基站天线设计讲座2课件

序言介绍利用仿真软件计算天线的基本过程。本讲座将介绍3种类型天线的计算过程。环状天线（磁偶极子）；对称振子天线（电偶极子）；贴片天线；巴伦的结构与设计巴伦的类型；巴伦设计。启动HFSS打开HFSS确认HFSS解算环境HFSS基本解算环境设置[Tools]/[Options]/[GeneralOptions]

设置自动存储设定默认设计文件、临时文件和库文件的存放位置设定默认设计文件的类型保存设计文件设计文件的保存在环境设置中设定自動保存機能[File]/[Save]以适当的文件名保存文件选择解算类型SolutionType設定[HFSS]/[SolutionType]选择DrivenModal３种解算类型DrivenModal计算以模式为目的物的S-ParameterDrivenTerminal计算以端口为目的物的S-Parameter

Eigenmode计算谐振频率环状天线环状天线的长度约等于一个波长。空气盒壁与天线的最短距离应大于1/4波长。激励端口使用集中参数端口。设定基本参数输入工作频率f0,线宽w，线厚度d和端口阻抗z0。设置解算模型画外圆盘[Draw]/[Cylinder]设置解算模型画内圆盘[Draw]/[Cylinder]设置解算模型用外圆盘减去内圆盘生成圆环；[Ctrl]+[A]选中所有模型选择[3DModeler]/[Boolean]/[Subtract]

确认用Clynder1减去Clynder2，点击[OK]确认。设置解算模型在圆环切掉一块构成馈电端口；用Box构成切掉部分；选择[Draw]/[Box]设置解算模型切掉Box1[Ctrl]+[A]选中全部。选择[3DModeler]/[Boolean]/[Subtract]

用Clynder1减去Box1，然后点击[OK]。设置解算模型画出馈电端口Port[Draw]/[Rectangle]设置解算模型画空气盒选择[Draw]/[Cylinder]材料設定圆环材料設定选择Cylinder1改变材料属性，从真空改为铜。馈电端口設定LumpedPort設定选中Rectangle1选择[HFSS]/[Excitation]/[Assign]/[LumpedPort]设置端口阻抗馈电端口設定设置IntegrationLine设置计算电压的积分线；在IntegrationLine栏，选择[NewLine]在可以建立电压的两个端部之间画一条直线。只需选中起点和终点馈电端口設定归一化设定S-parameter的计算值与端口阻抗有关；如果使用同轴接头，需要对50欧姆归一化。设置边界条件空气盒需要设置为辐射边界选中空气盒选择[HFSS]/[Boundaries]/[Assign]/[Radiation]

点击[OK]。设置解算条件设置解算频率选择[HFSS]/[AnalysisSetup]/[AddSolutionSetup]解算频率： 10GHzMaximumNumberofPasses： 10MaximumDeltaS： 0.02扫频设置设置扫频；选择[HFSS]/[AnalysisSetup]/[AddSweep]

设置SweepType为Fast、Sweep范围为8GHz～12GHz，步长为0.01GHz。開始计算选择[HFSS]/[Analyze]计算结果分析解算结果分析主要包括：S参数；驻波比工作带寛；输入阻抗辐射模式；方向图解析結果显示～S-Parameter～S-Parameter显示选择[HFSS]/[Result]/[CreateReport]ReportType选择S-ParameterDisplayType选择RectangularPlot点击[OK]。Traces选择、Category选择

S-ParameterQuantity选择S11Function选择dB点击[AddTrace]点击[Done]初步计算结果S参数调整圆环半径r0增加比例系数alfa=1.092调整后的计算结果SParameters端口阻抗的影响设置参数扫描，Z0从50～300欧姆，步长50欧姆。添加计算S11扫频计算结果从结果看端口阻抗对天线工作带寛和驻波比均有影响。解析結果显示～方向性～扫掠方向設定选择[HFSS]/[Radiation]/[InsertFarFieldSetup］/[InfiniteSphere]

解析結果显示～方向性<3D>～方向性结果显示选择[HFSS]/[Result]/[CreateReport]

ReportType选择FarFieldsDisplayType选择3DPolarPlot点击[OK]Traces显示选择、Category选择DirectivityQuantity选择DirTotalFunction选择dB点击[AddTrace]点击[Done]解析結果显示～方向性<3D>～解析結果显示～Gain<2D>～显示yz上的Gain选择[HFSS]/[Result]/[CreateReport]ReportType选择FarFieldsDisplayType选择RadiationPattern点击[OK]。解析結果显示～Gain<2D>～Traces显示的选择、选择[Sweeps]选择Phi去掉AllValue、选择90deg显示结果解析結果显示～Gain<2D>～yz面的GainCategory选择GainQuantity选择GainPhi（水平偏振）或选择GainTheta（垂直偏振）Function选择dB点击[AddTrace]点击[Done]水平极化增益设置水平极化增益垂直极化增益设置垂直偏振增益同时显示水平和垂直增益设置水平和垂直增益对称阵子天线对称阵子天线的基本尺寸长度为1/2波长。空气盒壁距辐射体距离为1/4波长。激励端口为离散端口。基本参数输入工作频率等基本参数建立计算模型画天线点击[Draw]/[Cylinder]建立计算模型切断天线利用Box把天线中间切断点击[Draw]/[Box]用Cylinder1减去Box1.按[Ctrl]+[A]全选所有点击[3DModeler]/[Boolean]/[Subtract]用Cylinder1减去Box1建立计算模型建立计算模型建立馈电端口Port

改变平面为[3DModeler]/[GridPlane]/[xz]

点击[Draw]/[Rectangle]设定材料属性选中Cylinder1设定集中参数端口选中平面Rectangle1建立计算模型建立空气盒点击[Draw]/[Cylinder]设定边界条件选中空气盒设定求解频率求解频率设置点击[HFSS]/[AnalysisSetup]/[AddSolutionSetup]

求解频率： 10GHzMaximumNumberofPasses： 10MaximumDeltaS： 0.02设置扫频扫频設定点击[HFSS]/[AnalysisSetup]/[AddSweep]设定SweepType为Fast、Sweep范围为8GHz～12GHz，步长Step设置为0.01GHz开始求解点击[HFSS]/[Analyze]计算结果S参数输入阻抗Z0的影响输入阻抗从50~300Ohm，步长50Ohm。天线方向图天线增益贴片天线天线的边长约为1/4波长。基片要大于天线空气盒设定为上半个空间几个主要参数输入工作频率等主要参数：设置仿真模型画天线点击[Draw]/[Box]设置仿真模型画馈电用微带点击[Draw]/[Box]设置仿真模型把贴片和微带和在一起按[Ctrl]+[A]选中全部；点击[3DModeler]/[Boolean]/[Unite]设置仿真模型画基板を作成点击[Draw]/[Box]设置仿真模型画空气盒点击[Draw]/[Box]設定材料設定贴片材料选中Box1,将材料设为Copper設定材料設定基板材料选中基板Box3，将其设定为FR4_epoxy。馈电端口设置WavePort设置点击[Edit]/[Select]/[Faces]，选中Rectangle1。点击[HFSS]/[Excitations]/[Assign]/[WavePort］指定端口名为“WavePort1”。设置边界条件选中空气盒除底面以外的5个面。点击[HFSS]/[Boundaries]/[Assign]/[Radiation]将其设置为辐射面。求解设置求解频率设置点击[HFSS]/[AnalysisSetup]/[AddSolutionSetup]

求解频率： 10GHzMaximumNumberofPasses： 10MaximumDeltaS： 0.02扫频设置扫频频率设置点击[HFSS]/[AnalysisSetup]/[AddSweep]

SweepType为Fast、Sweep范围为8GHz～12GHz，步长Step设为0.01GHz开始求解点击[HFSS]/[Analyze]计算结果S参数改变介质层厚度D从0.25~2.50mm间隔0.25mm方向性天线增益巴伦的基本类型在前面介绍的3种天线中除了贴片天线外，前两种天线都是平衡馈电。通常，我们的输入输出都是非平衡的。因此，中间需要非平衡到平衡的转换电路。这就是巴伦（Balun)。巴伦的种类很多，大致可以分成集中参数巴伦和传输线巴伦两大类。集中参数巴伦又有LC结构和变压器结构。传输线巴伦又可分为同轴传输线巴伦和微带线巴伦两类。集中参数巴伦LC巴伦这种巴伦本质上是一个电桥。被称作“lattice-type”巴伦。它由两个电感和两个电容组成。这两个回路提供±90度的相移。在工作频率注：此巴伦的工作频率必须低于LC原件自身的谐振频率。集中参数巴伦变压器巴伦变压器巴伦通常铁氧体环形磁芯制作。现代集成巴伦常使用此结构为了方便变压器巴伦也可以使用分离的电感构成。传输线巴伦1/4波长同轴线巴伦一段1/4波长传输线一端屏蔽层接地，另一端不接地，就构成了一个最简单的传输线巴伦。这个巴伦的阻抗变比是1:1

。传输线巴伦1/2波长同轴线巴伦一段1/2波长传输线可以构成一个阻抗变换比为1:4的传输线巴伦。传输线巴伦简单的微带线巴伦该巴伦的工作带寛可以达到10-20%.耦合线巴伦

传输线巴伦Marchand

巴伦这种巴伦是1944年Marchand发明的。最初的结构是同轴结构。这种巴伦具有低阻抗变比和较宽工作带寛的特点。传输线巴伦宽带巴伦这种巴伦的工作频率范围可以达到几个倍频程。Marchand

巴伦计算实例Marchand

巴伦计算结果车载天线分析基板图形车载天线分析这是一个变形的对称阵子天线（电偶极子）。采用1/2波长传输线巴伦。巴伦仿真计算结果此天线的工作频率约为：658MHz；与要求的工作频率315MHz相差2倍多。改进此天线的几点想法这是一个要求很低的点频天线。发送和接受天线之间的距离非常近（只有1～2米）。所以考虑使用最简单的天线结构。主要考虑如何减小体积、降低造价。对圆环和对称阵子结构主要考虑折叠或螺旋来减小体积。贴片天线则主要考虑采用高介电常数介质基片来减小体积。由于高介电常数介质材料的价格比较贵。圆环折叠后的体积相对较大。所以还是考虑采用折叠对称阵子天线。常规阵子天线天线长度407mm，直径1mm。工作频率：350MHz侧向折叠1天线长度266mm，宽度7mm，厚度1mm。工