（這個仿真了好久啊啊啊啊啊，搞得這么晚，哭遼 ）

一、設計指標

設計一個右旋圓極化GPS天線

• 中心頻率：1.575GHz
• 軸比：中心頻率處圓極化波小于2dB
• 饋電方式：單點同軸線饋電
• 介質板厚度：1.6mm
• 介質板介電常數：4.4

二、圓極化矩形微帶天線

矩形貼片微帶天線的極化方式通常是線極化，例如，前面設計的3個矩形微帶天線，它們的極化方式都是線極化的。如果采用特殊的饋電方式，也可以獲得圓極化的矩形貼片微帶天線。圓極化的關鍵是激勵起兩個極化方式正交的線極化波，當這兩個模式的線極化波幅度相等、相位相差90°時，就能得到圓極化波的輻射。矩形微帶天線獲得圓極化特性的饋電方式有兩種，一種是單點饋電，另一種是正交雙饋。
我們知道當同軸線的饋電點位于輻射貼片的對角線位置時，可以激發TM${}_{01}$和TM${}_{10}$兩個模式，這兩個模式的電場方向互相垂直。在設計中，我們讓輻射貼片的長度L和寬度W相等，這樣激發的TM${}_{01}$和TM${}_{10}$兩個模式的頻率相同、強度相等，而且兩個模式電場的相位差為零。若輻射貼片的諧振長度為L${}_c$，我們微調諧振長度略偏離諧振，即一邊長度為L${}_c$+a，另一邊長度為L${}_c$-a,如圖所示。

前者對應一個容抗Y =G-jB，后者對應一一個感抗Y =G+jB，只要調整a的值，使得每一組的電抗分量等于阻抗的實數部分，即B=G，則兩阻抗大小相等，相位分別為-45°和+45°，這就滿足了圓極化條件，從而構成了圓極化微帶天線。其極化旋向取決于饋電點的接入位置，當饋電點在如上圖所示的A點位置時，產生右旋圓極化波;當饋電點在如上圖所示的B點位置時，產生左旋圓極化波。

理論上當L/W=1.029，即a =0.0143L。時,TM${}_{01}$和TM${}_{10}$兩個模式的相位差為90°。另外，由實際經驗可以得到，此種結構的50$\Omega$饋電點位于輻射貼片對角線上，且饋電點和輻射貼片頂點的距離d。在(0. 35 ~0. 39)d之間。假設饋電點到輻射貼片的中心距離為L1，則L1在(0. 11 ~0. 15)L${}_c$之間。
由HFSS - 側饋矩形微帶天線設計與仿真中的公式可以得到初始尺寸L=W=L${}_c$=46.1mm，設置微調常數a=0.0143L${}_c$來產生圓極化波。估算饋電點距離中心為0.15倍的L${}_c$即為6.9mm。

三、模型創建與仿真

此處直接使用雙頻微帶天線的模型進行修改。
打開雙頻天線的文件刪除工程樹Results 節點下的所有結果報告，以及Optimetrics 節點下的所有優化設計項和參數掃描分析項。同時，打開該設計文件所在的文件夾，刪除其中的xxxxx. hfssresults 文件夾。修改添加參量值如下

將饋電點移動至前面所述的A點，修改后位置如下

饋電端口依照上述位置作出修改。修改相應的求解頻率和掃描范圍如下：


仿真后調出S${}_{11}$結果如下圖：

從結果報告中可以看出，在初始設計尺寸下，天線的諧振頻率為1. 53GHz。我們設計要求的中心頻率為1. 575GHz，所以下面進行參數掃描分析，給出輻射長度L$c$和諧振頻率之間的變化關系，找到諧振頻率為1. 575GHz時L$c$的大致取值范圍。

四、參數優化

由理論分析可知，矩形微帶天線的諧振頻率主要由輻射貼片的長度決定，諧振頻率隨著貼片長度的縮短而變大。接下來，我們通過參數掃描分析功能來分析諧振頻率隨著輻射貼片長度L$c$的變化關系，從而找到L$c$的大致取值范圍使得諧振頻率為1. 575GHz。
添加掃描參數如下

參量掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，諧振頻率隨著L$c$的變大而降低。在饋電點位置L1 =6. 9mm不變的情況下，當L$c$=44.7mm時，諧振頻率為1. 58GHz；當L$c$= 44.9mm時，諧振頻率為1. 57GHz。
由之前的理論分析可知，矩形微帶天線的輸入阻抗主要由饋電點的位置決定，當饋電點從輻射貼片中心往邊緣移動時，即當變量L1逐漸變大時，輸入阻抗也隨之逐漸變大。下面我們通過參數掃描分析功能來分析在諧振頻率為1. 575GHz左右時，輸入阻抗和饋電點位置變量L1之間的關系，并找到輸入阻抗為50$\Omega$時L1的大致取值范圍。
查看初始阻抗如下

從結果報告中可以看出，工作頻率為1. 575GHz時，輸人阻抗為(34.8-j0.92)$\Omega$。因此，要使輸入阻抗為50$\Omega$左右，則L1的值必須大于初始值6. 9mm。下面使用參數分析功能來分析天線的輸入阻抗與同軸線饋電點位置變量L1之間關系，并找到輸入阻抗為50$\Omega$時L1的大致取值范圍。掃描變量L1的掃描范圍中的最小值需要大于6.9mm，這里設置為7. 4mm ~ 9mm。如下圖所示。

參數掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，輸入阻抗隨著L1的變大而變大（饋電點距離輻射貼片中心越遠，輸入阻抗越大），當L1 = 8.6mm時，輸入阻抗約為50$\Omega$。
從前面的參數掃描分析結果可知，當輻射貼片的長度L$c$=44. 7mm時，諧振頻率在1. 575GHz左右;當饋電點位置L1 =8. 8mm時，輸入阻抗約為50$\Omega$。因此，在優化分析時，變量L$c$和L1的優化范圍可以分別取44mm-45mm和8mm-9mm。下面我們使用HFSS的優化設計功能，分析給出滿足設計要求的最佳設計。
為了滿足設計要求且達到很好的圓極化波，在中心頻率上設置優化目標函數為S${}_{11}$<-20dB且軸比小于1dB，即在HFSS中表示為dB(S(1,1))<-20，且dB( AxialRatioValue) <1。（軸比：電場最大值與最小值之比，表征極化的參數。）
將L1和L$c$設置為優化變量如下圖

添加優化設計


選擇優化變量



設置優化目標

設置好優化目標后，設置優化范圍

查看優化過程


從優化結果中可以看出，在進行了30次優化迭代之后，并沒有找到一組滿足優化目標要求( 即Cost=0)的值。查看所有30次的優化分析結果，可以找到第20次優化迭代的誤差函數值最小(Cost =1.45)，此時變量L1 =8. 24mm、L。 =44. 37mm。那么，我們可以取該組值為最終設計結果。
將參量改為上述值之后仿真并查看結果。

五、優化后的仿真結果

1、回波損耗

2、Smith圓圖

3、增益方向圖

總結

以上是生活随笔為你收集整理的HFSS - 圆极化矩形微带天线设计与仿真的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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