HFSS雙頻微帶天線設(shè)計(jì)

一設(shè)計(jì)內(nèi)容簡介雙頻工作是微帶天線設(shè)計(jì)的重要課題之一，有關(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樸的措施是輻射貼片的長度對(duì)應(yīng)一種頻率諧振，其寬度對(duì)應(yīng)另一種頻率諧振，然后從對(duì)角線的一角饋電，就能使同一種輻射貼片工作于兩個(gè)頻率上。其構(gòu)造如圖1所示。圖1故在這個(gè)設(shè)計(jì)中，L1是表達(dá)饋電點(diǎn)長度方向的x坐標(biāo)的變量，其值為7mm,表達(dá)的中心頻率為2.45GHZ，輸入阻抗為50歐姆。L2是表達(dá)饋電點(diǎn)的y坐標(biāo)的變量，其值為10mm,表達(dá)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，參照地面輻射貼片使用理想薄導(dǎo)體。由于使用50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照地面需挖出一種半徑為1.5mm的圓孔，將其作為信號(hào)輸入輸出端口，該端口的鼓勵(lì)方式設(shè)置為集總端口鼓勵(lì)，端口歸一化阻抗為50歐姆。HFSS仿真設(shè)計(jì)過程1.新建工程文獻(xiàn)運(yùn)行HFSS并新建工程：雙擊快捷圖標(biāo)，啟動(dòng)HFSS軟件。新建一種工程文獻(xiàn)，工程名為Dual_Patch.hfss文獻(xiàn)。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文本框中輸入第一種變量名稱H，在value文本框中輸入該變量的初始值為1.6mm。使用相似的措施，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)立介質(zhì)基片：在主菜單中選擇Draw→Box命令，進(jìn)入創(chuàng)立長方體的狀態(tài)，然后三維模型窗口創(chuàng)立任意一種長方體。打開新建長方體屬性對(duì)話框，把長方體的名稱修改為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方體的長寬高為2*L0，2*W0，H。如圖3-1所示。這時(shí)就創(chuàng)立好了名稱為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)立輻射貼片：在主菜單中選擇Draw→rectangle命令，進(jìn)入創(chuàng)立矩形面的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種矩形面。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寬為L0，W0。如圖3-2所示。這時(shí)就創(chuàng)立好了名稱為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)立參照地：在主菜單中選擇Drawrectangle命令，進(jìn)入創(chuàng)立矩形面的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種矩形面。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寬為2*L0，2*W0。如圖3-3所示。這時(shí)就創(chuàng)立好了名稱為GND的參照地模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-3參照地模型（4）創(chuàng)立同軸饋線的內(nèi)芯：在主菜單中選擇DrawCylinder命令，進(jìn)入創(chuàng)立圓柱體的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種圓柱體。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度為H。如圖3-4所示。這時(shí)就創(chuàng)立好了名稱為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)立信號(hào)傳播端口面：同軸線饋電需要穿過參照地面來傳播信號(hào)能量。因此，需要在參照地面GND上開一種圓孔容許能量傳播。首先在參照地面上創(chuàng)立一種半徑為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，使用參照地面減去圓面，從而在參照地面上開出一種圓孔。在主菜單中選擇DrawCircle命令，進(jìn)入創(chuàng)立圓面的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種圓面。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)立好了名稱為Port的信號(hào)傳播端口面模型。然后按CtrlD全屏顯示物體模型。圖3-5信號(hào)傳播端口面模型使用相減操作在參照地面挖一種圓孔。按住Ctrl鍵的同步單機(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。同步為保留圓面port，需要選中對(duì)話框中的Clonetoolobjectsbeforeoperation復(fù)選框。最終點(diǎn)擊OK。圖3-6至此，就創(chuàng)立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和參照地設(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。（2）設(shè)置輻射邊界條件：在主菜單中選擇DrawBox命令，進(jìn)入創(chuàng)立長方體的狀態(tài)，然后任意創(chuàng)立一種長方體。雙擊Solids節(jié)點(diǎn)下的Box1選項(xiàng)，打開新建長方體屬性對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡，把長方體的名稱修改為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方體的長寬高為(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)置端口鼓勵(lì)：單擊port,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。完畢集總端口設(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。增長掃頻選擇菜單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：迅速（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成果及分析：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）的掃頻分析成果。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，打開匯報(bào)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掃頻分析成果從成果匯報(bào)中可以看出，矩形微帶天線出現(xiàn)了兩個(gè)諧振點(diǎn)，一種諧振點(diǎn)為2.45GHZ，且S11的值為-24.0917dB。另一種諧振頻率為1.7GHZ，此時(shí)的S11值為-11.3013dB。2查看S11的Smith圓圖成果：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，打開匯報(bào)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原圖成果，如圖8-2所示。圖8-2從成果匯報(bào)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)都到達(dá)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，打開匯報(bào)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NewReport按鈕。再單擊close按鈕。如圖8-3