HFSS的天线课程设计.docx

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 图1 :微带天线的结构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，/ 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(1 — 1)g表示波导波长，有式中，'0表示自由空间波长，二〉/ --0 eg:e表示有效介电常数，且(1—2)1(1h 」12T2W(1—3)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际长度L，有2 L (1—4)式中，c表示真空中的光速，2、‘ef0表示天线的工作频率，：' L表示图2( a)中所示的等效辐射缝隙的长度，且有」=0.412hI - 0.3)(W / h 0.264)(1—5)(-0. 258)(W / h 0.8)矩形贴片的宽度W可以由下式计算:11__2(1—6)2 fl 2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 f ］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 50"。

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 , y ）表示馈点的位置坐标1y■1 ! 14N1A 配ill! JI "P匸^二H斗1 」* ,■,丄■1mt.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TM1n模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心 点，即从中心到两侧，阻(1—7)在L方向上电场有-g / 2的改变，因此在长度L方向上,抗逐渐变大，输入阻抗等于50门的馈点位置可由下式计算:式中，xf—上2 ' re ( L)1 1(1—8)h」(142) 2L:: r . -- r 十 2 2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re（L）(1—9)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LGND 和宽度 WGND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只需满足以下两式即可，即GNDW(ITO)GND_W6h(1-11)二、 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 RogersRO4003，其相对介电常数二r二3.55,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（以及参考地的长度Lgnd和宽度W gnd（1）、矩形贴片的宽度把二 3.0 1）c线矩形贴片的宽度,W 0. 03978 m 39・78mm/ ,二 s f)2.5GHz3.55代入式 / 二（），可以计算出微带天1—6（2）、有效介电常数把 h 5mm,W 39. 78mm,社5代入式（1-3 ），可以计算出有效介电常数,3 —e 3.08（3）、辐射缝隙的长度"l把 h — 5mm,W 39.78mm,二 3.0代入式（1—5），可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即2.32 mm⑷、矩形贴片的长度LgGHz3.0 10 /,0 2.5, e计算出微带天线矩形贴片的长度，即mm 代入式(3.08, 2.32),1—4可以L 29. 55mm⑸、参考地的长度 LND和宽度W GND把 h 5mm,W 39.78mm, L 29.55mm 分别代入式(1—10 )和( 1—11 )，以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即LGND - 59. 55mmW GND 69.78mm（6）、同轴线馈点的位置坐标（t c — —把 h mm Wr 3. 55, 5 ,mm L39.78 ,mm分别代入式 （29.55）、式（）1-7 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 ,y），即x f 8. 52mmy f 0mm2、HFSS设计和建模概述（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= Az 0的xOy平面上，由之前计算出的参考地长度LGND 59・55mm，宽度Wgnd 69・78mm，这里参考地长度和宽度都取90 mm介质层位于参考地的正 上方，其高度为 ，长度和宽度都取80 mm微带贴片放置于z 5的 — 平面29. 55mm ，宽度5mm xOy上，根据之前计算出的其长度和宽度的初始值分别为长度W 39.78mm，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（& 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90mm 90mm ■ 5mm ，所以辐射边界表面的长宽工高可以设置为160mm 160mm 60mm 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1.5〜3.5GHz■ Optimetric s♦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Driven Model和默认的长度单位为mm2)、创建参考地在z二0的xOy 平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80 mm 80mm 5mm 的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上(即z二0的xOy平面上)，其顶点坐标为(Y0mm, 4"0mm,0)，介质板的材料为Rogers R04003，介质板层命名为 Substrate4)、创建微带贴片在z二的 xOy平面上创建一个顶点坐标为(._ 14.775mm,」9 . 890mm,0)，大 小为29・55mm 39. 78mm 的 矩形图作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件⑸、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Feedline⑹、仓U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GND上开一个圆孔允许传输能量圆孔4Blank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 — Subs trate命令时，打开如下图所示的 Subtract对话框，确认对话框的 Blank Parts。