基于HFSS的天線設(shè)計

1、基于HFSS的天線設(shè)計一、 實驗?zāi)康睦秒姶跑浖嗀nsoft HFSS設(shè)計一款微帶天線。微帶天線要求：工作頻率為2.5GHz，帶寬 (回波損耗S11-10dB)大于5%。在仿真實驗的幫助下對各種微波元件有個具體形象的了解。二、 實驗原理1、微帶天線簡介微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，經(jīng)過20年左右的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀70年代初期制造出了實際的微帶天線。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等優(yōu)點，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個人無線通信中。圖1：微帶天線的結(jié)構(gòu)圖1是一個簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射源、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參

2、數(shù)包括輻射源的長度L、輻射源的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對介電常數(shù)和損耗正切、介質(zhì)層的長度LG和寬度WG。圖1所示的微帶貼片天線是采用微帶天線來饋電的，本次將要設(shè)計的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線街頭的內(nèi)心線穿過參考地和介質(zhì)層與輻射源相連接。對于矩形貼片微帶天線，理論分析時可以采用傳輸線模型來分析其性能，矩形貼片微帶天線的工作主模式是TM10模，意味著電場在長度L方向上有的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖2（a）所示，在長度L方向上可以看做成有兩個終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣處由于終端開路，所以電壓值最大電流值最小。從圖2（b）可以看出，微帶線

3、邊緣的電場可以分解成垂直于參考地的分量和平行于參考地的分量兩部分，兩個邊緣的垂直電場分量大小相等、方向相反，平行電場分量大小相等，方向相反；因此，遠區(qū)輻射電場垂直分量相互抵消，輻射電場平行于天線表面。（a）俯視圖 （b）側(cè)視圖圖2 矩形微帶貼片天線的俯視圖和側(cè)視圖2、天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)推導計算公式假設(shè)矩形貼片的有效長度設(shè)為，則有（1-1）式中，表示波導波長，有（1-2）式中，表示自由空間波長，表示有效介電常數(shù)，且（1-3）式中，表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)，h表示介質(zhì)層厚度，W表示微帶貼片的寬度。由此，可計算出矩形貼片的實際長度L，有（1-4）式中，表示真空中的光速，表示天線的工作頻率，表示圖2（a）

4、中所示的等效輻射縫隙的長度，且有（1-5）矩形貼片的寬度W可以由下式計算：（1-6）對于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋點的位置，饋點的位置會影響天線的輸入阻抗，在微波應(yīng)用中通常是使用50的標準阻抗，因此炫耀確定饋點的位置是天線的輸入阻抗等于50。對于圖3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標原點位于貼片的中心，以（）表示饋點的位置坐標。圖3 同軸線饋電的微帶天線對于TM10模式，在W方向上電場強度不變，因此理論上W方向上的任一點都可以作為饋點，為了避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上饋點的位置一般取在中心點，即（1-7）在L方向上電場有的改變，因此在長度

5、L方向上，從中心到兩側(cè)，阻抗逐漸變大，輸入阻抗等于50的饋點位置可由下式計算：（1-8）式中，（1-9）上述分析都是基于參考地平面是無限大的基礎(chǔ)上的，然而實際設(shè)計中，參考地都是有限面積的，理論分析證明了當參考地平面比微帶貼片大出的距離時。計算結(jié)果就可以達到足夠的準確，因此設(shè)計中參考地的長度和寬度只需滿足以下兩式即可，即（1-10）（1-11）三、 實驗步驟1、設(shè)計指標和天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計算本實驗的矩形微帶天線的中心頻率為2.5GHz，選用的介質(zhì)板材為Rogers RO4003，其相對介電常數(shù)，厚度=5mm，天線使用同軸線饋電。根據(jù)上面的推導公式來計算微帶天線的幾何尺寸，包括貼片的長度L和寬度W

6、、同軸線饋點的位置坐標（），以及參考地的長度和寬度。(1)、矩形貼片的寬度W把代入式（1-6），可以計算出微帶天線矩形貼片的寬度，即(2)、有效介電常數(shù)把代入式（1-3），可以計算出有效介電常數(shù)，即(3)、輻射縫隙的長度把代入式（1-5），可以計算出微帶天線輻射縫隙的長度，即(4)、矩形貼片的長度L把代入式（1-4），可以計算出微帶天線矩形貼片的長度，即(5)、參考地的長度和寬度把分別代入式（1-10）和（1-11），可以計算出微帶天線參考地的長度和寬度，即 (6)、同軸線饋點的位置坐標（）把分別代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以計算出微帶天線同軸線饋點的位置坐標（），即 2、

7、HFSS設(shè)計和建模概述(1)、建模概述本設(shè)計天線是使用同軸線饋電的微帶結(jié)構(gòu)，HFSS工程可以選擇模式驅(qū)動求解類型。在HFSS中如果需要計算遠區(qū)輻射場，必須設(shè)置輻射邊界表面或者PML邊界表面，這里使用輻射邊界條件，為了保證計算得準確性，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個波長。因為使用了輻射邊界表面，所以同軸線饋線的信號輸入/輸出端口位于模型內(nèi)部，因此端口激勵方式需要定義集總端口激勵。參考地和微帶貼片使用理想導體來代替，在HFSS中可以通過給一個二維平面模型分配理想導體邊界條件的方式模擬理想薄導體。參考地放置于坐標系中的平面上，由之前計算出的參考地長度，寬度，這里參考地長度和寬度都取。介質(zhì)

8、層位于參考地的正上方，其高度為5mm，長度和寬度都取。微帶貼片放置于的平面上，根據(jù)之前計算出的其長度和寬度的初始值分別為長度，寬度，設(shè)置其長度沿著軸方向，寬度沿著軸方向.使用半徑為的圓柱體模擬同軸線的內(nèi)芯，圓柱體與軸平行放置，圓柱體的底面圓心坐標為（）。設(shè)置圓柱體材質(zhì)為理想導體（pec），圓柱體頂部與微帶貼片相接，底部與參考地相接，在與圓柱體相接的參考地面上需要挖出一個半徑的圓孔，作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵方式設(shè)置為集總端口激勵，使用HFSS分析設(shè)計天線一類的輻射問題，在模型建好之后，用戶還必須設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個波長，2.5GHz時自由空間中1

9、/4個波長約為,所以在這里設(shè)置輻射邊界表面距離微帶天線，整個微帶天線模型（包括參考地、介質(zhì)層和微帶貼片）的長寬高為，所以輻射邊界表面的長寬高可以設(shè)置為。為了方便后續(xù)參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計，在建模時分別定義設(shè)計變量Length、Width和Xf來表示微帶貼片的長度、寬度和同軸線的饋點位置。(2)、HFSS設(shè)計環(huán)境概述求解類型：模式驅(qū)動求解建模操作：模型原型：長方體、圓柱體、矩形面、圓面模型操作：相減操作邊界條件和激勵邊界條件：理想導體邊界、輻射邊界端口激勵：集總端口激勵求解設(shè)置求解頻率：2.5GHz掃頻設(shè)置：快速掃描，掃頻范圍為1.53.5GHz參數(shù)掃面分析優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)后處理：S參數(shù)掃頻曲線，天

10、線方向圖，Smith圓圖等。3、創(chuàng)建微帶天線模型(1)、設(shè)置求解類型為Driven Model和默認的長度單位為mm。(2)、創(chuàng)建參考地在的平面上創(chuàng)建一個頂點位于，大小為的矩形面作為參考地，命名為GND，并為其分配理想導體邊界條件。(3)、創(chuàng)建介質(zhì)板層創(chuàng)建一個長寬高為的長方體作為介質(zhì)板層，介質(zhì)板層的底部位于參考地上（即的平面上），其頂點坐標為，介質(zhì)板的材料為Rogers RO4003，介質(zhì)板層命名為Substrate。(4)、創(chuàng)建微帶貼片在的平面上創(chuàng)建一個頂點坐標為，大小為的矩形圖作為微帶貼片，命名為Patch，并為其分配理想導體邊界條件。(5)、創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯創(chuàng)建一個圓柱體作為同軸饋線的

11、內(nèi)芯，圓柱體的半徑為，長度為，圓柱體底部圓心坐標為，材料為理想導體，同軸饋線命名為Feedline。(6)、創(chuàng)建信號傳輸端口面同軸饋線需要穿過參考地面，傳輸信號能量。因此，需要在參考地面GND上開一個圓孔允許傳輸能量。圓孔的半徑為，圓心坐標為，并將其命名為Port。在執(zhí)行ModelerBooleanSubstrate命令時，打開如下圖所示的Subtract對話框，確認對話框的Blank Parts欄顯示的是GND，Tools Parts欄顯示的是Port，表明使用參考地模型GND減去圓面Port，并且為了保留圓面Port本身，需要選中對話框的Clone tool objects before

12、subtracting復(fù)選框。(7)、創(chuàng)建輻射邊界條件創(chuàng)建一個長方體，其頂點坐標為，長方體的長寬高為。長方體模擬自由空間，因此材質(zhì)是真空，長方體命名為Air。創(chuàng)建好這樣的一個長方體之后，設(shè)置其四周表面為輻射邊界條件。4、設(shè)置激勵端口設(shè)置同軸線信號端口面（即圓面Port）的激勵方式為集總端口激勵。起點坐標為，分別為1、0、0。5、求解設(shè)置天線的中心頻率為2.5GHz，因此設(shè)置HFSS的求解頻率（即自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)部分頻率）為2.5GHz，同時添加1.5GHz3.5GHz的掃頻設(shè)置，分析天線在1.5GHz3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗或者電壓駐波比。如果天線的回波損耗或者電壓駐波比掃頻結(jié)果顯示頻率沒有落在

13、2.45GHz上，還需要添加參數(shù)掃描分析，并進行優(yōu)化設(shè)計，改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點的位置，以達到良好的天線性能。6、設(shè)計檢查和運行仿真分析通過前面的操作，已經(jīng)完成了模型創(chuàng)建和求解設(shè)置等HFSS設(shè)計的前期工作，接下來就可以運行仿真計算，并查看分析結(jié)果了。在運行仿真計算之前，通常需要進行設(shè)計檢查，檢查設(shè)計的完整性和正確性。通過HFSSValidation Check命令，進行設(shè)計檢查，彈出的“檢查結(jié)果顯示”對話框中的每一項都顯示圖標，表示當前的HFSS設(shè)計正確、完整。下面就可以運行相關(guān)的仿真計算了。7、查看天線諧振點查看天線信號端口回波損耗（即S11）的掃頻分析結(jié)果，給出天線的諧振點。生成如

14、圖所示的S11在1.53.5GHz頻段內(nèi)的掃頻曲線報告。從圖中可以看出，當S11最小時，頻率是2.4167GHz。四、優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果由上圖所示的S11掃頻曲線報告可知，根據(jù)計算的尺寸設(shè)計出的微帶天線諧振頻率點在2.4167GHz，與期望的中心頻率2.5GHz相比，存在一定的誤差，所以需要進行優(yōu)化設(shè)計，使天線的諧振頻率落在2.5GHz上。根據(jù)理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率由微帶天線的長度和寬度決定，貼片尺寸越小諧振頻率越高。首先使用參數(shù)掃描分析功能進行參數(shù)掃描分析，分析諧振頻率點分別隨著微帶貼片長度Length和寬度Width的變化關(guān)系，然后進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化微帶貼片長度Length和寬度

15、Width，使天線的諧振頻率落在2.5GHz上，帶寬同時也滿足設(shè)計要求的5%以上。1、參數(shù)掃描分析(1)、變量Length的掃描分析在工程樹下的Optimctrics節(jié)點下，添加掃描方式是LinerStep的變量Length，掃描范圍是28mm31mm，間隔是0.5mm。運行參數(shù)掃描分析，可以生成如下圖所示的一組S11曲線報告圖，每一條曲線對應(yīng)不同的Length變量值。從上圖的S11曲線報告可以看出，當微帶貼片的寬度固定時，微帶天線的諧振頻率隨著微帶貼片長度Length的減小而變大。當Length=28.5mm時，諧振頻率點約為2.5GHz。(2)、變量Width的掃描分析在工程樹下的Opti

16、mctrics節(jié)點下，添加掃描方式是LinerStep的變量Width，掃描范圍是39mm42mm，間隔是0.5mm。運行參數(shù)掃描分析，可以生成如下圖所示的一組S11曲線報告圖，每一條曲線對應(yīng)不同的Width變量值。從上圖所示的S11曲線報告中可以看出，當微帶貼片長度Length固定時，微帶貼片寬度Width的改變對矩形微帶天線諧振頻率點的影響很小。2、優(yōu)化設(shè)計通過上面的參數(shù)掃描分析，可以知道微帶貼片長度Length的變化對矩形微帶天線諧振頻率的影響顯著，而微帶貼片寬度Width的變化對矩形微帶天線諧振頻率點的影響很小。當Length=28.5mm，Width=39.78mm時，諧振頻率約為2

17、.5GHz。因此進行優(yōu)化設(shè)計時，只需要優(yōu)化變量Length，并可以設(shè)置Length的優(yōu)化范圍為28mm29mm。優(yōu)化算法選擇SNLP，目標函數(shù)取S11的最小值，在HFSS中即取dB(S(P1,P1)的最小值。從顯示的優(yōu)化結(jié)果中可以看出，當目標函數(shù)值最小的時候，其對應(yīng)的優(yōu)化變量Length28.69mm。3、查看優(yōu)化后的天線性能由上面的參數(shù)掃描分析可知，當Length=28.69mm，Width=39.78mm時，天線的諧振頻率點在2.5GHz。以下將變量設(shè)置為上述優(yōu)化值，查看天線的各種性能。(1)、查看S11參數(shù)在S11掃描曲線報告里標注出最小值點， 當Length=28.69mm,Width

18、=39.78時，天線的諧振頻率點在2.5GHz，此時S11-21.33。Length=28.69mm,Width=39.78時S11的掃描曲線(2)、查看S11參數(shù)的Smith圓圖結(jié)果在報告圖中標記處2.5GHz的位置，標記處顯示在2.5GHz時，天線的歸一化輸入阻抗為（0.9258-j0.1482）。S11的Smith圓圖結(jié)果(3)、查看天線的三維增益方向圖從三維增益方向圖中可以看出該微帶貼片最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，即軸方向，最大增益約為7.5dB。三維增益方向圖 (4)、查看平面方向圖查看天線E平面的方向圖，該微帶天線的E平面位于平面上。生成的曲線報告為：E平面增益方向圖(5)、

19、查看電壓駐波比電壓駐波比報告圖在VSWR的報告圖的2.45GHz和2.55GHz位置做標記，可見在2.45GHz2.55GHz頻段，VSWR1.77。五、 實驗分析通過之前的計算和仿真，可以發(fā)現(xiàn)由原理公式推導出來的Length和Width的參數(shù)并不能達到實驗設(shè)計要求。但通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和參數(shù)掃描處理后，得到的參數(shù)使得設(shè)計的天線達到了實驗設(shè)計要求：工作頻為2.5GHz，帶寬 (回波損耗S11-10dB)為5.72%（143MHz），大于5%（125GHz）。六、 實驗心得體會說實話，在此次設(shè)計實驗之前，我對HFSS這個軟件的認知幾乎是一片空白，而對天線的設(shè)計也只是停留在簡單的想法上，并不確切知道

20、與天線相關(guān)的參數(shù)有哪些，各個參數(shù)又是怎樣影響天線性能的，而要想設(shè)計一個天線又要經(jīng)過一個怎樣的過程。不過，經(jīng)過此次天線設(shè)計實驗后，首先我對HFSS這個軟件的功能和操作有了較好的掌握，知道了怎樣利用該軟件完成天線的設(shè)計和優(yōu)化工作。而在設(shè)計和仿真過程當中，也對天線的各個參數(shù)有了更加詳盡的了解，對其是如何影響天線的性能有了深刻和直觀的認識。在設(shè)計之初，我首先根據(jù)一個教程設(shè)計一款天線(見附圖1)，但是經(jīng)過優(yōu)化后，工作頻率是達到了要求，可帶寬卻只有設(shè)計要求的一半左右（結(jié)果見附圖2，帶寬為60MHz），雖然也想了其他方法來優(yōu)化，但在帶寬變寬的過程中工作頻率也發(fā)生了較大的變化，最后實在沒辦法了（這是一個較大的遺憾），就重新根據(jù)另外一個教程做了上面的這個天線，該天線滿足了所有的設(shè)計要求。失敗的原因，我感覺首先還是對這個軟件的使用不是很熟悉，另外對天線性能的優(yōu)化沒有一個明確的思路，對設(shè)計出來的天線結(jié)構(gòu)細節(jié)也不是很清楚，所以不能在帶寬和頻率之間的調(diào)節(jié)中找到平衡點，即可以讓雙方都滿足要求的天線尺寸。但是在此次的設(shè)計實驗當中，我也得到了一些經(jīng)驗和認識，首先端口的激勵是如何設(shè)置的，如何添加積分線等。在仿真的過程中，