微带贴片天线的设计与仿真

1、实验七 微带贴片天线的设计与仿真一、 实验目的1. 设计一个微带贴片天线2. .查看并分析该微带贴片天线的二、 实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、 实验原理传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示：设辐射元的长为L，宽为，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度hOptionsHFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中。2.将求解类型设置为激励求解类型：（1）在菜单栏中点击HFSSSolution Type

2、。（2）在弹出的Solution Type窗口中(a)选择Driven Modal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3D ModelerUnits。（2）在设置单位窗口中选择：mm。4.创建微带天线模型（1）创建Ground Plane。创建矩形模型，起始点的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0.0；长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0.0（2）为Ground Plane设置理想金属边界，将理想边界命名为PerfE_Ground。（3）建立介质基片。创建长方体模型Substrate，长方体的起始点位置坐标：X：-22.5，Y：-22.5，Z：0.0；长方体X、Y、Z

3、三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5；将材料设置为RogersR04003，将颜色设置为绿色。（4）建立Patch。在介质基片上创建贴片天线。创建矩形Patch，起始点的坐标：X：-16，Y：-16，Z：5；长、宽：dX：32，dY：32，dZ：0.0，将颜色设置为黄色。（5）为Patch设置理想金属边界，将理想边界命名为PerfE_Patch。（6）创建切角Cut。创建供贴片天线相减的切角时，首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5在坐标输入栏中输入点的坐标：X：5，Y：0，Z：5在坐标输入栏中输入点的坐标：X

4、：0，Y：5，Z：5在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5在对话窗口中选择Cut，在菜单栏中点击EditArrangeMove。在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：0按在坐标输入栏中输入坐标：dX：-16，dY：-16，dZ：0两个切角呈中心对称，可以通过旋转复制创建另一个切角。在菜单栏中点击EditDuplicateAround Axis。将轴设置为Z轴，旋转角度为180deg，Total为2（7）用Patch将切角减去，在Subtract窗口中做以下设置：Blank Parts:PatchTool Parts:Cut，Cut-1（8）创建探针Pin，并将材料设置为p

5、ec。圆柱中心点的坐标：X：0.0，Y：8.0，Z：0.0；圆柱半径：dX：0.0，dY：0.5，dZ：0；圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：5.0（9）创建端口面Port。圆心点的坐标：X：0.0，Y：8.0，Z：0.0；半径：dX：0.0，dY：1.5，dZ：0.0（10）用Ground Plane将port减去。利用Ctrl键选择Ground Plane和Port；在Subtract窗口中做以下设置：Blank Parts:Ground PlaneTool Parts:Port（11）创建Air。创建长方体模型，长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；长方

6、体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70；在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1。5. 保存工程在菜单栏中点击FileSave As，在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan7，并选择路径保存。6.设置端口激励将该端口命名为p1，在Modes标签中的Integration Line中点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0.0，Y：9.5，Z：0.0;dX：0.0，dY：-1.0，dZ：0.07.设置优化变量（1）添加工程变量。(a)在菜单栏中点击ProjectProject Variables。(b)在Project Variables标签中

7、选择Value。(c)点击Add添加工程变量$planeSize，其值设为90mm。(d)继续添加如下的工程变量：$patchSize:32mm$subSize:45mm$subHeight:5mm$cutSize:5mm$feedLocation:8mm（2）设置优化变量。(a)在操作历史树中展开Ground Plane，双击Create Rectangle，将如下参数改变Position:-$planeSize/2，-$planeSize/2，0mmXSize:$planeSizeYSize:$planeSize (b)展开Patch，双击Create Rectangle，将原尺寸改为：P

8、osition:-$patchSize/2，-$patchSize/2，$subHeightXSize:$patchSizeYSize:$patchSize (c)展开Port，双击Create Circle，在弹出的对话窗口中将圆心改为：Center Position：0mm，$feedLocation，0mm(d)展开Substrate，双击Create Box，在对话窗口中将原尺寸改为：Position:-$subSize/2，-$subSize/2，0mmXSize:$subSizeYSize:$subSizeZSize:$subHeight (e)展开Pin，双击Create Cyl

9、inder，在弹出的对话窗口中将原尺寸改为：Center Position：0mm，$feedLocation，0mmHeight：$subHeight(f)展开Patch，进而展开Subtract中的Cut，双击第一个Create Line，对对话框做以下修改：Point1：0mm，0mm，$subHeightPoint2:$cutSize，0mm，$subHeight双击第二个Create Line，在弹出的对话框中做以下修改：Point1：$cutSize，0mm，$subHeightPoint2:0mm，$cutSize，$subHeight双击Move，在弹出的对话框中做以下修改：M

10、ovevector:-$patchSize/2，-$patchSize/2，0mm 8.求解设置（1）设置求解频率。在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency:2.45GHzMaximum Number of Passes:15Maximum Delta Sper Pass:0.02（2）设置扫频。在扫频设置窗口中做以下设置：Sweep Type:FastFrequency Setup Type:Linear CountStart:2.0GHzStop:3.0GHzCount:101将Save Field复选框选中9.设置无限大球面在Infinite Sphere标签中做

11、以下设置：Phi:Start:0deg，Stop:0deg，Step:10degTheta:Start:0deg，Stop:0deg，Step:10deg10. 求解该工程点击HFSSAnalyze All11.天线尺寸优化（1）优化轴比。(a)选中待优化变量$cutSize和$patchSize。将优化变量的范围分别设置为5mm，6mm和29mm，32mm(b)添加输出变量cost，点击Report Type下拉菜单，选择Far Fields，在Solution中选择Setup1:Last Adaptive，然后做如下设置：Category：Axial RatioQuantity：Axial

12、 Ratio ValueFunction：log点击Insert Quantity Into Expression，并在表达式前冠以“10*”，最后的表达式为10*log(Axial Ratio Value)。 (c)在Goals标签中点击Add按钮，添加优化目标。在Calculation中点击下拉菜单，选择cost，在Condition中选择=，设置Goal为0，0。(d)在菜单栏中点击HFSSAnalyze，进行优化设计，最后得到圆极化天线的尺寸$patchSize30.85mm，$cutSize=5.19mm。六、 实验结果仿真图如下：驻波比信息曲线如下:由上图可知，回波损耗在1.82dB左右，工作频带在2.40GHz-2.60 GHz3D增益方向图：由上图可知该贴片天线辐射的最大方向为平面法向方向即正Z方向，增益达到7.5dB，而且可以得到该方向的宽方向图。七、 问题思考及小结当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点。对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。通过本次实验，我进一步熟悉了如何利用HFSS设计微