HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 35

114 Ansoft2004 年用户通讯 采用采用 ANFSOFT HFSS 对宽频带双层微带天线设计与仿真对宽频带双层微带天线设计与仿真 石 磊 北京理工大学微波通讯实验室 100081 摘要 摘要 天线作为通讯试验箱前段的重要组成部分 他承担着发射信号和接收的回波信号的任务 微 带天线由于其本身的特点 如结构简单 低刨面 小型化 可以与飞行器表面共形安装而不影响飞行器 的空气动力性能和占用飞行器内仓空间 天线可以与微带电路集成在一起 工业制造简单 价格低廉等 优点 而得到了广泛的应用 但是对于微带天线来说 最严重的缺陷是单个贴片天的带宽太窄 与阵子 天线 缝隙天线 波导开口喇叭天线等工作带宽一般在 15 50 相比 微带单贴片的天线带宽只能有 百分之几 因此 最近微带天线大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术 关键字关键字 双层微带天线 ANSOFT HFSS 宽频带 1 天线形式的选择天线形式的选择 选择双层微带天线原因 a 作为微带天线 它具有微带天线体积小 轻便易于集成和便于批量生产等特点 b 根据设计要求的指标 采取了具有较宽的带宽的双层微带天线的结构 2 天线的技术指标天线的技术指标 由于天线作为两个近距离试验箱体上的辐射器 所以对其性能指标的要求不慎严格 工作频率 2 2G 驻波比 10 极化 线极化 体积不能过大 3 天线结构的分析天线结构的分析 微带天线的频带可以从以下三个方面的带宽来描述 阻带带宽 方向图带宽和极化带宽 一般来说阻带带宽是 天线带宽的主要因素 通过对微带天线的分析知道 要展宽微带天线的的频带 可以采取以下几种方法 1 增加微代介 质的厚度 2 降低微代介质的介电常数 3 采用有耗介质 4 对馈点电路采用宽带阻抗匹配 如阻抗匹配电路或采用 开缝耦合对天线馈点 5 采用对贴片谐振 前三种办法的效果比较小 而且第三种方法是以天线增益的降低为代价的 第四种方法需要设计宽带匹配电路 但电路结构复杂 制作难度大 因此我们采用第五种方法 该方法是利用多贴片耦合 的方式 使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同 而各谐振带宽又相互交叉 使整个天线的总体带宽展宽 如图 1 所示 就像电路中采用的多级放大器展宽频带的方法类似 每个贴片均采用矩形结 幅度 图 1 微带天线的多级谐振占宽频带 构 根据矩形天线的理论 单个矩形微带贴片天线的长度近似为 1 2 个波导波长 因此 单个贴片的谐振中心频率可以按 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 115 rd b c q c f 2 1 估算 其中 c 是光速 q 是等效介电常数因子 b 是贴片 的长度 上层贴片 填充介质 下层贴片 填充介质 接地板 同轴探针接头 容性贴片 微带基片 微带基片 根据各贴片的耦合方式的不同 有两种结构形式 平 行耦合和层叠耦合 本方案主要采取后者 即层叠耦合的 方式进行馈合 层叠耦合结构由上下两层或多层贴片 中 间隔有空气层构成 如图 2 所示 其中下面的贴片馈电 上面的贴片为无源耦合贴片 通过调每个贴片谐振长度调 整个贴片的谐振频率 通过调整上下贴片中间的空气缝隙 宽度来调整上下贴片间相互耦合量的大小 从而实现宽频 带 层叠耦合结构微带天线调整参量较少 只有空气层和 介质层厚度以及贴片尺度等参量 调试相对简单 图 2 改进型宽带多层微带天线结构图 4 CAD 仿真仿真 由于自己编制积分方程法计算软件耗时耗力 且分析结果不太理想 这给此类复杂结构的天线的设计带来了很大的不 便 目前一些微波专业软件公司推出了自己的产品 如 Ansoft 公司的 HFSS Agilent 公司的 ADS AWR 公司的 Microwave Office CST 公司的 Microwave Studio 等 在这些软件中 HFSS 把重点放在复杂结构的电磁问题分析方面 这使得在分 析设计此类复杂结构的天线时 HFSS 可以起到非常大的作用 美国 ANSOFT 公司从 1990 年开始发布了基于有限元法 FEM 仿真复杂三维结构电磁场的通用软件工具 HFSS High Frequency Structure Simulator 它采用有限元作为数值计算方法 有限元法 FEM 是一种数值计算方法 其基本思 想是将整个求解空间划分为许多小区域 用局部函数表示每个子区域的场 每个子区域的场通过节点相关联 整个场区域 由子域节点组成网络 通过一定的激励和约束条件 如电磁场问题须满足 Maxwell 方程组 求解网格上每个节点的场分布 从而得到整个问题的全波解 有限元法求解问题的精度取决于网格的疏密程度和网格的剖分质量 HFSS 是一个能够计算任意形状 3D 无源结构 S 参数和全波场的交互式软件包 该软件不仅可以求解内场问题 包括各 向异性材料 还可以求解外场辐射问题 具有适合宽带仿真需要的快速扫频功能 该软件允许使用者建立任意形状的电磁场问题三维几何模型 这就避免了建模不精确而导致计算结果误差 它采用自 适应网格划分 切向矢量有限元算法和自适应扫频等先进技术不断提高有限元法的求解速度和精度 它的自适应网格剖 分和根据收敛判据进行自适应解算的技术使得有限元法更便于使用 初始网格剖分可以迅速提供场解的信息 如场强 场 的变化梯度 自适应网格剖分根据这组信息将网格剖分限制在高的场强和场变化梯度最大的地方 在保证同等计算精度的 条件下节省了计算资源 使用者还可以使用人工网格剖分在需要的区域进行网格加密 另外 HFSS 将端口问题作为二维电磁场有限元处理 端口上的网格是二维三角形单元 每个单元均是实体内部的四 面体单元在端口上的一个面 通过对端口的二维有限元分析 给出端口截面的本征模式 HFSS 假设每个端口与一个相同截 面的一致性波导 传输线 同轴线 相连 激励场就是与端口相连的沿着波导 传输线 同轴线 传输的 TEM 波 这样的 激励模型要比将馈电探针看作无限细的激励模型 66 精确地多 正因为 HFSS 具备以上的优点 使得设计者可以更加灵活地设计分析复杂结构的天线并获得精确的仿真结果 避免了 由于分析方法不准确导致的重复实验过程 所以 在分析复杂结构的天线时 采用 HFSS 进行仿真分析是一个高效准确的 途径 下一节将讨论如何应用 HFSS 来分析宽带多层重叠微带天线的问题 1 建立几何模型建立几何模型 在 HFSS 中 必须对分析的对象建立准确的几何模型 软件提供了点 线 面等构建模型的基本元素 如直线 曲线 矩形 圆形 多边形 立方体 圆柱体 多面体等 利用这些基本的元素可以建立宽带多层微带天线的几何模型 如下图 3 所示 双层微代天线共有五层组成 Partners In Design 116 Ansoft2004 年用户通讯 名称 描述 baseplant 金属反射板 Cell1 下层蜂窝填充介质 Mdium1 lowcopper 下层微带线介质基片 Cell2 上层蜂窝填充介质 Medium2 uppercopper 上层微带线介质基片 feed1 small feed1 big feed2 small feed2 big 铜轴馈电结构 copperfeedcircle 馈电圆型电容片 表 1 双层微代天线的各层的名称 图 3 双层微代天线 HFSS 三维视图 2 设定端口和边界条件 设定端口和边界条件 我们知道 端口 源 和边界条件是解 Maxwell 方程的重要条件 在模型中设定正确的端口和边界条件 才能保证解 的正确 首先设定端口 因为该天线是利用同轴探针馈电 所以将天线外部馈电探针与介质的下端面设定为端口 这就代表 TEM 波从同轴线馈入 在该模型中有两类边界条件 一为辐射边界条件 一为完纯导体边界条件 辐射边界条件为空气边界的上 左 右 前 后五个面 代表天线向空间辐射能量 完纯导体边界条件为空气边界的 底面和天线下层蜂窝介质的地面 代表天线固定在大接地板上 以及外部馈电介质的外柱面 这代表了同轴线的外导体 3 仿真结果的分析 仿真结果的分析 经过 HFSS 的仿真 得到在设计频率 2 4GHz 的中心频率下的驻波图如下图 4 所示 图 4 HFSS 仿真后的驻波曲线 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 117 从图中可以看出 VSWR 1 5 时 带宽 D 450M 可以达到大于 20 的带宽 可见双层微代天线达到了增加带宽的目的 图 5 HFSS 仿真后的天线三维方向图 图 6 迪卡尔坐标系中 E 面方向图 图 7 迪卡尔坐标中的 H 面方向图 图 8 极坐标中的 E 面方向图 图 9 极坐标中的 H 面方向图 图 10 仿真后生成的动态电场辐射图 Partners In Design 118 Ansoft2004 年用户通讯 5 天线的测量 天线的测量 采用矢量网络分析仪 测量出的驻波图形可由图 11 所示 有图可以看出 图 10 由矢量网显示的实际驻波波型 在中心频率为 2 2GHz 处 VSWR1 1 相对带宽为 30 完全达到了设计要求 从图 11 中也可以看出 ANSOFT HFSS 的仿真结果 可以很好地与实际结果吻合 6 结论结论 本文通过对双层微带天线的结构的分析 具体研究了采用层叠耦合式微带天线拓宽频带的机理 并对其层叠结构进行 了仿真 应用 HFSS 软件对新材料和新结构的宽带多层微带天线进行了理论分析与仿真 得到了驻波比与方向图的仿真结 果 最后制作了宽带微带天线 此外 将实验结果与仿真结果对比 发现相当吻合 这说明应用 HFSS 进行类似宽带多层 微带天线等复杂结构电磁问题的仿真 可以得到非常接近于实际的结论 是一种比较理想的天线分析设计工具 这就为复 杂结构天线设计提供了一种可以选择的高效途径 极大地简化了天线的分析设计过程 参考文献 参考文献 1 张钧 刘克成 微带天线理论与工程 北京 国防工业出版社 1998 2 美 John D kraus Ronald J Marhefka 著 张文勋 译