矩形微帶天線35頁

1、矩形微帶天線一. 微帶天線簡介微帶天線的概念首先是有Deschaps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(jì)70年代初期造出了實(shí)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(diǎn)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無線通信中。 上圖是一個(gè)簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射元、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長度L、輻射元的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對介點(diǎn)常數(shù)和損耗正切tan、介質(zhì)的長度LG和寬度WG。圖中所示的天線是采用微帶線來饋電的，本次我要設(shè)計(jì)的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線接頭的內(nèi)芯線穿過參考地和介質(zhì)

2、層與輻射元相連接。對于矩形貼片微帶天線，理論分析時(shí)采用傳輸線模型來分析其性能。矩形貼片微帶天線的工作模式是TM10模，意味著電場在長度L方向上有g(shù)/2的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖所示，在長度方向上可以看成有兩個(gè)終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度方向的邊緣由于終端開路，所以電壓值最大電流值最小。從圖中可以看出微帶線邊緣的電場可以分解成垂直參考地的分量和平行于參考地的分量兩部分，兩個(gè)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(yuǎn)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。假設(shè)矩形貼片的有效長度設(shè)為Le，則有 Le=g/2式中，g表示導(dǎo)波波長，有

3、g=0/式中，0表示自由空間波長；e表示有效介電常數(shù)，且 e=式中，r表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)；h表示介質(zhì)厚度；w表示微帶貼片的寬度。因此，可計(jì)算出矩形貼片的實(shí)際長度L，有 L=Le-2L=0/-2L=L式中，c表示真空中的光速；f0表示天線的工作頻率；L表示等效的輻射縫隙的長度，且有 L=0.412h矩形貼片的寬度W可以由下式計(jì)算， W=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(diǎn)的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。在微波應(yīng)用中通常是使用50的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，因此需要確定饋點(diǎn)的位置使天線的輸入阻抗等于50.對于如圖所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標(biāo)原點(diǎn)位于

4、貼片的中心以 （xf，yf）表示饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)。對于TM10模式，在W方向上的電場強(qiáng)度不變，因此理論上的W方向上的任一點(diǎn)都可以作為饋點(diǎn)，為了避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上的饋點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)，即 yf=0在L方向上電場有g(shù)/2的改變，因此在長度L方向上，從中心點(diǎn)到兩側(cè)，阻抗逐漸變大；輸入阻抗等于50時(shí)的饋點(diǎn)可以由下式計(jì)算， xf=式中， 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(shí)際設(shè)計(jì)中，參考地都是有限面積的，理論分析證明來了當(dāng)參考地平面比微帶貼片大出6h的距離時(shí)，計(jì)算結(jié)果就可以達(dá)到足夠的準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)中參考地的長度LGND和寬度WGND只需要滿足以下條件即可， LGNDL+

5、6hWGNDW+6h二.設(shè)計(jì)指標(biāo)和天線結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算我這次設(shè)計(jì)的矩形微帶天線工作于ISM頻段，其中心頻率為2.45GHz；無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍(lán)牙、ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)均可以工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為Rogers R04003，其相對介電常數(shù)r=3.38，厚度h=5mm；天線使用同軸線饋電。微帶天線的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)如下：工作頻率f0=2.45GHz；介質(zhì)板材的相對介電常數(shù)r=3.38；介質(zhì)厚到h=5mm。1.矩形貼片的寬度W把c=3.0m/s，f0=2.45GHz，r=3.38帶入，可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度，即 W=0.0414m=41.4mm2.有效介電常數(shù)r把h=5mm，W

6、=41.4mm，r=3.38帶入，可以計(jì)算出有效介電常數(shù)，即 e=2.953.輻射縫隙的長度L把h=5mm，W=41.4mm，e=2.95帶入，可以計(jì)算出微帶天線輻射縫隙的長度，即 L=2.34mm4.矩形貼片的長度L把c=3.0m/s，f0=2.45GHz，e=2.95，L=2.34mm帶入可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的長度，即 L=31.0mm5.參考地的長度LGND和寬度WGND把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm分別帶入，可以計(jì)算出微帶天線參考地的長度和寬度，即 LGND61.8mm WGND71.4mm 6.同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（xf，yf）把r=3.38，W=41.4mm

7、，L=31.0mm分別帶入，可以計(jì)算出微帶天線同軸線饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)（xf，yf），即 xf =9.5mm yf =0mm三.HFSS設(shè)計(jì)與建模概述我本次所設(shè)計(jì)的天線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(dòng)求解類型。在HFSS中如果需要計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)輻射場，必須設(shè)置輻射邊界或者PML邊界表面，這里使用輻射邊界條件。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，輻射邊界表面距離輻射源通常要大于1/4個(gè)波長。因此使用了輻射邊界表面，所以同軸饋線的信號輸入/輸出端口位于模型內(nèi)部，因此端口激勵(lì)方式需要定義為集總端口激勵(lì)。 天線的中心頻率為2.45GHz，因此設(shè)置HFSS的求解頻率為2.45GHz，同時(shí)添加1.53.5G

8、Hz的掃描設(shè)置，分析天線在1.53.5GHz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)果顯示諧振頻率沒有落在2.45GHz上，還需要添加參數(shù)掃描分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點(diǎn)的位置，以達(dá)到良好的天線性能。1.微帶天線建模概述使用HFSS設(shè)計(jì)的微帶貼片天線模型如下，模型的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)。參考地和微帶貼片使用理想導(dǎo)體來代替，在HFSS中可以通過給一個(gè)二維平面模型分配理想導(dǎo)體邊界條件的方式來模擬理想薄導(dǎo)體。參考地放置于坐標(biāo)z=0的xOy平面上，由前面計(jì)算出的參考地的長度和寬度分別為長度LGND61.8mm，寬度WGND71.4mm，我所取的參考地的

9、長度和寬度都取了90mm。介質(zhì)層位于參考地的正上方，其高度為5mm，長度和寬度都取80mm。微帶貼片放置與z=5的xOy平面，由前面計(jì)算出其長度和寬度的初始值分別為L=31.0mm，寬度W=41.4mm；設(shè)置其長度沿著x軸方向，寬度沿著y軸方向。使用半徑為0.5mm的圓柱體模擬同軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體與z軸平行放置，由前面計(jì)算可知圓柱體的底面圓坐標(biāo)位于（9.5，0，0）；設(shè)置圓柱體材質(zhì)為理想導(dǎo)體（pec）；圓柱體頂部于微帶貼片相接，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(gè)半徑為1.5mm的圓孔，作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì)。在模型建好之后，在設(shè)置輻射邊

10、界條件。輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4波長，2.45GHz時(shí)自由空間中1/4波長約為35mm，所以在這里設(shè)置輻射邊界表面距離微帶天線模型35mm，整個(gè)微帶天線模型的長寬高為90mm90mm5mm，所以輻射邊界表面的長寬高可以設(shè)置為160mm160mm75mm。 為了方便后續(xù)參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在建模時(shí)分別定義設(shè)計(jì)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(diǎn)位置。2.HFSS設(shè)計(jì)環(huán)境概述求解類型：模式驅(qū)動(dòng)求解建模操作建模原型：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(lì) 邊界條件：理想導(dǎo)體邊界、輻射邊界 端口激勵(lì)：集總端口激勵(lì) 求解設(shè)

11、置 求解頻率：2.45Ghz 掃頻設(shè)置：快速掃頻，掃頻范圍為1.53.5GHz Optimetrics 參數(shù)掃描分析 優(yōu)化設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)后處理：S參數(shù)掃頻曲線、VSWR、Smith圓圖、天線方向圖、天線參數(shù)四.新建HFSS工程1.運(yùn)行HFSS并新建工程雙擊桌面上的HFSS快捷方式，啟動(dòng)HFSS軟件。HFSS運(yùn)行后，會(huì)自動(dòng)新建一個(gè)工程文件，選擇主菜單【File】【Save As】命令，從彈出的菜單中選擇【Rename】命令項(xiàng)，把設(shè)計(jì)文件重新命名為Patch。2.設(shè)置求解類型設(shè)置當(dāng)前設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)求解類型。從主菜單欄選擇【HFSS】【Solution Type】，打開如圖所示的對話框，選擇Driven M

12、odal單選按鈕，然后單擊ok按鈕，退出對話框，完成設(shè)置。五.創(chuàng)建微帶天線模型1.設(shè)置默認(rèn)的長度單位設(shè)置當(dāng)前設(shè)計(jì)在創(chuàng)建模型時(shí)使用的默認(rèn)長度單位為毫米。從主菜單欄選擇【3D Modeler】【Unite】命令，打開如圖所示的“模型長度單位設(shè)置”對話框。在該對話框中，Select unite項(xiàng)選擇毫米單位（mm），然后單擊ok按鈕，退出對話框，完成設(shè)置。2.建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置 從主菜單欄選擇【Tools】【Options】【Modeler Options】命令，打開3D Modeler Options對話框，選中Drawing選項(xiàng)卡界面的Edit properties of new primitiv

13、e復(fù)選框，如圖所示。然后單擊確定按鈕，退出對話框，完成設(shè)置。3.創(chuàng)建參考地 在z=0的xOy面上創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)位于（-45mm，-45mm），大小為90mm90mm的矩形面作為參考地，命名為GND，并分配理想導(dǎo)體邊界條件。(1)查看工具欄，確認(rèn)三維模型窗口的當(dāng)前工作平面為xOy面，即工具快捷方式處顯示。(2)從主菜單欄選擇【Draw】【Rectangle】命令，進(jìn)入創(chuàng)建矩形面模型的狀態(tài)。在三維模型窗口的任一位置單擊鼠標(biāo)左鍵確定一個(gè)點(diǎn)；然后在xy面上移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)，在繪制出一個(gè)矩形后單擊鼠標(biāo)左鍵確定第二個(gè)點(diǎn)，此時(shí)彈出矩形面“屬性”對話框。(3)單擊該對話框的Command選項(xiàng)卡，在Position項(xiàng)

14、對應(yīng)的Value值處輸入矩形面起始點(diǎn)坐標(biāo)（-45，-45，0），在XSize項(xiàng)對應(yīng)的Value處輸入矩形面的長度90，YSize項(xiàng)對應(yīng)的Value值輸入矩形面的寬度90；然后單擊對話框的Attribute選修卡，在Name項(xiàng)對應(yīng)的Value值處輸入矩形面的名稱GND，單擊Transparent項(xiàng)對應(yīng)的Value值按鈕，設(shè)置模型透明度為0.6，單擊確定按鈕結(jié)束。 (4)按下快捷鍵Ctrl+D（或者在菜單欄中【View】【Fit All】【Active View】），適合窗口大小全屏顯示創(chuàng)建的矩形面模型。 (5)在三維模型窗口單擊右鍵，從彈出菜單中選擇【Assign Boundary】【Perfe

15、ct】打開如圖所示的對話框，為選中的矩形面GND分配理想導(dǎo)體邊界條件。(6)在打開的對話框中，Name項(xiàng)對應(yīng)的文本框處輸入PerfE_GND，將理想導(dǎo)體邊界命名為PerfE_GND，然后單擊ok按鈕結(jié)束。此時(shí)理想導(dǎo)體邊界條件的名稱會(huì)添加到工程樹的Boundaries節(jié)點(diǎn)下。 4.創(chuàng)建介質(zhì)板層 創(chuàng)建一個(gè)80mm80mm5mm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，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-40，-40，0）介質(zhì)板的材料為R04003，介質(zhì)板命名為Substrate。(1)從主菜單欄選擇【Draw】【Box】命令，畫好一個(gè)矩形。此時(shí)彈出長方體的“屬性”對話框。(2)單擊對話框Command選項(xiàng)卡，

16、輸入頂點(diǎn)坐標(biāo)（-40，-40，0）長、寬和高80、80和5。(3)單擊對話框的Attribute選項(xiàng)卡，修改名字為Substrate，單擊Material項(xiàng)對應(yīng)的Value值按鈕，打開如下所示的對話框，搜索并選中介質(zhì)材料Rogers R04003，然后單擊確定按鈕；單擊Color項(xiàng)對應(yīng)的Edit按鈕，修改模型的顏色；單擊Transparent項(xiàng)對應(yīng)的Value值按鈕，設(shè)置透明度為0.6；最后單擊確定按鈕，完成設(shè)置。(4)按下快捷鍵Ctrl+D，適合窗口大小全屏顯示的創(chuàng)建模型。5.創(chuàng)建微帶貼片在z=0的xOy面上創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-15.5mm，-20.7mm，5mm），大小為31.0mm41

17、.4mm的矩形面作為貼片，命名為Patch，并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。(1)從主菜單欄選擇【Draw】【Rectange】命令，畫出一個(gè)矩形面，彈出矩形面“屬性”對話框。(2)單擊該對話框的Command選項(xiàng)卡，修改起始坐標(biāo)（-15.5，-20.7，5），輸入矩形面的長度31.0和寬度41.4.然后單擊對話框的Attribute選項(xiàng)卡，修改名字為Patch；修改顏色；設(shè)置透明度為0.4；最后單擊確定按鈕。(3)按下快捷鍵Ctrl+D，適合窗口大小全屏顯示創(chuàng)建的模型。(4)在操作歷史樹中，單擊選擇新建的微帶貼片Patch，選中后的模型會(huì)高亮顯示。(5)在三維模型窗口單擊右鍵，從彈出的菜單中選擇

18、【Assign Boundary】【Perfect E】打開如下所示的對話框，給微帶貼片Patch分配理想導(dǎo)體邊界條件，并將理想導(dǎo)體邊界命名為PerfE_Patch，然后單擊確定。6.創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯 創(chuàng)建一個(gè)圓柱體作為同軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體的半徑為0.5mm，長度為5mm，圓柱體底部圓心坐標(biāo)為（9.5mm，0，0），材料介質(zhì)為理想導(dǎo)體，同軸饋線命名為Feed。(1)從主菜單欄中選擇【Draw】【Cylinder】命令，畫出一個(gè)圓柱體，彈出“屬性”對話框。(2)單擊該對話框的Command選項(xiàng)卡，輸入底面圓心坐標(biāo)（9.5，0，0），輸入半徑0.5，高度5(3)單擊對話框的Attribute選

19、項(xiàng)卡，修改名字為Feed，設(shè)置長方體的材料為pec，然后單擊確定按鈕，完成設(shè)置。創(chuàng)建后的模型如下。7.創(chuàng)建信號傳輸端口面同軸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(gè)遠(yuǎn)孔允許能量傳輸。圓孔的半徑為1.5mm，圓心坐標(biāo)為（9.5mm，0，0），并將其命名為Port。(1)從主菜單欄選擇【Draw】【Circle】命令，畫好一個(gè)圓，彈出“屬性”對話框。(2)單擊該對話框的Command選項(xiàng)卡，輸入圓心坐標(biāo)（9.5，0，0）輸入半徑1.5，然后單擊Attribute選項(xiàng)卡，修改名字Port，最后單擊確定，生成一個(gè)圓面port，跌加在參考地面GND上。(3)按住Ctrl鍵，同時(shí)

20、從操作歷史樹中按先后順序單擊選擇面GND和Port；然后從主菜單選擇【3D Modeler】【Boolean】【Substrate】命令，打開如下所示的對話框；確認(rèn)對話框的Blank欄顯示的是GND，Tool Parts欄顯示的是Port，表明使用參考地模型GND減去圓面Port；為了保留圓面Port本身，請選中對話框的Clone tool objects before subtracting復(fù)選框。然后單擊ok，執(zhí)行操作。執(zhí)行操作后，即從GND模型中挖去了一塊與圓面一樣大小的圓孔，同時(shí)保留了圓面Port本身。(4)按下Ctrl+D，適合窗口大小全屏顯示所以已創(chuàng)建的模型。8.創(chuàng)建輻射邊界表面創(chuàng)

21、建一個(gè)長方體，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-80，-80，-35），長方體的長，寬，高為160mm160mm75mm，長方體模擬自由空間，因此材質(zhì)為真空，長方體命名為Air。創(chuàng)建好這樣的一個(gè)長方體之后，設(shè)置其四周表面為輻射邊界條件。(1)從主菜單欄選擇【Draw】【Box】，畫好一個(gè)長方體，彈出長方體“屬性”對話框。(2)單擊對話框的Command選項(xiàng)卡，輸入頂點(diǎn)坐標(biāo)（-80，-80，-35），輸入長，寬和高160，160和75.(3)單擊對話框的Attribute選項(xiàng)卡，修改名字為Air；查看Material項(xiàng)對應(yīng)的Value值，確認(rèn)其為真空；設(shè)置透明度為0.8，單擊確定，完成設(shè)置。(4)按下Ctrl+D

22、快捷鍵，適合窗口大小全屏顯示所有已創(chuàng)建的模型。(5)在操作歷史樹中，單擊選擇新建的長方體Air。(6)在三維模型窗口單擊右鍵，從彈出的菜單中選擇【Assign Boundary】【Radiation】命令，打開如下對話框，直接單擊對話框ok按鈕，將長方體Air四周設(shè)置為輻射邊界條件。 自此，微帶貼片天線的模型就完全創(chuàng)建好了。六.設(shè)置激勵(lì)端口設(shè)置同軸線信號端口面（即圓面Port）的激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)。(1)展開操作歷史樹下的Sheets節(jié)點(diǎn)，選擇圓面Port；選中后，模型會(huì)高度顯示。(2)在三維模型窗口單擊右鍵，從彈出的菜單中選擇【Assign Excitation】【Lumped Port

23、】打開如圖所示的對話框，設(shè)置Port面為集總端口激勵(lì)方式。 (3)在該對話框中，Name項(xiàng)對應(yīng)的文本框輸入端口激勵(lì)名稱P1；Resistance和Reactance項(xiàng)分別輸入50和0，然后單擊下一步。(4)在新打開的界面中，單擊Integration Line項(xiàng)的None，從其下拉菜單表中單擊New Line，設(shè)置集總端口的積分校準(zhǔn)線。在狀態(tài)欄的X，Y和Z文本框中輸入積分線起點(diǎn)坐標(biāo)（10，0，0），然后按回車鍵確定；緊接著在狀態(tài)欄的dX，dY和dZ文本框中輸入1，0，0然后按回車確認(rèn)；狀態(tài)欄的輸入狀態(tài)如圖所示。(5)此時(shí)，退出設(shè)置積分線狀態(tài)，回到“集總端口設(shè)置”對話框，單擊下一步按鈕直到結(jié)束，

24、完成集總端口激勵(lì)方式設(shè)置。(6)設(shè)置完成后，集總端口激勵(lì)P1會(huì)添加到工程樹的Excitations節(jié)點(diǎn)下，單擊Excitations節(jié)點(diǎn)左側(cè)的+按鈕，展開該節(jié)點(diǎn)，選中激勵(lì)P1，然后單擊工具欄按鈕，放大顯示上面添加的激勵(lì)端口P1，如圖所示。1所指的就是積分校準(zhǔn)線。 七.添加和使用變量添加設(shè)計(jì)變量Length，初始值為31.0mm，用以表示微帶貼片的長度；添加設(shè)計(jì)變量Width，初始值為41.4mm，用以表示微帶貼片的寬度；添加設(shè)計(jì)變量Xf，初始值為9.5mm，用以表示同軸線的圓心點(diǎn)的X坐標(biāo)。1.添加設(shè)計(jì)變量 (1)從主菜單欄選擇【HFSS】【Design Properties】命令，打開“設(shè)計(jì)屬

25、性”對話框，單擊對話框的Add按鈕，打開Add Property對話框。 (2)在對話框，Name項(xiàng)輸入變量名Length，Value項(xiàng)輸入變量的初始值31mm，然后單擊ok按鈕；此時(shí)，添加了變量Length。(3)重復(fù)步驟（2），添加變量Width和Xf，其初始值分別為41.4mm和9.5mm。(4)最后單擊“設(shè)計(jì)屬性”對話框的確定按鈕，完成變量定義。 2.在模型中使用變量使用變量Length和Width表示微帶貼片Patch的長度和寬度，并設(shè)置微帶貼片的起點(diǎn)坐標(biāo)為（-Length/2，-Width/2，5mm）。使用變量Xf代替同軸饋線Feed的底部圓心和集總端口Port的圓心在x方向的坐

26、標(biāo)。(1)展開操作歷史樹下的Sheets節(jié)點(diǎn)，找到并展開Perfect E節(jié)點(diǎn)，在展開Perfect E節(jié)點(diǎn)下的Patch節(jié)點(diǎn)，雙擊Patch節(jié)點(diǎn)下的CreateRectangle，打開微帶貼片Patch的“屬性”對話框。(2)在對話框中，把Position項(xiàng)對應(yīng)的Value值由原來的（-15.5，-20.7，5）改為（-Length/2,-Width/2，5mm），把XSize和YSize項(xiàng)對應(yīng)的Value值由原來的31和41.4改為變量Length和Width。(3)單擊確定，完成設(shè)置。(4)重復(fù)步驟（1）在操作歷史樹pec節(jié)點(diǎn)下找到并展開Feed節(jié)點(diǎn)，在Feed節(jié)點(diǎn)下雙擊CreateCy

27、linder，打開同軸饋線Feed的“屬性”對話框。在該對話框中，把Center Position項(xiàng)對應(yīng)的Value值由原來的（9.5，0，0）改為（Xf，0，0），然后單擊確定按鈕完成。(5)重復(fù)步驟（1）在操作歷史書SheetsLumped Port節(jié)點(diǎn)下找到并展開Port，在Port節(jié)點(diǎn)下雙擊CreateCircle，打開同軸饋線Feed的“屬性”對話框。在該對話框中，把Center Position項(xiàng)對應(yīng)的Value值由原來的（9.5，0，0）改為（Xf，0，0）。然后單擊確定完成。八.求解設(shè)置本次設(shè)計(jì)的微帶貼片天線中心頻率在2.45GHz，因此設(shè)置HFSS的求解頻率為2.45Ghz；

28、同時(shí)添加1.53.5GHz的掃描設(shè)置，選擇快速掃頻類型，分析天線在1.53.5GHz頻段的回波損耗或者電壓駐波比。1. 求解設(shè)置(1)右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點(diǎn)，從彈出的菜單中選擇【Add Solution Setup】命令，打開如下的對話框。(2)在該對話框中，Setup Name項(xiàng)保留默認(rèn)名字，Solution項(xiàng)輸入2.45GHz，Maximum Number of Passes項(xiàng)輸入15，Maximum Delta S項(xiàng)輸入0.02，其他項(xiàng)保持默認(rèn)設(shè)置。然后單擊確定按鈕，完成設(shè)置。(3)完成設(shè)置后，求解設(shè)置的名稱Setup1會(huì)添加到工程樹的Analysis節(jié)點(diǎn)下。2. 掃描設(shè)

29、置(1)展開工程樹Analysis節(jié)點(diǎn)，選中求解設(shè)置項(xiàng)Setup1，單擊右鍵，從彈出菜單中選擇【Add Frequency Sweep】，打開Edit Sweep對話框，進(jìn)行掃描設(shè)置。(2)在該對話框中，Sweep Name項(xiàng)保留默認(rèn)名稱，Sweep Type項(xiàng)選擇快速掃頻類型Fast；在Frequency Setup欄，Type項(xiàng)現(xiàn)在LinearCount，start項(xiàng)輸入1.5GHz，Stop項(xiàng)輸入3.5Ghz，Count項(xiàng)輸入41.然后單擊ok按鈕，完成掃頻設(shè)置。(3)設(shè)置完成后，掃頻設(shè)置項(xiàng)的名稱Sweep1會(huì)添加到工程樹Analysis節(jié)點(diǎn)的Setup1下面。 九.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分

30、析通過前面的操作，我們已經(jīng)完成了模型創(chuàng)建和求解設(shè)置等HFSS設(shè)計(jì)的前期工作，接下來就可以運(yùn)行仿真計(jì)算，并查看分析結(jié)果了。在運(yùn)行仿真計(jì)算前，通常需要進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，檢查設(shè)計(jì)的完整性和正確性。從主菜單欄現(xiàn)在【HFSS】【Validation】命令，進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查。此時(shí)，會(huì)彈出如下所示的“檢查結(jié)果顯示”對話框，該對話框中的每一個(gè)項(xiàng)都顯示圖標(biāo)，表示當(dāng)前的HFSS設(shè)計(jì)正確，完整。單擊Close關(guān)閉對話框，準(zhǔn)備運(yùn)行仿真計(jì)算。右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點(diǎn)，從彈出的菜單中選擇【Analyze All】命令，進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算過程中，工作界面上的進(jìn)度條窗口會(huì)顯示出求解進(jìn)度，信息管理窗口也會(huì)有相應(yīng)的信息

31、提示，并會(huì)在仿真計(jì)算完成后，給出完成提示信息。 .十.查看天線的諧振點(diǎn)查看天線信號端口回波損耗的掃描分析結(jié)果，給出天線的諧振點(diǎn)。(1)右鍵單擊工程樹下的Results節(jié)點(diǎn)，在彈出菜單中選擇【Output Variable】命令，打開報(bào)告設(shè)置對話框。(2)在該對話框中，確定Solution項(xiàng)選擇的是Setup1：Sweep1，Domain項(xiàng)選擇的是Sweep，在Category欄選中S Parameter，Quantity欄選中S（P1,P1），F(xiàn)unction欄選中dB。(3)此時(shí)生成S11在1.5到3.5GHz的掃頻曲線報(bào)告。(4)單擊選中的曲線，然后標(biāo)記出曲線的最小值點(diǎn)m1，并在圖中顯示出

32、最小點(diǎn)的坐標(biāo)。可以看出，當(dāng)頻率為2.35GHz時(shí)，S11最小，S11最小值約為-15.1dB。十一.優(yōu)化設(shè)計(jì) 由掃描曲線報(bào)告可知，根據(jù)計(jì)算的尺寸設(shè)計(jì)出來的微帶天線諧振點(diǎn)在2.35GHz，與期望的中心頻率2.45GHz想比，存在一定的誤差。所以需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天線的諧振頻率落在2.45GHz上。 根據(jù)理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率由微帶貼片的長度和寬度決定，貼片尺寸越小諧振頻率越高。接下來我們首先使用參數(shù)掃描分析功能進(jìn)行參數(shù)掃描分析，分析諧振頻點(diǎn)分別隨著貼片長度Length和寬度Width的變化關(guān)系；然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化微帶貼片長度和寬度,使天線的諧振頻率落在2.45GHz。1. 參

33、數(shù)掃描分析為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在進(jìn)行參數(shù)掃描分析之前，把掃頻設(shè)置項(xiàng)Sweep1的頻率設(shè)置為2.22.8GHz。展開工程樹Analysis節(jié)點(diǎn)下的Setup1項(xiàng)，雙擊Setup1項(xiàng)下的Sweep1，打開對話框，在該對話框中，Start、Stop和Count項(xiàng)分別輸入2.2GHz、2.8GHz、和13。（1） 變量Length的掃描分析1)右擊工程樹下的Optimetrics節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Add】【Parametric】命令，打開對話框。2)單擊對話框中的Add按鈕打開Add/Edit Sweep對話框，添加掃描變量Length。3)在對話框中，Variable項(xiàng)選擇變量Length，掃描

34、方式選擇LinearStep單選按鈕，Start、Stop和Step項(xiàng)分別輸入28mm、31mm和0.5mm，然后單擊Add按鈕，上述操作完成后，單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框。4)單擊Setup Sweep Analysis對話框中的確定按鈕，完成添加參數(shù)掃描操作，添加Length為掃描變量。完成后差數(shù)掃描分析名稱會(huì)添加到工程樹的Optimetrics節(jié)點(diǎn)下，默認(rèn)的名稱為ParametricSetup1。5)右擊工程樹Optimetrics節(jié)點(diǎn)下的ParametricSetup1項(xiàng)，從彈出菜單中選擇【Analysis】，運(yùn)行參數(shù)掃描分析。6)參數(shù)掃描分析完成后，右擊工程樹下的Results節(jié)點(diǎn)，從

35、彈出菜單選擇【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular plot】命令，打開報(bào)告設(shè)置對話框，采用與前面相同的設(shè)置，生成一組S11曲線報(bào)告圖，每根S11曲線對應(yīng)不同的Length變量值。從曲線報(bào)告中可以看出，當(dāng)微帶貼片天線的寬度固定時(shí)，微帶天線的諧振頻點(diǎn)隨著微帶貼片長度Length的減小而變大。當(dāng)Length=29.5mm時(shí)，諧振頻點(diǎn)約為2.45GHz。（2） 變量Width掃描分析重復(fù)前面的操作，添加Width為掃描變量，定義第二個(gè)參數(shù)掃描分析項(xiàng)。其中，在Add/Edit Sweep對話框中，Variable項(xiàng)選擇變量Width，Start，

36、Stop和Step項(xiàng)分別輸入39mm，42mm和0.5mm。參數(shù)掃描分析完成后，可以生成一組S11曲線報(bào)告圖，每條S11曲線對應(yīng)不同的Width變量值。從圖中可以看出，當(dāng)微帶貼片長度Length固定時(shí)，微帶貼片寬度Width的改變對矩形微帶天線諧振點(diǎn)的影響很小。2. 優(yōu)化設(shè)計(jì)通過差數(shù)掃描分析，我們知道微帶貼片長度Length的變化對矩形微帶天線諧振頻點(diǎn)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點(diǎn)的影響很小。當(dāng)Length=29.5mm，Width=41.4mm時(shí)，諧振頻率約為2.45GHz。因此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只需要優(yōu)化變量Length，并可以設(shè)置變量Length的優(yōu)化范圍

37、為2930mm。優(yōu)化算法選擇SNLP，目標(biāo)函數(shù)取S11的最小值，在HFSS中即取dB（S（P1，P1）的最小值。(1)從主菜單欄選擇【HFSS】【Design Properties】命令，打開“屬性”對話框，選擇Optimization單選按鈕，在選中變量Length對應(yīng)的復(fù)選框，在變量Length對應(yīng)的Min和Max欄輸入29和30，如圖所示；單擊確定。這樣就設(shè)置了變量Length為優(yōu)化變量，且優(yōu)化范圍為2930mm。(2)右擊工程樹下的Optimetrics節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Add】【Optimization】命令，打開對話框。在該對話框Goals選項(xiàng)卡界面，Optimizer項(xiàng)選擇

38、Sequential Nonlinear Programming；Max NO. of Iterations項(xiàng)輸入15；然后單擊tup Calculations 按鈕打開對話框。(3)在對話框中，左側(cè)Solution項(xiàng)選擇Setup1：LastAdaptive，右側(cè)Category欄選擇S Parameter，Quantity欄選擇S（P1，P1），F(xiàn)unction欄選擇dB；然后單擊Add按鈕，添加dB為目標(biāo)函數(shù)；最后單擊Done按鈕，關(guān)閉對話框，返回Setup Optimization對話框界面。(4)此時(shí)，在Setup Optimization對話框Cost欄會(huì)列出信添加的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，

39、單擊目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的Condition欄，從其下拉列表中選擇Minimize，完成后的狀態(tài)如圖所示。(5)單擊選擇Setup Optimization對話框的Variable選項(xiàng)卡，如圖所示，在Length對應(yīng)的Starting Value欄輸入29.5mm；在 Min Focus和Max Focus欄分別輸入29.2和29.8.(6)單擊選擇Setup Optimization對話框的General選項(xiàng)卡，Parametrics項(xiàng)選擇ParametricSetup1；其他項(xiàng)都保持默認(rèn)設(shè)置。最后單擊確定按鈕，完成優(yōu)化設(shè)置。(7)完成后，默認(rèn)的優(yōu)化設(shè)置名稱OptimizationSetup1會(huì)添加

40、到Optimetrics節(jié)點(diǎn)下。右擊工程樹Optimetrics節(jié)點(diǎn)下的OptimizationSetup1，從彈出菜單中選擇【Analyze】命令，運(yùn)行優(yōu)化分析。(8)優(yōu)化分析需要比較長的一段時(shí)間。在優(yōu)化完成后，右擊工程樹Optimetrics節(jié)點(diǎn)下的OptimizationSetup1，從彈出菜單中選擇【View Analysis Result】命令，打開Post Analysis Display窗口，選擇Table單選按鈕，查看優(yōu)化結(jié)果。從顯示的優(yōu)化結(jié)果中可以看出，軟件總共做了22次優(yōu)化迭代計(jì)算，其中第16次迭代計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)值最小，其對應(yīng)的優(yōu)化變量Length=29.45.十二.查看優(yōu)

41、化后的天線性能由前面的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可知，當(dāng)Length=29.45mm，Width=41.4mm時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)在2.45GHz。首先，從主菜單選擇【HFSS】【Design Properties】命令，打開“設(shè)計(jì)屬性”對話框，把變量Length的值由原來的31mm改為29.45mm。然后，雙擊工程樹AnalysisSetup1節(jié)點(diǎn)下的Sweep1項(xiàng)，在打開的Edit Sweep對話框中，把Count值由13改為25，細(xì)化頻率掃描點(diǎn)，并單擊ok按鈕確定。最后單擊工程樹Analysis節(jié)點(diǎn)下的Setup1項(xiàng)，從彈出菜單中選擇Analysis，運(yùn)行仿真分析。1. 查看S11參數(shù) 右鍵工程樹下的R

42、esults節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令，打開對話框，對話框采用采用上面相同的設(shè)置，單擊New Report生成S11掃描曲線報(bào)告圖。在S11掃頻曲線報(bào)告里標(biāo)注出最小值點(diǎn)，可以看出，Length=29.45mm，Width=41.4mm時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)在2.45GHz，此時(shí)S11-13.4dB2. 查看S11參數(shù)的Smith圓圖結(jié)果右擊工程樹下的Results節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Create Modal Solution Data Report】【Smith Chart】命令，打開對話

43、框，對話框的Trace選項(xiàng)卡采用上面的設(shè)置，然后單擊New Report按鈕，生成如下所示的S11參數(shù)Smith圓圖報(bào)告。3. 查看電壓駐波比 右擊工程樹下的Results節(jié)點(diǎn)，在彈出菜單中選擇【Create Modal Solution Data Report】【Reactangular Plot】命令，打開對話框，對話框采用上面的設(shè)置，單擊New Report按鈕，生成如圖所示的VSWR報(bào)告圖。4. 查看天線的三維增益方向圖(1)右擊工程樹下的Radiation節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Insert Far Field Setup】【Infinite Sphere】命令，打開對話框。在該對話框中，Name項(xiàng)輸入3D,作為輻射球面的名稱，Phi和Theta角度范圍和布進(jìn)保持默認(rèn)，如圖所示，然后單擊確定按鈕，向設(shè)計(jì)中添加一個(gè)完整的輻射球面。(2)右擊工程樹下的Results節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Create Far Field Setup】【3D Polar Plot】命令，打開對話框，對話框采用上面的設(shè)置，注意Geometry項(xiàng)選擇上一步定義的輻射球面3D，然后單擊New Report按鈕，生成如圖所示的三維增益方向圖。(3)從三維增益方向圖中可以看出該微帶貼片天線最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，即z周正向，最大增益約為7.4dB。5.查看