HFSS之天线设计实例
目錄
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矩形微帶天線
微帶天線尺寸計(jì)算?
微帶線的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)如以下
HFSS設(shè)計(jì)流程
新建工程并設(shè)置求解類型
天線建模
添加求解設(shè)置和掃頻設(shè)置
天線建模步驟
諧振點(diǎn)查看
優(yōu)化設(shè)計(jì)
查看天線分析結(jié)果
3D增益
Smith圓圖
S參數(shù)
?駐波比
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?平面增益
方向性系數(shù)\增益\軸比
矩形微帶天線
微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來(lái)的，經(jīng)過(guò)20年左右的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀(jì)70年代初期制造出來(lái)了實(shí)際的微帶天線
一個(gè)簡(jiǎn)單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由輻射元、介質(zhì)層和參考地組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長(zhǎng)度L、輻射元的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和損耗正切、介質(zhì)層的長(zhǎng)度LG和寬度WG。
矩形貼片微帶天線的工作主模時(shí)TM10模，意味著電場(chǎng)在長(zhǎng)度L方向上有的改變，而在跨度W方向上保持不變。在長(zhǎng)度L方向上可以看作成有兩個(gè)終端開(kāi)路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣處由于終端開(kāi)路，所以電壓值最大電流值最小。
圖1 矩形貼片天線微帶天線尺寸計(jì)算?
在給定介質(zhì)層厚度（h）、介電常數(shù)（）、的情況下，矩形微帶天線的工作頻率和輻射元的長(zhǎng)度L、輻射元的寬的W相關(guān)
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對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長(zhǎng)度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。
在L方向上電場(chǎng)有半波長(zhǎng)的改變，因此從L的中心點(diǎn)到兩側(cè)，阻抗逐漸變大
天線輸入阻抗為50Ω時(shí)L方向上饋點(diǎn)的位置可以由下式計(jì)算：
本例設(shè)計(jì)的矩形微帶天線工作與ISM頻段，其中心頻率為2.5GHz，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN），藍(lán)牙，ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均可工作在該頻段上。選用的介質(zhì)板材為Rogers RO4033，其相對(duì)介電常數(shù)厚度；天線使用同軸線饋電。
微帶線的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)如以下
矩形貼片的寬度：W=41.4mm
矩形貼片的長(zhǎng)度：L=31.0mm
饋點(diǎn)位置：
HFSS設(shè)計(jì)流程
新建工程并設(shè)置求解類型
因?yàn)槭鞘褂猛S饋電的微帶結(jié)構(gòu)，HFSS工程可以選擇模式驅(qū)動(dòng)求解類型
天線建模
模型的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，參考地和微帶貼片使用理想導(dǎo)體來(lái)代替，在HFSS中可以通過(guò)給一個(gè)二維平面模型分配理想導(dǎo)體邊界條件的方式來(lái)模擬理想薄導(dǎo)體；
參考地放置于坐標(biāo)系中Z=0的XOY平面上，長(zhǎng)度和寬度都去90mm
介質(zhì)層位于參考地的正上方，其高度為5mm，長(zhǎng)度和寬度都取80mm
微帶貼片放置于Z=5mm的XOY平面上，長(zhǎng)度L=31.0mm，寬度W=41.4mm，長(zhǎng)度沿著X軸方向
使用半徑為0.5mm的圓柱體模擬同軸線的內(nèi)芯，圓柱體在XOY平面的中心位于（9.5mm,0），設(shè)置圓柱體材質(zhì)為理想導(dǎo)體；圓柱體頂部于微帶貼片相接，底部于參考面相接，在與圓柱體相接的參考面地面上需要挖出一個(gè)半徑1.5mm的圓孔，作為信號(hào)輸入輸出端口，該端口的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì)。
對(duì)于天線類問(wèn)題的分析設(shè)計(jì)，在模型建好之后，用戶不要忘記設(shè)置輻射邊界條件，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個(gè)波長(zhǎng)，2.45GHz時(shí)自由空間波長(zhǎng)約為35mm，所以這里設(shè)置的輻射邊界表面離微帶線模型的距離為35mm，整個(gè)微帶天線模型（包括參考地、介質(zhì)層和微帶貼片）的長(zhǎng)?寬?高為90mm?90mm?5mm，所以輻射邊界表面的長(zhǎng)?寬?高可以設(shè)置為160mm?160mm?75mm
為了方便后續(xù)參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在建模時(shí)發(fā)呢別定義變量length、Width和Xf來(lái)表示微帶貼片的長(zhǎng)度、寬度和同軸饋線的饋點(diǎn)位置
添加求解設(shè)置和掃頻設(shè)置
天線中心工作頻率在2.45GHz，因此設(shè)置HFSS的求解頻率（即自適應(yīng)哇哥哥剖分頻率）為2.45GHz；同時(shí)添加1.5~3.5GHz的掃頻設(shè)置，選擇快速（fast)掃頻類型，分析天線在1.5~3.5GHz頻段的回波損耗或者電壓駐波比。
設(shè)計(jì)檢查并運(yùn)行仿真分析
天線建模步驟
第一步：新建工程并保存
第二步：設(shè)置驅(qū)動(dòng)求解為模式驅(qū)動(dòng)，并設(shè)置單位為mm
第三步：創(chuàng)建起始點(diǎn)（-45，-45，0）X和Y軸的寬度為（90，90）的矩形面平面地，并設(shè)置輻射元的理想導(dǎo)體電場(chǎng)
第四步：創(chuàng)建起始點(diǎn)（-40，-40，0）X、Y和Z的方向的大小為（80，80，5），介質(zhì)層材質(zhì)為Rogers RO4033
第五步：創(chuàng)建起始點(diǎn)（-15.5 ,-20.7 ,5）X和Y的長(zhǎng)度和寬度分別31和41.4的輻射元，并設(shè)置輻射元的理想導(dǎo)體電場(chǎng)
第六步：創(chuàng)建起始點(diǎn)（9.5 ,0 ,0），半徑為0.5mm，高度為5mm的圓柱體，并在平面地設(shè)置比圓柱體圓面稍大的圓形孔，圓孔中心坐標(biāo)為（9.5，0，0），半徑為1.5mm。最后用平面地減去圓孔。
第七步：創(chuàng)建起始點(diǎn)（-80 ,-80 ,-35）X、Y和Z的方向的大小為（160，160，75）的真空輻射邊界，并設(shè)置輻射邊界條件。
第八步：添加求解設(shè)置項(xiàng)和掃頻設(shè)置項(xiàng)。工作頻率設(shè)置在2.45GHz，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)為15，并設(shè)置1.5~3.5GHz步長(zhǎng)為0.02GHz的fast掃頻設(shè)置項(xiàng)。
第幾步：點(diǎn)擊“Validate”項(xiàng)，檢查各項(xiàng)是否設(shè)置完整，然后點(diǎn)擊仿真。
設(shè)置完成后的矩形微帶貼片天線如圖3所示
圖3 建模好的矩形微帶貼片天線諧振點(diǎn)查看
從圖4可以看出，該貼片天線的諧振點(diǎn)在唉2.34GHz，因此需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)置，使得矩形貼片天線的諧振點(diǎn)在2.45GHz上。
圖4 初步矩形微帶貼片天線S參數(shù)圖優(yōu)化設(shè)計(jì)
在優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，先進(jìn)行參數(shù)掃描分析，來(lái)查看諧振頻點(diǎn)和哪些參數(shù)相關(guān)的，這樣可以找到合適的優(yōu)化變量，同時(shí)也可以設(shè)置合適的優(yōu)化變量范圍。
無(wú)論是參數(shù)掃描還是優(yōu)化設(shè)計(jì)都需要變量，因此先設(shè)置三個(gè)參數(shù)變量分別為L(zhǎng)ength、Width和Xf，初始值為31mm，41.4mm，9.5mm，分別表示貼片天線輻射元的長(zhǎng)寬，和饋點(diǎn)的位置。
然后將變量分別替換輻射元、圓柱饋點(diǎn)、圓形孔的位置坐標(biāo)。然后通過(guò)掃頻設(shè)置項(xiàng)來(lái)查看三個(gè)變量對(duì)諧振點(diǎn)的影響，為了掃頻速度更快，我們將掃頻范圍設(shè)置更小一些為2.2GHz~2.8GHz，步長(zhǎng)為0.05GHz。
然后添加優(yōu)化設(shè)計(jì)變量Length設(shè)置為28mm到31mm步長(zhǎng)為0.5mm。
查看輻射元長(zhǎng)度Length與諧振頻點(diǎn)之間的關(guān)系；
圖5 諧振頻點(diǎn)隨輻射元長(zhǎng)度的變化從圖5可以看出，當(dāng)L=29mm時(shí)，矩形貼片天線的諧振頻點(diǎn)在2.5GHz，因此可以發(fā)現(xiàn)諧振頻點(diǎn)與輻射元長(zhǎng)度相關(guān)，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將Length變量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量并設(shè)置掃頻范圍為29~?30mm
然后添加優(yōu)化設(shè)計(jì)變量Length設(shè)置為39mm到42mm步長(zhǎng)為0.5mm。
查看輻射元寬度Width與諧振頻點(diǎn)之間的關(guān)系
圖6 諧振頻點(diǎn)隨輻射元寬度的變化從圖6可以看出輻射元的江寬度對(duì)諧振頻點(diǎn)并不會(huì)有很大的改善，因此在優(yōu)化時(shí)不需要將輻射元寬度作為優(yōu)化變量。
緊接著將輻射元長(zhǎng)度設(shè)置為優(yōu)化變量參數(shù)，并在工程樹(shù)下的“Optimetrics”下右鍵添加優(yōu)化參數(shù)，然后將掃頻設(shè)置項(xiàng)的步長(zhǎng)設(shè)置為0.02GHz，然后右鍵“Setup1”并點(diǎn)擊分析，最優(yōu)結(jié)果為29.65mm，分析后結(jié)果圖如圖7所示
圖8 優(yōu)化后的S參數(shù)圖查看天線分析結(jié)果
3D增益
Smith圓圖
S參數(shù)
?駐波比
?平面增益
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方向性系數(shù)\增益\軸比
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的HFSS之天线设计实例的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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