小型化宽带串馈偶极子阵列天线-wsw.doc

题目：小型化宽带串馈偶极子阵列天线1. 所设计天线的应用背景随着通信技术的迅猛发展，以及空间利用率的提高，天线的物理尺寸的要求越来越小。并且在特殊的通信系统中，如宽带阵列天线、通信基站等，需要宽频带、稳定的增益和简单的结构。所以偶极子天线的需求越来越高。2. 设计天线的关键或主要指标等的介绍该天线采用顶端加载条形偶极子和锥形过渡的形式获得更宽的带宽、更高的增益和更小的尺寸。通过一条微带线和缝隙匹配天线的输入阻抗50，使天线更好地辐射能量。天线的设计指标为：工作频段：1.7GHz2.7GHz驻波比：VSWR2增益：6dBi3. 该类天线发展情况宽带偶极子天线是近年来比较热门的天线技术，根据其结构和加工方式的不同可将其分为平面单极子和印刷单极子两类：平面单极子是将一个平板结构的金属振子垂直放置在一块尺寸较大的金属接地板上，并通过 SMA 射频接头对其进行馈电；印刷单极子是在高性能微波介质基片上刻蚀出振子和接地板，并通过微带线或者共面波导对振子进行馈电。目前国内外大多数宽带偶极子天线都可以看成是下面六类基本结构的变形或优化，其工作原理与基本性能也与这些基本振子天线相似：(a) 三角形 (b) 矩形 (c) 梯形地(d) 圆形/椭圆形 (e) 分形和 (f)进化算法优化。4. 天线结构介绍，包括图，VISIO画的平面 三维图等图1天线几何结构天线的结构如图1所示，天线的中心频率为()。这个天线由偶极子阵列、一个介质基板、一个u形微带线所组成。u形微带线的宽度(1.52mm)，它被印刷在厚度h=0.8mm，相对介电常数=4.4，损耗正切=0.02的FR4介质板的上表面。FR4基板的尺寸为。辐射贴片是偶极子阵列和共面微带线组成，它被放置介质板的下表面的地方。本设计中的天线的馈电方式是缝隙耦合馈电，可以展开一定的带宽。介质板上表面的u形微带线与地面缝隙耦合传导电流。控制缝的宽度和u形微带线的宽度可以很好的耦合。5. 仿真分析的过程及结果，包括一步一步由HFSS（版本写出）仿真的过程，达到有点基本知识的人都可以按照该步骤达到仿真的结果1.新建设计工程（1）运行HFSS并新建工程双击桌面上的HFSS快捷方式图标，启动HFSS软件。HFSS运行后，它会自动新建一个工程文件，选择【file】【save as】命令，把工程文件另存为1lcp.hfss文件。（2）设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。从主菜单栏中选择【HFSS】【solution type】命令，打开如图5.1所示的solution type 对话框，选中driven model单选按钮，然后单击按钮，完成设置。图5.1 设置求解类型（3）设置模型长度单位设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度单位为mm。从主菜单栏中选择【modeler】【units】命令，打开如图5.2所示的set model units对话框。从该对话框中将select units 选项设为mm。然后单击按钮，完成设置。图5.2 设置长度单位2 添加和定义设置变量从主菜单栏中选择【HFSS】【Design Properties】命令，打开设计属性对话框。在该对话框中单击按钮，打开Add Property对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称w，在Value文本框中输入该变量的初始值80mm，然后单击按钮，即可添加变量w到设计属性对话框中。变量定义和添加的过程如图5.3所示。变量名变量值图5.3定义变量使用相同的操作方法，完成其他变量的定义。定义完成后，确认设计属性对话框如图5.4所示。图5.4 定义所有设计变量后的设计属性对话框最后单击设计属性对话框中的 按钮，完成所有变量的定义和添加工作。3 设计建模（1） 创建介质基片创建一个长方体模型表示介质基片，长方体模型的底面位于xoy平面，模型的材质为FR4，并将该模型命名为Substrate。从主菜单栏中选择【Draw】【Box】命令或者单击工具栏上的按钮，进入创建长方体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体。创建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树的Solids下的Box1节点，打开新建长方体属性对话框的Attribute选项卡。把长方体的名称设置为Substrate，设置其材质为FR4，设置其透明度为0.6，如图5.5所示，然后单击按钮退出。图5.5长方体属性对话框中的Attribute选项卡再双击操作历史树Substrate下的Command节点，打开新建长方体属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标为(-pl*0.5 ,0mm ,0mm)，在XSize、YSize和ZSize文本框中分别输入矩形面的长度和宽度为pl、pl和h1，如图5.6所示，然后单击按钮退出。图5.6长方体属性对话框中的Command选项卡此时就创建好了名为Substrate的介质基片模型。然后按快捷键Ctrl+D全屏显示创建的物体模型。（2） 创建辐射贴片在介质基片的下表面创建如下图所示的模型。图5.7贴片的形状创建矩形面1在介质层的下表面建如图5.8所示的矩形面1，其长度和宽带分别用变量gl1和gw1表示。从主菜单栏中选择【draw】【rectangular】命令或者单击工具栏上的按钮，进入创建矩形面的状态，然后在三维模型窗口的xy面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的sheets节点下，其默认的名称为rectangular1.双击此处图5.8矩形面属性对话框中的Attribute选项卡展开操作历史树中sheets下的rectangular1节点，双击该节点下的creatrectangular节点，打开新建矩形面属性对话框的command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和尺寸。在Position中设置顶点坐标为（w1*0.5 ,0mm ,0mm），在XSize和ZSize中设置矩形面的长和宽分别为gl1和gw1，如图5.9所示，然后单击按钮退出。双击此处图5.9矩形面属性对话框中的Command选项卡创建矩形面2在介质层的下表面创建如图5.10所示的矩形面2，顶点坐标为（w1*0.5，gw1+l1，0mm），其长度和宽度分别用变量dl1和dw1表示。图5.10矩形面属性对话框中的Command选项卡创建矩形面3在介质层的下表面创建如图5.11所示的矩形面3，顶点坐标为（w1*0.5，gw1+l1+dw1+l2，0mm），其长度和宽度分别用变量dl2和dw2+sl3表示。图5.11矩形面属性对话框中的Command选项卡合并操作按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular1Rectangular3节点，以同时选中这3个矩形面。然后从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Unite】命令或者单击工具栏上的按钮，执行合并操作。此时，即可把选中的3个矩形面合并成一个整体，合并生成的整体的名称为Rectangular1。创建三角形切角创建一个三角形面，从主菜单栏中选择【Draw】【Line】命令或者单击工具栏上的按钮，借助于捕捉功能（Snap Mode），在三维模型窗口中按顺序分别单击如图5.12所示的A、B、C点，最后在A点位置上双击，这样即可创建三角形面。新生成的三角形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Polyline1.A（w1*0.5 ,gw1 ,0mm）B(w1*0.5 ,gw1-sl1 ,0mm)C(w1*0.5+sw1 ,gw1 ,0mm)图5.12三角形面顶点坐标展开工程树中的Sheets下的Polyline1节点，再展开Polyline1下的CreatPolyline1节点，选中CreatLine节点，然后在属性窗口的Point1和Point2处分别输入三角形顶点A和B的坐标，分别为（w1*0.5 ,gw1 ,0mm）和(w1*0.5 ,gw1-sl1 ,0mm)，如下图所示。再使用和前面相同的方法选中CreatPolyline下的第二个CreatLine节点，在属性窗口的Point2处输入三角形顶点C的坐标(w1*0.5+sw1 ,gw1 ,0mm)。单击此处图5.13设置三角形的顶点坐标这样，即可用变量来表示创建的三角形面的位置和尺寸。按照上面相同的方法来创建下面的四个三角形。第一个三角形的顶点坐标分别为A1（w1*0.5 ,gw1+l1 ,0mm），B1（w1*0.5+sw2 ,gw1+l1 ,0mm），C1（w1*0.5 ,gw1+l1+sl2 ,0mm）。第二个三角形的顶点坐标分别为A2（w1*0.5 ,gw1+l1+dw1 ,0mm），B2（w1*0.5 ,gw1+l1+dw1-sl2 ,0mm）,C2（w1*0.5+sw2 ,gw1+l1+dw1 ,0mm）。第三个三角形的顶点坐标分别为A3（w1*0.5 ,gw1+l1+l2+dw1 ,0mm），B3（w1*0.5+sw3 ,gw1+l1+l2+dw1 ,0mm），C3（w1*0.5 ,gw1+l1+dw1+l2+sl3 ,0mm）。第四个三角形的顶点坐标分别为A4（w1*0.5 ,gw1+l1+l2+dw1+dw2 ,0mm），B4（w1*0.5,gw1+l1+l2+dw1+dw2+sl3,0mm），C4（w1*0.5+sw3 ,gw1+l1+l2+dw1+dw2+sl3 ,0mm）。这样五个三角形全部画出来了，效果如下图所示图5.14三角形金属片模型进行相减操作按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular1和Polyline1Polyline5节点，以同时选中这36个图形。然后从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Subtract】命令或者单击工具栏上的按钮，打开如图5.15所示的Subtract对话框。确认对话框中的Blank Parts列表框中显示为Rectangular1，Tool Parts列表中系那是为Polyline1Polyline5，表明使用Rectangular1减去Polyline1Polyline5。最后单击按钮，执行相减操作。图5.15 Substract选项卡创建矩形面4在介质层的下表面创建如图5.16所示的矩形面4，顶点坐标为（w1*0.5，0mm，0mm），其长度和宽度分别用变量w1和gw1+l1+dw1+l2+dw2表示。5.16矩形面属性对话框中的Command选项卡创建缝隙1在介质层的下表面创建如图5.17所示的矩形面5，顶点坐标为（s0*0.5，l0，0mm），其长度和宽度分别用变量s0和gw1+l1+dw1+dw2-l0表示。5.17矩形面属性对话框中的Command选项卡相减操作形成缝隙按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular4Rectangular5节点，以同时选中这3个矩形面。然后从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Subtract】命令或者单击工具栏上的按钮，打开如图5.18所示的Subtract对话框。确认对话框中的Blank Parts列表框中显示为Rectangular4，Tool Parts列表中系那是为Rectangular5，表明使用Rectangular4减去Rectangular5.最后单击按钮，执行相减操作，即可从Rectangular4模型中挖出一块与Rectangular5相同大小的缝隙。5.18 Substract选项卡创建另一半的偶极子使用镜像复制操作，以yoz面作为镜像面复制矩形面Rectangular1。单击操作历史树中的Sheets下的Rectangular1节点，选中，然后从主菜单栏中选择【Edit】【Duplicate】【Mirror】命令或者单击工具栏上的按钮，进入镜像复制操作状态。在HFSS工作界面右下角状态栏X、Y、Z对应的文本框中输入原点坐标0、0和0，然后按Enter键确认。接着在状态栏dX、dY、dZ对应的文本框中分别输入1、0和0，再次按Enter键确认。此时，即以yoz面为镜像面复制金属片Rectangular1，生成新的模型，如图5.19所示，新模型的名称为Rectangular1_1。图5.19辐射地的基本模型（3） 创建馈电结构创建矩形面6在介质层的上表面创建如图5.20所示的矩形面6，顶点坐标为（-w2-w，0mm，h1），其长度和宽度分别用变量w和ml表示。5.20矩形面属性对话框中的Command选项卡创建矩形面7在介质层的上表面创建如图5.21所示的矩形面7，顶点坐标为（-w2-w，ml，h1），其长度和宽度分别用变量ml1和w表示。5.21矩形面属性对话框中的Command选项卡创建矩形面8在介质层的上表面创建如图5.22所示的矩形面8，顶点坐标为（-w2-w+ml1，ml，h1），其长度和宽度分别用变量w和ml3表示。5.22矩形面属性对话框中的Command选项卡合并操作按住Ctrl键，先后依次单击操作历史树中Sheets下的Rectangular6Rectangular8节点，以同时选中这3个矩形面。然后从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Unite】命令或者单击工具栏上的按钮，执行合并操作。此时，即可把选中的3个矩形面合并成一个整体，合并生成的整体的名称为Rectangular6。5.23合并之后的图形（4） 设置边界条件因为介质层上、下表面上的平面模型Rectangular1和Rectangular6都是金属片，所以这里需要为其分配理想导体边界条件。另外，对于天线分析，我们还需要设置辐射边界。分配理想导体边界条件按住Ctrl的同时选中操作历史树中sheets下的Rectangular1和Rectangular6节点，然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单栏中选择【Assign Boundary】【Perfect E】命令，打开理想导体边界条件设置对话框，如图5.24所示。该对话框中保留默认设置不变，直接单击按钮，即可设置平面Rectangular1和Rectangular6为理想导体边界条件。理想导体边界条件的名称PerfE1会添加到工程树的Boundaries节点下。此时，平面Rectangular1和Rectangular6等效为理想导体面。图5.24分配理想导体边界条件设置激励方式使用HFSS分析天线问题时，必须设置辐射边界条件，且辐射表面和辐射体的距离需要不小于1/4个工作波长。在这里我们首先创建一个长方体模型，长方体各个表面和介质层之间的距离都为60mm，然后设置该长方体的表面为辐射边界条件。从主菜单栏中选择【Draw】【Box】命令或者单击工具栏上的按钮，进入创建长方体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体。创建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树的Solids下的Box1节点，打开新建长方体属性对话框的Attribute选项卡。把长方体的名称设置为AirBox，并设置其材质为air、透明度为0.96，如图5.25所示。然后单击按钮退出。双击此处5.25长方体属性对话框的Attribute选项卡双击操作历史树中的Airbox下的CreateBox节点，打开新建长方体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。在Position中设置顶点坐标为（-80，-10，-120），在XSize、YSize和ZSize中设置矩形面的长、宽和高分别为160、160和130，如图5.26所示，然后单击按钮退出。双击此处图5.26长方体属性对话框的Command选项卡长方体模型AirBox创建好之后，在操作历史树下单击AirBox节点以选中该模型。然后在三维模型窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】【Radiation】命令，打开辐射边界条件设置对话框，如图5.27所示。保留对话框的默认设置不变，直接单击按钮，把长方体模型AirBox的表面设置为辐射边界条件。辐射边界条件的名称Rad1同样会添加到工程树的Boundaries节点下。图5.27辐射边界条件设置对话框（5） 设置激励方式因为天线的输入端口位于模型内部，所以需要使用集总端口激励。首先在天线的输入端口创建一个矩形面作为馈电面，然后设置该馈电面的激励方式为集总端口激励。单击工具栏上的下拉列表框，从其下拉列表中选择ZX选项，把当前工作平面设置为zx平面。从主菜单栏中选择【Draw】【Rectangular】命令或者单击工具栏上的按钮，进入创建矩形面的状态，在三维模型窗口的zx面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Rectangular9。双击操作历史树中的Sheets下的Rectangular9节点，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，如图5.28所示。把矩形面的名称设置为Feed_Port，然后单击按钮退出。双击此处图5.28矩形面属性对话框的Attribute选项卡双击操作历史树中的Feed_Port下的CreateRectangular节点，打开新建矩形面属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和尺寸。在Position中设置顶点坐标为（-w2-w ,0mm ,0mm），在XSize和ZSize中设置矩形面的长和宽分别为w和h1，如图5.29所示，然后单击按钮退出。双击此处图5.29矩形面属性对话框的Command选项卡这样就在zx面上创建了一个与金属片Rectangular1和Rectangular6相接的矩形面，矩形面的宽带与金属面Rectangular6的宽带一致。接下来，我们把该矩形面设置为集总端口激励，具体操作如下。单击操作历史树中的Sheets下的Feed_Port节点以选中该矩形面。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Excitation】【Lumped Port】命令，打开如图5.30所示的集总端口设置对话框。将General对话框中的Resistance设置为50ohm，Reactance设置为0ohm，然后单击按钮，打开Modes对话框。在该对话框中单击Integration Line项下的None，从其下拉列表中选择New Line选项，此时会进入三维模型窗口以进行端口积分线的设置。图5.30集总端口设置对话框首先单击工具栏上的按钮，放大至全屏显示选中的矩形面，然后在矩形面下边缘处移动鼠标指针，当鼠标指针变成形状时，表示捕捉到了矩形下边缘的中点，此时单击即可确定积分线的起点。再沿着z轴向上移动鼠标指针，当鼠标指针变成形状时，表示捕捉到了矩形面上边缘的中点位置，再次单击即可确定积分线的终点。确定积分线的终点的同时会自动返回到集总端口设置对话框。积分线设置过程如图5.31所示。 图5.31积分线设置过程继续单击对话框中的按钮，打开Post Processing 对话框，在该对话框中选中Renormalize All Modes单选按钮，并设置Full Port Impedance 为50ohm，如图5.32所示。最后单击按钮，完成集总端口激励的设置。完成后，设置的集总端口的名称1会添加到工程树的Excitations节点上。图5.32集总端口设置（6） 求解设置分析的偶极子天线的中心频率在2GHz，因此求解频率设置为2GHz。同时添加1.6GHz3GHz的扫频设置，选择离散（Discrete）扫频类型，分析天线在1.6GHz3GHz频段的回波损耗和电压驻波比。求解频率和网格剖分设置设置求解频率为2 GHz，自适应网格划分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。右键单击工程树下的Analysis节点，从弹出的快捷菜单中选择【Add Solution Setup】命令，打开Solution Setup 对话框。在Solution Frequency处设置求解频率为2GHz，在Maximum Number of Passes 文本框中设置最大迭代次数为20，在Maximum Delta S 文本框中设置收敛误差为0.02，其他选项保留默认设置，如图5.33所示。然后单击按钮，完成求解设置。设置完成后，求解设置项的名称Setup1会添加到工程树的Analysis节点下。图5.33求解设置扫描设置扫频类似选择离散扫频，扫频频率范围为1.6GHz3GHz，频率步进为0.001GHz。展开工程树下的Analysis节点，右键单击新添加的求解设置项Setup1，在弹出的快捷菜单中选择【Add Frequency Sweep】命令，打开Edit Sweep 对话框，如图5.34所示。在该对话框张的Sweep Type下拉列表框设置扫描类型为Discrete；在Frequency Setup选项组中的Type下拉列表中选择LineStep选项，并将Start设置为1.6GHz，Stop设置为3GHz，Step Size设置为0.001GHz，其他选项都保留默认设置。最后单击对话框中的按钮，完成设置。图5.34扫频设置设置完成后，该扫频设置项的名称Sweep1会添加到工程树中Analysis节点的求解设置项Setup1下面。（7） 设计检查和运行仿真计算。通过前面的操作，我们已经完成了模型创建和求解设置等HFSS设计的前期工作，接下来就可以运行仿真计算和查看分析结果了。但在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。从主菜单栏中选择【HFSS】【Validation Check】命令或者单击工具栏上的按钮，进行设计检查。此时，会打开如图5.35所示的Validation Check对话框。该对话框中的每一项的前面都显示图标，表示当前的HFSS设计正确且完整。单击按钮关闭对话框，接下来开始运行仿真计算。图5.35设计检查结果对话框右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择【Analyze All】命令或者单击工具栏上的按钮，开始运行仿真计算。在仿真计算的过程中，工作界面右下方的进度条窗口会显示出求解进度，信息管理窗口也会有相应的信息说明，并会在仿真计算完成后给出完成提示信息。6. 简单分析结果仿真分析完成后，在数据后处理部分能够查看天线各性能参数的仿真分析结果。这里我们主要来看一下所设计天线的回波损耗和方向图。天线回波损耗S11的分析结果右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令，打开报告设置对话框，如图5.36所示。在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1：Sweep1，在Category列表框中选中S Parameter，在Quantity列表框中选中S(1，1)，在Function列表框中选中dB。然后单击按钮，再单击按钮关闭对话框。此时，即可生成如图5.37所示的扫频频率在1.6GHz2.8GHz的回波损耗S11的分析结果。从分析结果可以看出，设计的天线的中心频率为2GHz，S11-10dB的相对带宽1.69GHz2.72GHz。图5.36分析结构报告设置对话框图5.37查看S11分析结果操作驻波比右键单击工程树下的Results节点，选择【Creat Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】，打开报告设置对话框，如图5.38所示。在该对话框中确定左侧Solution选项设置的是Setup1：Sweep1，在Category列表框中选中VSWR，在Quantity列表框中选中VSWR(1)，在Function列表框中选中none。然后单击按钮，再单击按钮关闭对话框。此时，即可生成如图5.39所示的VSWR在1.6GHz-2.8GHz的扫频分析结果。图5.38 分析结果报告设置对话框图5.39天线的驻波比分析结果（2）方向图天线方向图是在远场区确定的，要查看天线远场区的计算结果，首先需要定义辐射表面。下面我们给出设计的天线的二维增益方向图和三维立体增益方向图。在球坐标系下，xz平面相当于Phi=0的平面，yz平面相当于Phi=90的平面。定义辐射表面定义Phi=0的平面为辐射表面：右键单击工程树下的Radiation节点，选择【Insert Far Field Setup】【Infinite Sphere】，打开Far Field Radiation Sphere Setup对话框，定义辐射表面。在Name文本框中输入辐射表面的名称E Plane，在Phi角度对应的Start、Stop和Step Size 文本框中分别输入0、0、0，在Theta角度对应的Start、Stop和Step Size 文本框中分别输入-180、180和1，然后单击按钮完成设置。定义Phi=90的平面为辐射表面：右键单击工程树下的Radiation节点，选择【Insert Far Field Setup】【Infinite Sphere】，打开Far Field Radiation Sphere Setup对话框，定义辐射表面。在Name文本框中输入辐射表面的名称H Plane，在Phi角度对应的Start、Stop和Step Size 文本框中分别输入90、90、0，在Theta角度对应的Start、Stop和Step Size 文本框中分别输入-180、180和1，然后单击按钮完成设置。右键单击工程树下的Radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择【Insert Far Field Setup】【Infinite Sphere】命令，打开Far Field Radiation Sphere Setup对话框，定义辐射表面，如图5.40所示。辐射表面是基于球坐标系定义的，对于三维立体空间，球坐标系下就相当于,。在该对话框中的Name文本框中输入辐射表面的名称3D，并将Phi选项中的Start、Stop和Step Size分别设置为0deg、360deg和1d