微带天线设计Word格式.docx

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2.2.1设置激励端口 14

2.2.2添加和使用变量 15

2.2.3求解设置 17

3设计检查和运行仿真分析 19

3.1查看天线谐振点 19

3.1变量Length、Width扫描分析 21

3.2查看S11参数以及Smith圆图结果 21

3.3查看驻波比 22

3.4查看天线的三维增益方向图 22

3.5查看平面方向图 23

4总结体会 23

1微带天线设计

1.1微带天线简介

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。

早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。

在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。

常用的一类微带天线是在一个薄介质基（如聚四氟乙烯玻璃纤维压层）上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。

当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；

若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。

图1.1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。

与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数εr和损耗正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。

图10.1所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。

图1.1微带天线的结构

1.2设计要求

设计一个矩形微带天线，工作频率为2.45Ghz,天线使用同轴线馈电。

天线的中心频率为2.45GHz，因此设置HFSS的求解频率（即自适应网格剖分频率）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频段内的回波损耗或者电压驻波比。

如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示谐振频率没有落在2.45GHz上，还需要添加参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置，以达到良好的天线性能。

1.3设计指标和天线几何结构参数计算

本章设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；

无线局域网（WLAN）、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。

选用的介质板材为RogersR04003，其相对介电常数εr=3.38，厚度h=5mm；

天线使用同轴线馈电。

微带天线的3个关键参数如下：

工作频率f0=2.45GHz；

介质板材的相对介电常数εr=3.38；

介质层厚度h=5mm。

下面来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L和宽度W、同轴线馈点的位置坐标（xf，yf），以及参考地的长度LGND和宽度WGND。

1．矩形贴片的宽度W

根据公式

把c=3.0×

108m/s，f0=2.45GHz，εr=3.38代入，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即W=0.0414m=41.4mm

2．有效介电常数εe

把h=5mm，W=41.4mm，εr=3.38代入，可以计算出有效介电常数，即εe=2.95

3．辐射缝隙的长度ΔL

把h=5mm，W=41.4mm，εeff=2.95代入，可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即ΔL=2.34mm

4．矩形贴片的长度L

108m/s，f0=2.45GHz，εe=2.95，ΔL=2.34mm代入，可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即L=31.0mm

5．参考地的长度LGND和宽度WGND

把h=5mm，W=41.4mm，L=31.0mm分别代入，可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即LGND≥61.8mm,WGND≥71.4mm

6．同轴线馈点的位置坐标（xf，yf）

根据εr=3.38，W=41.4mm，L=31.0mm很容易可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（xf，yf），即xf=9.5mm,yf=0mm。

2HFSS设计和建模概述

本课程所设计的天线实例是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。

在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML边界表面，这里使用辐射边界条件。

为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。

因为使用了辐射边界表面，所以同轴馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。

2.1创建微带天线模型

2.1.1新建HFSS工程

1.运行HFSS并新建工程

启动HFSS软件。

HFSS运行后，会自动新建一个工程文件，选择主菜单【File】→【SaveAs】命令，把工程文件另存为MSAntenna.hfss；

然后右键单击工程树下的设计文件名称HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件重新命名为Patch。

2.设置求解类型

设置当前设计为模式驱动求解类型。

从主菜单栏选择【HFSS】→【SolutionType】，打开如图1.2所示的SolutionType对话框，选中DrivenModal单选按钮，然后单击OK按钮，退出对话框，完成设置。

图1.2设置求解类型

3.设置默认的长度单位

设置当前设计在创建模型时使用的默认长度单位为毫米。

从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】命令，打开“模型长度单位设置”对话框。

在该对话框中，Selectunits项选择毫米单位（mm），然后单击按钮，退出对话框，完成设置。

4.建模相关选项设置

从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】命令，打开3DModelerOptions对话框，单击对话框Drawing选项卡，选中Drawing选项卡界面的Editpropertiesofnewprimitive复选框，然后单击“确定”按钮，退出对话框，完成设置。

2.1.2建立模型

1.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，并为其分配理想导体边界条件。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Rectangle】命令，进入创建矩形面模型的状态。

在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；

然后在xy面上

移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出矩形面“属性”对话框。

（2）单击该对话框的Command选项卡，在Position项对应的Value值处输入矩形面起始点坐标（−45，−45，0），在XSize项对应的Value值处输入矩形面的长度90，YSize项对应的Value值输入矩形面的宽度90；

然后单击对话框的Attribute选项卡，在Name项对应的Value值处输入矩形面的名称GND，单击Transparent项对应的Value值按钮，设置模型透明度为

0.6；

如图1.3所示。

最后，单击按钮结束。

图1.3创建的参考地

（3）在三维模型窗口，单击选中新建的矩形面模型，选中后的模型会高亮显示。

（4）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【AssignBoundary】→【PerfectE】，打开如图1.4所示的PerfectEBoundary对话框，为选中的矩形面GND分配理想导体边界条件。

在打开的对话框中，Name项对应的文本框处输入PerfE_GND，将理想导体边界命名为PerfE_GND，然后单击对话框按钮结束。

此时理想导体边界条件的名称PerfE_GND添加到工程树的Boundaries节点下。

图1.4PerfectEBoundary设置对话框

2.创建介质板层

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（即z=0的xOy面上），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。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Box】命令，进入创建长方体模型的状态，在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；

然后在xy面上移动鼠标光标，在绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点；

最后沿着z轴方向移动鼠标光标，在绘制出一个长方体后单击鼠标左键确定第三个点。

此时，弹出长方体的“属性”对话框。

（2）单击对话框的Command选项卡，在Position项对应的Value值处输入长方体的顶点坐标（−40，−40，0），在XSize、YSize和ZXize项对应的Value值处分别输入长方体的长、宽和高80、80和5。

（3）单击对话框的Attribute选项卡，在Name项对应的Value值处输入长方体的名称Substrate；

单击Material项对应的Value值按钮，通过对话框左上方的SearchByName项搜索并选中介质材料RogersR04003，然后单击ok按钮，设置长方体的材料为Rogers04003；

单击Color项对应的Edit按钮，将模型的颜色设置为绿色；

单击Transparent项对应的Value值按钮，设置模型透明度为0.6；

最后单击“属性”对话框的按钮，完成设置，退出对话框。

图1.4创建好的介质板层

3.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31.0mm×

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。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Rectangle】命令，或者单击工具栏按钮，进入创建矩形面模型的状态；

在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；

然后在xy面上移动鼠标光标，绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点。

此时，弹出矩形面“属性”对

话框。

（2）单击该对话框的Command选项卡，在Position项对应的Value值处输入矩形面起始点坐标（−15.5，−20.7，5），在XSize和YSize项对应的Value值处输入矩形面的长度31.0和宽度41.4。

然后单击对话框的Attribute选项卡，在Name项对应的Value值处输入矩形面的名称Patch；

单击Color项对应的Edit按钮，将模型的颜色设置为黄褐色；

单击Transparent项对应的Value值按钮，设置模型透明度为0.4；

如图1.5所示。

最后，单击按钮“确定”结束。

图1.5矩形面“属性”对话框

（3）在操作历史树中，单击选中新建的微带贴片Patch，选中后的模型会高亮显示。

图2.3.5创建的微带贴片

（4）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【AssignBoundary】→【PerfectE】，打开如图1.6所示的PerfectEBoundary对话框，给微带贴片Patch分配理想导体边界条件，并将理想导体边界命名为PerfE_Patch，然后单击按钮ok结束。

图1.6PerfectEBoundary

4.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。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Cylinder】命令，或者单击工具栏按钮，进入

创建圆柱体模型的状态。

然后在xy面上移动鼠标光标，绘制出一个圆形后单击鼠标左键确定第二个点；

最后沿着z轴方向移动鼠标光标，绘制出一个圆柱体后单击鼠标左键确定第三个点。

此时，弹出圆柱体“属性”对话框。

（2）单击该对话框的Command选项卡，在CenterPosition项对应的Value值处输入圆柱体的底面圆心坐标（9.5，0，0），在Radius项对应的Value值处输入圆柱体的半径0.5，在Height项对应的Value值处输入圆柱体的高度5。

（3）单击对话框的Attribute选项卡，在Name项对应的Value值处输入圆柱体的名称Feed；

单击Material项对应的Value值按钮，设置长方体的材料为pec。

创建后的模型如图1.7所示。

图1.7创建的同轴馈线

5.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。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Circle】命令，或者单击工具栏的按钮，进入创建圆面模型的状态，在三维模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；

然后在xy面上移动鼠标光标，在绘制出一个圆形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出圆面“属性”对话框。

（2）单击该对话框的Command选项卡，在CenterPosition项对应的Value值处输入圆面的圆心坐标（9.5，0，0），在Radius项对应的Value值处输入圆面的半径1.5；

然后单击对话框的Attribute选项卡，在Name项对应的Value值处输入圆面的名称Port；

最后，单击按钮，生成一个圆面Port，迭加在参考地面GND上。

（3）按住Ctrl键，同时从操作历史树中按先后顺序单击选择面GND和Port；

然后从主菜单栏选择【Modeler】→【Boolean】→【Substrate】命令，或者单击工具栏的按钮，打开如图1.8所示的Subtract对话框；

确认对话框的BlankParts栏显示的是GND，ToolParts栏显示的是Port，表明使用参考地模型GND减去圆面Port；

为了保留圆面Port本身，请选中对话框的Clonetoolobjectsbeforesubtracting复选框。

然后单击按钮，执行相减操作。

执行相减操作后，即从GND模型中挖去了一块与圆面Port一样大小的圆孔，同时保留了圆面Port本身。

图1.8“相减操作”对话框图1.9信号传输端口面

6.创建辐射边界表面

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。

创建好这样的一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。

（1）从主菜单栏选择【Draw】→【Box】命令，或者单击工具栏按钮，进入创建长方体模型的状态，在三维模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；

此时，弹出长方体“属性”对话框。

（2）单击对话框的Command选项卡，在Position项对应的Value值处输入长方体的顶点坐标（−80，−80，−35），在XSize、YSize和ZXize项对应的Value值处分别输入长方体的长、宽和高160、160和75.

（3）单击对话框的Attribute选项卡，在Name项对应的Value值处输入长方体的名称Air；

查看Material项对应的Value值，确认其为真空（vacuum）；

单击Transparent项对应的Value值按钮，设置模型透明度为0.8；

如图2.1所示。

所示。

最后单击对话框的按钮，完成设置，退出对话框。

图2.1长方体“属性”对话框

（5）在操作历史树中，单击选中新建的长方体Air，选中后模型会高亮显示。

（6）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【AssignBoundary】→【Radiation】

命令，打RadiationBoundary对话框，直接单击对话框按钮，将长方体Air四周设置为辐射边界条件。

至此，微带贴片天线的模型就完全创建好了。

图2.2创建的长方体模型

2.2相关条件设置

2.2.1设置激励端口

设置同轴线信号端口面（即圆面Port）的激励方式为集总端口激励。

（1）展开操作历史树下的Sheets节点，选择圆面Port；

选中后，模型会高亮显示。

（2）在三维模型窗口单击右键，从弹出菜单中选择【AssignExcitation】→【Lumped

Port】，打开如图2.3所示的“集总端口设置”对话框，设置Port面为集总端口激励方式。

图2.3集总端口设置

（3）在该对话框中，Name项对应的文本框输入端口激励名称P1；

Resistance和Reactance项分别输入50Ω和0Ω，即设置端口阻抗为50Ω；

然后单击“下一步”按钮。

（4）在新打开的界面中，单击IntegrationLine项的none，从其下拉列表中单击NewLine…，设置集总端口的积分校准线。

在状态栏的X、Y和Z文本框内输入积分线起点坐标（10，0，0），然后按回车键确定；

紧接着在状态栏的dX、dY和dZ文本框内分别输入1、0和0，再次按回车键确认。

（5）此时，退出设置积分线状态，回到“集总端口设置”对话框，单击对话框的按钮直到结束，完成集总端口激励方式设置。

（6）设置完成后，集总端口激励P1会添加到工程树的Excitations节点下，单击Excitations节点左侧的按钮，展开该节点，选中激励P1，然后单击工具栏按钮，放大显示上面添加的激励端口P1，如图2.4所示。

图2.4激励端口P1

2.2.2添加和使用变量

添加设计变量Length，初始值为31.0mm，用以表示微带贴片的长度；

添加设计变量Width，初始值为41.4mm，用以表示微带贴片的宽度；

添加设计变量Xf，初始值为9.5mm，用以表示同轴馈线的圆心点的x轴坐标.

1.添加设计变量

（1）从主菜单栏选择【HFSS】→【DesignProperties】命令，打开“设计属性”对话框，单击对话框中的“Add”按钮，打开AddProperty对话框。

（2）在AddProperty对话框中，Name项输入变量名Length，Value项输入变量的初始值31mm，然后单击按钮；

此时，添加了变量Length。

（3）重复第

（2）步操作，添加变量Width和Xf，其初始值分别为41.4mm和9.5mm。

（4）最后单击“设计属性”对话框的”确定“按钮，完成变量定义。

变量定义过程如图2.5所示。

图2.5变量定义

2.在模型中应用变量

使用变量Length和Width表示微带贴片Patch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。

（1）展开操作历史树下的Sheets节点，找到并展开PerfectE节点，再展开PerfectE节点下的Patch节点，双击Patch节点下的CreateRectangle，打开微带贴片Patch的“属性”对话框，如图2.6所示。

（2）在“属性”对话框中，把Position项对应的Value值由原来的（−15.5，−20.7，5）改为（−Length/2，−Width/2，5mm），把XSize和YSize项对应的Value值由原来的31和41.4改为变量Length和Width。

（3）单击“确定”按钮，完成设置。

（4）重复步骤

（1），在操作历史树Solids>

vacuum节点下找到并展开Feed节点，在Feed节点下双击CreateCylinder，打开同轴馈线Feed的“属性”对话框。

在该对话框中，把CenterPosition项对应的Value值由原来的（9.5，0，0）改为（Xf，0，0）。

然后，单击“确定”按钮完成。

图2.6属性对话框

2.2.3求解设置

1.求解设置

本章设计的微带贴片天线中心工作频率在2.45GHz，因此设置HFSS的求解频率（即自适应网格剖分频率）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频段的回波损耗或者电压驻波比。

（1）右键单击工程树下的Analysis节点，从弹出菜单中选择【AddSolutionSetup】命令，打开如图2.7所示的SolutionSetup对话框。

（2）在该对话框中，SetupName项保留默认名称Setup1，SolutionFrequency项输入

2.45GHz，MaximumNumberofPasses项输入15，MaximumDeltaS项输入0.02，其他项保持默认设置。

然后单击“确定”按钮，完成求解设置。

图2.7所示的SolutionSetup对话框。

2.扫频设置

（1）展开工程树Analysis节点，选中求解设置项Setup1，单击右键，从弹出菜单中选择【AddFrequencySweep】，打开EditSweep对话框，进行扫频设置；

如图2.8所示。

图2.8AddFrequencySweep

（2）在该对话框中，SweepName项保留默认名称Sweep1；

SweepType项选择快速扫频类型Fast；

在FrequencySetup栏，Type项选择LinearCount，Start项输入1.5GHz，Stop项输入3.5GHz，Count项输入41。

然后单击对话框的按钮，完成扫频设置，

（3）设置完成后，扫频设置项的名称Sweep1会添加到工程树Analysis节点的Setup1下面。

3设计检查和运行仿真分析

从主菜单栏选择【HFSS】→【ValidationCheck】命令，进行设计检查。

此时，会弹出如图2.9所示的“检查结果显示”对话框，表示当前的HFSS设计正确、完整。

单击关闭对话框，准备运行仿真计算。

图2.9检查结果显示

3.1查看天线谐振点

查看天线信号端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果，给出天线的谐振点。

（1）右键单击工程树下的Results节点，在弹出菜单中选择【CreateMod