实验七 微带贴片天线的设计与仿真

1、实验七微带贴片天线的设计与仿真一、实验目的设计一个微带贴片天线2.查看并分析该微带贴片天线的二实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示：f niutruiLn设辐射元的长为L，宽为s介质基片的厚度为h。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hOptionsHFSS Options 中讲 D叩 licate Boundaries with geometry 复选框选中。将求解类型设置为激励求解类型：（1）在菜单栏中点击HFSSSolution

2、Type。在弹出的Solution Type窗口中选择 Driven Modal。点击OK按钮。设置模型单位在菜单栏中点击3D ModelerUnits。在设置单位窗口中选择：mm。创建微带天线模型创建 Ground Plane。创建矩形模型，起始点的坐标：X： -45, Y： -45, Z： 0.0；长、宽：dX： 90，dY： 90， dZ： 0.0为Ground Plane设置理想金属边界，将理想边界命名为PerfE_Ground。建立介质基片。创建长方体模型Substrate，长方体的起始点位置坐标：X： -22.5，Y： -22.5，Z： 0.0； 长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：d

3、X： 45, dY： 45, dZ： 5；将材料设置为RogersR04003， 将颜色设置为绿色。建立Patcho在介质基片上创建贴片天线。创建矩形Patch，起始点的坐标：X： -16, Y： -16, Z： 5； 长、宽：dX： 32, dY： 32, dZ： 0.0,将颜色设置为黄色。为Patch设置理想金属边界，将理想边界命名为PerfE_Patcho创建切角Cut。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。在坐标输入栏中输入点的坐标：X： 0，Y： 0，Z： 5在坐标输入栏中输入点的坐标：X： 5，Y： 0，Z： 5在坐标输入栏中输入

4、点的坐标：X： 0，Y： 5，Z： 5在坐标输入栏中输入点的坐标：X： 0，Y： 0，Z： 5在对话窗口中选择Cut，在菜单栏中点击EditArrangeMove。在坐标输入栏中输入点的坐标：X： 0，Y： 0，Z： 0按在坐标输入栏中输入坐标：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 EditDuplicateAround Axis。将轴设置为 Z 轴，旋转角度为 180deg， Total 为 2用Patch将切角减去，在Subtract窗口中做以下设置：Blank Parts:PatchTool Parts:Cut， C

5、ut-1创建探针Pin，并将材料设置为peco圆柱中心点的坐标：X： 0.0，Y： 8.0，Z： 0.0；圆柱半径：dX： 0.0，dY： 0.5, dZ： 0； 圆柱的高度：dX： 0.0，dY： 0.0，dZ： 5.0创建端口面Porto圆心点的坐标：X： 0.0，Y： 8.0，Z： 0.0；半径：dX： 0.0，dY： 1.5，dZ： 0.0(10 )用 Ground Plane 将 port 减去。利用Ctrl键选择Ground Plane和Port；在Subtract窗口中做以下设置：Blank Parts:Ground PlaneTool Parts:Port(11)创建 Airo

6、创建长方体模型，长方体的起始点位置坐标：X： -80, Y： -80, Z： -35；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX： 160, dY： 160, dZ： 70；在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为 Radio保存工程在菜单栏中点击FileSave As,在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan7,并选择路径 保存。设置端口激励将该端口命名为pi,在 Modes标签中的Integration Line中点击None,选择New Line, 在坐标栏中输入：X： 0.0, Y： 9.5, Z： 0.0;dX： 0.0, dY： -1.0, dZ： 0.0设置优化变量添加工程变量。在菜单栏中

7、点击 ProjectProject Variables在 Project Variables 标签中选择 Value。点击Add添加工程变量$planeSize,其值设为90mm。继续添加如下的工程变量：$patchSize:32mm$subSize:45mm$subHeight:5mm$cutSize:5mm$feedLocation:8mm设置优化变量。在操作历史树中展开Ground Plane,双击Create Rectangle，将如下参数改变Position:-$planeSize/2, -$planeSize/2, 0mmXSize:$planeSizeYSize:$planeSi

8、ze展开Patch,双击Create Rectangle，将原尺寸改为：Position:-$patchSize/2, -$patchSize/2, $subHeightXSize:$patchSizeYSize:$patchSize展开Port,双击Create Circle，在弹出的对话窗口中将圆心改为：Center Position： 0mm, $feedLocation, 0mm展开Substrate,双击Create Box，在对话窗口中将原尺寸改为：Position:-$subSize/2, -$subSize/2, 0mm XSize:$subSize YSize:$subSiz

9、eZSize:$subHeight展开Pin,双击Create Cylinder,在弹出的对话窗口中将原尺寸改为：Center Position： 0mm, $feedLocation, 0mmHeight： $subHeight展开Patch,进而展开Subtract中的Cut,双击第一个Create Line,对对话框做以下修 改：Point1： 0mm, 0mm, $subHeightPoint2:$cutSize, 0mm, $subHeight双击第二个Create Line,在弹出的对话框中做以下修改：Pointl： $cutSize, 0mm, $subHeightPoint2:

10、0mm, $cutSize, $subHeight双击Move,在弹出的对话框中做以下修改：Movevector:-$patchSize/2, -$patchSize/2, 0mm求解设置设置求解频率。在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency:2.45GHzMaximum Number of Passes:15Maximum Delta Sper Pass:0.02设置扫频。在扫频设置窗口中做以下设置：Sweep Type:FastFrequency Setup Type:Linear CountStart:2.0GHzStop:3.0GHzCount:101将Save

11、 Field复选框选中设置无限大球面在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi:Start:0deg， Stop:0deg， Step:10degTheta:Start:0deg， Stop:0deg， Step:10deg求解该工程点击 HFSSAnalyze All天线尺寸优化(1)优化轴比。选中待优化变量$cutSize和$patchSize。将优化变量的范围分别设置为5mm, 6mm 和 29mm, 32mm添加输出变量cost，点击Report Type下拉菜单，选择Far Fields,在Solution中选择 Setup1:Last Adaptive,然后做如下设置

12、：Category： Axial RatioQuantity： Axial Ratio ValueFunction： log点击Insert Quantity Into Expression,并在表达式前冠以“ 10*”，最后的表达式为 10*log(Axial Ratio Value】在Goals标签中点击Add按钮，添加优化目标。在Calculation中点击下拉菜单，选 择 cost，在 Condition 中选择=，设置 Goal 为0, 0。在菜单栏中点击 HFSSAnalyze，进行优化设计，最后得到圆极化天线的尺寸$patchSize=30.1540923411285mm, $c

13、utSize=5.2566939545119mm。六、实验结果仿真图如下:xr Pisi2驻波比信息曲线如下：.IIIII1!iIII!IIIJ? beF-JtJ-41? WJAI1MfeAHH由上图可知，回波损耗在1.82dB左右，工作频带在2.40GHz-2.60 GHz 3D增益方向图：cn(ILiainiot3i)7. W91E用咽 5. 9651 = +300 3. 901_1*300 1.2371E+QQ0 -8. 2a92E-Q01 -2.日9日能榆丽 -4.95M-9e*i3QI3 -7. 0109i=+300 -9. 0329= *300 -1, Ll4-7i=+G1 -i.

14、921iCt3Qi -1.52755+001 -1. 7?9e+Q01 -1/9403(5+01 -g. 1467e+001 -?.353le+4301 -2, SB*皿I由上图可知该贴片天线辐射的最大方向为平面法向方向即正Z方向，增益达到7.5dB， 而且可以得到该方向的宽方向图。七、问题思考及小结当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等， 均可以使其工作在频点。对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想； 当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线 上靠近中心的位置上，天线的性能更好。当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通 过调整可以使贴片工作在频点。通过本次实验，我进一步