基于HFSS的天线设计

1、一、实验目的使用电磁软件安软HFSS设计微带天线。微带天线要求：工作频率为2.5千兆赫，带宽(回波损耗S11-10dB)大于5%。借助模拟实验，我们对各种微波组件有了具体而生动的了解。二、实验原理1.微带天线简介微带天线的概念是由德尚在1953年首次提出的。经过20年的发展，曼森和豪威尔在20世纪70年代早期制造了真正的微带天线。微带天线因其重量轻、体积小、易于制造等优点，在个人无线通信中得到了广泛应用。图1:微带天线的结构图1是简单的微带贴片天线的结构，其由辐射源、电介质层和参考地组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度H、介质的相对介电常数和损耗角正切、介

2、质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线由微带天线馈电，这次要设计的矩形微带贴片天线由同轴线馈电，也就是说，同轴线街道的内线穿过参考地和介电层与辐射源连接。对于矩形贴片微带天线，传输线模型可用于理论分析其性能。矩形贴片微带天线的主要工作模式是TM10模式，这意味着电场在长度l方向上变化，但在宽度w方向上保持不变。如图2(a)所示，在长度l方向上，可以看到具有两个开口端子的间隙辐射电磁能量。在宽度w方向的边缘，最大电压值和最小电流值是由开路端子引起的。从图2(b)中可以看出，微带线边缘的电场可以分为两部分：垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量。两边的垂直电场分量大小相等方向相反，平行电

3、场分量大小相等方向相反。因此，远区中辐射电场的垂直分量相互抵消，并且辐射电场平行于天线表面。(a)俯视图(b)侧视图图2是矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2.天线几何结构参数的推导和计算公式假设矩形面片的有效长度设置为，则有(1-1)在公式中，波导的波长表示如下(1-2)在该公式中，自由空间波长被表示，有效介电常数被表示，并且(1-3)其中，代表介质的相对介电常数，h代表介质层的厚度，w代表微带贴片的宽度。由此，矩形贴片的实际长度L可以计算如下(1-4)在该公式中，它表示真空中的光速，表示天线的工作频率，并表示图2(a)所示的等效辐射间隙的长度，并且具有(1-5)矩形贴片的宽度W可以通过以下公

4、式计算：(1-6)对于由同轴线馈电的微带贴片天线，在确定贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈电点的位置。馈电点的位置将影响天线的输入阻抗。在微波应用中，通常使用50的标准阻抗，因此馈电点的位置被夸张地确定为天线的输入阻抗等于50。对于如图3所示的由同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，馈电点的位置坐标由()表示。图3同轴线馈电微带天线对于TM10模式，电场强度在w方向上不变，因此理论上w方向上的任何点都可以用作馈电点。为了避免TM1n模式的激励，馈送点在w方向上的位置通常取在中心点，即(1-7)电场在L方向上变化，因此在长度L方向上，阻抗从中心到两侧逐渐增加，并且输入阻抗等于

5、50的馈电点位置可以通过以下公式计算：(1-8)在公式中，(1-9)上面的肛门本实验中矩形微带天线的中心频率为2.5GHz，选用的介质板为罗杰斯RO4003，其相对介电常数为5毫米，天线由同轴线馈电。根据上述推导公式，计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L和宽度W、同轴线馈电点的位置坐标()和参考地的长度和宽度。(1)矩形贴片的宽度W代入方程(1-6)可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即(2)有效介电常数有效介电常数可以通过代入等式(1-3)来计算，即(3)、辐射间隙的长度代入方程(1-5)可以计算出微带天线辐射槽的长度，即(4)矩形面片的长度L代入方程(1-4)可以计算出微带天线矩形贴片的

6、长度，即(5)参考地面的长度和宽度通过分别代入等式(1-10)和(1-11)，可以计算微带天线参考地的长度和宽度，即(6)、同轴线馈电点位置坐标()分别代入等式(1-7)、等式(1-8)和等式(1-9)，可以计算微带天线的同轴馈电点的位置坐标()，即2.HFSS设计与造型概述(1)建模概述本文设计的天线是由同轴线馈电的微带结构。HFSS项目可以选择模式驱动的解决方案类型。在HFSS，如果需要计算远场辐射场，必须设置辐射边界表面或PML边界表面。这里使用辐射边界条件。为了保证计算的准确性，辐射边界表面通常需要辐射源1/4以上的波长。由于采用辐射界面，同轴线馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因

7、此端口激励模式需要定义集总端口激励。参考地和微带贴片被理想导体代替。在HFSS，可以通过将理想导体边界条件分配给二维平面模型来模拟理想薄导体。参考地面放置在坐标系中的一个平面上。这里取先前计算的参考地面的长度和宽度。电介质层位于参考地的正上方，高度为5毫米，长度和宽度均为5毫米。微带贴片放置在一个平面上，其长度和宽度的初始值分别为长度和宽度。长度沿轴向设置，宽度沿轴向设置。一个有半径的圆柱体用来模拟同轴线的内芯，圆柱体平行于轴线放置，圆柱体底面圆心的坐标为()。圆柱体由理想导体(pec)制成，圆柱体顶部连接微带贴片，底部连接参考地。需要在与圆柱体相连的参考地面上挖一个半径为的圆孔作为信号输入和

8、输出端口。端口的激励模式设置为集总端口激励。HFSS被用来分析和设计辐射问题，如天线。模型建立后，用户还必须设置辐射边界条件。辐射边界表面通常需要来自辐射源的1/4波长以上，自由空间中的1/4波长约为2.5千兆赫。因此，辐射边界表面被设置为与微带天线分开，并且整个微带天线模型(包括参考地、电介质层和微带贴片)的长度和宽度被设置为，因此辐射边界表面的长度和宽度可以被设置为。为了便于后续的参数扫描分析和优化设计，在建模过程中定义了设计变量Length、Width和Xf分别表示微带贴片的长度和宽度以及同轴线的馈电点位置。(2)HFSS设计环境概述解决方案类型：模式驱动解决方案建模操作：模型原型：长方

9、体、圆柱体、矩形面、圆形面模型运算：减法运算边界条件和激励措施边界条件：理想导体边界和辐射边界端口激励：集总端口激励解决方案设置解决方案频率：2.5千兆赫扫频设置：快速扫频，扫频范围为1.5 3.5 GHz参数扫描分析优化设计数据后处理：S参数扫频曲线、天线方向图、史密斯圆图等。3、创造微观创建一个长方体，其长度、宽度和高度作为电介质层。电介质层的底部位于参考地(即的平面上)。它的顶点坐标是，电介质层的材料是罗杰斯RO4003，电介质层命名为衬底。(4)创建微带贴片在平面上，创建一个顶点坐标和大小为微带贴片的矩形，命名为贴片，并为其指定理想导体边界条件。(5)创建同轴馈线的内核创建一个圆柱体作

10、为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为，长度为，圆柱体底部圆心的坐标为，材料为理想导体，同轴馈线命名为馈线。(6)创建信号传输端口表面同轴馈线需要通过参考地来传输信号能量。因此，有必要在参考地GND上开一个圆孔以允许能量传输。圆孔的半径是，中心坐标是，它被命名为端口。当执行建模布尔基底命令时，打开如下图所示的“减去”对话框，并确认GND显示在对话框的“空白零件”列中，“端口”显示在“工具零件”列中，这表示从参考地面模型GND中减去了圆形面端口。为了保持圆形面端口本身，需要选中对话框的“减去前克隆工具对象”复选框。(7)创建辐射边界条件用顶点坐标和长方体的长度、宽度和高度创建一个长方体。长方体模拟一个

11、自由空间，所以材料是真空，长方体叫做空气。创建这样一个长方体后，将其外围表面设置为辐射边界条件。4、设置励磁端口将同轴信号端口表面(即圆形端口)的激励模式设置为集总端口激励。起点的坐标分别为1、0和0。5.解决方案设置天线的中心频率为2.5千兆赫，因此HFSS的解算频率(即自适应网络部分频率)设置为2.5千兆赫。同时，增加1.5千兆赫至3.5千兆赫的扫频设置，以分析天线在1.5千兆赫至3.5千兆赫频带内的回波损耗或电压驻波比。如果天线的回波损耗或VSWR扫频结果表明频率没有低于2.45千兆赫，则有必要增加参数扫描分析并进行优化设计，以改变微带贴片的尺寸和同轴线馈电点的位置，从而获得良好的天线性

12、能。6.设计检查和运行模拟分析通过前面的操作，HFSS设计的前期工作，如模型创建和求解设置已经完成，然后可以进行仿真计算和查看分析结果。在运行模拟计算之前，通常需要检查设计的完整性和正确性。通过HFSS验证检查命令，检查设计，并在弹出的“检查结果显示”对话框中显示每个项目的图标，表明当前HFSS设计是正确和完整的。下面可以运行相关的模拟计算。7、检查天线谐振点检查天线信号端口回波损耗的扫频分析结果(即S11)，并给出天线的谐振点。生成如图所示的S11在1.5-3.5千兆赫频段的扫频曲线报告。从图中可以看出，当S11最小时，频率为2.4167千兆赫四.优化设计和结果从上图所示的S11扫频曲线报告

13、可以看出，根据计算尺寸设计的微带天线的谐振频率点为2.4167千兆赫，与预期的中心频率2.5千兆赫相比有一定误差，因此需要进行优化设计，使天线的谐振频率降至2.5千兆赫根据理论分析，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，利用参数扫描分析函数进行参数扫描分析，分别分析谐振频率点随微带贴片长度和宽度的变化关系。然后进行优化设计，优化微带贴片的长度和宽度，使天线的谐振频率降至2.5GHz，带宽也满足设计要求的5%以上。1.参数扫描分析(1)可变长度扫描分析在.下面从上图中的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

14、的减小而增加。当长度=28.5毫米时，谐振频率点约为2.5千兆赫(2)可变宽度扫描分析在工程树下的Optimctrics节点下，扫描模式下增加了可变线宽Step，扫描范围为39-42毫米，间隔为0.5毫米。运行参数扫描分析可以生成一组S11曲线报告图，如下图所示，每条曲线对应一个不同的宽度变量值。从上图所示的S11曲线报告可以看出，当微带贴片的长度固定时，微带贴片宽度的变化对矩形微带天线的谐振频率点影响很小。2.优化设计通过上述参数扫描分析可知，微带贴片长度的变化对矩形微带天线的谐振频率有显著影响，而微带贴片宽度的变化对矩形微带天线的谐振频率点影响不大。当长度=28.5毫米，宽度=39.78毫

15、米时，谐振频率约为2.5千兆赫。因此，在优化设计过程中，只需要优化变量Length，长度的优化范围可设置为28毫米至29毫米。优化算法选择SNLP，目标函数取最小值S11，最小值dB(S(P1，P1)取值HFSS。从显示的优化结果可以看出，当目标函数值最小时，其对应的优化变量长度为28.69毫米3.检查优化的天线性能根据上述参数扫描分析，当长度=28.69毫米，宽度=39.78毫米时，天线的谐振频率点为2.5千兆赫。将变量设置为下面的上述优化值，查看天线的各种性能。(1)检查S11参数最小点标记在S11扫描曲线报告中。当长度=28.69毫米，宽度=39.78时，天线的谐振频率点为2.5千兆赫，S11-21.33。长度=28.69毫米，宽度=39.78 S11扫描曲线(2)检查S11参数的史密斯圆图结果当标记的位置为2.5GHz，并且标记在报告图中显示为2.5GHz时，天线的归一化输入阻抗为(0.9258-j0.1482)。S11的史密斯圆图结果(3)检查天线的三维增益模式从三维增益图可以看出，微带贴片的最大辐射方向是微带贴片的法线方向，即轴向，最大增益约为7.5分贝三维增益模式(4)、检查计划看看天线的E面图案。微带天线的