HFSS双频微带天线设计

一设计内容简介双频工作是微带天线设计的重要课题之一，有关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简朴的措施是辐射贴片的长度对应一种频率谐振，其宽度对应另一种频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一种辐射贴片工作于两个频率上。其构造如图1所示。图1故在这个设计中，L1是表达馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表达的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表达馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表达的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参照地面辐射贴片使用理想薄导体。由于使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参照地面需挖出一种半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的鼓励方式设置为集总端口鼓励，端口归一化阻抗为50欧姆。HFSS仿真设计过程1.新建工程文献运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一种工程文献，工程名为Dual_Patch.hfss文献。设置求解类型：选择hfss→SolutionType,选中DrivenModal,然后点击OK。设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。添加和定义设计变量在HFSS→DesignPropertied命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一种变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。使用相似的措施，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。3.设计建模创立介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创立长方体的状态，然后三维模型窗口创立任意一种长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创立好了名称为Substrate的介质基片模型。然后按Ctrl＋D全屏显示物体模型。图3-1介质基片模型创立辐射贴片：在主菜单中选择Draw→rectangle命令，进入创立矩形面的状态，然后任意创立一种矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为L0，W0。如图3-2所示。这时就创立好了名称为patch辐射贴片模型。然后按CtrlD全屏显示物体。图3-2辐射贴片模型(3)创立参照地：在主菜单中选择Drawrectangle命令，进入创立矩形面的状态，然后任意创立一种矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为GND,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为2*L0，2*W0。如图3-3所示。这时就创立好了名称为GND的参照地模型。然后按CtrlD全屏显示物体模型。图3-3参照地模型（4）创立同轴馈线的内芯：在主菜单中选择DrawCylinder命令，进入创立圆柱体的状态，然后任意创立一种圆柱体。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把圆柱体的名称修改为Feed,设置其材质为pec.再双击历史树Substrate下的CreateCylinder选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（L1，L2，0），在Radius文本框中分别输入圆柱体的半径为0.6。在Height文本框中分别输入圆柱体的长度为H。如图3-4所示。这时就创立好了名称为Feed的圆柱体同轴馈线内芯模型。然后按CtrlD全屏显示物体模型。图3-4同轴馈线内芯模型（5）创立信号传播端口面：同轴线馈电需要穿过参照地面来传播信号能量。因此，需要在参照地面GND上开一种圆孔容许能量传播。首先在参照地面上创立一种半径为1.5mm，圆心坐标为（L1，0，0）的圆面，并将其命名为Port。然后在执行相减操作，使用参照地面减去圆面，从而在参照地面上开出一种圆孔。在主菜单中选择DrawCircle命令，进入创立圆面的状态，然后任意创立一种圆面。双击Solids节点下的Circle选项，打开新建圆面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Port。再双击历史树Port下的CreateCircle选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（L1，L2，0），在Radius文本框中分别输入圆面的半径为1.5。如图3-5所示。这时就创立好了名称为Port的信号传播端口面模型。然后按CtrlD全屏显示物体模型。图3-5信号传播端口面模型使用相减操作在参照地面挖一种圆孔。按住Ctrl键的同步单机GND和Port选项，选中这两个平面。然后在主菜单中选择Modeler→Boolean→Substrate命令，打开如图3-6所示的对话框。同步为保留圆面port，需要选中对话框中的Clonetoolobjectsbeforeoperation复选框。最终点击OK。图3-6至此，就创立好了同轴线馈电的矩形微带天线的设计模型，如图3-7所示。图3-74设置边界条件（1）把辐射贴片Patch和参照地设置为理想导体边界。选中patch和gnd然后单击右键，在弹出的快捷菜单中选择

assign→boundary→perfectE命令，打开理想导体边界条件设置对话框，保留默认设置不变，点击确定。（2）设置辐射边界条件：在主菜单中选择DrawBox命令，进入创立长方体的状态，然后任意创立一种长方体。双击Solids节点下的Box1选项，打开新建长方体属性对话框的Attribute选项卡，把长方体的名称修改为AirBox,设置透明度为0.8。再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2-length，-W0/2-length，-10），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为(L0+2*lengt，W0+2*length，10mm+H+length)。如图所示。单击AirBox选项，右击选择assign→boundary→radiation,保留默认设置不变，点击确定。5设置端口鼓励：单击port,选择port后，右击选择assign→excitation→lumpedport命令，打开集总端口设置对话框。在name文本框输入名称1，点击下一步，在mode对话框中，单击impedanceline项的none,选择newline，此时输入起始坐标（7.6,0,0），再输入坐标（0.9,0,0），并确定。完毕集总端口设置。6：求解设置：选择菜单：HFSS〉Analysis〉Setup〉AddSolutionSetupa。点击通用（General）键求解频率：2.45GH，最大通过数目：20，通过的最大DeltaS：0.02，点击确定按钮。增长扫频选择菜单HFSS〉Analysis〉AddSweep，选择求解设置：Setup1，点击确定按钮。编辑扫频窗口，扫描类型：迅速（Fast）频率设置类型：线形计数（LinearCount）开始(Start)：1.0GHz，结束（Stop）：3GHz，计数（Count）：0.01GHZ点击确定按钮。7.设计检查和运行仿真计算：1模型检查，选择菜单：HFSS〉ValidationCheck，点击关闭（Close）按钮。注意：使用信息管理器可以看到任何错误或警告信息。2求解过程，选择菜单：HFSS〉AnalyzeAll。8成果及分析：1查看天线的谐振频率：查看天线信号的端口回波损耗（即S11）的扫频分析成果。右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择createmodalsolutiondatareport→rectangularpolt命令，打开汇报设置对话框，选择sttup1:sweep1,在category列表框选中Sparameter选项，在quantity列表框选中S（1,1），在Function列表框选中dB。然后单击NewReport按钮。再单击close按钮。如图8-1所示图8-1S11扫频分析成果从成果汇报中可以看出，矩形微带天线出现了两个谐振点，一种谐振点为2.45GHZ，且S11的值为-24.0917dB。另一种谐振频率为1.7GHZ，此时的S11值为-11.3013dB。2查看S11的Smith圆图成果：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择createmodalsolutiondatareport→SmithChart命令，打开汇报设置对话框，选择Trace选项卡的参数。然后单击NewReport按钮，得Smith原图成果，如图8-2所示。图8-2从成果汇报中看出，1.7GHZ是的归一化阻抗为1.00-j0.16。2.45GHZ是的归一化阻抗为1.03-j0.03，在两个工作频点都到达了很好的阻抗匹配。32.45GHZ时的增益方向图：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择createfarfieldsreport→radiationpattern命令，打开汇报设置对话框，在geometry列表框选中之前定义的辐射表面EHPlane选项，在category列表框选中gain。选项在quantity列表框选中gaintotal，在Function列表框选中dB。然后单击NewReport按钮。再单击close按钮。如图8-3