天线CAD大作业微带天线设计要点

1、天线CAD大作业学 院：专 业：微带天线设计一、设计要求：(1) 工作频带 1.1-1.2GHZ ，带内增益4.0dBi , VSWR 2:1。微波基板介电常数为;r = 6,厚度H5mm，线极化。总结设计思路和过程，给出 具体的天线结构参数和仿真结果，如 VSWR、方向图等。(2) 拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为；r=6，厚度为h=5mm中心频率为f=1.15GH z, c = 3 108m/s天线使用50Q同轴线馈电，线极化，则(1)辐射切片的宽度w2f(=

2、69.72mm(2)有效介电常数 e；r 1+2；r -12 (1121)2 =5.33(3)辐射缝隙的长度(e 0.3)(w/h 0.264)= 0.412h=2.20(笔一0.258)(w/h + 0.8)(4)c辐射切片的长度L： 一 -2 L=52.10mm2f Jse(5)同轴线馈电的位置L1re(L)=2L1 =L(1 -=14.63mm2 re三、HFSS设计(1)微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下:NameValueVmtEvaluated . . rTypeH5mmIlesi piL

3、J052. 1mnn52. IiihDesignw069 72vninS3.72mmDesignLIM. 63mm14.63mmDesignlength65 22mm65.22nmDesign微带天线的HFSS设计模型如下:立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。 对于馈电所用的50Q同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm坐标 为(L1, 0,0 );圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用 变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的

4、圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励， 端口归一化阻抗 为50 Q。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需 要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm用变量length 表示。(2) HFSS设计环境概述*求解类型：模式驱动求解。*建模操作模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。模型操作：相减操作*边界条件和激励边界条件：理想导体边界、辐射边界。端口激励：集总端口激励。*求解设置:求解频率：1.15GHz。扫频设置：快速扫描，频率范围：11.3GHz=* Optimetrics参数扫描分析。优化设计。*数据后处理：

5、S参数扫频曲线、VSWR天线方向图、天线参数由图得天线的谐振频率为1.11GHz,不是1.15GHz。需要进行优化设计。先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度 L0的变化关系，扫描分析范围为：49mm54mm,扫描步进为0.2mmSynctt|VariableDeciptionLQLinear Step horn 49mm to 54mm. $tep=O. 2mm仿真结果:发现当L0=50mm寸，谐振频率为1.15GHz。b、分析1.15GHz谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置L1的变化关系，扫描分析范围为：0mm19mi扫描步进为1mmSync# VariableDeccnpti

6、on|L1Linear Step from Omm to 19mm, step=1 mm仿真结果:发现L仁10mm寸，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。优化设计VariableOverri de St：ar ting ValueUnitsIncludeMinUni tsUnitsMin FgcheIbti + eMax FocusUni tsp.51M1p-26.05mmT8. 15mm46nw50mmL1” 10nm莎 9mm11mm9.5ma10.5mmSetup OptimizationGoals Variables | Geaeral Options |S olut i onC&l cul

7、 at i onCal 匚，RangeCondi tiouLGaleightSetupl :VSWEtl)Frflq(l. 15 即科=1优化结果得到:L0口Cost49.8mm10mm0当L0=49.8mm时，L仁10mm时，符合要求。查看优化后的天线性能a VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为1.38322符合要求。b、xz和yz截面上的增益方向图RkdriiliM PAIW 1从图得出：最大辐射方向为=0、/ =0，即辐射切片的正上方，最大增益约为5.7dB。c、三维增益方向图拓展要求：圆极化微带天线设计一、微带天线实现圆极化的方法采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片

8、微带天线。圆极化的关键 是激励起两个极化方式正交的线极化波， 当这两个模式的线极化波幅度相等，相 位相差90度，就能得到圆极化波的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电 方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发TMOi和TMo两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。 在设计中，让辐射切片的长度L和宽带 W相等，这样激发的TMi和TMo两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式 电场的相位差为0,若辐射切片的长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即 一边长度为Lc+a,另一边长度为Lc-a，前者对应一个容抗丫仁G-jB,后者对应一 个感

9、抗丫仁G+jB只要调整a的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分， 即B=G则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和45 度,这就满足了圆极化条件， 从而构成了圆极化微带天线。其极化旋向取决于馈电点的接入位置。当馈电点在 如下图中的所示的A点时，产生右旋圆极化波，在B点位置时，产生左旋圆极化 波。L=Le+aKalio 和Coffey研究证明，理论上当 L/W=1.029,即卩a=0.0143Lc, TMi和TM两个模式的相位差为90度。另外，由实际经验可得到，此结果的 50欧姆馈 电点位于辐射切片对角线上，且馈电点和辐射切片顶点的距离 dp在(0.350.39) d之间。假设馈电点到辐射切

10、片的中心距离为 L1，贝U L1在(0.110.15)Lc之 间。二、设计要求工作频带1.1-1.2GHZ，带内增益4.0dBi，VSWR 2:1。微波基板介电常数为r = 6，厚度H 5mm，左旋圆极化。总结设计思路和过程，给出具体 的天线结构参数和仿真结果，如 VSWR、方向图等，并给出轴比计算结果。三、设计步骤(1)计算天线辐射切片的初始尺寸微带天线的基板介电常数为；r=6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz, c = 3 108m/s辐射切片的宽度1c / E r * 1 W -2 f(2)=69.72mm有效介电常数1；r 1；r -1h 一2e22(112 w)=5.3

11、3辐射缝隙的长度：0.412h(e 0-3)(W/h 0-264) =2.20(e0.258)(w/h+0.8)辐射切片的长度L二-2.L =52.10mm贝U:辐射切片初始尺寸为：L=W=Lc=52.10mm并设置微调长度值a=0.0143Lc, 以产生圆极化波。(2)估算输入阻抗为50Q的同轴线馈电位置取0.15倍的Lc,计算得出馈电点在x、y方向离辐射切片的中心距离都为 7.82mm四、HFSS设计(1)微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线 的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：NameValueUni tEvaluated V.H

12、5rw5mmDesignWLc+Belta52. 845Q3mmBasi gnWOLcDalta51. 35497nDes i gjiLI7.E2mm7.Desi gnlength85.22mm65. 22mrriDesi gn12117.Dsi.gnLc52.1min52.1mmD电匸i gn:0.0143*Lc0.变量H表示基板的厚度，变量L0和W0分别表示辐射切片的长度和宽度， 变量L1和L2分别表示同轴线馈电点在x、y方向离辐射切片中心的距离。变量 Lc表示谐振频率为1.15GHz时所对应的辐射切片长度值，其初始值为52.10mmDelta表示辐射切片的微调长度值，其初始值为 0.01

13、43*Lc。要想实现圆极化， L0=Lc+Delta,W0=Lc-Delta，馈电位置 L1=L2,辐射边界表面距离辐射源通常需 要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm用变量length 表示。圆极化微带天线的HFSS设计模型如下：a俯视图立体图设计左旋圆极化微带天线，设置同轴线内芯模型 Feed的底面圆心坐标和端 口面模型Port的圆心坐标为(-L1，-L2，0)。Center tion _L1 t L20mm-T.目2皿、1.(2)仿真结果S11扫频分析结果由图得天线的谐振频率为1.11GHz,不是1.15GHz。需要进行优化设计。先进行参数扫描分析a、

14、分析中心频率与辐射切片长度Lc的变化关系，扫描分析范围为：48mm51mm,扫描步进为0.2mmSvnc # I Variable IDescriptionLc Linear Step from 48m(in to 51 mm, step=0.2mm仿真结果：XY PkHJW53DW9-1 *由图得到，当Lc=50.4mm时，中心频率在1.15GHz,回波损耗最小查看当Lc=50.4时，天线的输入阻抗从图得到：工作频率为1.15GHz，输入阻抗为(75.59, j3.58 ),需要输入阻抗为 50 Q ,添加L1为参数扫描变量b、分析1.15GHz谐振频点处输入阻抗与同轴线馈电点位置L1的变化

15、关系，扫描分析范围为：57mm扫描步进为0.2mmSync ttVariableDescriptionL1Linear Step from 5mm to ?mni, tep=0.2mm仿真结果:MtL1-7Hmr l 4 空ukv 僧L1-9 rin 4ri-期珈MLl-&.Snif LaW 宿 ITLl-Jnrr L-%4hh-勺Mi静 &w宙H!臨 EIMJ)EwKteliU&2血4.芽ratal.1IL 価WH发现L1=6mm6.2m时，输入阻抗接近50Q优化设计Solution匚：al 亡 ulli onCal 亡.C suf eat t亡a!亡-R&ngeCondi ti onGo&

16、lSetuplSweeplVSWR(l)Freq (1 1GHzh I. ISGMt, 1.2GHi)2SituplSvatvldB (AxigVilli*)EHfltnaThhOM JFhi OM訪 F”qd. 19Hirl.1 2讲k*11SetuplSweepldB (GainTotal)Elffl aneThew (Ode訪 Phi (DdePregO. IGHi, 1.1 泗町*优化结果得到：当L0=50.38mm时，L仁6.12mm时，符合要求。查看优化后的天线性能a、S11分析结果阳阿Y IH211000-l殆閔n312000-2.72Mh41.1ZTS-Wi&aOIE1.1f-WQOQQ-15.W 1 CIDXY Plol 111 101.151JDFreq|QH?J1 251 30HFSSDesiml 篡Cuivt inmStiupii11氓l2W8T?mn- LB的3咖如打天线的中心频率上 S11 值为-16.45dB, S11-10dB 的带宽为(1.1735-1.1279) /1.15=3.9%.b、VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为1.35422符合要求。d、xz和yz面上的左旋圆极化波（LHCP）增益和天线总增益方向图从图得出：B在-120120范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等,这也表明了天线辐射的是左旋圆极化波