微带天线设计

1、仿真技术综合设计微带天线仿真设计班 级： 通信13-3班 姓 名： 王亚飞 学 号： 1306030318 指导教师： 徐 维 成 绩： 电子与信息工程学院 信息与通信工程系 目 录1微带天线设计31.1微带天线简介31.2设计要求31.3设计指标和天线几何结构参数计算42 HFSS 设计和建模概述52.1创建微带天线模型5新建HFSS 工程5建立模型62.2相关条件设置14设置激励端口14添加和使用变量15求 解 设 置173设计检查和运行仿真分析193.1查看天线谐振点193.1变量Length、Width扫描分析213.2查看S11参数以及Smith圆图结果213.3查看驻波比223.4

2、查看天线的三维增益方向图223.5查看平面方向图234总结体会231微带天线设计1.1微带天线简介微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。图1.1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、

3、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数r 和损耗正切tan 、介质层的长度LG 和宽度WG。图10.1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。图1. 1微带天线的结构1.2设计要求设计一个矩形微带天线，工作频率为2.45Ghz ,天线使用同轴线馈电。天线的中心频率为2.45GHz，因此设置HFSS 的求解频率（即自适应网格剖分频率）为2.45GHz，同时添加1.53.5GHz 的扫频设置，分析天线在1.53

4、.5GHz 频段内的回波损耗或者电压驻波比。如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示谐振频率没有落在2.45GHz 上，还需要添加参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置，以达到良好的天线性能。1.3设计指标和天线几何结构参数计算本章设计的矩形微带天线工作于ISM 频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网（WLAN）、蓝牙、ZigBee 等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数r = 3.38，厚度h = 5mm；天线使用同轴线馈电。微带天线的3 个关键参数如下：工作频率f0 = 2.45GHz；介质板材的相对介

5、电常数r = 3.38；介质层厚度h = 5mm。下面来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L 和宽度W、同轴线馈点的位置坐标（xf，yf），以及参考地的长度LGND 和宽度WGND。1矩形贴片的宽度W根据公式把 c=3.0108m/s，f0=2.45GHz， r=3.38 代入，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即W = 0.0414m = 41.4mm2有效介电常数e根据公式把 h=5mm，W=41.4mm， r=3.38 代入，可以计算出有效介电常数，即e= 2.953辐射缝隙的长度L根据公式把 h=5mm，W=41.4mm，eff=2.95 代入，可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即

6、L = 2.34mm4矩形贴片的长度L根据公式把 c=3.0108m/s，f0=2.45GHz，e =2.95，L=2.34mm 代入，可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即L = 31.0mm5参考地的长度LGND 和宽度WGND根据公式把 h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm 分别代入，可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即LGND61.8mm, WGND71.4mm6同轴线馈点的位置坐标（xf，yf）根据r=3.38，W=41.4mm，L=31.0mm 很容易可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（xf，yf），即xf = 9.5mm, yf = 0mm。2 HFSS 设计和建

7、模概述本课程所设计的天线实例是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS 工程可以选择模式驱动求解类型。在HFSS 中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML 边界表面，这里使用辐射边界条件。为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。因为使用了辐射边界表面，所以同轴馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。2.1创建微带天线模型2.1.1新建HFSS 工程1. 运行HFSS并新建工程启动HFSS 软件。HFSS 运行后，会自动新建一个工程文件，选择主菜单【File】【Save As】命令，把工程文件另存为MSAntenna.

8、hfss；然后右键单击工程树下的设计文件名称HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件重新命名为Patch。2. 设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。从主菜单栏选择【HFSS】【Solution Type】，打开如图1.2所示的Solution Type 对话框，选中Driven Modal 单选按钮，然后单击OK按钮，退出对话框，完成设置。图1.2设置求解类型3. 设置默认的长度单位设置当前设计在创建模型时使用的默认长度单位为毫米。从主菜单栏选择【Modeler】【Units】命令，打开 “模型长度单位设置”对话框。在该对话框中，Select unit

9、s 项选择毫米单位（mm），然后单击按钮，退出对话框，完成设置。4. 建模相关选项设置从主菜单栏选择【Tools】【Options】【Modeler Options】命令，打开3D Modeler Options对话框，单击对话框Drawing 选项卡，选中Drawing 选项卡界面的Edit properties of newprimitive 复选框，然后单击“确定”按钮，退出对话框，完成设置。2.1.2建立模型1.创建参考地在z=0 的xOy 面上创建一个顶点位于（45mm，45mm），大小为90mm90mm 的矩形面作为参考地，命名为GND，并为其分配理想导体边界条件。（1）从主菜单栏

10、选择【Draw】【Rectangle】命令，进入创建矩形面模型的状态。在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出矩形面“属性”对话框。（2）单击该对话框的Command 选项卡，在Position 项对应的Value 值处输入矩形面起始点坐标（45，45，0），在XSize 项对应的Value 值处输入矩形面的长度90，YSize 项对应的Value 值输入矩形面的宽度90；然后单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value值处输入矩形面的名称GND，单击Transparent 项对

11、应的Value 值按钮，设置模型透明度为0.6；如图1.3所示。最后，单击按钮结束。图1.3创建的参考地（3）在三维模型窗口，单击选中新建的矩形面模型，选中后的模型会高亮显示。（4）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【Assign Boundary】【Perfect E】，打开如图1.4所示的Perfect E Boundary 对话框，为选中的矩形面GND 分配理想导体边界条件。在打开的对话框中，Name 项对应的文本框处输入PerfE_GND，将理想导体边界命名为PerfE_GND，然后单击对话框按钮结束。此时理想导体边界条件的名称PerfE_GND添加到工程树的Boundaries

12、 节点下。图1.4Perfect E Boundary 设置对话框2.创建介质板层创建一个长宽高为80mm80mm5mm 的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上（即z=0 的xOy 面上），其顶点坐标为（40，40，0），介质板的材料为R04003，介质板层命名为Substrate。（1）从主菜单栏选择【Draw】【Box】命令，进入创建长方体模型的状态，在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点；最后沿着z 轴方向移动鼠标光标，在绘制出一个长方体后单击鼠标左键确定第三个点。此时，弹出长方体的“属性”对话框。

13、（2）单击对话框的Command 选项卡，在Position 项对应的Value 值处输入长方体的顶点坐标（40，40，0），在XSize、YSize 和ZXize 项对应的Value 值处分别输入长方体的长、宽和高80、80 和5。（3）单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value 值处输入长方体的名称Substrate；单击Material 项对应的Value 值按钮，通过对话框左上方的Search By Name 项搜索并选中介质材料Rogers R04003，然后单击 ok按钮，设置长方体的材料为Rogers 04003；单击Color 项对应的Edit 按钮

14、，将模型的颜色设置为绿色；单击Transparent 项对应的Value 值按钮，设置模型透明度为0.6；最后单击“属性”对话框的按钮，完成设置，退出对话框。图1.4创建好的介质板层3.创建微带贴片在z=5 的xOy 面上创建一个顶点坐标为（15.5mm，20.7mm，5mm），大小为31.0mm41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。（1）从主菜单栏选择【Draw】【Rectangle】命令，或者单击工具栏按钮，进入创建矩形面模型的状态；在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点

15、。此时，弹出矩形面“属性”对话框。（2）单击该对话框的Command 选项卡，在Position 项对应的Value 值处输入矩形面起始点坐标（15.5，20.7，5），在XSize 和YSize 项对应的Value 值处输入矩形面的长度31.0和宽度41.4。然后单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value 值处输入矩形面的名称Patch；单击Color 项对应的Edit 按钮，将模型的颜色设置为黄褐色；单击Transparent项对应的Value 值按钮，设置模型透明度为0.4；如图1.5 所示。最后，单击按钮“确定”结束。图1.5矩形面“属性”对话框（3）在操作

16、历史树中，单击选中新建的微带贴片Patch，选中后的模型会高亮显示。图创建的微带贴片（4）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【Assign Boundary】【Perfect E】，打开如图1.6所示的Perfect E Boundary 对话框，给微带贴片Patch 分配理想导体边界条件，并将理想导体边界命名为PerfE_Patch，然后单击按钮ok结束。图1.6 Perfect E Boundary4.创建同轴馈线的内芯创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为（9.5mm，0，0），材质为理想导体，同轴馈线命名为Feed。（1）从

17、主菜单栏选择【Draw】【Cylinder】命令，或者单击工具栏按钮，进入创建圆柱体模型的状态。在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，绘制出一个圆形后单击鼠标左键确定第二个点；最后沿着z 轴方向移动鼠标光标，绘制出一个圆柱体后单击鼠标左键确定第三个点。此时，弹出圆柱体“属性”对话框。（2）单击该对话框的Command 选项卡，在Center Position 项对应的Value 值处输入圆柱体的底面圆心坐标（9.5，0，0），在Radius 项对应的Value 值处输入圆柱体的半径0.5，在Height 项对应的Value 值处输入圆柱体的高度5。 （3

18、）单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value 值处输入圆柱体的名称Feed；单击Material 项对应的Value 值按钮，设置长方体的材料为pec。最后单击“属性”对话框的按钮，完成设置，退出对话框。创建后的模型如图1.7所示。图1.7创建的同轴馈线5.创建信号传输端口面同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量。因此，需要在参考地面GND 上开一个圆孔允许能量传输。圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为（9.5mm，0，0），并将其命名为Port。（1）从主菜单栏选择【Draw】【Circle】命令，或者单击工具栏的按钮，进入创建圆面模型的状态，在三维模型窗口任一位置

19、单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，在绘制出一个圆形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出圆面“属性”对话框。（2）单击该对话框的Command 选项卡，在Center Position 项对应的Value 值处输入圆面的圆心坐标（9.5，0，0），在Radius 项对应的Value 值处输入圆面的半径1.5；然后单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value 值处输入圆面的名称Port；最后，单击按钮，生成一个圆面Port，迭加在参考地面GND 上。（3）按住Ctrl 键，同时从操作历史树中按先后顺序单击选择面GND 和Port；然后从主菜单栏选择【M

20、odeler】【Boolean】【Substrate】命令，或者单击工具栏的按钮，打开如图1.8 所示的Subtract 对话框；确认对话框的Blank Parts 栏显示的是GND，Tool Parts 栏显示的是Port，表明使用参考地模型GND 减去圆面Port；为了保留圆面Port 本身，请选中对话框的Clone tool objects before subtracting 复选框。然后单击按钮，执行相减操作。执行相减操作后，即从GND 模型中挖去了一块与圆面Port 一样大小的圆孔，同时保留了圆面Port本身。图1.8“相减操作”对话框 图1. 9 信号传输端口面6.创建辐射边界表

21、面创建一个长方体， 其顶点坐标为（ 80 ， 80 ， 35 ）， 长方体的长 宽 高为160mm160mm75mm，长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air。创建好这样的一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。（1）从主菜单栏选择【Draw】【Box】命令，或者单击工具栏按钮，进入创建长方体模型的状态，在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后在xy 面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点；最后沿着z 轴方向移动鼠标光标，在绘制出一个长方体后单击鼠标左键确定第三个点。此时，弹出长方体“属性”对话框。（2）单击对话框的Command 选项卡，

22、在Position 项对应的Value 值处输入长方体的顶点坐标（80，80，35），在XSize、YSize 和ZXize 项对应的Value 值处分别输入长方体的长、宽和高160、160 和75. （3）单击对话框的Attribute 选项卡，在Name 项对应的Value 值处输入长方体的名称Air；查看Material 项对应的Value 值，确认其为真空（vacuum）；单击Transparent 项对应的Value 值按钮，设置模型透明度为0.8；如图2.1所示。所示。最后单击对话框的按钮，完成设置，退出对话框。图2.1长方体“属性”对话框（5）在操作历史树中，单击选中新建的长方体

23、Air，选中后模型会高亮显示。（6）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【Assign Boundary】【Radiation】命令，打Radiation Boundary 对话框，直接单击对话框按钮，将长方体Air 四周设置为辐射边界条件。至此，微带贴片天线的模型就完全创建好了。图2.2创建的长方体模型2.2相关条件设置2.2.1设置激励端口设置同轴线信号端口面（即圆面Port）的激励方式为集总端口激励。（1）展开操作历史树下的Sheets 节点，选择圆面Port；选中后，模型会高亮显示。（2）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【Assign Excitation】【LumpedP

24、ort】，打开如图2.3所示的“集总端口设置”对话框，设置Port 面为集总端口激励方式。图2.3集总端口设置（3）在该对话框中，Name 项对应的文本框输入端口激励名称P1；Resistance 和Reactance项分别输入50和0，即设置端口阻抗为50；然后单击“下一步”按钮。（4）在新打开的界面中，单击Integration Line 项的none，从其下拉列表中单击NewLine，设置集总端口的积分校准线。在状态栏的X、Y 和Z 文本框内输入积分线起点坐标（10，0，0），然后按回车键确定；紧接着在状态栏的dX、dY 和dZ 文本框内分别输入1、0 和0，再次按回车键确认。（5）此时

25、，退出设置积分线状态，回到“集总端口设置”对话框，单击对话框的按钮直到结束，完成集总端口激励方式设置。（6）设置完成后，集总端口激励P1 会添加到工程树的Excitations 节点下，单击Excitations节点左侧的按钮，展开该节点，选中激励P1，然后单击工具栏按钮，放大显示上面添加的激励端口P1，如图2.4所示。图2.4激励端口P12.2.2添加和使用变量添加设计变量Length，初始值为31.0mm，用以表示微带贴片的长度；添加设计变量Width，初始值为41.4mm，用以表示微带贴片的宽度；添加设计变量Xf，初始值为9.5mm，用以表示同轴馈线的圆心点的x 轴坐标.1. 添加设计变

26、量（1）从主菜单栏选择【HFSS】【Design Properties】命令，打开“设计属性”对话框，单击对话框中的“Add”按钮，打开Add Property 对话框。（2）在Add Property 对话框中，Name 项输入变量名Length，Value 项输入变量的初始值31mm，然后单击按钮；此时，添加了变量Length。（3）重复第（2）步操作，添加变量Width 和Xf，其初始值分别为41.4mm 和9.5mm。（4）最后单击“设计属性”对话框的”确定“按钮，完成变量定义。变量定义过程如图2.5所示。图2.5变量定义2. 在模型中应用变量使用变量Length 和Width 表示微

27、带贴片Patch 的长度和宽度，并设置微带贴片的起点坐标为（Length/2，Width/2，5mm）。使用变量Xf 代替同轴馈线Feed 的底部圆心和集总端口Port 的圆心在x 方向的坐标。（1）展开操作历史树下的Sheets 节点，找到并展开Perfect E 节点，再展开Perfect E 节点下的Patch 节点，双击Patch 节点下的CreateRectangle，打开微带贴片Patch 的“属性”对话框，如图2.6所示。（2）在“属性”对话框中，把Position 项对应的Value 值由原来的（15.5，20.7，5）改为（Length/2，Width/2，5mm），把XSi

28、ze 和YSize 项对应的Value 值由原来的31 和41.4改为变量Length 和Width。（3）单击“确定”按钮，完成设置。（4）重复步骤（1），在操作历史树Solidsvacuum 节点下找到并展开Feed 节点，在Feed 节点下双击CreateCylinder，打开同轴馈线Feed 的“属性”对话框。在该对话框中，把Center Position 项对应的Value 值由原来的（9.5，0，0）改为（Xf，0，0）。然后，单击“确定”按钮完成。图2.6 属性对话框2.2.3求 解 设 置1.求解设置本章设计的微带贴片天线中心工作频率在2.45GHz，因此设置HFSS 的求解频

29、率（即自适应网格剖分频率）为2.45GHz；同时添加1.53.5GHz 的扫频设置，选择快速（Fast）扫频类型，分析天线在1.53.5GHz 频段的回波损耗或者电压驻波比。（1）右键单击工程树下的Analysis 节点，从弹出菜单中选择【Add Solution Setup】命令，打开如图2.7所示的Solution Setup 对话框。（2）在该对话框中，Setup Name 项保留默认名称Setup1，Solution Frequency 项输入2.45GHz，Maximum Number of Passes 项输入15，Maximum Delta S 项输入0.02，其他项保持默认设置

30、。然后单击“确定”按钮，完成求解设置。图2.7所示的Solution Setup 对话框。2.扫频设置（1）展开工程树Analysis 节点，选中求解设置项Setup1，单击右键，从弹出菜单中选择【Add Frequency Sweep】，打开Edit Sweep 对话框，进行扫频设置；如图2.8所示。图2.8 Add Frequency Sweep（2）在该对话框中，Sweep Name 项保留默认名称Sweep1；Sweep Type 项选择快速扫频类型Fast；在Frequency Setup 栏，Type 项选择LinearCount，Start 项输入1.5GHz，Stop 项输入3

31、.5GHz，Count 项输入41。然后单击对话框的按钮，完成扫频设置，（3）设置完成后，扫频设置项的名称Sweep1 会添加到工程树Analysis 节点的Setup1下面。3设计检查和运行仿真分析从主菜单栏选择【HFSS】【Validation Check】命令，进行设计检查。此时，会弹出如图2.9所示的“检查结果显示”对话框，表示当前的HFSS 设计正确、完整。单击关闭对话框，准备运行仿真计算。图2.9检查结果显示3.1查看天线谐振点查看天线信号端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果，给出天线的谐振点。（1）右键单击工程树下的Results 节点，在弹出菜单中选择【Create Moda

32、l Solution DataReport】【Rectangular Plot】命令，打开如图3.1 所示的“报告设置”对话框。（2）在该对话框中，确定左侧Solution 项选择的是Setup1:Sweep1，Domain 项选择的是Sweep，右侧X 项选择的是Freq；在右侧的Category 栏选中S Parameter，Quantity 栏选中S(P1,P1)，Function 栏选中dB；然后单击“New Report”按钮，再单击按钮”close”关闭对话框。图3.1 “报告设置”对话框（3）此时，即可生成如图3.2 所示的S11 在1.53.5GHz 的扫频曲线报告。（4）在图3.2中，单击选中S11 扫频曲线，然后单击工具栏的按钮，标记出S11 曲线的最小值点m1，并在图中显示