HFSS雙頻微帶天線設(shè)計(jì)說明

..一設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介雙頻工作是微帶天線設(shè)計(jì)的重要課題之一,相關(guān)的設(shè)計(jì)包括使用多層金屬片,具槽孔負(fù)載之矩形金屬片,具矩形缺口的正方形金屬片,具短金負(fù)載的金屬片,傾斜槽孔耦合饋入的矩形金屬片等。其中,獲得雙頻工作的一種最簡(jiǎn)單的方法是輻射貼片的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率諧振,其寬度對(duì)應(yīng)另一個(gè)頻率諧振,然后從對(duì)角線的一角饋電,就能使同一個(gè)輻射貼片工作于兩個(gè)頻率上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1故在這個(gè)設(shè)計(jì)中,L1是表示饋電點(diǎn)長(zhǎng)度方向的x坐標(biāo)的變量,其值為7mm,表示的中心頻率為2.45GHZ,輸入阻抗為50歐姆。L2是表示饋電點(diǎn)的y坐標(biāo)的變量,其值為10mm,表示的中心頻率為1.7GHZ。輸入阻抗為50歐姆。設(shè)計(jì)模型的中心在坐標(biāo)原點(diǎn)上,輻射貼片的長(zhǎng)度方向是沿著x軸方向,寬度方向是沿著y方向的。介質(zhì)基片的大小是輻射貼片的兩倍,參考地面輻射貼片使用理想薄導(dǎo)體。因?yàn)槭褂?0歐姆的同軸線饋電,這里使用半徑為0.6mm的材質(zhì)為pec的圓柱體模型。而與圓柱體相接的參考地面需挖出一個(gè)半徑為1.5mm的圓孔,將其作為信號(hào)輸入輸出端口,該端口的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì),端口歸一化阻抗為50歐姆。HFSS仿真設(shè)計(jì)過程1.新建工程文件運(yùn)行HFSS并新建工程：雙擊快捷圖標(biāo),啟動(dòng)HFSS軟件。新建一個(gè)工程文件,工程名為Dual_Patch.hfss文件。設(shè)置求解類型：選擇hfss→SolutionType,選中DrivenModal,然后點(diǎn)擊OK。設(shè)置模型長(zhǎng)度：選擇Modeler→Units選項(xiàng)設(shè)置為mm。點(diǎn)擊OK。添加和定義設(shè)計(jì)變量在HFSS→DesignPropertied命令,打開設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框,然后單擊對(duì)話框。在Name文本框中輸入第一個(gè)變量名稱H,在value文本框中輸入該變量的初始值為1.6mm。使用相同的方法,分別定義變量L0,W0,L1,length,L2。其初始值分別為28mm,37.26mm,7mm,30mm,10mm點(diǎn)擊確定。設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框如圖所示。3.設(shè)計(jì)建模創(chuàng)建介質(zhì)基片：在主菜單中選擇Draw→Box命令,進(jìn)入創(chuàng)建長(zhǎng)方體的狀態(tài),然后三維模型窗口創(chuàng)建任意一個(gè)長(zhǎng)方體。打開新建長(zhǎng)方體屬性對(duì)話框,把長(zhǎng)方體的名稱修改為Substrate,設(shè)置材質(zhì)為FR4_epoxy,設(shè)置透明度為0.6.再雙擊歷史樹Substrate下的CreateBox選項(xiàng),打開Command選項(xiàng)卡,在position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為〔-L0,-W0,0,在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分別輸入長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高為2*L0,2*W0,H。如圖3-1所示。這時(shí)就創(chuàng)建好了名稱為Substrate的介質(zhì)基片模型。然后按Ctrl＋D全屏顯示物體模型。圖3-1介質(zhì)基片模型創(chuàng)建輻射貼片：在主菜單中選擇Draw→rectangle命令,進(jìn)入創(chuàng)建矩形面的狀態(tài),然后任意創(chuàng)建一個(gè)矩形面。雙擊Solids節(jié)點(diǎn)下的rectangle1選項(xiàng),打開新建矩形面屬性對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡,把矩形面的名稱修改為Patch,設(shè)置透明度為0.4.再雙擊歷史樹Substrate下的Createrectangle選項(xiàng),打開Command選項(xiàng)卡,在position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為〔-L0/2,-W0/2,H,在Xsize,Ysize文本框中分別輸入矩形面的長(zhǎng)寬為L(zhǎng)0,W0。如圖3-2所示。這時(shí)就創(chuàng)建好了名稱為patch輻射貼片模型。然后按CtrlD全屏顯示物體。圖3-2輻射貼片模型<3>創(chuàng)建參考地：在主菜單中選擇Drawrectangle命令,進(jìn)入創(chuàng)建矩形面的狀態(tài),然后任意創(chuàng)建一個(gè)矩形面。雙擊Solids節(jié)點(diǎn)下的rectangle1選項(xiàng),打開新建矩形面屬性對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡,把矩形面的名稱修改為GND,設(shè)置透明度為0.4.再雙擊歷史樹Substrate下的Createrectangle選項(xiàng),打開Command選項(xiàng)卡,在position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為〔-L0,-W0,0,在Xsize,Ysize文本框中分別輸入矩形面的長(zhǎng)寬為2*L0,2*W0。如圖3-3所示。這時(shí)就創(chuàng)建好了名稱為GND的參考地模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-3參考地模型〔4創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯：在主菜單中選擇DrawCylinder命令,進(jìn)入創(chuàng)建圓柱體的狀態(tài),然后任意創(chuàng)建一個(gè)圓柱體。雙擊Solids節(jié)點(diǎn)下的rectangle1選項(xiàng),打開新建矩形面屬性對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡,把圓柱體的名稱修改為Feed,設(shè)置其材質(zhì)為pec.再雙擊歷史樹Substrate下的CreateCylinder選項(xiàng),打開Command選項(xiàng)卡,在position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為〔L1,L2,0,在Radius文本框中分別輸入圓柱體的半徑為0.6。在Height文本框中分別輸入圓柱體的長(zhǎng)度為H。如圖3-4所示。這時(shí)就創(chuàng)建好了名稱為Feed的圓柱體同軸饋線內(nèi)芯模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-4同軸饋線內(nèi)芯模型〔5創(chuàng)建信號(hào)傳輸端口面：同軸線饋電需要穿過參考地面來傳輸信號(hào)能量。因此,需要在參考地面GND上開一個(gè)圓孔允許能量傳輸。首先在參考地面上創(chuàng)建一個(gè)半徑為1.5mm,圓心坐標(biāo)為〔L1,0,0的圓面,并將其命名為Port。然后在執(zhí)行相減操作,使用參考地面減去圓面,從而在參考地面上開出一個(gè)圓孔。在主菜單中選擇DrawCircle命令,進(jìn)入創(chuàng)建圓面的狀態(tài),然后任意創(chuàng)建一個(gè)圓面。雙擊Solids節(jié)點(diǎn)下的Circle選項(xiàng),打開新建圓面屬性對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡,把矩形面的名稱修改為Port。再雙擊歷史樹Port下的CreateCircle選項(xiàng),打開Command選項(xiàng)卡,在position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為〔L1,L2,0,在Radius文本框中分別輸入圓面的半徑為1.5。如圖3-5所示。這時(shí)就創(chuàng)建好了名稱為Port的信號(hào)傳輸端口面模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-5信號(hào)傳輸端口面模型使用相減操作在參考地面挖一個(gè)圓孔。按住Ctrl鍵的同時(shí)單機(jī)GND和Port選項(xiàng),選中這兩個(gè)平面。然后在主菜單中選擇Modeler→Boolean→Substrate命令,打開如圖3-6所示的對(duì)話框。同時(shí)為保留圓面port,需要選中對(duì)話框中的Clonetoolobjectsbeforeoperation復(fù)選框。最后點(diǎn)擊OK。圖3-6至此,就創(chuàng)建好了同軸線饋電的矩形微帶天線的設(shè)計(jì)模型,如圖3-7所示。圖3-74設(shè)置邊界條件〔1把輻射貼片Patch和參考地設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。選中patch和gnd然后單擊右鍵,在彈出的快捷菜單中選擇

assign→boundary→perfectE命令,打開理想導(dǎo)體邊界條件設(shè)置對(duì)話框,保留默認(rèn)設(shè)置不變,點(diǎn)擊確定?！?設(shè)置輻射邊界條件：在主菜單中選擇DrawBox命令,進(jìn)入創(chuàng)建長(zhǎng)方體的狀態(tài),然后任意創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體。雙擊Solids節(jié)點(diǎn)下的Box1選項(xiàng),打開新建長(zhǎng)方體屬性對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡,把長(zhǎng)方體的名稱修改為AirBox,設(shè)置透明度為0.8。再雙擊歷史樹Substrate下的CreateBox選項(xiàng),打開Command選項(xiàng)卡,在position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為〔-L0/2-length,-W0/2-length,-10,在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分別輸入長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高為<L0+2*lengt,W0+2*length,10mm+H+length>。如圖所示。單擊AirBox選項(xiàng),右擊選擇assign→boundary→radiation,保留默認(rèn)設(shè)置不變,點(diǎn)擊確定。5設(shè)置端口激勵(lì)：?jiǎn)螕魀ort,選擇port后,右擊選擇assign→excitation→lumpedport命令,打開集總端口設(shè)置對(duì)話框。在name文本框輸入名稱1,點(diǎn)擊下一步,在mode對(duì)話框中,單擊impedanceline項(xiàng)的none,選擇newline,此時(shí)輸入起始坐標(biāo)〔7.6,0,0,再輸入坐標(biāo)〔0.9,0,0,并確定。完成集總端口設(shè)置。6：求解設(shè)置：選擇菜單：HFSS〉A(chǔ)nalysis〉Setup〉A(chǔ)ddSolutionSetupa。點(diǎn)擊通用〔General鍵求解頻率：2.45GH,最大通過數(shù)目：20,通過的最大DeltaS：0.02,點(diǎn)擊確定按鈕。增加掃頻選擇菜單HFSS〉A(chǔ)nalysis〉A(chǔ)ddSweep,選擇求解設(shè)置：Setup1,點(diǎn)擊確定按鈕。編輯掃頻窗口,掃描類型：快速〔Fast頻率設(shè)置類型：線形計(jì)數(shù)〔LinearCount開始<Start>：1.0GHz,結(jié)束〔Stop：3GHz,計(jì)數(shù)〔Count：0.01GHZ點(diǎn)擊確定按鈕。7.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算：1模型檢查,選擇菜單：HFSS〉ValidationCheck,點(diǎn)擊關(guān)閉〔Close按鈕。注意：使用信息管理器可以看到任何錯(cuò)誤或警告信息。2求解過程,選擇菜單：HFSS〉A(chǔ)nalyzeAll。8結(jié)果及分析：1查看天線的諧振頻率：查看天線信號(hào)的端口回波損耗〔即S11的掃頻分析結(jié)果。右鍵單擊工程樹下的result節(jié)點(diǎn),在彈出的菜單中選擇createmodalsolutiondatareport→rectangularpolt命令,打開報(bào)告設(shè)置對(duì)話框,選擇sttup1:sweep1,在category列表框選中Sparameter選項(xiàng),在quantity列表框選中S〔1,1,在Function列表框選中dB。然后單擊NewReport按鈕。再單擊close按鈕。如圖8-1所示圖8-1S11掃頻分析結(jié)果從結(jié)果報(bào)告中可以看出,矩形微帶天線出現(xiàn)了兩個(gè)諧振點(diǎn),一個(gè)諧振點(diǎn)為2.45GHZ,且S11的值為-24.0917dB。另一個(gè)諧振頻率為1.7GHZ,此時(shí)的S11值為-11.3013dB。2查看S11的Smith圓圖結(jié)果：右鍵單擊工程樹下的result節(jié)點(diǎn),在彈出的菜單中選擇createmodalsolutiondatareport→SmithChart命令,打開報(bào)告設(shè)置對(duì)話框,選擇Trace選項(xiàng)卡的參數(shù)。然后單擊NewReport按鈕,得Smith原圖結(jié)果,如圖8-2所示。圖8-2從結(jié)果報(bào)告中看出,1.7GHZ是的歸一化阻抗為1.00-j0.16。2.45GHZ是的歸一化阻抗為1.03-j0.03,在兩個(gè)工作頻點(diǎn)都達(dá)到了很好的阻抗匹配。32.45GHZ時(shí)的增益方向圖：右鍵單擊工程樹下的result節(jié)點(diǎn),在彈出的菜單中選擇createfarfieldsreport→radiationpattern命令,打開報(bào)告設(shè)置對(duì)話框,在geometry列表框選中之前定義的輻射表面EHPlane選項(xiàng),在category列表框選中g(shù)ain。選項(xiàng)在quantity列表框選中g(shù)aintotal,在Function列表框選中dB。然后單擊NewRepo