基于HFSS的天線設(shè)計

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1、基于HFSS的天線設(shè)計一、實驗目的●利用電磁軟件AnsoftHFSS設(shè)計一款微帶天線?！粑炀€要求：工作頻率為2.5GHz，帶寬(回波損耗S11<-10dB)大于5%。●在仿真實驗的幫助下對各種微波元件有個具體形象的了解。二、實驗原理1、微帶天線簡介微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，經(jīng)過20年左右的發(fā)展，Munson和Howell于20世紀70年代初期制造出了實際的微帶天線。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等優(yōu)點，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應用于個人無線通信中。圖1：微帶天線的結(jié)構(gòu)圖1是一個簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，由

2、輻射源、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射源的長度L、輻射源的寬度W、介質(zhì)層的厚度h、介質(zhì)的相對介電常數(shù)和損耗正切、介質(zhì)層的長度LG和寬度WG。圖1所示的微帶貼片天線是采用微帶天線來饋電的，本次將要設(shè)計的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電，也就是將同軸線街頭的內(nèi)心線穿過參考地和介質(zhì)層與輻射源相連接。對于矩形貼片微帶天線，理論分析時可以采用傳輸線模型來分析其性能，矩形貼片微帶天線的工作主模式是TM10模，意味著電場在長度L方向上有的改變，而在寬度W方向上保持不變，如圖2（a）所示，在長度L方向上可以看做成有兩個終端開路的縫隙

3、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。從圖2（b）可以看出，微帶線邊緣的電場可以分解成垂直于參考地的分量和平行于參考地的分量兩部分，兩個邊緣的垂直電場分量大小相等、方向相反，平行電場分量大小相等，方向相反；因此，遠區(qū)輻射電場垂直分量相互抵消，輻射電場平行于天線表面。15基于HFSS的天線設(shè)計（a）俯視圖（b）側(cè)視圖圖2矩形微帶貼片天線的俯視圖和側(cè)視圖2、天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)推導計算公式假設(shè)矩形貼片的有效長度設(shè)為，則有（1-1）式中，表示波導波長，有（1-2）式中，表示自由空間波長，表示有效介電常數(shù)，且（1-3

4、）式中，表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)，h表示介質(zhì)層厚度，W表示微帶貼片的寬度。由此，可計算出矩形貼片的實際長度L，有（1-4）式中，表示真空中的光速，表示天線的工作頻率，表示圖2（a）中所示的等效輻射縫隙的長度，且有（1-5）矩形貼片的寬度W可以由下式計算：15基于HFSS的天線設(shè)計（1-6）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，在微波應用中通常是使用50的標準阻抗，因此炫耀確定饋點的位置是天線的輸入阻抗等于50。對于圖3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，坐標原點位于

5、貼片的中心，以（）表示饋點的位置坐標。圖3同軸線饋電的微帶天線對于TM10模式，在W方向上電場強度不變，因此理論上W方向上的任一點都可以作為饋點，為了避免激發(fā)TM1n模式，在W方向上饋點的位置一般取在中心點，即（1-7）在L方向上電場有的改變，因此在長度L方向上，從中心到兩側(cè)，阻抗逐漸變大，輸入阻抗等于50的饋點位置可由下式計算：（1-8）式中，（1-9）上述分析都是基于參考地平面是無限大的基礎(chǔ)上的，然而實際設(shè)計中，參考地都是有限面積的，理論分析證明了當參考地平面比微帶貼片大出的距離時。計算結(jié)果就可以達到足夠的準確，因此設(shè)計中參考地的長度和寬

6、度只需滿足以下兩式即可，即15基于HFSS的天線設(shè)計（1-10）（1-11）一、實驗步驟1、設(shè)計指標和天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計算本實驗的矩形微帶天線的中心頻率為2.5GHz，選用的介質(zhì)板材為RogersRO4003，其相對介電常數(shù)，厚度=5mm，天線使用同軸線饋電。根據(jù)上面的推導公式來計算微帶天線的幾何尺寸，包括貼片的長度L和寬度W、同軸線饋點的位置坐標（），以及參考地的長度和寬度。(1)、矩形貼片的寬度W把代入式（1-6），可以計算出微帶天線矩形貼片的寬度，即(2)、有效介電常數(shù)把代入式（1-3），可以計算出有效介電常數(shù)，即(3)、輻射縫隙的長度

7、把代入式（1-5），可以計算出微帶天線輻射縫隙的長度，即(4)、矩形貼片的長度L把代入式（1-4），可以計算出微帶天線矩形貼片的長度，即(5)、參考地的長度和寬度把15基于HFSS的天線設(shè)計分別代入式（1-10）和（1-11），可以計算出微帶天線參考地的長度和寬度，即(6)、同軸線饋點的位置坐標（）把分別代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以計算出微帶天線同軸線饋點的位置坐標（），即2、HFSS設(shè)計和建模概述(1)、建模概述本設(shè)計天線是使用同軸線饋電的微帶結(jié)構(gòu)，HFSS工程可以選擇模式驅(qū)動求解類型。在HFSS中如果需要計算遠區(qū)輻射

8、場，必須設(shè)置輻射邊界表面或者PML邊界表面，這里使用輻射邊界條件，為了保證計算得準確性，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4個波長。因為使用了輻射邊界表面，所以