基于HFSS的天线设计0222144813.docx
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基于HFSS的天线设计0222144813
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：
工作频率为2.5GHz带宽（回波损耗Sll<-10dB）大于5%
•在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。
二、实验原理
1、微带天线简介
微带天线的概念首先是由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年代初期制造出了实际的微带天线。
微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。
图1：
微带天线的结构
图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。
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r和损耗正切tan、介质层的长度LG和宽度WG图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。
对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩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方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。
从图2（b）可以看出，微带线边缘的电场可
以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
4时4
（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、天线几何结构参数推导计算公式
假设矩形贴片的有效长度设为
Le,
则有
式中,
g表示波导波长，有
式中,
。
表示自由空间波长,
式中,
宽度。
由此,
Le
/2
g
（1-1）
（1-2）
e表示有效介电常数，且
J（112印
2W
（1-3）
r表示介质的相对介电常数，h表示介质层厚度,
可计算出矩形贴片的实际长度L,有
LLe2L2
2L
2foe
式中，C表示真空中的光速，匕表示天线的工作频率，中所示的等效辐射缝隙的长度，且有
L0.412h4一^?
（e0.258）（W/h
W表示微带贴片的
2L（1-4）
L表示图2（a）
（1-5）
0.8）
矩形贴片的宽度w可以由下式计算:
1
cr12
r
（1-6）
W
2f02
对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W,之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置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，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于50o对于图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）表示馈点的位置坐标。
史ay
II
图3同轴线馈电的微带天线
对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点
都可以作为馈点，为了避免激发TMln模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即
yf0
（1-7）
在L方向上电场有g/2的改变，因此在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算：
L
Xf（1-8）
2re（L）
式中，
1
re（L）（112『（1-9）
上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时。
计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度Lgnd和宽度Wgnd
只需满足以下两式即可，即
WsndW6h（i-ii）
三、实验步骤
1、设计指标和天线几何结构参数计算
本实验的矩形微带天线的中心频率为2.5GHz,选用的介质板材为Rogers
R04003其相对介电常数「3.55,厚度h=5mm,天线使用同轴线馈电。
根据上面的推导公式来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L和宽度W、同
轴线馈点的位置坐标（Xf,yQ,以及参考地的长度Lgnd和宽度Wgnd。
（1）、矩形贴片的宽度W8
3.010m/s,fo2.5GHz,r3.55代入式（1-6）,可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即
W0.03978m39.78mm
（2）、有效介电常数
把h5mm,W39.78mm,r3.55代入式（1-3）,可以计算出有效介电常数,
e3.08
（3）、辐射缝隙的长度L
把h5mm,W39.78mm,3.08代入式（1-5）,可以计算出微带天线辐射
缝隙的长度，即
2.32mm
（4）、矩形贴片的长度L
8.
把c3.010m/s,fo2.5GHz,。
3.08,L2.32mm代入式4），口J以
计算出微带天线矩形贴片的长度，即
L29.55mm
⑸、参考地的长度Lgnd和宽度Wsnd
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考地的长度和宽度，即
Lgnd59.55mm
%必69.78mm
（6）、同轴线馈点的位置坐标（xf,yf）
把r3.55,h5mm,W39.78mm,L29.55mm分别代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（xf,yf），即
Xf8.52mmyfOmm
2、HFS毁计和建模概述
（1）、建模概述
本设计天线是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。
在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML
边界表面，这里使用辐射边界条件，为了保证计算得准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。
因为使用了辐射边界表面，所以同轴线馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义集总端口激励。
参考地和微带贴片使用理想导体来代替，在HFSS中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式模拟理想薄导体。
参考地放置于坐标系中z0的xOy平面上，由之前计算出的参考地长度Lgnd59.55mm,宽度Wgnd69.78mm,这里参考地长度和宽度都取90mll1。
介质层位于参考地的正上方，其高度为5mm长度和宽度都取80mm。
微带贴片放置于Z5的xOy平面上，根据之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0.5mm的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体与z轴平行放置，圆柱体的底面圆心坐标为
（8.52mm,0,0.o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，底部与参考地相接，在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径1.5mm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分析设计天线一类的辐射问题，在模型建好之后，用户还必须设置辐射边界条件。
辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长，2.5GHz时自由空间中1/4个波长约为30mm，所以在这里设置辐射边界表面距离微带天线30mm,整个微带天线模型（包括参考地、介质层和微带贴片）的长宽高为90mm90mm5mm,所以辐射边界表面的长宽高可以设置为160mm160mm60mm。
为了方便后续参数扫描分析和优化设计，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位置。
（2）、HFSS设计环境概述
•求解类型：
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
•边界条件和激励
边界条件：
理想导体边界、辐射边界
端口激励：
集总端口激励
•求解设置
求解频率：
2.5GHz
扫频设置：
快速扫描，扫频范围为l.5~3.5GHz
•Optimetrics
参数扫面分析
优化设计•数据后处理：
S参数扫频曲线，天线方向图，Smith圆图等。
3、创建微带天线模型
（1）、设置求解类型为DrivenModel和默认的长度单位为mm
（2）、创建参考地
在z0的xOy平面上创建一
个顶点位于（45mm,45mlli）,大小为90mm90mm的矩形面作为参
考地，命名为GND并为其分配理想导体边界条件。
（3）、创建介质板层
创建一个长宽高为
80mm80mm5mm的长方体作为
介质板层，介质板层的底部位于参考
地上（即Z0的xOy平面上）,
其顶点坐标为（40mm,40mm,0）,介质
板的材料为RogersR04003介质板层命
名为Substrateo
⑷、创建微带贴片
在z5的xOy平面上创建一个顶
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,并为其分配理想导体边界条件。
（5）、创建同轴馈线的内芯
创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm,长度为
5mm,圆柱体底部圆心坐标为，材料为理想导体，同轴馈线命名为Feedlineo
（6）、创建信号传输端口面
同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量。
因此，需要在参考地面
GNDk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。
在执行Modeler—Boolean—Substrate命令时，打开如下图所示的Subtract
U11bluet
BlankPaita
GND
□
ToolParU
FSt
FClametool
IoiT
beforeoperation
Cdfiut*
对话框，确认对话框的BiankParts栏显示的是GNDToolsParts栏显示的是
Port,表明使用参考地模型GND减去圆面Port,并且为了保留圆面Port本身，需要
选中对话框的Clonetoolobjectsbeforesubtracting复选框。
（7）、创建辐射边界条件
创建一个长方体，其顶点坐标为（80mm,80mm,30mm）,长方体的长宽
高为160mm160mm60mm。
长方体模拟自由空间，因此材质是真空，长方体命名为Air。
创建好这样的一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。
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、0o
5、求解设置
天线的中心频率为2.5GHz,因此设置
HFSS的求解频率（即自适应网络部分频率）为2.5GHz,同时添加1.5GHz-
3.5GHz的扫频设置，分析天线在l.5GHz~3.5GHz频段内的回波损耗或者电压驻波比。
如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示频率没有落在2.45GHz
上,还需要添加参数扫描
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