基于HFSS的微带天线设计科研报告.docx

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基于HFSS的微带天线设计科研报告

基于HFSS的微带天线设计科研报告

1.科研背景

天线作为无线收发系统的一部分，其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。

近年来置天线在移动终端数日益庞大的同时功能也日益强大,对天线的网络看盖及小型化也有了更高的要求。

由于不同的通信网络间的频段差异较大，所以怎样使天线能够涵盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计置天线的主要问题。

微带天线具有体积小，重重轻，剖面薄，易于加工等诸多优点，得到广泛的研究与应用。

在无线通信技术中，对天线的带宽有了更高的要求;而电路集成度提高，系统对天线的体积有了更高的要求。

微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，随着科技的进步、空间技术的发展和低剖面天线的需求，使微带天线进一步发展。

和普通的天线相比，微带天线有这些优点:

体积小，重里轻，低剖面，能与载体共形;易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。

2.研究理论依据

天线是-个用于发送和接收电磁波的重要的无线电设备，没有天线就没有无线电通信。

不同种类的天线适用于不同用途，不同场合，不同频率，不同要求等不同情况;天线种类繁多，可按照-定特征进行分类:

根据用途分类，可分为通信天线，雷达天线等;根据工作频段分类，可分为短波天线，超短波天线，微波天线等。

2.1天线的基本概念

天线无处不在o所有的无线电设备都需要使用无线电波来开展的工作，天线在作发射时，它将电路中的高频电流转换为极化的电磁波，发射向规定的方向;作接收时，则将来自特定方向的极化的电磁波转换为电路中的高频电流。

所以天线的功能主要功能有:

（1）能量转换

对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能里或传输线上的导行波能里尽可能多地转换为空间的电磁波能里辐射出去。

对于接收天线，传输到接收机上的由天线接收的电磁能里应尽可能转换为电路中的高频电流能里;天线和发射机或接收机应该尽可能良好的匹配。

（2）定向辐射或接收

  发射及接受天线的辐射电磁能里应集中在指定的方向，尽可能的不接收来自其它方向的电磁波，不要将能里损失在别的方向上，否则接收所需信号的同时，还有可能接收到不同方向的其它信号，造成不必要的干扰。

所以好的天线一定需要具有良好的方向性。

在接收距离过远的信号时，必须采用定向性好、增益高的天线。

  （3）应有适当的极化

  天线发送或接收的电磁波-定是规定极化的，不同极化的电磁波无法互相接收或接收会损失大部分能里。

  （4）天线应有一定的工作频段

  任何天线都有一定的工作频段。

天线的接收和发送是相互的。

由互易原理，天线和馈电网络中如果没有非线性器件，那么用同一天线来发射和接收电磁波时，基本特征保持不变，所以可以使用分析发射天线的方法分析接收天线特性。

2.2天线辐射原理

天线是用于发射或接收无线电波的装置，在很久以前科学家们就证实了只有天线才能将带有信息的无线电波传送出去，也只有天线才能将外畀的无线电波接收进来，所以在无线电波的传播过程中天线的作用显而易见。

作为辐射体，天线在辐射电磁波时，须要具备以下条件:

（1）电流源输入到天线上，其频率必须很高。

高频电流才坷以产生高速变化的电场，在周围建立强大的位移电流，并在附近产生出时间推移而变化的强磁场，这个强磁场又会在附近产生变化的磁场，在空间中互相推进。

场强一定，波源频率与位移电流成正比，与能里辐射也成正比，而静态电场或磁场不会变化，它的频率为零，不产生辐射。

低频场变化缓慢，低频电磁辐射也较弱o所以必须使用高频以产生有效辐射。

（2）天线的结构:

并不是任意带电物体都会产生电磁波并且辐射电磁波。

要使波源从辐射体辐射出有效的能里，使能里脱离辐射体，必须它的结构是一个带电的开放系统。

就是说这个辐射体若要辐射能里，必须将它做成偶合形、开放形传导结构，否则产生的辐射会非常微弱甚至无法辐射电磁波。

电磁辐射是导线带有交变电流而形成的，导线的长度、形状决定了辐射能力。

如果两根导线的位置非常接近，则两导线相互抵消了感应电动势，从而产生的辐射非常微弱。

如果将两导线分开，由于电流方向相同，在同-方向产生感应电动势，从而产生较强的辐射。

当波长远大于导线长度L时，电流减小，辐射极弱。

2.3天线的基本参数

  要了解天线知识，就需要了解天线的基本参数。

对于衡里天线性能的一些指标，就需要运用天线的参数来描述。

设计与仿真微带天线时，往往需要一些指标来指导设计者进行天线设计，例如天线的极化、方向图形状、输入、阻抗、工作频率和频带宽度、驻波比等。

  通过定义天线的各个参数可以描述天线的性能。

接下来介绍天线设计中的一些重要参数图。

2.4天线的极化

  电磁波电场矢里的空间指向就是电磁波的极化方向。

  电磁波的极化是指在空间的一点上，顺着电磁波的传婚方向,它的电场矢里在空间的方向随时间变化而形成的轨迹。

根据形成的轨迹是直线、圆或椭圆分为线极化、圆极化和椭圆极化。

  电磁波的极化可以确定天线的极化。

天线的极化定义为:

最大增益方向发射的电磁波的极化，或能使天线终端在接收电磁波时得到可用围最大功率的方向入射电磁波的极化。

天线可根据不同形式的极化分为线性极化天线和圆极化天线。

椭圆极化波就是在传播过程中的方向是旋转的电波。

若旋转过程中电场的大小不变，则称之为圆极化波。

按传番方向为顺时针或逆时针旋转又分为右旋圆极化波和左旋圆极化波。

不同的极化波作接收时，天线需要具有相应的极化特性。

用垂直极化波作接收时，天线需要具有垂直极化特性;用水平极化波作接收时，天线需要具有水平极化特性;用右旋极化波作接收时，天线需要具有右旋极化特性;用左旋极化波作接收时，天线需要具有左旋极化特性。

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致就会在接收过程中会产生相应的极化损失,接收天线的极化方向和传入波的极化方向正交时，接收天线将无法收到来波的任何能里，这种情况就被称为来波和接收天线极化是相隔离的。

3.课题研究的目标

通过HFSS软件设计侧馈矩形微带天线设计以加深我们对HFSS仿真软件的了解和应用，加深我们对微带天线的认识，并设计出一种侧馈矩形微带天线。

4.课题研究的方法及主要容

通过查找资料，学习微带天线的基本原理及HFSS软件的使用方法。

建立物理模型来设计微带天线，并通过HFSS软件仿真。

4.1物理模型

传输线方法的基本假设:

（1）一般微带传输线由微带片和接地板构成，传输准TEM波。

波的传输方向决定于馈电点。

线段长度为≈g2，准TEM波的波长为ig°传输方向是驻波分布，其垂直方向为常数o

（2）传输线的两个开口端可以看做两个辐射缝，长为W，宽为h，传输线的开口端场强为缝的径场。

缝平面可看做是在位于微带片两端所延伸的面。

4.2辐射原理

微带天线中的尺寸远远小于波长，所以天线的剖面低，这样有利于共形设计，并且可以保证优良的空气动力特性。

图3.1所示的微带天线元可以看作是由传输线连接两个辐射缝组合而成微带馈线扩展其宽度W1为W2而成为低特性阻抗的传输线，其长度L为半个微带波长，即

g/2。

两个低阻抗传输线的两端，形成了两个缝隙，电场被分解为两个分里，En垂直于接地板，E1平行与接地板，因为L=

G2，所以辐射源的垂直方向上，水平分里可以得到最大辐射，垂直分里相互抵消而为零。

接地面平行于裂缝平面，水平电场Ey激励裂缝。

EY沿着裂缝均匀分布。

Ey与x方向的磁流等效。

沿z方向裂缝面的法向单位矢里为磁流密度。

考虑地平面反射的影响，裂纹宽度h

4.3微带天线的结构

矩形微带天线的结构及传输模式等效电路如图3.1所示LxW为辐射体的尺寸;

L;馈电点到近边的距离;h为介质基片的厚度;tan为基板损耗角;Zc为传输线特征阻抗;Is为等效终端导纳。

（1）特征阻抗Zc及等效介电常数zre

应用Atwater归纳的公式:

设W,=W/h,则:

  在Wr=0.01-10，2=2-13

时误差<1%。

实际应用中Wr将超出此围，但通过实验证明，用此公式计算造成的误差很小。

同时这里给出的口死是直流相对介电常数。

（2）边缘辐射槽的等效延伸长度计算边缘辐射槽的等效延伸长度应用了关于开路微带线等效长度公式;计算边缘终端导纳时将应用计算边缘辐射槽的等效延伸长度。

  （3）终端导纳

  通过终端导纳描述了边缘辐射槽特性，可表示成

其中

为槽的边缘场产生的等效容性电纳;

为单一辐射槽辐射能里的等效电导。

对于

可应用公式:

上式中

微带天线尺寸的关系公式：

  上式w和h为图中己知的微带天线尺寸参数,△

为边缘辐射槽的等效延伸长度，

为材料的介电常数。

4.4微带天线的仿真

  微波系统的设计越来越复杂，电路的尺寸越来越小电路指标要求越来越高，电路的功能越来越多，而设计周期越来越短。

  麦克斯韦方程组是微波电磁场理论，数值算法的基础和关键，在时域，数值算法有时域有限差分法和有限积分法;在频域，数值算法有有限元法，矩量法，差分法，边界元法和传输线祛。

  运用这些分析方法可以有效的将微带结构在频域求解和转化为标量场求解。

4.5HFSS具体仿真过程

模型分三层分布。

Sub1和Sub2是介电质层（Dielectric）,最上层是贴片层（Patch）,模型中的Sub1和Sub2的介电质相同，Slot为地面层（有缝隙），最底层是用来进行馈电的层（Feed）。

具体参数：

Sub1:

长（X）、宽（Y）、高（Z）分别为12,9，0.32;

Feed:

7,0.495，0.0;

Ground:

12，9，0.16;

Slot:

0.155，1.4，0.0;

Patch:

4.0;3.0;0.0;

其中电介质层采用的材料为:

RogersRT/druid5880（tm）相对介电常数:

2.2。

4.5.1具体操作步骤

（1）建立模型（Draw）

  点击Draw按钮，进入三维建模器（3DSolidModeler）三维建模器界面上有显示所建模型之三视图z面、x面和y面和显示立体模型4个窗口。

在绘图过程中，DefinePlan菜单命令绘制不同部分不同平面的图形;用Measure进行距离计算;Zoom,Shift进行缩放、平移。

可以直接绘制的物体（Object）可以有:

Ellipse,Line,Spiral,Circle,Arc,Rectangle等;还可运用以下命令：

Unite,Copy,Subtract，Move,Mirror,Rotate等进行复杂模型的组装。

Box,Board,Port都是先画Rectangle;使用Line可画成trace。

（2）材料定义（Setup Material）

  在Properties菜单下，可定义所设计模型中的Objects为电阻、金属或介质等。

在此模型中选择Sub1的材料为Regers RT/druid 5880（tm）

（3）定义端口和边界（Setup Ports/Surfaces）

点击NewBoundary进人端口和边界定义菜单（DefinePorts/SurfacesMenu）端口和边界的类型有:

阻抗（mpedance）、电阻器（Resistor）、电壁（PerfectE）磁壁（PerfectH）辐射边界（RadiationBoundary）电压源（VoltageSource）电流源（CurrentSource等等。

（4）选择激励方式（Excitations）

点击Excitations菜单，选择激励端口设置为Lumpedpor和Waveport在此模型中，选择激励条件为Lumpedport。

（5）设置求解参数（SetupSolutionParameters）

进入设置求解参数菜单（SetupSolutionParameters根据本天线单元的具体情况,将允许迭代误差（AlowableDeltaS设为0.02，自适应频率（AdaptFrequency设为中心频率2.25GHz，最大迭代次数（NumberofAdditionalAdaptivePasse设为20。

若在最大迭代次数，迭代误差未达到0.02，不再继续计算，当迭代误差达到0.02，仿真过程结束。

迭代误差指的是相邻两次迭代得到的S参数的差，两次结果越接近则误差越小，但亦非越小越好，主要看其变化趋势，即其值随迭代次数逐渐减小，则说明解是收敛的。

  为了看到整个频段的电参数，需要进行扫频，设置如下参数:

起始频率（StartingFrequency）:

 1GHz;终止频率（Ending Frequency）; 3.5GHz;步长数（Number ofSteps）:

 210， 这些工作做好后，  即可退出，进行求解。

（6）后处理（Post Processing）

  HFSS能给出所仿真期间的散射矩阵、s参数、VSWR、端口特性阻抗、天线方向图等参数。

4.6仿真结果

利用HFSS仿真结果图如下：

（1）天线的S11参数

  S11参数曲线

  S11表示信号到天线被反射信号的大小7，它是天线仿真中非常重要的一个参数。

通常选择S11参数在10dB以下的频率围为天线的有效频率宽度，S11参数衰减最大时的频率为天线的中心频率。

所示为此天线的S11参数示意图。

  天线在工作频率j为2.28GHz时的辐射方向，在其最大辐射方向_上天线的增益大约为7dB. 此天线有不同程度的负辦，说明其能量辐射不太集中，天线辐射和接收信号会有一定的能量损失。

  图3.5为此天线的驻波比曲线，一般来说，天线设计中以驻波比2为宜[18），但是驻波并不是表示天线性能的唯一参数。

 由图可以看出，在此天线中驻波比大约为4.9, 略微偏大，希望可以通过改进方案使驻波比变小，尽量提高天线的性能。

5.结论分析

设计一一个大线，无论是作为发射大线还是接收大线，我们都很关心其万向参数、输人阻抗参数、增益参数、频带宽度等参数。

这里也主要就上诉几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺

1、微带天线的辐射与其电长度密切相关。

当电长度小于0.5时，波瓣宽度最窄，在垂直与轴向的平面辐射最强，随着电长度的增加，开始出现副瓣，主瓣宽度变宽，最大辐射方向发生偏移。

2、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈，说明宽频带时其较难实现负载匹配，所以相对应的频带宽度也较窄。

3、在谐振频率附近时，我们从图中可以看到，天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗，实现匹配较易，而且在中心频率附近，电波的传输特性也最好，从而可以实现较大效率的功率传输。

4、通过对实验得到结果的分析，不难发现，半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大，所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的半波偶极子天线应用。

6.实验总结

通过本次HFSS天线仿真实验，使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。

生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。

在这次实验过程中，我不停的操作、翻阅资料、_上网查阅文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识，对天线的各种参数也有了具体的理解，这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

另外，这次实验中我感觉较难的部分在与如何通过确定一种具体天线的参量模型来模拟设计天线模型，来仿真验证天线特性。