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平面缝隙天线
实验报告
(2012/2013学年第一学期)
课程名称
课程设计
实验名称
平面缝隙天线
实验时间
2012/2013学年第一学期
指导单位
电子科学与工程
指导教师
黄晓东
学生姓名
季明新
班级学号
B09020423
学院(系)
电子科学与工程学院
专业
电磁场与无线技术
一、实验时间:
10月15日-10月19日8:
30-11:
30
10月22日-10月26日13:
30-17:
30
二、实验设备与仪器
1,硬件:
PC机一台
2,软件:
HFSS软件
三、实验过程及成果验证
3.1设计要求
实验HFSS软件设计中心频率为3GHz的矩形微带天线,并给出其天线参数。
介质基片采用厚度为1mm的聚四氟乙烯(Er=2.2)板,天线馈电方式为微带线馈电,采用集总端口馈电。
3.1.1设计指标
S11≤-10dB,并考虑天线的输入阻抗与辐射臂物理尺寸的关系。
3.2设计步骤
3.2.1天线结构
3.2.1.1在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。
图3.2.1.1表示出了微带缝隙天线的结构。
图3.2.1微带缝隙天线
3.2.1.2微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形,圆形,或者环形,其缝隙形状如下图3.2.1.2
窄缝圆环宽缝圆
图3.2.1.2各种缝隙
3.2.2计算天线尺寸
由于缝隙形状为窄缝的微带缝隙天线与对称阵子相对偶,且较常见,因此先采用窄缝,缝宽暂定为2mm。
根据对偶关系,可以知道缝隙的长度与偶极子对称阵子天线的长度相近,约为1/2λ,用公式λ=V/f可以算出中心点的波长,1/2λ≈36mm,介质板的宽度一定要大于缝的长度,为了有富余量,设为50mm,介质板的长度暂定为80mm。
馈线的宽度用IE3d进行估计,算得3.07473mm,如下图3.2.2。
取3mm,馈线的长度应大于介质板的一半即40mm,暂定50mm.
对于辐射边界的设定,由于使用HFSS分析天线时,辐射边界表面和辐射体的距离通常需要大于1/4λ,3GHz的由空间中的1/4λ个波长为25mm,这里创建一个长方体的模型作为辐射表面,天线在长方体中间,辐射表面长宽高至少为130mm,100mm,50mm,辐射表面就取以上各值。
各初始参数如下表3.2.2
图3.2.2馈线宽度
表3.2.2各数据初始参数
结构名称
变量名
变量值(单位:
mm)
辐射表面
长度
a
130
宽度
b
100
高度
c
50
介质板
长度
Sub_l
80
宽度
Sub_w
50
馈线
馈点
Point
0
长度
Length
50
宽度
Strip_w
3
缝隙
长度
Cut_l
36
宽度
Cut_w
2
3.2.3HFSS仿真设计
3.2.3.1新建设计工程
点击File下的New按钮,新建一个工程。
如图3.2.3.1.1
图3.2.3.1.1建立新的工程
3.2.3.1.2.设置求解类型
(1)在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。
(2)在弹出的SolutionType窗口中:
选择DrivenModal。
(3)点击OK按钮,如图3.2.3.1.2。
图3.2.3.1.2设置求解类型
3.2.3.1.3.设置模型单位
(1)在菜单栏中点击Modeler>Units,在设置单位窗口中选择:
mm。
(2)点击OK按钮,如图3.2.3.1.3。
图3.3设置模型单位
3.2.3.2添加和定义设计变量
在HFSS中定义和添加如表3.2.2所示的设计变量。
从主菜单中选择HFSS>DesignProperties命令,打开设计属性对话框,在该对话框中单击
按钮,打开AddProperty对话框。
在Name文本框中输入第一个变脸名称a,在Value文本框中输入该变量的初始值130mm,然后单击
按钮,即可添加变量a到设计属性对话框中。
变量的定义和添加过程如图3.2.3.2.1所示。
图3.2.3.2.1定义变量
使用相同的操作方法,分别按表3.2.2定义b,c,Sub_l,Sub_w,Point,Length,Strip_w,
Cut_lh,Cut_wh。
定义完成后,确认设计属性对话框如图3.2.3.2.2
图3.2.3.2定义所有变量后的设计属性对话框
3.2.3.3设计建模
3.2.3.3.1.创建介质基片
(1)在菜单栏中点击Draw>Box。
(2)在属性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该长方体的名字改为Substrate,在Material中将材料设置为Roger5880,设置其透明度为0.6。
如下图3.2.3.1.1
图3.2.3.1.1Attribute选项卡
(3)双击操作历史树Substrate下的CreateBox节点,打开Command选项卡,在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标(-Sub_w/2,-Sub_l/2,0),在XSize,YSize,和Zsize文本框中分别输入长方体的宽,长,高:
Sub_w,Sub_l,-1,如图3.2.3.1.2。
图3.2.3.1.2Command选项卡
此时就创建好了名为Substrate的介质基片。
然后按Ctrl+D全屏显示创建的物体模型,如图3.2.3.1.3
图3.2.3.13.创建的介质基片
3.2.3.3.2.创建GND
(1)点菜单栏中的Draw按钮,选择Rectangl。
(2)在属性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该长方体的名字改为GND,设置其透明度为0.8。
(3)双击操作历史树GND下的CreateBox节点,打开Command选项卡,在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标(-Sub_w/2,-Sub_l/2,0mm),在XSize,YSize文本框中分别输入长方形的宽,长:
Sub_w,Sub_l,,如图3.2.3.2.1。
图3.2.3.2.1
(4)设置GND为理想边界。
在菜单栏中选择Edit>Select>ByName。
在对话框中选择GND,点击OK。
在菜单栏中选择HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。
在理想边界设置窗口中,将理想边界命名为PerfE_GND,点击OK。
如图3.2.3.2.2
图3.2.3.2.2创建GND为理想边界
3.2.3.3.3.创建缝隙Slot
(1)点菜单栏中的Draw按钮,选择Rectangl。
(2)在属性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该长方体的名字改为Cut,设置其透明度为0.8。
(3)双击操作历史树GND下的CreateBox节点,打开Command选项卡,在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标(-Cut_l/2,-Cub_w/2,0mm),在XSize,YSize文本框中分别输入长方形的长,宽:
Sub_l,Sub_w,,如图3.2.3.3.1。
图3.2.3.3.1
(6)将Cut减去。
在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中按ctrl依次选择Cut,GND。
在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Substrate,在弹出的Substrct对话框中Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选。
如图3.2.3.3.2
图3.2.3.3.2
点击OK结束,Slot做好如图3.3.2.3.3.3
图3.2.3.3.2创建缝隙Slot
3.2.3.3.4.绘制StripFeed
(1)点菜单栏中的Draw按钮,选择Rectangl。
(2)在属性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该长方体的名字改为StripFeed,设置其透明度为0.5。
(3)双击操作历史树StripFeed下的CreateBox节点,打开Command选项卡,在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标(Point,-Sub_l/2,-1mm),在XSize,YSize文本框中分别输入长方形的宽,长:
Strip_w,Length
(4)为StripFeed设置边界。
选择StripFeed,在菜单栏中选择HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。
在理想边界设置窗口中,将理想边界命名为PerfE_S,点击OK
3.2.3.3.5绘制Feed
(1)选择ZX平面,
点菜单栏中的Draw按钮,选择Rectangl。
(2)在属性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该长方体的名字改为Feed,设置其透明度为0.6。
(3)双击操作历史树StripFeed下的CreateBox节点,打开Command选项卡,在该选项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标(Point,-Sub_l/2,-1mm),在XSize,ZSize文本框中分别输入长方形的宽,长:
Strip_w,1mm.
(4)设置集总端口激励,)选中操作历史树StripFeed,然后单击鼠标右键,选择AssignExcitation>LumpedPort,打开LumpedPort对话框,在Name文本框中输入端口名称P1,在Resistance,Reactance文本框中分别输入在50ohm,0ohm。
然后单击下一步,打开Modes对话框。
在IntegrationLine中单击None,在其下拉菜单中选择NewLine,划积分线。
如图3.2.3.5
图3.2.3.5完成后的集总端口
3.2.3.3.6.添加AirBox
(1)在菜单栏中点击Draw>Box。
(2)在属性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该长方体的名字改为Air,在Material中将材料设置为vacuum,设置其透明度为0.9。
(3)双击操作历史树Air下的CreateBox节点,打开Command选项卡,在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。
在Position文本框中输入顶点位置坐标(-b/2,-a/2,-c/2),在XSize,YSize,和Zsize文本框中分别输入长方体的宽,长,高:
b,a,c。
(4)创立辐射边界,选中Air,右击选择AssignBoundary>Radition命令,保持默认设置不变。
3.2.3.4求解设置
模型建完后,设置中心频率和扫描频率,点击HFSS>Analysissetup>addfrequencysweep、选择AddSolutionSetup,将频率设置为3GHz。
设置扫描频率,将start设置为1GHz,stop设置为10GHz,stepsize设置为1GHz,设置完成后,点击HFSS>validation>check检查错误,确认没有错误后,再点击HFSS>analyzeall,开始仿真。
3.2.3.5设计检查和运行仿真计算
3.2.3.5.1右击Results节点,在弹出的菜单中CreateModalSolutionDataReport>RectangularPlot命令,在Quantity选中S(P1,P1),在Function中选择dB。
单击Report生成S11如图3.2.5.1
图3.2.5.1
从分析结果中可知,天线的谐振频率6.4GHz上,而我们设计的中心频率为3GH,所以接下来要进行设计优化,使天线的谐振频率落在3GHz上。
3.2.3.6参数扫描分析
根据理论分析可知,微带缝隙天线的谐振频率主要由馈线的长度,馈点,缝隙的长度决定,首先对馈点进行参数扫描,分析谐振频率随馈点位置改变的关系,如图3.2.3.6.1.1
3.2.3.6.1馈点的影响
图3.2.3.6.1.1
由图3.2.3.6.1.1知,馈电位置的选择对谐振频率点的影响很大,对回波损耗S11影响也很大,在14-15之间比较好,然后再对馈点进行14-15之间的0.1步长的扫描分析,得到图3.2.3.6.1.2,取馈点位置为14.4mm,优化范围为14-14.6mm。
图3.2.3.6.1.2
3.2.3.6.2馈线长度的影响
馈线要到达缝才可以馈电,因此馈线的长度要大于介质板长度的一半,又馈线没有必要超出介质板,因此馈线的长度小于介质板点的长度,即Sub_l/2<Length<Sub_l。
取Length从40-55进行扫描,扫描结果如下图3.2.3.6.2.1
图3.2.3.6.2.1
由图3.2.3.6.2.1知,馈线的长度对谐振频率有影响,但影响不是很明显。
只有在40-43之间谐振频率为6GHz,其余的情形即Length>43时,谐振频率点都为3GHz,且在46mm时有较大回波损耗,故对Length从45至47继续进行扫描分析,取步长为0.1mm,扫描结果如下图3.2.3.6.2.2
图3.2.3.6.2.2
由图3.2.3.6.2.2知,在馈线长为45,9mm时,达到的回波损耗最大,为-35.4392db,优化范围为45.4mm-46.1mm。
3.2.3.6.3缝隙长度的影响
缝隙的长度为半个波长左右,对于自由空间,中心频率为3GHz的波长的一半为50mm,而对于Er=2.2的介质板说,其波长的一半为33.7mm,我们对缝长进行33mm-50mm的扫描,步长为1mm,结果如图3.2.3.6.3.1
图3.2.3.6.3.1
由图3.2.3.6.3.1知,缝的长度对谐振频率点的影响较大,谐振频率点的频率随着缝长的增大而降低,这一变化趋势符合波长公式f=v/λ。
注意到谐振频率为3GHz时,缝长在40-41之间有较低的回波损耗,我们再对缝长进行40mm-41mm的扫描,步长为0.1mm,结果如图3.2.3.6.3.2
图3.2.3.6.3.2
由图3.2.3.6.3.2知,在缝长为40.2mm时,回波损耗S11稳定,因此取Cut_l=40.2mm,优化范围为40-40.4mm。
3.2.3.6.4缝隙宽度的影响
因为缝隙有宽窄是与馈线的宽度相比较的,而馈线的宽度为3mm,窄缝的情况下缝的宽度要小于3mm,我们对缝宽进行0.5mm-3mm的扫描,结果如图3.2.3.6.4
图3.2.3.6.4
由图3.2.3.6.4可知:
在缝宽为1.1mm时,S11最小,天线性能最好,注意到缝宽为1.2mm的m2那点,S11发生突变,因此缝宽的优化范围应不包括m3那点,取优化区间0.6mm-1.1mm。
3.2.3.6.5馈线宽度的影响
因为馈线用的是微带线,而微带线的宽度是严格与介质(Er),中心频率(f0),微带线的厚度(h)相关的,由于本模型的Er,f0,h已经确定,因此微带线的宽度已经确定了,最优的微带线宽度不会变化太大,对微带线宽度进行2.5mm-3.5mm的扫描,步长为0.1mm,结果如图3.2.3.6.5
图3.2.3.6.5
由图3.2.3.6.5知,微带线的宽度为3mm,且变化的斜率较大,没有必要继续进行优化。
3.2.3.7查看优化后的天线性能
3.2.3.7.1优化后的参数
经过以上对主要影响天线辐射性能的参数进行扫描分析,我们得到这些参数的优化值和优化区间,如下表3.2.3.7.1
表3.2.3.7.1
辐射表面
介质板
馈线
缝隙
a
b
c
Sub_l
Sub_w
Point
Length
Strip_w
Cut_l
Cut_w
优化值(mm)
130
100
50
80
50
14.4
45.9
3
40.2
1.1
可优化区间(mm)
14-14.6
45.4-46.1
40-40.4
0.6-1.1
3.2.3.7.2天线性能查看
将各优化后的参数代入模型,扫频设置为从2.5GHz-3.5GHz,步长0.01GHz,重新运行仿真。
3.2.3.7.2.1查看S11参数
图3.2.3.7.2.1
从图3.2.3.7.2.1可以看出,此时的谐振频率为3GHz,在3GHz处的S11值约为-43.27dB,远远达到指标所定的-15dB。
3.2.3.7.2.2查看电压驻波比VSWR
图3.2.3.7.2.2
从图3.2.3.7.2.2可以看出,此时的谐振频率为3GHz,在3GHz处的VSWR值约为1.0155,且在2.9GHz-3GHz电压驻波比小于2,天线性能良好。
3.2.3.7.2.3查看S11的Smith圆图结果
图3.2.3.7.2.3
从图3.2.3.7.2.3可以看出,3GHz时的归一化阻抗为(1.0147+j0.0049),达到了很好的匹配状态。
3.2.3.7.2.3查看输入阻抗与辐射臂尺寸的关系
3.2.3.7.2.3.1输入阻抗与缝隙长度的关系
对缝隙长度进行35mm-50mm扫描,步长为1mm,结果如图3.2.3.7.2.3.1
图3.2.3.7.2.3.1
由图3.2.3.7.2.3.1知,缝的宽度主要影响输入阻抗的虚部,缝宽在39-40之间输入阻抗的虚部接近0,图上的m1点为优化值,其输入阻抗虚部为0.2435Ω,与m2相比,输入阻抗的虚部没有m2理想,但m1的输入阻抗为50.7364Ω,而m2的输入阻抗为26.5682Ω,在与特性阻抗为50Ω的传输线匹配方面,m1明显优于m2。
因此缝长取m1对应的缝长40.2mm。
3.2.3.7.2.3.2输入阻抗与缝隙宽度的关系
对缝隙宽度进行0.5mm-3mm扫描,步长为0.1mm,结果如图3.2.3.7.2.3.2
图3.2.3.7.2.3.2
由图3.2.3.7.2.3.2知,缝的宽度主要影响输入阻抗的实部,缝宽在0.7-1.1之间输入阻抗的实部接近50Ω,图上的m1点为优化值,其输入阻抗实部为50.7Ω,m2点输入阻抗实部为48.2Ω,相差不是很大,但在缝宽为1.2mm处存在突变点,到缝宽为1.5mm的m3点又较为理想。
因此缝宽的取值应按实际情况而定,此处应取m1对应的缝宽1.1mm。
3.2.3.7.2.3.3输入阻抗与馈线长度的关系
对馈线长度进行45mm-55mm扫描,步长为1mm,结果如图3.2.3.7.2.3.3
图3.2.3.7.2.3.3
由图3.2.3.7.2.3.3知,输入阻抗的随着馈线长度的增加而增大,馈线长度在45mm-47mm之间变化时输入阻抗从41Ω增加到65Ω,变化明显。
3.2.3.7.2.4查看方向图
3.2.3.7.2.4.1查看E面H面的方向图
要查看天线的远区场计算结果,首先要定义辐射表面,而辐射表面是在球坐标系下定义的,在球坐标系下,xz平面相当于φ=0的平面,yz平面相当于φ=90的平面。
下面定义φ=0和φ=90的平面为辐射表面。
在Phi角度对应的Start,Stop和StepSize文本框中分别输入0deg,90deg,90deg,在Theta角度对应的Start,Stop和StepSize文本框中分别输入-180deg,180deg,1deg。
生成的E面H面如下图3.2.3.7.2.4.1
图3.2.3.7.2.4.1
由图3.2.3.7.2.4.1知,虚线为E面,趋近于圆,H面为实线,为”8”形,与理论相符合。
3.2.3.7.2.4.2查看三维增益方向图
首先要定义三维立体球面为辐射表面。
在Phi角度对应的Start,Stop和StepSize文本框中分别输入0deg,360deg,1deg,在Theta角度对应的Start,Stop和StepSize文本框中分别输入1deg,180deg,1deg。
生成的三维增益方向图如下图
图3.2.3.7.2.4.2
3.2.4不同形状的缝对天线性能的影响
选用圆形的缝,馈线的宽度和窄缝的一样,都取3mm,影响缝隙形状为圆缝的微带缝隙天线的谐振频率和回波损耗S11的主要因素有馈线的长度,馈点,圆缝的半径,介质板的宽度。
经过对这些参数扫描后优化步骤后,我们得到这些参数的优化值和优化区间,如下表3.2.4
a
b
c
Sub_l
Sub_w
Point
Length
Strip_w
Cut_r
优化值(mm)
130
120
50
80
45.5
14.7
44.9
3
22.4
可优化区间(mm)
45-45.8
14.6-14.9
44.6-45.4
22-23
表3.2.4
3.2.4.1天线性能查看
将各优化后的参数代入模型,扫频设置为从2.5GHz-3.5GHz,步长0.01GHz,重新运行仿真。
3.2.4.1.1查看S11参数
图3.2.4.1.1
从图3.2.4.1.1可以看出,此时的谐振频率为3.01GHz,在3GHz处的S11值约为-26.56dB,达到指标所定的-15dB。
3.2.4.1.2查看电压驻波比VSWR
图3.2.4.1.2
从图3.2.4.1.2可以看出,此时的谐振频率为3.01GHz,在3GHz处的VSWR值约为1.0986,且在2.75GHz-3.38GHz电压驻波比小于1.5,天线性能良好。
3.2.4.1.3查看S11的Smith圆图结果
图3.2.4.1.3
从图3.2.4.1.3可以看出,3GHz时的归一化阻抗为(0.9965+j0.0938),达到了很好的匹配状态。
3.2.4.1.4查看E面H面的方向图
图3.2.4.1.4
由图3.2.4.1.4知,H面为实线,为”8”形,与理论相符合。
3.2.3.7.2.4.2查看三维增益方向图
四,实验小结
(1)通过本次试验,对微带缝隙天线这一形式的天线有了更为深刻的认识,通过对影响天线性能的参数进行参数扫描,形象的了解到各参数对天线性能影响的权重。
(2)通过本次试验,基本了解HFSS这一软件仿真设计微带缝隙天线的分析方法,设置操作和流程。
掌握了对HFSS中的建模操作,了解边界条件的类型和正确的设置边界条件的方法。
了解了三种主要的激励适用的环境和正确的设置方法。
掌握了正确高效的利用HFSS软件中的Optimimetrics功能模块。
(3)通过本次试验,知道如何正确的定义远区场的辐射表面,如何正确的调用HFSS软件查看天线的性能参数:
回波损耗S11,电压驻波比VSWR,输入阻抗,E面的增益方向图,H面的增益方向图,三维增益方向图。
(4)缝隙形状为圆缝的微带缝隙天线与窄缝的微带缝隙天线相比,在带宽方面,圆缝宽于窄缝;但在增益方面,窄缝优于圆缝;在方向图上,圆缝的E面不是圆形,有方向性。
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