天线CAD大作业微带天线设计.doc

天线 CAD 大作业学 院：电子工程学院 专 业：电子信息工程 微带天线设计一、设计要求：（1）工作频带 1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi ，VSWR≤2:1微波基板介电常数为 = 6，厚度 H≤5mm，线极化总结设计思路和过程，给出r具体的天线结构参数和仿真结果，如 VSWR、方向图等2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为 = 6，厚度为 h=5mm,中心频率为rf=1.15GHz, 天线使用 50Ω 同轴线馈电，线极化，则sm/103c8（1）辐射切片的宽度 =69.72mm21)(2rfcw（2）有效介电常数 =5.3321)12(2121re  whr（3）辐射缝隙的长度 =2.20)8.0/)(5.0(643h4.ehL（4）辐射切片的长度 =52.10mmLfc2（5）同轴线馈电的位置 L1=5.2021)(21)(reLhrL=14.63mm)(2re三、HFSS 设计（1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：微带天线的 HFSS 设计模型如下：立体图 俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着 x 轴，宽度方向沿着 y轴。

介质基片的大小是辐射切片的 2 倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替对于馈电所用的 50Ω 同轴线，这用圆柱体模型来模拟使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0） ；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量 H 表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为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，端口归一化阻抗为 50Ω模型建立好后，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 波长，1.15GHz 时自由空间中 1/4 个波长约为65.22mm，用变量 length 表示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：1.15GHz扫频设置:快速扫描，频率范围：1~1.3GHz＊Optimetrics参数扫描分析优化设计＊数据后处理：S 参数扫频曲线、VSWR、天线方向图、天线参数3）仿真结果由图得天线的谐振频率为 1.11GHz，不是 1.15GHz。

需要进行优化设计先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度 L0 的变化关系，扫描分析范围为：49mm~54mm,扫描步进为 0.2mm仿真结果：发现当 L0=50mm 时，谐振频率为 1.15GHzb、分析 1.15GHz 谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置 L1 的变化关系，扫描分析范围为：0mm~19mm,扫描步进为 1mm仿真结果：发现 L1=10mm 时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好优化设计优化结果得到：当 L0=49.8mm 时，L1=10mm 时，符合要求查看优化后的天线性能a、VSWR 分析结果在 1.15GHz 处， VSWR 值为 1.3832<2,符合要求b、xz 和 yz 截面上的增益方向图从图得出：最大辐射方向为 ，即辐射切片的正上方，最大增益约0、为 5.7dBc、三维增益方向图拓展要求：圆极化微带天线设计一、微带天线实现圆极化的方法采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片微带天线圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，相位相差 90 度，就能得到圆极化波的辐射矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。

当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发 TM01和 TM10两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直在设计中，让辐射切片的长度 L 和宽带 W 相等，这样激发的 TM01和 TM10两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式电场的相位差为 0，若辐射切片的长度为 Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为 Lc+a，另一边长度为 Lc-a，前者对应一个容抗 Y1=G-jB,后者对应一个感抗 Y1=G+jB，只要调整 a 的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即 B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45 度和 45 度，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线其极化旋向取决于馈电点的接入位置当馈电点在如下图中的所示的 A 点时，产生右旋圆极化波，在 B 点位置时，产生左旋圆极化波Kalio 和 Coffey 研究证明，理论上当 L/W=1.029，即 a=0.0143Lc，TM 01和TM10两个模式的相位差为 90 度另外，由实际经验可得到，此结果的 50 欧姆馈电点位于辐射切片对角线上，且馈电点和辐射切片顶点的距离 dp在（0.35~0.39）d 之间。

假设馈电点到辐射切片的中心距离为 L1，则 L1 在（0.11~0.15）Lc 之间二、设计要求工作频带 1.1-1.2GHz，带内增益 ≥4.0dBi，VSWR≤2:1微波基板介电常数为 = 6，厚度 H≤5mm，左旋圆极化总结设计思路和过程，给出具r体的天线结构参数和仿真结果，如 VSWR、方向图等，并给出轴比计算结果三、设计步骤（1）计算天线辐射切片的初始尺寸微带天线的基板介电常数为 = 6，厚度为 h=5mm,中心频率为rf=1.15GHz, sm/103c8辐射切片的宽度 =69.72mm21)(2rfcw有效介电常数 =5.3321)12(2121re  whr辐射缝隙的长度 =2.20)8.0/)(5.0(643h4.ehL辐射切片的长度 =52.10mmLefcL2则：辐射切片初始尺寸为：L=W=Lc=52.10mm，并设置微调长度值a=0.0143Lc，以产生圆极化波2）估算输入阻抗为 50Ω 的同轴线馈电位置取 0.15 倍的 Lc,计算得出馈电点在 x、y 方向离辐射切片的中心距离都为 7.82mm4、HFSS 设计（1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：变量 H 表示基板的厚度，变量 L0 和 W0 分别表示辐射切片的长度和宽度，变量 L1 和 L2 分别表示同轴线馈电点在 x、y 方向离辐射切片中心的距离。

变量 Lc 表示谐振频率为 1.15GHz 时所对应的辐射切片长度值，其初始值为52.10mm，Delta 表示辐射切片的微调长度值，其初始值为 0.0143*Lc要想实现圆极化，L0=Lc+Delta,W0=Lc-Delta，馈电位置 L1=L2，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于 1/4 波长，1.15GHz 时自由空间中 1/4 个波长约为 65.22mm，用变量 length 表示圆极化微带天线的 HFSS 设计模型如下： 立体图 俯视图设计左旋圆极化微带天线，设置同轴线内芯模型 Feed 的底面圆心坐标和端口面模型 Port 的圆心坐标为（-L1，-L2，0)2）仿真结果S11 扫频分析结果由图得天线的谐振频率为 1.11GHz，不是 1.15GHz需要进行优化设计先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度 Lc 的变化关系，扫描分析范围为：48mm~51mm,扫描步进为 0.2mm仿真结果：由图得到，当 Lc=50.4mm 时，中心频率在 1.15GHz，回波损耗最小查看当 Lc=50.4 时，天线的输入阻抗从图得到：工作频率为 1.15GHz，输入阻抗为（75.59，j3.58） ，需要输入阻抗为50Ω，添加 L1 为参数扫描变量b、分析 1.15GHz 谐振频点处输入阻抗与同轴线馈电点位置 L1 的变化关系，扫描分析范围为：5~7mm,扫描步进为 0.2mm仿真结果：：发现 L1=6mm~6.2mm 时，输入阻抗接近 50Ω。

优化设计优化结果得到：当 L0=50.38mm 时，L1=6.12mm 时，符合要求查看优化后的天线性能a、S11 分析结果天线的中心频率上 S11 值为-16.45dB，S11<-10dB 的带宽为（1.1735-1.1279 ）/1.15=3.9%.b、VSWR 分析结果在 1.15GHz 处， VSWR 值为 1.3542<2,符合要求c、轴比扫频结果在最大辐射方向天线中心频率 1.15GHz 处的轴比为 0.727d、xz 和 yz 面上的左旋圆极化波（ LHCP）增益和天线总增益方向图从图得出：θ 在-120 0~1200 范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等，这也表明了天线辐射的是左旋圆极化波d、左旋圆极化三维增益方向图5、实验总结在本次实验中，更加掌握和理解了微带天线的相关基本理论，学习到了微带天线圆极化工作实现原理，同时学习了如何用 HFSS 设计和分析线极化和圆极化微带天线，感受到了 HFSS 强大的电磁仿真功能，在以后的日子要认真学习使用 HFSS，达到熟练运用 HFSS 设计分析天线6、参考资料李明洋，刘敏，HFSS 天线设计.第二版.北京：电子工业出版社。