微带天线仿真设计

1、设计一、微带天线仿真设计三角形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基 础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个三角形贴片天线，其工 作频率为2.45GHz,分析其远区辐射场特性以及S曲线。一.设计目的与要求1 .理解和掌握微带天线的设计原理2 .选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置3 .创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线 HFSS模型4 .保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成 S参数曲线和方向图5 .观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响二.实验原理如下图所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原

2、理。设辐射元的长为L,宽为，介质基片的厚度为 ho现将辐射元、介质基片 和接地板视为一段长为 L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据 微带传输线的理论，由于基片厚度h<<入，场沿h方向均匀分布。在最简单的情 况下，场沿宽度方向也没有变化，而仅在长度方向（ L=入/2）有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量， 两垂 直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量 电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。 因此，两开 路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙， 缝的电场方向与 长边垂直，并

3、沿长边均匀分布。缝的宽度4 L-h,长度为，两缝间距为 L -X/2o这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。Micro stiip patchFig 1： Miciostiip Aiueima Geometiy矩形贴片天线示意图三.贴片天线仿真步骤1、建立新的工程运行HFSS,点击菜单栏中的 Project>Insert HFSS Dessign建立一个新的工 程。2、设置求解类型(1)在菜单栏中点击 HFSS>Solution Type(2)在弹出的Solution Type窗口中(a)选择 Driven Modal。(b)点击OK按钮。6 .设置模型单位

4、将创建模型中的单位设置为毫米。(1)在菜单栏中点击 3D Modeler>Units。(2)设置模型单位：(a)在设置单位窗口中选择：mm。(b)点击OK按钮。4、创建微带天线模型(1)创建地板 GroundPlane坐标：X: -45, Y: -45, Z: 0接回车键。在 坐标输入栏中输入长、宽：dX: 90, dY: 90, dZ: 0。(2)为GroundPlane设置理想金属边界。在 3D模型窗口中将3D模型以合 适的大小显示(可以用Ctrl+D来操作)。(3)建立介质基片。在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮匕,创建长方体模型。起始点位置坐标：X:-22

5、.5, Y: -22.5, Z: 0。输入各坐标时，可用Tab键来切换。输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX: 45, dY : 45, dZ: 5。将材料设置为 Rogers R04003(4)建立贴片Patchb起始点白坐标：X: -16, Y: -16, Z: 5接回车键。 在坐标输入栏中输入长、宽：dX: 32, dY: 32, dZ: 0。(5)为Patch设置理想金属边界。(6)创建切角。输入点的坐标：X: 0, Y: 0, Z: 5; X: 5, Y: 0, Z: 5; X: 0, Y: 5, Z: 5; X: 0, Y: 0, Z: 5。在对话窗口中选择 Cut。在菜单栏中

6、 点击Edit>Arrange>Move。在坐标输入栏中输入点的坐标：X： 0, Y： 0, Z： 0；dX: -16, dY: -16, dZ: 0。两个切角呈中心对称，可以通过旋转复制创建另一 个切角。在菜单栏中点击 Edit>Duplicate>Around Axis。将轴设置为Z轴，旋转 角度为 180 deg, Total 为 2。(7)用Patch将切角减去。(8)创建探针Pin。在菜单栏中点击Draw>Cylinder。在坐标输入栏中输入 圆柱中心点的坐标：X: 0, Y: 8, Z: 0;输入圆柱半径：dX: 0, dY: 0.5, dZ: 0;输

7、入圆柱的高度：dX: 0, dY: 0, dZ: 5。将材料设置为pec。(9)创建端口面Port。在菜单键中点击Draw>Circle。在坐标输入栏中输入 圆心点的坐标：X: 0, Y: 8, Z: 0接回车键。在坐标输入栏输入半径：dX: 0, dY: 1.5, dZ: 0(10)用 GroundPlane 将 Port减去。6 .创建辐射边界创建Air,在菜单栏中点击Draw>Box,创建长方体模型。在右下角的坐标输 入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X: -80, Y: -80, Z: -35;按回车键结束 输入。输入长方体的尺寸：dX : 160, dY: 160, dZ

8、: 70接回车键。在特性(Property) 窗口中选择 Attribute标签，将长方体的名字修改为Air。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中选择 Air,点击OK确认。在菜单栏中点击 HFSS>Boundaries>Radiation在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为 Rad1,点 击OK按钮。7 .设置端口激励在菜单栏 中点击 Edit>Select>By Name ,选中 Port,在菜单栏 中点击 HFSS>Excitation>Assign>Lumped Porto 在 LumpedPort窗口的

9、General标签中， 将该端口命名为p1,点击Next。在Modes标签中的Integration line zhong点击 None,选择 New Line ,在坐标栏中输入：X: 0, Y: 9.5, Z: 0; dX: 0, dY: -1, dZ: 0o接回车键，点击Next按钮直至结束。8 .求解设置为该问题设置求解频率及扫频范围(a)设置求解频率。在菜单栏中点击 HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setups 在求解设置窗口中做以下设置： Solution Frequency : 2.45GHz； Maximun Number of Pa

10、sses 15; Maximun Delta S per Pass : 0.02。(b)设置扫频。在菜单栏中点击 HFSS>Analysis Setup>Add Sweep。选择 Setup1,点击OK确认。在扫频窗口中做以下设置：Sweep Type Fast; Frequency Setup Type Linear Count; Start :2.0GHz； Stop： 3.0GHz； Count: 400；将 Save Field 复选框选中。9 .设置无限大球面在菜单栏中点击 HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>In

11、finite Sphere在 Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi: Start: 0 deg, Stop： 180deg, Step： 90 deg; Theta： Start: 0 deg, Stop： 360 deg, Step： 10 deg。10 .确认设计方法一：由主菜单选HFSS/Validation Check对设计进行确认。方法二：在菜单栏直接点嫄即可。11保存工程在菜单栏中点击File>Save As,在弹出的窗口中将工程命名为 hfss_Patch并选 择保存路径。12 .求解该工程在菜单栏点击HFSS>Analyze。13 .后处理操作（1

12、） S参数（反射系数）。绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是 与1。点 击菜单栏 HFSS>Result>Create Report 选择：Report Type： Modal S Parameters ； Display Type： Rectangle Trace窗口： Solution： Setup1:Sweep Domain： Sweep 点击 Y 标签，选择：Category: S parameter; Quantity: S （p1, p1）; Function： dB,然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成操作，绘制出反射系数曲线。

13、（2） 2D辐射远场方向图。在菜单栏点击 HFSS>Result >Create Report 选择：Report Type： Far Fields； Display Type： Radiation Pattern。Trace 窗口： Solution： Setup1: LastAdptive； Geometry: ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量 Phi,在 下拉菜单中选择 The。点击 Mag 标签，选择：Category : Gain；Quantity: GainTotal; Function： dB,点击Add Trace按钮。最后点击 Do

14、ne,绘制出方向图。14 .保存并退出HFSS四.自主设计技术指标：三角形贴片天线，即贴片（Patch）为三角形，其它所有条件都不变，即设 计中创建天线模型设计中，第（1）、（2）、（3）、（8）、（9）、（10）不变，（4）、（5）、（6） 做一下改变。建立贴片Patch,在介质基片上创建贴片天线。在菜单栏中点击Draw>Rectangle创建矩形模型。输入：X: -16, Y: -16, Z:5; dX: 32, dY: 32, dZ: 0o在特性（Property）窗口中选择 Attribute标签，将该名字修改为 Patch。 点击Corlor后面的Edit按钮，将颜色设置为黄色

15、，点击 OK确认。为Patch设置 理想金属边界。在菜单栏中点击 Edit>Select>By Name。在对话11中选择 Patch, 点击OK确认。在菜单栏中点击 HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。在理想边 界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_Patch=创建切角。创建供贴片天线相减的切角时，首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。 在菜单栏中点击 Draw>Line。输入点的坐标：X: 0, Y: 0, Z: 5; X: -16, Y: 0, Z: 5; X: 0, Y: 32, Z: 5; X

16、: 0, Y: 0, Z: 5。Edit>Select>By Name, 选择Cut。在菜单栏中点击 Edit>Arrange>Move。输入点的坐标：X： 0, Y： 0, Z: 0; dX: 16, dY: -16, dZ: 0。可以通过旋转复制创建另一个切角。在菜单 栏中点击Edit>Duplicate>Around Axis。将轴设置为 Y轴，旋转角度为180 deg= 将切角的名字改为 Cut_1o选择Cut_1。在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move。在 坐标输入栏中输入点的坐标： X: 0, Y: 0, Z: 0; dX=

17、0, dY=0, dZ=10o用 Patch将切角减去。在菜单栏中点击 Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用 Ctrl 键选择 Patch Cut 和 Cut_1。在菜单栏中点击 3D Modelean >Boolean>Subtract, Subtract窗口 ： Blank Parts： Patch; Tool Parts： Cut, Cut_1; Clone tool object before subtract复选框不选。这样三角形贴片就建成了。或者删掉矩形贴片，重新创建一个三角型贴片。最后定下的三角形尺寸为：X: -20, Y: -11.

18、2375, Z: 5; X: -20, Y: 11.2375, Z: 5; X: 0, Y: 22.5, Z: 5。馈电探针位置：X: 0, Y: 4, Z: 00 五.实验结果及其截图1.建模完成:2.模型细节:三角贴片3.确认设计，通过 Validation Check：4.原三角形贴片的S参数曲线:匕庾区9k Ani,HiftIT Finn I 触 TFb h0._l，；K，*ri*.d ?J_： ill* e司ii it,* mu中门 i*pwt?o 工，* 11Mlg 11141P仃以口 下自*人工出1鹏工事均口卜唱|_或。工皿/5 Ifss JJyiaa电鼻“*i E I*1

19、87;I1.TI <F Q|m kLk.nbh f9 2tlm-1& 二HE”sE aw "1孤Fl伙 MZH 等国虱i七n劭Jr 0 耻 FL/l I 0般M 2 T-nri :FiN* 北噌 ?j Id :i UftLis IlLack nh i.-vi . Ii£j hri ! aIm1Mrd。' 47Traji J-； T-OJI5.原矩形贴片的2D远场方向图:KF Jun W>DArracffl Evpulfln1*1制*3HmD-I时i IWnCM 1*K-Q 限为如|幽 TtirtH'l如单1 ILWqJMii

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