基于HFSS的天线设计 .doc

一、 实验目的利用电磁软件Ansoft HFSS设计一款微带天线。微带天线要求：工作频率为2.5GHz，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。二、 实验原理1、微带天线简介微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。图1：微带天线的结构图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、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源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数和损耗正切、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。（a）俯视图 （b）侧视图图2 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为，则有（1-1）式中，表示波导波长，有（1-2）式中，表示自由空间波长，表示有效介电常数，且（1-3）式中，表示介质的相对介电常数，h表示介质层厚度，W表示微带贴片的宽度。由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有（1-4）式中，表示真空中的光速，表示天线的工作频率，表示图2（a）中所示的等效辐射缝隙的长度，且有（1-5）矩形贴片的宽度W可以由下式计算：（1-6）对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗，在微波应用中通常是使用50的标准阻抗，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于50。对于图3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以（）表示馈点的位置坐标。图3 同轴线馈电的微带天线对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发TM1n模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即（1-7）在L方向上电场有的改变，因此在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算：（1-8）式中，（1-9）上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出的距离时。计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度和宽度只需满足以下两式即可，即（1-10）（1-11）三、 实验步骤1、设计指标和天线几何结构参数计算本实验的矩形微带天线的中心频率为2.5GHz，选用的介质板材为Rogers RO4003，其相对介电常数，厚度=5mm，天线使用同轴线馈电。根据上面的推导公式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（），以及参考地的长度和宽度。(1)、矩形贴片的宽度W把代入式（1-6），可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即(2)、有效介电常数把代入式（1-3），可以计算出有效介电常数，即(3)、辐射缝隙的长度把代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即(4)、矩形贴片的长度L把代入式（1-4），可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即(5)、参考地的长度和宽度把分别代入式（1-10）和（1-11），可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即 (6)、同轴线馈点的位置坐标（）把分别代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（），即 2、HFSS设计和建模概述(1)、建模概述本设计天线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，为了保证计算得准确性，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，所以同轴线馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义集总端口激励。参考地和微带贴片使用理想导体来代替，在HFSS中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式模拟理想薄导体。参考地放置于坐标系中的平面上，由之前计算出的参考地长度，宽度，这里参考地长度和宽度都取。介质层位于参考地的正上方，其高度为5mm，长度和宽度都取。微带贴片放置于的平面上，根据之前计算出的其长度和宽度的初始值分别为长度，宽度，设置其长度沿着轴方向，宽度沿着轴方向.使用半径为的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体与轴平行放置，圆柱体的底面圆心坐标为（）。设置圆柱体材质为理想导体（pec），圆柱体顶部与微带贴片相接，底部与参考地相接，在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径的圆孔，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，使用HFSS分析设计天线一类的辐射问题，在模型建好之后，用户还必须设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长，2.5GHz时自由空间中1/4个波长约为,所以在这里设置辐射边界表面距离微带天线，整个微带天线模型（包括参考地、介质层和微带贴片）的长宽高为，所以辐射边界表面的长宽高可以设置为。为了方便后续参数扫描分析和优化设计，在建模时分别定义设计变量Length、Width和Xf来表示微带贴片的长度、宽度和同轴线的馈点位置。(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：2.5GHz扫频设置：快速扫描，扫频范围为1.53.5GHz参数扫面分析优化设计数据后处理：S参数扫频曲线，天线方向图，Smith圆图等。3、创建微带天线模型(1)、设置求解类型为Driven Model和默认的长度单位为mm。(2)、创建参考地在的平面上创建一个顶点位于，大小为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。(3)、创建介质板层创建一个长宽高为的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上（即的平面上），其顶点坐标为，介质板的材料为Rogers RO4003，介质板层命名为Substrate。(4)、创建微带贴片在的平面上创建一个顶点坐标为，大小为的矩形图作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。(5)、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，长度为，圆柱体底部圆心坐标为，材料为理想导体，同轴馈线命名为Feedline。(6)、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上开一个圆孔允许传输能量。圆孔的半径为，圆心坐标为，并将其命名为Port。在执行ModelerBooleanSubstrate命令时，打开如下图所示的Subtract对话框，确认对话框的Blank Parts栏显示的是GND，Tools Parts栏显示的是Port，表明使用参考地模型GND减去圆面Port，并且为了保留圆面Port本身，需要选中对话框的Clone tool objects before subtracting复选框。(7)、创建辐射边界条件创建一个长方体，其顶点坐标为，长方体的长宽高为。长方体模拟自由空间，因此材质是真空，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。4、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。起点坐标为，分别为1、0、0。5、求解设置天线的中心频率为2.5GHz，因此设置HFSS的求解频率（即自适应网络部分频率）为2.5GHz，同时添加1.5GHz3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5GHz3.5GHz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。6、设计检查和运行仿真分析通过前面的操作，已经完成了模型创建和求解设置等HFSS设计的前期工作，接下来就可以运行仿真计算，并查看分析结果了。在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。通过HFSSValidation Check命令，进行设计检查，弹出的“检查结果显示”对话框中的每一项都显示图标，表示当前的HFSS设计正确、完整。下面就可以运行相关的仿真计算了。7、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。生成如图所示的S11在1.53.5GHz频段内的扫频曲线报告。从图中可以看出，当S11最小时，频率是2.4167GHz。四、优化设计及结果由上图所示的S11扫频曲线报告可知，根据计算的尺寸设计出的微带天线谐振频率点在2.4167GHz，与期望的中心频率2.5GHz相比，存在一定的误差，所以需要进行优化设计，使天线的谐振频率落在2.5GHz上。根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率由微带天线的长度和宽度决定，贴片尺寸越小谐振频率越高。首先使用参数扫描分析功能进行参数扫描分析，分析谐振频率点分别随着微带贴片长度Length和宽度Width的变化关系，然后进行优化设计，优化微带贴片长度Length和宽度Width，使天线的谐振频率落在2.5GHz上，带宽同时也满足设计要求的5%以上。1、参数扫描分析(1)、变量Length的扫描分析在工程树下的Optimctrics节点下，添加扫描方式是LinerStep的变量Length，扫描范围是28mm31mm，间隔是0.5mm。运行参数扫描分析，可以生成如下图所示的一组S11曲线报告图，每一条曲线对应不同的Length变量值。从上图的S11曲线报告可以看出，当微带贴片的宽度固定时，微带天线的谐振频率随着微带贴片长度Length的减小而变大。当Length=28.5mm时，谐振频率点约为2.5GHz。(2)、变量Width的扫描分析在工程树下的Optimctrics节点下，添加扫描方式是LinerStep的变量Width，扫描范围是39mm42mm，间隔是0.5mm。运行参数扫描分析，可以生成如下图所示的一组S11曲线报告图，每一条曲线对应不同的Width变量值。从上图所示的S11曲线报告中可以看出，当微带贴片长度Length固定时，微带贴片宽度Width的改变对矩形微带天线谐振频率点的影响很小。2、优化设计通过上面的参数扫描分析，可以知道微带贴片长度Length的变化对矩形微带天线谐振频率的影响显著，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带天线谐振频率点的影响很小。当Length=28.5mm，Width=39.78mm时，谐振频率约为2.5GHz。因此进行优化设计时，只需要优化变量Length，并可以设置Length的优化范围为28mm29mm。优化算法选择SNLP，目标函数取S11的最小值，在HFSS中即取dB(S(P1,P1)的最小值。从显示的优化结果中可以看出，当目标函数值最小的时候，其对应的优化变量Length28.69mm。3、查看优化后的天线性能由上面的参数扫描分析可知，当Length=28.69mm，Width=39.78mm时，天线的谐振频率点在2.5GHz。以下将变量设置为上述优化值，查看天线的各种性能。(1)、查看S11参数在S11扫描曲线报告里标注出最小值点， 当Length=28.69mm,Width=39.78时，天线的谐振频率点在2.5GHz，此时S11-21.33。Length=28.69mm,Width=39.78时S11的扫描曲线(2)、查看S11参数的Smith圆图结果在报告图中标记处2.5GHz的位置，标记处显示在2.5GHz时，天线的归一化输入阻抗为（0.9258-j0.1482）。S11的Smith圆图结果(3)、查看天线的三维增益方向图从三维增益方向图中可以看出该微带贴片最大辐射方向是微带贴片的法向方向，即轴方向，最大增益约为7.5dB。三维增益方向图 (4)、查看平面方向图查看天线E平面的方向图，该微带天线的E平面位于平面上。生成的曲线报告为：E平面增益方向图(5)、查看电压驻波比电压驻波比报告图在VSWR的报告图的2.45GHz和2.55GHz位置做标记，可见在2.45GHz2.55GHz频段，VSWR<1.77。五、 实验分析通过之前的计算和仿真，可以发现由原理公式推导出来的Length和Width的参数并不能达到实验设计要求。但通过参数优化设计和参数扫描处理后，得到的参数使得设计的天线达到了实验设计要求：工作频为2.5GHz，带宽 (回波损耗S11<-10dB)为5.72%（143MHz），大于5%（125GHz）。六、 实验心得体会说实话，在此次设计实验之前，我对HFSS这个软件的认知几乎是一片空白，而对天线的设计也只是停留在简单的想法上，并不确切知道与天线相关的参数有哪些，各个参数又是怎样影响天线性能的，而要想设计一个天线又要经过一个怎样的过程。不过，经过此次天线设计实验后，首先我对HFSS这个软件的功能和操作有了较好的掌握，知道了怎样利用该软件完成天线的设计和优化工作。而在设计和仿真过程当中，也对天线的各个参数有了更加详尽的了解，对其是如何影响天线的性能有了深刻和直观的认识。在设计之初，我首先根据一个教程设计一款天线(见附图1)，但是经过优化后，工作频率是达到了要求，可带宽却只有设计要求的一半左右（结果见附图2，带宽为60MHz），虽然也想了其他方法来优化，但在带宽变宽的过程中工作频率也发生了较大的变化，最后实在没办法了（这是一个较大的遗憾），就重新根据另外一个教程做了上面的这个天线，该天线满足了所有的设计要求。失败的原因，我感觉首先还是对这个软件的使用不是很熟悉，另外对天线性能的优化没有一个明确的思路，对设计出来的天线结构细节也不是很清楚，所以不能在带宽和频率之间的调节中找到平衡点，即可以让双方都满足要求的天线尺寸。但是在此次的设计实验当中，我也得到了一些经验和认识，首先端口的激励是如何设置的，如何添加积分线等。在仿真的过程中，对参数扫描的设置也很重要，首先需要一个粗略的扫描找到参数能够满足设计要求所在的一个较小区间，这样做，一方面节省扫描时间，另外也为下面的优化设计提供了方便。进行参数扫描时，要知道需要扫描哪些参数，通过扫描的结果来分析不同的天线参数分别是怎样影响天线性能的，这也为后面的优化设计做好了准备。例如在此次设计试验中，我们知道天线的长度对谐振频率的影响很大，但是天线的宽度对谐振频率的影响很小并且对带宽的影响也较小，所以在优化设计的过程中，只需对天线的长度优化即可。通过实验验证还发现，由理论公式推导出来的参数并不能满足实验的设计要求，所以需要后续的参数扫描和参数的优化设计，但是计算出来的参数可以作为我们天线设计的初始值，首先让我们对参数的范围有了一个大概定量的认识，而不是在设计过程中，随便设定参数，这样既浪费时间，也很难设计出满足实验设计要求的天线来。天线设计完成后，需要通过一些参数扫描报告图来验证天线设计的正确性，所以优化设计后，先后查看了S11参数，S11参数的Smith圆图，电压驻波比，天线的三维增益方向图、平面方向图等。此次天线设计是基于微波技术与天线这门课程和软件HFSS实现的，该实验既是对我们自己专业知识的一次检验，也锻炼了我们的实践能力，问题处理能力。同时，通过这个设计实验，理论与实践相结合，使得我们对所学知识有了一个形象化的认识和理解。虽然在设计仿真的过程中遇到了一些小的问题，但是在与同学讨论或者问过老师后都得到了较好的解决。最后感谢王老师、郭老师在此期间，给予我们的耐心指导和宝贵意见。附图1 原始设计天线结构图附图2 原始设计天线S11的扫描曲线