CH4-天线的设计仿真与优化(1)...ppt

电磁工程设计与仿真,第四章天线设计、仿真与优化（一）,主要内容,4.3同轴馈电微带天线的仿真与优化,4.4微带馈电微带天线的仿真与优化,4.1天线理论基础,4.2微带天线分析与设计,4.5微带天线阵设计与仿真,4.6微带相控阵设计与仿真,4.1天线理论基础,封闭结构：不能有效向外部空间辐射,开放结构：有效向外部空间辐射,天线:能有效地发射或接收电磁波的装置。,一、天线辐射原理,发射机,时变信号,导体,时变电流激励出时变磁场，时变磁场激励出时变电场，以电磁波形式传播。,一、天线辐射原理,电场：在J平面面内，E面磁场：垂直于J平面，H面,振子天线,振子辐射过程,天线有方向性：不同方向辐射功率大小不同，用方向图描述。,一、天线辐射原理,二、天线参数,1.辐射参数：方向图描述天线辐射场幅度在空间的分布情况：,(1)3D方向图：（球坐标系）,3D极坐标图,3D直角坐标图,1.辐射参数：方向图,(2)2D方向图：主平面（E面、H面）,1.辐射参数：波瓣参数,(1)波瓣,主瓣：最强方向背瓣：主瓣相对副瓣：其他波瓣,(2)半功率宽度：,场强为最大值,功率密度为最大值1/2,3dB宽度,(3)副瓣电平（SLL）,1.辐射参数：方向性系数D与增益G,(1)定义：,(2)含义：以平均辐射功率为标准来衡量辐射能量在天线主瓣方向上的集中程度。,(3)定义：,(4)关系：,天线效率：,不同天线要求增益不同：高增益高效率：雷达低增益全向性：通信,2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比,(1)辐射阻抗：,辐射功率,(2)输入阻抗：,(4)驻波比：,天线要求：输入阻抗匹配，驻波比小，一般VSWR1.5。,(3)反射系数：,2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比,应用：HFSSS11计算辐射阻抗。,(3)谐振特性：当Xr=0时，天线谐振。谐振时，实数，且最大。,(1)去嵌入(De-embedding)：,(2)计算辐射阻抗：,4.2微带天线分析与设计,一、微带天线结构,微带基板(Substrate)：r,tan,h接地面(GND)：有限接地面，通常按无限接地面处理贴片(Patch)：L，W，t,辐射电磁波馈线(Feed)：Wp,加入激励信号,优点：低剖面；重量轻；易加工；易集成。缺点：损耗大，效率低。,一、微带天线结构,1.贴片形状,一、微带天线结构,2.馈电方式,微带线边馈,插入微带边馈,同轴底馈,缝隙耦合馈电,电磁耦合馈电,二、微带天线的分析,1.理想微带谐振腔,边缘：理想磁壁；长度：L=g/2;,电压：两端强，中间零；电流：两端零，中坚强。,二、微带天线的分析,2.边缘效应：辐射电导Gr,等效辐射：同相双缝,单缝辐射阻抗Zr=Rr+jXr：,二、微带天线的分析,3.谐振长度L：,谐振长度L：,二、微带天线的分析,4.边馈输入阻抗Zin：（谐振时）,由于两个缝隙间等效长度，具有阻抗搬移功能。,输入阻抗：,二、微带天线的分析,底馈输入阻抗Zin：,此结果对于插入式微带馈电也适用。,三、微带天线设计,1.设计要求,天线形式：同轴馈电微带天线工作频率：f=2.45GHz输入阻抗：50驻波比:VSWR1.5,三、微带天线设计,2.基板选择,选择Rogers5880微波基板材料，,er=2.2,tan=0.0009,基板厚度h对天线性能有较大影响：,取：h=3.2mm,h大时，有助于提高带宽：,h太大，容易出现高次模：,三、微带天线设计,3.贴片宽度W确定,太宽产生高次模，从而引起畸变：,W大些对频带、效率及阻抗匹配都有利。,W，Rr,便于与微带匹配,取：,三、微带天线设计,4.贴片长度L确定,三、微带天线设计,5.同轴及馈电位置确定,同轴线特性阻抗：,空气填充：,取：,则：,馈电位置：,三、微带天线设计,6.初步设计结果,基本与后面仿真实例一致。可见初步设计很重要！,它可知道变化规律：比如：frL关系RrW关系Zin-x0关系h影响W影响,4.3同轴馈电微带天线仿真与优化,AProbeFedPatchAntenna:,Sub1:Ls=10cm,Ws=9cm，h=0.32cmCoax:Outerradius=0.16cm,Innerradius=0.07cm,airfilled,1.AddingaProjectandDesign,AddingaProject:MicrostripAntenna.hfss,InsertHFSSDesign:ProbePatch,SettingToolOptions:,ToolsOptionsHFSSOptions:Generaltab,Check“UseWizardsfordatainputwhencreatingnewboundaries.”Check“Duplicateboundaries/meshoperationswithgeometry.”,ToolsOptionsModelerOptions:,OperationtabCheck“Automaticallycoverclosedpolyline.”,DrawingtabCheck“Editpropertyofnewprimitives.”,SetSolutionType:,HFSSSolutionType:DrivenTerminal,SetModelUnits:,ModelerUnits:cm,2.CreateSubstrate,SetDefaultMaterial:,ModelerMaterialstoolbar,chooseSelect.,Select:RogersRT/duroid5880(tm).,2.CreateSubstrate,DrawBox,Properties:,Name:Sub1,Boxposition:X=-5.0,Y=-4.5,Z=0.0,dX:10.0,dY:9.0,dZ:0.32,ViewFitAllActiveView,2.CreateSubstrate,CreateInfiniteGround:,DrawRectangle,Properties:,Name:Inf_GND,PositionX:-5.0,Y:-4.5,Z:0.0,dX:10.0,dY:9.0,dZ:0.0,Fittheview:,2.CreateSubstrate,AssignaPerfectEboundarytotheInfiniteGround:,Selectthetrace:,EditSelectByName,SelectInf_GND,AssignthePerfectEboundary:,HFSSBoundariesAssignPerfectE,Specifyname:PerfE_Inf_GND,Check“InfiniteGroundPlane.”,2.CreateSubstrate,CreateInfiniteGroundCutOut:,DrawCircle,CenterpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0,Radius:dX:0.16,dY:0.0,dZ:0.0,Name:Cut_Out,CompletetheInfiniteGround:,SelecttheobjectsInf_GNDandCut_Out:,ModelerBooleanSubtract:,2.CreateSubstrate,CreatePatch:,DrawRectangle,PositionX:-2.0,Y:-1.5,Z:0.32,dX:4.0,dY:3.0,dZ:0.0,Name:Patch,AssignaPerfectEboundary:,EditSelectByName:Patch,HFSSBoundariesAssignPerfectE:PerfE_Patch,3.CreateCoax,Setthedefaultmaterial:vacuum,DrawCylinder,CylinderpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0,RadiusdX:0.16,dY:0.0,dZ:0.0,HeightdX:0.0,dY:0.0,dZ:-0.5,Name:Coax,Createthecoaxouter:,3.CreateCoax,CreatetheCoaxPin:,setthedefaultmaterial:pec,DrawCylinder:,CylinderpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0,RadiusdX:0.07,dY:0.0,dZ:0.0,HeightdX:0.0,dY:0.0,dZ:-0.5,Name:Coax_Pin,3.CreateCoax,CreatetheWaveport:,DrawCircle,CenterpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:-0.5,RadiusdX:0.16,dY:0.0,dZ:0.0,Name:Port1,EditSelectByName:Port1,Assignwaveportexcitation:HFSSExcitationsAssignWavePort,Theterminaliscreated,3.CreateCoax,CreatetheProbe:,DrawCylinder,CylinderpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0,RadiusdX:0.07,dY:0.0,dZ:0.0,HeightdX:0.0,dY:0.0,dZ:0.32,Name:Probe,4.CreateRadiationBoundary,SetDefaultMaterial:vacuum,CreateAir:,DrawBox,BoxpositionX:-5.0,Y:-4.5,Z:0.0,dX:10.0,dY:9.0,dZ:3.32,Name:Air,EditSelectFaces:exceptthebottom,HFSSBoundariesAssignRadiation:Rad1,5.CreateaRadiationSetup,HFSSRadiationInsertFarFieldSetupInfinite,FarFieldRadiationSphereSetupdialog:,Name:ff_2d,Phi:Start:0,Stop:90,Step:90,Theta:Start:-180,Stop:180,Step:2,Name:ff_3d,6.AnalysisSetup,CreatinganAnalysisSetup,HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup,6.AnalysisSetup,AddingaFrequencySweep,HFSSAnalysisSetupAddSweep,ModelValidation:HFSSValidationCheck,Startthesolutionprocess:HFSSAnalyzeAll,7.CreateReports,ViewthePortfield:,7.CreateReports,CreatethePortZ0:,HFSSResultsCreateTerminalSolutionDataReportRect.Plot,7.CreateReports,ViewtheCurrentonthePatch:,FieldOverlayers-PlotFields-J-Mag_Jsurf,7.CreateReports,CreateTerminalS-ParameterPlot-Magnitude,HFSSResultsCreateTerminalSolutionDataReport.,7.CreateReports,CreateTerminalSS-ParameterPlot-Magnitude,MarkerAddMinimum.,问题：为什么频率偏低？,7.CreateReports,CreateFarField:,HFSSResultsCreateFarFieldsReport3DPolarPlot,7.CreateReports,CreateFarField:,7.CreateReports,CreateFarField:,HFSSResultsCreateFarFieldsReportRadiationPattern.,GainTotal,Main/CrossPolarization,7.CreateReports,问题：如果是有限地，方向图有何变化？请仿真对比。,Sub1:Ls=8cm,Ws=6cm，有限地Air：Z=-0.5cm,6面全辐射边界,后瓣:有后瓣增益：降低,8.Optimization,问题：设计频率是2.45GHz，该如何优化，使得在2.45G谐振，并且输入匹配？,8.Optimization,AddlocalVariables:length,offset,HFSS-designproperties.,8.Optim