基于HFSS的天线设计

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1、基于HFSS的天线设计一、实验目的●利用电磁软件AnsoftHFSS设计一款微带天线。◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz，带宽(回波损耗S11<-10dB)大于5%。●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。二、实验原理1、微带天线简介微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。图1：微带天线的结构图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由

2、辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数和损耗正切、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙

3、辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。15基于HFSS的天线设计（a）俯视图（b）侧视图图2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为，则有（1-1）式中，表示波导波长，有（1-2）式中，表示自由空间波长，表示有效介电常数，且（1-3

4、）式中，表示介质的相对介电常数，h表示介质层厚度，W表示微带贴片的宽度。由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有（1-4）式中，表示真空中的光速，表示天线的工作频率，表示图2（a）中所示的等效辐射缝隙的长度，且有（1-5）矩形贴片的宽度W可以由下式计算：15基于HFSS的天线设计（1-6）对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗，在微波应用中通常是使用50的标准阻抗，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于50。对于图3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于

5、贴片的中心，以（）表示馈点的位置坐标。图3同轴线馈电的微带天线对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发TM1n模式，在W方向上馈点的位置一般取在中心点，即（1-7）在L方向上电场有的改变，因此在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算：（1-8）式中，（1-9）上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出的距离时。计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度和宽

6、度只需满足以下两式即可，即15基于HFSS的天线设计（1-10）（1-11）一、实验步骤1、设计指标和天线几何结构参数计算本实验的矩形微带天线的中心频率为2.5GHz，选用的介质板材为RogersRO4003，其相对介电常数，厚度=5mm，天线使用同轴线馈电。根据上面的推导公式来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L和宽度W、同轴线馈点的位置坐标（），以及参考地的长度和宽度。(1)、矩形贴片的宽度W把代入式（1-6），可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即(2)、有效介电常数把代入式（1-3），可以计算出有效介电常数，即(3)、辐射缝隙的长度

7、把代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即(4)、矩形贴片的长度L把代入式（1-4），可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即(5)、参考地的长度和宽度把15基于HFSS的天线设计分别代入式（1-10）和（1-11），可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即(6)、同轴线馈点的位置坐标（）把分别代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（），即2、HFSS设计和建模概述(1)、建模概述本设计天线是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。在HFSS中如果需要计算远区辐射

8、场，必须设置辐射边界表面或者PML边界表面，这里使用辐射边界条件，为了保证计算得准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。因为使用了辐射边界表面，所以