微波技术与天线实验报告

天线设计实验报告一、实验原理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。在本次HFSS的仿真实验中，使用的是同轴线馈电的矩形微带天线，结构如图所示，其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。二、微带天线的参数计算设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介电常数为𝜀r，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用下式算出高频辐射贴片的宽度w，即为：w=𝑐2𝑓(𝜀𝑟+12)−12式中c为光速。辐射贴片的长度一般取𝜆𝑒2，这里𝜆𝑒是介质内的波导波长。即为：𝜆𝑒=𝑐𝑓√𝜀𝑒考虑到边缘缩短效应后，实际上辐射单元的长度L应为：L=𝑐𝑓√𝜀𝑒−2Δ𝑙式中𝜀𝑒是有效介电常数，Δ𝑙是等效辐射缝隙长度，他们可以分别用下式进行计算：𝜀𝑒=𝜀𝑟+12+𝜀𝑟−12(1+12ℎ𝑤)−12Δ𝑙=0.412ℎ(𝜀𝑟+0.3)(𝑤ℎ+0.264)(𝜀𝑟−0.258)(𝑤ℎ+0.8)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电点的位置，馈电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50Ω的标准特性阻抗，因此需要确定馈电点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω。对于图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(𝑥𝑓,𝑦𝑓)表示馈电点的位置坐标。为不失一般性，在此令𝑦𝑓=0，然后可以由下式近似计算出输入阻抗为50Ω，的馈电点位置：L1=𝐿2(1−1√𝜉𝑟𝑒)式中𝜉𝑟𝑒(L)=𝜀𝑟+12+𝜀𝑟−12(1+12ℎ𝐿)−12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h6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𝐿𝐺𝑁𝐷和宽度𝑊𝐺𝑁𝐷只需满足以下两式即可𝐿𝐺𝑁𝐷L+6h𝑊𝐺𝑁𝐷w+6h三、设计指标的计算本实验的矩形微带天线使用同轴线馈电，其参数设置如下：中心频率相对介电常数𝛆𝒓厚度𝐡𝐟=𝟐.𝟓𝐆𝐇𝐳ε𝑟=2.65h=3mm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、同轴线馈电点的位置坐标(𝑥𝑓,𝑦𝑓)，以及参考地的长度𝐿𝐺𝑁𝐷和宽度𝑊𝐺𝑁𝐷。（1）、矩形贴片的宽度w把c=3.0×108𝑚𝑠,𝑓=2.4𝐺𝐻𝑧ε𝑟=2.65代入式子，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即w=46.26mm（2）、有效介电常数ε𝑒把h=3mmw=46.26mmε𝑟=2.65代入，可计算出有效介电常数，即ε𝑒=2.444（3）、辐射缝隙的长度∆L把h=3mmw=46.26mmε𝑒=2.444代入式子，可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即∆L=1.5mm（4）、矩形贴片的长度L把h=3mmw=46.26mmε𝑒=2.444∆L=1.5mm代入式子，可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即L=36.98mm（5）、参考地的长度𝐿𝐺𝑁𝐷和宽度𝑊𝐺𝑁𝐷把h=3mmw=46.26mmL=36.98mm分别代入式子，可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即𝐿𝐺𝑁𝐷54.26mm𝑊𝐺𝑁𝐷64.98mm（6）、同轴线馈电点的位置坐标(𝑥𝑓,𝑦𝑓)把h=3mmw=46.26mmε𝑒=2.444L=36.98mm分别代入式子，可以计算出微带天线同轴线馈电点的位置坐标(𝑥𝑓,𝑦𝑓)，即x𝑓=11.91mm𝑦𝑓=0四、HFSS的实现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z=−3mm的xOy平面上，由之前计算出的参考地长度𝐿𝐺𝑁𝐷54.26mm，宽度𝑊𝐺𝑁𝐷64.98mm，这里参考地长度和宽度都取70mm。介质层位于参考地的正下方，其高度为3mm，长度和宽度都取70mm。微带贴片放置于z=0mm的xOy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L=36.98mm，宽度w=46.26mm，设置其长度沿着x轴方向，宽度沿着y轴方向.使用半径为0.5mm的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体与z轴平行放置，圆柱体的底面圆心坐标为(11.91mm,0,−3mm)。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1.5mm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30mm所以在这里设置辐射边界表面距离微带天线30mm，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70mm,70mm,3mm，所以辐射边界表面的长宽高可以设置为130mm,130mm,60mm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和Width来表示微带贴片的长度和宽度。五、HFSS的实验结果根据之前的参数设计得出的HFSS模型如图.2,进行仿真后的结果如图.3。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1.8~3.2GHz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2.36GHz。图2HFSS模型图3仿真结果六、HFSS优化设计与结果由上图所示的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2.36GHz，与期望的中心频率2.4GHz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2.4GHz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2.4GHz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OptimctricsAnalysis节点下，添加扫描方式是LinerStep的变量Length，扫描范围是35mm～39mm，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。可以看出Length在36.0mm与36.5mm之间时，谐振频率可以达到2.4GHz。故此时取Length=36.2mm。(2)、变量Width的扫描分析在工程树下的OptimctricsAnalysis节点下，添加扫描方式是LinerStep的变量Width，扫描范围是45mm～48mm，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=36.2mm，Width=48mm时，谐振频率约为2.4GHz。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=36.2mm，Width=48mm时，天线的谐振频率点在2.4GHz。以下将变量设置为上述优化值，查看天线的各种性能。查看S11参数在S11扫描曲线报告里标注出最小值点，当ength=36.2mm，Width=48mm时，天线的谐振频率点在2.4GHz，此时S11=-10.7984。七、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2.4GHz。