平面缝隙天线.docx
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平面缝隙天线
实验报告
（2012/2013学年第一学期）
课程名称
课程设计
实验名称
平面缝隙天线
实验时间
2012/2013学年第一学期
指导单位
电子科学与工程
指导教师
黄晓东
学生姓名
季明新
班级学号
B09020423
学院（系）
电子科学与工程学院
专业
电磁场与无线技术
一、实验时间：
10月15日-10月19日8:
30-11:
30
10月22日-10月26日13:
30-17:
30
二、实验设备与仪器
1,硬件：
PC机一台
2,软件：
HFSS软件
三、实验过程及成果验证
3.1设计要求
实验HFSS软件设计中心频率为3GHz的矩形微带天线，并给出其天线参数。
介质基片采用厚度为1mm的聚四氟乙烯（Er=2.2）板，天线馈电方式为微带线馈电，采用集总端口馈电。
3.1.1设计指标
S11≤-10dB，并考虑天线的输入阻抗与辐射臂物理尺寸的关系。
3.2设计步骤
3.2.1天线结构
3.2.1.1在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。
图3.2.1.1表示出了微带缝隙天线的结构。
图3.2.1微带缝隙天线
3.2.1.2微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形,其缝隙形状如下图3.2.1.2
窄缝圆环宽缝圆
图3.2.1.2各种缝隙
3.2.2计算天线尺寸
由于缝隙形状为窄缝的微带缝隙天线与对称阵子相对偶，且较常见，因此先采用窄缝，缝宽暂定为2mm。
根据对偶关系，可以知道缝隙的长度与偶极子对称阵子天线的长度相近，约为1/2λ,用公式λ=V/f可以算出中心点的波长，1/2λ≈36mm,介质板的宽度一定要大于缝的长度，为了有富余量，设为50mm,介质板的长度暂定为80mm。
馈线的宽度用IE3d进行估计，算得3.07473mm,如下图3.2.2。
取3mm,馈线的长度应大于介质板的一半即40mm,暂定50mm.
对于辐射边界的设定，由于使用HFSS分析天线时，辐射边界表面和辐射体的距离通常需要大于1/4λ,3GHz的由空间中的1/4λ个波长为25mm,这里创建一个长方体的模型作为辐射表面，天线在长方体中间，辐射表面长宽高至少为130mm,100mm,50mm，辐射表面就取以上各值。
各初始参数如下表3.2.2
图3.2.2馈线宽度
表3.2.2各数据初始参数
结构名称
变量名
变量值（单位:
mm）
辐射表面
长度
a
130
宽度
b
100
高度
c
50
介质板
长度
Sub_l
80
宽度
Sub_w
50
馈线
馈点
Point
0
长度
Length
50
宽度
Strip_w
3
缝隙
长度
Cut_l
36
宽度
Cut_w
2
3.2.3HFSS仿真设计
3.2.3.1新建设计工程
点击File下的New按钮，新建一个工程。
如图3.2.3.1.1
图3.2.3.1.1建立新的工程
3.2.3.1.2.设置求解类型
（1）在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。
（2）在弹出的SolutionType窗口中：
选择DrivenModal。
（3）点击OK按钮，如图3.2.3.1.2。
图3.2.3.1.2设置求解类型
3.2.3.1.3.设置模型单位
（1）在菜单栏中点击Modeler>Units，在设置单位窗口中选择：
mm。
（2）点击OK按钮，如图3.2.3.1.3。
图3.3设置模型单位
3.2.3.2添加和定义设计变量
在HFSS中定义和添加如表3.2.2所示的设计变量。
从主菜单中选择HFSS>DesignProperties命令，打开设计属性对话框，在该对话框中单击
按钮，打开AddProperty对话框。
在Name文本框中输入第一个变脸名称a,在Value文本框中输入该变量的初始值130mm,然后单击
按钮，即可添加变量a到设计属性对话框中。
变量的定义和添加过程如图3.2.3.2.1所示。
图3.2.3.2.1定义变量
使用相同的操作方法，分别按表3.2.2定义b,c,Sub_l,Sub_w,Point,Length,Strip_w,
Cut_lh,Cut_wh。
定义完成后，确认设计属性对话框如图3.2.3.2.2
图3.2.3.2定义所有变量后的设计属性对话框
3.2.3.3设计建模
3.2.3.3.1.创建介质基片
（1）在菜单栏中点击Draw>Box。
（2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为Substrate,在Material中将材料设置为Roger5880，设置其透明度为0.6。
如下图3.2.3.1.1
图3.2.3.1.1Attribute选项卡
（3）双击操作历史树Substrate下的CreateBox节点，打开Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标（-Sub_w/2,-Sub_l/2,0）,在XSize，YSize，和Zsize文本框中分别输入长方体的宽，长，高：
Sub_w,Sub_l，-1，如图3.2.3.1.2。
图3.2.3.1.2Command选项卡
此时就创建好了名为Substrate的介质基片。
然后按Ctrl+D全屏显示创建的物体模型，如图3.2.3.1.3
图3.2.3.13.创建的介质基片
3.2.3.3.2.创建GND
（1）点菜单栏中的Draw按钮，选择Rectangl。
（2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为GND,设置其透明度为0.8。
（3）双击操作历史树GND下的CreateBox节点，打开Command选项卡，在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标（-Sub_w/2,-Sub_l/2,0mm）,在XSize，YSize文本框中分别输入长方形的宽，长：
Sub_w,Sub_l，，如图3.2.3.2.1。
图3.2.3.2.1
（4）设置GND为理想边界。
在菜单栏中选择Edit>Select>ByName。
在对话框中选择GND，点击OK。
在菜单栏中选择HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。
在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_GND，点击OK。
如图3.2.3.2.2
图3.2.3.2.2创建GND为理想边界
3.2.3.3.3.创建缝隙Slot
（1）点菜单栏中的Draw按钮，选择Rectangl。
（2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为Cut,设置其透明度为0.8。
（3）双击操作历史树GND下的CreateBox节点，打开Command选项卡，在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标（-Cut_l/2,-Cub_w/2,0mm）,在XSize，YSize文本框中分别输入长方形的长,宽：
Sub_l,Sub_w，，如图3.2.3.3.1。
图3.2.3.3.1
（6）将Cut减去。
在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中按ctrl依次选择Cut,GND。
在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Substrate，在弹出的Substrct对话框中Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选。
如图3.2.3.3.2
图3.2.3.3.2
点击OK结束，Slot做好如图3.3.2.3.3.3
图3.2.3.3.2创建缝隙Slot
3.2.3.3.4.绘制StripFeed
（1）点菜单栏中的Draw按钮，选择Rectangl。
（2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为StripFeed,设置其透明度为0.5。
（3）双击操作历史树StripFeed下的CreateBox节点，打开Command选项卡，在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标（Point,-Sub_l/2,-1mm）,在XSize，YSize文本框中分别输入长方形的宽，长：
Strip_w,Length
（4）为StripFeed设置边界。
选择StripFeed,在菜单栏中选择HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。
在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_S，点击OK
3.2.3.3.5绘制Feed
（1）选择ZX平面，
点菜单栏中的Draw按钮，选择Rectangl。
（2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为Feed,设置其透明度为0.6。
（3）双击操作历史树StripFeed下的CreateBox节点，打开Command选项卡，在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标（Point,-Sub_l/2,-1mm）,在XSize，ZSize文本框中分别输入长方形的宽，长：
Strip_w,1mm.
（4）设置集总端口激励，）选中操作历史树StripFeed，然后单击鼠标右键，选择AssignExcitation>LumpedPort,打开LumpedPort对话框，在Name文本框中输入端口名称P1,在Resistance，Reactance文本框中分别输入在50ohm，0ohm。
然后单击下一步，打开Modes对话框。
在IntegrationLine中单击None，在其下拉菜单中选择NewLine，划积分线。
如图3.2.3.5
图3.2.3.5完成后的集总端口
3.2.3.3.6.添加AirBox
（1）在菜单栏中点击Draw>Box。
（2）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字改为Air,在Material中将材料设置为vacuum，设置其透明度为0.9。
（3）双击操作历史树Air下的CreateBox节点，打开Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标（-b/2,-a/2,-c/2）,在XSize，YSize，和Zsize文本框中分别输入长方体的宽，长，高：
b,a,c。
（4）创立辐射边界，选中Air，右击选择AssignBoundary>Radition命令，保持默认设置不变。
3.2.3.4求解设置
模型建完后，设置中心频率和扫描频率，点击HFSS>Analysissetup>addfrequencysweep、选择AddSolutionSetup,将频率设置为3GHz。
设置扫描频率，将start设置为1GHz，stop设置为10GHz，stepsize设置为1GHz，设置完成后，点击HFSS>validation>check检查错误，确认没有错误后，再点击HFSS>analyzeall，开始仿真。
3.2.3.5设计检查和运行仿真计算
3.2.3.5.1右击Results节点，在弹出的菜单中CreateModalSolutionDataReport>RectangularPlot命令，在Quantity选中S（P1,P1）,在Function中选择dB。
单击Report生成S11如图3.2.5.1
图3.2.5.1
从分析结果中可知，天线的谐振频率6.4GHz上，而我们设计的中心频率为3GH，所以接下来要进行设计优化，使天线的谐振频率落在3GHz上。
3.2.3.6参数扫描分析
根据理论分析可知，微带缝隙天线的谐振频率主要由馈线的长度，馈点，缝隙的长度决定，首先对馈点进行参数扫描，分析谐振频率随馈点位置改变的关系，如图3.2.3.6.1.1
3.2.3.6.1馈点的影响
图3.2.3.6.1.1
由图3.2.3.6.1.1知，馈电位置的选择对谐振频率点的影响很大，对回波损耗S11影响也很大，在14-15之间比较好，然后再对馈点进行14-15之间的0.1步长的扫描分析，得到图3.2.3.6.1.2，取馈点位置为14.4mm，优化范围为14-14.6mm。
图3.2.3.6.1.2
3.2.3.6.2馈线长度的影响
馈线要到达缝才可以馈电，因此馈线的长度要大于介质板长度的一半，又馈线没有必要超出介质板，因此馈线的长度小于介质板点的长度，即Sub_l/2＜Length＜Sub_l。
取Length从40-55进行扫描，扫描结果如下图3.2.3.6.2.1
图3.2.3.6.2.1
由图3.2.3.6.2.1知，馈线的长度对谐振频率有影响，但影响不是很明显。
只有在40-43之间谐振频率为6GHz，其余的情形即Length＞43时，谐振频率点都为3GHz，且在46mm时有较大回波损耗，故对Length从45至47继续进行扫描分析，取步长为0.1mm，扫描结果如下图3.2.3.6.2.2
图3.2.3.6.2.2
由图3.2.3.6.2.2知，在馈线长为45,9mm时，达到的回波损耗最大，为-35.4392db，优化范围为45.4mm-46.1mm。
3.2.3.6.3缝隙长度的影响
缝隙的长度为半个波长左右，对于自由空间，中心频率为3GHz的波长的一半为50mm，而对于Er=2.2的介质板说，其波长的一半为33.7mm，我们对缝长进行33mm-50mm的扫描，步长为1mm，结果如图3.2.3.6.3.1
图3.2.3.6.3.1
由图3.2.3.6.3.1知，缝的长度对谐振频率点的影响较大，谐振频率点的频率随着缝长的增大而降低，这一变化趋势符合波长公式f=v/λ。
注意到谐振频率为3GHz时，缝长在40-41之间有较低的回波损耗，我们再对缝长进行40mm-41mm的扫描，步长为0.1mm，结果如图3.2.3.6.3.2
图3.2.3.6.3.2
由图3.2.3.6.3.2知，在缝长为40.2mm时，回波损耗S11稳定，因此取Cut_l=40.2mm，优化范围为40-40.4mm。
3.2.3.6.4缝隙宽度的影响
因为缝隙有宽窄是与馈线的宽度相比较的，而馈线的宽度为3mm，窄缝的情况下缝的宽度要小于3mm，我们对缝宽进行0.5mm-3mm的扫描，结果如图3.2.3.6.4
图3.2.3.6.4
由图3.2.3.6.4可知：
在缝宽为1.1mm时，S11最小，天线性能最好，注意到缝宽为1.2mm的m2那点，S11发生突变，因此缝宽的优化范围应不包括m3那点，取优化区间0.6mm-1.1mm。
3.2.3.6.5馈线宽度的影响
因为馈线用的是微带线，而微带线的宽度是严格与介质（Er），中心频率（f0），微带线的厚度（h）相关的，由于本模型的Er，f0，h已经确定，因此微带线的宽度已经确定了，最优的微带线宽度不会变化太大，对微带线宽度进行2.5mm-3.5mm的扫描，步长为0.1mm，结果如图3.2.3.6.5
图3.2.3.6.5
由图3.2.3.6.5知，微带线的宽度为3mm，且变化的斜率较大，没有必要继续进行优化。
3.2.3.7查看优化后的天线性能
3.2.3.7.1优化后的参数
经过以上对主要影响天线辐射性能的参数进行扫描分析，我们得到这些参数的优化值和优化区间，如下表3.2.3.7.1
表3.2.3.7.1
辐射表面
介质板
馈线
缝隙
a
b
c
Sub_l
Sub_w
Point
Length
Strip_w
Cut_l
Cut_w
优化值（mm）
130
100
50
80
50
14.4
45.9
3
40.2
1.1
可优化区间（mm）
14-14.6
45.4-46.1
40-40.4
0.6-1.1
3.2.3.7.2天线性能查看
将各优化后的参数代入模型，扫频设置为从2.5GHz-3.5GHz，步长0.01GHz，重新运行仿真。
3.2.3.7.2.1查看S11参数
图3.2.3.7.2.1
从图3.2.3.7.2.1可以看出，此时的谐振频率为3GHz，在3GHz处的S11值约为-43.27dB，远远达到指标所定的-15dB。
3.2.3.7.2.2查看电压驻波比VSWR
图3.2.3.7.2.2
从图3.2.3.7.2.2可以看出，此时的谐振频率为3GHz，在3GHz处的VSWR值约为1.0155，且在2.9GHz-3GHz电压驻波比小于2，天线性能良好。
3.2.3.7.2.3查看S11的Smith圆图结果
图3.2.3.7.2.3
从图3.2.3.7.2.3可以看出，3GHz时的归一化阻抗为（1.0147+j0.0049），达到了很好的匹配状态。
3.2.3.7.2.3查看输入阻抗与辐射臂尺寸的关系
3.2.3.7.2.3.1输入阻抗与缝隙长度的关系
对缝隙长度进行35mm-50mm扫描，步长为1mm，结果如图3.2.3.7.2.3.1
图3.2.3.7.2.3.1
由图3.2.3.7.2.3.1知，缝的宽度主要影响输入阻抗的虚部，缝宽在39-40之间输入阻抗的虚部接近0，图上的m1点为优化值，其输入阻抗虚部为0.2435Ω，与m2相比，输入阻抗的虚部没有m2理想，但m1的输入阻抗为50.7364Ω，而m2的输入阻抗为26.5682Ω，在与特性阻抗为50Ω的传输线匹配方面，m1明显优于m2。
因此缝长取m1对应的缝长40.2mm。
3.2.3.7.2.3.2输入阻抗与缝隙宽度的关系
对缝隙宽度进行0.5mm-3mm扫描，步长为0.1mm，结果如图3.2.3.7.2.3.2
图3.2.3.7.2.3.2
由图3.2.3.7.2.3.2知，缝的宽度主要影响输入阻抗的实部，缝宽在0.7-1.1之间输入阻抗的实部接近50Ω，图上的m1点为优化值，其输入阻抗实部为50.7Ω，m2点输入阻抗实部为48.2Ω，相差不是很大，但在缝宽为1.2mm处存在突变点，到缝宽为1.5mm的m3点又较为理想。
因此缝宽的取值应按实际情况而定，此处应取m1对应的缝宽1.1mm。
3.2.3.7.2.3.3输入阻抗与馈线长度的关系
对馈线长度进行45mm-55mm扫描，步长为1mm，结果如图3.2.3.7.2.3.3
图3.2.3.7.2.3.3
由图3.2.3.7.2.3.3知，输入阻抗的随着馈线长度的增加而增大，馈线长度在45mm-47mm之间变化时输入阻抗从41Ω增加到65Ω，变化明显。
3.2.3.7.2.4查看方向图
3.2.3.7.2.4.1查看E面H面的方向图
要查看天线的远区场计算结果，首先要定义辐射表面，而辐射表面是在球坐标系下定义的，在球坐标系下，xz平面相当于φ=0的平面，yz平面相当于φ=90的平面。
下面定义φ=0和φ=90的平面为辐射表面。
在Phi角度对应的Start，Stop和StepSize文本框中分别输入0deg,90deg,90deg，在Theta角度对应的Start，Stop和StepSize文本框中分别输入-180deg,180deg,1deg。
生成的E面H面如下图3.2.3.7.2.4.1
图3.2.3.7.2.4.1
由图3.2.3.7.2.4.1知，虚线为E面，趋近于圆，H面为实线，为”8”形，与理论相符合。
3.2.3.7.2.4.2查看三维增益方向图
首先要定义三维立体球面为辐射表面。
在Phi角度对应的Start，Stop和StepSize文本框中分别输入0deg,360deg,1deg，在Theta角度对应的Start，Stop和StepSize文本框中分别输入1deg,180deg,1deg。
生成的三维增益方向图如下图
图3.2.3.7.2.4.2
3.2.4不同形状的缝对天线性能的影响
选用圆形的缝，馈线的宽度和窄缝的一样，都取3mm，影响缝隙形状为圆缝的微带缝隙天线的谐振频率和回波损耗S11的主要因素有馈线的长度，馈点，圆缝的半径，介质板的宽度。
经过对这些参数扫描后优化步骤后，我们得到这些参数的优化值和优化区间，如下表3.2.4
a
b
c
Sub_l
Sub_w
Point
Length
Strip_w
Cut_r
优化值（mm）
130
120
50
80
45.5
14.7
44.9
3
22.4
可优化区间（mm）
45-45.8
14.6-14.9
44.6-45.4
22-23
表3.2.4
3.2.4.1天线性能查看
将各优化后的参数代入模型，扫频设置为从2.5GHz-3.5GHz，步长0.01GHz，重新运行仿真。
3.2.4.1.1查看S11参数
图3.2.4.1.1
从图3.2.4.1.1可以看出，此时的谐振频率为3.01GHz，在3GHz处的S11值约为-26.56dB，达到指标所定的-15dB。
3.2.4.1.2查看电压驻波比VSWR
图3.2.4.1.2
从图3.2.4.1.2可以看出，此时的谐振频率为3.01GHz，在3GHz处的VSWR值约为1.0986，且在2.75GHz-3.38GHz电压驻波比小于1.5，天线性能良好。
3.2.4.1.3查看S11的Smith圆图结果
图3.2.4.1.3
从图3.2.4.1.3可以看出，3GHz时的归一化阻抗为（0.9965+j0.0938），达到了很好的匹配状态。
3.2.4.1.4查看E面H面的方向图
图3.2.4.1.4
由图3.2.4.1.4知，H面为实线，为”8”形，与理论相符合。
3.2.3.7.2.4.2查看三维增益方向图
四，实验小结
（1）通过本次试验，对微带缝隙天线这一形式的天线有了更为深刻的认识，通过对影响天线性能的参数进行参数扫描，形象的了解到各参数对天线性能影响的权重。
（2）通过本次试验，基本了解HFSS这一软件仿真设计微带缝隙天线的分析方法，设置操作和流程。
掌握了对HFSS中的建模操作，了解边界条件的类型和正确的设置边界条件的方法。
了解了三种主要的激励适用的环境和正确的设置方法。
掌握了正确高效的利用HFSS软件中的Optimimetrics功能模块。
（3）通过本次试验，知道如何正确的定义远区场的辐射表面，如何正确的调用HFSS软件查看天线的性能参数：
回波损耗S11，电压驻波比VSWR，输入阻抗，E面的增益方向图，H面的增益方向图，三维增益方向图。
（4）缝隙形状为圆缝的微带缝隙天线与窄缝的微带缝隙天线相比，在带宽方面，圆缝宽于窄缝；但在增益方面，窄缝优于圆缝；在方向图上，圆缝的E面不是圆形，有方向性。
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