LS频段圆极化双频单贴片天线设计-hjj

题目：L/S频段的圆极化双频单贴片天线设计所设计天线的应用背景通信设备的不断更新和扩容，需减小天线之间的相互干扰，这就要求天线朝着宽频带方向发展。为了充分利用越来越拥挤的微波频段，通常希望多个系统共用一副天线或者天线收发共用，这一现状促使了天线的双频甚至多频技术的出现。现在市场上普遍流行的多模手机就是很好的例证。圆极化天线具有可接收任意极化的来波、旋向正交性、圆极化波入射到对称目标时旋向逆转等极化特性，在面对云雨干扰、剧烈震动、影响重叠等外来因素干扰时表现优异，能满足在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格、更精密的探测或是传输要求，而小型化是集成电路的发展趋势。近年来，宽带多频的圆极化微带天线发展迅速，广泛应用于军事和民用通信的多个领域。本设计旨在介绍一种单贴片的双频圆极化天线的实现，该方法适用于设计工作于L/S频段的双频天线，具体应用领域包括卫星导航（GPS/BeiDou）、WLAN、RFID等。设计天线的关键或主要指标等的介绍该天线采用单贴片的微扰法来实现双频，即通过单一贴片激励两个主要的横磁波模式实现双频，这里主要是TM10和TM30模；采用简单的单同轴馈电实现圆极化，尺寸小结构紧凑。天线的设计指标：中心频率：1.54GHz，2.98GHz1/30反射系数： <-15dB增 益：1dBi交叉极化：<-15dB该类天线发展情况微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、平面结构、可共形、易集成、功能多样化、成本低、易于批量生产等一系列颇具特色的优点。近年来国内外研究者在圆极化天线能与设备大小协调、多频工作等方面取得了一系列成果。实现微带天线小型化的尝试繁多，具体有贴片表面狭缝加载,即通过在天线贴片中加载十字形狭缝、弯折的狭缝或Y形狭缝;贴片边缘加载狭长切口；方形和三角形贴片切角、圆形贴片边缘切割；贴片外加调谐枝节以及利用分形技术在贴片或者地板上加载特定尺寸的EBG结构等。多频天线通常采用单贴片的多模谐振和贴片层叠的方法来实现。本设计通过单贴片的缝隙加载来实现了双频小型化的目的，但简单的结构和馈电网络也带来了阻抗带宽和3dB轴比带宽较窄的缺陷，仿真过程中后期的优化处理要求较高。4. 天线结构介绍，包括图， VISIO画的平面 三维图等2/30xydTdlWSSlSwLzhGround Feed x图4.1天线结构示意图天线结构如上图所示，天线的工作频率为1.54GHz0194.8mm0402）和2.98GHz。该天线由一层辐射贴片、一层介质基板、地板、一个同轴馈电探针构成。其中贴片四边切出四个T型缝隙，左右下三条边上的缝隙尺寸完全一致，上边的T型缝隙除了竖线部分宽度为，其它尺寸也和前三者一样；馈电位置如图所示。地板尺寸LLLL7575mm2，介质基板选用介电常数r，损耗正切tan0.024.4h1.6mm。馈电点位置xp,yp9mm,9mm，其它的建模参数L40，l32，d13.5，dT11，wS1，lS13，s1，w2单位都为mm。同轴线内芯半径r10.635mm，外层半径RR1.4605mm。这里采用加载缝隙的方形单层贴片来实现小尺寸的双频圆极化3/30天线，贴片的边长仅为 40mm，这里贴片激励的主要模式为 TM10和TM30模，T型缝隙增大了TM10模的贴片表面电流路径，中间的一字型缝隙除了增大TM30模的表面电流路径外，同时使其三叶草形的辐射方向图变为心形图，两个工作模式表面电流路径的增加有效地减小了贴片尺寸。圆极化的实现主要和馈电点位置的选取有关。仿真分析的过程及结果，包括一步一步由HFSS（13）仿真的过程，达到有点基本知识的人都可以按照该步骤达到仿真的结果新建设计工程（1）运行HFSS并新建工程双击桌面上的 HFSS快捷方式图标 ，启动HFSS软件。HFSS运行后，它会自动新建一个工程文件，选择【 file 】→【saveas】命令，把工程文件另存为T-shaped.hfss文件。点击图标，在工程里添加一个设计。2）设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。从主菜单栏中选择【 HFSS】→【solutiontype 】命令，打开如图5.1所示的solutiontype 对话框，选中 drivenmodel单选按钮，然后单击 按钮，完成设置。4/30图5.1设置求解类型3）设置模型长度单位设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度单位为mm。从主菜单栏中选择【 modeler】→【units】命令，打开如图5.2所示的 setmodelunits 对话框。从该对话框中将 selectunits 选项设为mm。然后单击 按钮，完成设置。图5.2 设置长度单位添加和定义设置变量从主菜单栏中选择【 HFSS】→【DesignProperties 】命令，打开设计属性对话框。在该对话框中单击 按钮，5/30打开AddProperty 对话框。在 Name文本框中输入第一个变量名称h，在Value文本框中输入该变量的初始值 1.6mm，然后单击 按钮，即可添加变量 w到设计属性对话框中。变量定义和添加的过程如图 5.3所示。变量变量图5.3 定义变量使用相同的操作方法，完成其他变量的定义。定义完成后，确认设计属性对话框如图 5.4所示。6/30图5.4 定义所有设计变量后的设计属性对话框最后单击设计属性对话框中的 按钮，完成所有变量的定义和添加工作。3. 设计建模1）创建辐射贴片首先创建一个中心位于坐标原点，长、宽分别用变量 w和l表示的矩形面，并将其命名为 Patch。从主菜单中选择【 Draw】→【Rectangle】命令，或者单击工具栏上的 按钮，进入创建矩形面的状态，然后在三维模型窗口的xy面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的 Sheets 节点下，其默认的名称为Rectangle1。7/30双击操作历史树 Sheets节点下的 Rectangle1，打开新建矩形面属性对话框中的 Attribute 选项卡，如图 5.5所示。把矩形面的名称修改为 Patch，设置其颜色为铜黄色，透明度为0.4，然后单击 按钮退出。双击图5.5 矩形面属性对话框中的 Attribute 选项卡在双击操作历史树 Patch下的CreateRectangle 节点，打开新建矩形面属性对话框中的 Command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。在 Position 文本框中输入顶点位置坐标为(-L/2,-L/2,h) ，在XSize和YSize文本框中分别输入矩形面的长度和宽度为 L和L，显然选定了贴片的几何中心在坐标原点处，如图 5.6 所示，然后单击 按钮退出。双击8/30图5.6 矩形面属性对话框中的 Command选项卡接下来创建缝隙，首先创建上边的 T型缝隙。先在 XY面内画两个任意长方形，定点位置坐标和长、宽分别为 (-L/2,-dT/2,h) ，w，dT；(-L/2+w,-l1/2,h) ，s，l1，这些参数根据贴片尺寸及贴片与坐标系的相对关系容易得到；在历史树或者三维视图中，同时选中（借助ctrl或者shift键）这两个方形，然后点击右键【Edit】→【Boolean】→【Unite】，这样上边的T形缝隙就创建好了。另外三个T型缝隙及中间的一字型缝隙创建就不在赘述，创建过程中注意保证坐标点及相对尺寸的正确性，为了便于后面参数扫描与优化，尽量都用变量表示。然后通过布尔运算的减操作实现贴片裁剪缝隙，同时选中贴片及5个缝隙（或者9个方形，即上面T型缝隙不作合并操作也可以）右键【Edit】→【Boolean】→【subtract】，如下图所示，确保patch在左边，其它在右边，选中后用箭头调整，点OK即可。9/30图5.7 布尔运算减操作选项卡此时就创建好的名称为Patch的辐射贴片模型，见图4.1绿色部分。然后按快捷键Ctrl+D全屏显示创建的物体模型。2）创建介质基片创建一个长方体模型用以表示介质基片，模型的材质为FR4，该模型默认命名为 Box1。从主菜单中选择【 Draw】→【Box】命令，或者单击工具栏上的 按钮，进入创建长方体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体。新建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树 Solids 节点下的Box1，打开新建长方体属性对话框中的 Attribute 选项卡，把长方体的名称修改为Substrate，设置其材质为 FR4_epoxy，设置其透明度为 0.8，如图5.8所示，然后单击 按钮退出。双击此处图5.8长方体属性对话框中的Attribute选项卡再双击操作历史树Substrate节点下的CreateBox，打开新10/30建长方体属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标为(-LL/2,-LL/2,0)，在XSize、YSize和ZSize文本框中分别输入长方体的长、宽和高LL、LL和h，如图5.9所示，然后单击 按钮退出。双击图5.9长方体属性对方框中的Command选项卡接下来在介质基片上创建馈电探针过孔。【Draw】→【Cylinder】或者单击 画z轴向的任意圆柱体，双击历史树中圆柱体项目名称，打开属性窗口，更改中心坐标、半径、高度分别为（xp,yp,0）、r1、h，确定即可。然后进行布尔运算的减操作，选中介质基片和创建的圆柱体，右键【 Edit】→Boolean】→【subtract】，介质基片Box1在BlankParts，Cylinder 在ToolParts 部分，点击 OK过孔的创建完成。3）创建参考地在距离贴片下方 h处创建方形参考地，其属性窗口如图5.10所示，具体创建过程不再赘述。11/30图5.10 方形地板属性窗口接下来在地板上创建馈电探针过孔。同轴馈线需要穿过参考地面来传输信号能量，因此，需要在参考地面gnd上开一个圆孔允许能量传输。从主菜单中选择【Draw】→【Circle】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆面的状态，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆面。新建的圆面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认名称为Circle1。双击操作历史树Circle1节点下的CreatCircle，打开新建圆面属性对话框的Command选项卡，在该界面下设置圆面的圆心坐标和半径。在CenterPosition文本框中输入圆心坐标为(xp,yp,0)，在Radius文本框中输入半径值RR，如图5.11所示，然后单击按钮，完成Circle1的创建。12/30双击此图5.11 圆面属性对话框中的 Command选项卡按住 Ctrl ，分别选中 gnd和 Circle1 ，单击右 键选择【Edit】→【Boolean】→【Substact】，进入 Substact 选项卡，如图 5.12 所示，确认 BlankParts 里面是 gnd，ToolParts下面是Circle1，单击 按钮退出。图5.12Substract 选项卡至此，地板上的馈电孔创建完毕。（5）创建探针和同轴馈线13/30创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为r1，高度为 h+3mm，圆柱体底部圆心坐标为 (xp，yp，-3mm)，材质为理想导体，并命名为 inner。从主菜单选择【Draw】→【Cylinder】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆柱体的状态，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体。新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1。双击操作历史树 Solids 节点下的 Cylinder1 ，打开新建圆柱体属性对话框中的 Attribute 选项卡。把圆柱体的名称修改为inner，设置其材质为 pec，然后单击 按钮退出。再双击操作历史树inner节点下的CreatCylinder，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体圆心坐标、半径和长度。接下来创建同轴线外层部分，创建两个圆柱体，分别命名为 inner0，outer，材料默认为vacuum不作更改。坐标、半径、长度分别为 (xp，yp，-3mm)、r1、3mm，(xp，yp，-3mm)、RR、3mm。然后进行布尔运算，用outer减去inner0，具体过程不再赘述。最后在馈电端口处创建一个波端口反射片。画圆柱体，材料属性设为pec，坐标、半径、高度分别为(xp，yp，-3mm)、RR、-0.2mm。这里把波端口设置在辐射边界腔体内部，需要波端口出创建一个反射片。14/30（6）创建辐射边界腔体一般来说，模型到辐射边界腔体的距离为

0 4

0 2，可以根据具体情况进行调整。这里选择

0 2，画长方体的空气盒子，起点坐标（-140mm，-140mm，-100mm），三个坐标轴的轴向距离分别为280mm，280mm，200mm。默认为Box2，选中后右键【AssignBoundary】→【Radiation】→【OK】，设置为辐射边界条件。（7）设置边界条件把创建好的贴片和地板设置为理想电边界条件 PerfectE，辐射腔体设设置为辐射边界条件，上面已经做过这里不要重复。选中贴片除了直接在历史树和三维模型窗口选取，还可以Edit】→【Select】→【ByName】,注意体与面的光标模式切换按字母“O”、“F”或者右键操作。其它的材料属性与边界条件前面都已做过，最后历史树窗口显示如下图5.13所示。图5.13历史树窗口15/30（8）设置端口激励将同轴线的底段设置为波端口激励。在建模窗口中单击鼠标右键选择 SelectObjects ，选中轴馈线的金属底座反射片Cylinder5 ，点击工具栏中 按钮将其隐藏。然后在建模窗口中单击鼠标右键选择 SelectFaces ，选中同轴线的底面如图5.14红色部分所示。图5.14 天线模型示意图然后在其上单击鼠标右键，选择【 AssignExcitation 】→【WavePort】，打开如图 5.15 所示的波端口设置对话框，首先直接单击下一步，进入 Modes对话框，单击 IntegrationLine项的None，从下拉列表中选择 NewLine选项，进入三维模型窗口设置积分线。积分先从同轴线内心边缘画向外心边缘，方向沿任意径向，起点和终点在自动识别时点击左键，见下图。然后回到 Modes对话框，IntegrationLine 项由None16/30变成Defined，单击下一步按钮。在 PostProcessing 对话框中选中 ，并设置 FullPortImpedance 选项为50ohm。最后单击 按钮，完成波端口激励方式的设置。图5.15 设置波端口激励设置完成后，鸡枞端口激励的名称“1”会添加到工程树的Excitations节点下。（9）求解设置17/30A．求解频率和网格剖分设置设置求解频率为 2.4GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为 0.02。右键单击工程树下的 Analysis 节点，选择【AddSolutionSetup】命令，打开 Solution Setup 对话框。在 SolutionFrequency文本框中输入求解频率 2.4GHz，在MaximumNumberofPasses 文本框中输入最大迭代次数 20，在MaximumDeltaS文本框中输入收敛误差 0.02，其他选项保留默认设置，如图5.16所示。然后单击 按钮，完成求解设置。图5.16 求解设置B．扫频设置展开工程树下的 Analysis 节点，右键单击求解设置项Setup1，选择【AddFrequencySweep】，打开 EditSweep 对18/30话框，如图5.17所示。在SweepType下拉列表中选择扫描类型为Fast，在FrequencySetup选项组中将Type选项设置为LinearStep，在Start文本框中输入1GHz，在Stop中输入3.5GHz，在StepSize中输入0.01GHz，其他选项保留默认设置。最后单击 完成设置。设置完成后，该扫频设置项的名称 Sweep1会添加到工程树的求解设置项 Setup1下。图5.17扫频设置10）设计检查和运行仿真计算通过前面的操作，我们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19/30结果了。但在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，确认设计的完整性和正确性。从主菜单中选择【 HFSS】→【ValidationCheck 】，或者单击工具栏上的 按钮，进行设计检查。此时，会打开如图 5.18所示的ValidationCheck 对话框，在该对话框中的每一个选项的前面都显示 图标，表示当前的 HFSS设计正确且完整，然后单击 按钮关闭对话框。接下来，我们就可以开始运行仿真计算了。图5.18 设计检查结果对话框右键单击工程树下的 Analysis 节点，选择【AnalyzeAll】，或者单击工具栏上的 按钮，开始运行仿真计算。在仿真计算过程中，工作界面右下方的进度条窗口会显示出求解进度，信息管理窗口也会有相应的信息说明，并会在仿真计算完成后给出完成提示信息。（11）查看天线结果20/30A．回波损耗右键单击工程树下的 Results 节点，选择【 CreatModalSolutionDataReport 】→【RectangularPlot 】，打开报告设置对话框，如图 5.19 所示。在该对话框中确定左侧Solution 选项设置的是 Setup1：Sweep1，在Category 列表框中选中 SParameter，在Quantity 列表框中选中 S(1,1)，在Function 列表框中选中 dB。然后单击 按钮，再单击按钮关闭对话框。此时，即可生成如图 5.20 所示的 S11在1.6GHz-2.3GHz的扫频分析结果。图5.19 分析报告设置对话框21/30图5.20S11的扫频分析结果B．增益方向图首先定义辐射面，分别定义辐射面 phi=0deg，phi=90deg（通常所说的 E面H面）和三维辐射面。定义 Phi=0°的平面为辐射表面：右键单击工程树下的Radiation 节点，选择【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】，打开 Far Field Radiation SphereSetup对话框，定义辐射表面。在 Name文本框中输入辐射表面的名称EPlane，在Phi角度对应的 Start、Stop和StepSize文本框中分别输入 0、0、0，在Theta角度对应的 Start、Stop和StepSize文本框中分别输入-180、180和5（权衡资源消耗和精度要求选取），然后单击 按钮完成设置。定义 Phi=90°的平面为辐射表面：右键单击工程树下的Radiation 节点，选择【Insert Far Field Setup】→22/30【Infinite Sphere】，打开 Far Field Radiation SphereSetup对话框，定义辐射表面。在Name文本框中输入辐射表面的名称HPlane，在Phi角度对应的Start、Stop和StepSize文本框中分别输入90、90、0，在Theta角度对应的Start、Stop和StepSize文本框中分别输入-180、180和5，然后单击 按钮完成设置。定义三维立体球面为辐射表面：右键单击工程树下的Radiation节点，选择【InsertFarFieldSetup】→【InfiniteSphere】，打开FarFieldRadiationSphereSetup对话框，定义辐射表面。在Name文本框中输入辐射表面的名称3D，在Phi角度对应的Start、Stop和StepSize文本框中分别输入0、360、10，在Theta角度对应的Start、Stop和StepSize文本框中分别输入-180、180和10，然后单击按钮完成设置。此时，定义的辐射表面会添加到工程树Radiation节点下。查看 E/H面频率增益，【Result】→【Create FarFields Report】→【Rectangular Plot 】→【3DPolarPlot】，报告设置如下图 5.21所示。点击 NewReport加载完毕即得到增益结果，这里导出了相关数据在数据处理软件Oringin 得到如图5.22所示结果。23/30图5.21 频率增益设置对话框B[niaG]

1.21.00.80.60.4Bd[n0.2aG]0.0-0.2-0.4-0.6-0.81.461.481.501.521.541.561.58Freq[GHz]

3.02.52.01.51.00.50.0-0.52.92.93.03.03.03.0680246Freq[GHz]图5.22f=1.54GHz、f=2.98GHz的增益查看三维增益方向图，右键单击工程树下的 Results 节点，选择【Result】→【CreateFarFieldsReport 】→【3DPolarPlot 】，打开报告设置对话框，如图 5.23 所示。在Geometry下拉列表中选择前面定义的 InfiniteSphere3 ，在Category 列表框中选中 Gain，在 Quantity 列表框中选中GainTotal，单位选中 dB。然后单击 按钮，再单击24/30按钮关闭对话框。生成如图 5.24 所示的三维增益方向图。图5.233D增益设置对话框图5.243D增益方向图25/30查看极坐标形式的辐射方向图，【 Result】→【CreateFarFieldsReport

】→【

Radiation

Pattern

】，具体设置如图5.25所示。方向图结果如图

5.26。图5.25 归一化辐射方