平面缝隙天线

1、实 验 报 告 （ 2012 / 2013 学年 第 一 学期）课程名称课程设计实验名称平面缝隙天线实验时间2012/2013学年第一学期指导单位电子科学与工程指导教师 黄晓东学生姓名季明新班级学号B09020423学院(系)电子科学与工程学院专 业电磁场与无线技术一、 实验时间：10月15日- 10月19日 8:30-11:3010月22日- 10月26日 13:30-17:30 二、 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，并给出其天线参数。介质基片采用厚度为1mm的聚四氟

2、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S11-10dB，并考虑天线的输入阻抗与辐射臂物理尺寸的关系。3.2 设计步骤3.2.1 天线结构3.2.1.1 在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。图3.2.1.1表示出了微带缝隙天线的结构。图3.2.1 微带缝隙天线3.2.1.2 微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形,其缝隙形状如下图3.2.1.2窄缝 圆环 宽缝 圆图3.2.1.2 各种缝隙3.2.2 计算天线尺寸 由于缝隙形状为窄缝的微带缝隙天线与对称阵子相对偶，且较常见，因此先采用窄缝，缝宽暂定为2mm。根据对偶关系，可以知

3、道缝隙的长度与偶极子对称阵子天线的长度相近，约为1/2 ,用公式=V/f可以算出中心点的波长，1/236mm ,介质板的宽度一定要大于缝的长度，为了有富余量，设为50mm,介质板的长度暂定为80mm。馈线的宽度用IE3d进行估计，算得3.07473mm,如下图3.2.2。取3mm,馈线的长度应大于介质板的一半即40mm,暂定50mm.对于辐射边界的设定，由于使用HFSS分析天线时，辐射边界表面和辐射体的距离通常需要大于1/4,3GHz的由空间中的1/4个波长为25mm,这里创建一个长方体的模型作为辐射表面，天线在长方体中间，辐射表面长宽高至少为130mm,100mm,50mm，辐射表面就取以上

4、各值。各初始参数如下表3.2.2图3.2.2 馈线宽度表3.2.2 各数据初始参数结构名称变量名变量值(单位:mm)辐射表面长度a130宽度 b100高度c50介质板长度Sub_l80宽度Sub_w50馈线馈点Point0长度Length50宽度Strip_w3缝隙长度Cut_l36宽度Cut_w23.2.3 HFSS仿真设计3.2.3.1新建设计工程点击File下的New按钮，新建一个工程。如图3.2.3.1.1 图3.2.3.1.1 建立新的工程3.2.3.1.2.设置求解类型（1）在菜单栏中点击HFSSSolution Type。（2）在弹出的Solution Type窗口中：选择Dri

5、ven Modal。（3）点击OK按钮，如图3.2.3.1.2。图3.2.3.1.2 设置求解类型3.2.3.1.3.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3.2.3.1.3。图3.3 设置模型单位3.2.3.2 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HFSSDesign 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

6、后单击 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。图3.2.3.2.1 定义变量使用相同的操作方法，分别按表3.2.2定义b,c,Sub_l,Sub_w,Point,Length,Strip_w,Cut_lh,Cut_wh。定义完成后，确认设计属性对话框如图3.2.3.2.2图3.2.3.2 定义所有变量后的设计属性对话框3.2.3.3 设计建模3.2.3.3.1 .创建介质基片（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Substrate,在Material中将材料设

7、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（-Sub_w/2,- Sub_l/2,0）,在XSize，YSize，和Zsize文本框中分别输入长方体的宽，长，高：Sub_w,Sub_l，-1，如图3.2.3.1.2。图3.2.3.1.2 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

8、模型，如图3.2.3.1.3图3.2.3.13. 创建的介质基片3.2.3.3.2.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Command 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（-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

9、.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OK。在菜单栏中选择HFSSBoundariesAssignPerfect E。在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_GND，点击OK。如图3.2.3.2.2图3.2.3.2.2 创建GND为理想边界3.2.3.3.3.创建缝隙Slot（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Command

10、 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3.2.3.3.1。图3.2.3.3.1（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复选框不选。如图3.2.3.3.2图3.2.3.3.2

11、点击OK结束，Slot做好如图3. 3.2.3.3.3 图3.2.3.3.2 创建缝隙Slot3.2.3.3.4.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Command 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：S

12、trip_w,Length（4）为StripFeed设置边界。选择StripFeed,在菜单栏中选择HFSSBoundariesAssignPerfect E。在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_S，点击OK 3.2.3.3.5绘制Feed（1）选择ZX平面，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Command 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

13、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Resistance，Reactance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

14、3.2.3.5 完成后的集总端口3.2.3.3.6.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Material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（-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Ass

15、ign BoundaryRadition命令，保持默认设置不变。3.2.3.4 求解设置模型建完后，设置中心频率和扫描频率，点击HFSSAnalysis setupadd frequency sweep、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设置为1GHz，设置完成后，点击HFSSvalidation check检查错误，确认没有错误后，再点击HFSSanalyze all，开始仿真。3.2.3.5 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C

16、reate Modal Solution Data ReportRectangular Plot 命令，在Quantity选中S(P1,P1),在Function中选择dB。单击Report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。3.2.3.6 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3.2.3.6.1.1 3.2.3.6.1馈点的影响 图

17、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0.1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 3.2.3.6.2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/2LengthSub_l。取Length从40-55进行扫描，扫描结果如下图3.2.3.6.2.1图3.2.3.6.2

18、.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时有较大回波损耗，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3.2.3.6.2.2图3.2.3.6.2.2由图3.2.3.6.2.2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。3.2.3.6.3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.

19、2的介质板说，其波长的一半为33.7mm，我们对缝长进行33mm-50mm的扫描，步长为1mm，结果如图3.2.3.6.3.1图3.2.3.6.3.1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/。注意到谐振频率为3GHz时，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3.2.3.6.3.2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。

20、3.2.3.6.4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。3.2.3.6.5 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(f0)，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

21、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，结果如图3.2.3.6.5图3.2.3.6.5由图3.2.3.6.5知，微带线的宽度为3mm，且变化的斜率较大，没有必要继续进行优化。3.2.3.7查看优化后的天线性能3.2.3.7.1 优化后的参数 经过以上对主要影响天线辐射性能的参数进行扫描分析，我们得到这些参数的优化值和优化区间，如下表3.2.3.7.1表3.2.3.7.1辐射表面介质板馈线缝隙abcSub_lSub_wPointLengthStrip_wCut_lCut_w优化值(mm)13010050805014.445.9340

22、.21.1可优化区间(mm)14-14.645.4-46.140-40.40.6-1.13.2.3.7.2 天线性能查看将各优化后的参数代入模型，扫频设置为从2.5GHz-3.5GHz，步长0.01GHz，重新运行仿真。3.2.3.7.2.1 查看S11参数图3.2.3.7.2.1从图3.2.3.7.2.1可以看出，此时的谐振频率为3GHz，在3GHz处的S11值约为-43.27dB，远远达到指标所定的-15dB。3.2.3.7.2.2 查看电压驻波比VSWR图3.2.3.7.2.2从图3.2.3.7.2.2可以看出，此时的谐振频率为3GHz，在3GHz处的VSWR值约为1.0155，且在2.

23、9GHz-3GHz电压驻波比小于2，天线性能良好。3.2.3.7.2.3 查看S11的Smith圆图结果图3.2.3.7.2.3从图3.2.3.7.2.3可以看出，3GHz时的归一化阻抗为(1.0147+j0.0049) ，达到了很好的匹配状态。3.2.3.7.2.3 查看输入阻抗与辐射臂尺寸的关系3.2.3.7.2.3.1 输入阻抗与缝隙长度的关系 对缝隙长度进行35mm-50mm扫描，步长为1mm，结果如图3.2.3.7.2.3.1图3.2.3.7.2.3.1由图3.2.3.7.2.3.1知，缝的宽度主要影响输入阻抗的虚部，缝宽在39-40之间输入阻抗的虚部接近0，图上的m1点为优化值，其

24、输入阻抗虚部为0.2435，与m2相比，输入阻抗的虚部没有m2理想，但m1的输入阻抗为50.7364，而m2的输入阻抗为26.5682，在与特性阻抗为50的传输线匹配方面，m1明显优于m2。因此缝长取m1对应的缝长40.2mm。3.2.3.7.2.3.2 输入阻抗与缝隙宽度的关系对缝隙宽度进行0.5mm-3mm扫描，步长为0.1mm，结果如图3.2.3.7.2.3.2图3.2.3.7.2.3.2由图3.2.3.7.2.3.2知，缝的宽度主要影响输入阻抗的实部，缝宽在0.7-1.1之间输入阻抗的实部接近50，图上的m1点为优化值，其输入阻抗实部为50.7， m2点输入阻抗实部为48.2，相差不是

25、很大，但在缝宽为1.2mm处存在突变点，到缝宽为1.5mm的m3点又较为理想。因此缝宽的取值应按实际情况而定，此处应取m1对应的缝宽1.1mm。3.2.3.7.2.3.3 输入阻抗与馈线长度的关系对馈线长度进行45mm-55mm扫描，步长为1mm，结果如图3.2.3.7.2.3.3图3.2.3.7.2.3.3由图3.2.3.7.2.3.3知，输入阻抗的随着馈线长度的增加而增大，馈线长度在45mm-47mm之间变化时输入阻抗从41增加到65，变化明显。3.2.3.7.2.4 查看方向图3.2.3.7.2.4.1 查看E面H面的方向图要查看天线的远区场计算结果，首先要定义辐射表面，而辐射表面是在球

26、坐标系下定义的，在球坐标系下，xz平面相当于=0的平面，yz平面相当于=90 的平面。下面定义=0 和=90 的平面为辐射表面。在Phi角度对应的Start，Stop和Step Size文本框中分别输入0deg,90deg,90deg，在Theta角度对应的Start，Stop和Step Size文本框中分别输入-180deg,180deg,1deg。生成的E面H面如下图3.2.3.7.2.4.1图3.2.3.7.2.4.1由图3.2.3.7.2.4.1知，虚线为E面，趋近于圆，H面为实线，为”8”形，与理论相符合。3.2.3.7.2.4.2查看三维增益方向图首先要定义三维立体球面为辐射表面。

27、在Phi角度对应的Start，Stop和Step Size文本框中分别输入0deg,360deg,1deg，在Theta角度对应的Start，Stop和Step Size文本框中分别输入1deg,180deg,1deg。生成的三维增益方向图如下图图3.2.3.7.2.4.23.2.4 不同形状的缝对天线性能的影响 选用圆形的缝，馈线的宽度和窄缝的一样，都取3mm，影响缝隙形状为圆缝的微带缝隙天线的谐振频率和回波损耗S11的主要因素有馈线的长度，馈点，圆缝的半径，介质板的宽度。经过对这些参数扫描后优化步骤后，我们得到这些参数的优化值和优化区间，如下表3.2.4abcSub_lSub_wPointLengthStrip_wCut_r优化值(mm)130120508045.514.744.9322.4可优