天线CAD大作业微带天线设计要点计划.docx

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天线CAD大作业微带天线设计要点计划

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，带内增益≥，VSWR≤2:

1。

微波

基板介电常数为r=6，厚度H≤5mm，线极化。

总结设计思路和过程，给出

详细的天线构造参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。

2）拓展要求：

检索文件，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，试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

r=6，厚度为h=5mm,中心频次为

f=1.15GHz,c3108m/s天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则

c

r

1）

1

（1）辐射切片的宽度w

f

（

2

2

2

r1

r1

h

1

2

（2）有效介电常数

e

2

2

（1

12

w）

（3）辐射空隙的长度

L

（

e

0.3）（w/h

0.264）

（e

0.258）（w/h0.8）

（4）辐射切片的长度L

c

L

2

2fe

（5）同轴线馈电的地点L1

r

1

r1

h

1

2

re（L）

（112

）

2

2

L

L1

L（1

1

）

2

re

三、HFSS设计

（1）微带天线建模概括

为了方便建模和后续的性能剖析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的构造尺寸，变量的定义及天线的构造尺寸总结以下：

微带天线的HFSS设计模型以下：

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，参照地和辐射切片使用理想导体来取代。

关于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。

使用半径为、坐标

为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参照地相接，及其高度使用

变量H表示；在与圆柱体相接的参照地面上需要挖一个半径为的圆孔，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50Ω。

模型成立好后，设置辐射界限条件。

辐射界限表面距离辐射源往常需

要大于1/4波长，时自由空间中1/4个波长约为，用变量length

表示。

（2）HFSS设计环境概括

＊求解种类：

模式驱动求解。

＊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

＊界限条件和激励

界限条件：

理想导体界限、辐射界限。

端口激励：

集总端口激励。

＊求解设置：

求解频次：

。

扫频设置:

迅速扫描，频次范围：

。

Optimetrics

参数扫描剖析。

优化设计。

＊数据后办理：

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次为，不是。

需要进行优化设计。

先进行参数扫描剖析

a、剖析中心频次与辐射切片长度L0的变化关系，扫描剖析范围为：

49mm~54mm,

扫描步进为

仿真结果：

发现当

b、剖析

L0=50mm时，谐振频次为。

谐振频点处回波消耗与同轴线馈电点地点

L1的变化关系，扫描

剖析范围为：

0mm~19mm,扫描步进为

1mm

仿真结果：

发现L1=10mm时，回波消耗值最小，阻抗般配最好。

优化设计

优化结果获取：

当时，L1=10mm时，切合要求。

查察优化后的天线性能

a、VSWR剖析结果

在处，VSWR值为1.3832<2,切合要求。

b、xz和yz截面上的增益方向图

从图得出：

最大辐射方向为0、0，即辐射切片的正上方，最大增益约为

。

c、三维增益方向图

拓展要求：

圆极化微带天线设计

一、微带天线实现圆极化的方法

采纳特别的馈电方式，能够获取圆极化的矩形切片微带天线。

圆极化的重点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，就能获取圆极化波的辐射。

矩形微带天线获取圆极化特征的馈电

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地点时，能够激发TM01和TM10两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。

在设计中，让辐射切片的长度L和宽带W相等，这样激发的TM01和TM10两个模式的频次同样，强度相等，并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，即一边长度为Lc+a，另一边长度为Lc-a，前者对应一个容抗Y1=G-jB,后者对应一个感抗Y1=G+jB，只需调整a的值，使得每一组的电抗重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，这就知足了圆极化条件，进而组成了圆极化微带天线。

其极化旋向取决于馈电点的接入地点。

当馈电点在

以下列图中的所示的A点时，产生右旋圆极化波，在B点地点时，产生左旋圆极化

波。

Kalio和Coffey研究证明，理论受骗，即，TM01和TM10两个模式的相位差为90度。

此外，由实质经验可获取，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极点的距离dp在（）

d之间。

假定馈电点到辐射切片的中心距离为L1，则L1在（）Lc之

间。

二、设计要求

工作频带，带内增益≥，VSWR≤2:

1。

微波基板介电常数为r=6，厚度H≤5mm，左旋圆极化。

总结设计思路和过程，给出详细

的天线构造参数和仿真结果，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r

=

6，厚度为h=5mm,中心频次为

f=1.15GHz,c3

108m/s

c

r

1）

1

w

辐射切片的宽度

2

（

2

2

f

r

1

r

1

h

1

2

有效介电常数

e

2

2

（1

12

w）

辐射空隙的长度

L

（e

0.3）（w/h

0.264）

（e

0.258）（w/h0.8）

辐射切片的长度L

c

L

2

2f

e

则：

辐射切片初始尺寸为：

，并设置微调长度值，

以产生圆极化波。

（2）估量输入阻抗为50Ω的同轴线馈电地点

取倍的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。

四、HFSS设计

（1）微带天线建模概括

为了方便建模和后续的性能剖析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的构造尺寸，变量的定义及天线的构造尺寸总结以下：

变量H表示基板的厚度，变量L0和W0分别表示辐射切片的长度和宽度，变量L1和L2分别表示同轴线馈电点在x、y方向离辐射切片中心的距离。

变量

Lc表示谐振频次为时所对应的辐射切片长度值，其初始值为

，

Delta表示辐射切片的微调长度值，其初始值为0.0143*Lc。

要想实现圆极化，L0=Lc+Delta,W0=Lc-Delta，馈电地点L1=L2，辐射界限表面距离辐射源往常需要大于1/4波长，时自由空间中1/4个波长约为，用变量length

表示。

圆极化微带天线的HFSS设计模型以下：

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）。

（2）仿真结果

S11扫频剖析结果

由图得天线的谐振频次为，不是。

需要进行优化设计。

先进行参数扫描剖析

a、剖析中心频次与辐射切片长度Lc的变化关系，扫描剖析范围为：

48mm~51mm,

扫描步进为

仿真结果：

由图获取，当时，中心频次在，回波消耗最小。

查察当时，天线的输入阻抗

从图获取：

工作频次为，输入阻抗为（，），需要输入阻抗为50Ω，

增添L1为参数扫描变量

b、剖析谐振频点处输入阻抗与同轴线馈电点地点L1的变化关系，扫描

剖析范围为：

5~7mm,扫描步进为

仿真结果：

：

发现时，输入阻抗靠近50Ω。

优化设计

优化结果获取：

当时，时，切合要求。

查察优化后的天线性能

a、S11剖析结果

天线的中心频次上S11值为，S11<-10dB的带宽为（）/1.15=3.9%.

b、VSWR剖析结果

在处，VSWR值为1.3542<2,切合要求。

c、轴比扫频结果

在最大辐射方向天线中心频次处的轴比为。

d、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：

θ在-1200~1200范围内，天线的总增益与左旋圆极化波增益近似相等，

这也表示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，更为掌握和理解了微带天线的有关基本理论，学习到了微带

天线圆极化工作实现原理，同时学习了怎样用HFSS设计和剖析线极化和圆极化

微带天线，感觉到了HFSS强盛的电磁仿真功能，在此后的日子要仔细学习使用

HFSS，达到娴熟运用HFSS设计剖析天线。

六、参照资料

李明洋，刘敏，HFSS天线设计.第二版.北京：

电子工业第一版社