微带天线课程设计

微带天线仿真设计——三角形贴片天线一、设计目的与要求：1.理解和掌握微带天线的设计原理2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置。3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型。4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图。5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响。二、设计原理：微带贴片天线简介：微带贴片天线（MPA）是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何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。大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当选择馈电的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。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。矩形贴片天线示意图三、三角形贴片天线仿真步骤：1、建立新的工程运行HFSS，点击菜单栏中的ProjectInsertHFSSDessign，建立一个新的工程。2、设置求解类型（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.设置模型单位将创建模型中的单位设置为毫米。（1）在菜单栏中点击3DModelerUnits。（2）设置模型单位：（a）在设置单位窗口中选择：mm。（b）点击OK按钮。4、创建微带天线模型：（1）创建地板GroundPlane。坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0。（2）为GroundPlane设置理想金属边界。在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。（3）建立介质基片。在菜单栏中点击DrawBox或者在工具栏中点击按钮，创建长方体模型。起始点位置坐标：X:-22.5，Y：-22.5，Z：0。输入各坐标时，可用Tab键来切换。输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5。将材料设置为RogersR04003。（4）建立贴片Patch。此处直接建立三角形的贴片：在菜单中选择draw再选择line然后分别输入X:0，Y:-16，Z:5，按确定键然后输入X:-16，Y:16，Z:5，按确定键输入X:16,Y:16,Z:5确定后再输入X:0，Y:-16，Z:5确定后便建立了一个等腰三角形贴片。（5）为Patch设置理想金属边界。（8）创建探针Pin。在菜单栏中点击DrawCylinder。在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0,dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度：dX：0，dY：0，dZ：5。将材料设置为pec。（9）创建端口面Port。在菜单键中点击DrawCircle。在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0按回车键。在坐标输入栏输入半径：dX：0，dY：1.5，dZ：0（10）用GroundPlane将Port减去。5.创建辐射边界创建Air，在菜单栏中点击DrawBox,创建长方体模型。在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；按回车键结束输入。输入长方体的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将长方体的名字修改为Air。在菜单栏中点击EditSelectByName。在对话框中选择Air，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSSBoundariesRadiation。在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK按钮。6．设置端口激励在菜单栏中点击EditSelectByName，选中Port，在菜单栏中点击HFSSExcitationAssignLumpedPort。在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1，点击Next。在Modes标签中的Integrationlinezhong点击None，选择NewLine，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0。按回车键，点击Next按钮直至结束。7．求解设置为该问题设置求解频率及扫频范围（a）设置求解频率。在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup。在求解设置窗口中做以下设置：SolutionFrequency：2.45GHz；MaximunNumberofPasses：15；MaximunDeltaSperPass：0.02。（b）设置扫频。在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSweep。选择Setup1，点击OK确认。在扫频窗口中做以下设置：SweepType：Fast；FrequencySetupType：LinearCount；Start:2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将SaveField复选框选中。8.设置无限大球面在菜单栏中点击HFSSRadiationInsertFarFieldSetupInfiniteSphere。在InfiniteSphere标签中做以下设置：Phi：Start：0deg，Stop：180deg，Step：90deg；Theta：Start：0deg，Stop：360deg，Step：10deg。9.确认设计方法一：由主菜单选HFSS/ValidationCheck对设计进行确认。方法二：在菜单栏直接点即可。10.保存工程在菜单栏中点击FileSaveAs,在弹出的窗口中将工程命名为hfss_Patch,并选择保存路径。11.求解该工程在菜单栏点击HFSSAnalyze。12．后期处理操作（1）S参数（反射系数）。绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是11s。点击菜单栏HFSSResultCreateReport。选择：ReportType：ModalSParameters；DisplayType：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1；Domain：Sweep点击Y标签，选择：Category：Sparameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击AddTrace按钮。点击Done按钮完成操作，绘制出反射系数曲线。（2）2D辐射远场方向图。在菜单栏点击HFSSResultCreateReport。选择：ReportType：FarFields；DisplayType：RadiationPattern。Trace窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击AddTrace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。13.保存并退出HFSS。四、实验结果及其截图：1、建模完成：2、确认设计，通过ValidationCheck：3、此时三角形贴片的S参数曲线：\可见工作频率在2.6GHZ附近且S11只有-8db不达标经过分析知道，工作频率与贴片面积相关，面积越大工作频率越低；而S11与馈电点位置有关，于是分两步调整：第一步：先调整工作频率使其在2.45GHz，经过摸索最终发现将三角形三点坐标改为（0,-17.8,5）、（-17.8,17.8，5）、(17.8,17.8,5)时，工作频率接近2.45GHz附近，图形如下：第二步：接着修改馈电点的位置：将pin和port的坐标均修改为（X：0，Y：10.15，Z：0）的位置就达到了要求。此时增益曲线如下：可见工作频率在2.45GHz，且S11接近-40db，说明参数调整很合适。此时2D远场方向图：可见微带天线的波瓣较宽，方向系数较低3d远场图史密斯圆图可见天线阻抗圆与纯电阻线有两个交点，能实现阻抗匹配阻抗曲线图五、课设总结和感想：经过此次课程设计，让我进一步了解了微带天线的结构与性能。另外根据指导书上详细的的指导我又熟悉了hfss软件的使用，并在这个过程中总结了几条心得：1、调整馈电点时pin和port的位置要同步调整2、需要什么形状的贴片时可以直接用划线的方式直接画出所需的形状，不必要用矩形再去截取，这样会方便很多。另外，本次设计也存在诸多不足，最主要的还是相关知识有限不能很好的了解天线的工作原理，当然这次课程设计收获也是挺大的。参考文献：微波技术与天线（第二版）刘学观著本科课程设计报告课程名称：微波技术与天线课设项目：三角形贴片天线设计实验地点：跨越机房专业班级：电子信息1001学号：2010001207学生姓名：吴清涛指导教师：刘建霞2013年06月24日