HFSS之天线设计实例
目錄
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矩形微帶天線
微帶天線尺寸計算?
微帶線的3個關鍵指標如以下
HFSS設計流程
新建工程并設置求解類型
天線建模
添加求解設置和掃頻設置
天線建模步驟
諧振點查看
優化設計
查看天線分析結果
3D增益
Smith圓圖
S參數
?駐波比
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?平面增益
方向性系數\增益\軸比
矩形微帶天線
微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，經過20年左右的發展，Munson和Howell于20世紀70年代初期制造出來了實際的微帶天線
一個簡單的微帶貼片天線的結構，由輻射元、介質層和參考地組成。與天線性能相關的參數包括輻射元的長度L、輻射元的寬度W、介質層的厚度h、介質的相對介電常數和損耗正切、介質層的長度LG和寬度WG。
矩形貼片微帶天線的工作主模時TM10模，意味著電場在長度L方向上有的改變，而在跨度W方向上保持不變。在長度L方向上可以看作成有兩個終端開路的縫隙輻射出電磁能量，在寬度W方向的邊緣處由于終端開路，所以電壓值最大電流值最小。
圖1 矩形貼片天線微帶天線尺寸計算?
在給定介質層厚度（h）、介電常數（）、的情況下，矩形微帶天線的工作頻率和輻射元的長度L、輻射元的寬的W相關
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對于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長度L和寬度W之后，還需要確定同軸線饋點的位置，饋點的位置會影響天線的輸入阻抗。
在L方向上電場有半波長的改變，因此從L的中心點到兩側，阻抗逐漸變大
天線輸入阻抗為50Ω時L方向上饋點的位置可以由下式計算：
本例設計的矩形微帶天線工作與ISM頻段，其中心頻率為2.5GHz，無線局域網（WLAN），藍牙，ZigBee等無線網絡均可工作在該頻段上。選用的介質板材為Rogers RO4033，其相對介電常數厚度；天線使用同軸線饋電。
微帶線的3個關鍵指標如以下
矩形貼片的寬度：W=41.4mm
矩形貼片的長度：L=31.0mm
饋點位置：
HFSS設計流程
新建工程并設置求解類型
因為是使用同軸饋電的微帶結構，HFSS工程可以選擇模式驅動求解類型
天線建模
模型的中心位于坐標原點，參考地和微帶貼片使用理想導體來代替，在HFSS中可以通過給一個二維平面模型分配理想導體邊界條件的方式來模擬理想薄導體；
參考地放置于坐標系中Z=0的XOY平面上，長度和寬度都去90mm
介質層位于參考地的正上方，其高度為5mm，長度和寬度都取80mm
微帶貼片放置于Z=5mm的XOY平面上，長度L=31.0mm，寬度W=41.4mm，長度沿著X軸方向
使用半徑為0.5mm的圓柱體模擬同軸線的內芯，圓柱體在XOY平面的中心位于（9.5mm,0），設置圓柱體材質為理想導體；圓柱體頂部于微帶貼片相接，底部于參考面相接，在與圓柱體相接的參考面地面上需要挖出一個半徑1.5mm的圓孔，作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵方式設置為集總端口激勵。
對于天線類問題的分析設計，在模型建好之后，用戶不要忘記設置輻射邊界條件，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個波長，2.45GHz時自由空間波長約為35mm，所以這里設置的輻射邊界表面離微帶線模型的距離為35mm，整個微帶天線模型（包括參考地、介質層和微帶貼片）的長?寬?高為90mm?90mm?5mm，所以輻射邊界表面的長?寬?高可以設置為160mm?160mm?75mm
為了方便后續參數掃描分析和優化設計，在建模時發呢別定義變量length、Width和Xf來表示微帶貼片的長度、寬度和同軸饋線的饋點位置
添加求解設置和掃頻設置
天線中心工作頻率在2.45GHz，因此設置HFSS的求解頻率（即自適應哇哥哥剖分頻率）為2.45GHz；同時添加1.5~3.5GHz的掃頻設置，選擇快速（fast)掃頻類型，分析天線在1.5~3.5GHz頻段的回波損耗或者電壓駐波比。
設計檢查并運行仿真分析
天線建模步驟
第一步：新建工程并保存
第二步：設置驅動求解為模式驅動，并設置單位為mm
第三步：創建起始點（-45，-45，0）X和Y軸的寬度為（90，90）的矩形面平面地，并設置輻射元的理想導體電場
第四步：創建起始點（-40，-40，0）X、Y和Z的方向的大小為（80，80，5），介質層材質為Rogers RO4033
第五步：創建起始點（-15.5 ,-20.7 ,5）X和Y的長度和寬度分別31和41.4的輻射元，并設置輻射元的理想導體電場
第六步：創建起始點（9.5 ,0 ,0），半徑為0.5mm，高度為5mm的圓柱體，并在平面地設置比圓柱體圓面稍大的圓形孔，圓孔中心坐標為（9.5，0，0），半徑為1.5mm。最后用平面地減去圓孔。
第七步：創建起始點（-80 ,-80 ,-35）X、Y和Z的方向的大小為（160，160，75）的真空輻射邊界，并設置輻射邊界條件。
第八步：添加求解設置項和掃頻設置項。工作頻率設置在2.45GHz，自適應網格剖分數為15，并設置1.5~3.5GHz步長為0.02GHz的fast掃頻設置項。
第幾步：點擊“Validate”項，檢查各項是否設置完整，然后點擊仿真。
設置完成后的矩形微帶貼片天線如圖3所示
圖3 建模好的矩形微帶貼片天線諧振點查看
從圖4可以看出，該貼片天線的諧振點在唉2.34GHz，因此需要對參數進行進一步優化設置，使得矩形貼片天線的諧振點在2.45GHz上。
圖4 初步矩形微帶貼片天線S參數圖優化設計
在優化設計之前，先進行參數掃描分析，來查看諧振頻點和哪些參數相關的，這樣可以找到合適的優化變量，同時也可以設置合適的優化變量范圍。
無論是參數掃描還是優化設計都需要變量，因此先設置三個參數變量分別為Length、Width和Xf，初始值為31mm，41.4mm，9.5mm，分別表示貼片天線輻射元的長寬，和饋點的位置。
然后將變量分別替換輻射元、圓柱饋點、圓形孔的位置坐標。然后通過掃頻設置項來查看三個變量對諧振點的影響，為了掃頻速度更快，我們將掃頻范圍設置更小一些為2.2GHz~2.8GHz，步長為0.05GHz。
然后添加優化設計變量Length設置為28mm到31mm步長為0.5mm。
查看輻射元長度Length與諧振頻點之間的關系；
圖5 諧振頻點隨輻射元長度的變化從圖5可以看出，當L=29mm時，矩形貼片天線的諧振頻點在2.5GHz，因此可以發現諧振頻點與輻射元長度相關，因此在優化設計中將Length變量作為優化設計變量并設置掃頻范圍為29~?30mm
然后添加優化設計變量Length設置為39mm到42mm步長為0.5mm。
查看輻射元寬度Width與諧振頻點之間的關系
圖6 諧振頻點隨輻射元寬度的變化從圖6可以看出輻射元的江寬度對諧振頻點并不會有很大的改善，因此在優化時不需要將輻射元寬度作為優化變量。
緊接著將輻射元長度設置為優化變量參數，并在工程樹下的“Optimetrics”下右鍵添加優化參數，然后將掃頻設置項的步長設置為0.02GHz，然后右鍵“Setup1”并點擊分析，最優結果為29.65mm，分析后結果圖如圖7所示
圖8 優化后的S參數圖查看天線分析結果
3D增益
Smith圓圖
S參數
?駐波比
?平面增益
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方向性系數\增益\軸比
總結
以上是生活随笔為你收集整理的HFSS之天线设计实例的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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