HFSS雙頻微帶天線設(shè)計

一設(shè)計內(nèi)容介紹雙頻工作是微帶天線設(shè)計的重要課題之一，有關(guān)的設(shè)計涉及使用多層金屬片，具槽孔負(fù)載之矩形金屬片，具矩形缺口的正方形金屬片，具短金負(fù)載的金屬片，傾斜槽孔耦合饋入的矩形金屬片等。其中，獲得雙頻工作的一種最簡樸的辦法是輻射貼片的長度對應(yīng)一種頻率諧振，其寬度對應(yīng)另一種頻率諧振，然后從對角線的一角饋電，就能使同一種輻射貼片工作于兩個頻率上。其構(gòu)造如圖1所示。圖1故在這個設(shè)計中，L1是表達(dá)饋電點長度方向的x坐標(biāo)的變量，其值為7mm,表達(dá)的中心頻率為2.45GHZ，輸入阻抗為50歐姆。L2是表達(dá)饋電點的y坐標(biāo)的變量，其值為10mm,表達(dá)的中心頻率為1.7GHZ。輸入阻抗為50歐姆。設(shè)計模型的中心在坐標(biāo)原點上，輻射貼片的長度方向是沿著x軸方向，寬度方向是沿著y方向的。介質(zhì)基片的大小是輻射貼片的兩倍，參考地面輻射貼片使用抱負(fù)薄導(dǎo)體。由于使用50歐姆的同軸線饋電，這里使用半徑為0.6mm的材質(zhì)為pec的圓柱體模型。而與圓柱體相接的參考地面需挖出一種半徑為1.5mm的圓孔，將其作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵方式設(shè)立為集總端口激勵，端口歸一化阻抗為50歐姆。HFSS仿真設(shè)計過程1.新建工程文獻(xiàn)運行HFSS并新建工程：雙擊快捷圖標(biāo)，啟動HFSS軟件。新建一種工程文獻(xiàn)，工程名為Dual_Patch.hfss文獻(xiàn)。設(shè)立求解類型：選擇hfss→SolutionType,選中DrivenModal,然后點擊OK。設(shè)立模型長度：選擇Modeler→Units選項設(shè)立為mm。點擊OK。添加和定義設(shè)計變量在HFSS→DesignPropertied命令，打開設(shè)計屬性對話框，然后單擊對話框。在Name文本框中輸入第一種變量名稱H，在value文本框中輸入該變量的初始值為1.6mm。使用相似的辦法，分別定義變量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分別為28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm點擊擬定。設(shè)計屬性對話框如圖所示。3.設(shè)計建模創(chuàng)立介質(zhì)基片：在主菜單中選擇Draw→Box命令，進(jìn)入創(chuàng)立長方體的狀態(tài)，然后三維模型窗口創(chuàng)立任意一種長方體。打開新建長方體屬性對話框，把長方體的名稱修改為Substrate,設(shè)立材質(zhì)為FR4_epoxy,設(shè)立透明度為0.6.再雙擊歷史樹Substrate下的CreateBox選項，打開Command選項卡，在position文本框中輸入頂點位置坐標(biāo)為（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分別輸入長方體的長寬高為2*L0，2*W0，H。如圖3-1所示。這時就創(chuàng)立好了名稱為Substrate的介質(zhì)基片模型。然后按Ctrl＋D全屏顯示物體模型。圖3-1介質(zhì)基片模型創(chuàng)立輻射貼片：在主菜單中選擇Draw→rectangle命令，進(jìn)入創(chuàng)立矩形面的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種矩形面。雙擊Solids節(jié)點下的rectangle1選項，打開新建矩形面屬性對話框的Attribute選項卡，把矩形面的名稱修改為Patch,設(shè)立透明度為0.4.再雙擊歷史樹Substrate下的Createrectangle選項，打開Command選項卡，在position文本框中輸入頂點位置坐標(biāo)為（-L0/2，-W0/2，H），在Xsize,Ysize文本框中分別輸入矩形面的長寬為L0，W0。如圖3-2所示。這時就創(chuàng)立好了名稱為patch輻射貼片模型。然后按CtrlD全屏顯示物體。圖3-2輻射貼片模型(3)創(chuàng)立參考地：在主菜單中選擇Drawrectangle命令，進(jìn)入創(chuàng)立矩形面的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種矩形面。雙擊Solids節(jié)點下的rectangle1選項，打開新建矩形面屬性對話框的Attribute選項卡，把矩形面的名稱修改為GND,設(shè)立透明度為0.4.再雙擊歷史樹Substrate下的Createrectangle選項，打開Command選項卡，在position文本框中輸入頂點位置坐標(biāo)為（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize文本框中分別輸入矩形面的長寬為2*L0，2*W0。如圖3-3所示。這時就創(chuàng)立好了名稱為GND的參考地模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-3參考地模型（4）創(chuàng)立同軸饋線的內(nèi)芯：在主菜單中選擇DrawCylinder命令，進(jìn)入創(chuàng)立圓柱體的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種圓柱體。雙擊Solids節(jié)點下的rectangle1選項，打開新建矩形面屬性對話框的Attribute選項卡，把圓柱體的名稱修改為Feed,設(shè)立其材質(zhì)為pec.再雙擊歷史樹Substrate下的CreateCylinder選項，打開Command選項卡，在position文本框中輸入頂點位置坐標(biāo)為（L1，L2，0），在Radius文本框中分別輸入圓柱體的半徑為0.6。在Height文本框中分別輸入圓柱體的長度為H。如圖3-4所示。這時就創(chuàng)立好了名稱為Feed的圓柱體同軸饋線內(nèi)芯模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-4同軸饋線內(nèi)芯模型（5）創(chuàng)立信號傳輸端口面：同軸線饋電需要穿過參考地面來傳輸信號能量。因此，需要在參考地面GND上開一種圓孔允許能量傳輸。首先在參考地面上創(chuàng)立一種半徑為1.5mm，圓心坐標(biāo)為（L1，0，0）的圓面，并將其命名為Port。然后在執(zhí)行相減操作，使用參考地面減去圓面，從而在參考地面上開出一種圓孔。在主菜單中選擇DrawCircle命令，進(jìn)入創(chuàng)立圓面的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種圓面。雙擊Solids節(jié)點下的Circle選項，打開新建圓面屬性對話框的Attribute選項卡，把矩形面的名稱修改為Port。再雙擊歷史樹Port下的CreateCircle選項，打開Command選項卡，在position文本框中輸入頂點位置坐標(biāo)為（L1，L2，0），在Radius文本框中分別輸入圓面的半徑為1.5。如圖3-5所示。這時就創(chuàng)立好了名稱為Port的信號傳輸端口面模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-5信號傳輸端口面模型使用相減操作在參考地面挖一種圓孔。按住Ctrl鍵的同時單機(jī)GND和Port選項，選中這兩個平面。然后在主菜單中選擇Modeler→Boolean→Substrate命令，打開如圖3-6所示的對話框。同時為保存圓面port，需要選中對話框中的Clonetoolobjectsbeforeoperation復(fù)選框。最后點擊OK。圖3-6至此，就創(chuàng)立好了同軸線饋電的矩形微帶天線的設(shè)計模型，如圖3-7所示。圖3-74設(shè)立邊界條件（1）把輻射貼片Patch和參考地設(shè)立為抱負(fù)導(dǎo)體邊界。選中patch和gnd然后單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇

assign→boundary→perfectE命令，打開抱負(fù)導(dǎo)體邊界條件設(shè)立對話框，保存默認(rèn)設(shè)立不變，點擊擬定。（2）設(shè)立輻射邊界條件：在主菜單中選擇DrawBox命令，進(jìn)入創(chuàng)立長方體的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種長方體。雙擊Solids節(jié)點下的Box1選項，打開新建長方體屬性對話框的Attribute選項卡，把長方體的名稱修改為AirBox,設(shè)立透明度為0.8。再雙擊歷史樹Substrate下的CreateBox選項，打開Command選項卡，在position文本框中輸入頂點位置坐標(biāo)為（-L0/2-length，-W0/2-length，-10），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分別輸入長方體的長寬高為(L0+2*lengt，W0+2*length，10mm+H+length)。如圖所示。單擊AirBox選項，右擊選擇assign→boundary→radiation,保存默認(rèn)設(shè)立不變，點擊擬定。5設(shè)立端口激勵：單擊port,選擇port后，右擊選擇assign→excitation→lumpedport命令，打開集總端口設(shè)立對話框。在name文本框輸入名稱1，點擊下一步，在mode對話框中，單擊impedanceline項的none,選擇newline，此時輸入起始坐標(biāo)（7.6,0,0），再輸入坐標(biāo)（0.9,0,0），并擬定。完畢集總端口設(shè)立。6：求解設(shè)立：選擇菜單：HFSS〉A(chǔ)nalysis〉Setup〉A(chǔ)ddSolutionSetupa。點擊通用（General）鍵求解頻率：2.45GH，最大通過數(shù)目：20，通過的最大DeltaS：0.02，點擊擬定按鈕。增加掃頻選擇菜單HFSS〉A(chǔ)nalysis〉A(chǔ)ddSweep，選擇求解設(shè)立：Setup1，點擊擬定按鈕。編輯掃頻窗口，掃描類型：快速（Fast）頻率設(shè)立類型：線形計數(shù)（LinearCount）開始(Start)：1.0GHz，結(jié)束（Stop）：3GHz，計數(shù)（Count）：0.01GHZ點擊擬定按鈕。7.設(shè)計檢查和運行仿真計算：1模型檢查，選擇菜單：HFSS〉ValidationCheck，點擊關(guān)閉（Close）按鈕。注意：使用信息管理器能夠看到任何錯誤或警告信息。2求解過程，選擇菜單：HFSS〉A(chǔ)nalyzeAll。8成果及分析：1查看天線的諧振頻率：查看天線信號的端口回波損耗（即S11）的掃頻分析成果。右鍵單擊工程樹下的result節(jié)點，在彈出的菜單中選擇createmodalsolutiondatareport→rectangularpolt命令，打開報告設(shè)立對話框，選擇sttup1:sweep1,在category列表框選中Sparameter選項，在quantity列表框選中S（1,1），在Function列表框選中dB。然后單擊NewReport按鈕。再單擊close按鈕。如圖8-1所示圖8-1S11掃頻分析成果從成果報告中能夠看出，矩形微帶天線出現(xiàn)了兩個諧振點，一種諧振點為2.45GHZ，且S11的值為-24.0917dB。另一種諧振頻率為1.7GHZ，此時的S11值為-11.3013dB。2查看S11的Smith圓圖成果：右鍵單擊工程樹下的result節(jié)點，在彈出的菜單中選擇createmodalsolutiondatareport→SmithChart命令，打開報告設(shè)立對話框，選擇Trace選項卡的參數(shù)。然后單擊NewReport按鈕，得Smith原圖成果，如圖8-2所示。圖8-2從成果報告中看出，1.7GHZ是的歸一化阻抗為1.00-j0.16。2.45GHZ是的歸一化阻抗為1.03-j0.03，在兩個工作頻點都達(dá)成了較好的阻抗匹配。32.45GHZ時的增益方向圖：右鍵單擊工程樹下的result節(jié)點，在彈出的菜單中選擇createfarfieldsreport→radiationpattern命令，打開報告設(shè)立對話框，在geometry列表框選中之前定義的輻射表面EHPlane選項，在category列表框選中g(shù)ain。選項在quantity列表框選中g(shù)aintotal，在Function列表框選中dB。然后單擊NewReport按鈕。再單擊close按鈕。如圖8-3