微带贴片天线设计实验

微波技术与天线实验报告姓名张思洋学号实验日期4.11实验名称微带贴片天线设计实验实验类型设计性实验目的1、熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。2、掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。实验内容使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创立设计模型，进行求解设置，设置求解频率为2.45GHz，同时添加1.5-3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算。将谐振频率落在2.45GHz频点上。最后进行相关的数据后处理。实验原理微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。微带天线的根本参数：工作频率2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度5mm，矩形贴片宽度41.4mm，辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm，参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标〔9.5，0〕。要求设计的天线最大增益大于7dB。前后比大于5dB。实验步骤及结果新建HFSS工程新建一个名为MSAntenna.hfss的工程文件。将求解类型设置为DrivenModel创立微带天线模型将模型的默认长度设置为毫米mm创立参考地在Z=0的XOY面上创立一个顶点位于〔-45mm,-45mm〕,大小为90mm*90mm的矩形面作为参考面，并把它命名为GND,并为其分配理想导体边界条件。然后将此边界命名为PerfE_GND创立介质板层创立一个80mm*80mm*5mm的长方体作为介质板层，介质板层位于参考地面上，顶点坐标为〔-40，-40，0〕，介质的材料为R04003。创立微带贴片在z=5的XOY面上创立一个顶点坐标为〔-15.5mm，-20.7mm，5mm〕，大小为31.0mm*41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。并将此边界条件命名为Perf_Patch。创立同轴馈线的内芯创立一个圆柱体作为同轴馈线额内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为〔9.5mm，0，0〕，材料为理想导体，同轴馈线命名为Feed。创立信号传输端口面在参考面GND上开一个圆孔以便能量可以从同轴线传输。圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为〔9.5mm，0，0〕，名字为Port。创立一个长方体，顶点坐标为〔-80，-80，-35〕，大小为160mm*160mm*75mm，长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air。并设置其四周外表为辐射边界条件。设置鼓励端口将同轴线信号端口面的鼓励方式设置为集总端口鼓励。四、添加和使用变量添加设计变量Length，初始值为31.0mm，用来表示微带贴片的长度；添加设计变量Width，初始值为41.4mm，用来表示微带贴片的宽度；添加设计变量Xf,初始值为9.5mm，用来表示同轴线的圆心点的X轴坐标。在模型中使用变量使用变量Length和Width表示微带贴片Patch的长度和宽度，并设置微带贴片的起点坐标为〔-Length/2，-Width，5mm〕。使用变量Xf代替同轴馈线Feed的底部圆心和集总端口Port的圆心在x方向的坐标。五、求解设置扫频设置为1.5-3.5Ghz，选择Fast扫频类型六、设置完成后进行设计检查，无误后进行下一步。七、查看天线的谐振点优化设计Length的扫描分析：添加扫描变量为length，扫描方式设置为LinearStep，开始，结束和步长设置为28mm，31mm，0.5mm，设置完成后从result查看结果。从图中可以看出Length=29.5mm时，谐振频点约为2.45GHz。3.Width的扫描分析，将变量设置为Width，开始，结束，步长分别设置为39mm，42mm，0.5mm。从图中可以看出当贴片长度不变时，宽度的改变对天线谐振点的影响很小。优化设计：因为从上面的设计可以得出长度对S11的影响比拟大，所以优化时只对长度进行优化添加优化设置将长度的优化范围设置为29-30mm设计优化函数优化分析查看优化后的结果从图中可以看出，软件做了22次迭代计算，其中第8次迭代计算的目标函数数值最小，对应的length长度为=29.5mm。查看优化后的天线性能从图可以看出，当length为29.5，Width为41.4mm时，天线的谐振点在2.45GHz，此时S11=-16.63dB。查看S11参数的史密斯圆图在2.45GHz时，天线的归一化输入阻抗为〔0.83-0.25i〕Ω产看电压驻波比查看天线的三维增益方向图从图中可以看出最大辐射方向为z方向，最大增益为7.42dB。查看平面方向图此图为E面的切面图，可以看出有三个旁瓣。其他天线参数从图中可以看出最大电压值为0.43，前后比为84.134和一些其他参数的值。实验结果分析及总结从本次实验中，我们得知微带贴片的长度对于天线的谐振点有很大的影响，而微带贴片的宽度对天线的谐振点没什么太大的影响。优化后的天线可以使谐振点落在2.45GHz，但是输入阻抗并没有到达标准的50Ω，可以通过使用参数扫描分析功能分析变量Xf的变化对输入