CH4 天线的设计仿真与优化(1)

1、电磁工程设计与仿真电磁工程设计与仿真第四章第四章 天线设计、仿真与优化天线设计、仿真与优化（一）（一）主要内容主要内容4.3 同轴馈电微带天线的仿真与优化同轴馈电微带天线的仿真与优化4.4 微带馈电微带天线的仿真与优化微带馈电微带天线的仿真与优化4.1 天线理论基础天线理论基础4.2 微带天线分析与设计微带天线分析与设计4.5 微带天线阵设计与仿真微带天线阵设计与仿真4.6 微带相控阵设计与仿真微带相控阵设计与仿真4.1 天线理论基础天线理论基础封闭结构：封闭结构：不能有效不能有效向外部空间辐射向外部空间辐射 开放结构：开放结构：有效有效向外部空间辐射向外部空间辐射 天线天线: : 能能有效有

2、效地地发射发射或或接收接收电磁波的装置。电磁波的装置。一、天线辐射原理一、天线辐射原理HHHEEEE发射机发射机时变信号 I t导体导体时变电流激励出时变磁场， 时变磁场激励出时变电场， ，以电磁波形式传播。ttrDtrJtrH,ttrBtrE,一、天线辐射原理一、天线辐射原理电场：在J平面面内，E面磁场：垂直于J平面，H面振子天线振子天线振子辐射过程天线有方向性：天线有方向性：不同方向辐射功率大小不同，用方向图方向图描述。一、天线辐射原理一、天线辐射原理二、天线参数二、天线参数1.1.辐射参数：方向图辐射参数：方向图 描述天线辐射场幅度在空间的分布情况： ( , )f (1)3D(1)3D方

3、向图方向图：（球坐标系）：（球坐标系）3D3D极坐标图极坐标图3D3D直角坐标图直角坐标图1.1.辐射参数：方向图辐射参数：方向图(2)2D(2)2D方向图：主平面（方向图：主平面（E E面、面、H H面）面）E H 电力线E面面磁力线H面面1.1.辐射参数：波瓣参数辐射参数：波瓣参数(1)(1)波瓣波瓣 主瓣：最强方向背瓣：主瓣相对副瓣：其他波瓣 12(2)(2)半功率宽度：半功率宽度： 场强为最大值 功率密度为最大值1/2 0.523dB宽度 (3)(3)副瓣电平（副瓣电平（SLLSLL）maxmaxmaxmax10lgdB=20lgdBaviiiavSESLLSE1.1.辐射参数：方向性

4、系数辐射参数：方向性系数D D与增益与增益G G(1)(1)定义：定义：002(,)/ 4avrSPr(2)(2)含义：含义：以平均辐射功率为标准来衡量辐射能量在天线 主瓣方向上的集中程度。度度各各方方向向平平均均辐辐射射功功率率密密辐辐射射功功率率密密度度某某方方向向),(),(0000 D002(,)4avinSPr(3)(3)定义：定义：度度各各方方向向平平均均输输入入功功率率密密辐辐射射功功率率密密度度某某方方向向),(),(0000 G(4)(4)关系：关系：aGDrainPP天线效率：不同天线要求增益不同：高增益高效率：雷达低增益全向性：通信2.2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗

5、与驻波比输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比(1)(1)辐射阻抗：辐射阻抗：辐射功率rPIinZinZZr22rrrrPZRjXI(2)(2)输入阻抗：输入阻抗：inVinI11inincinVZZI (4)(4)驻波比：驻波比：11VSW R 天线要求：输入阻抗匹配，驻波比小，一般VSWR1.5。(3)(3)反射系数：反射系数：incincZZZZ 2.2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比应用：应用：HFSS S11HFSS S11计算辐射阻抗。计算辐射阻抗。20je (3)(3)谐振特性：谐振特性： 当Xr=0时，天线谐振。 谐振时，实数

6、，且最大。inZZr(, )cZ00011rcrrZZRjX(1)(1)去嵌入去嵌入(De-embedding)(De-embedding)：(2)(2)计算辐射阻抗：计算辐射阻抗：inZ(, )cZ0LrRC4.2 微带天线分析与设计微带天线分析与设计一、微带天线结构一、微带天线结构微带基板(Substrate)：r, tan, h接地面(GND)：有限接地面，通常按无限接地面处理贴片(Patch)：L，W，t, 辐射电磁波馈线(Feed)：Wp, 加入激励信号优点：优点：低剖面；重量轻；易加工；易集成。缺点：缺点：损耗大，效率低。一、微带天线结构一、微带天线结构1.1.贴片形状贴片形状一、

7、微带天线结构一、微带天线结构2.2.馈电方式馈电方式微带线边馈插入微带边馈同轴底馈缝隙耦合馈电电磁耦合馈电二、微带天线的分析二、微带天线的分析1.1.理想微带谐振腔理想微带谐振腔边缘：理想磁壁；长度：L=g/2 ; 电压：两端强，中间零；电流：两端零，中坚强。磁壁二、微带天线的分析二、微带天线的分析2.2.边缘效应：辐射电导边缘效应：辐射电导GrGr等效辐射：同相双缝单缝辐射阻抗Zr=Rr+jXr：22901rrrLRW二、微带天线的分析二、微带天线的分析3.3.谐振长度谐振长度L L：0.3/0.2640.4120.258/0.8rereW hLhW h 0222greLL 1122 112

8、/rrred weee+-+谐振长度谐振长度L L：222ggLL 二、微带天线的分析二、微带天线的分析4.4.边馈输入阻抗边馈输入阻抗ZinZin：（谐振时）：（谐振时）由于两个缝隙间等效长度，具有阻抗搬移功能。22gLL 22rrinZRZ输入阻抗：二、微带天线的分析二、微带天线的分析底馈输入阻抗底馈输入阻抗ZinZin：2inY1inY121212rcrcininincccrcrYjYtgLYjYtgLYYYYYYjYtgLYjYtgL11112212221211121, ()2/cos, (,)2rcrccccrcrcrcrcrgrYjYtgLYjYtgLYYYjYtgLYjYtgLY

9、 YtgLYYYY tgLYLLLLL21121()cos2 (0)cosrininZZLLLZLL此结果对于插入式微带此结果对于插入式微带馈电也适用。馈电也适用。三、微带天线设计三、微带天线设计1.1.设计要求设计要求天线形式：同轴馈电微带天线工作频率：f=2.45GHz输入阻抗：50驻 波 比: VSWR1.5三、微带天线设计三、微带天线设计2.2.基板选择基板选择选择Rogers 5880微波基板材料， er=2.2, tan=0.0009基板厚度h对天线性能有较大影响：取：h=3.2mmh大时，有助于提高带宽：2()5.04, :, :BW MHzf hf GHzh mmh太大，容易出

10、现高次模：0110h0112.210hmm三、微带天线设计三、微带天线设计3.3.贴片宽度贴片宽度W W确定确定1/2122rrcWf太宽产生高次模，从而引起畸变： W大些对频带、效率及阻抗匹配都有利。W，Rr, 便于与微带匹配1/230012.2482 2.452mm取： 30Wmm22901rrrLRW22906461rrrLRW三、微带天线设计三、微带天线设计4.4.贴片长度贴片长度L L确定确定0.3/0.2640.4120.258/0.8 1.6rereW hLhW hmm 1122 112 / 1.997rrreh weee+-+=22 40gLLmm 086.6gremm三、微带

11、天线设计三、微带天线设计5.5.同轴及馈电位置确定同轴及馈电位置确定同轴线特性阻抗：同轴线特性阻抗：00, 1ln2cbZa2b2a空气填充：1.6bmm0.7amm取：则：馈电位置：馈电位置：20cos5022rinRLZxL05.2xmm三、微带天线设计三、微带天线设计6.6.初步设计结果初步设计结果05.2xmm3.2hmm基本与后面仿真实例一致。基本与后面仿真实例一致。可见初步设计很重要！它可知道变化规律：比如：frL关系 RrW关系 Zin-x0关系 h影响 W影响 4.3 同轴馈电微带天线仿真与优化同轴馈电微带天线仿真与优化A Probe Fed Patch Antenna: Pa

12、tchRO5880Inf. GNDSub1: Ls=10cm, Ws=9cm，h=0.32cmCoax: Outer radius=0.16cm, Inner radius=0.07cm, air filled L=4cm t=0cmW=3cm 0.5cm1. Adding a Project and DesignAdding a Project : MicrostripAntenna.hfssInsert HFSS Design : ProbePatchSetting Tool Options : ToolsOptionsHFSS Options : General tabCheck “Us

13、e Wizards for data input when creating new boundaries.”Check “Duplicate boundaries/mesh operations with geometry.”ToolsOptionsModeler Options:Operation tabCheck “Automatically cover closed polyline.”Drawing tabCheck “Edit property of new primitives.”Set Solution Type :HFSSSolution Type: Driven Termi

14、nalSet Model Units :ModelerUnits : cm2. Create SubstrateSet Default Material:Modeler Materials toolbar, choose Select.Select: Rogers RT/ duroid 5880 (tm).2. Create SubstrateDrawBoxProperties :Name : Sub1Box position: X= -5.0, Y= -4.5, Z= 0.0dX: 10.0, dY: 9.0, dZ: 0.32ViewFit AllActive View,2. Create

15、 SubstrateCreate Infinite Ground: DrawRectangleProperties:Name : Inf_GNDPosition X: -5.0, Y: -4.5, Z: 0.0dX: 10.0, dY: 9.0, dZ: 0.0Fit the view:2. Create SubstrateAssign a Perfect E boundary to the Infinite Ground:Select the trace:EditSelectBy Name, Select Inf_GNDAssign the Perfect E boundary: HFSSB

16、oundariesAssignPerfect ESpecify name : PerfE_Inf_GNDCheck “Infinite Ground Plane.”2. Create SubstrateCreate Infinite Ground Cut Out :DrawCircleCenter position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0Radius: dX: 0.16 , dY: 0.0, dZ: 0.0Name : Cut_OutComplete the Infinite Ground:Select the objects Inf_GND and Cut_Out:M

17、odelerBooleanSubtract:2. Create SubstrateCreate Patch :DrawRectanglePosition X: -2.0, Y: -1.5, Z: 0.32dX: 4.0, dY: 3.0, dZ: 0.0Name : PatchAssign a Perfect E boundary:EditSelectBy Name: PatchHFSSBoundariesAssignPerfect E :PerfE_Patch3. Create CoaxSet the default material: vacuumDrawCylinderCylinder

18、position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0Radius dX: 0.16, dY: 0.0, dZ: 0.0Height dX: 0.0, dY: 0.0, dZ: -0.5Name : CoaxCreate the coax outer:3. Create CoaxCreate the Coax Pin :set the default material: pecDrawCylinder:Cylinder position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0Radius dX: 0.07, dY: 0.0, dZ: 0.0Height dX: 0.0, dY

19、: 0.0, dZ: -0.5Name : Coax_Pin3. Create CoaxCreate the Wave port: DrawCircleCenter position X: -0.5, Y: 0.0, Z: -0.5Radius dX: 0.16, dY: 0.0, dZ: 0.0Name : Port1EditSelectBy Name: Port1Assign wave port excitation: HFSSExcitations AssignWave Port The terminal is created3. Create CoaxCreate the Probe:

20、DrawCylinderCylinder position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0Radius dX: 0.07, dY: 0.0, dZ: 0.0Height dX: 0.0, dY: 0.0, dZ: 0.32Name : Probe4. Create Radiation BoundarySet Default Material : vacuumCreate Air :DrawBoxBox position X: -5.0, Y: -4.5, Z: 0.0dX: 10.0, dY: 9.0, dZ: 3.32Name : AirEditSelectFaces: ex

21、cept the bottomHFSSBoundariesAssignRadiation : Rad15. Create a Radiation SetupHFSSRadiationInsert Far Field SetupInfiniteFar Field Radiation Sphere Setup dialog: Name: ff_2dPhi: Start: 0, Stop: 90, Step: 90Theta: Start: -180, Stop: 180, Step: 2Name: ff_3d6. Analysis SetupCreating an Analysis SetupHF

22、SSAnalysis SetupAdd Solution Setup6. Analysis SetupAdding a Frequency SweepHFSSAnalysis SetupAdd SweepModel Validation : HFSSValidation CheckStart the solution process : HFSSAnalyze All7. Create ReportsView the Port field: 7. Create ReportsCreate the Port Z0: HFSSResultsCreate Terminal Solution Data

23、 ReportRect. Plot1.001.502.002.503.003.50Freq GHz49.0049.2549.5049.7550.0050.2550.5050.7551.00re(Zot(Port1_T1,Port1_T1)ProbePatchXY Plot 2ANSOFTCurve Infore(Zot(Port1_T1,Port1_T1)Setup1 : Sweep7. Create ReportsView the Current on the Patch: Field Overlayers-Plot Fields-J-Mag_Jsurf7. Create ReportsCr

24、eate Terminal S-Parameter Plot - MagnitudeHFSSResultsCreate Terminal Solution Data Report.7. Create ReportsCreate Terminal S S-Parameter Plot - MagnitudeMarkerAdd Minimum.1.001.502.002.503.003.50Freq GHz-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(St(Port1_T1,Port1_T1)ProbePatchXY Plot 1ANSOFTm1Curve I

25、nfodB(St(Port1_T1,Port1_T1)Setup1 : SweepNameXYm12.3600 -29.9913问题：为什么频率偏低？问题：为什么频率偏低？7. Create ReportsCreate Far Field :HFSSResultsCreate Far Fields Report3D Polar Plot7. Create ReportsCreate Far Field :7. Create ReportsCreate Far Field :HFSSResultsCreate Far Fields ReportRadiation Pattern.Gain Tot

26、alMain/Cross PolarizationE-PlaneH-Plane7. Create Reports问题：如果是有限地，方向图有何变化？请仿真对比。问题：如果是有限地，方向图有何变化？请仿真对比。Sub1: Ls=8cm, Ws=6cm，有限地Air：Z=-0.5cm, 6面全辐射边界后瓣: 有后瓣增益：降低8. Optimization问题：设计频率是问题：设计频率是2.45GHz2.45GHz，该如何优化，该如何优化， 使得在使得在2.45G2.45G谐振，并且输入匹配？谐振，并且输入匹配？1.001.502.002.503.003.50Freq GHz-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(St(Port1_T1,Port1_T1)ProbePatchXY Plot 1ANSOFTm1Curve InfodB(St(Port1_T1,Port1_T1)Setup1 : SweepNameXYm12.3600 -29.99138. Optimization