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1、微带天线的仿真设计一、设计目的与技术指标学习和掌握HFSS软件，加强对相关知识的理解和掌握。本设计就是基于微带贴片天线基础理论以与熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHZ。创建切角，并设馈电位置在（-8,0,0），探针半径dx:0,dy:0,dz:5；端口面位置（-8，0,0），半径dx:1.5,dy:0,dz:0。二、设计原理1、微带天线的结构微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。微带天
2、线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。微带天线的馈电 （a）侧馈 （b）底馈2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图：矩形贴片天线示意图设辐射元的长为L，宽为，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度方向也没有变化，而仅在长度方向（L/2)有变化。在开路两端的电场均可以
3、分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向一样，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边均匀分布。缝的宽度Lh，长度为，两缝间距为L/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等。在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS
4、进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计了各种高频结构。三、设计步骤与容1、运行HFSS，建立新的工程，并设置求解类型Driven Modal，设置模型单位mm。2、设置天线微带模型首先创建地板GroundPlane。然后建立介质基片Substrate,贴片Patch。创建切角、探针、
5、端口面等。3、创建辐射边界，设置端口激励。并该问题设置求解频率与扫描频率围。4、设置无限大球面，确认设计后保存工程。5、求解该工程，绘制该问题的反射系数曲线和2D辐射远场方向图。四、设计仿真结果下图是我在Ansoft HFSS界面下设计的一个右手圆极化矩形贴片天线。 1.接地板GroundPlane：90mm*90mm2.介质基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003。3.贴片天线Patch:32mm*32mm4.探针Pin半径0.5mm*高5mm,材料Pec。5.端口面Port半径1.5，最后用GroundPlane将Port减去。6.空气框Air1
6、60mm*160mm*70mm,将辐射边界命名为Rad1。7.馈电点距Patch中心8mm处。如图：绘制该问题的反射系数曲线2D辐射远场方向图其工作频率并不在2.45GHZ处，而是有点偏左。从图中可以看出，设定的参数为2.45GHz，但工作位置却在2.42GHz，说明还需要对参数进行一定的改进。改变贴片Patch的大小，经过多次测试，当大小为31.7mm*31.7mm时，正好符合要求：反射系数曲线为此时的2D辐射远场方向图为：2D辐射远场方向图此时的辐射图改变不大。发现改变贴片大小后，在工作频率处的回拨损耗几乎无变化。改变探针pin半径，当半径为0.24时，符合要求：反射系数曲线为此时的2D辐
7、射远场方向图为：发现改变探针半径后在工作频率处的回拨损耗为23db，有所改善。改变探针位置（1）当探针位置在（-8.5,0,0）时设计的图形如下：反射系数曲线为此时的2D辐射远场方向图为：探针位置改变后，在工作频率处的回拨损耗减小刚过10DB不多，性能变差。（2）再次改变探针位置，使其在非切角的对角线上，如图：l 改变探针位置（-4.33，-4.33,0）反射系数曲线为此时的2D辐射远场方向图为改变后，在工作频率处衰减超过20db，性能有所改善。辐射图的背瓣变宽。l 改变探针位置（-4.1，-4.1,0）反射系数曲线为此时的2D辐射远场方向图为在这个位置处，曲线变得尖锐，且在工作频率处衰减变大
8、，而且背瓣也变窄，所以在这个位置处比较理想。l 再改变到其他位置处，如（-3.5，-3.5,0）处;反射系数曲线为此时的2D辐射远场方向图为它的反射系数曲线和2D辐射远场方向图均不如（-4.1,-4.1,0）处的曲线。讲过反复的尝试，改变多个参数，可以归纳出如下结论：当工作频率偏低时，可以减小贴片的尺寸。尺寸越小，它的工作频率越大。改变探针的半径时，适当减小时，会使工作频率变大，找到适当频率后再减小频率后，工作频率减小。改变探针位置，在原来方向上，工作频率达到了要求，但是衰减变小，性能变差。将探针放在对角线上时，工作频率不只在一个频率处，但是他们的衰减不同，得到的辐射图也不一样；在此设计中，在
9、（-4.33，-4.33,0）处工作频率符合要求，将探针位置沿此对角线想中心移动时，工作频率左右不定偏移，在（-4.1，-4.1,0）处工作频率又符合要求，且衰减和辐射图都比较理想。五、设计感想 通过这次设计，获益匪浅。首先学会了HFSS的基本操作，对这个软件有了基础的了解，觉得这个软件的功能真的很强大，很不可思议。HFSS的使用很简单，只是功能较多，界面中各个功能命令的位置让人感觉凌乱，但用过多次后，很快就熟悉了各个菜单的大致功能，还有某些快捷键的使用，使操作快捷方便。熟悉了HFSS的使用之后，设计微带天线，由于工作频率并没有达到设计的要求，所以对设计中的一些参数进行修正，只改变其中的某一参数，其他的参数保持不变，即保持单一变量，这样更容易观察到参数对天线性能的影响。修改参数时，要经过多次反复的测试，才能使频率达到设计的要求，测试的过程真的很容易让人失去耐心，总是差一点点，但是当达到设计要求时，那份喜悦却又是很难形容的。 总之，通过这次课设我学会了什么是探索，在没有理论支撑的时候，只能靠着一点点的变动，去自己观察，慢慢得到自己的结论，过程有些枯燥，但是得到结论后觉得一切都是值得的。六、参考文献1、微波技术与天线 学观、郭辉萍 电子科技大学；2、微波技术与天线课程设计指导书 12 / 12
