西电天线CAD大作业.docx
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西电天线CAD大作业.docx
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西电天线CAD大作业
天线CAD大作业
基于HFSS等软件的设计仿真
班级:
020914
姓名:
宫晨
学号:
02091357
2012/6/29Friday
一、八木天线
1.设计要求
设计一付工作频率2.4-2.5GHz八木—宇田天线,要求带内增益大13.0dBi,VSWR小于2.0,确定结构参数,给出设计过程和设计结果(包括VSWR、方向图)。
2.设计分析
八木天线设计参量主要包括:
反射振子长度,有源振子长度,引向振子长度,反射阵子与有源振子间距,引向振子与有源振子间距,引向振子间距。
参看天线原理课本上经验公式,初步确定各项参数如下:
反射振子长度:
0.55*λ
有源振子长度:
0.47*λ
引向振子长度:
0.44*λ(各个引向振子等长)
反射阵子与有源振子间距:
0.2*λ
引向振子与有源振子间距:
0.16*λ
引向振子1和2间距:
0.25*λ
引向振子2和3间距:
0.35*λ
引向振子3和4间距:
0.32*λ
引向振子4和5间距:
0.33*λ
引向振子5和6间距:
0.42*λ
引向振子6和7间距:
0.43*λ
即N=9的八木天线,将数据带入Matlab程序验证,结果如下
有结果可以看出,增益为13.56dB满足设计要求。
故按照以上设计参数进行仿真。
2建模仿真
本次仿真采用FEKO软件进行,添加设计变量,画图建模,添加激励,最后给出计算场。
得到模型如下:
运行仿真,增益结果如下图:
可以看到增益约为11dB,不满足设计要求,故改变模型设置,由书中介绍了解到,增加振子元数可以有效提升增益,故做出如下改动:
增加一个振子名为振子8,振子长度为0.44*λ,与前一振子间距为0.43*λ,得到效果图如下:
进行仿真,得到结果如下:
(1)增益:
(2)驻波比:
如图所示:
增益为13.37dB,驻波比在谐振频率处为1.26,满足设计要求。
3小结
通过以上对八木天线的设计仿真,我发现八木天线的设计大多依赖经验公式,由于天线阵辐射电流计算复杂,故运用经验指标可以大大节省设计时间。
在第一次对模型进行仿真时,结果并不与Matlab计算结果完全相符,可见Matlab是一种趋于理想的算法,而在FEKO中则会考虑到更多诸如边界条件,振子材质等等因素,这点突出了理论与实践相结合的必要性。
二、圆极化微带天线
1设计要求
设计一付工作频率为1200±5MHz圆极化微带天线,微波基板介电常数为2.2,厚度为1.5mm。
要求带内增益大于4.0dBi,VSWR小于2.0,轴比小于3dB。
确定结构参数,给出设计过程和设计结果(包括VSWR、方向图,轴比等指标)。
2设计分析
2.1设计原理
微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型,当馈电点位于贴片的对角线上时,天线中可以同时维持TM01和TM10模,两种主模同相且极化正交,结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行,单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。
此次仿真就是采用方形切角微带天线来实现圆极化波的。
2.2参数设置
方形切角微带天线结构示意图如下:
由公式
(式中c为光速),带入工作频率1.2GHz,得到W=98.821mm。
取L=W,取馈电点位置(馈电点中心到原点距离)L1=0.15*W=14.823mm。
切角边长Qie=10mm。
介质基板边长为2W,地板设为正方形边长为2W。
2.3初步建立模型
利用HFSS建立模型,得到如图:
2.4初步仿真
仿真结果如下:
S11曲线:
输入阻抗:
由图可见,很明显谐振频率不在1.2GHz。
输入阻抗约9Ω,也与同轴线50Ω不匹配。
故上述指标需要进一步优化。
2.5参数优化
2.5.1对W优化
由理论分析可知,矩形微带天线谐振频率主要由辐射贴片的长度决定,谐振频率随着贴片长度的缩短而变大。
故设置优化扫描项,对W进行扫描优化,如图所示:
可见,当W=82mm时,天线谐振在了1.2GHz。
2.5.2对L1优化
又由理论分析可知,矩形微带天线的输入阻抗主要由馈电点的位置决定,当馈电点从辐射贴片中心往边缘移动时,即当L1增大时,输入阻抗也随之变大。
同对W的优化操作一样,对L1进行扫描,观察可以达到匹配的L1的值,得到匹配时L1=16.4mm。
2.5.3对其他项优化及最后结果
通过以上优化,得到了满足谐振频率和输入阻抗的两个设计值,取W=82mm,L1=16.4mm。
为了很好地满足全部设计要求,在下一步优化分析时,W和L的优化范围可以分别取W=82mm~83mm和L1=16mm~17mm。
优化目标为轴比<3dB,增益>4.0dBi,VSWR<2.0。
微调W和L1的值,得到最后结果如下:
W=82.56mm;L1=16mm;Qie=5.6mm
2.6仿真结果
按照最终优化结果建立模型:
仿真结果如下:
(1)谐振频率:
1.2GHz
(2)输入阻抗:
45.67+j5.36Ω
(3)轴比:
1.91dB
(4)VSWR:
1.16
(5)右旋圆极化增益:
7.76dB
3D方向图:
综合以上仿真结果,可以看出各项指标完全符合设计要求。
3小结
在对微带天线的设计和仿真的过程中,我发现要满足微带天线的设计要求需要进行大量的调试、优化,微小的尺寸改动都可能影响阻抗、谐振频率的变化。
起初,我是按照对角线馈电设计的,但是当大部分指标都符合要求时,唯独轴比的值高居不下,无论如何微调,都无法满足3dB圆极化带宽。
。
。
后来查阅资料发现,微带切角可以有效改善天线性能,于是果断转型切角微带。
关于优化,很多教材、资料上的传统过程都是添加优化项,再等计算机算。
可是实际过程中,对于我们这种学生机,着实优化的费劲,于是我采用的优化方法是,确定范围后,逐步手调,在进行一次Analyze,事实证明速度比较快,而且过程中能够发现改变变量值对目标影响的趋势,从而加快优化速度。
三、学习心得
最初了解天线CAD还是在一次学长的专业课报告上,当时他的屏幕上呈现出一个喇叭口径模型,周围分布着五颜六色的场线,那时虽说听不太懂,但是知道是设计建模仿真什么的,我就觉得很神奇也非常感兴趣。
直到这学期我们安排了天线CAD这门课,而且是在听完专业课的基础上再来接触,我才真正开始对天线CAD有了更深层的了解。
实话说我对软件设计方面非常感兴趣,所以基本上每节课我都认真听了老师的讲解。
从第一节课HFSS仿对称振子到最后的FEKO做喇叭天线,之间介绍了很多种常用天线,涉及的软件也介绍了四五种,包括刚才提到的HFSS和FEKO,还有CST、IE3D等,每一个内容都会有不同的老师前来讲解,可能是每个人所常用的软件不同,但每节课内容都很充实,感觉很有收获。
对于诸多仿真软件,一开始自然而然会想到底用哪个好?
我用过的就是HFSS和FEKO,课下我买了本《HFSS天线设计》自己看了看,通过书中例子很快就能上手,感觉很实用,在完成大作业的过程中,这本书也帮了不少忙。
通过实际上机,我发现HFSS从UI到功能上较FEKO更传统,设计很完备,体现在优化设计选项很多,能给出你想要的所有细致的结果,适合于计算单元,阻抗算得准。
但是对于我们学生群体来说,在硬件受限的情况下,HFSS的仿真速度确实不快,这也可能是因为算法不同导致的;相比HFSS,FEKO界面则对于初学者感觉更为友好,很简洁,非常容易上手,更为关键的是基于矩量法剖分使其仿真速度非常快,很适合大运算量的仿真,缺点是阻抗计算精度不足。
所以包括CST、IE3D这些软件各有自己的优势,也无需讨论哪个更好,掌握其中两种我觉得很是必要。
工欲善其事,必先利其器,我觉得CAD就是学习天线的很好的一种辅助,应该引起重视并好好掌握。
这门课对于学习电磁场、天线专业的学生来说是十分有必要的,希望能够出版自己的教材,把课件、例子、仿真步骤,所有课上涉及的要点都整合到一本书中去,让学生能更系统的了解和学习。
这学期的天线CAD课虽然上完了,但是他已经给了我一个新的方向,让我找到了新的途径去研究天线。
最后,感谢所有老师的细心讲解,还有任学施老师的上机指导,也希望这门课能越办越好。
IEEE文献翻译:
一种三层微带天线的设计
RaviPratapSinghKushwah,MadhviDubeyandP.K.Singhal
MicrowaveLaboratory
DepartmentOfElectronics
MadhavInstituteofTechnology&Science
GWALIOR(M.P.)-474005
INDIA
E-Mail:
pks_65@
Fax:
+91-751-2364648
摘要:
本文提出了一种探针馈电贴片天线。
该天线在0.1GHz到9.6GHz频带上驻波比VSWR<2。
阻抗和辐射特性也已经完成了测试。
测试结果表明,该天线在具有更大的阻抗带宽同时,也具有相同的超过所需的频带特性。
介绍:
微带天线具有超薄的体积优势,重量轻,对集成电路有良好的兼容性。
这些天线正在各种应用范围被人们所使用,从简单的遥测天线,到先进的雷达系统。
然而微带天线的主要缺点是带宽较窄,限制了其更广泛的应用。
本文所呈现的探针馈电微带天线,设计的目标是为了改善阻抗带宽。
天线的模拟仿真采用IE3D软件完成,且它的各种特性也由软件分析完毕。
天线设计:
天线的建议配置如建议设计图1所示,包括三个层,一个半径为2毫米圆形贴片放置在1层,一个4×4MME的方形贴片被放置在第2层,第3层为半径1mm的圆形贴片,每层之间填充相对介电常数为εr=1,厚度为0.5mm的中间层。
为了激励第1层,在第1层实用双探头馈电。
使用两个不同的介电常数基板。
基板厚度为第1层1mm,第二层1mm,第三层1.5mm,第1层与第2层之间的介电常数和第2层与第3层之间的介电常数相同,都为1。
该建议设计是基于经过验证的带宽拓宽技术和已经IE3D软件仿真验证后提出的。
结果和讨论:
图2显示了驻波比随频率的变化,在95%的带宽内驻波比都小于2,从这样的设计得出天线的带宽是最大的。
模拟天线输入阻抗位点如图3所示。
对天线在工作带的辐射特性也进行了研究。
图4显示了在中心频率的辐射模式,可以看出它提供与整个频带类似的辐射模式。
致谢:
作者对能够获得由UniversityGrantCommission,NewDelhiandtheauthoritiesofMadhavInstituteofTechnology&Science,Gwalior.所提供的财政支持表示诚挚的感谢
参考文献(略)
IEEE原文附在下一页。
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- 关 键 词:
- 天线 CAD 作业