平面缝隙天线0001

1、课程名称 实验名称 实验时间 指导单位 指导教师 学生姓名 季明新班级学号B09020423 挣卫瑯率薯 实验报告 （2012 / 2013学年 第 一 学期） 课程设计 平面缝隙天线 2012/2013学年第一学期 电子科学与工程 黄晓东 学院（系）电子科学与工程学院专 业电磁场与无线技术 实验时间： 10 月 15 日-10 月 19 日 8:30-11:30 10 月 22 日-10 月 26 日 13:30-17:30 实验设备与仪器 1, 硬件：PC机一台 2, 软件：HFSS软件 三、实验过程及成果验证 3.1设计要求 实验HFSS软件设计中心频率为3GHz的矩形微带天线，并给出其

2、天线参数。 介质基片采用厚度为1mm的聚四氟乙烯（Er=2.2板，天线馈电方式为微带线馈电, 采用集总端口馈电。 3.1.1设计指标 S11Solution Type （2）在弹出的 Solution Type窗口中：选择 Driven Modal。 （3）点击OK按钮，如图3.231.2。 图3.2.3.1.2设置求解类型 323.1.3.设置模型单位 (1) 在菜单栏中点击ModelerUnits，在设置单位窗口中选择：mm (2) 点击OK按钮，如图3.231.3。 图3.3设置模型单位 323.2添加和定义设计变量 在HFSS中定义和添加如表3.2.2所示的设计变量。 从主菜单中选择H

3、FSSDesign 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 中输入第一个变脸名称 a ,在Value文本框中输入该变量的初始值130mm,然后 单击 0K 按钮，即可添加变量 a到设计属性对话框中。变量的定义和添 加过程如图3.2.3.2.1所示。 WC LiaL3*Li-Ui C T*aixJ*i DfeEdiTkpIliUh 811 dn i- 沁1卩申5 怙啊爭MCBi DKiK-i *； MM *5 Sltit_anrpnn -砒拓Designl Lacal Vira Bbl4B Vilui4* 0f

4、c3B3 E*La-3r广 Twi nBox。 （2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为 Substrate,在Material中将材料设置为Roger 5880，设置其透明度为0.6。如下图 3.2.3.1.1 图 3.2.3.1.1 Attribute选项卡 （3 ）双击操作历史树Substrate下的CreateBox节点，打开 Comma nd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（-Sub_w/2,- Sub_l/2,0），在XSize, YSize,和Zsize文本框中分别输入长方体

5、的宽，长，高：Sub_w,Sub_l, -1,如图 3.2.3.1.2。 图 323.1.2 Command 选项卡 此时就创建好了名为Substrate的介质基片。然后按 Ctrl+D全屏显示创建的物体模型，如图 3.2.3.1.3 323.32创建 GND （1）点菜单栏中的Draw按钮，选择Rectangl。 （2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为 GND设置其透明度为0.8。 （3） 双击操作历史树 GND下的CreateBox节点，打开Comma nd选项卡，在该选项卡 中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位

6、置坐标（-Sub_w/2,- Sub_l/2,0mm），在 XSize YSize文本框中分别输入长方形的宽，长：Sub_w,Sub_l,，如图 3.2.3.2.1。 图 3.2.3.2.1 （4）设置GND为理想边界。在菜单栏中选择EditSelectBy Name在对话框 中选择GND，点击0K 在菜单栏中选择HFSSBoundariesAssignPefect E在理 想边界设置窗口中，将理想边界命名为 PerfE_GND点击0&如图3.2.3.2.2 Perfect E Bomdary Nm |?bIE_GND| 厂 Irirri* Aww Usg 匸TBLfa | DX |Ca-cd

7、 图32322创建GND为理想边界 323.3.3. 创建缝隙Slot (1) 点菜单栏中的Draw按钮，选择Recta ng。 (2) 在属性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为 Cut设置其透明度为0.8。 (3) 双击操作历史树 GND下的CreateBox节点，打开Comma nd选项卡，在该选项卡 中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标(-Cut_l/2,- Cub_w/2,0mm),在XSize, YSize文本框中分别输入长方形的长，宽：Sub_l,Sub_w,，如图 32.331 。 图 3.2.3.3.1

8、 (6)将Cut减去。 在菜单栏中点击EditSelectBy Name在弹出的窗口中按ctrl依次选择 Cut,GND。在菜单栏中点击 ModelerBooleanSubstrate,在弹出的Substrct对话框 中 Clone tool objects before subtract选框不选。如图 32332 图 32332 点击OK结束，Slot做好如图3. 3.233.3 图3.2.3.3.2仓U建缝隙Slot 323.3.4. 绘制 StripFeed (1) 点菜单栏中的Draw按钮，选择Rectangl。 (2) 在属性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该

9、长方体的名字改为 StripFeed设置其透明度为0.5。 (3) 双击操作历史树 StripFeed下的CreateBox节点，打开Comma nd选项卡，在该选 项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标( Point,- Sub_l/2,-1mm)，在XSize YSize文本框中分别输入长方形的宽，长：Strip_w丄ength (4) 为StripFeed设置边界。 选择 StripFeed在菜单栏中选择 HFSSBoundariesAssignPefectE 在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_S点击OK 323.3.5 绘制 Fee

10、d (1)选择ZX平面，刁!点菜单栏中的Draw按钮，选择 Recta ngl。 (2) 在属性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为 Feed设置其透明度为0.6。 (3) 双击操作历史树 StripFeed下的CreateBox节点，打开Comma nd选项卡，在该选 项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标 (Point，-Sub_l/2 ,-1mm )，在 XSize, ZSize文本框中分别输入长方形的宽，长：Strip_w,1mm. (4) 设置集总端口激励，)选中操作历史树 StripFeed，然后单击鼠标右

11、键， 选择Assign ExcitationLumped Port,打开Lumped Port对话框，在Name文本框中输入端口名 称P1,在 Resista nee Reacta nee文本框中分别输入在 50ohm，0ohm。然后单击下 一步，打开Modes对话框。在Integration Line中单击None，在其下拉菜单中 选择New Line,划积分线。如图3.2.3.5 图323.5完成后的集总端口 323.36添加 Air Box (1) 在菜单栏中点击DrawBox) (2) 在属性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为Air, 在Mate

12、riaI中将材料设置为vacuum,设置其透明度为0.9。 (3 )双击操作历史树 Air下的CreateBox节点，打开 Comma nd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(-b/2,- a/2,-c/2),在 XSize YSize和Zsize文本框中分别输入长方体的宽，长，高：b,a,c。 (4)创立辐射边界，选中Air，右击选择Assign Boundary Radition命令，保持默认 设置不变。 3234求解设置 模型建完后，设置中心频率和扫描频率，点击HFSSA nalysis setupadd frequency sw

13、eep、选择 Add Solution Setup将频率设置为 3GHz. 设置扫描频率，将start设置为1GHz stop设置为10GHz, step size置为 1GHz,设置完成后，点击HFSSvalidation chec检查错误，确认没有错误后，再 点击HFSSanalyze all开始仿真。 3235设计检查和运行仿真计算 3.2.3.5.1 右击Results节点，在弹出的菜单中 Create Modal Solution Data ReportRectangular Plot 命令，在 Quantity选中 S(P1,P1)在Function中选择 dB。单 击 Repor

14、t生 成 S11如图 3.2.5.1 图 3.2.5.1 从分析结果中可知，天线的谐振频率 6.4GHz上，而我们设计的中心频率为 3GH,所以接下来要进行设计优化，使天线的谐振频率落在3GHz上o 3236参数扫描分析 根据理论分析可知，微带缝隙天线的谐振频率主要由馈线的长度，馈点， 缝隙的长度决定，首先对馈点进行参数扫描，分析谐振频率随馈点位置改变的关 系，如图32361.1 3.2.3.6.1馈点的影响 图 3.2.3.6.1.1 由图3.2.3.6.1.1知，馈电位置的选择对谐振频率点的影响很大，对回波损耗 S11影响也很大，在14-15之间比较好，然后再对馈点进行14-15之间的0.

15、1步 长的扫描分析，得到图3.2.3.6.1.2，取馈点位置为14.4mm优化范围为 14-14.6mm。 图 3.2.3.6.1.2 32362馈线长度的影响 馈线要到达缝才可以馈电，因此馈线的长度要大于介质板长度的一半，又 馈线没有必要超出介质板，因此馈线的长度小于介质板点的长度，即Sub_l/2V 3.2.3.6.2.1 Lengthv Sub_l。取Length从40-55进行扫描，扫描结果如下图 Anson如阿創ie CM- 増三 -10 OG _ N -11. piwGnE | X Plot 2 l-FSSDeaiyil 15DC - 20 00 - 25 00 - 4-5.005

16、0. QO L&ngth rnm| 二 LdLd.-JI.T 55.00 图 32362.1 由图3.2.3.6.2.1知，馈线的长度对谐振频率有影响，但影响不是很明显。 只有在40-43之间谐振频率为6GHz，其余的情形即Length43时，谐振频率点 都为3GHz且在46mm寸有较大回波损耗，故对 Length从45至47继续进行扫 描分析，取步长为0.1mm扫描结果如下图3.2.362.2 Y g 如域 mA Mi刪 ml m4 Ajisoh CctpMli&n MFSSD&signl -10 00 = 15DO - -20 W 25 00- 30 00- -35.0O- Plot 2

17、FbtSGh 二Q-Ldj-痢 iOO- 妬 5S4w畑艸*7 LcnQth pirn 4 图 32362.2 由图3.2.362.2知，在馈线长为 45,9mm时，达到的回波损耗最大，为 -35.4392db,优化范围为 45.4mm-46.1mm。 32363缝隙长度的影响 缝隙的长度为半个波长左右，对于自由空间，中心频率为3GHz的波长的一 半为50mm，而对于Er=2.2的介质板说，其波长的一半为33.7mm，我们对缝长 由图3.2.3.6.3.1知，缝的长度对谐振频率点的影响较大，谐振频率点的频率 随着缝长的增大而降低，这一变化趋势符合波长公式f=v/入。注意到谐振频率为 3GHz时

18、，缝长在40-41之间有较低的回波损耗，我们再对缝长进行40mm-41mm 的扫描，步长为0.1mm，结果如图3.2.3.6.3.2 图 32363.2 由图3.2.3.6.3.2知，在缝长为 40.2mm时，回波损耗 S11稳定，因此取 Cut_l=40.2mm,优化范围为 40-40.4mm。 32364缝隙宽度的影响 因为缝隙有宽窄是与馈线的宽度相比较的，而馈线的宽度为3mm，窄缝的 情况下缝的宽度要小于 3mm，我们对缝宽进行0.5mm-3mm的扫描，结果如图 3.2.3.6.4 图 3.2.3.6.4 由图3.2.3.6.4可知：在缝宽为1.1mm时，S11最小，天线性能最好，注意 到缝宽为1.2mm的m2那点，S11发生突变，因此缝宽的优化范围应不包括m3 那点，取优化区间0.6mm-1.1mm。 32365馈线宽度的影响 因为馈线用的是微带线，而微带线的宽度是严格与介质（Er），中心频率（f。）， 微带线的厚度（h）相关的，由于本模型的Er，f0, h已经确定，因此微带线的宽度 已经确定了，最优的微带线宽度不会变化太大，对微带线宽度进行2.5mm-3.5mm 的扫描，步长为0.1mm，