HFSS的天线课程设计

1、-一、实验目的使用电磁软件ansofhfss设计微带天线。微带天线要求：工作频率为2.5GHz，带宽(回波损耗S11-10dB)大于5%。在模拟实验的帮助下，可以掌握各种微波炉组件的具体图像。二、实验原理1、微带天线简介微带天线的概念是1953年由Deschamps首次提出的，经过20年左右的发展，Munson和Howell在20世纪70年代初制造了真正的微带天线。微带天线由于质量轻、尺寸小、制造方便，目前广泛应用于个人无线通信。图1:微带天线的结构图1是由辐射源、介质层和参考地三部分组成的简单微带贴片天线的结构。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

2、对介电常数和损耗切线、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线由微带天线提供，此次设计的矩形微带贴片天线使用相同的轴供给。也就是说，通过参照和介质层将相同轴距离的内部线与辐射源连接起来。对于矩形贴片微带天线，可以在理论分析中使用传输线模型分析性能。矩形贴片微带天线的工作主要模式是TM10模，这意味着电场在长度l方向变化时在宽度w方向保持不变。如图2(a)所示，电压值的最大电流值最小，因为在长度l方向上通过两个端子打开的缝隙发射电磁能量，在宽度w方向的边缘上打开端子。如图2(b)所示，微带线边缘的电场可以分解为垂直于参考地的元件和平行于参考地的元件两部分，两个边缘的垂直电场元件大小相同

3、，方向相反，平行电场元件大小相同，方向相反。因此，远场辐射电场的垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。(a)平面(b)侧视图图2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何参数推导计算公式假定矩形嵌片的有效长度设置为(1-1)表示波导波长的类型(1-2)表达式中表示有效介电常数的自由空间波长(1-3)表达式中表示介质的相对介电常数，h表示介质层厚度，w表示微带片的宽度。因此，矩形补片的实际长度l为(1-4)表达式中表示真空的光速，表示天线的工作频率，表示图2(a)所示的等效发射间隙的长度(1-5)矩形补片的宽度w可以计算为：(1-6)对于同轴馈电的微带贴片天线，在确认贴片长度l和宽度w后，

4、必须确定相同轴馈点的位置，馈点的位置影响天线的输入阻抗，微波应用通常使用50的标准阻抗，因此确定馈点的位置假定天线的输入阻抗等于50。对于图3所示的同轴馈电的微带补片天线，坐标原点位于补片的中心，以()表示馈入点的位置坐标。图3同轴馈电微带天线在TM10模式下，w方向上的电场强度不会改变，因此理论上，w方向上的任何点都可以是馈入点，而w方向上的馈入点的位置通常位于中心点上，以避免出现TM1n模式。也就是说(1-7)在l方向上，电场有所变化，因此在长度l方向上，阻抗从中心向两侧逐渐增大，输入阻抗为50的供给点位置可以通过以下方式计算：(1-8)在样式中，(1-9)上述分析基于参考地面无限，但在实

5、际设计中，参考地面都是有限区域，理论分析证明参考地面比微带面片的距离大。计算结果可能足够精确，因此设计中参考位置的长度和宽度有两种：(1-10)(1-11)三、实验阶段1、设计指标和天线几何参数计算本实验用矩形微带天线的中心频率为2.5GHz，可选介质片为Rogers RO4003，使用相对介电常数，厚度=5mm，天线采用同轴馈电。根据上述诱导公式计算微带天线的几何尺寸，包括补片的长度l和宽度w、同轴馈入点的位置坐标()和参考地的长度和宽度。(1)，矩形补片的宽度w图形生成器(1-6)可以计算微带天线矩形补片的宽度(2)，有效介电常数取代式(1-3)可以计算有效的介电常数(3)，辐射间隙的长度

6、克罗舍(1-5)是微带天线的辐射槽长度(4)，矩形补片的长度l图形生成器(1-4)可以计算微带天线矩形补片的长度(5)，参考纸的长度和宽度分别替换表达式(1-10)和(1-11)，可以计算微带天线参考场所的长度和宽度(6)，同轴馈电点的位置坐标()可以分别使用表达式(1-7)、样式(1-8)和样式(1-9)计算微带天线同轴馈电点的位置坐标()2、HFSS设计和建模概述(1)，建模概述该设计天线是一种微带结构，HFSS工程使用同轴馈电，可选择模式驱动解决方案类型。如果需要在HFSS中计算远距离辐射场，则需要设置发射边界曲面或PML边界曲面，此处使用发射边界条件，发射边界曲面应大于辐射源的四分之一

7、波长，以确保通常计算的精度。由于使用了辐射边界面，同轴馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激发方式必须定义聚合端口激发。基准和微带面片可以改为使用理想的导体，在HFSS中为一个二维平面模型指定理想的导体边界条件，以模拟理想的薄导体。参考位置放置在座标系统内的平面上，由先前计算的参考长度、宽度、参考长度和宽度选取。介质层的高度为5mm，长度和宽度都位于参考位置的正上方。微带补缀是根据先前计算的长度和宽度初始值，使用长度、宽度、轴向长度、轴向宽度等放置在平面中。使用半径圆柱体模拟同一轴的内芯，圆柱体平行于轴放置，圆柱体底面中心的坐标为()。需要将气缸材料设置为理想导体(pec)，气缸顶部

8、与微带面片相切，底部与参考地面相切，在与气缸接触的参考地面上挖掘半径圆孔，并设置为信号输入输出端口。此端口的激励方式应使用总端口激励设置、HFSS分析设计天线等发射问题，并在模型完成后设置发射边界条件。发射边界曲面距离发射源通常至少需要四分之一波长，在2.5GHz下，自由空间的四分之一波长程度约为1/4，因此，在这里，可以设置发射边界曲面距离微带天线，并将整个微带天线模型(包括参考、介质层和微带面片)的宽高比设置为宽高比，因此，发射边界曲面的宽高比可以设置为宽高比。建模以进行后续参数扫描分析和设计优化时，请分别定义设计变量Length、Width和Xf，以指示微带曲面片的长度、宽度和同轴线的进

9、给点位置。(2)，HFSS设计环境概述解决方案类型：模式驱动的解决方案建模工作：模型基本体：长方体、圆柱体、矩形面、圆形面模型操作：减法操作边界条件和激励边界条件：理想导体边界，辐射边界端口这里：设置端口总数这里解释设置解决频率：2.5GHz扫描设置：快速扫描，范围从3.5GHz到3.5GHz什么参数扫描曲面分析优化设计数据后处理：s参数扫描曲线、天线模式、史密斯饼图等。3、制作微带天线模型(1)将分析类型设定为驱动模型，并将预设长度单位设定为mm。(2)，创建参考地点将在的平面上创建具有通过参照标示元件指定大小的矩形面的顶点，将其命名为GND，并指定理想的导体边界条件。(3)，创建介质板层使

10、横竖框成为介质板层。媒体板层的底部位于参考地面(即平面)上，其顶点坐标为，媒体板材质命名为Rogers RO4003，媒体板层命名为Substrate。(4)，创建微带补丁在的平面中创建大小为的矩形地物作为微带曲面片，将其命名为Patch，然后指定所需的导线边界条件。(5)、同轴馈线的内芯生成建立圆柱作为同轴进料器的内部芯。圆柱体的半径为，长度为，圆柱体底面的中心坐标为，材质是理想的导体，同轴馈线的名称为进给线。(6)，创建信号传输端口面同轴馈线必须通过参考地面传输信号能量。因此，必须在基准地面GND上打开圆孔，以允许能量转移。圆形孔的半径为，中心坐标为，命名为Port。运行ModelerBo

11、oleanSubstrate命令时，打开“Subtract”对话框，确保GND显示在对话框的“Blank Parts”列中，在“Tools Parts”列中显示Port，指示参考模型GND减去圆形Port，并且要保留圆形Port本身，请在对话框中选择(7)，创建放射边界条件创建顶点坐标为、长方体的横竖为的长方体。长方体模拟自由形式空间，因此材质是真空，长方体命名为Air。创建这些长方体后，将周围曲面设置为发射边界条件。4、设置激励端口将对同轴信号端口面(圆形端口)的激励设置为总端口激励。起点坐标为。分别是1、0和0。5、分析设置天线的中心频率为2.5GHz，因此将HFSS解决频率(即自适应网络

12、部分频率)设置为2.5GHz，添加1.5ghz到3.5ghz的扫描设置，以分析1.5ghz到3.5ghz频段上天线的回波损耗或电压停止比率。如果天线的回波损耗或电压正波比扫描结果没有以2.45GHz的频率显示，则需要添加参数扫描分析并进行优化设计，以提高天线性能。6、运行设计检查和仿真分析上一个任务完成了HFSS设计的上一个任务(例如创建模型和设置解决方案)，现在您可以运行模拟计算和查看分析结果。在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查以验证设计的完整性和准确性。通过“HFSS”“Validation Check”命令执行设计检查时，弹出的“显示检查结果”对话框中的每个条目都将显示一个图标，指

13、示当前HFSS设计准确完整。现在，您可以运行相关的仿真计算。7、查看天线共振点检查天线信号端口回波损耗(即S11)的扫描分析结果，以提供天线的谐振点。图中所示的S11.5到3.5ghz频段生成S11的扫描曲线报告。如图所示，在S11中，最大时间为2.4167GHz。四、优化设计和结果上图所示的S11扫描曲线报告表明，根据计算的大小设计的微带天线谐振频率点在2.4167GHz与预期中心频率2.5GHz相比存在一些误差，因此需要进行优化设计，以确保天线的谐振频率达到2.5GHz。理论分析表明，矩形微带天线的谐振频率取决于微带天线的长度和宽度，补丁尺寸越小，谐振频率越高。首先，使用参数扫描分析功能进

14、行参数扫描分析，分析微带片长度长度和宽度宽度宽度宽度宽度对谐振频率点的变化情况，然后进行优化设计，优化微带片长度长度长度长度长度长度和宽度宽度，使天线的谐振频率达到2.5GHz，带宽满足设计要求的5%以上。1、参数扫描分析(1)，变量Length的扫描分析在项目树的Optimctrics节点下，添加扫描范围(LinerStep中的变量Length)，间隔为28 mm到31 mm，0.5mm。运行参数扫描分析时，系统会生成一组11曲线报告，每个报告对应于不同的Length变量值，如下图所示。上图的S11曲线报告显示，微带贴片宽度固定时微带天线的谐振频率随着微带贴片长度Length的减小而增大。如

15、果Length=28.5mm，则谐振频率点约为2.5GHz。(2)，变量Width扫描分析在项目树的Optimctrics节点下，添加LinerStep的变量Width，扫描范围为39mm到42mm，间隔为0.5mm的扫描。运行参数扫描分析将生成一组S11曲线报告地物，每个地物对应不同的Width变量值，如下图所示。在上图所示的S11曲线报告中，可以看到微带贴片长度Length固定时微带贴片宽度Width的变化对矩形微带天线的谐振频率点影响不大。2、设计优化通过以上参数扫描分析，可以看出微带贴片长度Length的变化对矩形微带天线的谐振频率影响很大，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带天线

16、的谐振频率点影响很小，如果Length=28.5mm，Width=39.78mm，则谐振频率约为2.5GHz。因此，优化设计时，只需优化变量Length，长度优化范围可以设置为28mm到29mm。优化算法选择SNLP，目标函数采用S11的最小值，HFSS采用dB(S(P1，P1)的最小值。在显示的优化结果中，可以看到目标函数值最小时对应的优化变量Length28.69mm。3、查看优化的天线性能上述参数扫描分析表明，天线的谐振频率点为2.5GHz，长度=28.69 mm，宽度=39.78 mm。以下将变量设置为上述优化值，以验证天线的各种性能。(1)，查看S11参数在S11扫描曲线报告中标注最小点，Length=28.69mm，Width=39.78，如果天线的谐振频率点为2.5GHz，则S11-21.33。Length=28.69mm，Width=39.78时S11的扫描曲线(2)，查看S11参数的Smith饼图结果如果报告图中标签为2.5GHz，标签为2.5GHz，则天线的完全限定输入阻抗为(0.9258-j0.1482)。S11的Smith饼图结果(3)，查看天线的三维增益模式如三维增益图所示，此微带面片的最大发射方向是微带面片的垂直方向，即轴向，最大增益约为7.5dB。3d增益图案(4)，平面视图从天线e平面的