微波技术与天线实验三.docx

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微波技术与天线实验三

微波技术与天线实验报告

姓名

王超

学号

411109060225

实验日期

2013.4.15

实验名称

微带贴片天线设计实验

实验类型

设计性

实验目的

1.熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。

2.掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。

实验内容

使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解设置，设置求解频率为2.45GHz，同时添加1.5-3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算。

将谐振频率落在2.45GHz频点上。

最后进行相关的数据后处理。

实验原理

微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。

微带天线的基本参数：

工作频率2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度5mm，矩形贴片宽度41.4mm，辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm，参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标（9.5，0）。

要求设计的天线最大增益大于7dB。

前后比大于5dB。

实验步骤及结果

1.新建HFSS工程

1.1运行HFSS并新建工程MSA.hfss

1.2设置求解类型

图1.新建HFSS工程

图2.设置求解类型

2.创建微带天线模型

2.1设置默认的长度单位为mm

图3.设置默认的长度单位为mm

2.2建模相关选项设置

图4.建模相关选项设置

2.3创建参考地

在Z=0的XOY面上创建一个顶点位于（-45mm,-45mm），大小为90mm×90mm的矩形面作为参考地，命名为GND，并为其分配为理想导体边界条件。

2.4创建介质板模型

创建一个长、宽、高为80mm×80mm×5mm的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上，其顶点坐标为（-40，-40,0），介质板的材料为R04003，

介质板层命名为Substrate

2.5创建微带贴片

在Z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm,-20.7mm,5mm），大小为

30.0mm×41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。

2.6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0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为（9.5mm,0,0）,材质为理想导体，同轴馈线命名为Feed。

2.7创建信号传输端口面

同轴馈线需要穿过参考地面，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。

圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为（9.5mm,0,0），并将其命名为port.

2.8创辐射边界表面

创建一个长方体，其顶点坐标为（-80，-80，-35），长方体的长宽高为160mm×160mm×75mm,长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air,创建好这样一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。

、

图5微带贴片天线模型

3.设置激励端口

设置同轴信号端口面的激励方式为集总端口激励。

4.添加和使用变量

添加设计变量Length,初始值为30.0mm,用以表示微带贴片天线的长度，添加设计变量Width，初始值为41.4mm,用以表示微带贴片天线的宽度，添加设计变量Xf,用以表示同轴馈线的圆心点的X轴坐标。

4.1添加设计变量

4.2在模型中使用变量

使用变量Length和Width表示微带贴片的长度和宽度，并设置微带贴片的起点坐标为（-Length/2,-Width/2,5mm）,使用变量Xf代替同轴馈线Feed的底部圆心和集总端口Port的圆心在x方向的坐标。

5.求解设置

本节设计的微带贴片天线的中心工作频率在2.45GHZ，因此设计HFSS的求解频率为2.45GHZ，同时添加1.5∽3.5GHZ的扫频设置，选择快速（fast）扫频类型，分析天线在1.5∽3.5GHZ频段的回波损耗或电压驻波比。

5.1求解设置

5.2扫频设置

6.设计检查和运行仿真设计

图6设计检查

7.查看天线谐振点

查看天线端口回波损耗即S11的扫频分析结果，给出天线的谐振点。

图7S11的扫频曲线

由图可以看出，当频率为3.4GHZ时，S11最小，S11的最小值约为-17DB。

8.优化设计

由图7所示的扫频曲线报告可以看出，根据计算的尺寸设计出的微带天线谐振点在2.35GHZ，与期望的中心频率2.45GHZ相比，存在一定的误差，所以需要优化设计，使天线的谐振频率落在2.45GHZ上。

根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率由微带贴片天线的长度和宽度决定，贴片尺寸越小谐振频率越高，接下来我们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，使天线谐振频率落在2.45ＧＨＺ。

8.1参数扫描分析

　为了节省计算时间，在进行参数扫描分析之前，把扫频设置项Sweep1的频率范围设置为2.2∽2.8GHZ。

8.1.1变量Length的扫描分析

图8不同的Length对应的S11曲线

从图的曲线报告可以看出，当微带贴片天线的宽度固定时，微带天线的谐振频点随着微带贴片长度Length的减小而变大，当Length=29.5mm时，谐振频点约为2.45GHZ。

8.1.2变量Width扫描分析

图9不同的Width对应的S11曲线

从图所示的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点的影响很小。

8.2优化设计

通过上一节的参数扫描分析，我们知道微带贴片天线的长度Length的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响显著，，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响很小，当Length=29.5mm时，Width=41.4mm时，谐振频率约为2.45GHZ。

因此进行优化设计时，只需要优化变量Length，并可设置变量Length的优化范围为29∽30mm。

优化算法选择SNLP，目标函数取S11的最小值，在HFSS中即取dB（S（P1,P1））的最小值

9.查看优化后的天线性能

9.1查看S11参数

图10Length=29.5mm时，Width=41.4mm时S11的扫频曲线

从S11扫频曲线的报告可以看出Length=29.5mm时，Width=41.4mm时，天线谐振点在2.45GHZ，此时S11≈16.6dB。

9.3查看S11参数的Smith圆图结果

图11S11参数的史密斯圆图

在报告图中标记出2.45GHZ的位置，标记处显示在2.45GHZ时，天线的归一化输入阻抗为（0.91-j0.27）Ω。

9.4查看电压驻波比

图12电压驻波比报告图

在VSWR报告图2.4GHZ和2.5GHZ位置作标记可见在2.4∽2.5GHZ频段，VSWR＜

1.85。

9.4查看天线的三维增益方向图

图13三维增益方向图

从三维增益方向图中可以看出，该微带贴片天线最大辐射方向是微带贴片的法向方向，及Z轴方向，最大增益约为7.4dB。

9.5查看平面方向图

图14E平面增益方向图

9.6其他天线参数

HFSS在天线问题的数据后处理中，可以给出工作频率上辐射强度、方向性、前后比等各种天线参数的计算结果。

图15天线性能参数

实验结果分析及总结

在前面的分析设计中，我们只优化了微带贴片天线的长度，使天线的谐振频点（也就是中心工作频率）落在2.45GHZ，但是天线在2.45GHZ时的输入阻抗并没有达到标准的50Ω，由以上分析结果可知，其归一化的输入阻抗值为（0.91-j0.27）Ω，优化后的天线性能并没有达到理想值，可以继续使用参数扫描功能分析变量Xf的变化对输入阻抗的影响，然后优化变量Xf，达到更好的性能。

教师评语

实验成绩

教师签字：

（注：

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）