微波技术与天线实验三王超

1、微波技术与天线实验报告姓名王超学号实验日期实验名称微带贴片天线设计实验实验类型设计性实验目的1. 熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。 2. 掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。实验内容使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解设置，设置求解频率为2.45GHz，同时添加1.5-3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算。将谐振频率落在2.45GHz频点上。最后进行相关的数据后处理。实验原理微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在

2、2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。微带天线的基本参数：工作频率2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度5mm，矩形贴片宽度41.4mm，辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm，参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标（9.5，0）。要求设计的天线最大增益大于7dB。前后比大于5dB。实验步骤及结果1. 新建HFSS工程1.1运行HFSS并新建工程MSA.hfss1.2设置求解类型 图1.新建HFSS工程 图2. 设置求解类型2.创建微带天线模型 2.1设置默认的长度单位为mm 图3. 设置默认的长度单位为mm 2.2建模相关选项设置 图4.

3、 建模相关选项设置 2.3 创建参考地 在Z=0的XOY面上创建一个顶点位于（-45mm, -45mm），大小为90mm×90mm的矩形面作为参考地，命名为GND，并为其分配为理想导体边界条件。 2.4 创建介质板模型 创建一个长、宽、高为80mm×80mm×5mm的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上，其顶点坐标为（-40，-40, 0），介质板的材料为R04003，介质板层命名为Substrate 2.5 创建微带贴片 在Z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm,-20.7mm,5mm），大小为30.0mm×41.4mm的矩形面

4、作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。 2.6 创建同轴馈线的内芯 创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为（9.5mm,0,0）,材质为理想导体，同轴馈线命名为Feed。 2.7 创建信号传输端口面 同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量，因此需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输。圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为（9.5mm,0,0），并将其命名为port. 2.8 创辐射边界表面 创建一个长方体，其顶点坐标为（-80，-80，-35），长方体的长宽高为160mm×160mm×75mm,

5、长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air,创建好这样一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。、 图5 微带贴片天线模型3.设置激励端口 设置同轴信号端口面的激励方式为集总端口激励。4.添加和使用变量 添加设计变量Length,初始值为30.0mm,用以表示微带贴片天线的长度，添加设计变量Width，初始值为41.4mm, 用以表示微带贴片天线的宽度，添加设计变量Xf, 用以表示同轴馈线的圆心点的X轴坐标。 4.1 添加设计变量 4.2 在模型中使用变量 使用变量Length和Width表示微带贴片的长度和宽度，并设置微带贴片的起点坐标为（-Length/2,- Width/

6、2,5mm）,使用变量Xf代替同轴馈线Feed的底部圆心和集总端口Port的圆心在x方向的坐标。5.求解设置 本节设计的微带贴片天线的中心工作频率在2.45GHZ，因此设计HFSS的求解频率为2.45GHZ，同时添加1.53.5 GHZ的扫频设置，选择快速（fast）扫频类型，分析天线在1.53.5 GHZ频段的回波损耗或电压驻波比。 5.1求解设置 5.2 扫频设置6.设计检查和运行仿真设计 图6 设计检查7.查看天线谐振点查看天线端口回波损耗即S11的扫频分析结果，给出天线的谐振点。 图7 S11的扫频曲线由图可以看出，当频率为3.4GHZ时，S11最小，S11的最小值约为-17DB。8.

7、优化设计 由图7所示的扫频曲线报告可以看出，根据计算的尺寸设计出的微带天线谐振点在2.35GHZ，与期望的中心频率2.45GHZ相比，存在一定的误差，所以需要优化设计，使天线的谐振频率落在2.45GHZ上。 根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率由微带贴片天线的长度和宽度决定，贴片尺寸越小谐振频率越高，接下来我们首先使用参数扫描分析功能进行参数扫描分析，分析谐振频率点分别随着贴片长度Length和宽度Width的变化关系，然后进行优化设计，优化微带贴片长度Length和宽度Width，使天线谐振频率落在2.45。 8.1 参数扫描分析为了节省计算时间，在进行参数扫描分析之前，把扫频设置项Sw

8、eep1的频率范围设置为2.22.8GHZ。 8.1.1变量Length的扫描分析 图8 不同的Length对应的S11曲线 从图的曲线报告可以看出，当微带贴片天线的宽度固定时，微带天线的谐振频点随着微带贴片长度Length的减小而变大，当Length=29.5mm时，谐振频点约为2.45GHZ。 8.1.2变量Width扫描分析 图9不同的Width对应的S11曲线 从图所示的S11曲线报告中可以看出，当微带贴片长度Length固定时，微带贴片宽度Width的改变对矩形微带天线谐振频点的影响很小。 8.2 优化设计 通过上一节的参数扫描分析，我们知道微带贴片天线的长度Length的变化对矩形

9、微带贴片天线谐振频点的影响显著，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响很小，当Length=29.5mm时， Width=41.4mm时，谐振频率约为2.45GHZ。因此进行优化设计时，只需要优化变量Length，并可设置变量Length的优化范围为2930mm。优化算法选择SNLP，目标函数取S11的最小值，在HFSS中即取dB(S(P1,P1)的最小值9.查看优化后的天线性能 9.1 查看S11参数 图10 Length=29.5mm时， Width=41.4mm时S11的扫频曲线从S11扫频曲线的报告可以看出Length=29.5mm时， Width=41.4mm

10、时，天线谐振点在2.45GHZ，此时S1116.6dB。 9.3 查看S11参数的Smith圆图结果 图11 S11参数的史密斯圆图 在报告图中标记出2.45GHZ的位置，标记处显示在2.45GHZ时，天线的归一化输入阻抗为(0.91-j0.27) 。 9.4 查看电压驻波比 图12 电压驻波比报告图 在VSWR报告图2.4GHZ和2.5GHZ位置作标记可见在2.42.5GHZ频段，VSWR1.85。 9.4 查看天线的三维增益方向图 图13 三维增益方向图 从三维增益方向图中可以看出，该微带贴片天线最大辐射方向是微带贴片的法向方向，及Z轴方向，最大增益约为7.4dB。 9.5 查看平面方向图 图14 E平面增益方向图 9.6 其他天线参数 HFSS在天线问题的数据后处理中，可以给出工作频率上辐射强度、方向性、前后比等各种天线参数的计算结果。 图15 天线性能参数实验结果分析及总结 在前面的分析设计中，我们只优化了微带贴片天线的长度，使天线的谐振频