实验五

-1-三实验步骤1、添加和定义设计变量实验五：同轴馈电矩形微带天线设计一、实验目的1、学习在AnsoftHFSS软件中仿真设计，熟练掌握仿真环境。2、学习同轴馈电矩形微带天线的原理，设计出同轴馈电矩形微带天线的模型。3、仿真分析，给出天线的各项性能参数。二、实验原理矩形微带天线的HFSS设计模型如图1所示。模型的中心位于坐标原点，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y轴方向。介质基片的大小是辐射贴片的2倍，参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。因为使用50ohm同轴线馈电，所以这里使用半径为0.6mm、材质为理想导体（pec)的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。圆柱体与z轴平行放置，其底面圆心坐标为(L1，0，0)。圆柱体顶部与辐射贴片相接，底部与参考地相接，则其高度为H。在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其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，端口归一化阻抗为50ohm。-2-2、设计建模介质基片创建一个长方体模型用以表示介质基片，模型的底面位于平面,中心位于坐标原点。模型的材质为FR4，并将该模型命名为Substrate。创建辐射贴片在介质基片的上表面创建一个中心位于坐标原点，长、宽分别用变量L0和W0表示的矩形面，并将其命名为Patch。创建参考地在介质基片的底面创建一个中心位于坐标原点，大小与介质基片的底面相同的矩形面，即该矩形面的长度和宽度分别为2*L0和2*W0,并将其命名为GND。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0.6mm，长度为H，圆柱体底部圆心坐标为（L1，0，0)，材质为理想导体，并将同轴馈线命名为Feed。创建信号传输端口面同轴馈线需要穿过参考地面来传输信号能量。因此，需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输。首先在参考地面GND上创建一个半径为1.5mm、圆心坐标为(L1，0，0)的圆面，并将其命名为Pot。然后再执行相减操作，使用参考地面GND减去圆面Pot，从而在参考地面GND上开出一个圆孔。①创建圆面Port。从主菜单栏中选择【Dmw】—[Circle]命令,进入创建圆面的状态，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆面。新建的圆柱体会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Circle1。②使用相减操作在参考地面挖一个圆孔。按住Ctrl键的同时分别单击操作历史树Sheets节点下的GND和Port选项，选中这两个平面。然后从主菜单栏中选择【Modeler】-【Boolean】-【Substrate】命令，或者单击工具栏上的E3按钮，打开Subtract对话框。确认对话框中的BlankParts列表框中显示的是GND，ToolParts列表框中显示的是Pot，表明使用参考地模型GND减去圆面模型Pot。同时，为了保留圆面Pot，需要选中对-3-话框中的Clonetoolobjectsbeforeoperation复选框。最后单击OK按钮，执行相减操作，即可。3、设置边界条件(1）设置理想边界条件把辐射贴片Patch和参考地GND设置为理想导体边界选中平面模型Patch，然后单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【AssignBoundary】-【PerfectE】命令，打开理想导体边界条件设置对话框，在该对话框中保留默认设置不变，直接单击按钮，即可设置平面Patch为理想导体边界条件。理想导体边界条件的默认名称Perffi1会自动添加到工程树的Boundaries节点下。此时，平面Patch等效于一个理想导体面。（2）设置辐射边界条件在HFSS中辐射边界表面距离辐射体通常需要不小于1/4个工作波长，在2.45GHz工作频率下的1/4个工作波长为30mm，设计中我们定义了变量length来表示1/4个工作波长。在这里首先创建一个长方体模型，长方体的底面和介质基片底面距离10mm，其他表面和辐射贴片的距离为1/4个工作波长，然后再把该长方体的表面设置为辐射边界。4、设置端口激励因为同轴线馈电端口在设计模型的内部，所以需要使用集总端口激励。在设计中，我们可以把端口平面Pot设置集总端口激励，端口阻抗设置为50ohm。5、求解设置(1)求解频率和网格剖分设置设置求解频率为2.45GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。（2）扫频设置扫频类型选择快速扫频，扫频频率范围1.5GHz-3.5GHz，频率步进为0.01GHz。展开工程树下的Analysis节点，右键单击新添加的求解设置项Setup1，在弹出的快捷菜单中选择【AddFrequencySweep】命令，打开Edit-4-Sweep对话框。6、设计模型图7、设计检查和仿真运行结果菜单栏中选择【HFSS】-►【ValidationCheck】四、运行结果1、S11的扫频结果-5-2、S11随L1的变化的变化曲线-6-3、输入阻抗实部与虚部与馈电点位置的变化关系4、Smith圆图上的显示-7-5、优化后S11扫频特性曲线6、S11的Smith圆图7、xz和yz面上的方向增益图-8-五、实验总结从结果报告中可以看出，采用同轴线馈电，当辐射贴片的长度L0=27.9mm时，微带天线的谐振频率为2.45GHz。此时，S11值约为-26.1dB，说明天线已经达到了良好的阻抗匹配状态。从结果报告中可以看出，在前面的参数扫描分析结果可知，当馈电点位置变量L1在6mm〜7mm之间时，天线在中心频率2.45GHz处的回波损耗最小，阻抗匹配最好。