微波技術與天線實驗三王超

1、微波技術與天線實驗報告姓名王超學號實驗日期實驗名稱微帶貼片天線設計實驗實驗類型設計性實驗目的1. 熟悉并掌握HFSS設計微帶天線的操作步驟及工作流程。 2. 掌握ISM頻段微帶貼片天線的設計方法。實驗內容使用HFSS進行微帶貼片天線的設計實現(xiàn)，創(chuàng)建設計模型，進行求解設置，設置求解頻率為2.45GHz，同時添加1.5-3.5GHz的掃頻設置，分析天線在1.5-3.5GHz頻段內的電壓駐波比，并運行仿真計算。將諧振頻率落在2.45GHz頻點上。最后進行相關的數據后處理。實驗原理微帶天線是當今無線通信領域中廣泛應用的一種天線，具有質量輕、體積小、易于制造等特點，本實驗的ISM頻段微帶貼片天線是工作在

2、2.45GHz，采用同軸線饋電的一種簡單的微帶天線。微帶天線的基本參數：工作頻率2.45GHz，介質板相對介電常數3.38，介質層厚度5mm，矩形貼片寬度41.4mm，輻射縫隙長度2.34mm,矩形貼片長度31mm，參考地長寬為61.8mm*71.4mm，同軸線饋點坐標（9.5，0）。要求設計的天線最大增益大于7dB。前后比大于5dB。實驗步驟及結果1. 新建HFSS工程1.1運行HFSS并新建工程MSA.hfss1.2設置求解類型 圖1.新建HFSS工程 圖2. 設置求解類型2.創(chuàng)建微帶天線模型 2.1設置默認的長度單位為mm 圖3. 設置默認的長度單位為mm 2.2建模相關選項設置 圖4.

3、 建模相關選項設置 2.3 創(chuàng)建參考地 在Z=0的XOY面上創(chuàng)建一個頂點位于（-45mm, -45mm），大小為90mm×90mm的矩形面作為參考地，命名為GND，并為其分配為理想導體邊界條件。 2.4 創(chuàng)建介質板模型 創(chuàng)建一個長、寬、高為80mm×80mm×5mm的長方體作為介質板層，介質板層的底部位于參考地上，其頂點坐標為（-40，-40, 0），介質板的材料為R04003，介質板層命名為Substrate 2.5 創(chuàng)建微帶貼片 在Z=5的XOY面上創(chuàng)建一個頂點坐標為（-15.5mm,-20.7mm,5mm），大小為30.0mm×41.4mm的矩形面

4、作為微帶貼片，命名為Patch，并為其分配理想導體邊界條件。 2.6 創(chuàng)建同軸饋線的內芯 創(chuàng)建一個圓柱體作為同軸饋線的內芯，圓柱體的半徑為0.5mm，長度為5mm，圓柱體底部圓心坐標為（9.5mm,0,0）,材質為理想導體，同軸饋線命名為Feed。 2.7 創(chuàng)建信號傳輸端口面 同軸饋線需要穿過參考地面，傳輸信號能量，因此需要在參考地面GND上開一個圓孔允許能量傳輸。圓孔的半徑為1.5mm，圓心坐標為（9.5mm,0,0），并將其命名為port. 2.8 創(chuàng)輻射邊界表面 創(chuàng)建一個長方體，其頂點坐標為（-80，-80，-35），長方體的長寬高為160mm×160mm×75mm,

5、長方體模擬自由空間，因此材質為真空，長方體命名為Air,創(chuàng)建好這樣一個長方體之后，設置其四周表面為輻射邊界條件。、 圖5 微帶貼片天線模型3.設置激勵端口 設置同軸信號端口面的激勵方式為集總端口激勵。4.添加和使用變量 添加設計變量Length,初始值為30.0mm,用以表示微帶貼片天線的長度，添加設計變量Width，初始值為41.4mm, 用以表示微帶貼片天線的寬度，添加設計變量Xf, 用以表示同軸饋線的圓心點的X軸坐標。 4.1 添加設計變量 4.2 在模型中使用變量 使用變量Length和Width表示微帶貼片的長度和寬度，并設置微帶貼片的起點坐標為（-Length/2,- Width/

6、2,5mm）,使用變量Xf代替同軸饋線Feed的底部圓心和集總端口Port的圓心在x方向的坐標。5.求解設置 本節(jié)設計的微帶貼片天線的中心工作頻率在2.45GHZ，因此設計HFSS的求解頻率為2.45GHZ，同時添加1.53.5 GHZ的掃頻設置，選擇快速（fast）掃頻類型，分析天線在1.53.5 GHZ頻段的回波損耗或電壓駐波比。 5.1求解設置 5.2 掃頻設置6.設計檢查和運行仿真設計 圖6 設計檢查7.查看天線諧振點查看天線端口回波損耗即S11的掃頻分析結果，給出天線的諧振點。 圖7 S11的掃頻曲線由圖可以看出，當頻率為3.4GHZ時，S11最小，S11的最小值約為-17DB。8.

7、優(yōu)化設計 由圖7所示的掃頻曲線報告可以看出，根據計算的尺寸設計出的微帶天線諧振點在2.35GHZ，與期望的中心頻率2.45GHZ相比，存在一定的誤差，所以需要優(yōu)化設計，使天線的諧振頻率落在2.45GHZ上。 根據理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率由微帶貼片天線的長度和寬度決定，貼片尺寸越小諧振頻率越高，接下來我們首先使用參數掃描分析功能進行參數掃描分析，分析諧振頻率點分別隨著貼片長度Length和寬度Width的變化關系，然后進行優(yōu)化設計，優(yōu)化微帶貼片長度Length和寬度Width，使天線諧振頻率落在2.45。 8.1 參數掃描分析為了節(jié)省計算時間，在進行參數掃描分析之前，把掃頻設置項Sw

8、eep1的頻率范圍設置為2.22.8GHZ。 8.1.1變量Length的掃描分析 圖8 不同的Length對應的S11曲線 從圖的曲線報告可以看出，當微帶貼片天線的寬度固定時，微帶天線的諧振頻點隨著微帶貼片長度Length的減小而變大，當Length=29.5mm時，諧振頻點約為2.45GHZ。 8.1.2變量Width掃描分析 圖9不同的Width對應的S11曲線 從圖所示的S11曲線報告中可以看出，當微帶貼片長度Length固定時，微帶貼片寬度Width的改變對矩形微帶天線諧振頻點的影響很小。 8.2 優(yōu)化設計 通過上一節(jié)的參數掃描分析，我們知道微帶貼片天線的長度Length的變化對矩形

9、微帶貼片天線諧振頻點的影響顯著，而微帶貼片寬度Width的變化對矩形微帶貼片天線諧振頻點的影響很小，當Length=29.5mm時， Width=41.4mm時，諧振頻率約為2.45GHZ。因此進行優(yōu)化設計時，只需要優(yōu)化變量Length，并可設置變量Length的優(yōu)化范圍為2930mm。優(yōu)化算法選擇SNLP，目標函數取S11的最小值，在HFSS中即取dB(S(P1,P1)的最小值9.查看優(yōu)化后的天線性能 9.1 查看S11參數 圖10 Length=29.5mm時， Width=41.4mm時S11的掃頻曲線從S11掃頻曲線的報告可以看出Length=29.5mm時， Width=41.4mm

10、時，天線諧振點在2.45GHZ，此時S1116.6dB。 9.3 查看S11參數的Smith圓圖結果 圖11 S11參數的史密斯圓圖 在報告圖中標記出2.45GHZ的位置，標記處顯示在2.45GHZ時，天線的歸一化輸入阻抗為(0.91-j0.27) 。 9.4 查看電壓駐波比 圖12 電壓駐波比報告圖 在VSWR報告圖2.4GHZ和2.5GHZ位置作標記可見在2.42.5GHZ頻段，VSWR1.85。 9.4 查看天線的三維增益方向圖 圖13 三維增益方向圖 從三維增益方向圖中可以看出，該微帶貼片天線最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，及Z軸方向，最大增益約為7.4dB。 9.5 查看平面方向圖 圖14 E平面增益方向圖 9.6 其他天線參數 HFSS在天線問題的數據后處理中，可以給出工作頻率上輻射強度、方向性、前后比等各種天線參數的計算結果。 圖15 天線性能參數實驗結果分析及總結 在前面的分析設計中，我們只優(yōu)化了微帶貼片天線的長度，使天線的諧振頻