实验七-微带贴片天线的设计与仿真

实验七微带贴片天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个微带贴片天线2..查看并分析该微带贴片天线的二、实验设备装有HFSS13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示：设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度hλ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。四、实验内容利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h=5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。五、实验步骤1.建立新工程了方便建立模型，在ToolOptionsHFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswithgeometry复选框选中。2.将求解类型设置为激励求解类型：（1）在菜单栏中点击HFSSSolutionType。（2）在弹出的SolutionType窗口中(a)选择DrivenModal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3DModelerUnits。（2）在设置单位窗口中选择：mm。4.（1）创建GroundPlane。创建矩形模型，起始点的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0.0；长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0.0（2）为GroundPlane设置理想金属边界，将理想边界命名为PerfE_Ground（3创建长方体模型Substrate，长方体的起始点位置坐标：X：-22.5，Y：-22.5，Z：0.0；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5；将材料设置为RogersR04003，（4）建立Patch。在介质基片上创建贴片天线。创建矩形Patch，起始点的坐标：X：-16，Y：-16，Z：5；长、宽：dX：32，dY：32，dZ：0.0，将颜色设置为黄色。（5）为Patch设置理想金属边界，将理想边界命名为PerfE_Patch。（6）创建切角Cut创建供贴片天线相减的切角时，首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5在坐标输入栏中输入点的坐标：X：5，Y：0，Z：5在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：5，Z：5在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5在对话窗口中选择Cut，在菜单栏中点击EditArrangeMove在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：0按在坐标输入栏中输入坐标：dX：-16，dY：-16，dZ：0两个切角呈中心对称，可以通过旋转复制创建另一个切角。在菜单栏中点击EditDuplicateAroundAxis。将轴设置为Z轴，旋转角度为180deg，Total为2（7）用Patch将切角减去，在Subtract窗口中做以下设置：BlankParts:PatchToolParts:Cut，Cut-1（8）创建探针Pin，并将材料设置为pec圆柱中心点的坐标：X：0.0，Y：8.0，Z：0.0；圆柱半径：dX：0.0，dY：0.5，dZ：0；圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：5.0（9）创建端口面Port圆心点的坐标：X：0.0，Y：8.0，Z：0.0；半径：dX：0.0，dY：1.5，dZ：0.0（10）用GroundPlane将port利用Ctrl键选择GroundPlane和Port；在SubtractBlankParts:GroundPlaneToolParts:Port（11）创建Air创建长方体模型，长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70；在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1。5.保存工程在菜单栏中点击FileSaveAs，在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan7，并选择路径保存。6.将该端口命名为p1，在Modes标签中的IntegrationLine中点击None，选择NewLine，在坐标栏中输入：X：0.0，Y：9.5，Z：0.0;dX：0.0，dY：-1.0，dZ：0.07.（1(a)在菜单栏中点击ProjectProjectVariables(b)在ProjectVariables标签中选择Value(c)点击Add添加工程变量$planeSize，其值设为90mm。(d)$patchSize:32mm$subSize:45mm$subHeight:5mm$cutSize:5mm$feedLocation:8mm（2(a)在操作历史树中展开GroundPlane，双击CreateRectangle，将如下参数改变Position:-$planeSize/2，-$planeSize/2，0mmXSize:$planeSizeYSize:$planeSize(b)展开Patch，双击CreateRectanglePosition:-$patchSize/2，-$patchSize/2，$subHeightXSize:$patchSizeYSize:$patchSize(c)展开Port，双击CreateCircleCenterPosition：0mm，$feedLocation，0mm(d)展开Substrate，双击CreateBoxPosition:-$subSize/2，-$subSize/2，0mmXSize:$subSizeYSize:$subSizeZSize:$subHeight(e)展开Pin，双击CreateCylinder，CenterPosition：0mm，$feedLocation，0mmHeight：$subHeight(f)展开Patch，进而展开Subtract中的Cut，双击第一个CreateLine，对对话框做以下修改：Point1：0mm，0mm，$subHeightPoint2:$cutSize，0mm，$subHeight双击第二个CreateLine，在弹出的对话框中做以下修改：Point1：$cutSize，0mm，$subHeightPoint2:0mm，$cutSize，$subHeight双击MoveMovevector:-$patchSize/2，-$patchSize/2，0mm8.（1SolutionFrequency:2.45GHzMaximumNumberofPasses:15MaximumDeltaSperPass:0.02（2SweepType:FastFrequencySetupType:LinearCountStart:2.0GHzStop:3.0GHzCount:101将SaveField复选框选中9.在InfiniteSpherePhi:Start:0deg，Stop:0deg，Step:10degTheta:Start:0deg，Stop:0deg，Step:10deg10.求解该工程点击HFSSAnalyzeAll11.（1）优化轴(a)选中待优化变量$cutSize和$patchSize。将优化变量的范围分别设置为［5mm，6mm］和［29mm，32mm］(b)添加输出变量cost，点击ReportType下拉菜单，选择FarFields，在Solution中选择Setup1:LastAdaptiveCategory：AxialRatioQuantity：AxialRatioValueFunction：log点击InsertQuantityIntoExpression，并在表达式前冠以“10*”，最后的表达式为10*log(AxialRatioValue)。(c)在Goals标签中点击Add按钮，添加优化目标。在Calculation中点击下拉菜单，选择cost，在Condition中选择=，设置Goal为［0，0(d)在菜单栏中点击HFSSAnalyze，进行优化设计，最后得到圆极化天线的尺寸$patchSize＝30.1540923411285mm，$cutSize=5.2566939545119mm。六、实验结果仿真图如下：驻波比信息曲线如下:由上图可知，回波损耗在1.82dB左右，工作频带在2.40GHz-2.60GHz3D增益方向图：由上图可知该贴片天线辐射的最大方向为平面法向方向即正Z方向，增益达到7.5dB，而且可以得到该方向的宽方向图。七、问题思考及小结当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点。对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。通过本次实验，我进一步熟悉了如何利用HFSS设计微带天线，并通过所形成的远区辐射场图和S曲线分析矩形微带天线的特性。最开始在实验时由于粗心设置模拟单位时没有设置成mm，导致结果出不来，重新设置之后，问题解决。做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。由此可知，在具体设计微带天线时要根据实际的情况对天线进行优化处理，使其达到理想辐射特点。