HFSS天线课程设计1005041508.docx
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HFSS天线课程设计1005041508
一、实验目的
●利用电磁软件AnsoftHFSS设计一款微带天线。
◆微带天线要求：
工作频次为，带宽（回波消耗S11<-10dB）大于5%。
●在仿真切验的帮助下对各样微波元件有个详细形象的认识。
二、实验原理
1、微带天线简介
微带天线的观点第一是由Deschamps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年月早期制造出了实质的微带天线。
微带天线因为拥有质量轻、体积小、易于制造等长处，当今已经宽泛应用于个人无线通讯中。
图1是一个简单的微带贴片天线的构造，由辐射源、介质层和参照地三部分构成。
与天线性能有关的参数
包含辐射源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数r和消耗正切
tan
、介质层的长度
LG和宽度
WG。
图
1所示的微带贴片天线是
图1：
微带天线的构造
采纳微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采纳的是同轴线馈
电，也就是将同轴线街头的心里线穿过参照地和介质层与辐射源相连结。
关于矩形贴片微带天线，理论剖析时能够采纳传输线模型来剖析其性能，
形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有
g
/2
矩
的
改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上能够看做成有两个终端开路的空隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边沿处因为终端开路，所以电压值最大电流值最小。
从图2（b）能够看出，微带线边沿的电场能够分解成垂直于参照地的重量和平行于参照地的重量两部分，两个边沿的垂直电场重量大小相等、方向相反，平行电场重量大小相等，方向相反；所以，远区辐射电场垂直重量互相抵消，辐射电场平行于天线表面。
（a）俯视图（b）侧视图
图2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图
2、天线几何构造参数推导计算公式
假定矩形贴片的有效长度设为Le，则有
Le
g/2
（1-1）
式中，
g表示波导波长，有
g
0/e
（1-2）
式中，
0表示自由空间波长，
e表示有效介电常数，且
1
1
h
1
r
r
（1-3）
e
2
（1
12）2
2
W
式中，
r表示介质的相对介电常数，
h表示介质层厚度，W表示微带贴片的
宽度。
由此，可计算出矩形贴片的实质长度L，有
LLe2L
0
2L
c
2L（1-4）
2f0e
2
e
式中，c表示真空中的光速，
f0表示天线的工作频次，
L表示图2（a）
中所示的等效辐射空隙的长度，且有
（
（
e
e
0.3）（W/h0.264）
（1-5
）
0.258）（W/h0.8）
矩形贴片的宽度W能够由下式计算：
c
1
1
r
2
W
2
（1-6）
2f0
关于同轴线馈电的微带贴片天线，在确立了贴片长度L和宽度W以后，还需
要确立同轴线馈点的地点，馈点的地点会影响天线的输入阻抗，在微波应用中通
常是使用50的标准阻抗，所以夸耀确立馈点的地点是天线的输入阻抗等于
50。
关于图3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以（xf,yf）表示馈点的地点坐标。
图3同轴线馈电的微带天线
关于TM10模式，在W方向上电场强度不变，所以理论上W方向上的任一点都能够作为馈点，为了防止激发TM1n模式，在W方向上馈点的地点一般取在中心点，即
yf0
（1-7）
在L方向上电场有
g/2的改变，所以在长度
L方向上，从中心到双侧，阻
抗渐渐变大，输入阻抗等于50的馈点地点可由下式计算：
xf
L
（1-8）
2
re（L）
式中，
re（L）
r1
r1
h
2
2
（112）
L
1
2（1-9）
上述剖析都是鉴于参照地平面是无穷大的基础上的，但是实质设计中，参照
地都是有限面积的，理论剖析证了然当参照地平面比微带贴片大出6h的距离时。
计算结果就能够达到足够的正确，所以设计中参照地的长度LGND和宽度WGND
只要知足以下两式即可，即
LGND
L
6h
（1-10）
WGND
W
6h
（1-11）
三、实验步骤
1、设计指标和天线几何构造参数计算
本实验的矩形微带天线的中心频次为，采纳的介质板材为
RogersRO4003，
其相对介电常数r3.55，厚度h=5mm，天线使用同轴线馈电。
依据上边的推导
公式来计算微带天线的几何尺寸，包含贴片的长度L和宽度W、同轴线馈点的位
置坐标（xf,yf），以及参照地的长度LGND和宽度WGND。
（1）、矩形贴片的宽度W
把
c
3.0108
/,
r
代入式（
1-6
），能够计算出微带天
msf0
GHz
线矩形贴片的宽度，即
（2）、有效介电常数e
把h5mm,W39.78mm,r3.55代入式（1-3），能够计算出有效介电常数，
即
e
（3）、辐射空隙的长度L
把h5mm,W39.78mm,e3.08代入式（1-5），能够计算出微带天线辐射
空隙的长度，即
（4）、矩形贴片的长度L
把c
8msf
0
GHz
3.08,
L
mm代入式（
1-4
），能够
10/,
2.5,e
计算出微带天线矩形贴片的长度，即
L
（5）、参照地的长度LGND和宽度WGND
把h5mm,W39.78mm,L29.55mm分别代入式（1-10）和（1-11），可
以计算出微带天线参照地的长度和宽度，即
LGNDWGND
（6）、同轴线馈点的地点坐标（xf,yf）
把r3.55,h5mm,W
39.78mm,L
分别代入式（1-7）、式（1-8）
和式（1-9），能够计算出微带天线同轴线馈点的地点坐标（
xf,yf），即
xf
yf0mm
2、HFSS设计和建模概括
（1）、建模概括
本设计天线是使用同轴线馈电的微带构造，HFSS工程能够选择模式驱动求
解种类。
在HFSS中假如需要计算远区辐射场，一定设置辐射界限表面或许PML
界限表面，这里使用辐射界限条件，为了保证计算得正确性，辐射界限表面距离
辐射源往常需要大于1/4个波长。
因为使用了辐射界限表面，所以同轴线馈线的
信号输入/输出端口位于模型内部，所以端口激励方式需要定义集总端口激励。
参照地和微带贴片使用理想导体来取代，在HFSS中能够经过给一个二维平
面模型分派理想导体界限条件的方式模拟理想薄导体。
参照地搁置于坐标系中
z0的xOy平面上，由之前计算出的参照地长度LGND，宽度WGND69.78mm，这里参照地长度和宽度都取90mm。
介质层位于参照地的正上方，其高度为5mm，长度和宽度都取80mm。
微带贴片搁置于z5的xOy平面
上，依据以前计算出的其长度和宽度的初始值分别为长度L29.55mm，宽度
W39.78mm，设置其长度沿着x轴方向，宽度沿着y轴方向.使用半径为
的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体与z轴平行搁置，圆柱体的底面圆心坐标为
（8.52mm,0,0）。
设置圆柱体材质为理想导体（pec），圆柱体顶部与微带贴片相
接，底部与参照地相接，在与圆柱体相接的参照地面上需要挖出一个半径
的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，使用
HFSS剖析设计天线一类的辐射问题，在模型建好以后，用户还一定设置辐射边
界条件。
辐射界限表面距离辐射源往常需要大于1/4个波长，时自由空间中1/4
个波长约为30mm,所以在这里设置辐射界限表面距离微带天线30mm，整个微带
天线模型（包含参照地、介质层和微带贴片）的长宽高为90mm90mm5mm，
所以辐射界限表面的长宽高能够设置为160mm160mm60mm。
为了方便后续参数扫描剖析和优化设计，在建模时分别定义设计变量
Length、Width和Xf来表示微带贴片的长度、宽度和同轴线的馈点地点。
（2）、HFSS设计环境概括
●求解种类：
模式驱动求解
●建模操作：
◆模型原型：
长方体、圆柱体、矩形面、圆面
◆模型操作：
相减操作
●界限条件和激励
◆界限条件：
理想导体界限、辐射界限
◆端口激励：
集总端口激励
●求解设置
◆求解频次：
◆扫频设置：
迅速扫描，扫频范围为～
●Optimetrics
◆参数扫面剖析
◆优化设计
●数据后办理：
S参数扫频曲线，天线方向图，Smith圆图等。
3、创立微带天线模型
（1）、设置求解种类为DrivenModel和默认的长度单位为mm。
（2）、创立参照地
在z0的xOy平面上创立一
个极点位于（45mm,45mm），大小
为90mm90mm的矩形面作为参照地，命名为GND，并为其分派理想导体界限条件。
（3）、创立介质板层
创立一个长宽高为80mm80mm5mm的长方体作为介质板层，介质板层的
底部位于参照地上（即z0的xOy平面上），其极点坐标为（40mm,40mm,0），介质板的资料为RogersRO4003，介质板层命名为Substrate。
（4）、创立微带贴片
在z5的xOy平面上创立一个极点坐标为（14.775mm,19.890mm,0），大小
为29.55mm39.78mm的矩形图作为
微带贴片，命名为Patch，并为其分派
理想导体界限条件。
（5）、创立同轴馈线的内芯
创立一个圆柱体作为同轴馈线的
内芯，圆柱体的半径为，长度
为5mm，圆柱体底部圆心坐标为，材
料为理想导体，同轴馈线命名为
Feedline。
（6）、创立信号传输端口面
同轴馈线需要穿过参照地面，传
输信号能量。
所以，需要在参照地面
GND上开一个圆孔允许传输能量。
圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为
（8.52mm,0,0），并将其命名为Port。
在
履行Modeler→Boolean→Substrate
命令时，翻开以下列图所示的Subtract
对话框，确认对话框的BlankParts
栏显示的是GND，ToolsParts栏显示
的是Port，表示使用参照地模型GND
减去圆面Port，而且为了保存圆面Port自己，需要选中对话框的Clonetool
objectsbeforesubtracting复选框。
（7）、创立辐射界限条件
创立一个长方体，其极点坐标为
（80mm,80mm,30mm），长方体的长宽高为160mm160mm60mm。
长方
体模拟自由空间，所以材质是真空，长方体命名为Air。
创立好这样的一个长方
体以后，设置其周围表面为辐射界限条件。
4、设置激励端口
设置同轴线信号端口面（即圆面
Port）的激励方式为集总端口激励。
起
点坐标为（9.02mm,0,0），dX,dY,dZ分别
为1、0、0。
5、求解设置
天线的中心频次为，所以设置HFSS
的求解频次（即自适应网络部分频次）为，同时增添～的扫频设置，剖析天线在～频段内的回波消耗或许电压驻波比。
假如天线的回波消耗或许电压驻波比扫频结果显示频次没有落在上，还需要增添参数扫描剖析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的地点，以达到优秀的天线性能。
6、设计检查和运转仿真剖析
经过前面的操作，已经达成了模型创立和求解设置等HFSS设计的先期工作，接下来就能够运转仿真
计算，并查察剖析结果
了。
在运转仿真计算之
前，往常需要进行设计
检查，检查设计的完好
性和正确性。
经过HFSS
→ValidationCheck命令，进行设计检查，弹出的“检查结果显示”对话框中
的每一项都显示图标，表示目前的HFSS设计正确、完好。
下边就能够运转有关的仿真计算了。
7、查察天线谐振点
查察天线信号端口回波消耗（即S11）的扫频剖析结果，给出天线的谐振点。
生成以下图的S11在～频段内的扫频曲线报告。
从图中能够看出，当S11最小
时，频次是。
四、优化设计及结果
由上图所示的S11扫频曲线报告可知，依据计算的尺寸设计出的微带天线谐振频次点在，与希望的中心频次对比，存在必定的偏差，所以需要进行优化设计，使天线的谐振频次落在上。
依据理论剖析可知，矩形微带天线的谐振频次由微带天线的长度和宽度决
定，贴片尺寸越小谐振频次越高。
第一使用参数扫描剖析功能进行参数扫描剖析，剖析谐振频次点分别跟着微带贴片长度Length和宽度Width的变化关系，而后进行优化设计，优化微带贴片长度Length和宽度Width，使天线的谐振频次落在上，带宽同时也知足设计要求的5%以上。
1、参数扫描剖析
（1）、变量Length的扫描剖析
在工程树下的Optimctrics节点下，增添扫描方式是LinerStep的变量Length，扫描范围是28mm～31mm，间隔是。
运转参数扫描剖析，能够生成以下列图所示的一组S11曲线报告图，每一条曲线对应不一样的Length变量值。
从上图的S11曲线报告能够看出，当微带贴片的宽度固准时，微带天线的谐振频次跟着微带贴片长度Length的减小而变大。
当Length=时，谐振频次点约为。
（2）、变量Width的扫描剖析
在工程树下的Optimctrics节点下，增添扫描方式是LinerStep的变量
Width，扫描范围是39mm～42mm，间隔是。
运转参数扫描剖析，能够生成以下列图
所示的一组S11曲线报告图，每一条曲线对应不一样的Width变量值。
从上图所示的S11曲线报告中能够看出，当微带贴片长度Length固准时，微带贴片宽度Width的改变对矩形微带天线谐振频次点的影响很小。
2、优化设计
经过上边的参数扫描剖析，能够知道微带贴片长度Length的变化对矩形微带天线谐振频次的影响显着，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带天线谐振频次点的影响很小。
当Length=，Width=时，谐振频次约为。
所以进行优化设计时，只要要优化变量Length，并能够设置Length的优化范围为28mm～29mm。
优化算法选择SNLP，目标函数取S11的最小值，在HFSS中即取dB（S（P1,P1））的最
小值。
从显示的优化结果中能够看出，当目标函数值最小的时候，其对应的优化变量。
3、查察优化后的天线性能
由上边的参数扫描剖析可知，当Length=，Width=时，天线的谐振频次点在。
以下将变量设置为上述优化值，查察天线的各样性能。
（1）、查察S11参数
在S11扫描曲线报告里标明出最小值点，
振频次点在，此时。
当
Length=,Width=
时，天线的谐
Length=28.69mm,Width=时S11的扫描曲线
（2）、查察S11参数的Smith圆图结果
在报告图中标志处的地点，标志处显示在时，天线的归一化输入阻抗为（）
。
S11的Smith圆图结果
（3）、查察天线的三维增益方向图
从三维增益方向图中能够看出该微带贴片最大辐射方向是微带贴片的法向
方向，即z轴方向，最大增益约为。
三维增益方向图
（4）、查察平面方向图
查察天线E平面的方向图，该微带天线的E平面位于xOz平面上。
生成的曲
线报告为：
E平面增益方向图
（5）、查察电压驻波比
电压驻波比报告图
在VSWR的报告图的和地点做标志，可见在～频段，VSWR<。
五、实验剖析
经过以前的计算和仿真，能够发现由原理公式推导出来的Length和Width的
参数其实不可以达到实验设计要求。
但经过参数优化设计和参数扫描办理后，获得的
参数使得设计的天线达到了实验设计要求：
工作频为，带宽（回波消耗S11<-10dB）
为%（143MHz），大于5%（125GHz）。
六、实验心得领会
说真话，在此次设计实验以前，我对HFSS这个软件的认知几乎是一片空白，
而对天线的设计也不过逗留在简单的想法上，其实不切实知道与天线有关的参数有
哪些，各个参数又是如何影响天线性能的，而要想设计一个天线又要经过一个怎
样的过程。
可是，经过此次天线设计实验后，第一我对HFSS这个软件的功能和操作有了
较好的掌握，知道了如何利用该软件完好天线的设计和优化工作。
而在设计和仿
真过程中间，也对天线的各个参数有了更为详细的认识，对其是如何影响天线的
性能有了深刻和直观的认识。
在设计之初，我第一依据一个教程设计一款天线（见附图1），可是经过优化后，工作频次是达到了要求，可带宽却只有设计要求的一半左右（结果见附图2，带宽为60MHz），固然也想了其余方法来优化，但在带宽变宽的过程中工作频次也发生了较大的变化，最后实在没方法了（这是一个较大的遗憾），就从头依据此外一个教程做了上边的这个天线，该天线知足了全部的
设计要求。
失败的原由，我感觉第一仍是对这个软件的使用不是很熟习，此外对天线性能的优化没有一个明确的思路，对设计出来的天线构造细节也不是很清
楚，所以不可以在带宽和频次之间的调理中找到均衡点，即能够让两方都知足要求的天线尺寸。
可是在此次的设计实验中间，我也获得了一些经验和认识，第一端口的激励是如何设置的，如何增添积分线等。
在仿真的过程中，对参数扫描的设置也很重要，第一需要一个大略的扫描找到参数能够知足设计要求所在的一个较小区间，
这样做，一方面节俭扫描时间，此外也为下边的优化设计供给了方便。
进行参数扫描时，要知道需要扫描哪些参数，经过扫描的结果来剖析不一样的天线参数分别是如何影响天线性能的，这也为后边的优化设计做好了准备。
比如在此次设计试验中，我们知道天线的长度对谐振频次的影响很大，可是天线的宽度对谐振频次的影响很小而且对带宽的影响也较小，所以在优化设计的过程中，只要对天线的长度优化即可。
经过实验考证还发现，由理论公式推导出来的参数其实不可以知足实验的设计要
求，所以需要后续的参数扫描和参数的优化设计，可是计算出来的参数能够作为
我们天线设计的初始值，第一让我们对参数的范围有了一个大体定量的认识，而不是在设计过程中，随意设定参数，这样既浪费时间，也很难设计出知足实验设计要求的天线来。
天线设计达成后，需要经过一些参数扫描报告图来考证天线设计的正确性，所以优化设计后，先后查察了S11参数，S11参数的Smith圆图，电压驻波比，天线的三维增益方向图、平面方向图等。
此次天线设计是鉴于微波技术与天线这门课程和软件HFSS实现的，该实验既是对我们自己专业知识的一次查验，也锻炼了我们的实践能力，问题办理能力。
同时，经过这个设计实验，理论与实践相联合，使得我们对所学知识有了一个形象化的认识和理解。
固然在设计仿真的过程中碰到了一些小的问题，可是在与同学议论或许问过老师后都获得了较好的解决。
最后感谢王老师、郭老师在此时期，赐予我们的耐心指导和可贵建议。
附图1原始设计天线构造图
附图2原始设计天线S11的扫描曲线
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