HFSS的天线课程设计

1、实验目的利用电磁软件AnSOft HFSS设计一款微带天线。微带天线要求：工作频率为，带宽（回波损耗SIlv-IOdB）大于5%在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。实验原理1、微带天线简介微带天线的概念首先是由 DeSChamPs于1953年提出来的，经过20年左右的 发展，Munson和HOWell于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带 天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线 通信中。图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分图1:微带天线的结构组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射源的 宽度W介

2、质层的厚度h、介质 的相对介电常数 r和损耗正切tan 、介质层的长度LG和宽度WG图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的， 本次将要设计的矩形微 带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介 质层与辐射源相连接。对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能， 矩形贴片微带天线的工作主模式是 TM10模,意味着电场在长度L方向上有g /2的改变，而在宽度 W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上可以看 做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量， 在宽度W方向的边缘处由于终端开 路，所以电压值最大电流值最小。从图2 （b）可以看出，微带线

3、边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐 射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。(a)俯视图(b)侧视图图2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为Le ,则有式中,g表示波导波长，有Leg/2(1-1)(1-2)式中,O表示自由空间波长,e表示有效介电常数，且1亠J(1 12印2W(1-3)式中,r表示介质的相对介电常数，h表示介质层厚度,W表示微带贴片的宽度。由此,可计算出矩形贴片的实际长度L,有LLe2 L o 2 L

4、2Xe2 fO Y e2 L ( 1-4)式中，C表示真空中的光速，f0表示天线的工作频率,L表示图2( a)中所示的等效辐射缝隙的长度，且有L 0412h(e 03)(Wh 0264)(e 0.258)(Wh0.8)(1-5)矩形贴片的宽度W可以由下式计算:1C12W -Cr'(1-6 )2f°2对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需 要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗，在微波应用中通 常是使用50的标准阻抗，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于 50 。对于图3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，

5、以(f, y f)表示馈点的位置坐标。图3同轴线馈电的微带天线对于TM10模式，在 W方向上电场强度不变，因此理论上 W方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发 TMIn莫式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即(1-7)在L方向上电场有g/2的改变，因此在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算:Xf2 re(L)(1-8)式中,re(L)1 h 一(I 12Z) 2(1-9)上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出 6h的距离时。计算结果就可以达到足够的准确，因此

6、设计中参考地的长度LGND和宽度WGND只需满足以下两式即可，即LGNDL 6h（1-10）WgndW 6h（1-11）三、实验步骤1、设计指标和天线几何结构参数计算本实验的矩形微带天线的中心频率为，选用的介质板材为ROgerS R04003,其相对介电常数r 3.55，厚度h=5mm天线使用同轴线馈电。根据上面的推导公式来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L和宽度W同轴线馈点的位置坐标（xf, yf），以及参考地的长度LGND和宽度WGND。（1）、矩形贴片的宽度W把C 3.0 108ms, f025GHz, r 3.55代入式（1-6），可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即W 0.03

7、978m39.78mm、有效介电常数e把h 5mm,W 39.78mm, r 3.55代入式（1-3）,可以计算出有效介电常数，即e 3.08（3）、辐射缝隙的长度L把h 5mm,W 39.78mm, e 3.08代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即L 2.32mm（4）、矩形贴片的长度L把 C 3.0 108ms, f02.5GHz, e3.08, L 2.32mm代入式（1-4），可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即L 29.55mm、参考地的长度LGND和宽度WGND把 h 5mm,W 39.78mm, L 29.55mm 分别代入式（1-10）和（1-11 ）,可以计

8、算出微带天线参考地的长度和宽度，即LGND 59.55mmWGND 69.78mm（6） 、同轴线馈点的位置坐标（ xf ,yf ）把 r 3.55, h 5mm,W 39.78mm, L 29.55mm分别代入式（1-7）、式（1-8 ） 和式（ 1-9） ，可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（ xf,yf ），即x f 8.52mmy f 0mm2、HFSS计和建模概述（1） 、建模概述本设计天线是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML边界表面， 这里使用辐射边界条件， 为了保证计算得准确性，

9、辐射边界表面距离 辐射源通常需要大于 1/4 个波长。因为使用了辐射边界表面， 所以同轴线馈线的 信号输入 / 输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义集总端口激励。参考地和微带贴片使用理想导体来代替，在HFSS中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式模拟理想薄导体。参考地放置于坐标系中 z 0 的 xOy 平面上， 由之 前计算 出的参考 地长 度 LGND 59.55mm ， 宽度 WGND 69.78mm ,这里参考地长度和宽度都取90mm。介质层位于参考地的正 上方，其高度为5mm长度和宽度都取80mm。微带贴片放置于Z 5的XOy平面 上，根据之前计算出的其长度和

10、宽度的初始值分别为长度L 29.55mm ,宽度W 39.78mm，设置其长度沿着X轴方向，宽度沿着y轴方向.使用半径为0.5mm 的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体与Z轴平行放置，圆柱体的底面圆心坐标为(8.52mm,0,0)。设置圆柱体材质为理想导体(pec),圆柱体顶部与微带贴片相接，底部与参考地相接， 在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径 1.5mm 的圆孔， 作为信号输入输出端口， 该端口的激励方式设置为集总端口激励， 使用 HFSS分析设计天线一类的辐射问题，在模型建好之后，用户还必须设置辐射边 界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于 1/4 个波长，时自由空间中 1/4

11、个波长约为30mm,所以在这里设置辐射边界表面距离微带天线 30mm，整个微带 天线模型(包括参考地、介质层和微带贴片) 的长 宽 高为 90mm 90mm 5mm， 所以辐射边界表面的长 宽 高可以设置为 160mm 160mm 60mm。为了方便后续参数扫描分析和优化设计，在建模时分别定义设计变量Length、Width和Xf来表示微带贴片的长度、宽度和同轴线的馈点位置。(2) 、HFSS设计环境概述求解类型：模式驱动求解建模操作：模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面模型操作：相减操作边界条件和激励 边界条件：理想导体边界、辐射边界 端口激励：集总端口激励求解设置 求解频率：扫频设置：快

12、速扫描，扫频范围为 Optimetric s 参数扫面分析 优化设计数据后处理：S参数扫频曲线，天线方向图，Smith圆图等。3、创建微带天线模型、设置求解类型为 DriVen Model和默认的长度单位为 mm (2)、创建参考地在Z 0的Xoy平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并为其分配理 想导体边界条件。(3) 、创建介质板层创建一个长 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(即Z 0的XOy平面上)，其顶点坐标为(40mm, 40mm,0),介质板的材料为RogerS R

13、O4OO3介质板层命名为SubStrate。、创建微带贴片在Z 5的XOy平面上创建一个顶 点坐标为(14.775mm, 19.890mm,0),大小为29.55mm 39.78mm的矩形图作为微 带贴片，命名为PatCh ,并为其分配理想导体边界条件(5) 、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，材 料为理想导体，同轴馈线命名为FeedIine。(6) 、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上开一个圆孔允许传输能量。圆孔的半径为1.5mm ,圆心坐标为(8.5

14、2mm,0,0)，并将其命名为Port。在执行MOdeler Boolean SUbStrate 命令时，打开如下图所示的SUbtraCt对话框，确认对话框的 Bla nk PartS栏显示的是GND Tools PartS 栏显示的是 Port，表明使用参考地模型GND减去圆面Port ,并且为了保留圆面 Port本身，需要选中对话框的 Clone tool ObjeCtS before SUbtraCt ing复选框。(7) 、创建辐射边界条件创建一个长方体，其顶点坐标为(80mm, 80mm, 30mm)，长方体的长 宽高为160mm 160mm 60mm。长方体模拟自由空间，因此材质是

15、真空，长方 体命名为Air。创建好这样的一个长方 体之后，设置其四周表面为辐射边界条 件。4、设置激励端口设置同轴线信号端口面(即圆面Port )的激励方式为集总端口激励。起点坐标为(9.02mm,0,0)，dX,dY,dZ 分别为 1、 0、 0。5、求解设置天线的中心频率为，因此设置 HFSS的求解频率(即自适应网络部分频率) 为，同时添加的扫频设置，分析天线在频段内的回波损耗或者电压驻波比。如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示频率没有落在上， 还需要添加 参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置， 以 达到良好的天线性能。6、设计检查和运行仿真分析通过前

16、面的操作，已经完成了模型创建和求解设置等 HFSS设计的前期工作， 接下来就可以运行仿真 计算，并查看分析结果 了。在运行仿真计算之 前，通常需要进行设计 检查，检查设计的完整 性和正确性。通过HFSValidatiOn CheCk 命令，进行设计检查，弹出的“检 查结果显示”对话框中的每一项都显示图标够，表示当前的HFSSS计正确、完 整。下面就可以运行相关的仿真计算了。7、查看天线谐振点查看天线信号端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果，给出天线的谐振点。 生成如图所示的S11在频段内的扫频曲线报告。从图中可以看出，当S11最小 时，频率是。PjrtIXrP bd4 04 -EDO -1O

17、*UDa-IlW-1¼M2Fgl4=kJLfcmlii7-2 M JKWn1IW四、优化设计及结果由上图所示的S11扫频曲线报告可知，根据计算的尺寸设计出的微带天线谐振频率点在，与期望的中心频率相比，存在一定的误差，所以需要进行优化设计, 使天线的谐振频率落在上。根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率由微带天线的长度和宽度决定，贴片尺寸越小谐振频率越高。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微带贴片长度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 ,使天线的谐振频率落在上，带宽同时也满足设计要求的

18、 5%以上。1、参数扫描分析(1)、变量Length的扫描分析在工程树下的 OPtimCtriCS节点下，添加扫描方式是Lin erStep 的变量Length ,扫描范围是28mnrr 31mm间隔是。运行参数扫描分析，可以生成如下 图所示的一组S11曲线报告图，每一条曲线对应不同的Length变量值。2,t7XVPt2 SP -Pm*1 >m* j-idfi>2mrLllH 妇釘 M I w? Lr11rMra, dSSPI=PiLAT-Jtr-I-H KTf J¾Hi*n CriMSiI 隘 F LT!-1W-jdOPfl"l 百Hd *M1GtrWldP

19、1fhn i- R LtfjtTR-2'lW 电.1HPTpIE Ms i !.旳IWM卸專从上图的S11曲线报告可以看出，当微带贴片的宽度固定时，微带天线的谐 振频率随着微带贴片长度 Length的减小而变大。当Length=时，谐振频率点约 为。(2) 、变量Width的扫描分析在工程树下的 OPtimCtriCS 节点下，添加扫描方式是Lin erStep 的变量Width ,扫描范围是39mmr 42mm间隔是。运行参数扫描分析，可以生成如下图 所示的一组S11曲线报告图，每一条曲线对应不同的Width变量值。XY PlCI 3P*cD IHI 书闻一TClMi -15 W -

20、2D DG-从上图所示的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率点的影响很小。2、优化设计通过上面的参数扫描分析，可以知道微带贴片长度Length的变化对矩形微带天线谐振频率的影响显著，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带天线谐振 频率点的影响很小。当Length=，Width=时，谐振频率约为。因此进行优化设计 时，只需要优化变量Length，并可以设置Length的优化范围为28mmr 29mm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RmIt IIView:

21、 (* Tle'FlOtIteretionLengthCCSt132e.6326377O275mm19.939¼2®. 6614433122283 mm'19.964IE29. ee279Eia?91 SCmrn19.964Ie20.631575S6332?Gnnm20.019172a6923372M1155rm1S.SS91628.8320186308851 mm-19.887IS20. GS195S411254 m-19.9532020.7O956J8952m-19.989z2®. 693523270123Crnm19.969从显示的优化结果中

22、可以看出，当目标函数值最小的时候，其对应的优化变 量。3、查看优化后的天线性能由上面的参数扫描分析可知，当Length= , Width=时，天线的谐振频率点在 以下将变量设置为上述优化值，查看天线的各种性能。(1)、查看S11参数在S11扫描曲线报告里标注出最小值点，当Length=,Width=时，天线的谐振频率点在，此时。I-=0t A?.Ml I兄 Qf -1751 I也1?£ 3hp sis 3 - 1 jt0XY Ptol 4FWh 土34 H 耳jfilP Pll)!卫gy. 20rm VIjRl j Flmfi1-1 一 -JiWNInATHTl3KZl EWZ? 4

23、HI-IIn MtillIng2刊Length=28.69mm,Width=时 S11 的扫描曲线(2)、查看S11参数的Smith圆图结果在报告图中标记处的位置，标记处显示在时，天线的归一化输入阻抗为()S11的Smith圆图结果(3) 、查看天线的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最大辐射方向是微带贴片的法向 方向，即Z轴方向，最大增益约为43S5&+0004. S520+003 2.20eSe+09 -4.3H5e-001 -9.07eMe+000 -5.7215+009 -S.3654e+O09 T. lCS5e+00L -lr 3652c+00L -1.629

24、6e+00L -1.8939e+l -215S3e+01 -2.4226e+00L -2.Se70+01 -乙 3513e+3UL -3,2157e+00L -3.46006+901三维增益方向图(4) 、查看平面方向图查看天线E平面的方向图，该微带天线的E平面位于XOZ平面上。生成的曲MImtThflIaW 一Mg |<n1WJ) CCCO-DCoM74：线报告为：E平面增益方向图、查看电压驻波比电压驻波比报告图在VSW的报告图的和位置做标记，可见在频段，VSWRV五、实验分析通过之前的计算和仿真，可以发现由原理公式推导出来的Len gth和Width的参数并不能达到实验设计要求。 但

25、通过参数优化设计和参数扫描处理后，得到的参数使得设计的天线达到了实验设计要求： 工作频为，带宽（回波损耗SIlv-IOdB） 为%（143MHZ,大于 5%（ 125GHZO六、实验心得体会说实话，在此次设计实验之前，我对 HFS这个软件的认知几乎是一片空白， 而对天线的设计也只是停留在简单的想法上，并不确切知道与天线相关的参数有 哪些，各个参数又是怎样影响天线性能的， 而要想设计一个天线又要经过一个怎 样的过程。不过，经过此次天线设计实验后，首先我对HFS这个软件的功能和操作有了 较好的掌握，知道了怎样利用该软件完成天线的设计和优化工作。而在设计和仿 真过程当中，也对天线的各个参数有了更加详

26、尽的了解，对其是如何影响天线的性能有了深刻和直观的认识。在设计之初，我首先根据一个教程设计一款天线（见 附图1）,但是经过优化后，工作频率是达到了要求，可带宽却只有设计要求的一 半左右（结果见附图2,带宽为60MHZ,虽然也想了其他方法来优化，但在带宽 变宽的过程中工作频率也发生了较大的变化，最后实在没办法了 （这是一个较大的遗憾），就重新根据另外一个教程做了上面的这个天线，该天线满足了所有的 设计要求。失败的原因， 我感觉首先还是对这个软件的使用不是很熟悉， 另外对 天线性能的优化没有一个明确的思路，对设计出来的天线结构细节也不是很清 楚，所以不能在带宽和频率之间的调节中找到平衡点， 即可以让双方都满足要求 的天线尺寸。但是在此次的设计实验当中， 我也得到了一些经验和认