HFSS天线课程设计1005041508.docx

1、HFSS天线课程设计1005041508一、 实验目的 利用电磁软件 Ansoft HFSS 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

2、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

3、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Leg / 2（1-1 ）式中，g 表示波导波长，有g0 /e（1-2 ）式中，0 表示自由空间波长，e 表示有效介电常数，且11h1rr（1-3 ）e

4、2(112 ) 22W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L Le 2 L02 Lc2 L （1-4 ）2 f0 e2e式中， c 表示真空中的光速，f 0 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(ee0.3)(W / h 0.264)（1-5）0.258)(W / h 0.8)矩形贴片的宽度 W能够由下式计算：c11r2W2（1-6 ）2 f0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，

5、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（ x f , y f ）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y f 0（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：x fL（1-8 ）2re ( L)式中，re (L

6、)r1r1h22(1 12 )L12（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LGNDL6h（1-10 ）WGNDW6h（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Rogers RO4003，其相对介电常数 r 3.55 ，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，

7、包含贴片的长度 L 和宽度 W、同轴线馈点的位置坐标（ x f , y f ），以及参照地的长度 LGND 和宽度 WGND 。(1)、矩形贴片的宽度 W把c3.0 108/ ,r代入式（1-6），能够计算出微带天m s f 0GHz线矩形贴片的宽度，即 (2)、有效介电常数 e把 h 5mm,W 39.78mm, r 3.55 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h 5mm,W 39.78mm, e 3.08 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 c8 m s f0GHz3.08,Lmm代入式（1-4）

8、，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 h 5mm,W 39.78mm, L 29.55mm 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LGND WGND (6)、同轴线馈点的地点坐标（ x f , y f ）把 r 3.55, h 5mm,W39.78mm, 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（x f , y f ），即x fy f 0mm2、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

9、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z 0 的 xOy 平面上， 由之 前计算 出的参照 地长 度 LGND ，宽度 WGND 69.78mm ，这里参

10、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 z 5 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 L 29.55mm ，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

11、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 90mm 90mm 5mm，所以辐射界限表面的长 宽 高能够设置为 160mm 160mm 60mm。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

12、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Optimetric s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 Driven Model 和默认的长度单位为 mm。(2)、创立参照地在z 0 的 xOy 平面上创立一个极点位于 ( 45mm, 45mm) ，大小为90mm 90mm 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)

13、、创立介质板层创立一个长 宽 高为 80mm 80mm 5mm 的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参照地上（即 z 0 的 xOy 平面上），其极点坐标为 ( 40mm, 40mm,0) ，介质板的资料为 Rogers RO4003，介质板层命名为 Substrate 。(4)、创立微带贴片在 z 5 的 xOy 平面上创立一个极点坐标为 ( 14.775mm, 19.890mm,0) ，大小为 29.55mm 39.78mm 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

14、 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 Blank Parts栏显示的是 GND，Tools Parts 栏显示的是 Port ，表示使用参照地模型 GND减去圆面 Port

15、 ，而且为了保存圆面 Port 自己，需要选中对话框的 Clone toolobjects before subtracting 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, 30 mm) ，长方体的长 宽 高为 160mm 160mm 60mm 。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

16、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 Validation Check 命令，进行设计检查，弹出的“检查结果显示”对

17、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

18、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

19、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 Lengt

20、h 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，

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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