用SonnetAgilent HFSS设计微带天线概要.docx

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用SonnetAgilentHFSS设计微带天线概要

用Sonnet&AgilentHFSS设计微带天线

摘要：

以一同轴线底馈微带贴片为题材，分别用Sonnet软件及AgilentHfss软件进行Simulate，分析其特性。

并根据结果对这两个软件作一比较。

天线模型：

天线为微带贴片天线，馈电方式为50

同轴线底馈，中心频率3GHz

基片采用Duroid材料

，尺寸56mm*52mm*3.175mm

Patch：

30mm*30mm

馈电点距Patch中心7mm处。

参见下图。

一.Sonnet

参数设置如下图：

介质层按照天线指标予以设置：

画出AntennaLayout.

TopviewBottomview

其中箭头所指处为via，并在GND层加上viaport.

即实现了对Patch的底馈。

至此，CircuitEdit完成。

下一步对其进行模拟。

模拟结果：

S11，即反射系数图：

可见中心频率在3G附近，。

进一步分析电流分布：

在中心频率的附近，取3G，3.1G作表面电流分布图：

可见，在中心频率的电流分布较为对称。

符合设计的要求。

远区场方向图：

选取了若干个频率点绘制远区场增益图。

从中可以看到，中心频率的增益较边缘为大。

符合设计的要求。

二.AgilentHfss

AgilentHfss（highfrequencystructuresimulator）是AGILENT公司的一个专门模拟高频无源器件的软件。

较现在广泛应用的ANSOFTHFSS功能类似，但操作简单明了。

能在平面结构上建模天线不同，AgilentHfss可以精确地定义天线的立体结构。

并可将馈电部分考虑在模拟因素内，按要求设定辐射界面，等等。

可能在本文的例子中，由于结构比较简单，并不能充分体现这一点，但也应可见一斑。

本例与HFSSHELP中所附带的例子较为类似，因此我参照HELP文件，在HFSS5.6环境下较为顺利的完成了模拟。

用HFSS模拟天线，主要分DrawModel、AssignMaterial、DefineBoundary、Solve、PostProcess五个步骤：

⒈DrawModel：

HFSS采用的是相当流行的AUTOCAD的ENGINE，因此绘制方法与AUTOCAD大同小异，这里不在赘述。

我先分AirBox、SubstrateBox、CoaxLine、Patch几个部分画好模型。

其中COAXLINE包括内导体（圆柱）及外层介质及外导体（环柱）；PATCH为一平面矩形，AIRBOX、SUBSTRATEBOX为长方体。

同时，由于基板，同轴线之间会有重叠，所以应用3DOBJECTS菜单中的Subtract命令将

重叠部分减去。

画好的天线模型如下图所示：

⒉AssignMaterial

由于在DrawModel时并没有指定各组成部分的材质，因在此予以统一说明。

详见下图。

⒊DefineBoundary

HFSS中需要定义Port.PerfectE.PerfectH.GroundPlane以及重要的RADIATION边界（即电磁能量的辐射面）。

按照天线设计要求，定义各边界如下图：

其中AIRBOX的各个界面为RADIATION边界；

基板底面为GROUNDPLANE（接地面）

PORT位于同轴线下端

同时，由于HFSS要求接地面与OUTERSPACE完全接触，否则无法模拟，所以应将SUB与COAX的相交面定义为DEFAULT界面，（相当与将这一块平面从接地面上挖去）。

图：

其中BRICK为RADIATION，HONEYCOMB为METEL，黑色为PERFECTE界面。

至此，天线建模部分已经全部完成，以下进入SOLVE阶段。

⒋SOLVE

HFSS中可以设置FASTFREQSWEEP（速度较快）及DISCRETEFREQSWEEP（精度较高）

这里选用DISCRETESWEEP，从0.1Ghz------5Ghz,以0.1G为步长进行扫描。

设定完成之后，运行即可。

运行时间较SONNET长得多。

⒋PostProcess：

在PostProcess中，可以对解出的结果进行绘图，以获得直观的可视效果。

HFSS有3D作图功能，可以直观的绘制出场分布，以及远区场的立体图。

以下择要选取指标作图：

1.SMag：

（S11）

⒈中心频率恰好在3.0GHZ处，与设计要求完全相符。

⒉频带较窄，这是普通微带天线的通病。

FarField3D：

3Ghz

3Ghz表面电流分布：

分布比较对称.

中心频率点3GHz天线参数表：

可见在中心频率点，增益、方向性均在可以接受的范围内。

其他频率点的参数均以计算出，限于篇幅，不在此列出。

三.总结及比较：

本文分别用sonnet,AGILENTHFSS分别对一个简单的微带贴片天线的实例进行了模拟。

结果基本上与设计要求相近。

特别是HFSS，在按照实例尺寸设计的条件下，取得了与实际要求完全吻合的结果。

电流分布、增益、方向性等各项指标均符合要求。

但是，由于SONNET与HFSS软件的差异，在分析的结果上还是存在着一些差别，SONNET在分析该天线时，中心频率略微偏离3GHZ。

而反射系数的大小也略有差异。

总的来说：

两个软件各有其优缺点。

Sonnet软件使用简单，易于上手，运行速度快，结果也误差不大。

而其在具体的参数设置上精确度不高，组件尺寸的精确度受到CELLSIZE的制约。

如在本例中，CELLSIZE为1mm（已是相当小的值），PORT的尺寸受制于此，只能精确到mm数量级。

这应该就在是本例中为什么中心频率略有偏差的原因。

而HFSS作为模拟仿真高频无源器件的专门工具，精确度高是其一大优点。

首先，在模型的绘制上，HFSS采用AUTOCAD引擎，可以精确的描述任意的立体结构。

其次，可以方便地指定介质材料的各项参数。

而且，通过对边界条件的定义，可以精确的指定端口、射定发射边界面，以及E、H对称面、PERFECTE、H面等复杂的边界条件，而这些在SONNET中都是无法实现的。

越是复杂的拓扑结构，HFSS相对来说就越有优势。

同时，HFSS还具有3D绘图功能，可以直观地显示出立体结构，利于把握。

作出3-DIM的远区场图，一目了然。

电科2班

朱俊达

3001143074