微带天线仿真设计.doc

射频作业
微带天线的仿真设计

姓名：聂乾坤
学号：1120141134

微带天线仿真设计
三角形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个三角形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。
一．设计目的与要求
1.理解和掌握微带天线的设计原理
2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置
3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型
4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图
5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响
二．实验原理
如下图所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

矩形贴片天线示意图
三．贴片天线仿真步骤
1、建立新的工程
运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。
2、设置求解类型
（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中
（a）选择Driven Modal。
（b）点击OK按钮。
3. 设置模型单位
将创建模型中的单位设置为毫米。
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
（2）设置模型单位：
（a）在设置单位窗口中选择：mm。
（b）点击OK按钮。
4、创建微带天线模型
（1）创建地板GroundPlane。坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0。
（2）为GroundPlane设置理想金属边界。在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。
（3）建立介质基片在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮，创建长方体模型。起始点位置坐标：X: -22.5，Y：-22.5，Z：0。输入各坐标时，可用Tab键来切换。输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5。将材料设置为Rogers R04003。
（4）建立贴片Patch。起始点的坐标：X：-16，Y：-16，Z：5按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：32，dY：32，dZ：0。
（5）为Patch设置理想金属边界。
（6）创建切角。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。在对话窗口中选择Cut。在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move。在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：0；dX：-16，dY：-16，dZ：0。两个切角呈中心对称，可以通过旋转复制创建另一个切角。在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Around Axis。将轴设置为Z轴，旋转角度为180 deg，Total为2。
（7）用Patch将切角减去。
（8）创建探针Pin。在菜单栏中点击Draw>Cylinder。在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度：dX：0，dY：0，dZ：5。将材料设置为pec。
（9）创建端口面Port。在菜单键中点击Draw>Circle。在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0按回车键。在坐标输入栏输入半径：dX：0，dY：1.5，dZ：0
（10）用GroundPlane 将Port减去。
6.创建辐射边界
创建Air，在菜单栏中点击Draw>Box,创建长方体模型。在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；按回车键结束输入。输入长方体的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将长方体的名字修改为Air。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name 。在对话框中选择Air，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation。在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK按钮。
7．设置端口激励
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name，选中Port，在菜单栏中点击HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port。在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1，点击Next。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0。按回车键，点击Next按钮直至结束。
8．求解设置
为该问题设置求解频率及扫频范围
（a）设置求解频率。在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。
（b）设置扫频。在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Sweep 。选择Setup1，点击OK确认。在扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中。
9.设置无限大球面
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。
10.确认设计
方法一：由主菜单选HFSS/Validation Check对设计进行确认。
方法二：在菜单栏直接点即可。
11.保存工程
在菜单栏中点击File>Save As,在弹出的窗口中将工程命名为hfss_Patch,并选择保存路径。
12.求解该工程
在菜单栏点击HFSS>Analyze。
13．后处理操作
（1）S参数（反射系数）。
绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是。 点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。选择：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成操作，绘制出反射系数曲线。
（2）2D辐射远场方向图。
在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report。选择：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。
14.保存并退出HFSS
四．自主设计
技术指标：
三角形贴片天线，即贴片（Patch）为三角形，其它所有条件都不变，即设计中创建天线模型设计中，第(1)、(2)、(3)、(8)、(9)、(10)不变，(4)、(5)、(6)做一下改变。建立贴片Patch，在介质基片上创建贴片天线。在菜单栏中点击Draw>Rectangle创建矩形模型。输入：X：-16，Y：-16，Z:5；dX：32，dY：32，dZ：0。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Patch。点击Corlor后面的Edit按钮，将颜色设置为黄色，点击OK确认。为Patch设置理想金属边界。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中选择Patch，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_Patch。创建切角。创建供贴片天线相减的切角时，首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。在菜单栏中点击Draw>Line。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：-16，Y：0，Z：5；X：0，Y：32，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。Edit>Select>By Name，选择Cut。在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：0；dX：16，dY：-16，dZ：0。可以通过旋转复制创建另一个切角。在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Around Axis。将轴设置为Y轴，旋转角度为180 deg。将切角的名字改为Cut_1。选择Cut_1。在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move。在坐标输入栏中输入点的坐标：X0，Y：0，Z：0; dX=0, dY=0, dZ=10。用Patch将切角减去。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Patch、Cut和Cut_1。在菜单栏中点击3D Modelean >Boolean>Subtract, Subtract窗口：Blank Parts：Patch；Tool Parts：Cut，Cut_1；Clone tool object before subtract 复选框不选。这样三角形贴片就建成了。
或者删掉矩形贴片，重新创建一个三角型贴片。最后定下的三角形尺寸为：X：-20，Y：-11.2375，Z：5X：-20，Y：11.2375，Z：5；X：0，Y：22.5，Z：5。馈电探针位置：X：0，Y：4，Z：0。
五．实验结果及其截图
1.建模完成：

2.模型细节：

三角贴片
3.确认设计，通过Validation Check：

4．原三角形贴片的S参数曲线：

5.原矩形贴片的2D远场方向图：

6.不断修改三角贴片形状与馈电位置以使工作频率接近2.45GHz：

7.最后确定的三角形贴片天线的2D远场方向图：

六．实验总结和感想
这次作业上手是很快的，在射频专业同学和学长学姐的细心指导下发现，多仿照别人的例子操作，多自己动手亲自设计，多看帮助文件，是进入射频与微波设计殿堂的不是捷径的捷径。
做完实验再回过头来想想，按照公式计算出来的矩形天线其反射系数都还会比较大，在圆图中反映出来的匹配结果也不是很理想。这也许是由一些公式的近似导致的，但这也使电路匹配成为设计工作必不可少的一环。