用SonnetAgilent HFSS設(shè)計微帶天線

1、用Sonnet & Agilent HFSS設(shè)計微帶天線摘要：以一同軸線底饋微帶貼片為題材，分別用Sonnet 軟件及 Agilent Hfss 軟件進(jìn)行Simulate，分析其特性。并根據(jù)結(jié)果對這兩個軟件作一比較。 天線模型：天線為微帶貼片天線，饋電方式為50同軸線底饋，中心頻率3GHz基片采用Duroid材料，尺寸 56mm*52mm*3.175mmPatch ：30mm*30mm饋電點距Patch中心7mm處。參見下圖。一. Sonnet參數(shù)設(shè)置如下圖：介質(zhì)層按照天線指標(biāo)予以設(shè)置：畫出Antenna Layout. Top view Bottom view其中箭頭所指處為via，

2、并在GND層加上via port.即實現(xiàn)了對Patch的底饋。至此，Circuit Edit完成。下一步對其進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果：S11，即反射系數(shù)圖：可見中心頻率在3G附近，。進(jìn)一步分析電流分布：在中心頻率的附近，取3G，3.1G作表面電流分布圖： 可見，在中心頻率的電流分布較為對稱。符合設(shè)計的要求。遠(yuǎn)區(qū)場方向圖：選取了若干個頻率點繪制遠(yuǎn)區(qū)場增益圖。從中可以看到，中心頻率的增益較邊緣為大。符合設(shè)計的要求。二. Agilent HfssAgilent Hfss (high frequency structure simulator)是AGILENT公司的一個專門模擬高頻無源器件的軟件。較現(xiàn)在廣泛

3、應(yīng)用的ANSOFT HFSS功能類似，但操作簡單明了。能在平面結(jié)構(gòu)上建模天線不同，Agilent Hfss可以精確地定義天線的立體結(jié)構(gòu)。并可將饋電部分考慮在模擬因素內(nèi)，按要求設(shè)定輻射界面，等等?？赡茉诒疚牡睦又?，由于結(jié)構(gòu)比較簡單，并不能充分體現(xiàn)這一點，但也應(yīng)可見一斑。本例與HFSS HELP中所附帶的例子較為類似，因此我參照HELP文件，在HFSS5.6環(huán)境下較為順利的完成了模擬。用HFSS模擬天線，主要分Draw Model、Assign Material、Define Boundary、Solve、Post Process五個步驟：Draw Model：HFSS采用的是相當(dāng)流行的AUTO

4、CAD的ENGINE，因此繪制方法與AUTOCAD大同小異，這里不在贅述。我先分Air Box、Substrate Box、Coax Line、Patch幾個部分畫好模型。其中COAX LINE 包括內(nèi)導(dǎo)體（圓柱）及外層介質(zhì)及外導(dǎo)體（環(huán)柱）；PATCH為一平面矩形，AIR BOX、SUBSTRATE BOX 為長方體。同時，由于基板，同軸線之間會有重疊，所以應(yīng)用3D OBJECTS 菜單中的Subtract命令將重疊部分減去。畫好的天線模型如下圖所示：Assign Material由于在Draw Model 時并沒有指定各組成部分的材質(zhì)，因在此予以統(tǒng)一說明。詳見下圖。Define Bounda

5、ryHFSS中需要定義Port. Perfect E. Perfect H. Ground Plane 以及重要的RADIATION 邊界（即電磁能量的輻射面）。按照天線設(shè)計要求，定義各邊界如下圖：其中AIRBOX的各個界面為RADIATION 邊界；基板底面為GROUND PLANE（接地面）PORT位于同軸線下端同時，由于HFSS要求接地面與OUTER SPACE完全接觸，否則無法模擬，所以應(yīng)將SUB與COAX的相交面定義為DEFAULT界面，（相當(dāng)與將這一塊平面從接地面上挖去）。圖：其中BRICK為RADIATION ，HONEY COMB為METEL，黑色為PERFECT E界面。至此

6、，天線建模部分已經(jīng)全部完成，以下進(jìn)入SOLVE階段。SOLVEHFSS中可以設(shè)置FAST FREQ SWEEP （速度較快）及DISCRETE FREQ SWEEP（精度較高）這里選用DISCRETE SWEEP ，從0.1Ghz -5Ghz ,以0.1G為步長進(jìn)行掃描。設(shè)定完成之后，運行即可。運行時間較SONNET長得多。Post Process：在Post Process中，可以對解出的結(jié)果進(jìn)行繪圖，以獲得直觀的可視效果。HFSS有3D作圖功能，可以直觀的繪制出場分布，以及遠(yuǎn)區(qū)場的立體圖。以下?lián)褚x取指標(biāo)作圖：1.S Mag：（S11）中心頻率恰好在3.0GHZ處，與設(shè)計要求完全相符。頻帶

7、較窄，這是普通 微帶天線的通病。Far Field 3 D：3Ghz3Ghz表面電流分布：分布比較對稱.中心頻率點3GHz天線參數(shù)表：可見在中心頻率點，增益、方向性均在可以接受的范圍內(nèi)。其他頻率點的參數(shù)均以計算出，限于篇幅，不在此列出。三. 總結(jié)及比較：本文分別用sonnet ,AGILENT HFSS分別對一個簡單的微帶貼片天線的實例進(jìn)行了模擬。結(jié)果基本上與設(shè)計要求相近。特別是HFSS，在按照實例尺寸設(shè)計的條件下，取得了與實際要求完全吻合的結(jié)果。電流分布、增益、方向性等各項指標(biāo)均符合要求。但是，由于SONNET 與HFSS軟件的差異，在分析的結(jié)果上還是存在著一些差別，SONNET在分析該天線

8、時，中心頻率略微偏離3GHZ。而反射系數(shù)的大小也略有差異?？偟膩碚f：兩個軟件各有其優(yōu)缺點。Sonnet軟件使用簡單，易于上手，運行速度快，結(jié)果也誤差不大。而其在具體的參數(shù)設(shè)置上精確度不高，組件尺寸的精確度受到CELL SIZE的制約。如在本例中，CELL SIZE為1mm（已是相當(dāng)小的值），PORT的尺寸受制于此，只能精確到mm數(shù)量級。這應(yīng)該就在是本例中為什么中心頻率略有偏差的原因。而HFSS作為模擬仿真高頻無源器件的專門工具，精確度高是其一大優(yōu)點。首先，在模型的繪制上，HFSS采用AUTOCAD 引擎，可以精確的描述任意的立體結(jié)構(gòu)。其次，可以方便地指定介質(zhì)材料的各項參數(shù)。而且，通過對邊界條件的定義，可以精確的指定端口、射定發(fā)射邊界面，以及E、H對稱面、PERFEC