微波技术与天线实验三.docx
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微波技术与天线实验三
微波技术与天线实验报告
姓名
王超
学号
411109060225
实验日期
2013.4.15
实验名称
微带贴片天线设计实验
实验类型
设计性
实验目的
1.熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。
2.掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。
实验内容
使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现,创建设计模型,进行求解设置,设置求解频率为2.45GHz,同时添加1.5-3.5GHz的扫频设置,分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比,并运行仿真计算。
将谐振频率落在2.45GHz频点上。
最后进行相关的数据后处理。
实验原理
微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线,具有质量轻、体积小、易于制造等特点,本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz,采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。
微带天线的基本参数:
工作频率2.45GHz,介质板相对介电常数3.38,介质层厚度5mm,矩形贴片宽度41.4mm,辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm,参考地长宽为61.8mm*71.4mm,同轴线馈点坐标(9.5,0)。
要求设计的天线最大增益大于7dB。
前后比大于5dB。
实验步骤及结果
1.新建HFSS工程
1.1运行HFSS并新建工程MSA.hfss
1.2设置求解类型
图1.新建HFSS工程
图2.设置求解类型
2.创建微带天线模型
2.1设置默认的长度单位为mm
图3.设置默认的长度单位为mm
2.2建模相关选项设置
图4.建模相关选项设置
2.3创建参考地
在Z=0的XOY面上创建一个顶点位于(-45mm,-45mm),大小为90mm×90mm的矩形面作为参考地,命名为GND,并为其分配为理想导体边界条件。
2.4创建介质板模型
创建一个长、宽、高为80mm×80mm×5mm的长方体作为介质板层,介质板层的底部位于参考地上,其顶点坐标为(-40,-40,0),介质板的材料为R04003,
介质板层命名为Substrate
2.5创建微带贴片
在Z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为(-15.5mm,-20.7mm,5mm),大小为
30.0mm×41.4mm的矩形面作为微带贴片,命名为Patch,并为其分配理想导体边界条件。
2.6创建同轴馈线的内芯
创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯,圆柱体的半径为0.5mm,长度为5mm,圆柱体底部圆心坐标为(9.5mm,0,0),材质为理想导体,同轴馈线命名为Feed。
2.7创建信号传输端口面
同轴馈线需要穿过参考地面,传输信号能量,因此需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输。
圆孔的半径为1.5mm,圆心坐标为(9.5mm,0,0),并将其命名为port.
2.8创辐射边界表面
创建一个长方体,其顶点坐标为(-80,-80,-35),长方体的长宽高为160mm×160mm×75mm,长方体模拟自由空间,因此材质为真空,长方体命名为Air,创建好这样一个长方体之后,设置其四周表面为辐射边界条件。
、
图5微带贴片天线模型
3.设置激励端口
设置同轴信号端口面的激励方式为集总端口激励。
4.添加和使用变量
添加设计变量Length,初始值为30.0mm,用以表示微带贴片天线的长度,添加设计变量Width,初始值为41.4mm,用以表示微带贴片天线的宽度,添加设计变量Xf,用以表示同轴馈线的圆心点的X轴坐标。
4.1添加设计变量
4.2在模型中使用变量
使用变量Length和Width表示微带贴片的长度和宽度,并设置微带贴片的起点坐标为(-Length/2,-Width/2,5mm),使用变量Xf代替同轴馈线Feed的底部圆心和集总端口Port的圆心在x方向的坐标。
5.求解设置
本节设计的微带贴片天线的中心工作频率在2.45GHZ,因此设计HFSS的求解频率为2.45GHZ,同时添加1.5∽3.5GHZ的扫频设置,选择快速(fast)扫频类型,分析天线在1.5∽3.5GHZ频段的回波损耗或电压驻波比。
5.1求解设置
5.2扫频设置
6.设计检查和运行仿真设计
图6设计检查
7.查看天线谐振点
查看天线端口回波损耗即S11的扫频分析结果,给出天线的谐振点。
图7S11的扫频曲线
由图可以看出,当频率为3.4GHZ时,S11最小,S11的最小值约为-17DB。
8.优化设计
由图7所示的扫频曲线报告可以看出,根据计算的尺寸设计出的微带天线谐振点在2.35GHZ,与期望的中心频率2.45GHZ相比,存在一定的误差,所以需要优化设计,使天线的谐振频率落在2.45GHZ上。
根据理论分析可知,矩形微带天线的谐振频率由微带贴片天线的长度和宽度决定,贴片尺寸越小谐振频率越高,接下来我们首先使用参数扫描分析功能进行参数扫描分析,分析谐振频率点分别随着贴片长度Length和宽度Width的变化关系,然后进行优化设计,优化微带贴片长度Length和宽度Width,使天线谐振频率落在2.45GHZ。
8.1参数扫描分析
为了节省计算时间,在进行参数扫描分析之前,把扫频设置项Sweep1的频率范围设置为2.2∽2.8GHZ。
8.1.1变量Length的扫描分析
图8不同的Length对应的S11曲线
从图的曲线报告可以看出,当微带贴片天线的宽度固定时,微带天线的谐振频点随着微带贴片长度Length的减小而变大,当Length=29.5mm时,谐振频点约为2.45GHZ。
8.1.2变量Width扫描分析
图9不同的Width对应的S11曲线
从图所示的S11曲线报告中可以看出,当微带贴片长度Length固定时,微带贴片宽度Width的改变对矩形微带天线谐振频点的影响很小。
8.2优化设计
通过上一节的参数扫描分析,我们知道微带贴片天线的长度Length的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响显著,,而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响很小,当Length=29.5mm时,Width=41.4mm时,谐振频率约为2.45GHZ。
因此进行优化设计时,只需要优化变量Length,并可设置变量Length的优化范围为29∽30mm。
优化算法选择SNLP,目标函数取S11的最小值,在HFSS中即取dB(S(P1,P1))的最小值
9.查看优化后的天线性能
9.1查看S11参数
图10Length=29.5mm时,Width=41.4mm时S11的扫频曲线
从S11扫频曲线的报告可以看出Length=29.5mm时,Width=41.4mm时,天线谐振点在2.45GHZ,此时S11≈16.6dB。
9.3查看S11参数的Smith圆图结果
图11S11参数的史密斯圆图
在报告图中标记出2.45GHZ的位置,标记处显示在2.45GHZ时,天线的归一化输入阻抗为(0.91-j0.27)Ω。
9.4查看电压驻波比
图12电压驻波比报告图
在VSWR报告图2.4GHZ和2.5GHZ位置作标记可见在2.4∽2.5GHZ频段,VSWR<
1.85。
9.4查看天线的三维增益方向图
图13三维增益方向图
从三维增益方向图中可以看出,该微带贴片天线最大辐射方向是微带贴片的法向方向,及Z轴方向,最大增益约为7.4dB。
9.5查看平面方向图
图14E平面增益方向图
9.6其他天线参数
HFSS在天线问题的数据后处理中,可以给出工作频率上辐射强度、方向性、前后比等各种天线参数的计算结果。
图15天线性能参数
实验结果分析及总结
在前面的分析设计中,我们只优化了微带贴片天线的长度,使天线的谐振频点(也就是中心工作频率)落在2.45GHZ,但是天线在2.45GHZ时的输入阻抗并没有达到标准的50Ω,由以上分析结果可知,其归一化的输入阻抗值为(0.91-j0.27)Ω,优化后的天线性能并没有达到理想值,可以继续使用参数扫描功能分析变量Xf的变化对输入阻抗的影响,然后优化变量Xf,达到更好的性能。
教师评语
实验成绩
教师签字:
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