片的一端通过孔与地面相连，这样就形成如图所示的形状天线。由于其形状像一个面向地面的字母F，因此将此种类型的天线称为倒F天线。2、 倒F天线的结构参数分析倒F天线的结构如图所示，由长为L的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线并联而成。其中，开路端到馈点可以等效成电阻和电容的并联（相当于负载，谐振时开路），短路端到馈点可以等效成电阻和电感的串联（谐振时短路）。当天线谐振时，电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分，而馈电支路基本无电流分布。阻抗减小，天线呈感性；反之，当长度L减小时，天线的谐振频率升高，输入阻抗变大，天线呈容性。通常，L和H的长度之和约为1/4个工作波长。而对于印制倒F天线，因为天线的辐射贴片是 蚀刻在PCB介质层上的，所以L和H的长度之和一般介于1/4个自由空间工作波长和 1/4个介质层导波波长之间。在设计过程中，通常可以由下面的经验公式给出其初始值，即：下图给出了倒F天线的结构参数L、H和S对天线的谐振频率和输入阻抗性能的影响 。3、 倒F天线的辐射特性倒F形天线不仅具有交叉极化特性，而且具有等向辐射特性。当天线谐振时，电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分，馈电部分则基本无电流分布。当取如上图所示的坐标系时，由水平部分电流所产生的相对电场强度为：因此天线辐射的功率流密度为：式中，0= 120表示真空的特性阻抗。由上式可见，功率流密度与方向、无关，因此天线在各个方向上辐射的功率密度都相同，并且都具有等向辐射特性。由上式可知，电场的极化方向既包含方向的分量，也包含方向的分量，因此，倒F天线在空间辐射的电场方式上具有交叉极化的特点。4、 倒F天线的设计和分析本节设计的倒F天线制作在PCB上，工作于2. 4GHz ISM频段，其中心工作频率为2. 45GHz，并要求10dB带宽大于100MHz。所设计的整个天线结构大致可以分为3个部分，分别是倒F形状天线、介质层和接地板。介质层的材质使用的是PCB中最常用的玻璃纤维环氧树脂（FR4)，其相对介电常数r=4.4，损耗正切tan=0.02。介质层的厚度为0.8mm，长度和宽度分别为110mm和50mm。接地板位于介质层的下表面，其长度和宽度分别为90mm和50mm。倒F形状天线位于介质层的上表面，其谐振长度 L为16.2mm，天线高度H为3.8mm，接地点和馈电点的距离S为5mm，微带线的宽度为1mm。天线的接地点通过过孔与接地板连接。本书中在实际建模时，对接地的过孔做了简化处理，用一个矩形理想导体平面来代替。三、实验步骤1. 新建设计工程（1）运行HFSS并新建工程（2）设置求解类型（3）设置模型长度单位2. 添加和定义设计变量3. IFA天线设计建模(1) 创建接地板(2) 创建介质层(3) 创建倒F天线模型创建倒F天线的辐射贴片模型，其位于介质层的上表面，通过一个理想导体矩形 面接地，天线辐射贴片的形状如图所示。整个倒F天线的辐射贴片模型可以看做由如图所示的5个矩形面组成，其中矩形面1、矩形面2、矩形面3和矩形面4位于介质层的上表面，矩形面5平行于w平面，把天线和接地板连接起来。建模时，我们可以首先分别创建如图所示的5个矩形面，然后通过合并操作，将所有的矩形面合并成一个完整的模型。如下图所示：4.设置激励端口5.创建和设置辐射边界6、求解设置所设计的印制倒F天线工作于2.4GHzISM频段，其中心工作频率2.45GHz，所以求解频率可以设置为2. 45GHz。同时添加频率范围为1. 8GHz3. 2GHz的扫频设置，分析天线在1. 8GHz3. 2GH频段内的回波损耗和输入阻抗等性能。(1)求解频率和网格剖分设置设置求解频率为2.45GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差 为 0. 02。(2 )扫频设置扫频类型选择插值扫频，扫频频率范围为1.8GHz3.2GHz,频率步进为0. 05 GHz