HFSS的天线课程设计

实验报告实验报告基于HFSS基于HFSS的天线设计#栏显示的是GND,ToolsParts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Clonetoolob^ctsbeforesubtracthg 复选框。、创建辐射边界条件创建一个长方体，其顶点坐标为SOmm,80mm,30im),长方体的长宽禽x为160mm160mm60m怖。长方体模拟自由空间，因此材质是真空，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、0o5、求解设置天线的中心频率为2.5GHz,因此设置HFSS的求解频率(即自适应网络部分频率)为2.5GHz,同时添加1.5GHz~3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5GHz〜3.5GHz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 2.45GHz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, , ValidationCheck:MSAntenna通过前面的操作，已经完成了模型创建和求解设置等 HFSS设计的前期工作, , ValidationCheck:MSAntenna-Patch接下来就可以运行仿真计算，并查看分析结果To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PatchVaiiriationCheckcorrpfeted.DesignSaiinijs30Model少Me?hOperafons母 S«up&OpiimeuicsAadialion性和正确性。通过HFSS-ValilatbnCheck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必，表示当前的HFSS设计正确、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门回波损耗(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1.5~3.5GHz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2.4167GHzo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2.4167GHz,与期望的中心频率2.5GHz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2・5GHz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WiHh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WHth,使天线的谐振频率落在2.5GHz上，带宽同时也满足设计要求的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Optfaictrfcs节点下，添加扫描方式是LheiStep的变量Lenglh,扫描范围是28mm〜31mm，间隔是0.5mmo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。

0M7»-500CCLDTlep-10W■1SOO—1750X丫Plot23wf%?IiviQtfVTU66mti—0M7»-500CCLDTlep-10W■1SOO—1750X丫Plot23wf%?IiviQtfVTU66mti—d&3.Pi,PiMS^Mrl5w*wLwgm^lOrfi-—iiBi&Pi.Piii-*2S&nni aBiSipi.PiiiLength-MJSran*1—dW^LPIH5»ptsweepLen«jth<2?5nn<—dft&PlPIMS«Up1SMWCpLen«gth-J9Fin'—则即诃HiW99fi•也…伽•山為 ，緘 止 此 血 出从上图的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二28.5mm时，谐振频率点约为2.5GHzo⑵、变量Wilth的扫描分析在工程树下的0ptfaictries节点下，添加扫描方式是LheiStep的变量Width,扌彳描范围是39mm〜42mm，间隔是0.5mmo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Wil1h变量值。XYPlot3 Raich境5W，10g-15W—-20WCurveinto5W，10g-15W—-20WCurveinto—阿明尸”Srtupi注0QLefiQtft・29S&niTW«»%-39wn 5etupi^wf«0tength-WWn"鼻*G•阿打 oBiSiPiPri)BAipli«ngfh-71lS&nn*WwJBw?#Tanwn* aBia^tPfl)sauf.1:SMwtftpsnQin・M5&nnrtfidtv;40nrwr——«MS(PltPl»?5e*w1:3wew5Dtn・295&nn 5ma1—SetUpl:5WM©LElh■:2P如rnWt—Inwi-—dasrPtrSehipl注*konglh-lAS&nn &mniso th ito zis ik 2h s.bo ala isoFreqiGHrj从上图所示的Sil曲线报告中可以看出，当微带贴片长度Lenglh固定时，微带贴片宽度WHth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W迥出的变化对矩形微带天线谐振频率点的影响很小。当Leng1h=28.5mm,Wil1h=39.78mm时，谐振频率约为2・5GHz。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28mm〜29mmo优化算法选择SNLP,目标函数取S11的最小值，在HFSS中即取

dB(S(Pl,Pl))的最小值。从显示的优化结果中可以看出,当目标函数值最小的时候,其对应的优化变从显示的优化结果中可以看出,当目标函数值最小的时候,其对应的优化变ResiiLt|profHeViewTablerp(ot；IterationLengthCostExport..1328.6832638770275mm■19.939142BG814493022282mm-19.9£415286827951879166mm-19.86416286915758683278mm-20.019Apply1728.6923972891135mm•19.99918|28.6920186308831mm•19.8871920GAI9594911254mm-19852202S.709564808952mm-19.98821286935292701286mm•19.969量Length€8.69mm。3、查看优化后的天线性能由上面的参数扫描分析可知，当Leng1h=28.69mm,Wid1h=39.78mm时，天线的谐振频率点在2.5GHzo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=28.69mm,Wil1h=39.78K*.126005・2V32as|・ecwy||2XYPI0I4Pawii1Cw«?Into时，天线的谐振频率点在2.5GHz,此时S11"吃1.33。XYPI0I4Pawii1Cw«?IntoOOO-q-心*0三-500—•gOQ—1250三1500二17SO20.00二Leng1h=28.69mm,Wii1h=39.78时Sil的扫描曲线⑵、查看Sil参数的Smilh圆图结果在报告图中标记处2.5GHz的位置，标记处显示在2.5GHz时，天线的归一化输入阻抗为(0.9258-01482)。0SmithChart1S11的Smih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7.5dBodB(6ainTotal)4-85206+0001.8939e+0012.15B3e+0012.^226e+0012.6870e+0012.9513C+0017.49S5e+i2.2085e+i3fc0784e+Q00S.7219e+i3508.3654e+Q001.3652e+0011.6296e+0034-85206+0001.8939e+0012.15B3e+0012.^226e+0012.6870e+0012.9513C+0017.49S5e+i2.2085e+i3fc0784e+Q00S.7219e+i3508.3654e+Q001.3652e+0011.6296e+003・4800e+001Z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inibo生成的曲线报告为：Msg-1360WOOMsg-1360WOORadiationPattern1E平面增益方向图⑸、查看电压驻波比XYPlot1^ancX¥4112<6001awwXYPlot1^ancX¥4112<6001awwPatch11000WO 2M 2M 2160 负 2MFwIGHij电压驻波比报告图...二乩曾枣在VSWR的报告图的2.45GHz和2・55GHz位置做标记，可见在2・45GHz〜2.55GHz频段，VSWR<1.77o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岀来的 Length和W迥出的参数并不能达到实验设计要求。但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 2.5GHz,带宽(回波损耗Sll〈-10dB)为5.72%(143MHz),大于5%(125GHz)。六、 实验心得体会说实话，在此次设计实验之前，我对 HFSS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HFSS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，对设计岀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识，首先端口的激励是如何设置的，如何添加积分线等。在仿真的过程中，对参数扫描的设置也很重要，首先需要一个粗略的扫描找到参数能够满足设计要求所在的一个较小区间，这样做，一方面节省扫描时间，另外也为下面的优化设计提供了方便。进行参数扫描时，要知道需要扫描哪些参数，通过扫描的结果来分析不同的天线参数分别是怎样影响天线性能的，这也为后面的优化设计做好了准备。例如在此次设计试验中，我们知道天线的长度对谐振频率的影响很大，但是天线的宽度对谐振频率的影响很小并且对带宽的影响也较小，所以在优化设计的过程中，只需对天线的长度优化即可。通过实验验证还发现，由理论公式推导出来的参数并不能满足实验的设计要求，所以需要后续的参数扫描和参数的优化设计， 但是计算出来的参数可以作为我们天线设计的初始值，首先让我们对参数的范围有了一个大概定量的认识，而不是在设计过程中，随便设定参数，这样既浪费时间，也很难设计出满足实验设计要求的天线来。天线设计完成后，需要通过一些参数扫描报告图来验证天线设计的正确性，所以优化设计后，先后查看了S11参数，S11参数的Smith圆图，电

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