实验三：微带天线仿真场分析.docx

实验三：微带天线仿真场分析实验目的：掌握微带线的设置，了解天线远区辐射场结构及天线电参数实验内容：使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解 设置，设置求解频率为2. 45GHz,同时添加1. 5-3. 5GHz的扫频设置， 分析天线在1. 5-3. 5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算将 谐振频率落在2. 45GHz频点上最后进行相关的数据后处理实验原理：微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、 体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在 2.45GHz,采用同轴线馈电的一种简单的微带天线微带天线的基本 参数：工作频率2.45GHz,介质板相对介电常数3.38,介质层厚度 5mm,矩形贴片宽度41. 4mm,辐射缝隙长度2. 34mm,矩形贴片长度31mm, 参考地长宽为61. 8mm*71. 4mm,同轴线馈点坐标(9.5, 0)要求设 计的天线最大增益大于7dB前后比大于5dB实验步骤及结果：一、 新建HFSS X程1. 新建一个名为MSAntenna. hfss的工程文件2. 将求解类型设置为Driven Model二、 创建微带天线模型1. 将模型的默认长度设置为毫米mm2. 创建参考地在Z=0的X0Y面上创建一个顶点位于(-45mm,-45mm)，大小为 90mm*90mm的矩形面作为参考面，并把它命名为GND,并为其分配理想 导体边界条件。

然后将此边界命名为PerfE_GND3. 创建介质板层创建一个80mm*80mm*5mm的长方体作为介质板层，介质板层位于参考 地面上，顶点坐标为(-40, -40, 0),介质的材料为R04003o4. 创建微带贴片在z二5的XOY面上创建一个顶点坐标为(-15. 5mm, -20. 7mm, 5mm),大小为31. 0mm*41. 4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch,并为其分配理想导体边界条件并将此边界条件命名为Perf_Patcho5. 创建同轴馈线的内芯创建一个圆柱体作为同轴馈线额内芯，圆柱体的半径为0. 5mm,长度 为5mm,圆柱体底部圆心坐标为(9. 5mm, 0, 0),材料为理想导体, 同轴馈线命名为Feedo6. 创建信号传输端口面在参考面GND上开一个圆孔以便能量可以从同轴线传输圆孔的半径 为1. 5mm,圆心坐标为(9.5m叫0, 0),名字为Porto7. 创建辐射边界表面创建一个长方体，顶点坐标为(-80 , -80 , -35 ),大小为 160mm*160mm*75mni,长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体A命名为Airo并设置其四周表面为辐射边界条件。

三、 设置激励端口将同轴线信号端口面的激励方式设置为集总端口激励四、 添加和使用变量1•添加设计变量Length,初始值为31.0mm,用来表示微带贴片的长 度；添加设计变量Width,初始值为41.4mm,用来表示微带贴片的宽 度；添加设计变量Xf,初始值为9. 5mm,用来表示同轴线的圆心点的 X轴坐标2•在模型中使用变量NameValueUnit |：CommandCreateRectCoordinat♦・• •GlobalPosi ti on-Len

七、查看天线的谐振点从图中可以看出，当频率为2. 45Ghz时，S11 最小，最小为-16. 63dB八、优化设计1 •参数扫描分析：将sweepl的频率范围设置为2. 2GHZ-2. 8GHZ2. Length的扫描分析：添加扫描变量为length,扫描方式设置为 LinearStep,开始，结束和步长设置为28mm, 31mm, 0. 5mm,设置完成后从result查看结果3. Width的扫描分析，将变量设置为Width,开始，结束，步长分别设置为 39mm, 42mm, 0. 5mmo从图中可以看出当贴片长度不变时，宽度的改变对天线谐振点的影响 很小4•优化设计：因为从上面的设计可以得出长度对S11的影响比较大所以优化时只对长度进行优化：(1)添加优化设置(2)将长度的优化范围设置为29-30mm (2)设 计优化函数(3)优化分析(4)查看优化后的结果从图中可以看出，软件做了 22次迭代计算，其中第8次迭代计算的目标函数数值最小，对应的length长度为=29. 5mmo查看优化后的天线性能1•查看S11参数从图可以看出，当1 ength为29.5, Width为41. 4mm时，天线的谐振 点在2.45GHz,此时Sll=-16. 63dBo查看S11参数的史密斯圆图在2. 45GHz时，天线的归一化输入阻抗为(0. 83-0. 25i) Q3. 产看电压驻波比从图中可以看出在2. 4-2. 5GHz频段，电压驻波;匕小于1. 784. 查看天线的三维增益方向图从图中可以看出最大辐射方向为z方向，最大增益为7. 42dBo5.查看平面方向图此图为E面的切面图，可以看出有三个旁瓣。

6 •其他天线参数I： i 弋二」■=从图中可以看出最大电压值为o・43,前后比为84. 134和一些其他参数 的值实验结果分析及总结：1•从本次实验中，我们得知微带贴片的长度对于天线的谐振点有很大 的影响，而微带贴片的宽度对天线的谐振点没什么太大的影响2.优化后的天线可以使谐振点落在2. 45GHz,但是输入阻抗并没有达 到标准的50Q,可以通过使用参数扫描分析功能分析变量Xf的变化 对输入阻抗的影响，然后优化Xf,达到更好的性能实验感想:通过本次实验，我们对HFSS以及它的一些应用已经有了进一步的认识通过实验我们知道微带贴片对于天线谐振的影响，加深了理论 学习的内容在以后的学习中，会更加熟练HFSS的操作及应用通 过实验课的学习，我们增强了团队意识以及动手操作能力，让专业知 识掌握得更加牢固。