HFSS之天线设计实例

您所在的位置：网站首页 › 滤波器s参数图分析 › HFSS之天线设计实例

HFSS之天线设计实例

2024-02-28 01:22| 来源: 网络整理| 查看: 265

矩形微带天线

微带天线尺寸计算

微带线的3个关键指标如以下

HFSS设计流程

新建工程并设置求解类型

天线建模

添加求解设置和扫频设置

天线建模步骤

谐振点查看

优化设计

查看天线分析结果

3D增益

Smith圆图

S参数

驻波比

平面增益

方向性系数\增益\轴比

矩形微带天线

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年代初期制造出来了实际的微带天线

一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数 $\varepsilon _r$ 和损耗正切、介质层的长度LG和宽度WG。

矩形贴片微带天线的工作主模时TM10模，意味着电场在长度L方向上有的改变，而在跨度W方向上保持不变。在长度L方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，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。

图1 矩形贴片天线微带天线尺寸计算

在给定介质层厚度（h）、介电常数（ $\varepsilon _r$ ）、的情况下，矩形微带天线的工作频率和辐射元的长度L、辐射元的宽的W相关

$L=L_{eff}-2\Delta L=\lambda _0/\sqrt{\varepsilon_{eff} }-2\Delta L=\frac{c}{2f_0}\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_{eff} }}--2\Delta L$

$W=\frac{c}{2f_0}\left ( \frac{\varepsilon _r+1}{2} \right )^{-1/2}$ $\varepsilon _{eff}=\frac{\varepsilon _r+1}{2}+\frac{\varepsilon _r-1}{2}\left ( 1+12\frac{h}{W} \right )^{-1/2}$

$\Delta L=0.412h\frac{\left ( \varepsilon _{eff}+0.3 \right )\left ( W/h+0.264 \right )}{\left ( \varepsilon _{eff}-0.258 \right )\left ( W/h+0.8 \right )}$

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L方向上电场有半波长的改变，因此从L的中心点到两侧，阻抗逐渐变大

天线输入阻抗为50Ω时L方向上馈点的位置可以由下式计算：

$X_f=\frac{L}{2\sqrt{\xi _{re}\left ( L \right )}},\xi _{re}\left ( L \right )=\frac{\varepsilon _r+1}{2}+\frac{\varepsilon _r-1}{2}\left ( 1+12\frac{h}{L} \right )^{-1/2}$

本例设计的矩形微带天线工作与ISM频段，其中心频率为2.5GHz，无线局域网（WLAN），蓝牙，ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers RO4033，其相对介电常数 $\varepsilon_r=3.38$ 厚度 $h=5mm$ ；天线使用同轴线馈电。

微带线的3个关键指标如以下工作频率 $f_0=2.45GHz$ 介质板材的相对介电常数 $\varepsilon_r=3.38$ 介质板厚度 $h=5mm$

矩形贴片的宽度：W=41.4mm

矩形贴片的长度：L=31.0mm

馈点位置： $X_f=9.5mm,Y_f=0$

HFSS设计流程新建工程并设置求解类型

因为是使用同轴馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型

天线建模

模型的中心位于坐标原点，参考地和微带贴片使用理想导体来代替，在HFSS中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体；

参考地放置于坐标系中Z=0的XOY平面上，长度和宽度都去90mm

介质层位于参考地的正上方，其高度为5mm，长度和宽度都取80mm

微带贴片放置于Z=5mm的XOY平面上，长度L=31.0mm，宽度W=41.4mm，长度沿着X轴方向

使用半径为0.5mm的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体在XOY平面的中心位于（9.5mm,0），设置圆柱体材质为理想导体；圆柱体顶部于微带贴片相接，底部于参考面相接，在与圆柱体相接的参考面地面上需要挖出一个半径1.5mm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。

对于天线类问题的分析设计，在模型建好之后，用户不要忘记设置辐射边界条件，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长，2.45GHz时自由空间波长约为35mm，所以这里设置的辐射边界表面离微带线模型的距离为35mm，整个微带天线模型（包括参考地、介质层和微带贴片）的长✖宽✖高为90mm✖90mm✖5mm，所以辐射边界表面的长✖宽✖高可以设置为160mm✖160mm✖75mm

为了方便后续参数扫描分析和优化设计，在建模时发呢别定义变量length、Width和Xf来表示微带贴片的长度、宽度和同轴馈线的馈点位置

添加求解设置和扫频设置

天线中心工作频率在2.45GHz，因此设置HFSS的求解频率（即自适应哇哥哥剖分频率）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频段的回波损耗或者电压驻波比。

设计检查并运行仿真分析

天线建模步骤

第一步：新建工程并保存

第二步：设置驱动求解为模式驱动，并设置单位为mm

第三步：创建起始点（-45，-45，0）X和Y轴的宽度为（90，90）的矩形面平面地，并设置辐射元的理想导体电场

第四步：创建起始点（-40，-40，0）X、Y和Z的方向的大小为（80，80，5），介质层材质为Rogers RO4033

第五步：创建起始点（-15.5 ,-20.7 ,5）X和Y的长度和宽度分别31和41.4的辐射元，并设置辐射元的理想导体电场

第六步：创建起始点（9.5 ,0 ,0），半径为0.5mm，高度为5mm的圆柱体，并在平面地设置比圆柱体圆面稍大的圆形孔，圆孔中心坐标为（9.5，0，0），半径为1.5mm。最后用平面地减去圆孔。

第七步：创建起始点（-80 ,-80 ,-35）X、Y和Z的方向的大小为（160，160，75）的真空辐射边界，并设置辐射边界条件。