射频课设设计指导材料

1、 课程设计专业班级：学 号：学生姓名：指导教师： 2015年 设计题目：圆极化微带天线仿真设计(样稿仅供参考) 一、设计目的：设计一种谐振频率为2.45GHz的圆极化贴片天线，利用Ansoft公司的HFSS13.0对其进行建模并对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。进一步理解微带天线的特性与应用，掌握基本的天线设计与仿真操作。二、 设计原理：1. 微带天线的定义微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而行成的天线。它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。

2、它最早是由德尚（G.A.Dcschamps）教授在1953年提出的。2. 微带贴片天线的工作原理微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。实际上，能计算其辐射特性的贴片图形是有限的。其中矩形微带贴片天线的分析方法比较成熟，适合初学者学习。天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。前者要解决天线与馈线的匹配问题；后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是

3、很困难的。因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。下面介绍微带天线的辐射机理。微带天线的辐射可以用图2.1（a）所示的简单情况来说明。假定介质基片厚度，可以认为电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，则贴片天线的电场结构可由图2.1（b）表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度L方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长近似为，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上相互抵消。平行于地板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。所以，贴片

4、可以表示为相距、同相激励的两个缝隙，如图2.1(c)所示。图2.2给出了矩形微带天线H面和E面辐射方向图，由于接地板的存在天线主要向上半空间辐射。图2.1 矩形微带天线图2.2 矩形微带天线方向图选择天线的工作频率和介质基板后，根据施奈德经验公式（2.1），（2.2），（2.3），（2.4）可以计算出天线的长和宽。实验范例选择中心频率为2.45GHz设计天线。具体过程如下：选择适当厚度的介质基片。本实验选择介电常数为3.55厚度为1.5mm的介质片。介质基片参数、tan和选定之后，由式（2.1）计算贴片矩形贴片天线的宽度。 (2.1)对于工作于TM01模的矩形微带贴片天线长度近似为g/2，而介

5、质内波长g=0 /。这里为介质基片的有效介电常数，考虑到边缘效应， 用施奈德等效介电常数代替，用式（2.2）得到。 （2.2）矩形微带贴片天线的长度L在理论上近似为g/2，但实际上由于边缘场的影响，在确定L的尺寸时应从g/2中减去2L。L的值由式（2.3）计算 （2.3）于是 （2.4）3. 圆极化微带天线的基本知识圆极化微带天线包括两种形式：谐振微带贴片与行波微带线型天线。谐振贴片辐射圆极化波的基本原理是：产生两个相互垂直的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。实现方法分为三类：单馈法，多馈法和多元法。本次采用单馈法进行设计。单馈法的产生机理是基于空腔模型理论，利用兼并

6、分离单元产生的两个简并分析模工作。设计关键为确定几何微扰，即选择简并模分离单元的位置和大小，以及恰当的馈点。单馈法的优点是无需外加的相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。缺点是带宽窄，极化性能较差。4. 设计过程（1）设计目标：工作频率2.45GHz的圆极化微带贴片天线。（2）采用单馈法（同轴馈电），矩形采用的是正方形。（3）将h=1.5mm，=3.55，中心频率为2.45GHz，经过公式2.1计算得到W约等于40.5mm，公式2.2计算得到=3.364，公式2.3和2.4的计算可得L约等于30.5mm。在实际的贴片天线中常采用正方形的形式，且实际仿真与理论计算之间的误差，所以初

7、始的贴片尺寸设计为长宽均为32mm的贴片。（4）采用右旋圆极化，切角选用三角形。切角的大小在设计过程中采用仿真的方法确定。三、贴片天线仿真步骤：1. 双击桌面的HFSS程序，打开后可以看到如图1所示的界面。 图1 程序界面2. 点击图1中红色方框标注project点击Insert HFSS Design或者直接点击快捷键创建一个新的工程，如图2所示。图中标注了各窗口的名称，如果某一个窗口没有出现可以从VIEW中来将其显示。将工程保存为antenna design。保存路径中不能出现中文目录。如：D:antenna design。图2 所创建的新工程3. 设定求解类型：点击菜单栏中的HFSS S

8、olution Type Driven Modal，可以看到如图3所示。关于几种求解方式的差异感兴趣的同学可以使用如下方法来了解：HFSS提供一种on-line help方法，先按"Shift+F1"让滑鼠游标出现问号，然后点击菜单栏中的HFSS Solution Type 。图3 设置求解模式4. 设置模型单位：点击菜单栏中的Modeler Unites，设置模型单位为mm，如图4所示。图4 设置模型单位5. 创建模型此例总共要画两个长方体（box），两个长方形（rectangle），一个圆柱体（cylinder），一个圆形（circle），两个多边形三角形。5.1 立体

9、模型（立方体）的建立（1）点击菜单栏drawbox或直接点击工具栏快捷键，如图5.1.1所示。图5.1.1 draw box（2）点击后在程序界面下方出现如图5.1.2所示的坐标输入项，在其中输入基准坐标x:-22.5，y:-22.5，z:0，输入后按下回车键确认。输入表示的是将点（-22.5，-22.5,0）设置为该Box的一个顶点。图5.1.2 坐标输入项（3）按下回车之后坐标输入条变成如图5.1.3所示的界面，在其中输入相对坐标值，dX：45，dY:45,dZ：5。这一操作表示的是设置该box的长为45mm，宽45mm，高5mm。输入后在菜单栏中点击ViewFit allAll view

10、s或者在工具栏中点击，得到界面如图5.1.4所示。图标表示的操作是将所有模型以适当比例在三维模型中显示。图5.1.3 相对坐标输入项图5.1.4 Draw Box（4）可以在操作历史树中对模型box1的属性进行修改，选中box1点击右键，选中Properties，出现如图5.1.5所示的窗口。"Attribute"标签页里，可以设定名称、材料、颜色、透明度等参数。把此box命名为”substrate”，透明度设定为0.8，此时材料为默认值”vacuum”，即真空。点击确认完成设置。在操作历史树中我们可以看到box1变成了substrate，同时可以看到在操作历史树中是以模型

11、材料来进行分类的。图5.1.5 box的properties（5）双击CreateBox对模型的尺寸进行设置，出现如图5.1.6所示。"Command"标签页里有我们刚刚设定的坐标，可以确认与修改。图5.1.6 立方体的尺寸设置5.2长方形的建立（Draw Rectangle）（1）点击点击菜单栏中的Draw Rectangle或者工具栏中的，在如图5.2.1所示的坐标输入条种出现。输入基准坐标x:-45，y:-45，z:0，相对坐标值，dX：90，dY：90,dZ：0，得到如图5.2.2所示的界面。图5.2.1 长方形的尺寸设置图5.2.2 长方形的构建（2）在操作历史树

12、中将" rectangle1"命名为"ground_plane"，透明度为0.8。注意name项中不能出现空格，一般用下划线代替。（3）重复步骤（1）、（2），另外画一个名为”patch”的长方形。基准坐标x:-16，y:-16，z:5，相对坐标值，dX：32，dY：32,dZ：0。（4）整个完整的模型图如图5.2.3所示。图5.2.3 完整图形5.3圆柱体的构建（1）在菜单栏中点击Drawcylinder或者在工具栏中点击 ，先输入圆心坐标，再输入相对坐标如图5.3.1所示。图5.3.1 圆柱体的坐标设置（2）在properties中将圆柱体改名为”f

13、eed”，透明度设置为0.8，材料选为”copper”。设置材料的方法为：点击Material后面的Value项，出现下拉菜单，点击Edit。出现如图5.3.2所示的窗口。在search by Name中输入copper，选中copper，确认。图5.3.2 材料选择窗口(3)得到如图5.3.3所示的界面。图5.3.35.4（1）画一个背景空间。在菜单栏中点击DrawRegion或者在工具栏中点击，出现如图5.4.1所示的窗口。先开始设置背景空间的尺寸为待测物体的所有方向上放大100%。图5.4.1（2）双击操作历史树中的CreateRegion，将Z方向设置为2000%，如图5.4.2所示。

14、图5.4.25.5在ground_plane上切一个圆形的洞，为了让馈电同轴线内导体通过。（1）在菜单栏上点击Drawcircle或者点击工具栏上的，设置基准坐标和相对坐标如图5.5.1所示。图5.5.1（2）将所画的圆命名为”port”，透明度0.8。（3）在操作历史树中按住Ctrl复选上port和ground_plane，在菜单栏中选择ModelerBooleanSubtract或者点击右键EditBooleanSubtract，出现如图5.5.2所示的窗口。图5.5.2表示的是在ground_plane上减去port。复选Clone tool objects before operati

15、on表示执行操作后会保留port。（如果出现的窗口不是如图5.5.2，则需要改变port或者ground_plane的位置，需要先选中port或者ground_plane，然后点击或者就可以改变位置。）图5.5.25.6在patch的边角上切去两个三角形（1）点击菜单栏中的DrawLine或者点击工具栏中的，先在三维模型窗口中的空白位置点击右键，选择Set Edge TypeStraight，再按下Tab键输入以下四个坐标，如图5.6.1所示。图5.6.1（2）所得图形如图5.6.2所示。图5.6.2（3）把这个三角形移动patch的边上，在菜单栏中选择EditArrange Move或者点击

16、工具栏中的，移动的坐标设置如图5.6.3所示。图5.6.3（4）复制这个三角形到patch的另一个边角上。在菜单栏中点击Edit DuplicateAround Axis或者点击工具栏中的，以Z轴旋转180度，如图5.6.4所示，点击OK完成设置。图5.6.4（5）类似于在ground_plane上切去port的步骤，在操作历史树上选中polyline1、polyline1_1和patch，点击右键EditBooleanSubtrate，设置如图5.6.5所示。注意不勾选Clone tool objects before operation。图5.6.5（6）模型建立完成，如图5.6.6所示。

17、图5.6.66. 设置变量6.1设置几何形状的尺寸变量（1）设置地板ground_plane的尺寸变量：在操作历史树中展开ground_plane中的”+”号，找到CreateRectangle双击，出现如图6.1.1所示窗口。把Position的(-45mm,-45mm,0mm)改成(PlaneStart, PlaneStart,0)。图6.1.1（2）因为PlaneStart第一次出现，当点击其他行时会出现如图6.1.2所示的窗口。输入Value为-45mm，点击OK完成设置。再修改XSize、YSize，把原来的90mm、90mm改成PlaneSize、PlaneSize，且定义Plan

18、eSize=90mm。图6.1.2（3）类似于步骤（1）（2）在操作历史树中双击Substrate的”Createbox”，将Position的（-22.5mm,-22.5mm,0）改成(SubStart,SubStart,0)。并将Substrate的值定义为-22.5mm。XSize、YSize改为SubSize，并将其值设定为45mm，ZSize改为SubHight，并将其值设定为5mm。（4）同样设定patch的Position为（PatchStart ,PatchStart ,SubHight），其中 PatchStart=-16mm， SubHight=5mm。XSize、YSiz

19、e改为PatchSize。并定义32mm。（5）设定feed的position为(0mm ,FeedLocation ,0mm)，其中FeedLocation=8mm。并设定Height为Subhight。（6）设定port的position为(0mm ,FeedLocation ,0mm)。完成以上设置之后，单击项目管理窗口的HFSSDesign1，可以看到所有的变量出现在了属性窗口中，如图6.1.3所示。图6.1.36.2设置多边形的各种变量（1）设定Polyline1的尺寸变量，多边形变量的修改需要针对每一条边的坐标进行修改。点击patch前的”+”展开patch，展开Subtract，

20、展开polyline1，展开CreatePolyline，可以看到在CreatePolyline下有三个CreateLine，分别代表画多边形时画的三条线，双击第一个CreateLine，出现如图6.2.1所示对话框。将其中的Point2改为（0, ChamSize，0），定义其中的ChamSize为6mm。同样的步骤将第二个CreateLine中的Point2改为（ChamSize ,0mm ,0mm）。在接下来的步骤中，改变ChamSize即可改变patch上切角三角形的大小。图6.2.1（2）设定Polyline1的位移变量点击patch前的”+”展开patch，展开Subtract，展

21、开polyline1，可以看到在polyline1下有Move，双击Move出现位置移动的属性对话框。将其中的Move Vector设置为 （PatchStart ,PatchStart ,SubHight）。6.3设置变量之间的关系目前为止所有的变量都可以在项目管理窗口中单击HFSSDesign1（如图6.1.3），"Design Properties"出现如图6.3.1所示的对话框。图6.3.1将PlaneStart设为-PlaneSize/2，SubStart设为-SubSize/2，PatchStart设为-PatchSize/2。结果如图6.3.2所示。图6.3.

22、27. 在步骤5.3（2）中，我们将feed的材料设置为copper。另一种改变还需要将substrate的材料设置为"Rogers 4003"。这里介绍另一种改变材料的方法，在操作历史树中选中”substrate”，点击鼠标右键选择”Assign Material”，会出现材料选择对话框，如图7.1.1所示。图7.1.1在把材料设置为"Rogers 4003"后，我们在操作历史树中可以看到产生了一个"Rogers 4003"的材料分支，"substrate"被归在这个新出现的材料分支之下。8. 设置边界条件和激励

23、源8.1设置背景空间边界条件在操作历史树中双击”Region”，在出现的对话框中将name改为”air”，在选中”air”点击右键选择Assign BoundaryRadiation。如图8.1.1所示。将其name改为”air”。 背景空间设定为”Radiation”边界条件，以模拟一个允许波进入空间辐射无限远的表面。图8.1.18.2导体平面边界条件在操作历史树中复选" ground_plane "和"patch"，点击鼠标右键选择Assign BoundaryFinite Conductivity。出现对话框，不作改动，点击ok完成设置。"

24、; Finite Conductivity "（有限电导边界）是一种电导率和磁导率均为频率函数的有耗材料，若选择"Perfect E"(理想电边界)会使模拟结果的S11较低。8.3为Port设置激励源在操作历史树中的sheets中选定Port点击右键选择”Assign ExcitationLumped port”，在出现的对话框中将”name”设置为”port”，点击下一步。在”Integration Line”中选择”New Line”，出现”Create Line”的对话框，按Tab键将光标切换至坐标设置区，输入起始坐标（0,9.15,0），激励源向量（0，-

25、0.65,0），表示一个从feed的激励源向量。出现如图8.3.1所示的对话框。图8.3.1点击下一步，出现新对话框，点击完成。这里需要说明的是”Wave Port”和”Lumped port”都是常用的激励源，前者属于整个平面的激发，后者属于某个点的激发。而且因为设置的求解模式”Driven Modal”，所以需要CreateLIne来画积分线。至此整个边界条件和激励源的设置全部完成。9. 解的设置在项目管理窗口中选中”Analysis”,选择”analysis solution setup”,在出现的对话框中设定”Solution Frequency”为2.45GHz，迭代次数Maximu

26、m Number of为20，Maximum delta S为0.02，如图9.1所示。点击对话框中的option属性页，将其中设置改成如图9.2所示。图9.1图9.2在完成以上设置之后，在项目管理窗口的analysis下出现setup1，选中setup1点击右键选择”add frequency sweep”，出现对话框Edit sweep，设定扫频方式”Fast”，扫频范围Type为”Liner Count”，Start=2GHz，Stop=3GHz，Count=101。设置如图9.3所示。点击ok完成设置。图9.310. 仿真以及结果报告10.1仿真在菜单栏中点击HFSS Validati

27、on Check或者工具栏上的，进行检查分析，如果工程建立没有问题，出现如图10.1.1所示对话框。点击close关闭对话框。图10.1.1在菜单栏中点击HFSS Analysis All或者工具栏上的进行仿真。仿真结束后如图10.1.2所示。图10.1.210.2生成结果报告(1)Return Loss（S11）在项目管理窗口中选中Results，点击右键，选择"Create Modal Solution Data ReportRectangular Plot"，如图10.2.1所示。图10.2.1接着出现report对话框，设置如图10.2.2所示。点击New Repo

28、rt,生成如图10.2.3所示的报告。图10.2.2点击工具栏上的Add Maker，可以移动鼠标点击左键在曲线上增加一个标记值，标记点的值和坐标在报告的左上方。在曲线上两个波谷之间的极大值点即为就是我们希望找到的圆极化工作频率点，在这里我们可以看到它并不等于2.45GHz，在后面的步骤中，我们会通过优化变量来使其满足设计要求。图10.2.3（2）远场辐射报告在项目管理窗口中选中radiation，点击右键，选择Insert Far Field SetupInfinite Sphere，在出现的Far Field Radiation Setup Sphere对话框中设定求面积坐标角度范围，如图

29、10.2.4所示。图10.2.4在项目管理窗口中选中results，点击右键选择"Create Far Fields ReportRadiation Pattern",出现如图10.2.5所示的report对话框，设置结果如图10.2.5与10.2.6所示。图10.2.5图10.2.6在这里有一个需要注意的问题，我们选择的扫频类型是”Fast”，所以在图10.2.6中Freq如图设置成不等于求解频率的其他的频率，就会得到不准确的远场辐射报告。可通过Edit来改变Phi和Freq的值。设置完成点击New Report。得到如图10.2.7所示的报告。在下一步画出3D远场辐射报

30、告之后我们会对这个报告作出解释。图10.2.7（3）三维远场辐射报告在项目管理窗口中选中results，点击右键选择"Create Far Fields Report 3D Polar Plot ",出现如图10.2.8所示的report对话框。按图10.2.8所示进行设置。图10.2.8点击New Report生成结果如图10.2.9所示。从图中可以看到X轴上标注了角度Phi，Z轴上标记了角度Theta，对比图10.2.7所示的二维的远场辐射报告，可以看出图10.2.7中的曲线表示的就是一定Phi角度之下贴片天线的远场辐射的三维方向图的横切面。图10.2.9（4）E Fi

31、eld Overlays 双击项目管理窗口的HFSSDesign1回到主界面。在操作历史树中选中patch，点击右键选择Plot FieldsEMag_E，出现对话框Create Field Plot，全部默认设置，点击Done完成设置。这时在项目管理窗口中Field Overlays下面出现分支。点击Field Overlays前面的”+”展开，继续展开”E Field”，右键选择”Mag_E1”,点击Animate，出现如图10.2.10所示的对话框，设置如图10.2.10。点击OK完成设置。图10.2.10结果如图10.2.11所示，改变对话框Animation上的speed进度条，可以

32、改变三维模型窗口的patch上Mag_E的变动速度。图10.2.11（5）Smith圆图在项目管理窗口中选中results，点击右键选择"Create Modal Solution Data Report Smith Chart"，出现如图10.2.12所示对话框。点击New Report，生成如图10.2.13所示的报告。其表示的是频率2GHz3GHz。图10.2.12图10.2.13（6）轴比（AxialRatioValue）在项目管理窗口中右键单击results，选择"Create Far Fields Report Radiation Pattern &q

33、uot;,按图10.2.14所示进行设置。图10.2.14图10.2.14生成的是在频率2.45GHz，且Phi=0的情况下，Theta从-180到180的轴比曲线。如图10.2.15所示。图10.2.15我们生成扫描频率的轴比曲线，如图10.2.16所示。图10.2.16得到如图10.2.17所示的结果。图10.2.1711. 变量优化为了能让设计结果满足设计目标，我们需要对各变量进行优化，同时通过各变量变化之后的仿真结果来总结各参量变化对天线的性能产生的影响。11.1改变介质基板的厚度在菜单栏中选择HFSS Optimetrics Analysis Add Parametric，或者在项目

34、管理窗口中选中Optimetrics点击右键，选择addParametric，出现如图11.1.1所示的的对话框。图11.1.1点击add，出现addedit sweep对话框。如图11.1.2所示，在这个对话框中，将Variable设置为”SubHight”， 选中Linear step，start=1mm，stop=4mm，step=0.5mm。点击add可以看到这个对话框右侧的空白栏里出现了一个变量 SubHight，点击OK完成设置。图11.1.2在菜单栏中点击HFSS Analysis All或者工具栏上的进行仿真。仿真结束后，双击result中的XY Plot1，结果如图11.1.

35、3所示。我们可以在图11.1.3点击右侧的Curve Into中的某一个变量的值来使这个变量值对应的曲线变得突出，其他曲线变淡。图11.1.3在图11.1.3所示的结果可以看出随着SubHight的增大，S11曲线的两个波谷处的频率都减小，且S11逐渐变小。一般的矩形贴片的基板厚度设置为工作波长的0.01，所以在这里我们在以后的工程中选择SubHight=1.5mm。在图11.1.3中可以看到，在SubHight=1.5mm时，工作频率从2.33GHz，变到了2.47GHz。11.2设置贴片边长的变量设计要求为2.45GHz，所以我们需要改变贴片的边长来调整工作频率。将工程保存，然后另存为an

36、tenna design_PatchSize。点击HFSSDesign1，将工程变量SubHight=1.5mm。设置完成后，在项目管理窗口中右键点击result，选择clean up solution。在出现的对话框中点击Do Deletions。删除所有已求的解。这里删除所有解是因为工程中如果存在解会影响下一次求解的准确度。在菜单栏中选择HFSS Optimetrics Analysis Add Parametric，或者在项目管理窗口中选中Optimetrics点击右键，选择addParametric，出现如图11.2.1所示的的对话框。图11.2.1选中SubHight，点击Edit，

37、点击add，出现addedit sweep对话框，如图11.2.2所示。在这个对话框中，将Variable设置为”PatchSize”，选中Linear step，start=27mm，stop=33mm，step=1mm。点击add可以看到这个对话框右侧的空白栏里出现了一个变量 PatchSize，点击OK完成设置。回到图11.2.1所示的对话框，点击确定完成变量的设置。图11.2.2在菜单栏中点击HFSS Analysis All或者工具栏上的进行仿真。仿真结束后，双击result中的XY Plot1。若XY Plot1中只有一条曲线，则需要双击result中的XY Plot1目录下的dB

38、（S（port,port）,出现如图11.2.3所示的对话框，选中Use all Values，点击Apply Trace，即可显示所有Patch值下的S11曲线。如图11.2.4所示。图11.2.3图11.2.4从图11.2.4中可以看到随着PatchSize的减小，天线的工作频率增大。在PatchSize=32mm时为2.47GHz与设计要求的2.45GHz最为接近。11.3设置贴片切角的变量与11.2的步骤类似，改变贴片的切角变量来看会对天线的性能产生什么影响。将工程保存，然后另存为antenna design_ChamSize。改变工程变量PatchSize的值为32mm，在项目管理窗口中，右键点击result，选择clean up solution。在出现的对话框中点击Do Deletions，删除所有已求的解。在菜单栏中选择HFSS Optimetrics Analysis Add Parametric，或者在项目管