天线CAD大作业微带天线设计.docx

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1、而城重于将彼尢警天线CAD大作业学院：电子工程学院专业：电子信息工程微带天线设计一、设计要求：(1)工作频带l.l-1.2GHz,带内增益4.0dBi,VSWR42:1。微波基板介电常数为&=6,厚度H5mm,线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。(2)拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为6=6,厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,C=3x0%?/S天线使用50。同轴线馈电，线极化，则W=(1)辐射切片的宽度2

2、氏=(2)有效介电常数2=0.4l2h(3)辐射缝隙的长度1.=7=-(4)辐射切片的长度2疙(5)同轴线馈电的位置Ll1.小r+1r-l.-re(L)=-+-(1I2-)22L=5.20We=14.63mm三、HFSS设计(1)微带天线建模概述C(夕+1尸2=69.72mm1-1W1h=一:十12)22W_(e+0.3Xwh+0.264)0.258)(w/h+0.8)=220-2L=52.IOmm为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：NameValueUnitEvaluatedV.TypeH5mm5mmDesignD

3、J52.1mm52.ImmDesignw69.72mm69.72mmDesignLl14.63mm14.63mmDesignlength65.22mm65.22mmDesign微带天线的HFSS设计模型如下:立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着X轴，宽度方向沿着y轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50。同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为(Ll,0,0)；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示;在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端

4、口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Q。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHZ时自由空间中1/4个波长约为65.22mm,用变量length表示。(2) HFSS设计环境概述*求解类型：模式驱动求解。大建模操作模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。模型操作：相减操作大边界条件和激励边界条件：理想导体边界、辐射边界。端口激励：集总端口激励。*求解设置:求解频率：1.15GHz。扫频设置:快速扫描，频率范围：lL3GHz0*Optimetrics参数扫描分析。优化设计。*数据后处理：S参数扫频曲线、VSWR.天线方向图

5、、天线参数。(3)仿真结果由图得天线的谐振频率为LIlGHz,不是1.15GHz。需要进行优化设计。先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度LO的变化关系，扫描分析范围为：49mm54mm,扫描步进为0.2mmVariableDescription1.inearStepfrom49mmto54mmzstep=0.2mm仿真结果:LO=50mm时,谐振频率为1.15GHz。b、分析1.15GHZ谐振频点处回波损耗与同轴线馈电点位置Ll的变化关系，扫描分析范围为：Omm19mm,扫描步进为ImmSynC # I VariabIe |DescriptionL1Linear Step from

6、 Omm to 19mm, SteP=I mm仿真结果:发现Ll=IOmm时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。优化设计SetupOptimizationGoalsVariablesIGeneraIOptionsVariableOvtrridtSttrtinBValuUmtxIncludeMinIUnitxMtxUnitsMinFocuxIUnitxMtxFocuxUnitsLDF49.5MF26.05mm78.1511Mft48mm50mmLlF10MF9R11t11(M9.5mm10.5mmSolutionCalculationCalc.RangeConditionGoalWeightSetu

7、pl：LastAdaptiveVSWR(I)Freqa15GH叫=21优化结果得到:LOILlCost49.8mm10mm0当LO=49.8mm时,Ll=IOmm时,符合要求。查看优化后的天线性能a、VSWR分析结果在L15GHz处，VSWR值为1.3832sip1230t6277mt ISO 37ggnH 5*wp1SolutionCalculationCalc.ContextCalc.RaxlgeConditionGoalSetupl:SweeplVSWR(I)Freq(1.1GK,1.15GH,1.2GHz)tlRatioVlu)EHnalUThMa(Od“)，Phi(Odj),Frq(

8、LIGHz,1.15GH,1.2GH叫=4天线的中心频率上SIl值为L6.45dB,SlkIOdB的带宽为(LI735-1.1279)/1.15=3.9%.b、VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为L35422,符合要求。c、轴比扫频结果在最大辐射方向天线中心频率1.15GHZ处的轴比为0.727od、XZ和yz面上的左旋圆极化波（LHCP）增益和天线总增益方向图从图得出：在12001200范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等,这也表明了天线辐射的是左旋圆极化波。d、左旋圆极化三维增益方向图五、实验总结在本次实验中，更加掌握和理解了微带天线的相关基本理论，学习到了微带天线圆

9、极化工作实现原理，同时学习了如何用HFSS设计和分析线极化和圆极化微带天线，感受到了HFSS强大的电磁仿真功能，在以后的日子要认真学习使用HFSS,达到熟练运用HFSS设计分析天线。六、参考资料李明洋，刘敏，HFSS天线设计.第二版.北京：电子工业出版社而要宣不将彼尢警天线CAD大作业学院：电子工程学院专业：电子信息工程微带天线设计一、设计要求：（1）工作频带l.l-1.2GHz,带内增益4.0dBi,VSWR2L微波基板介电常数为历=6,厚度H5mm,线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方

10、法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为&=6,厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHzzC=3XOWS天线使用50C同轴线馈电，线极化，则(1)W =；辐射切片的宽度2j=69.72mmh12 )2W =5.33(4)辐射切片的长度2/疝-2L=52.IOmm-G+1。-1=150(2)有效介电常数22=0.4l2h3陋也心幽辐射缝隙的长度(-0.258XwA+0.8)=2.20（5）同轴线馈电的位置Ll三、HFSS设计=14.63mm1.+1zr-1z.h、=5.20re(L)=2+1112,1012-)(1)微

11、带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：NameValueUnitEvaluatedV.TypeH5mm5mmDesignIJD52.1mm52.ImmDesignw69.72mm69.72mmDesignLl14.63mm14.63mmDesignlength65.22mm65.22mmDesign微带天线的HFSS设计模型如下:立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着X轴，宽度方向沿着y轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50同轴线，这

12、用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为(L1,0,0)；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示;在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50C。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHZ时自由空间中1/4个波长约为65.22mm,用变量length表示。(2)HFSS设计环境概述*求解类型：模式驱动求解。大建模操作模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。模型操作：相减操作大边界条件和激励边界条件：理想导体边界、辐射

13、边界。端口激励：集总端口激励。*求解设置：求解频率：1.15GHZo扫频设置:快速扫描，频率范围：l-1.3GHzo*Optimetrics参数扫描分析。优化设计。*数据后处理：S参数扫频曲线、VSWR天线方向图、天线参数。（3）仿真结果由图得天线的谐振频率为LIlGHz,不是1.15GHz。需要进行优化设计。先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度LO的变化关系，扫描分析范围为：49mm54mm,扫描步进为0.2mmVariableL0-DescriptionLinear Step from 49mm to 54mmz SteP=O.2mm仿真结果:b、分析1.15GHZ谐振频点处回

14、波损耗与同轴线馈电点位置Ll的变化关系，扫描分析范围为：Omm19mm,扫描步进为ImmSynC * I VariabIe |DescriptionLinear Step from Omm to 19mm, SteP=I mm仿真结果:发现Ll=IOmm时，回波损耗值最小，阻抗匹配最好。优化设计Setup OptimizationGoalsVariablesIGeneraIOptionsVariable0vrrdSttrtinBValuUmtxIncludeMinIUnitxMtxUnitsMinFocuxIUnitxMtxFocuxUnitsLDF49.5MF26.05mm78.1511Mf

15、t48mm50mmLlF10meF9R11t11(M9.5mm10.5mmSolutionCelculationCalc.RangeConditionGoalWeightSetupl：LastAdaptiveVSWR(I)Freq(LI5GHz=21优化结果得到:LOILlCost49.8mm10mm0当L0=49.8mm时，LI=IOmm时，符合要求。查看优化后的天线性能a、VSWR分析结果在1.15GHZ处，VSWR值为138322,符合要求。b、XZ和yz截面上的增益方向图nj从图得出：最大辐射方向为9 = 0、为 5.7dB0二0,即辐射切片的正上方，最大增益约c、三维增益方向图拓展要

16、求：圆极化微带天线设计一、微带天线实现圆极化的方法采用特殊的馈电方式，可以获得圆极化的矩形切片微带天线。圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圆极化波的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。当同轴线的馈电点位于辐射切片的对角线位置时，可以激发TMOl和TMlO两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。在设计中，让辐射切片的长度L和宽带W相等，这样激发的TMOl和TMlo两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式电场的相位差为0,若辐射切片的长度为Lc,我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边

17、长度为Lc+a,另一边长度为Lc-a,前者对应一个容抗Yl=G-jB,后者对应一个感抗Yl=G+jB,只要调整a的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G,则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和45度，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线。其极化旋向取决于馈电点的接入位置。当馈电点在如下图中的所示的A点时，产生右旋圆极化波，在B点位置时，产生左旋圆极化波。KaIiO和Coffey研究证明，理论上当LW=1.029,BPa=0.0143Lc,TMol和TMIO两个模式的相位差为90度。另外，由实际经验可得到，此结果的50欧姆馈电点位于辐射切片对角线上，且馈电点和辐射切片顶点

18、的距离dp在(0.350.39)d之间。假设馈电点到辐射切片的中心距离为Ll,则Ll在(0.110.15)LC之间。二、设计要求工作频带l.l-L2GHz,带内增益4.0dBi,VSWR210微波基板介电常数为&=6,厚度H5mm,左旋圆极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等，并给出轴比计算结果。三、设计步骤（1）计算天线辐射切片的初始尺寸微带天线的基板介电常数为6=6,厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHzzC=3IO8W5C/Q+1W=(=69.72mmh 二12 )2卬 =5.33辐射切片的宽度g+1sr1=1(1有效介电常数22vA =

19、 0.4l2h 辐射缝隙的长度(纪+0.3Xw/h+0.264)(庇0.258)(w/h+0.8)=2201.=-r=-2L辐射切片的长度2a=52.10mm则：辐射切片初始尺寸为:L=W=Lc=52.10mm,并设置微调长度值a=0.0143Lc,以产生圆极化波。（2）估算输入阻抗为50的同轴线馈电位置取0.15倍的Lc,计算得出馈电点在x、y方向离辐射切片的中心距离都为7.82mm。四、HFSS设计（1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：NameValueUnitEvaluatedV.TypeK

20、5mm5mmDesignLDLC+Delta52.84503mmDesigntfLc-Delta51.35497mmDesignLl7.82mm7.82mmDesignlength65.22mm65.22mmDesignL2Ll7.82mmDesignLc52.1mm52.ImmDesignDelta0.0143*Lc0.74503mmDesign变量H表示基板的厚度，变量LO和WO分别表示辐射切片的长度和宽度，变量Ll和L2分别表示同轴线馈电点在X、V方向离辐射切片中心的距离。变量Lc表示谐振频率为1.15GHz时所对应的辐射切片长度值，其初始值为52.10mm,Delta表示辐射切片的微调

21、长度值，其初始值为0.0143*LCo要想实现圆极化，LO=LC+Delta,WO=Lc-DeIta,馈电位置LI=L2,辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHZ时自由空间中1/4个波长约为65.22mm,用变量Iength表ZjO圆极化微带天线的HFSS设计模型如下:立体图俯视图设计左旋圆极化微带天线，设置同轴线内芯模型Feed的底面圆心坐标和端口面模型POrt的圆心坐标为(L1,L2,0)。Center Position-Ll , -L2 , Omm-7.82mm , -7.82mm , Omm(2)仿真结果Sll扫频分析结果由图得天线的谐振频率为LIIGHz,不是1.

22、15GHz。需要进行优化设计。先进行参数扫描分析a、分析中心频率与辐射切片长度Lc的变化关系，扫描分析范围为:48mm-51mmz扫描步进为0.2mmSynCttl VariableLcDescriptionLinear Step from 48mm to 51 mm, SteP=O.2mm仿真结果:由图得到，当LC得0.4mm时,中心频率在1.15GHz,回波损耗最小。查看当Lc=50.4时，天线的输入阻抗从图得到：工作频率为L作GHz,输入阻抗为(75.59,j3.58),需要输入阻抗为50d添加Ll为参数扫描变量b、分析1.15GHZ谐振频点处输入阻抗与同轴线馈电点位置Ll的变化关系，扫

23、描分析范围为：57mm,扫描步进为0.2mmVariableDescription1.1LinearSlepfrom5mmto7mm,step=0.2mm仿真结果:发现Ll=6mm6.2mm时，输入阻抗接近50。优化设计SolutionCalculationCalc.ContextCalc.RaiIgeConditionGoalSetupl：SweeplVSWR(I)Freq(1.1GK,1.15GHz,1.2GHz)=2StuplSwpldB(AxialRatioVtlut)EHPlaneThta(Odc),PhiFreq(1.IGHz,1.15GHz,1.2GH叫=4优化结果得到：当L0=

24、50.38mm时,Ll=6.12mm时,符合要求。查看优化后的天线性能a、SlI分析结果-500XYPlot11d(S(i,)SetoplSweepiIle123016277CCurvemi10p.Lsp天线的中心频率上SIl值为-16.45dB,SIk-IOdB的带宽为(Ll735-Ll279)/1.15=3.9%.b、VSWR分析结果在1.15GHz处，VSWR值为1.35422,符合要求。c、轴比扫频结果在最大辐射方向天线中心频率1.15GHZ处的轴比为0.727d、XZ和yz面上的左旋圆极化波（LHCP）增益和天线总增益方向图从图得出：在-12001200范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等,这也表明了天线辐射的是左旋圆极化波。d、左旋圆极化三维增益方向图danlHCr)、监7,Jeg1.2262eOO-2.ttSM60-s.6g0o-I*i9KHeo*n-2位双-2w.033eel-13刈心14%52e1T.Mxs4e5&士1五、实验总结在本次实验中，更加掌握和理解了微带天线的相关基本理论，学习到了微带天线圆极化工作实现原理，同时学习了如何用HFSS设计和分析线极化和圆极化微带天线，感受到了HFSS强大的电磁仿真功能，在以后的日子要认真学习使用HFSS,达到熟练运用HFSS设计分析天线。六、参考资料李明洋，刘敏，HFSS天线设计.第二版.北京：电子工业出版社