基站天线设计讲座(2)

1、电子科技大学电子科技大学 贾宝富贾宝富 博士博士基站天线设计讲座（二）基站天线设计讲座（二）典型天线计算实例序言序言n介绍利用仿真软件计算天线的基本过程。n本讲座将介绍3种类型天线的计算过程。q环状天线（磁偶极子）；q对称振子天线（电偶极子）；q贴片天线；n巴伦的结构与设计q巴伦的类型；q巴伦设计。启启动动HFSSHFSSn打开HFSS确确认认HFSSHFSS解算解算环环境境nHFSS基本解算环境设置Tools/Options/General Options q设置自动存储q设定默认设计文件、临时文件和库文件的存放位置q设定默认设计文件的类型保存保存设计设计文件文件n设计文件的保存q在环境设置

2、中设定自動保存機能qFile/Saveq以适当的文件名保存文件选择选择解算解算类类型型nSolution Type設定qHFSS/Solution Typen选择Driven Modaln种解算类型qDriven Modaln计算以模式为目的物的S-ParameterqDriven Terminaln计算以端口为目的物的S-Parameter qEigenmoden计算谐振频率环状天线n环状天线的长度约等于一个波长。n空气盒壁与天线的最短距离应大于1/4波长。n激励端口使用集中参数端口。设定基本参数设定基本参数n输入工作频率f0,线宽w，线厚度d和端口阻抗z0。设设置解算模型置解算模型n画外圆

3、盘qDraw/Cylinder设设置解算模型置解算模型n画内圆盘qDraw/Cylinder设设置解算模型置解算模型n用外圆盘减去内圆盘生成圆环；qCtrl+A选中所有模型q选择3D Modeler/Boolean/Subtract q确认用Clynder1减去Clynder2，点击OK确认。设设置解算模型置解算模型n在圆环切掉一块构成馈电端口；q用Box构成切掉部分；q选择Draw/Box设设置解算模型置解算模型n切掉Box1qCtrl+A选中全部。q选择3D Modeler/Boolean/Subtract q用Clynder1减去Box1，然后点击OK。设设置解算模型置解算模型n画出馈电

4、端口PortqDraw/Rectangle设设置解算模型置解算模型n画空气盒q选择Draw/Cylinder材料設定材料設定n圆环材料設定q选择Cylinder1q改变材料属性，从真空改为铜。馈电馈电端口端口設定設定nLumped Port設定q选中Rectangle1q选择HFSS/Excitation/Assign/Lumped Portq设置端口阻抗馈电馈电端口端口設定設定n设置Integration Lineq设置计算电压的积分线；q在Integration Line栏，选择New Lineq在可以建立电压的两个端部之间画一条直线。n只需选中起点和终点馈电馈电端口端口設定設定n归一化设

5、定qS-parameter的计算值与端口阻抗有关；q如果使用同轴接头，需要对50欧姆归一化。设设置置边边界条件界条件n空气盒需要设置为辐射边界q选中空气盒q选择HFSS/Boundaries/Assign/Radiation q点击OK。设设置解算条件置解算条件n设置解算频率q选择HFSS/Analysis Setup/Add Solution Setupn解算频率：10GHznMaximum Number of Passes：10nMaximum Delta S：0.02扫频设扫频设置置n设置扫频；q选择HFSS/Analysis Setup/Add Sweep q设置Sweep Type为

6、Fast、Sweep范围为8GHz12GHz，步长为0.01GHz。開始開始计计算算n选择HFSS/Analyze计算结果分析计算结果分析n解算结果分析主要包括：qS参数；n驻波比n工作带寛；n输入阻抗q辐射模式；n方向图解析結果解析結果显显示示 S-ParameterS-ParameternS-Parameter显示1.选择HFSS/Result/Create Report2.Report Type选择S-Parameter3.Display Type选择Rectangular Plot4.点击OK。Traces选择、1.Category选择S-Parameter2.Quantity选择S1

7、13.Function选择dB4.点击Add Trace5.点击Done初步计算结果初步计算结果nS参数8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq GHz-16.00-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.00dB(S(LumpPort1,LumpPort1)Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 2Curve InfodB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1调整圆环半径调整圆环半径r0n增加比例系数alfa=1.092调整后的计算结

8、果调整后的计算结果nS Parameters8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq GHz-16.00-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.00dB(S(LumpPort1,LumpPort1)Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 1Curve InfodB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1端口阻抗的影响端口阻抗的影响n设置参数扫描，Z0从50300欧姆，步长50欧姆。n添加计算S11扫频计算结果扫频计算结果n从结果看端口阻

9、抗对天线工作带寛和驻波比均有影响。8.009.0010.0011.0012.0013.0014.0015.0016.00Freq GHz-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(LumpPort1,LumpPort1)Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 2Curve InfodB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=0.02mm f0=10GHz w=0.2mm z0=50ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1

10、d=0.02mm f0=10GHz w=0.2mm z0=100ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=0.02mm f0=10GHz w=0.2mm z0=150ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=0.02mm f0=10GHz w=0.2mm z0=200ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=0.02mm f0=10GHz w=0.2mm z0=250ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1

11、d=0.02mm f0=10GHz w=0.2mm z0=300ohm解析結果解析結果显显示示 方向性方向性n扫掠方向設定q选择HFSS/Radiation/Insert Far Field Setup/Infinite Sphere 解析結果解析結果显显示示 方方向性向性n方向性结果显示1.选择HFSS/Result/Create Report 2.Report Type选择Far Fields3.Display Type选择3D Polar Plot4.点击OKTraces显示选择、1.Category选择Directivity2.Quantity选择DirTotal3.Function选

12、择dB4.点击Add Trace5.点击Done解析結果解析結果显显示示 方方向性向性解析結果解析結果显显示示 GainGainn显示yz上的Gain1.选择HFSS/Result/Create Report2.Report Type选择Far Fields3.Display Type选择Radiation Pattern4.点击OK。解析結果解析結果显显示示 GainGainTraces显示的选择、1.选择Sweeps2.选择Phi3.去掉All Value、选择90deg显示结果显示结果-15.00-10.00-5.000.009060300-30-60-90-120-150-180150

13、120Ansoft CorporationHFSSDesign2Radiation Pattern 1Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive解析結果解析結果显显示示 GainGainnyz面的Gain1.Category选择Gain2.Quantity选择GainPhi（水平偏振）或选择GainTheta（垂直偏振）3.Function选择dB4.点击Add Trace5.点击Done水平极化增益水平极化增益n设置水平极化增益水平极化增益-50.00-40.00-30.00-20.009060300-30-60-90-120-150-18015

14、0120Ansoft CorporationHFSSDesign2Radiation Pattern 2Curve InfodB(GainPhi)Setup1 : LastAdaptive垂直极化增益垂直极化增益n设置垂直偏振增益垂直偏振增益-46.00-32.00-18.00-4.009060300-30-60-90-120-150-180150120Ansoft CorporationHFSSDesign2Radiation Pattern 3Curve InfodB(GainTheta)Setup1 : LastAdaptive同时显示水平和垂直增益同时显示水平和垂直增益n设置水平和垂直

15、增益水平和垂直增益-26.00-12.002.0016.009060300-30-60-90-120-150-180150120Ansoft CorporationHFSSDesign2Radiation Pattern 4Curve InfodB(rEPhi)Setup1 : LastAdaptivedB(rETheta)Setup1 : LastAdaptive对称阵子天线n对称阵子天线的基本尺寸长度为1/2波长。n空气盒壁距辐射体距离为1/4波长。n激励端口为离散端口。基本参数基本参数n输入工作频率等基本参数建立建立计计算模型算模型n画天线q点击Draw/Cylinder建立建立计计算模

16、型算模型n切断天线q利用Box把天线中间切断q点击Draw/Boxn用Cylinder1减去Box1.q按Ctrl+A全选所有q点击3D Modeler/Boolean/Subtractq用Cylinder1减去Box1建立建立计计算模型算模型建立建立计计算模型算模型n建立馈电端口Port q改变平面为3D Modeler/Grid Plane/xz q点击Draw/Rectangle设定材料属性设定材料属性n选中Cylinder1设定集中参数端口设定集中参数端口n选中平面Rectangle1建立建立计计算模型算模型n建立空气盒q点击Draw/Cylinder设定边界条件设定边界条件n选中空气

17、盒设设定求解定求解频频率率n求解频率设置q点击HFSS/Analysis Setup/Add Solution Setupn 求解频率：10GHznMaximum Number of Passes：10nMaximum Delta S：0.02设设置置扫频扫频n扫频設定q点击HFSS/Analysis Setup/Add Sweepq设定Sweep Type为Fast、Sweep范围为8GHz12GHz，步长Step设置为0.01GHz开始求解开始求解n点击HFSS/Analyze计算结果计算结果nS参数8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq

18、 GHz-20.00-18.00-16.00-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.00dB(S(LumpPort1,LumpPort1)Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 1Curve InfodB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1输入阻抗输入阻抗Z0的影响的影响n输入阻抗从50300Ohm，步长50Ohm。8.009.0010.0011.0012.0013.0014.0015.0016.00Freq GHz-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.

19、00dB(S(LumpPort1,LumpPort1)Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 2Curve InfodB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=1mm f0=10GHz r0=0.5mm Z0=50ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=1mm f0=10GHz r0=0.5mm Z0=100ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=1mm f0=10GHz r0=0.5mm Z0=150ohmdB(S(Lu

20、mpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=1mm f0=10GHz r0=0.5mm Z0=200ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=1mm f0=10GHz r0=0.5mm Z0=250ohmdB(S(LumpPort1,LumpPort1)Setup1 : Sweep1d=1mm f0=10GHz r0=0.5mm Z0=300ohm天线方向图天线方向图天线增益天线增益-76.00-52.00-28.00-4.009060300-30-60-90-120-150-180150120Ansoft Corpor

21、ationHFSSDesign1Radiation Pattern 3Curve InfodB(GainPhi)Setup1 : LastAdaptivedB(GainTheta)Setup1 : LastAdaptive-76.00-52.00-28.00-4.009060300-30-60-90-120-150-180150120Ansoft CorporationHFSSDesign1Radiation Pattern 3Curve InfodB(GainPhi)Setup1 : LastAdaptivedB(GainTheta)Setup1 : LastAdaptive贴片天线n天线的

22、边长约为1/4波长。n基片要大于天线n空气盒设定为上半个空间几个主要参数几个主要参数n输入工作频率等主要参数：设设置仿真模型置仿真模型n画天线q点击Draw/Box设设置仿真模型置仿真模型n画馈电用微带q点击Draw/Box设设置仿真模型置仿真模型n把贴片和微带和在一起q按Ctrl+A选中全部；q点击3D Modeler/Boolean/Unite设设置仿真模型置仿真模型n画基板作成q点击Draw/Box设设置仿真模型置仿真模型n画空气盒q点击Draw/Box設定材料設定材料n設定贴片材料q选中Box1,将材料设为Copper設定材料設定材料n設定基板材料q选中基板Box3，将其设定为FR4_

23、epoxy。馈电馈电端口端口设设置置nWave Port设置q点击Edit/Select/Faces，选中Rectangle1。q点击HFSS/Excitations/Assign/Wave Portq指定端口名为“WavePort1”。设设置置边边界界条件条件n选中空气盒除底面以外的5个面。q点击HFSS/Boundaries/Assign/Radiation将其设置为辐射面。求解求解设设置置n求解频率设置q点击HFSS/Analysis Setup/Add Solution Setup n求解频率：10GHznMaximum Number of Passes：10nMaximum Delt

24、a S：0.02扫频设扫频设置置n扫频频率设置q点击HFSS/Analysis Setup/Add Sweep qSweep Type为Fast、Sweep范围为8GHz12GHz，步长Step设为0.01GHz开始求解开始求解n点击HFSS/Analyze计算结果计算结果nS参数8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq GHz-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.00dB(S(WavePort1,WavePort1)Ansoft CorporationHFSSDesign3XY Plot 1Curve In

25、fodB(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Sweep1改变介质层厚度改变介质层厚度nD从0.252.50mm间隔0.25mm8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq GHz-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(WavePort1,WavePort1)Ansoft CorporationHFSSDesign3XY Plot 3Curve InfodB(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Sweep1alfa=0.93 d=0.25mm f0=10GHzd

26、B(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Sweep1alfa=0.93 d=0.5mm f0=10GHzdB(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Sweep1alfa=0.93 d=0.75mm f0=10GHzdB(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Sweep1alfa=0.93 d=1mm f0=10GHzdB(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Sweep1alfa=0.93 d=1.25mm f0=10GHzdB(S(WavePort1,WavePort1)Setup1 : Swe

27、ep1alfa=0.93 d=1.5mm f0=10GHzdB(S(WavePort1,WavePort1)方向性方向性天线增益天线增益-28.00-21.00-14.00-7.009060300-30-60-90-120-150-180150120Ansoft CorporationHFSSDesign7Radiation Pattern 1Curve InfodB(GainPhi)Setup1 : LastAdaptivedB(GainTheta)Setup1 : LastAdaptive巴伦的基本类型巴伦的基本类型n在前面介绍的3种天线中除了贴片天线外，前两种天线都是平衡馈电。通常，我们

28、的输入输出都是非平衡的。因此，中间需要非平衡到平衡的转换电路。这就是巴伦（Balun)。n巴伦的种类很多，大致可以分成集中参数巴伦和传输线巴伦两大类。集中参数巴伦又有LC结构和变压器结构。传输线巴伦又可分为同轴传输线巴伦和微带线巴伦两类。集中参数巴伦集中参数巴伦nLC巴伦q这种巴伦本质上是一个电桥。被称作“lattice-type ”巴伦。它由两个电感和两个电容组成。这两个回路提供 90 度的相移。q在工作频率注：此巴伦的工作频率必须低于LC原件自身的谐振频率。集中参数巴伦集中参数巴伦n变压器巴伦q变压器巴伦通常铁氧体环形磁芯制作。q现代集成巴伦常使用此结构q为了方便变压器巴伦也可以使用分离的

29、电感构成。传输线巴伦传输线巴伦n1/4波长同轴线巴伦 q一段1/4波长传输线一端屏蔽层接地，另一端不接地，就构成了一个最简单的传输线巴伦。这个巴伦的阻抗变比是1:1 。传输线巴伦传输线巴伦n1/2波长同轴线巴伦 q一段1/2波长传输线可以构成一个阻抗变换比为1:4的传输线巴伦。传输线巴伦传输线巴伦n简单的微带线巴伦q该巴伦的工作带寛可以达到10-20%.n耦合线巴伦 传输线巴伦传输线巴伦nMarchand 巴伦q这种巴伦是1944年Marchand发明的。最初的结构是同轴结构。这种巴伦具有低阻抗变比和较宽工作带寛的特点。传输线巴伦传输线巴伦n宽带巴伦q这种巴伦的工作频率范围可以达到几个倍频程。Marchand 巴伦计算实例巴伦计算实例Marchand 巴伦计算结果巴伦计算结果5.0010.0015.0020.0025.00Freq GHz-200.00-150.00-100.00-50.00 0.0050.00100.00150.00200.