HFSS双频微带天线设计

一设计内容简介双频工作是微带天线设计的重要课题之一， 相关的设计包括使用多层金属片，具槽 孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽 孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片 的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电， 就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图 1所示。图1故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的 中心频率为GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为 10mm,表示的中心频率为 GHZ。输入阻抗为50欧姆。设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向 是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使用理 想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质为pec 的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其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50欧姆。HFSS仿真设计过程(1) 运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文 件，工程名为Dual文件。(2) 设置求解类型：选择 hfss Solution Typ趟中Driven Modal,然后点击 OK。(3) 设置模型长度：选择 ModelerUnits选项设置为mm。点击OK。2.添加和定义设计变量在HFSSDesign Propertied命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称 H，在value文本框中输入该变量的初始值为 1.6mm。使用一样的方法，分别定义变量 L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm,37.26mm,7mm, 30mm， 10mm点击确定。设计属性对话框如下列图。(1) 创建介质基片：在主菜单中选择DrawBox命令，进入创建长方体的状态， 然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate设置材质为FR4_epoxy,CreateBox选项，打开 mand选项卡， 在position文本框中输入顶点位置坐标为-L0，-W0， 0，在Xsize,Ysize和Zsize 文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate的介质基片模型。然后按Ctrl + D全屏显示物体模型。图3-1介质基片模型(2) 创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw rectangle命令，进入创建矩形面的状 态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch设置透明度为0.4. 再双击历史树 Substrate下的 Createrectangle选项，打开 mand选项卡，在 position 文本框中输入顶点位置坐标为-L0/2，-W0/2，H，在Xsize,Ysize文本框中分别 输入矩形面的长宽为L0, W0。如图3-2所示。这时就创建好了名称为 patch辐射 贴片模型。然后按Ctrl D全屏显示物体。图3-2 辐射贴片模型(3) 创建参考地：在主菜单中选择Draw rectangle命令，进入创建矩形面的状态， 然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectanglel选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为GND,设置透明度为04再双击历史树 Substrate下的 Createrectangle选项，打开 mand选项卡，在 position 文 本框中输入顶点位置坐标为-L0，-W0，0，在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩 形面的长宽为2*L0，2*W0。如图3-3所示。这时就创建好了名称为GND的参考地模型。然后按Ctrl D全屏显示物体模型。图3-3参考地模型4创建同轴馈线的内芯：在主菜单中选择Draw Cylinder命令，进入创建圆柱 体的状态，然后任意创建一个圆柱体。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把圆柱体的名称修改为Feed设置其材质为pec再双击历史树 Substrate下的CreateCylinder选项，打开 mand选项卡，在 position文本框中输入顶点位置坐标为L1，L2，0，在Radius文本框中分别输入 圆柱体的半径为0.6。在Height文本框中分别输入圆柱体的长度为H。如图3-4所示。这时就创建好了名称为Feed的圆柱体同轴馈线内芯模型。然后按 Ctrl D全屏 显示物体模型。图3-4同轴馈线内芯模型5创建信号传输端口面：同轴线馈电需要穿过参考地面来传输信号能量。因 此，需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输。首先在参考地面上创建 一个半径为1.5mm,圆心坐标为L1，0，0的圆面，并将其命名为Porto然后 在执行相减操作，使用参考地面减去圆面，从而在参考地面上开出一个圆孔。在主菜单中选择 Draw Circle命令，进入创建圆面的状态，然后任意创建一个 圆面。双击Solids节点下的Circle选项，打开新建圆面属性对话框的 Attribute选项 卡，把矩形面的名称修改为 Porto再双击历史树Port下的CreateCircle选项，打开 ma nd选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为L1，L2，0，在Radius 文本框中分别输入圆面的半径为1.5。如图3-5所示。这时就创建好了名称为Port的信号传输端口面模型。然后按 Ctrl D全屏显示物体模型。图3-5信号传输端口面模型使用相减操作在参考地面挖一个圆孔。按住 Ctrl键的同时单机GND和Port 选项，选中这两个平面。然后在主菜单中选择Modeler BooleanSubstrate命令, 打开如图3-6所示的对话框。同时为保存圆面 port,需要选中对话框中的Clone tool objects before operation复选框。最后点击 OK。图3-6至此，就创建好了同轴线馈电的矩形微带天线的设计模型，如图3-7所示。图3-74设置边界条件1把辐射贴片Patch和参考地设置为理想导体边界。选中patch和gnd然后单击右键，在弹出的快捷菜单中选择assign boun dary perfectE命令，打开理想导体边界条件设置对话框，保存 默认设置不变，点击确定。2设置辐射边界条件：在主菜单中选择Draw Box命令，进入创建长方体的 状态，然后任意创建一个长方体。双击 Solids节点下的Box1选项，打开新建长 方体属性对话框的Attribute选项卡，把长方体的名称修改为 AirBox,设置透明度 为0.8。再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开mand选项卡，在position 文本框中输入顶点位置坐标为 -L0/2-length , -W0/2-length, -10，在 Xsize,Ysize 和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为 (L0+2*lengt，W0+2*length， 10mm+H+le ngth)。如下列图。单击AirBox选项，右击选择assignboundary radiation,保存默认设置不变，点 击确定。5设置端口激励：单击port,选择port后，右击选择assign excitatio nlumped port命令，打开集总端口设置对话框。在 n ame文本 框输入名称1，点击下一步，在 mode对话框中，单击impedanee line项的none, 选择new line，此时输入起始坐标7.6,0,0，再输入坐标0.9,0,0，并确定。 完成集总端口设置。6:求解设置 :选择菜单：HFSSAnalysisSetupAdd Solution Setupa。点击通用Gen era键求解频率：2.45GH，最大通过数目：20,通过的最大DeltaS: 0.02，点击确定按钮。增加扫频选择菜单 HFSSAnalysisAdd Sweep, 选择求解设置：Setupl ，点击确定按钮。编辑扫频窗口，扫描类型：快速Fas 频率设置类型：线形计数Linear Count开始(Start): 1.0GHz，完毕Stop: 3GHz，计数Count： 0.01GHZ点击确定按钮。7.设计检查和运行仿真计算：1模型检查，选择菜单：HFSS Validation Cheek，点击关闭Close按钮。 注意：使用信息管理器可以看到任何错误或警告信息。2求解过程，选择菜单：HFSS Analyze All。8结果与分析:1查看天线的谐振频率：查看天线信号的端口回波损耗即S11的扫频分析结果。右键单击工程树下的 result节点，在弹出的菜单中选择 create modal solution data report rectangular pc命令，打开报告设置对话框，选择 sttup1:sweep1 在 category 列表框选中S parameter选项，在quantity列表框选中S 1,1，在Function列表框 选中dB。然后单击New Report按钮。再单击close按钮。如图8-1所示oXY Plot 2MFSSDesignl 是1.f5 2.to 2_iS 50 Z?5 3JoaFrtiu .UH4F- HFSSOwil - XV Pkx 2Ciruf Tis曰比虫1.1甘 5OLW I 图8-1 S11扫频分析结果3 w a号1 1二 LJnJJE从结果报告中可以看出，矩形微带天线出现了两个谐振点，一个谐振点为2.45GHZ, 且S11的值为-24.0917dB。另一个谐振频率为1.7GHZ，此时的S11值为-11.3013dB。2查看S11的Smith圆图结果：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中 选择create modal solution data report SmithrChart命令，打开报告设置对话框，选 择Trace选项卡的参数。然后单击 New Report按钮，得Smith原图结果，如图8-2 所示。图8-2从结果报告中看出，1.7GHZ是的归一化阻抗为。2.45GHZ是的归一化阻 抗为,在两个工作频点都达到了很好的阻抗匹配。32.45GHZ时的增益方向图：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择 create far fields report -radiation pattern命令，打开报告设置对话框，在 geometry 列表框选中之前定义的辐射外表 EH Plane选项，在category列表框选中gain。选 项在quantity列表框选中gaintotal,在Function列表框选中dB。然后单击New Report按钮。再单击close按钮。如图8-3所示。如图8-3三维增益方向图：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择create far fields report 43D polar polt命令，打开报告设置对话框，在 geometry列表框选中之 前定义的辐射外表 3D选项，在category列表框选中gain。选项在quantity列表框 选中gaintotal,在Function列表框选中dB。然后单击New Report按钮。再单击close按钮。如图8-4所示图8-4