基于HFSS的天线设计流程

天线设计流程：1. 确定设计目标2. 查阅资料，确定形状，给出结构图（变量形式）3. 仿真建模、求解4. 优化设计，确定变量值5. 版图，加工，测试设计目标：设计并实现一款超宽带天线，天线馈电方式采用50Ohm微带线进行馈电，天线在3.1-10.6GHz频段范围内满足S11Insert HFSS Design 二、 设置求解模式菜单HFSS-Solution Type-天线为Driven Modal三、 天线模型建立1、 设置模型尺寸长度单位菜单Modeler-Units-mm-OK 单位一般设置为毫米mm。2、 天线模型结构本例天线采用的模型如图1所示，其详细结构尺寸见表1.图1 超宽带平面天线结构图表1 初步设计的超宽带平面天线尺寸w=16mml=32mmh=0.8mmwd=1.5mml1=12mmh1=11mmw1=3mmh2=20mmh3=4mm微带线阻抗验证：1)、采用Agilent AppCAD计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）3、输入设计参量菜单Project-Project Variables或者HFSS-Design Properties点击Add，输入w=16mm变量，详见下图依次输入表1中全部变量，最终如下图4、建立模型（1） 创建介质板FR4（a） 在菜单栏中点击DrawBox，在模型窗口任意创建Box1（b） 双击模型窗口左侧的Box1，改名为Substrate，在点击Material后面的按钮，选择Edit，搜索FR4，选择FR4_epoxy点击确定。（c） 双击模型窗口左侧Substrate的子目录Createbox，修改介质板大小及厚度。介质板长l=32mm，宽w=16mm，厚h=0.8mm，如下图所示，点击确定。（2） 创建微带馈线（a） 在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1 （b） 双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为microstrip，点击确定。（c） 双击模型窗口左侧microstrip的子目录Createrectangle，修改微带传输线大小。微带线宽wd=1.5mm，长l1=12mm，微带线位于介质板顶层正中处。（3） 创建接地板（a） 在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意位置创建Rectangle1。（b） 双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为groundplane，点击确定。（c） 双击模型窗口左侧groundplane的子目录Createrectangle，修改接地板大小。接地板宽w=16mm，长h1=11mm，微带线位于介质板底层。（4） 创建阶梯形辐射贴片（a） 在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1。（b） 双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为patch，点击确定。（c） 双击模型窗口左侧patch的子目录Createrectangle，修改辐射贴片大小。贴片宽w=16mm，长h2=20mm，辐射贴片为与介质顶层与微带线相连。（d） 在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1和Rectangle2，分别改名为stair1和stair2.（e） 修改stair1及stair2的大小w1=3mm，h3=4mm，分别为与辐射贴片左、右下角。（f） 同时选中patch、stair1、stair2，并在菜单栏中点击ModelerBooleanSubstract，从patch中剪切掉stair1 和stair2，点击OK。（5） 创建空气盒设置Air空气盒（空气盒上下左右离天线大于四分之一波长，以3GHz为例，25mm为四分之一波长）（a） 在菜单栏中点击DrawBox，在模型窗口任意创建Box1。（b） 双击模型窗口左侧的Box1，改名为air，Transparent值设为0.8，点击确定。（c） 双击模型窗口左侧air的子目录Createbox，修改空气盒大小。空气盒尺寸大小设置如下图。天线在空气盒正中，点击确定。5、 设置边界条件（1） 设置理想金属边界条件选中grandplane，在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfect E，点击OK，同理设置microstrip和patch为Perfect E。 （2） 设置辐射边界条件选中air，在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignRadiation，点击OK。 6、 设置激励方式（a） 创建XOZ面上的平面，在菜单栏中点击ModelerGrid PlaneXZ，再点击菜单栏中DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1。（b） 双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为port，点击确定。（c） 双击模型窗口左侧port的子目录Createrectangle，修改馈电口大小。馈电口宽wd=1.5mm，长h=0.8mm，馈电口连接微带线和接地板。 （d） 选中port，在菜单栏中点击HFSSExcitationAssignLumped Port，点击下一步，点击Integration Line中的None，选择New Line，建立积分线，从port的下边线指向上边线，点击下一步，完成。 （e） 选中回XOY面，ModelerGrid PlaneXY四、 设置网格（可不设置，默认为自适应网格）五、 加入天线远场辐射场HFSS-Radiation-Insert far field setup-Infinite Sphere1设置角度如下图所示：同理，然后依次创建XOZ_Plane，YOZ_Plane，XOY_Plane平面辐射场，如下图： 最终如下图：六、 设置求解频率、扫频等菜单-HFSS-Analysis setup-Add solution setup（此频率点为Gain，eff（效率），方向图等参数），求解频率设为3GHz，点击确定。菜单-HFSS-Analysis setup-Add frequency setup（此频率为扫参，如S11、VSWR等参数），选择sweep type 为fast，扫频从2GHz到12GHz，点击OK。 七、 检验参数菜单HFSS-validation check八、 保存保存（注意：工程保存的目录不能含有中文）九、 求解HFSS-Analyze all十、 数据后处理（看仿真结果）1. S参数和驻波系数S11 (return loss):HFSS-Results-Create Modal Solution-Rectangular plot（可视）/Data table(可导出)-选择solution中的“setup1：sweep”选项，Domain中的“Sweep”选项。-选择S parameter -S11-dB 点击new trace。2. Gain/Directivity/efficiency （均涉及最大方向的问题，需要每个solution单个频点计算，最后拼接在一起）HFSS-Radiation-Compute Antenna/Max params-然后如下图操作3. 辐射场（1）3D辐射方向图HFSS-Results-Create Far Fields Report-3D polar plot做如下配置，然后点击new report,得到3D辐射方向图（2）Radiation PatternHFSS-Results-Create Far Fields Report-Radiation Pattern在弹出的对话框中，作如下配置，然后点击new report,得到YOZ面的E面方向图。 同理可以得到XOZ平面的辐射方向图，XOZ面为全向辐射。4. 总结：由1中S参数结果表明，此天线距离S11 -10dB的业界标准仍有一些差距，需要进一步优化设计。十一、 参数优化如变量中某一尺寸等扫参：（以w1为例）（a） 在菜单栏中点击HFSS-Optimetrics Analysis-Add parametric/optimization，点击Add，选择变量w1,从3mm扫参到5mm，步进为0.5mm，点击Add，OK，确定。（b） HFSS-Analyze all。（c） 点击工程管理窗口中的Results-dB（S（1，1），选择Families，查看扫参结果。 （d） 选择最优w1=4mm，继续参扫其他参数，获取最优结果。表2 优化后的最终定型尺寸w=17mml=30mmh=0.8mmwd=1.5mml1=12mmh1=11mmw1=4.2mmh2=18mmh3=4mm一些有用的参数与指标：1）电流分布首选选中同时groundplane，microstrip和patch，然后选择菜单栏中HFSS-Fields-plot fields-J-Mag_Jsurf选择Jsurf scale，更改坐标范围(1100A/m, log) 2）电场分布首选选中同时groundplane，microstrip和patch，然后选择菜单栏中HFSS-Fields-plot fields-E-Vertor_E3）三维方向图3D plot 【前边已经演示过】4）电流/电场动画菜单栏 View-Animate- Mag_Jsurf1/Vector_E1-OK-OK十二、 CAD制图（a） 在菜单栏中点击ModelerExport，保存为dxf文件，此次导出的是底层。（b） 导出上层，首先把上层的结构移动到底层，同时选中groundplane，microstrip和patch，做如下