微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)三411109060225王超

1、微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名王超學(xué)號實(shí)驗(yàn)日期實(shí)驗(yàn)名稱微帶貼片天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉并掌握HFSS設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用HFSS進(jìn)行微帶貼片天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行求解設(shè)置，設(shè)置求解頻率為2.45GHz，同時添加1.5-3.5GHz的掃頻設(shè)置，分析天線在1.5-3.5GHz頻段內(nèi)的電壓駐波比，并運(yùn)行仿真計(jì)算。將諧振頻率落在2.45GHz頻點(diǎn)上。最后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)后處理。實(shí)驗(yàn)原理微帶天線是當(dāng)今無線通信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種天線，具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)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(shù)：工作頻率2.45GHz，介質(zhì)板相對介電常數(shù)3.38，介質(zhì)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(diǎn)坐標(biāo)（9.5，0）。實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果1. 新建HFSS工程1.1運(yùn)行HFSS并新建工程MSA.hfss1.2設(shè)置求解類型 圖1.新建HFSS工程 圖2. 設(shè)置求解類型2.創(chuàng)建微帶天線模型 2.1設(shè)置默認(rèn)的長度單位為mm 圖3. 設(shè)置默認(rèn)的長度單位為mm 2.2建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置 圖4. 建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置 2.3 創(chuàng)建參考地 在Z=0的X

3、OY面上創(chuàng)建一個頂點(diǎn)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(dǎo)體邊界條件。 2.4 創(chuàng)建介質(zhì)板模型 創(chuàng)建一個長、寬、高為80mm×80mm×5mm的長方體作為介質(zhì)板層，介質(zhì)板層的底部位于參考地上，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-40，-40, 0），介質(zhì)板的材料為R04003，介質(zhì)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(diǎn)坐標(biāo)為（-15.5mm,-20.7mm,5mm），大小為30.0mm×41.4mm的矩形面作為微帶貼片，命名為Patch，并為其分配理想導(dǎo)體邊

4、界條件。 2.6 創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯 創(chuàng)建一個圓柱體作為同軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體的半徑為0.5mm，長度為5mm，圓柱體底部圓心坐標(biāo)為（9.5mm,0,0）,材質(zhì)為理想導(dǎo)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(biāo)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(diǎn)坐標(biāo)為（-80，-80，-35），長方體的長寬高為160mm×160mm×75mm,長方體模擬自由空間，因此材質(zhì)為真空，長方體命名為Ai

5、r,創(chuàng)建好這樣一個長方體之后，設(shè)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(shè)置激勵端口 設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)變量Xf, 用以表示同軸饋線的圓心點(diǎn)的X軸坐標(biāo)。 4.1 添加設(shè)計(jì)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(shè)置微帶貼片的起點(diǎn)坐標(biāo)為（-Length/2,- Width/2,5mm）,使用變量Xf代替同軸饋線Feed的底部

6、圓心和集總端口Port的圓心在x方向的坐標(biāo)。5.求解設(shè)置 本節(jié)設(shè)計(jì)的微帶貼片天線的中心工作頻率在2.45GHZ，因此設(shè)計(jì)HFSS的求解頻率為2.45GHZ，同時添加1.53.5 GHZ的掃頻設(shè)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(shè)置 5.2 掃頻設(shè)置6.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真設(shè)計(jì) 圖6 設(shè)計(jì)檢查7.查看天線諧振點(diǎn)查看天線端口回波損耗即S11的掃頻分析結(jié)果，給出天線的諧振點(diǎn)。 圖7 S11的掃頻曲線由圖可以看出，當(dāng)頻率為3.4GHZ時，S11最小，S11的最小值約為-17DB。8.優(yōu)化設(shè)計(jì) 由圖7所示的掃頻曲線報(bào)告可以看出，根據(jù)計(jì)算

7、的尺寸設(shè)計(jì)出的微帶天線諧振點(diǎn)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(shè)計(jì)，使天線的諧振頻率落在2.45GHZ上。 根據(jù)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(shù)掃描分析功能進(jìn)行參數(shù)掃描分析，分析諧振頻率點(diǎn)分別隨著貼片長度Length和寬度Width的變化關(guān)系，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shù)掃描分析為了節(jié)省計(jì)算時間，在進(jìn)行參數(shù)掃描分析之前，把掃頻設(shè)置項(xiàng)Sweep1的頻率范圍設(shè)置為2.22.8GHZ。變量Le

8、ngth的掃描分析 圖8 不同的Length對應(yīng)的S11曲線 從圖的曲線報(bào)告可以看出，當(dāng)微帶貼片天線的寬度固定時，微帶天線的諧振頻點(diǎn)隨著微帶貼片長度Length的減小而變大，當(dāng)Length=29.5mm時，諧振頻點(diǎn)約為2.45GHZ。變量Width掃描分析 圖9不同的Width對應(yīng)的S11曲線 從圖所示的S11曲線報(bào)告中可以看出，當(dāng)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(diǎn)的影響很小。 8.2 優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過上一節(jié)的參數(shù)掃描分析，我們知道微帶貼片天線的長度Length的變化對矩形微帶貼片天線諧振頻點(diǎn)的影響顯著，而微帶貼片寬度Width的變化對矩形微帶貼片

9、天線諧振頻點(diǎn)的影響很小，當(dāng)Length=29.5mm時， Width=41.4mm時，諧振頻率約為2.45GHZ。因此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，只需要優(yōu)化變量Length，并可設(shè)置變量Length的優(yōu)化范圍為2930mm。優(yōu)化算法選擇SNLP，目標(biāo)函數(shù)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(shù) 圖10 Length=29.5mm時， Width=41.4mm時S11的掃頻曲線從S11掃頻曲線的報(bào)告可以看出Length=29.5mm時， Width=41.4mm時，天線諧振點(diǎn)在2.45GHZ，此時S1116.6dB。 9.3 查看S11

10、參數(shù)的Smith圓圖結(jié)果 圖11 S11參數(shù)的史密斯圓圖 在報(bào)告圖中標(biāo)記出2.45GHZ的位置，標(biāo)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(bào)告圖 在VSWR報(bào)告圖2.4GHZ和2.5GHZ位置作標(biāo)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(shù) HFSS在天線問題的數(shù)據(jù)后處理中，可以給出工作頻率上輻射強(qiáng)度、方向性、前后比等各種天線參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。 圖15 天線性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及總結(jié) 在前面的分析設(shè)計(jì)中，我們只優(yōu)化了微帶貼片天線的長度，使天線的諧振頻點(diǎn)（